山西省海河流域水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)研究

王建云

（呂梁市水文水資源勘測分局，山西 呂梁　033000）

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山西省海河流域水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)研究

王建云

（呂梁市水文水資源勘測分局，山西 呂梁033000）

摘 要：為有效評價(jià)區(qū)域水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)狀況，以模糊綜合評價(jià)模型為基礎(chǔ)，利用改進(jìn)信息擴(kuò)散理論確定風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)等級，對山西省海河流域水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評價(jià)。結(jié)果表明：全流域、陽泉、忻州和晉中的評價(jià)向量為0.389 8、0.518 9、0.425 8和0.401 9，風(fēng)險(xiǎn)等級為三級，屬于中風(fēng)險(xiǎn)水平；長治的評價(jià)向量為0.389 6，風(fēng)險(xiǎn)等級為二級，屬于較低風(fēng)險(xiǎn)水平；大同和朔州的評價(jià)向量為0.481 8和0.486 5，風(fēng)險(xiǎn)等級為四級，屬于較高風(fēng)險(xiǎn)水平。

關(guān)鍵詞：山西省海河流域；水資源短缺；信息擴(kuò)散理論；風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

水資源短缺是現(xiàn)階段亟需解決的關(guān)鍵問題之一，水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)是風(fēng)險(xiǎn)識別和管理的基礎(chǔ)，已引起社會(huì)和研究人員的廣泛關(guān)注，也取得豐富的研究成果［1，2］。近年來有關(guān)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的方法和模型層出不窮，主要有模糊綜合評價(jià)法、層次分析法、極值統(tǒng)計(jì)學(xué)法、物元模型、灰色隨機(jī)風(fēng)險(xiǎn)分析、德爾菲法、蒙特卡羅不確定性分析法、最大熵風(fēng)險(xiǎn)分析方法、支持向量機(jī)法和主成分分析法等［3-5］。由于水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)的產(chǎn)生是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，不同因素之間具有一定的關(guān)聯(lián)性，各類風(fēng)險(xiǎn)影響的模糊因素不易被精確量化，風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)也不易鎖定；由于人類社會(huì)發(fā)展水平的限制，使得風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)內(nèi)部的因果機(jī)理不清；同時(shí)，人們對風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)觀測得到信息不全，可能還存在一些未知的或未預(yù)見的風(fēng)險(xiǎn)因素，風(fēng)險(xiǎn)信息的不完備性也是準(zhǔn)確進(jìn)行水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的重要瓶頸。

基于此，筆者在借鑒和吸收已有風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法等相關(guān)成果的基礎(chǔ)上，將改進(jìn)的信息擴(kuò)散模型引入水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)研究，以期為水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)問題提供一種有效的解決途徑。

1　研究區(qū)域

山西省海河流域面積5.9萬km2，占全省總面積的37.8%，流域多年平均年降水量489.1 mm，多年平均水資源總量為48.5億m3，人均占有水資源量為390.8 m3（按2012年人口計(jì)算），略高于全省水平。河流除北部匯水面積較小的少數(shù)支流自內(nèi)蒙古自治區(qū)流入山西省外，其余均呈輻射狀自省內(nèi)向四周發(fā)散，總體上屬于自產(chǎn)外流型水系，自北向南分布有永定河、大清河、滹沱河、漳河及衛(wèi)河5個(gè)流域。2012年流域總?cè)丝? 241萬人，其中城鎮(zhèn)人口625萬人，城鎮(zhèn)化率50.3%。山西省海河流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)達(dá)，歷史上曾多次發(fā)生特大干旱尤其是連續(xù)特大干旱，造成極其慘重的損失和嚴(yán)重的社會(huì)經(jīng)濟(jì)倒退，現(xiàn)有供水體系抗御嚴(yán)重干旱和特大干旱能力不足。筆者選擇山西省海河流域內(nèi)的大同、陽泉、長治、朔州、忻州和晉中市為研究對象，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表1。

表1　水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

2　評價(jià)方法

2.1基本原理

信息擴(kuò)散理論的基本思想是對于一個(gè)給定的信息不充分的樣本或者小樣本而言，假定用該樣本可估計(jì)一個(gè)在論域上的關(guān)系，當(dāng)且僅當(dāng)給定樣本不完備時(shí)，必定存在一個(gè)相應(yīng)的算子和適當(dāng)?shù)臄U(kuò)散函數(shù)，使得擴(kuò)散估計(jì)比非擴(kuò)散估計(jì)更靠近真實(shí)關(guān)系［6-8］。

假設(shè)U是基礎(chǔ)論域，令w=｛wi｝是一個(gè)可以用算子（模型）估計(jì)關(guān)系R的給定樣本，li為U上的監(jiān)控點(diǎn)，記x=φ（wi-li）。如果估計(jì)是用FSD（X）得到（FS代表模糊樣本），則此估計(jì)稱為R的擴(kuò)散估計(jì)，表示為：R-（r,D（w））=｛r（μ（wi,u））|wi∈w,u∈U｝，r是一個(gè)合理的算子，μ（wi,u）是w在U上的擴(kuò)散函數(shù)。

2.2模型改進(jìn)

基本信息擴(kuò)散模型的正態(tài)信息擴(kuò)散函數(shù)表現(xiàn)的是一種均勻擴(kuò)散過程，但在實(shí)際應(yīng)用中，由于風(fēng)險(xiǎn)信息等影響，使得各要素間可能存在某些非對稱的結(jié)構(gòu)或規(guī)律。信息擴(kuò)散的非均勻性可將信息向周圍均勻擴(kuò)散的“圓”特征擴(kuò)展為以“橢圓”為特征的非對稱擴(kuò)散函數(shù)，擴(kuò)散慢的方向與橢圓的短軸對應(yīng)，擴(kuò)散快的方向與橢圓的長軸對應(yīng)，得出如下形式的非對稱擴(kuò)散函數(shù)：

式中：f（u）為信息擴(kuò)散函數(shù)；λ為伸縮系數(shù)（橢圓長軸與短軸比的平方）；h為擴(kuò)散系數(shù)，可根據(jù)樣本集合中的最大值和最小值以及樣本個(gè)數(shù)來確定；x，y為空間坐標(biāo)變量；k為橢圓長軸的斜率。

當(dāng)λ=1時(shí)，式（1）退化為常規(guī)的“圓”均勻信息擴(kuò)散函數(shù)，為二維正態(tài)信息擴(kuò)散函數(shù)。

對于多維（m維）非對稱擴(kuò)散函數(shù)，去除單位的影響和量綱并拓展變形后可表示為：

式中：fj（ui）為信息擴(kuò)散函數(shù)；ui為觀測樣本擴(kuò)散的可能取值；j為觀測樣本，i為樣本個(gè)數(shù)，i=1,2,…,m；j=1,2,…,n；其他符號意義同上。

當(dāng)多維擴(kuò)散方向與橢圓的短軸與長軸不重合時(shí)，經(jīng)坐標(biāo)變換后可得到多維非對稱擴(kuò)散函數(shù)，若擴(kuò)散方向從原來的xi軸變?yōu)榕cxi軸夾角為θi的方向，通過變換可得到新的非對稱擴(kuò)散方程：

對于擴(kuò)散函數(shù)分布而言，其相應(yīng)的隸屬度函數(shù)為：

式中：μj（ui）為隸屬度函數(shù)；其他符號意義同上。

當(dāng)樣本指標(biāo)經(jīng)信息擴(kuò)散后，將其進(jìn)行歸一化處理，對于其取值為論域U中的任何一個(gè)時(shí)，則其觀測值ui的樣本個(gè)數(shù)可表示為：

則樣本指標(biāo)值落在ui處的頻率為：

式中：P（u≥ui）為所要求的風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)值；pj（uk）為樣本落在uk處的頻率值；其他符號意義同上。

當(dāng)ui的分值達(dá)到某等級的風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)值（對應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)等級臨界值）時(shí)，可得到各評價(jià)指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)等級。利用上述計(jì)算公式，可計(jì)算出各評價(jià)指標(biāo)在其論域內(nèi)每一個(gè)取值ui處的超越概率P。

3　模型計(jì)算

模型構(gòu)建的基本步驟如下：設(shè)定水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)因素的論域集，建立風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)；將觀測樣本攜帶的信息擴(kuò)散給論域中的所有點(diǎn)，利用非對稱擴(kuò)散方程得到相應(yīng)的隸屬度函數(shù)，進(jìn)而計(jì)算出各評價(jià)指標(biāo)在其論域內(nèi)每一個(gè)取值處的超越概率，得到評價(jià)指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)等級；根據(jù)第二步中不同風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)的等級，利用三角函數(shù)作為隸屬函數(shù)，按最大隸屬度原則進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)等級單指標(biāo)評價(jià)，組成模糊關(guān)系矩陣；采用熵值法確定權(quán)重；確定各風(fēng)險(xiǎn)因素對各評判結(jié)果的模糊綜合評價(jià)向量，給出評價(jià)對象的綜合評定結(jié)果。

按以下原則確定各指標(biāo)的分級標(biāo)準(zhǔn)：五級（風(fēng)險(xiǎn)很高），超越概率≥80%；四級（風(fēng)險(xiǎn)較高），60%≤超越概率≤80%；三級（風(fēng)險(xiǎn)偏高），40%≤超越概率≤60%；二級（一般風(fēng)險(xiǎn)），20%≤超越概率≤40%；一級（低風(fēng)險(xiǎn)），超越概率≤20%。利用式（4）—（6）計(jì)算山西省各地市評價(jià)指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)等級，見表2。

參照文獻(xiàn)［9］水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)模糊綜合評價(jià)的方法進(jìn)行計(jì)算，參照文獻(xiàn)［10］采用改進(jìn)熵值法確定指標(biāo)權(quán)重，具體過程不再贅述。并計(jì)算準(zhǔn)則層各風(fēng)險(xiǎn)因素的權(quán)重，即水資源子系統(tǒng)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)、水源儲備和供水子系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)的權(quán)重分別為0.391 2、0.024 7、0.242 2和0.341 9。

為比較直觀地說明水資源短缺的風(fēng)險(xiǎn)程度，將風(fēng)險(xiǎn)等級分為低風(fēng)險(xiǎn)、較低風(fēng)險(xiǎn)、中風(fēng)險(xiǎn)、較高風(fēng)險(xiǎn)和高風(fēng)險(xiǎn)共5個(gè)等級，風(fēng)險(xiǎn)級別按照綜合評分值評判，評判標(biāo)準(zhǔn)和各級別風(fēng)險(xiǎn)特征見表3，綜合評價(jià)結(jié)果見表4。

綜合考慮各地市水資源、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、水源儲備和供水以及生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)的影響因素，按照表3的風(fēng)險(xiǎn)級別，風(fēng)險(xiǎn)各級別按照綜合評分值評判。根據(jù)最大隸屬原則，由表4可知研究區(qū)最大評價(jià)向量為0.389 8，水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)等級為三級，屬于中風(fēng)險(xiǎn)水平；大同和朔州的最大評價(jià)向量為0.481 8和0.486 5，水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)等級為四級，屬于較高風(fēng)險(xiǎn)水平；陽泉、忻州和晉中的最大評價(jià)向量分別為0.518 9、0.425 8和0.401 9，水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)等級為三級，屬于中風(fēng)險(xiǎn)水平；長治的最大評價(jià)向量為0.389 6，水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)等級為二級，屬于較低風(fēng)險(xiǎn)水平。同時(shí)，也可看出其二、三級評價(jià)向量數(shù)值相差較小，說明水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)有向風(fēng)險(xiǎn)偏高水平發(fā)展的趨勢。

表2　水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)

表3　水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)級別標(biāo)準(zhǔn)

表4　各地市模糊綜合評價(jià)向量計(jì)算結(jié)果

4　結(jié)論

本研究利用改進(jìn)信息擴(kuò)散理論的水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)模糊評價(jià)模型，評價(jià)了山西省海河流域水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)狀況，得出如下結(jié)論：①對于全流域、陽泉、忻州和晉中而言，風(fēng)險(xiǎn)等級為三級，屬于中風(fēng)險(xiǎn)水平；②長治的風(fēng)險(xiǎn)等級為二級，屬于較低風(fēng)險(xiǎn)水平，但有向風(fēng)險(xiǎn)偏高水平發(fā)展的趨勢；③大同和朔州的風(fēng)險(xiǎn)等級為四級，屬于較高風(fēng)險(xiǎn)水平。

由于區(qū)域水資源系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜而龐大的復(fù)合系統(tǒng)，今后還需加強(qiáng)以下幾方面的研究：①進(jìn)一步研究突發(fā)性水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)及其損失，提出科學(xué)的預(yù)警，并制定具有針對性的、合理的應(yīng)急措施；②進(jìn)一步研究水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生的聯(lián)動(dòng)機(jī)制，優(yōu)化風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系。

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中圖分類號：TV213.4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-7328（2016）01-0001-05

DOI：10.3969/j.issn.1004-7328.2016.01.001

收稿日期：2015—10—11

作者簡介：王建云（1967—），男，工程師，主要從事水文水資源研究工作。

Research on Water Shortage Risk Evaluation in Haihe River Basin of Shanxi Province

WANG Jian-yun
（Lvliang Hydrology and Water Resources Survey Bureau，Lvliang 033000，China）

Abstract：In order to effectively evaluate the water shortage risk condition，based on the fuzzy comprehensive evaluation model，with the improved information diffusion theory，the water shortage risk was eraluacted in Haihe River Basin of Shanxi Province.The results show that：the risk grade is third in the whole basin，Yangquan，Xinzhou and Jinzhong，which belongs to the medium risk level.Changzhi risk grade is second，belonging to the lower risk level.The risk grade is fourth in Datong and Shuozhou，which belongs to the higher risk level.It is basically consistent of the evaluation results and the local water resources development and utilization.

Key words：Shanxi Province Haihe River Basin；shortage of water resources；information diffusion theory；risk assessment