王建云

（呂梁市水文水資源勘測分局，山西 呂梁　033000）

?

山西省海河流域水資源短缺風險評價研究

王建云

（呂梁市水文水資源勘測分局，山西 呂梁033000）

摘 要：為有效評價區(qū)域水資源短缺風險狀況，以模糊綜合評價模型為基礎，利用改進信息擴散理論確定風險評價等級，對山西省海河流域水資源短缺風險進行評價。結果表明：全流域、陽泉、忻州和晉中的評價向量為0.389 8、0.518 9、0.425 8和0.401 9，風險等級為三級，屬于中風險水平；長治的評價向量為0.389 6，風險等級為二級，屬于較低風險水平；大同和朔州的評價向量為0.481 8和0.486 5，風險等級為四級，屬于較高風險水平。

關鍵詞：山西省海河流域；水資源短缺；信息擴散理論；風險評價

水資源短缺是現(xiàn)階段亟需解決的關鍵問題之一，水資源短缺風險評價是風險識別和管理的基礎，已引起社會和研究人員的廣泛關注，也取得豐富的研究成果［1，2］。近年來有關風險評價的方法和模型層出不窮，主要有模糊綜合評價法、層次分析法、極值統(tǒng)計學法、物元模型、灰色隨機風險分析、德爾菲法、蒙特卡羅不確定性分析法、最大熵風險分析方法、支持向量機法和主成分分析法等［3-5］。由于水資源短缺風險的產生是一個復雜的系統(tǒng)，不同因素之間具有一定的關聯(lián)性，各類風險影響的模糊因素不易被精確量化，風險系統(tǒng)也不易鎖定；由于人類社會發(fā)展水平的限制，使得風險系統(tǒng)內部的因果機理不清；同時，人們對風險系統(tǒng)觀測得到信息不全，可能還存在一些未知的或未預見的風險因素，風險信息的不完備性也是準確進行水資源短缺風險評價的重要瓶頸。

基于此，筆者在借鑒和吸收已有風險評價方法等相關成果的基礎上，將改進的信息擴散模型引入水資源短缺風險評價研究，以期為水資源短缺風險評價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)支流自內蒙古自治區(qū)流入山西省外，其余均呈輻射狀自省內向四周發(fā)散，總體上屬于自產外流型水系，自北向南分布有永定河、大清河、滹沱河、漳河及衛(wèi)河5個流域。2012年流域總人口1 241萬人，其中城鎮(zhèn)人口625萬人，城鎮(zhèn)化率50.3%。山西省海河流域經濟社會發(fā)達，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重的社會經濟倒退，現(xiàn)有供水體系抗御嚴重干旱和特大干旱能力不足。筆者選擇山西省海河流域內的大同、陽泉、長治、朔州、忻州和晉中市為研究對象，基礎數(shù)據(jù)見表1。

表1　水資源短缺風險評價指標及基礎數(shù)據(jù)

2　評價方法

2.1基本原理

信息擴散理論的基本思想是對于一個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一個在論域上的關系，當且僅當給定樣本不完備時，必定存在一個相應的算子和適當?shù)臄U散函數(shù)，使得擴散估計比非擴散估計更靠近真實關系［6-8］。

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

2.2模型改進

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

式中：f（u）為信息擴散函數(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數(shù)來確定；x，y為空間坐標變量；k為橢圓長軸的斜率。

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

對于多維（m維）非對稱擴散函數(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）為信息擴散函數(shù)；ui為觀測樣本擴散的可能取值；j為觀測樣本，i為樣本個數(shù)，i=1,2,…,m；j=1,2,…,n；其他符號意義同上。

當多維擴散方向與橢圓的短軸與長軸不重合時，經坐標變換后可得到多維非對稱擴散函數(shù)，若擴散方向從原來的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散方程：

對于擴散函數(shù)分布而言，其相應的隸屬度函數(shù)為：

式中：μj（ui）為隸屬度函數(shù)；其他符號意義同上。

當樣本指標經信息擴散后，將其進行歸一化處理，對于其取值為論域U中的任何一個時，則其觀測值ui的樣本個數(shù)可表示為：

則樣本指標值落在ui處的頻率為：

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

當ui的分值達到某等級的風險標準值（對應的風險等級臨界值）時，可得到各評價指標的風險評價等級。利用上述計算公式，可計算出各評價指標在其論域內每一個取值ui處的超越概率P。

3　模型計算

模型構建的基本步驟如下：設定水資源短缺風險因素的論域集，建立風險評價指標；將觀測樣本攜帶的信息擴散給論域中的所有點，利用非對稱擴散方程得到相應的隸屬度函數(shù)，進而計算出各評價指標在其論域內每一個取值處的超越概率，得到評價指標的風險評價等級；根據(jù)第二步中不同風險評價指標的等級，利用三角函數(shù)作為隸屬函數(shù)，按最大隸屬度原則進行風險等級單指標評價，組成模糊關系矩陣；采用熵值法確定權重；確定各風險因素對各評判結果的模糊綜合評價向量，給出評價對象的綜合評定結果。

按以下原則確定各指標的分級標準：五級（風險很高），超越概率≥80%；四級（風險較高），60%≤超越概率≤80%；三級（風險偏高），40%≤超越概率≤60%；二級（一般風險），20%≤超越概率≤40%；一級（低風險），超越概率≤20%。利用式（4）—（6）計算山西省各地市評價指標的風險評價等級，見表2。

參照文獻［9］水資源短缺風險模糊綜合評價的方法進行計算，參照文獻［10］采用改進熵值法確定指標權重，具體過程不再贅述。并計算準則層各風險因素的權重，即水資源子系統(tǒng)、社會經濟子系統(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險程度，將風險等級分為低風險、較低風險、中風險、較高風險和高風險共5個等級，風險級別按照綜合評分值評判，評判標準和各級別風險特征見表3，綜合評價結果見表4。

綜合考慮各地市水資源、社會經濟、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的風險級別，風險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)最大評價向量為0.389 8，水資源短缺風險等級為三級，屬于中風險水平；大同和朔州的最大評價向量為0.481 8和0.486 5，水資源短缺風險等級為四級，屬于較高風險水平；陽泉、忻州和晉中的最大評價向量分別為0.518 9、0.425 8和0.401 9，水資源短缺風險等級為三級，屬于中風險水平；長治的最大評價向量為0.389 6，水資源短缺風險等級為二級，屬于較低風險水平。同時，也可看出其二、三級評價向量數(shù)值相差較小，說明水資源短缺風險有向風險偏高水平發(fā)展的趨勢。

表2　水資源短缺風險評價指標分級標準

表3　水資源短缺風險評價級別標準

表4　各地市模糊綜合評價向量計算結果

4　結論

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

由于區(qū)域水資源系統(tǒng)是一個復雜而龐大的復合系統(tǒng)，今后還需加強以下幾方面的研究：①進一步研究突發(fā)性水資源短缺風險及其損失，提出科學的預警，并制定具有針對性的、合理的應急措施；②進一步研究水資源短缺風險產生的聯(lián)動機制，優(yōu)化風險評價指標體系。

參考文獻

［1］黃崇福，劉新立，周國賢，等.以歷史災情資料為依據(jù)的農業(yè)自然災害風險評估方法［J］.自然災害學報，1998，7 （2）：1-7.

［2］彭江鴻.區(qū)域水資源危機產生及其風險評價［D］.保定：河北農業(yè)大學，2012.

［3］凌子燕，劉銳.基于主成分分析的廣東省區(qū)域水資源緊缺風險評價［J］.資源科學，2010，32（12）：2324-2328.

［4］阮本清，韓宇平，王浩，等.水資源短缺風險的模糊綜合評價［J］.水利學報，2005，36（8）：906-912.

［5］王宇飛，蓋美，耿雅冬.遼寧沿海經濟帶水資源短缺風險評價［J］.地域研究與開發(fā)，2013，32（2）：96-102.

［6］雷曉云，何春梅.基于信息擴散理論的洪水風險評估模型的研究及應用［J］.水文，2004，24（4）：5-8.

［7］楊旭，李春晨.基于信息擴散理論的火災風險評估模型研究及其應用［J］.工業(yè)安全與環(huán)保，2010，36（1）：41-43.

［8］張韌，徐志升，沈雙和，等.基于小樣本案例的自然災害風險評估—信息擴散概率模型［J］.系統(tǒng)科學與數(shù)學，2013，33（4）：445-456.

［9］謝堅，王謝勇，初莉，等.城市水資源短缺風險評價模型及預測模型研究［J］.水電能源科學，2012，30（7）：17-20.

［10］鹿偉，陳英杰，曾鳴，等.基于改進熵權值法的需求側節(jié)電潛力評價模型及應用［J］.水電能源科學，2013，31（4）：233-235.

中圖分類號：TV213.4

文獻標識碼：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