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        基于交叉影響分析的杭州市區(qū)引配水需求預(yù)測

        2016-09-05 00:45:44錢學(xué)誠陸一奇
        浙江水利科技 2016年3期
        關(guān)鍵詞:錢塘江分析方法交叉

        汪 健,錢學(xué)誠,何 晴,陸一奇

        (杭州市河道管理總站,浙江 杭州 310014)

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        基于交叉影響分析的杭州市區(qū)引配水需求預(yù)測

        汪健,錢學(xué)誠,何晴,陸一奇

        (杭州市河道管理總站,浙江杭州310014)

        受到水資源供求矛盾突出、社會經(jīng)濟發(fā)展、環(huán)境保護和治污力度加大、用水成本不斷上升等多重事件的影響,杭州市區(qū)從錢塘江引配水的水量需求難以確定。通過采用交叉影響分析方法,從宏觀層面對城市引配水今后一段時期的需求進行了相應(yīng)的預(yù)測。通過影響事件集合的構(gòu)建、交叉影響因子的專家評估,以及蒙特卡羅仿真模擬計算,得出杭州市區(qū)從錢塘江引配水需求不斷增長的概率為0.302 6,說明預(yù)測的引配水量需求總的趨勢為減少。交叉影響分析方法作為在水資源配置領(lǐng)域的實踐應(yīng)用,為今后的科學(xué)制訂引配水管理方案、實施引配水工程設(shè)施建設(shè)提供了有效的決策方法和依據(jù)。

        交叉影響分析;引配水;預(yù)測

        1 問題的提出

        1968年Gordon和H.Hayward首次提出了交叉影響分析方法(簡稱CIA),通過采用蒙特卡羅仿真模擬計算來預(yù)測事件發(fā)生的概率[1]。交叉影響分析方法作為一種重要的分析預(yù)測方法,通過圍繞某一觀察事件構(gòu)建相應(yīng)的影響事件集合,選擇合適的方法對事件之間的影響程度進行計算分析,從而對未來事件的可能發(fā)展趨勢或發(fā)生概率做出評估或判斷。城市發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃因為具備問題重大、因素復(fù)雜、未來不確定3大特征,有可能成為交叉影響分析的重要議題[2]。目前交叉影響分析方法主要應(yīng)用在城市發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃方面,如經(jīng)濟管理、戰(zhàn)略研究、水環(huán)境治理等領(lǐng)域。1988年徐鴻德用交叉影響分析方法預(yù)測了廢水處理技術(shù)的發(fā)展方向[3];1991年昌杰將馬爾柯夫鏈與交叉影響分析結(jié)合運用到生產(chǎn)經(jīng)營領(lǐng)域[4];2009年,楊琪對交叉影響分析做了比較系統(tǒng)的研究,并結(jié)合北京地區(qū)交通ETC系統(tǒng)發(fā)展做了技術(shù)預(yù)見分析[5]。

        水資源優(yōu)化配置在解決我國水資源問題,實現(xiàn)水資源可持續(xù)利用等方面占有重要地位,對于促進經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展也具有重要的理論和實際意義[6]。引配水屬于水資源配置的范疇,一般指為保證生產(chǎn)生活用水、航運及重要區(qū)域水環(huán)境,充分利用外河水動力和清水資源,通過水閘、泵站等工程設(shè)施的調(diào)度,使河網(wǎng)內(nèi)主要河道水體定向、有序流動,加快水體更新速度,改善內(nèi)河水質(zhì)的一種水資源調(diào)度方式[7]。當(dāng)前國內(nèi)許多城市都通過人工引配水調(diào)度方式開展城市水資源配置,滿足城市各項用水需求。杭州市地處錢塘江河口地區(qū),錢塘江北岸主城區(qū)的日常生產(chǎn)生活用水以及大約90%的河道環(huán)境用水均需通過引配水從錢塘江引入,2013年運河從錢塘江引入的水資源量平均達(dá)到12.07億m3[8]。運河、西湖、西溪濕地等重要水域均從錢塘江引配水,并建立起了完善的引配水設(shè)施和相應(yīng)的調(diào)度運行機制。隨著城市環(huán)境保護和治污力度的加大,社會經(jīng)濟的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級,河口用水形勢的日趨緊張等多種因素的綜合影響,今后的城市引配水量需求總體趨勢,值得進一步研究和關(guān)注。本文運用交叉影響分析方法,對杭州市區(qū)引配水需求的發(fā)展趨勢進行了預(yù)測分析。

        2 交叉影響分析方法

        交叉影響分析對未來事件發(fā)生概率和趨勢進行預(yù)測分析時,一般需要3種初始數(shù)據(jù),即:事件集合、事件的初始概率和事件之間的相互影響(見表1)[5]。事件集合是與預(yù)測目標(biāo)相關(guān)的所有事件,代表了預(yù)測活動的具體范圍。初始概率一般用“0”到“1”之間的數(shù)字表示,“0”代表事件在未來不會發(fā)生,“1”代表事件在未來肯定會發(fā)生。數(shù)字形式的交叉影響一般用“+”表示正向的影響,“-”表示負(fù)向的影響;“1”“2”“3”等數(shù)字表示影響的強度,例如:“1”表示較弱影響,“2”表示強影響,“3”表示強烈影響。某一事件的發(fā)生對其它事件具體影響的方向和影響程度需要由專家進行評估。通常應(yīng)選擇多位具有豐富實踐經(jīng)驗的專業(yè)人士參與評估,并且取平均值,以確保評估結(jié)果的一致性和準(zhǔn)確性。在獲得事件集合、初始概率和相互影響的數(shù)據(jù)之后,應(yīng)用蒙特卡羅法進行模擬試驗分析。模擬試驗結(jié)束后,用事件發(fā)生的模擬概率來修正初始概率,以獲得更加準(zhǔn)確的影響分析結(jié)果。

        表1 用于預(yù)測事件發(fā)生概率的初始數(shù)據(jù)表

        注:表中P(i)表示事件i的初始概率,CI(i,j)表示事件i對事件j的影響,0≤P(i)≤1。

        本文采用Gordon的經(jīng)驗公式來計算事件的累計發(fā)生概率(修正概率),見式(1)。

        Pn′=Pn+K×S×Pn(Pn-1)

        (1)

        式中:Pn′為事件m發(fā)生之后事件n的累計發(fā)生概率;Pn為事件m發(fā)生之前事件n的累計發(fā)生概率;K為如果事件m的發(fā)生增加了事件n發(fā)生的概率,K=-1;如果事件m的發(fā)生減少了事件n發(fā)生的概率,K=+1;如果事件m的發(fā)生既不增加也不減少事件n發(fā)生的概率,則K=0;0

        表2 影響系數(shù)換算表

        3 預(yù)測分析

        3.1構(gòu)建事件集合及專家評估

        任何社會經(jīng)濟事件都不是孤立的,它們之間存在著相互促進或相互制約作用[9]。交叉影響分析不僅分析事件之間相互影響的方向,還分析事件之間影響的程度。事件集合是交叉影響分析的具體對象,也是圍繞中心事件而構(gòu)建的所有關(guān)聯(lián)事件的總和。根據(jù)事件的性質(zhì),可將事件分為觀察事件、內(nèi)部事件、政策事件和宏觀事件[5]。觀察事件通常是中心事件,是研究分析的主要目標(biāo)對象,其余事件一般圍繞觀察事件而構(gòu)建。內(nèi)部事件是與觀察事件通常存在內(nèi)在聯(lián)系,可能對觀察事件發(fā)生概率或發(fā)展趨勢產(chǎn)生直接的影響。政策事件和宏觀事件都是對觀察事件具有顯著影響的社會性事件,也會對觀察事件發(fā)生概率或發(fā)展趨勢產(chǎn)生一定的影響。構(gòu)建事件集合,要突出體現(xiàn)中心事件的基本內(nèi)容和主要特征。構(gòu)建的是否客觀完備,對于預(yù)測分析的結(jié)果具有重要影響。選取事件時,通常要求事件具有一定的獨立性,盡量避免選取重復(fù)事件。

        根據(jù)杭州市區(qū)引配水的實際,結(jié)合錢塘江水文水資源條件、引配水運行管理要求以及社會經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境建設(shè)的總體要求,構(gòu)建了運河從錢塘江引配水需求與調(diào)度前景相關(guān)聯(lián)的事件集合(見表3)。集合共包含16個事件,其中E1為觀察事件,“從錢塘江引水量需求不斷增加”,本文所指的需求是綜合各種事件影響(包括考慮供給能力)之后的可能需求量或可供量。內(nèi)部事件有8件,分別為引配水能力、內(nèi)河水質(zhì)狀況、錢塘江水質(zhì)、監(jiān)管情況、突發(fā)性污染、臺汛期影響、工作體系(設(shè)施、調(diào)度和管理)、水資源緊缺程度等,這些事件與引配水量的需求直接相關(guān)。政策事件有5件,水資源管理、環(huán)境保護和治污力度、用水成本、水上交通和航運旅游、社會節(jié)水風(fēng)氣等,這些事件與引配水需求也存在著緊密聯(lián)系。宏觀事件2件,社會經(jīng)濟結(jié)構(gòu)調(diào)整和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級、城市規(guī)模擴大和人口增加,一定程度上也會對引配水需求產(chǎn)生影響。

        表3 與從錢塘江引配水調(diào)度前景相關(guān)的事件表

        邀請數(shù)位長期從事杭州市引配水管理工作的專業(yè)人員對事件之間可能的相互影響進行評估,并以平均值作為最終估值(見表4)。

        表4 初始概率和交叉影響專家評估表

        3.2模擬計算及分析

        經(jīng)編程并在Microsoft Visual Studio 2010平臺上運行,實現(xiàn)了蒙特卡羅仿真模擬。將初始概率和換算后的交叉影響因子錄入程序中,并分別設(shè)定計算次數(shù)為5 000、10 000、50 000、100 000進行調(diào)試計算,得到運算結(jié)果(見表5)。經(jīng)過對比分析,認(rèn)為計算次數(shù)為100 000次時,各事件的模擬概率值趨于穩(wěn)定,故將程序運行100 000次計算后的模擬概率值設(shè)定為各事件的修正概率。修正概率是專家通過對事件之間相互影響的評估之后可能發(fā)生的概率,更符合事件的實際和發(fā)展趨勢。

        表5 蒙特卡羅仿真模擬概率表

        從仿真模擬結(jié)果看,共有6個事件的修正概率與其初始概率相比有所下降,分別是E1、E2、E4、E6、E9、E13。其中,觀察事件E1的概率發(fā)生明顯的下降,由原來的0.610 0變?yōu)?.302 6,下降0.307 4,說明從錢塘江引水量需求總趨勢是下降的。具體分析相關(guān)事件對E1的綜合影響,認(rèn)為主要起阻礙作用的影響占主導(dǎo)地位,共有11個相關(guān)事件對事件E1的發(fā)生起了阻礙作用,且有4個為“很強影響”,分別是E2、E4、E7、E9,5個為“強影響”,僅有4個相關(guān)事件起促進作用,且僅有E5為“很強影響”。由此可以預(yù)見,受到錢塘江潮水、梅汛期和臺風(fēng)頻繁影響、河口地區(qū)用水形勢不斷趨緊、引水流量日趨飽和等一系列不利事件的制約,以及受未來經(jīng)濟社會發(fā)展、最嚴(yán)格水資源制度執(zhí)行、節(jié)水意識進一步提高等事件的影響,從錢塘江引入水量不斷增加的可能性相對較小。事件E6的概率也有較明顯的下降,下降了0.208 5。分析相關(guān)事件對E6的綜合影響,僅3個事件對其有影響,且都起阻礙作用??梢钥闯觯S著環(huán)境保護和治污力度的加大,水上交通、旅游的發(fā)展,以及經(jīng)濟結(jié)構(gòu)的調(diào)整和升級,對水環(huán)境建設(shè)的重視程度將不斷加大,錢塘江發(fā)生水質(zhì)突發(fā)性污染以及水葫蘆、動物尸體集中爆發(fā)的現(xiàn)象將趨于減少。與其初始概率相比,修正概率有所升高的事件有10個,分別是E3、E5、E7、E8、E10、E11、E12、E14、E15、E16。其中事件E8的概率變化最明顯,上升了0.279 9。此外,生產(chǎn)生活和環(huán)境用水成本的上升以及節(jié)水風(fēng)氣的好轉(zhuǎn)等事件發(fā)生的可能性也有大幅提升。

        對于某些事件可以假定在不久的將來必然發(fā)生,即初始概率為1.000 0,重新進行仿真模擬。如選擇修正概率較低的E6、E9、E12事件必然發(fā)生時,得到E1事件的累計發(fā)生概率為0.242 5。即在錢塘江水源水質(zhì)不夠穩(wěn)定、河口地區(qū)的用水形勢不斷趨緊以及生產(chǎn)生活和環(huán)境用水的成本不斷提高等事件發(fā)生條件下,觀察事件E1的累計發(fā)生概率與之前的修正概率相比,進一步下降了0.060 1,表明引水水源水質(zhì)惡化、用水形勢緊張和用水成本的提高,將較大程度上阻礙引水量不斷增加事件發(fā)生的可能性。

        以上分析基于杭州市區(qū)引配水需求的特點以及專家評估的結(jié)果,對于不同城市、不同發(fā)展需求、不同水資源條件而言,引配水的需求會受到不同事件的影響,構(gòu)建的事件集合會有較大差異,同時影響的程度也會不盡相同。

        4 結(jié) 語

        目前涉及城市社會經(jīng)濟及發(fā)展戰(zhàn)略的預(yù)測分析較多,研究和應(yīng)用的主要方法有層次分析、網(wǎng)絡(luò)分析、情景分析等,交叉影響分析方法作為一種簡單有效、應(yīng)用面廣、容錯性強的預(yù)測方法,實踐當(dāng)中應(yīng)用相對較少。我國大多數(shù)城市水資源都比較緊缺,研究城市水資源優(yōu)化配置具有重要的理論和實踐意義。本文運用交叉影響分析法,建立了對杭州市區(qū)引配水調(diào)度工作相關(guān)聯(lián)的事件集合,集合的中心事件是引配水量需求的發(fā)展趨勢。通過專家估計和蒙特卡羅模擬計算,形成了對事件發(fā)生的修正概率。通過修正概率與初始概率的比較,得出基于專家估計的E1事件發(fā)生概率為0.302 6,說明了從錢塘江引配水量不斷增長的可能性較小。實踐當(dāng)中,對于影響重大、因素復(fù)雜、不確定因素多的事件,交叉影響分析方法是一種有效的預(yù)測分析方法,具有良好的應(yīng)用前景。

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        (責(zé)任編輯郎忘憂)

        2015-10-12

        汪健(1975-),男,高級工程師,碩士,主要從事水資源、水環(huán)境和水文化研究。E-mail:wj831@qq.com

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        1008-701X(2016)03-0027-04

        10.13641/j.cnki.33-1162/tv.2016.03.007

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