基于交叉影响分析的杭州市区引配水需求预测

汪　健，钱学诚，何　晴，陆一奇

(杭州市河道管理总站，浙江　杭州　310014)



基于交叉影响分析的杭州市区引配水需求预测

汪健，钱学诚，何晴，陆一奇

(杭州市河道管理总站，浙江杭州310014)

受到水资源供求矛盾突出、社会经济发展、环境保护和治污力度加大、用水成本不断上升等多重事件的影响，杭州市区从钱塘江引配水的水量需求难以确定。通过采用交叉影响分析方法，从宏观层面对城市引配水今后一段时期的需求进行了相应的预测。通过影响事件集合的构建、交叉影响因子的专家评估，以及蒙特卡罗仿真模拟计算，得出杭州市区从钱塘江引配水需求不断增长的概率为0.302 6，说明预测的引配水量需求总的趋势为减少。交叉影响分析方法作为在水资源配置领域的实践应用，为今后的科学制订引配水管理方案、实施引配水工程设施建设提供了有效的决策方法和依据。

交叉影响分析；引配水；预测

1　问题的提出

1968年Gordon和H.Hayward首次提出了交叉影响分析方法(简称CIA)，通过采用蒙特卡罗仿真模拟计算来预测事件发生的概率[1]。交叉影响分析方法作为一种重要的分析预测方法，通过围绕某一观察事件构建相应的影响事件集合，选择合适的方法对事件之间的影响程度进行计算分析，从而对未来事件的可能发展趋势或发生概率做出评估或判断。城市发展战略规划因为具备问题重大、因素复杂、未来不确定3大特征，有可能成为交叉影响分析的重要议题[2]。目前交叉影响分析方法主要应用在城市发展战略规划方面，如经济管理、战略研究、水环境治理等领域。1988年徐鸿德用交叉影响分析方法预测了废水处理技术的发展方向[3]；1991年昌杰将马尔柯夫链与交叉影响分析结合运用到生产经营领域[4]；2009年，杨琪对交叉影响分析做了比较系统的研究，并结合北京地区交通ETC系统发展做了技术预见分析[5]。

水资源优化配置在解决我国水资源问题，实现水资源可持续利用等方面占有重要地位，对于促进经济社会可持续发展也具有重要的理论和实际意义[6]。引配水属于水资源配置的范畴，一般指为保证生产生活用水、航运及重要区域水环境，充分利用外河水动力和清水资源，通过水闸、泵站等工程设施的调度，使河网内主要河道水体定向、有序流动，加快水体更新速度，改善内河水质的一种水资源调度方式[7]。当前国内许多城市都通过人工引配水调度方式开展城市水资源配置，满足城市各项用水需求。杭州市地处钱塘江河口地区，钱塘江北岸主城区的日常生产生活用水以及大约90%的河道环境用水均需通过引配水从钱塘江引入，2013年运河从钱塘江引入的水资源量平均达到12.07亿m3[8]。运河、西湖、西溪湿地等重要水域均从钱塘江引配水，并建立起了完善的引配水设施和相应的调度运行机制。随着城市环境保护和治污力度的加大，社会经济的发展和产业的转型升级，河口用水形势的日趋紧张等多种因素的综合影响，今后的城市引配水量需求总体趋势，值得进一步研究和关注。本文运用交叉影响分析方法，对杭州市区引配水需求的发展趋势进行了预测分析。

2　交叉影响分析方法

交叉影响分析对未来事件发生概率和趋势进行预测分析时，一般需要3种初始数据，即：事件集合、事件的初始概率和事件之间的相互影响(见表1)[5]。事件集合是与预测目标相关的所有事件，代表了预测活动的具体范围。初始概率一般用“0”到“1”之间的数字表示，“0”代表事件在未来不会发生，“1”代表事件在未来肯定会发生。数字形式的交叉影响一般用“+”表示正向的影响，“-”表示负向的影响；“1”“2”“3”等数字表示影响的强度，例如：“1”表示较弱影响，“2”表示强影响，“3”表示强烈影响。某一事件的发生对其它事件具体影响的方向和影响程度需要由专家进行评估。通常应选择多位具有丰富实践经验的专业人士参与评估，并且取平均值，以确保评估结果的一致性和准确性。在获得事件集合、初始概率和相互影响的数据之后，应用蒙特卡罗法进行模拟试验分析。模拟试验结束后，用事件发生的模拟概率来修正初始概率，以获得更加准确的影响分析结果。

表1　用于预测事件发生概率的初始数据表

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

本文采用Gordon的经验公式来计算事件的累计发生概率(修正概率)，见式(1)。

Pn′=Pn+K×S×Pn(Pn-1)

(1)

式中：Pn′为事件m发生之后事件n的累计发生概率；Pn为事件m发生之前事件n的累计发生概率；K为如果事件m的发生增加了事件n发生的概率，K=-1；如果事件m的发生减少了事件n发生的概率，K=+1；如果事件m的发生既不增加也不减少事件n发生的概率，则K=0；0

表2　影响系数换算表

3　预测分析

3.1构建事件集合及专家评估

任何社会经济事件都不是孤立的，它们之间存在着相互促进或相互制约作用[9]。交叉影响分析不仅分析事件之间相互影响的方向，还分析事件之间影响的程度。事件集合是交叉影响分析的具体对象，也是围绕中心事件而构建的所有关联事件的总和。根据事件的性质，可将事件分为观察事件、内部事件、政策事件和宏观事件[5]。观察事件通常是中心事件，是研究分析的主要目标对象，其余事件一般围绕观察事件而构建。内部事件是与观察事件通常存在内在联系，可能对观察事件发生概率或发展趋势产生直接的影响。政策事件和宏观事件都是对观察事件具有显著影响的社会性事件，也会对观察事件发生概率或发展趋势产生一定的影响。构建事件集合，要突出体现中心事件的基本内容和主要特征。构建的是否客观完备，对于预测分析的结果具有重要影响。选取事件时，通常要求事件具有一定的独立性，尽量避免选取重复事件。

根据杭州市区引配水的实际，结合钱塘江水文水资源条件、引配水运行管理要求以及社会经济发展和生态环境建设的总体要求，构建了运河从钱塘江引配水需求与调度前景相关联的事件集合(见表3)。集合共包含16个事件，其中E1为观察事件，“从钱塘江引水量需求不断增加”，本文所指的需求是综合各种事件影响(包括考虑供给能力)之后的可能需求量或可供量。内部事件有8件，分别为引配水能力、内河水质状况、钱塘江水质、监管情况、突发性污染、台汛期影响、工作体系(设施、调度和管理)、水资源紧缺程度等，这些事件与引配水量的需求直接相关。政策事件有5件，水资源管理、环境保护和治污力度、用水成本、水上交通和航运旅游、社会节水风气等，这些事件与引配水需求也存在着紧密联系。宏观事件2件，社会经济结构调整和产业转型升级、城市规模扩大和人口增加，一定程度上也会对引配水需求产生影响。

表3　与从钱塘江引配水调度前景相关的事件表

邀请数位长期从事杭州市引配水管理工作的专业人员对事件之间可能的相互影响进行评估，并以平均值作为最终估值(见表4)。

表4　初始概率和交叉影响专家评估表

3.2模拟计算及分析

经编程并在Microsoft Visual Studio 2010平台上运行，实现了蒙特卡罗仿真模拟。将初始概率和换算后的交叉影响因子录入程序中，并分别设定计算次数为5 000、10 000、50 000、100 000进行调试计算，得到运算结果(见表5)。经过对比分析，认为计算次数为100 000次时，各事件的模拟概率值趋于稳定，故将程序运行100 000次计算后的模拟概率值设定为各事件的修正概率。修正概率是专家通过对事件之间相互影响的评估之后可能发生的概率，更符合事件的实际和发展趋势。

表5　蒙特卡罗仿真模拟概率表

从仿真模拟结果看，共有6个事件的修正概率与其初始概率相比有所下降，分别是E1、E2、E4、E6、E9、E13。其中，观察事件E1的概率发生明显的下降，由原来的0.610 0变为0.302 6，下降0.307 4，说明从钱塘江引水量需求总趋势是下降的。具体分析相关事件对E1的综合影响，认为主要起阻碍作用的影响占主导地位，共有11个相关事件对事件E1的发生起了阻碍作用，且有4个为“很强影响”，分别是E2、E4、E7、E9，5个为“强影响”，仅有4个相关事件起促进作用，且仅有E5为“很强影响”。由此可以预见，受到钱塘江潮水、梅汛期和台风频繁影响、河口地区用水形势不断趋紧、引水流量日趋饱和等一系列不利事件的制约，以及受未来经济社会发展、最严格水资源制度执行、节水意识进一步提高等事件的影响，从钱塘江引入水量不断增加的可能性相对较小。事件E6的概率也有较明显的下降，下降了0.208 5。分析相关事件对E6的综合影响，仅3个事件对其有影响，且都起阻碍作用。可以看出，随着环境保护和治污力度的加大，水上交通、旅游的发展，以及经济结构的调整和升级，对水环境建设的重视程度将不断加大，钱塘江发生水质突发性污染以及水葫芦、动物尸体集中爆发的现象将趋于减少。与其初始概率相比，修正概率有所升高的事件有10个，分别是E3、E5、E7、E8、E10、E11、E12、E14、E15、E16。其中事件E8的概率变化最明显，上升了0.279 9。此外，生产生活和环境用水成本的上升以及节水风气的好转等事件发生的可能性也有大幅提升。

对于某些事件可以假定在不久的将来必然发生，即初始概率为1.000 0，重新进行仿真模拟。如选择修正概率较低的E6、E9、E12事件必然发生时，得到E1事件的累计发生概率为0.242 5。即在钱塘江水源水质不够稳定、河口地区的用水形势不断趋紧以及生产生活和环境用水的成本不断提高等事件发生条件下，观察事件E1的累计发生概率与之前的修正概率相比，进一步下降了0.060 1，表明引水水源水质恶化、用水形势紧张和用水成本的提高，将较大程度上阻碍引水量不断增加事件发生的可能性。

以上分析基于杭州市区引配水需求的特点以及专家评估的结果，对于不同城市、不同发展需求、不同水资源条件而言，引配水的需求会受到不同事件的影响，构建的事件集合会有较大差异，同时影响的程度也会不尽相同。

4　结　语

目前涉及城市社会经济及发展战略的预测分析较多，研究和应用的主要方法有层次分析、网络分析、情景分析等，交叉影响分析方法作为一种简单有效、应用面广、容错性强的预测方法，实践当中应用相对较少。我国大多数城市水资源都比较紧缺，研究城市水资源优化配置具有重要的理论和实践意义。本文运用交叉影响分析法，建立了对杭州市区引配水调度工作相关联的事件集合，集合的中心事件是引配水量需求的发展趋势。通过专家估计和蒙特卡罗模拟计算，形成了对事件发生的修正概率。通过修正概率与初始概率的比较，得出基于专家估计的E1事件发生概率为0.302 6，说明了从钱塘江引配水量不断增长的可能性较小。实践当中，对于影响重大、因素复杂、不确定因素多的事件，交叉影响分析方法是一种有效的预测分析方法，具有良好的应用前景。

[1] T.J.Gordon,H.Hayward.Initial Experiment with the Cross Impact Matrix Method of Forecasting[J].Futures,1968(1):100-116.

[2]钱欣，王德.交叉影响分析在战略规划研究决策中的应用[J].城市规划学刊，2009(2)：69-71.

[3]徐鸿德.交叉影响分析法预测废水处理的技术发展[J].上海环境科学,1988(4)：8-12.

[4]昌杰.对交叉影响法的改进[J].财经科学,1991(2)：37-40.

[5]杨琪.基于交叉影响分析的技术预见模式及其应用研究[D].北京工业大学,2009(9):43-54.

[6]吴泽宁,索丽生.水资源优化配置研究进展[J].灌溉排水学报,2004,23(2):1-5.

[7]阮仁良.平原河网地区水资源调度改善水质的理论与实践[M].北京：中国水利水电出版社，2006.

[8]周宝炎，徐银法，何灵敏，等.2013年杭州市水资源公报[R].杭州：杭州市林业水利局，2014.

[9]周忠明.交叉影响分析与长期预测[J].山西财经学院学报.1986(8):71-73.

(责任编辑郎忘忧)

2015-10-12

汪健(1975-)，男，高级工程师，硕士，主要从事水资源、水环境和水文化研究。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