水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)

水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)摘要選取區(qū)域水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)程度的風(fēng)險(xiǎn)率、脆弱性、可恢復(fù)性、重現(xiàn)期和風(fēng)險(xiǎn)度作為評(píng)價(jià)指標(biāo),利用所給數(shù)據(jù)及所查詢的數(shù)據(jù)建立了基于集對(duì)分析—可變模糊集的區(qū)域水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型。最后選取與max{bij}對(duì)應(yīng)的評(píng)語為區(qū)域水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)判結(jié)果，對(duì)北京水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行五個(gè)等級(jí)劃分之后對(duì)北京水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析、評(píng)價(jià)、得出結(jié)論。結(jié)果表明,如果沒有南水北調(diào)工程,2010年整個(gè)北京的水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)將會(huì)處于高風(fēng)險(xiǎn)水平,水資源供需狀況極度危險(xiǎn),對(duì)水資源采取有效的風(fēng)險(xiǎn)管理措施已刻不容緩。預(yù)測結(jié)果與北京現(xiàn)狀的開發(fā)利用程度、缺水量相符,該模型具有一定的可操作性和實(shí)用性,并為區(qū)域水資源規(guī)劃和管理提供決策依據(jù)。關(guān)鍵詞:水資源短缺；集對(duì)分析；可變模糊集；風(fēng)險(xiǎn)分析；綜合評(píng)價(jià)引言水資源短缺受供給和需求兩個(gè)主要因素影響,當(dāng)供給不能滿足用水需求時(shí),就會(huì)出現(xiàn)水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)。水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是在其風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別和風(fēng)險(xiǎn)分析的基礎(chǔ)上,把損失頻率、損失程度以及其他因素綜合起來考慮,分析風(fēng)險(xiǎn)的影響,尋求風(fēng)險(xiǎn)對(duì)策并分析其影響,為風(fēng)險(xiǎn)決策創(chuàng)造條件。根據(jù)韓宇平等人所給出公式詳見參考文獻(xiàn)【1】，首先分析數(shù)據(jù)建立模糊數(shù)學(xué)模型，對(duì)北京水資源短缺劃分等級(jí)，并對(duì)其進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，以便對(duì)北京未來兩年水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測，最后提出一些應(yīng)對(duì)措施，保障人類生存和經(jīng)濟(jì)法展維持生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)平衡。1北京市水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)影響因子分析水資源系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)因子指引發(fā)水資源風(fēng)險(xiǎn)的自然和社會(huì)原因。主要有：水文風(fēng)險(xiǎn)因子、水力風(fēng)險(xiǎn)因子、結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)因子、可供水量風(fēng)險(xiǎn)因子、用水量風(fēng)險(xiǎn)因子、水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)因子和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)因子等。對(duì)于北京市，其水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)的風(fēng)險(xiǎn)因子可用圖1所示的北京水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)事故樹來進(jìn)行綜述。北京資源短缺風(fēng)險(xiǎn)北京資源短缺風(fēng)險(xiǎn)可供水量太少用水量太太水資源量太少 生活用水工業(yè)用水農(nóng)業(yè)用水其它用水水質(zhì)污染嚴(yán)重水文風(fēng)險(xiǎn)因子水力風(fēng)險(xiǎn)因子工程調(diào)蓄量太小環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)因子人口膨脹工業(yè)規(guī)模巨大萬元產(chǎn)值用水量大灌溉面積不確定灌溉定額不確定結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)因子其它原因技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)因子圖1北京水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)事故樹2模型構(gòu)建2.1風(fēng)險(xiǎn)率根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)理論,荷載是使系統(tǒng)“失事”的驅(qū)動(dòng)力,而抗力則是對(duì)象抵御“失事”的能力。如果把水資源系統(tǒng)的失事狀態(tài)記為F∈(λ>ρ),正常狀態(tài)記為S∈(λ<ρ),那么水資源系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)率為(1)式中:Xt為水資源系統(tǒng)狀態(tài)變量如果水資源系統(tǒng)的工作狀態(tài)有長期的記錄,風(fēng)險(xiǎn)率也可以定義為水資源系統(tǒng)不能正常工作的時(shí)間與整個(gè)工作歷時(shí)之比,即(2)式中:NS為水資源系統(tǒng)工作的總歷時(shí);It是水資源系統(tǒng)的狀態(tài)變量。2.2脆弱性脆弱性是描述水資源系統(tǒng)失事?lián)p失平均嚴(yán)重程度的重要指標(biāo)。為了定量表示系統(tǒng)的脆弱性,假定系統(tǒng)第i次失事的損失程度為Si,其相應(yīng)的發(fā)生概率為Pi,那么系統(tǒng)的脆弱性可表達(dá)為（3）式中:NF為系統(tǒng)失事的總次數(shù)。例如,在供水系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)分析中,可以用缺水量來描述系統(tǒng)缺水失事的損失程度。類似洪水分析,假定,即不同缺水量的缺水事件是同頻率的,這樣上式可寫為（4）式中:為第i次缺水的缺水量。上式說明干旱的期望缺水量可以用來表示供水系統(tǒng)的脆弱性。為了消除需水量不同的影響,一般采用相對(duì)值,即（5）式中:是第i次干旱缺水期的需水量。2.3重現(xiàn)期事故周期是兩次進(jìn)入失事模式F之間的時(shí)間間隔,也叫平均重現(xiàn)期。用d(μ,n)表示第n間隔時(shí)間的歷時(shí),則平均重現(xiàn)期為（6）式中:是0到t時(shí)段內(nèi)屬于模式F的事故數(shù)目。2.4可恢復(fù)性恢復(fù)性是描述系統(tǒng)從事故狀態(tài)返回到正常狀態(tài)的可能性。系統(tǒng)的恢復(fù)性越高,表明該系統(tǒng)能更快地從事故狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎＿\(yùn)行狀態(tài)。它可以由如下的條件概率來定義(7)上式亦可用全概率公式改寫為(8)引入整數(shù)變量（9）及（10）這樣,由式(8)可得（11）記，（12）則有(13)從上式可以看出,當(dāng),即水資源系統(tǒng)在整個(gè)歷時(shí)一直處于正常工作狀態(tài),則;而當(dāng),即水資源系統(tǒng)一直處于失事狀態(tài)(TF=NS),則β=0。一般來講,0<β<1。這表明水資源系統(tǒng)有時(shí)會(huì)處于失事狀態(tài),但有可能恢復(fù)正常狀態(tài),而且失事的歷時(shí)越長,恢復(fù)性越小,也就是說水資源系統(tǒng)在經(jīng)歷了一個(gè)較長時(shí)期的失事之后,轉(zhuǎn)為正常狀態(tài)是比較困難的。2.5風(fēng)險(xiǎn)度用概率分布的數(shù)學(xué)特征,如標(biāo)準(zhǔn)差σ或半標(biāo)準(zhǔn)差σ-,可以(14)(15)用σ、σ-比較風(fēng)險(xiǎn)大小雖簡單,概念明確,但σ-為某一物理量的絕對(duì)量,當(dāng)兩個(gè)比較方案的期望值相差很大時(shí),則可比性差,同時(shí)比較結(jié)果可能不準(zhǔn)確。為了克服用σ-可比性差的不足,可用其相對(duì)量作為比較參數(shù),該相對(duì)量定義為風(fēng)險(xiǎn)度FDi,即標(biāo)準(zhǔn)差與期望值的比值(也稱變差系數(shù))(16)風(fēng)險(xiǎn)度不同于風(fēng)險(xiǎn)率,前者的值可大于1,而后者只能小于或等于1。區(qū)域水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)的模糊綜合評(píng)判方法風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是在風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別和風(fēng)險(xiǎn)分析的基礎(chǔ)上,把損失概率、損失程度以及其它因素綜合起來考慮,分析該風(fēng)險(xiǎn)的影響,尋求風(fēng)險(xiǎn)對(duì)策并分析該對(duì)策的影響,為風(fēng)險(xiǎn)決策創(chuàng)造條件。本文采用上述定義的風(fēng)險(xiǎn)率、脆弱性、可恢復(fù)性、重現(xiàn)期、風(fēng)險(xiǎn)度作為水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)指標(biāo),采用模糊綜合評(píng)判方法對(duì)水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。設(shè)給定兩個(gè)有限論域U={u1,u2,u3,?,um}和V={v1,v2,v3,?,v4},其中,U代表綜合評(píng)判的因素所組成的集合;V代表評(píng)語所組成的集合。則模糊綜合評(píng)判即表示下列的模糊變換B=A×R,式中A為U上的模糊子集。而評(píng)判結(jié)果B是V上的模糊子集,并且可表示為A=(λ1,λ2，?,λm),0≤λi≤1;B=(b1,b2,?,bn),0≤bj≤1。其中λi表示單因素ui在總評(píng)定因素中所起作用大小的變量,也在一定程度上代表根據(jù)單因素ui評(píng)定等級(jí)的能力;bj為等級(jí)vj對(duì)綜合評(píng)定所得模糊子集B的隸屬度,它表示綜合評(píng)判的結(jié)果。表1各評(píng)價(jià)因素分級(jí)指標(biāo)水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)u1(風(fēng)險(xiǎn)率)u2(脆弱性)u3(可恢復(fù)性)u4(重現(xiàn)期)u5(風(fēng)險(xiǎn)度)v1(低)≤0.200≤0.200≥0.800≥9.000≤0.200v2(較低)0.200～0.4000.200～0.4000.601～0.8006.001～9.0000.201～0.600v3(中)0.401～0.6000.401～0.6000.401～0.6003.001～6.0000.601～1.000v4(較高)0.601～0.8000.601～0.8000.200～0.4001.000～3.0001.001～2.000v5(高)≥0.800≥0.800≤0.200≤1≥2.000由于水資源可恢復(fù)性和重現(xiàn)期是越大越優(yōu)性指標(biāo),所以對(duì)于u3、u4各評(píng)語級(jí)可構(gòu)造如下隸屬函數(shù):對(duì)于水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的因素集U而言,對(duì)應(yīng)一個(gè)測定指標(biāo)向量。其中,是U相對(duì)于的測定值。這樣便表示相對(duì)于因素μi而言屬于vi的程度。對(duì)于因素集U,便有下面的模糊關(guān)系矩陣水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)各因素的權(quán)重確定采用層次分析法(AHP),設(shè)權(quán)重計(jì)算結(jié)果為A=(λ1,λ2,?,λ5),于是可得出綜合評(píng)判向量在綜合評(píng)判中,我們選取“加權(quán)平均型”的M模型，該模型實(shí)際上蛻化為一般的實(shí)數(shù)加法,即(j=1,2…m)(17)選取與max{bij}對(duì)應(yīng)的評(píng)語為區(qū)域水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)判結(jié)果。3問題求解北京是世界上嚴(yán)重缺水的大都市之一，主要表現(xiàn)在:水資源供需嚴(yán)重失衡、水污染加劇和生態(tài)環(huán)境惡化。北京人均水量不足300m3,按國際公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)判斷,屬重度缺水。利用上述的水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的模糊綜合評(píng)判模型對(duì)北京的水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行綜合評(píng)判,成果見表2。表2北京2010年區(qū)域水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)分值v1v2v3v4v5綜合評(píng)價(jià)0.2100.1390.2160.5560.574高風(fēng)險(xiǎn)由綜合評(píng)判結(jié)果可以看出北京水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)處于高風(fēng)險(xiǎn)水平,可見水資源供需狀況極度危險(xiǎn),對(duì)水資源采取有效的風(fēng)險(xiǎn)管理措施已刻不容緩。4結(jié)論與建議4.1加強(qiáng)供需水管理,降低水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)由于區(qū)域面臨的水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)在很大程度上來自于區(qū)域需水和供水的相互作用,因此在技術(shù)層面上對(duì)其進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)管理應(yīng)該包括需水管理和供水管理兩個(gè)方面。(1)水資源需求管理是為抑制對(duì)水資源的過度需求、防止生態(tài)系統(tǒng)的破壞與水環(huán)境容量的衰減,決策者、規(guī)劃者、用水戶等所有利益相關(guān)者采取系統(tǒng)性行動(dòng),綜合利用法律、行政、經(jīng)濟(jì)、科技、教育、宣傳等一系列手段,以促進(jìn)水資源的公平合理配置和高效、可持續(xù)利用。(2)強(qiáng)化供水管理,應(yīng)用先進(jìn)技術(shù),增加水資源供應(yīng)量。(3)強(qiáng)化南水北調(diào)工程的管理。實(shí)施南水北調(diào)東線一期、二期工程和中線一期工程后,北京的水資源的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)有一定幅度的下降。但不可忽視對(duì)供水的管理，否則會(huì)削弱南水北調(diào)工程發(fā)揮的作用。（4）實(shí)施多種風(fēng)險(xiǎn)策略,減輕風(fēng)險(xiǎn)事件損失對(duì)于北京的水資源系統(tǒng)而言,通過規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)、轉(zhuǎn)移短缺風(fēng)險(xiǎn)和損前控制策略的實(shí)施,可以有效減輕水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)的影響。水資源豐富的縣區(qū)水資源系統(tǒng)所面臨的缺水風(fēng)險(xiǎn)無疑是工程性缺水或水質(zhì)性缺水,對(duì)于這樣的水資源。4．2設(shè)立風(fēng)險(xiǎn)基金,實(shí)施水資源短缺共擔(dān)水資源保障體系工程不單純是社會(huì)福利事業(yè),而且也是國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)中基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)的一部分,除國家財(cái)政負(fù)擔(dān)一部分建設(shè)費(fèi)用外,直接利益的生產(chǎn)、經(jīng)營單位以及家庭都應(yīng)負(fù)擔(dān)一部分費(fèi)用。4.3實(shí)施水資源戰(zhàn)略儲(chǔ)備,建立調(diào)水應(yīng)急方案通過分析北京歷史上發(fā)生過的主要水資源短缺事件,評(píng)價(jià)過去的水資源短缺影響,從中選擇有代表性的水資源短缺年份雨情、水情及其空間分布,作為水資源短缺預(yù)案研究的典型模式。北京水資源短缺危機(jī)供給預(yù)案如下:一是對(duì)跨省河流嚴(yán)格執(zhí)行枯水年和特枯水年全河水量定額分配制度。二是根據(jù)各用水部門對(duì)社會(huì)安定、國民經(jīng)濟(jì)的重要性以及水資源短缺期的供水情況,確定供水的優(yōu)先次序及其配供水量。比如,對(duì)城鎮(zhèn)和農(nóng)村生活用水,實(shí)行定時(shí)、限量供水;對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響較小且耗水量大的工廠，實(shí)行限產(chǎn)或停產(chǎn);對(duì)農(nóng)業(yè)用水，要考慮灌溉用水的季節(jié)變化,考慮農(nóng)作物生長所需的關(guān)鍵水和對(duì)商品菜田需水實(shí)行低限供水等,盡量保證人們最低的糧食和蔬菜需求,以保證社會(huì)安定和減少水資源短缺造成的損失。三是挖掘供水工程潛力,增加水資源短缺期供水。擴(kuò)大供水與蓄水管理緊密相關(guān)。水資源短缺期的蓄水管理就是要在保證下一年基本蓄水要求的條件下盡可能多地增加供水。在水資源短缺期蓄水工程的調(diào)度應(yīng)按照事先制定的不同水資源短缺期蓄、放水標(biāo)準(zhǔn)來運(yùn)行。根據(jù)旱情發(fā)展,適時(shí)調(diào)整工程的供水方式,動(dòng)用水庫的部分死水庫容,緩解水資源緊缺狀況,滿足重點(diǎn)部門的蓄水需求。四是水資源高度風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)應(yīng)實(shí)施水資源戰(zhàn)略儲(chǔ)備計(jì)劃。地下水的儲(chǔ)備對(duì)于應(yīng)對(duì)嚴(yán)重干旱是行之有效的方法。在控制地下水降深和不引起嚴(yán)重環(huán)境地質(zhì)問題的前提下,適當(dāng)超采地下水和適當(dāng)動(dòng)用