山西省海河流域水资源短缺风险评价研究

王建云

（吕梁市水文水资源勘测分局，山西 吕梁　033000）



山西省海河流域水资源短缺风险评价研究

王建云

（吕梁市水文水资源勘测分局，山西 吕梁033000）

摘 要：为有效评价区域水资源短缺风险状况，以模糊综合评价模型为基础，利用改进信息扩散理论确定风险评价等级，对山西省海河流域水资源短缺风险进行评价。结果表明：全流域、阳泉、忻州和晋中的评价向量为0.389 8、0.518 9、0.425 8和0.401 9，风险等级为三级，属于中风险水平；长治的评价向量为0.389 6，风险等级为二级，属于较低风险水平；大同和朔州的评价向量为0.481 8和0.486 5，风险等级为四级，属于较高风险水平。

关键词：山西省海河流域；水资源短缺；信息扩散理论；风险评价

水资源短缺是现阶段亟需解决的关键问题之一，水资源短缺风险评价是风险识别和管理的基础，已引起社会和研究人员的广泛关注，也取得丰富的研究成果［1，2］。近年来有关风险评价的方法和模型层出不穷，主要有模糊综合评价法、层次分析法、极值统计学法、物元模型、灰色随机风险分析、德尔菲法、蒙特卡罗不确定性分析法、最大熵风险分析方法、支持向量机法和主成分分析法等［3-5］。由于水资源短缺风险的产生是一个复杂的系统，不同因素之间具有一定的关联性，各类风险影响的模糊因素不易被精确量化，风险系统也不易锁定；由于人类社会发展水平的限制，使得风险系统内部的因果机理不清；同时，人们对风险系统观测得到信息不全，可能还存在一些未知的或未预见的风险因素，风险信息的不完备性也是准确进行水资源短缺风险评价的重要瓶颈。

基于此，笔者在借鉴和吸收已有风险评价方法等相关成果的基础上，将改进的信息扩散模型引入水资源短缺风险评价研究，以期为水资源短缺风险评价问题提供一种有效的解决途径。

1　研究区域

山西省海河流域面积5.9万km2，占全省总面积的37.8%，流域多年平均年降水量489.1 mm，多年平均水资源总量为48.5亿m3，人均占有水资源量为390.8 m3（按2012年人口计算），略高于全省水平。河流除北部汇水面积较小的少数支流自内蒙古自治区流入山西省外，其余均呈辐射状自省内向四周发散，总体上属于自产外流型水系，自北向南分布有永定河、大清河、滹沱河、漳河及卫河5个流域。2012年流域总人口1 241万人，其中城镇人口625万人，城镇化率50.3%。山西省海河流域经济社会发达，历史上曾多次发生特大干旱尤其是连续特大干旱，造成极其惨重的损失和严重的社会经济倒退，现有供水体系抗御严重干旱和特大干旱能力不足。笔者选择山西省海河流域内的大同、阳泉、长治、朔州、忻州和晋中市为研究对象，基础数据见表1。

表1　水资源短缺风险评价指标及基础数据

2　评价方法

2.1基本原理

信息扩散理论的基本思想是对于一个给定的信息不充分的样本或者小样本而言，假定用该样本可估计一个在论域上的关系，当且仅当给定样本不完备时，必定存在一个相应的算子和适当的扩散函数，使得扩散估计比非扩散估计更靠近真实关系［6-8］。

假设U是基础论域，令w=｛wi｝是一个可以用算子（模型）估计关系R的给定样本，li为U上的监控点，记x=φ（wi-li）。如果估计是用FSD（X）得到（FS代表模糊样本），则此估计称为R的扩散估计，表示为：R-（r,D（w））=｛r（μ（wi,u））|wi∈w,u∈U｝，r是一个合理的算子，μ（wi,u）是w在U上的扩散函数。

2.2模型改进

基本信息扩散模型的正态信息扩散函数表现的是一种均匀扩散过程，但在实际应用中，由于风险信息等影响，使得各要素间可能存在某些非对称的结构或规律。信息扩散的非均匀性可将信息向周围均匀扩散的“圆”特征扩展为以“椭圆”为特征的非对称扩散函数，扩散慢的方向与椭圆的短轴对应，扩散快的方向与椭圆的长轴对应，得出如下形式的非对称扩散函数：

式中：f（u）为信息扩散函数；λ为伸缩系数（椭圆长轴与短轴比的平方）；h为扩散系数，可根据样本集合中的最大值和最小值以及样本个数来确定；x，y为空间坐标变量；k为椭圆长轴的斜率。

当λ=1时，式（1）退化为常规的“圆”均匀信息扩散函数，为二维正态信息扩散函数。

对于多维（m维）非对称扩散函数，去除单位的影响和量纲并拓展变形后可表示为：

式中：fj（ui）为信息扩散函数；ui为观测样本扩散的可能取值；j为观测样本，i为样本个数，i=1,2,…,m；j=1,2,…,n；其他符号意义同上。

当多维扩散方向与椭圆的短轴与长轴不重合时，经坐标变换后可得到多维非对称扩散函数，若扩散方向从原来的xi轴变为与xi轴夹角为θi的方向，通过变换可得到新的非对称扩散方程：

对于扩散函数分布而言，其相应的隶属度函数为：

式中：μj（ui）为隶属度函数；其他符号意义同上。

当样本指标经信息扩散后，将其进行归一化处理，对于其取值为论域U中的任何一个时，则其观测值ui的样本个数可表示为：

则样本指标值落在ui处的频率为：

式中：P（u≥ui）为所要求的风险估计值；pj（uk）为样本落在uk处的频率值；其他符号意义同上。

当ui的分值达到某等级的风险标准值（对应的风险等级临界值）时，可得到各评价指标的风险评价等级。利用上述计算公式，可计算出各评价指标在其论域内每一个取值ui处的超越概率P。

3　模型计算

模型构建的基本步骤如下：设定水资源短缺风险因素的论域集，建立风险评价指标；将观测样本携带的信息扩散给论域中的所有点，利用非对称扩散方程得到相应的隶属度函数，进而计算出各评价指标在其论域内每一个取值处的超越概率，得到评价指标的风险评价等级；根据第二步中不同风险评价指标的等级，利用三角函数作为隶属函数，按最大隶属度原则进行风险等级单指标评价，组成模糊关系矩阵；采用熵值法确定权重；确定各风险因素对各评判结果的模糊综合评价向量，给出评价对象的综合评定结果。

按以下原则确定各指标的分级标准：五级（风险很高），超越概率≥80%；四级（风险较高），60%≤超越概率≤80%；三级（风险偏高），40%≤超越概率≤60%；二级（一般风险），20%≤超越概率≤40%；一级（低风险），超越概率≤20%。利用式（4）—（6）计算山西省各地市评价指标的风险评价等级，见表2。

参照文献［9］水资源短缺风险模糊综合评价的方法进行计算，参照文献［10］采用改进熵值法确定指标权重，具体过程不再赘述。并计算准则层各风险因素的权重，即水资源子系统、社会经济子系统、水源储备和供水子系统、生态环境子系统的权重分别为0.391 2、0.024 7、0.242 2和0.341 9。

为比较直观地说明水资源短缺的风险程度，将风险等级分为低风险、较低风险、中风险、较高风险和高风险共5个等级，风险级别按照综合评分值评判，评判标准和各级别风险特征见表3，综合评价结果见表4。

综合考虑各地市水资源、社会经济、水源储备和供水以及生态环境子系统的影响因素，按照表3的风险级别，风险各级别按照综合评分值评判。根据最大隶属原则，由表4可知研究区最大评价向量为0.389 8，水资源短缺风险等级为三级，属于中风险水平；大同和朔州的最大评价向量为0.481 8和0.486 5，水资源短缺风险等级为四级，属于较高风险水平；阳泉、忻州和晋中的最大评价向量分别为0.518 9、0.425 8和0.401 9，水资源短缺风险等级为三级，属于中风险水平；长治的最大评价向量为0.389 6，水资源短缺风险等级为二级，属于较低风险水平。同时，也可看出其二、三级评价向量数值相差较小，说明水资源短缺风险有向风险偏高水平发展的趋势。

表2　水资源短缺风险评价指标分级标准

表3　水资源短缺风险评价级别标准

表4　各地市模糊综合评价向量计算结果

4　结论

本研究利用改进信息扩散理论的水资源短缺风险模糊评价模型，评价了山西省海河流域水资源短缺风险状况，得出如下结论：①对于全流域、阳泉、忻州和晋中而言，风险等级为三级，属于中风险水平；②长治的风险等级为二级，属于较低风险水平，但有向风险偏高水平发展的趋势；③大同和朔州的风险等级为四级，属于较高风险水平。

由于区域水资源系统是一个复杂而庞大的复合系统，今后还需加强以下几方面的研究：①进一步研究突发性水资源短缺风险及其损失，提出科学的预警，并制定具有针对性的、合理的应急措施；②进一步研究水资源短缺风险产生的联动机制，优化风险评价指标体系。

参考文献

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中图分类号：TV213.4

文献标识码：A

文章编号：1004-7328（2016）01-0001-05

DOI：10.3969/j.issn.1004-7328.2016.01.001

收稿日期：2015—10—11

作者简介：王建云（1967—），男，工程师，主要从事水文水资源研究工作。

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