基于组合权重云模型的调水工程洪水资源利用风险评价

李宛谕 黄显峰 阎玮 方国华 刘展志

摘要：洪水资源利用在产生效益的同时，也会带来风险，有必要加强洪水利用风险评价研究，最大限度降低洪水资源利用的负面影响。对调水工程洪水资源利用风险因素进行识别，构建风险评价指标体系，从蓄水工程、输水工程、提水工程三个方面展开评价。采用层次分析法计算主观权重，熵权法和投影寻踪法计算客观权重，引入云模型计算风险指标的隶属度，最后得到洪水资源利用的风险等级。以南水北调东线工程江苏段为实例，对丰、平、枯三种典型年的洪水资源利用风险进行了评价，验证了评价方法的有效性与适用性。

关键词：洪水资源利用；风险评价；云模型；熵权；投影寻踪；调水工程

中图分类号：TV213 文献标志码：A 文章编号：

16721683（2018）05005709

Risk assessment of flood resources utilization in water transfer project based on combined weight and cloud model

LI Wanyu1，HUANG Xianfeng1，YAN Wei2，FANG Guohua1，LIU Zhanzhi1

（

1.College of Water Conservancy and Hydropower Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China；2.Jiangsu Water Source of the East Route of SouthtoNorth Water Diversion Project Ltd.，Co.，Nanjing 210029，China

）

Abstract：

The utilization of flood resources will produce benefits，but it will also bring risks.Therefore，it is necessary to study the risk assessment of flood utilization so as to minimize the negative effects of flood resources utilization.We identified the risk factors of flood resources utilization in a water diversion project，and constructed an index system for risk assessment based on three aspects： water storage projects，water conveyance projects，and water pumping projects.The subjective weight was calculated by the analytic hierarchy process，and the objective weight was calculated by the entropy weight method and the projection pursuit method.The cloud model was adopted to calculate the membership degree of the risk index.Then，the risk grade of flood resources utilization can be obtained.The above method was applied to the Jiangsu Province segment of the East Route of the SouthtoNorth Water Transfer Project.The risks of flood resources utilization in wet，normal，and dry years were evaluated，and the validity and applicability of the evaluation method were verified.

Key words：

utilization of flood resources；risk assessment；cloud model；entropy weight；projection pursuit；water transfer project

近年來，社会经济快速发展，水资源供需矛盾加剧。跨流域调水工程能在一定程度上缓解水资源短缺问题，但调水一般是在非汛期进行，如果充分利用汛期的洪水资源， 就能增加我国水资源可利用量，进一步解决问题。以南水北调东线工程为例，加强对洪水资源的利用和管理，可以提高东线水资源的利用率，为调水沿线带来巨大的经济效益。但洪水资源具有双重属性，带来效益的同时也存在风险，为了安全利用洪水资源，有必要对洪水资源利用进行风险分析。

国外学者在洪水资源利用方面的研究较少，侧重于对洪水风险、洪水灾害及损失的研究，Hall等[1]将MC方法应用到洪水风险评估中，取得了较好的效果。Kyungrock[2]采用均值一次二阶矩法和改进的一次二阶矩法计算蓄滞洪区风险。Brenner等[3]将正射影像集成到洪水风险分析中，可以定期评估风险损失。Su等[4]提出了基于弹性目标的洪水风险管理多目标优化设计框架，将其应用到印度尼西亚流域中。我国学者对洪水资源利用的研究始于20世纪70年代，傅湘等[5]采用系统分析法，对大型水库在不同汛限水位下的风险进行了分析。高波等[6]从洪水资源安全利用的角度出发，提出了风险设计分析论证的框架和定量分析方法。胡庆芳等[7]提出了能够保证防洪安全的流域洪水资源利用评价方法。王忠静等[8]采用不同频率设计洪水，对洪水资源利用的适度性进行了分析。王宗志等[9]对流域洪水资源的潜力、风险和效益进行了评价。

目前，洪水资源利用风险评价的研究主要集中在水库洪水资源利用[10]、流域洪水资源利用[11]以及区域洪水资源利用[12]，还没有关于调水工程洪水资源利用的评价体系。调水工程的洪水资源利用是一个复杂的过程，有众多的风险因素相互制约、相互作用。洪水资源利用风险，既包括洪水资源利用风险发生概率的大小（风险率），又包括工程失事的损失或严重性（风险度）。调水工程的水利工程结构、运行特征、在洪水资源开发利用中的作用、风险值高低及其对社会经济发展的影响力存在差异，不能采取简单的加权求和形式来评价其洪水资源利用风险。

本文根据调水工程洪水资源利用方式及其风险产生的特征，构建了风险评价指标体系。基于层次分析法计算主观权重，熵权法和投影寻踪法计算客观权重，主客观结合得到组合权重。洪水资源利用风险没有分明的界限，属于模糊概念[13]，所以采用云模型计算隶属度。以南水北调东线工程江苏段为例，对其在丰、平、枯三种典型年的洪水资源利用风险进行评价，验证评价方法的适用性。

1 风险指标体系与风险计算

1.1 指标体系

风险具有不确定性，也具有模糊性。通过对众多繁杂的风险指标进行分层、归类和筛选，识别出主要的风险因素，从而构建合理的风险指标体系。本文根据调水工程的特点，参考文献[14]构建调水工程洪水资源利用风险评价指标体系。评价体系分为三层，目标层是调水工程洪水资源利用风险，准则层包括蓄水工程风险、输水工程风险、提水工程风险三类风险，指标层由每类风险所包含的具体指标构成。对于蓄水工程，风险指标主要包括系统内的湖泊和水库；对于输水工程，风险指标主要是河道和渠道；对于提水工程，风险指标主要有泵站和水闸。

1.2 评价标准

1.2.1 风险率评价标准

在我国大坝安全评价的基础上[15]，结合工程实际运行条件，得到调水工程洪水资源利用风险率的评价标准，具体内容见表1。

1.2.2 风险度评价标准

参考水利工程建设重大质量与安全事故等级划分[16]，得到调水工程洪水资源利用风险度评价标准，具体内容见表2。

1.2.3 风险评价标准

调水工程洪水资源利用风险评价等级由风险率和风险度共同确定，分为5级，具体内容见表3。

1.3 风险计算方法

根据风险的定义，把风险率和风险度的乘积作为洪水资源利用风险。在调水工程洪水资源利用过程中，蓄水工程、输水工程和提水工程承担了主要的工程风险，风险率和风险度的具体方法如下。

1.3.1 风险率计算方法

风险率采用式（1）、式（2）、式（3）計算，再将计算结果按表1中的标准换算成风险率评价值。

（1） 蓄水工程风险率。

蓄水工程的蓄水量增加后，工程的调洪能力降低，加大了汛期水位超过工程允许最高水位的风险。对于某一洪水过程Q（t），按一定的调洪规则进行调度，工程可能达到的最高水位为Hm（t），所形成的防洪风险状态是Hm（t）超过了允许最高水位Ha，蓄水工程的风险率R1可表示为

R1=P{Hm（t）≥Ha} （1）

（2） 输水工程风险率。

输水工程的蓄洪能力是影响调水工程洪水资源利用的重要因素，输水工程为调水工程洪水资源利用提供了必要条件，当输水流量Qc超过了工程允许的最大流量Qcm时，就产生了风险，输水工程的风险率R2可表示为

R2=P{Qc（t）≥Qcm} （2）

（3） 提水工程风险率。

提水工程应在设计工况内正常运行，增加的洪水资源量使工程运行水位升高，需校核其调水时的水位是否满足正常运行要求。当抽水水位Hp超过工程设计水位Hpm时，会带来风险，提水工程的风险率R3可表示为

R3=P{Hp（t）≥Hpm} （3）

1.3.2 风险度计算方法

风险度评价是一个复杂的过程，用风险损失来度量各指标风险造成失事后果的严重性。对蓄水工程和输水工程，主要考虑洪水漫溢带来的淹没损失；对提水工程，主要考虑不能正常提水带来的供水延误导致供水保证率受到影响而造成的经济损失。风险度评价值的确定应依据表2的标准，结合具体的工程参数、保护范围、调水量等因素综合考虑。

2 组合权重的计算

采用主客观结合的方式计算风险指标权重。由专家评判得出主观权重，再结合指标值的固有属性，可以得到客观权重。本文采用层次分析法计算主观权重，熵权法和投影寻踪法计算客观权重，用遗传算法求解主客观组合权重。

2.1 层次分析法

层次分析法是一种主观赋权的方法，计算步骤如下[17]。

（1）构造判断矩阵。对各层进行判断，整理得到风险因素的判断矩阵[WTHX]A[WTBX]=（aij）m×n，求解[WTHX]A[WTBX]的特征值和特征向量。

（2）一致性检验。用一致性指标CI检验判断矩阵[WTHX]A[WTBX]是否满足一致性要求，CI越大，表明不一致性越严重。

（3）计算指标权重。若递阶结构通过一致性检验，则可求出指标层各因素的最终权重d

2.2 熵权法

熵权法用信息无序化的程度来度量信息的多少，指标携带的信息越多，表示该指标对决策起的作用越大。熵值越小，系统的无序性越小。熵权法的判断矩阵由评价指标值构成，是一种客观赋权的方法[18]，计算步骤如下。

（1）若评价对象有m个，评价指标有n个，采用极差法对指标值进行归一化处理，得到初始判断矩阵[WTHX]R[WTBX]=（rij）m×n。

（2）计算各指标的熵值。

（3）计算各指标权重。

2.3 投影寻踪法

基本思路是：将高维数据投影到低维子空间里，用投影指标函数反映某种特征结构的可能性。投影方向向量反映了各个指标对投影值的贡献大小，把归一化后的投影向量作为评价指标的权重[19]。投影寻踪法直接通过决策矩阵求得权重，是客观赋权的方法，计算步骤如下。

（1）根据各指标原始数据，归一化处理后得到初始矩阵[WTHX]R[WTBX]=（xij）m×n（m为评价对象个数，n为评价指标个数）。

（2）构造投影指标函数，把初始指标投影到方向向量上，得到指标的投影值Zi如下：

最后，用RAGA求解，权重值取重复50次的各代最优个体的平均值。

2.4 组合赋权法

组合赋权法将主观权重与客观权重进行结合，是一种科学合理的方法[20]。组合权重通过遗传算法求解，遗传算法适应度函数的表达式为：

式中：Y（i，j）为第i种方法的第j个指标的权重；W（j）为随机生成的第j个指标的权重；m为评价方法数；n为评价指标数。

3 云模型风险评价

3.1 云模型及其数字特征

云模型是由李德毅院士提出的处理定性概念与定量描述的不确定性数学模型[21]。若U是用精确 数字表示的一个论域，R′是其对应的定性概念，那么对U中的任何元素x均有稳定的随机数y=UR′（x），这个随机数就是元素x对概念R′的确定度[22]。

云的数字特征可以反映定性概念的定量特征，用期望Ex、熵En和超熵He来表示。Ex是定性论域的中心值，En度量了定性概念的模糊性和随机性，He对熵的不确定性进行度量[23]。正态云及数字特征见图1。

3.2 云发生器

云发生器是构成云模型的基本算法，主要有正向云发生器、逆向云发生器和条件云发生器[24]，能够实现定量数值和定性语言的不确定性转换。

3.3 指标隶属度计算

本文通过X条件云发生器来计算风险指标的隶属度，计算步骤如下[26]。

（1）确定评价指标等级标准。

（2）计算不同等级的特征值，求解各指标对不同等级的隶属度。

通过X条件云发生器，输入指标值，对每个样本重复1 000次，求得的平均值作为每个等级的隶属度，输出的云模型隶属度矩阵是[WTHX]D[WTBX]=（μ*ij）m×n，计算公式如下：

组合权重[WTHX]W对D[WTBX]进行模糊转换，就能得到评价集上的模糊子集[WTHX]C[WTBX][27]，本文采用最大隶属度准则进行等级评判。

3.4 洪水资源利用风险评价的步骤

本文对调水工程洪水资源利用风险评价的步骤分为6步，评价流程见图2。

4 实例研究

4.1 工程概况

南水北調东线一期工程于2002年12月开工建设，2013年建成通水，供水范围是苏北、皖东北、鲁南、胶东和鲁北地区。目前南水北调东线沿线地区尚有供水无法覆盖的区域，实施洪水资源利用可以从一定程度上缓解供水不足问题，洪水资源的开发利用有其必要性。在东线二期工程实施前，采取联合调度管理措施，把江苏段的洪水资源输送至京津冀地区，实现水资源的合理利用和调配，最大限度地发挥一期工程的效益。本文以南水北调工程江苏段为例，对其洪水资源利用风险进行评价，为南水北调工程江苏段洪水资源安全利用提供理论依据。根据南水北调江苏段的各级湖泊、输水路线和沿线的泵站情况，对其进行概化，工程概化图见图3。

4.2 指标体系构建

由图3可知，江苏段工程洪水资源利用的起点是洪泽湖，再根据调水路线的湖泊、河道和闸站情况 ，识别出风险指标。蓄水工程风险由洪泽湖、骆马湖和南四湖下级湖的风险组成；输水工程风险由中运河、徐洪河、不牢河、韩庄运河的风险组成；提水工程风险由泗阳站、泗洪站、刘老涧站、睢宁站、皂河站、邳州站、刘山泵站的风险组成，评价指标体系见图4。

4.3 风险计算

一般而言，洪水汛期发生在每年的6月到9月，考虑到江苏省实际用水需求与湖泊的水资源调度等情况，将东线洪水资源利用调水时段调整为7月中旬到9月。在不同的来水条件下，洪水资源利用的风险存在差异，本文分别对丰水年、平水年和枯水年的洪水资源利用风险进行评价。

调水工程具有一定的空间跨度，需要正确划分风险评价的典型年，选择的典型年要能够反映出流域水资源的丰、平、枯变化情况，具有代表性。典型年选择的方法：根据流域水资源公报等资料，确定初步的洪水资源利用典型年（丰水年、平水年、枯水年的频率为25%、50%、75%）；考虑把湖泊汛期弃水作为洪水资源可利用量，还需结合湖泊的出湖流量对典型年划分作出适当调整。本文把洪泽湖的汛期弃水作为东线洪水资源供给，初定以洪泽湖流域为准划分典型年。通过对洪泽湖流域2003年至2017年的水文资料进行分析计算，所选取的丰水年代表是2003年，平水年代表是2010年，枯水年代表是2014年。

对丰、平、枯三种典型年的洪水资源利用汛期时段（七月中旬到九月）进行来水频率分析，验证合理性。丰水年汛期来水频率曲线见图5，洪泽湖、骆马湖、南四湖下级湖的平均入湖流量分别是4 707 m3/s、974 m3/s、1 092 m3/s；平水年汛期来水频率曲线见图6，洪泽湖、骆马湖、南四湖下级湖的平均入湖流量分别是2 922 m3/s、458 m3/s、367 m3/s；在枯水年，洪泽湖汛期平均入湖流量是1 218 m3/s，骆马湖和南四湖下级湖几乎没有入湖流量。在同一时段内，洪泽湖来水量比骆马湖和南四湖下级湖大得多，弃水也最多，骆马湖和南四湖下级湖来水情况接近，因此以洪泽湖流域为准划分典型年有利于准确估计风险。

根据南水北调东线工程实际运行调度情况，按照13节风险计算的方法，在充分分析各风险指标的水文资料和工程参数基础上，根据洪水资源可调水量可以计算出风险率评价[HJ2.2mm]值，通过估计风险损失、分析造成后果的严重性可得到风险度评价值，将两者乘积作为风险评价值，各指标在丰、平、枯不同典型年的风险评价值见表5，丰水年来水组合危险性最大，蓄水、输水、提水工程对应的风险值最大，应以丰水年来水组合来控制洪水资源利用风险，制定相应风险规避措施。

4.4 组合权重计算

请相关领域的专家对风险指标进行评分，从而构造出层次分析法所需的判断矩阵，计算得到主观权重。把各指标在2003年至2017年共15年的洪水资源利用风险评价值作为熵权法和投影寻踪法的初始判断矩阵，计算得到基于熵权法和投影寻踪法的客观权重。采用遗传算法求解组合权重，计算结果见表6。根据表中的权重值得到由不同方法计算的指标权重变化曲线，见图7可以看出，组合权重介于三种方法算得的权重值之间，综合考虑了主观因素和客观因素。

本文评价方法更客观合理，主客组合权重考虑了人为因素和指标值本身的客观属性，云模型对风险做了模糊性处理，组合权重云模型理论对解决具有随机性的模糊风险评价问题有较好的适应性。

不同典型年型条件下洪水资源利用的特点与可能存在的问题：丰水年，湖泊汛期弃水丰富，向京津冀地区的可调洪水资源多，供水保证率高，能带来较大的洪水资源利用效益，但洪水资源利用风险也高；平水年，可调洪水资源量适中，洪水资源利用风险和效益中等；对于枯水年，汛期弃水少甚至没有弃水，可调洪水资源少，导致供水得不到保证，洪水资源利用效益低，带来的风险也低。应根据不同典型年的洪水资源利用风险，结合工程实际，加强风险监控，必要时采取相对应的风险管理措施，同时制定风险应急预案，保证洪水资源利用风险在可控范围内。

5 结论

洪水资源的利用能在一定程度上缓解我国的水资源短缺问题，合理利用洪水资源要把风险控制在一定范围内，必要时可采取风险规避措施。本文从工程角度出发，构建了调水工程洪水资源利用风险指标体系，引入了组合权重云模型理论。通过层次分析法、熵权法和投影寻踪法计算得到主客观组合权重，基于云模型计算隶属度，考虑了模糊性和随机性，对调水工程洪水资源利用风险进行客观评价。对南水北调江苏段的计算分析可以发现，其洪水资源利用的工程风险较小，同时南水北调东线洪水资源利用会给京津冀地区带来巨大的经济和社会效益。调水工程的洪水资源利用风险评价对洪水资源安全利用具有实际意义，组合权重与云模型相结合的风险评价方法为调水工程洪水资源安全利用提供了重要的理论支撑。

调水工程系统复杂，影响洪水资源利用风险因素众多，本文只考虑了工程风险，对水质风险、管理调度风险还可做进一步研究。

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