基于模糊層次評判的區(qū)域洪水資源利用綜合風(fēng)險評價

馬月華，方紅遠，梁振東

（1.揚州市江都區(qū)水務(wù)局，江蘇揚州 225200；2.揚州大學(xué)，江蘇 揚州 225009）

區(qū)域洪水資源利用或配置實際是一種風(fēng)險管理過程，風(fēng)險管理是一種識別和分析風(fēng)險并對其作出響應(yīng)的系統(tǒng)過程，其目的是要極大化風(fēng)險事件的正效應(yīng)與極小化風(fēng)險事件的負(fù)效應(yīng)[1-2]。區(qū)域洪水資源利用風(fēng)險是泛指在特定的時空環(huán)境條件下，在利用洪水資源解決水資源短缺和維系良好生態(tài)環(huán)境的過程中所發(fā)生的非期望事件及其發(fā)生概率并由此產(chǎn)生的損失程度[3-4]。

區(qū)域洪水資源利用的最大特征是利益與風(fēng)險共存，無論是運用水庫、蓄滯洪區(qū)及河渠槽蓄等工程性措施，抑或借助于政策制定、經(jīng)濟管理、預(yù)報調(diào)度等非工程性措施，其在洪水資源化利用方面均存在不同的附加風(fēng)險[5-6]。雖然，這些風(fēng)險可以通過洪水預(yù)測預(yù)報、先進調(diào)度技術(shù)運用以及合理的洪水資源化利用預(yù)案制定等方法加以減小，但在一般意義下，資源化的增蓄洪水量其使用成本和風(fēng)險顯然比常規(guī)水資源量要高。因此，在滿足資源使用有效原則時，如何將高風(fēng)險高成本的洪水資源量合理地分配給不同的地區(qū)或社會經(jīng)濟部門以獲取最佳回報率是水資源合理配置必須研究的內(nèi)容；而這種研究的基礎(chǔ)則是區(qū)域洪水資源利用的綜合風(fēng)險評估。

1 洪水資源利用主要措施的風(fēng)險計算原則

水庫汛限水位動態(tài)控制運用、蓄滯洪區(qū)引流蓄洪以及河渠槽蓄調(diào)控等是目前較為常用的洪水資源利用主要措施，其在洪水資源利用過程中的風(fēng)險計算原則與方法表述如下。

1.1 水庫蓄洪風(fēng)險計算

通過水庫動態(tài)汛限水位的調(diào)整可以增加水庫的可供水量，從而提高對洪水資源利用的效率。水庫汛限水位提高在增加水庫蓄水量而獲得更多興利效益的同時，也因防洪庫容減少而降低水庫的蓄洪調(diào)洪能力，導(dǎo)致增大汛期水庫運行水位超過設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)險。

設(shè)某一入庫洪水過程Q（t），針對一汛限水位，按一定的調(diào)洪規(guī)則進行汛期調(diào)度后，水庫可能達到的最高庫水位為Hm（t），其形成防洪風(fēng)險的狀態(tài)是Hm（t）超過了設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)Hd；一般情況下，最高庫水位為Hm（t）超過設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)Hd的風(fēng)險（R）可表示為：

相應(yīng)于一定汛限水位和某次洪水過程的水庫在汛期可能達到的最高庫水位，是諸如水庫初始起調(diào)水位、水庫幾何特征、運行規(guī)則、一定頻率的洪水過程特點等許多不確定性因素的函數(shù)，可根據(jù)水庫調(diào)洪演算方法求得。

1.2 蓄滯洪區(qū)（濕地）蓄洪風(fēng)險計算

利用蓄滯洪區(qū)轉(zhuǎn)換洪水資源有2種情況。若設(shè)洪水資源化蓄洪限制水位為Zfr，則第1 種情況是蓄滯洪區(qū)按照防洪預(yù)案正常蓄洪使用，該次洪峰過后，蓄滯洪區(qū)并不完全泄空，而只是泄至Zfr，以保留部分洪水資源；第2 種情況是河道洪水未達到啟用蓄滯洪區(qū)的量級，但為利用洪水資源，主動引洪水入蓄滯洪區(qū)，蓄水位最多至Zfr。

無論是第1種情況還是第2種情況，通過蓄滯洪區(qū)進行洪水資源化利用，其附加風(fēng)險在于前期按蓄洪限制水位（Zfr）控制運行會占用部分防洪庫容，當(dāng)后期發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水需啟用蓄滯洪區(qū)時，將影響蓄滯洪區(qū)防洪減災(zāi)功能的發(fā)揮。因此，在后期洪水到來之前，盡快泄放掉一部分前期蓄滯的洪水以騰出足夠的蓄洪容量，是蓄滯洪區(qū)防洪調(diào)度的關(guān)鍵。設(shè)洪水預(yù)報的預(yù)見期為Tf，而應(yīng)當(dāng)被泄放掉的前期洪水量排出蓄滯洪區(qū)所需花費的時間為Tr，則蓄滯洪區(qū)洪水資源化風(fēng)險（R）可表示為：

蓄滯洪區(qū)洪水排出時間（Tr）的概率分布一般也難以確定，它與需泄放掉的前期洪水量、泄洪閘泄水能力、退水河道過流能力及水位、蓄滯洪區(qū)排水設(shè)施狀況等因素有關(guān)。因此，Tr值可根據(jù)上述因素，依據(jù)區(qū)域排澇計算原則和方法計算獲得。

1.3 河渠蓄洪風(fēng)險計算

河槽的蓄洪能力是影響區(qū)域洪水資源化利用措施中河渠互濟洪水調(diào)度的重要因素，由分洪閘、攔河閘等水利工程設(shè)施在區(qū)域骨干河流水系上形成的具有一定蓄水容量的河段，也可為區(qū)域洪水資源化利用提供條件。

河渠蓄洪風(fēng)險在于洪水期河道河槽中蓄水量（Sc）超過了最大槽蓄量（Sm），或河道河槽中蓄水位（Hc）超過了河道的設(shè)計洪水位（Hcm），則河渠蓄洪風(fēng)險（R）可表示為：

2 區(qū)域洪水資源利用的綜合風(fēng)險評價

2.1 綜合風(fēng)險評價層次結(jié)構(gòu)

區(qū)域洪水資源利用綜合風(fēng)險是由各子區(qū)域的利用風(fēng)險組成的，而各子區(qū)域的洪水資源利用綜合風(fēng)險主要來自于各種洪水資源利用措施產(chǎn)生的風(fēng)險，如水庫調(diào)度、蓄滯洪區(qū)引洪以及河渠槽蓄調(diào)控等，而每一種措施的風(fēng)險則應(yīng)由綜合評價各相同屬性的風(fēng)險項而得。如，在評價分析某子區(qū)域的水庫洪水資源利用措施風(fēng)險在構(gòu)成該子區(qū)域的綜合風(fēng)險值中所具有的貢獻時，應(yīng)采用子區(qū)域內(nèi)各水庫運用的風(fēng)險及其相對重要性來綜合評價分析水庫洪水資源利用措施的風(fēng)險值；其他措施（即蓄滯洪區(qū)、河渠槽蓄）的風(fēng)險值則按相同方法計算。而后在所有洪水資源利用措施風(fēng)險值基礎(chǔ)上，計算分析子區(qū)域的洪水資源利用綜合風(fēng)險；最后由各子區(qū)域的綜合風(fēng)險值組合求得整個區(qū)域的洪水資源利用綜合風(fēng)險。根據(jù)上述區(qū)域洪水資源化利用的結(jié)構(gòu)特征以及綜合風(fēng)險值評價應(yīng)具有的層次，可以建立如實例研究中圖1 所示的綜合風(fēng)險值評價的層次結(jié)構(gòu)。其中，第1 級評價針對不同類型的洪水資源利用措施，第2 級評價針對各子區(qū)，最后一級評價即為區(qū)域綜合風(fēng)險評價。

2.2 模糊評價語氣因子與隸屬函數(shù)

多指標(biāo)模糊評價分析中，一般采用多級語氣評價因子，并使用三角形隸屬函數(shù)等來表達各級語氣評價因子的隸屬度[7-8]。在本項目所研究的區(qū)域洪水利用綜合風(fēng)險值評價中，風(fēng)險概念應(yīng)包含風(fēng)險值的大小以及與此風(fēng)險值相對應(yīng)的風(fēng)險效益和風(fēng)險損失，也即用模糊語氣因子描述風(fēng)險概念時，既要考慮風(fēng)險值的大?。ǚQ為風(fēng)險等級），也要考慮由對應(yīng)的風(fēng)險效益或風(fēng)險損失決定的這種風(fēng)險的影響程度（稱為風(fēng)險度）。如，根據(jù)實際需要，常采用極端低、相當(dāng)?shù)?、低、一般、高、相?dāng)高和極端高等語氣評價因子分別表示語氣等級，并用三角形隸屬函數(shù)來刻畫這些模糊語氣的隸屬度。上述各模糊語氣變量可分別用符號F1、F2、F3、…、FL表示（這里L(fēng)為語氣等級劃分?jǐn)?shù)目），其三角形模糊隸屬度函數(shù)可分別用分段線性函數(shù)表示。對于模糊數(shù)F1，其三角形隸屬度函數(shù)可表示為：

對于模糊數(shù)F2、F3、…、FL-1，其三角形隸屬度函數(shù)可表示為：

其中，i=2，3，…，L-1。

而對于模糊數(shù)FL，其三角形隸屬度函數(shù)可表示為：

2.3 模糊層次判斷評價方法

根據(jù)圖1所示的區(qū)域洪水資源利用綜合風(fēng)險值評價層次結(jié)構(gòu)，設(shè)第1級評價時，第i類措施第j種風(fēng)險項Xkij的權(quán)重為w1（i，j），i=1，2，…，I；j=1，2，…，J；第2 級評價時，第k 子區(qū)第i 類措施的權(quán)重為w2（k，i），k=1，2，…，K；i=1，2，…，I。進行區(qū)域綜合風(fēng)險值評價時，相應(yīng)于第k子區(qū)的權(quán)重為w3（k），k=1，2，…，K。根據(jù)區(qū)域洪水資源利用方式特征，依據(jù)式（1）、（2）及（3）等可先行求得區(qū)域內(nèi)各子區(qū)不同洪水資源利用措施的蓄洪水量及其相應(yīng)的風(fēng)險值、風(fēng)險效益和風(fēng)險損失。進行第1級評價時，設(shè)第k子區(qū)第i類措施第j種風(fēng)險項的風(fēng)險值為rk（i，j），而相應(yīng)的風(fēng)險效益和風(fēng)險損失分別為Bk（i，j）、Ck（i，j）。根據(jù)已獲得的風(fēng)險值、風(fēng)險效益和風(fēng)險損失，在相關(guān)水資源開發(fā)利用主管部門、運行管理部門以及有關(guān)領(lǐng)域的專家對各風(fēng)險項的風(fēng)險率和風(fēng)險度所作的獨立評價基礎(chǔ)上，依據(jù)前述確定的若干級語氣評價因子（本研究采用L=7 級語氣因子），采用加權(quán)模糊數(shù)和式（7）計算方法綜合得出各風(fēng)險項的風(fēng)險率和風(fēng)險度的等級及其隸屬函數(shù)。

由此可計算第1 級評價中第k 子區(qū)各類措施的風(fēng)險隸屬度值，如第k子區(qū)第i類措施的風(fēng)險隸屬度值為：

由于第1級評價計算已獲得不同子區(qū)各類措施風(fēng)險隸屬度值，則第2級評價計算中第k子區(qū)的風(fēng)險隸屬度值表示為：

第3級的區(qū)域綜合風(fēng)險值評價值（Ψ）可根據(jù)[Z（1），Z（2），…，Z（7）]=[w3（1），w3（2），…，w3（L）]1×L?[Hk（k’）]L×7數(shù)值結(jié)果，按下式計算：

2.4 評價指標(biāo)權(quán)重值確定

不同層次綜合風(fēng)險計算分析中的各種洪水資源利用措施和各子區(qū)域的權(quán)重系數(shù)，可由綜合分析社會、經(jīng)濟、技術(shù)及環(huán)境等因素加以確定。一般確定多指標(biāo)評價體系中權(quán)重的方法主要有主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法[9-10]，其中主觀賦權(quán)的特征是依據(jù)專家咨詢綜合量化確定指標(biāo)權(quán)重，如功效系數(shù)法、層次分析法等，而客觀賦權(quán)是根據(jù)評價指標(biāo)樣本自身的相關(guān)關(guān)系和變異程度確定權(quán)重，如熵值法、主成分分析法等?？紤]到主觀賦權(quán)過于依賴人的主觀判斷，難免受主觀因素影響，而客觀賦權(quán)雖然避免了人為因素，但容易受指標(biāo)樣本隨機誤差的影響，故筆者確定權(quán)重的方法是先在主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法中各選擇若干種有代表性的方法計算各單一方法的權(quán)重值，在充分利用各種方法的有用評價信息條件下，建立以最小偏差平方和為目標(biāo)的組合賦權(quán)評價模型，以獲得相應(yīng)評價因素的權(quán)重值[11]。

3 實例研究

3.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域為徐州市水資源計算分區(qū)——沂北區(qū)內(nèi)的高塘-阿湖水庫灌區(qū)（簡稱高阿水庫區(qū)），區(qū)內(nèi)多年平均年降雨量和蒸發(fā)量分別為866.3和874.6 mm。從研究區(qū)內(nèi)水利工程建設(shè)狀況分析，其洪水資源利用主要依靠高塘、阿湖2 座水庫以及下游的大沙河控制閘、黑埠水閘與相應(yīng)的河渠槽蓄段等水利設(shè)施及其調(diào)控運用來實現(xiàn)。

高塘水庫位于徐州市新沂市東北部丘陵山區(qū)的大沙河上游，屬于具有防洪、灌溉及水產(chǎn)養(yǎng)殖等功能的綜合利用型水庫，大石埠水庫位于其上游，設(shè)計洪水位為36.83 m，校核洪水位為37.81 m（以廢黃河零點計）；原水庫防洪庫容為3 374 萬m3，興利庫容為1 171萬m3。阿湖水庫位于徐州市東部丘陵山地的淋頭河上游，庫區(qū)跨越新沂、東海2 市縣，屬于防洪為主和結(jié)合蓄水灌溉的中型水庫，其上游建有連云港賀莊水庫，該水庫泄洪河道為阿湖水庫主要匯流河道；下游為連云港安峰山水庫，由阿安引河向其送水；總庫容為4 180萬m3，防洪庫容及興利庫容分別為3 793萬及615萬m3。

大沙河、淋頭河是研究區(qū)內(nèi)2 條重要的區(qū)域性丘陵山區(qū)河流，均具輸水和排澇兩用功能，在汛期排澇季節(jié)承擔(dān)著上游客水的下泄與本地內(nèi)澇水量的蓄滯和下排。目前，2條河道的治理標(biāo)準(zhǔn)均為5年一遇除澇、20年一遇防洪；另外大沙河與淋頭河上分別建有大沙河節(jié)制閘與黑埠閘，最大過流能力分別為565和294 m3/s。

3.2 綜合分析的模糊層次評判結(jié)構(gòu)

前已論述，區(qū)域洪水資源利用的風(fēng)險是由區(qū)域內(nèi)各項洪水資源利用措施（水庫、蓄滯洪區(qū)、河渠槽蓄等）實施后發(fā)生的風(fēng)險所構(gòu)成的，但由于各項洪水資源利用措施在工程結(jié)構(gòu)及其運行特征、區(qū)域水資源開發(fā)利用中的作用、所處地理區(qū)位及社會經(jīng)濟影響以及其對區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護所具有的影響力等方面的差異，它們的風(fēng)險度與風(fēng)險值之間存在著復(fù)雜的非線性關(guān)系，故區(qū)域洪水資源利用綜合風(fēng)險不宜采取類似簡單加權(quán)求和形式來計算分析。圖1為依據(jù)高阿水庫灌區(qū)實際水利工程布局及運行特征構(gòu)建的基于模糊層次評價法的區(qū)域洪水資源利用綜合風(fēng)險評估系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖1 高塘一阿湖區(qū)域洪水資源利用綜合風(fēng)險評估系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.3 計算與成果分析

不同洪水資源利用模式及運行調(diào)度策略條件下的各項洪水資源利用措施（即風(fēng)險項）的風(fēng)險值，按模擬計算出的各單項措施的洪水增蓄量或洪水資源可利用量與防洪風(fēng)險值之間的概化關(guān)系近似估算，即高阿區(qū)域分別按50年一遇設(shè)計洪水和1 000年一遇校核洪水過程來模擬計算各水庫的洪水利用風(fēng)險值以及各水庫下游河渠段槽蓄漫溢等防洪風(fēng)險值。而相應(yīng)的風(fēng)險度評價，則依據(jù)各風(fēng)險項在區(qū)域防洪作用、區(qū)域洪水資源利用等方面的地位和重要性，均可結(jié)合模糊定性判斷分析法與專家經(jīng)驗等進行。各風(fēng)險項的權(quán)重系數(shù)，依據(jù)前述主客觀結(jié)合的計算方法進行確定。

高阿區(qū)域依據(jù)河流水系特征，可分為大石埠-高塘水庫分區(qū)及賀莊-阿湖水庫分區(qū)2 個洪水資源利用分區(qū)，顯然，高阿區(qū)域洪水資源利用綜合風(fēng)險是由這2 個分區(qū)內(nèi)各項洪水資源利用方式（主要為水庫蓄水調(diào)洪和河渠調(diào)蓄2 種措施）所產(chǎn)生的風(fēng)險組合構(gòu)成的。筆者分別對高阿區(qū)域在設(shè)計洪水、校核洪水入庫徑流過程條件下，相應(yīng)于汛限水位動態(tài)控制運用方案的洪水資源利用方案區(qū)域綜合風(fēng)險值進行了評價計算，表1 為相應(yīng)于設(shè)計洪水的區(qū)域綜合風(fēng)險值評價計算過程。表中X111、X112分別為大石埠水庫及高塘水庫洪水資源利用風(fēng)險項，X121、X122分別為大石埠-高塘水庫河渠段槽蓄運用風(fēng)險項、高塘-大沙河閘河渠段槽蓄運用風(fēng)險項，X211、X212分別為賀莊水庫及阿湖水庫洪水資源利用風(fēng)險項，X221、X222分別為賀莊-阿湖水庫河渠段槽蓄運用風(fēng)險項、阿湖-黑埠閘河渠段槽蓄運用風(fēng)險項。w（k，i，j），i、j、k=1，2分別為相應(yīng)于上述洪水資源利用風(fēng)險項的權(quán)重系數(shù)。Ψ值為計算得到的整個區(qū)域洪水資源利用綜合風(fēng)險值，根據(jù)此值可判斷研究區(qū)域洪水資源利用風(fēng)險的大小狀態(tài)。

由計算成果可知，在高阿區(qū)域水庫實行汛限水位動態(tài)控制運用的情況下，對于設(shè)計洪水過程而言，該區(qū)域的洪水資源利用綜合風(fēng)險值為0.248，該值落在0.173～0.385，屬于較低風(fēng)險狀態(tài)；而對于校核洪水過程而言，該區(qū)域的洪水資源利用綜合風(fēng)險值為0.708，該值落在0.507～0.882，屬于較高風(fēng)險狀態(tài)。需要說明的是，這種區(qū)域綜合風(fēng)險值雖然是在區(qū)域內(nèi)各風(fēng)險項風(fēng)險狀況已知的條件下，通過模糊識別與判斷的方法計算出的，但它在一定程度上可反映各種開發(fā)利用方案在洪水資源利用方面的風(fēng)險程度，故其用于規(guī)劃或管理方案比較是可以接受的。

表1 相應(yīng)于設(shè)計洪水的區(qū)域綜合風(fēng)險值評價計算過程

4 結(jié)論

社會經(jīng)濟的快速發(fā)展導(dǎo)致我國區(qū)域水資源供需矛盾日益嚴(yán)重，在半干旱或半濕潤地區(qū)注重開發(fā)利用非傳統(tǒng)水源以緩解水資源短缺危機已被認(rèn)為是一種有價值的途徑。筆者從梳理歸納區(qū)域洪水資源利用方式及其相應(yīng)的防洪風(fēng)險計算原則著手，運用模糊數(shù)學(xué)原理和層次評價方法，建立了模糊層次評價模型結(jié)構(gòu)，以用于評估區(qū)域洪水資源利用的綜合風(fēng)險。該方法具有考慮風(fēng)險等級與風(fēng)險度模糊計算以及主客觀因素權(quán)重確定等特征，實例研究證實所提出的模型結(jié)構(gòu)及其評價分析方法可為區(qū)域洪水資源利用規(guī)劃及合理配置方案論證提供一種實用的技術(shù)手段。雖然該方法的有效性很多程度上取決于各項洪水資源利用措施的風(fēng)險計算，但在計算分析條件許可的情況下將其用于區(qū)域洪水資源利用規(guī)劃或管理方案選擇過程是可行的。

[1]J W Ha111，I C Meadowcroft，P B Sayers. Integrated f1ood risk management in Eng1and and Wa1es[J]. Natura1 Hazards Review，2003，4（2）：126–135.

[2]王浩，殷峻暹.洪水資源利用風(fēng)險管理研究綜述[J].水利發(fā)展研究，2004，（5）：4-8.

[3]李繼清，張玉山，王麗萍，等.洪水資源化及其風(fēng)險管理淺析[J].人民長江，2005，36（1）：35-37.

[4]許士國，劉建衛(wèi)，張柏良.洪水資源利用及其風(fēng)險管理研究[J].水力發(fā)電，2007，33（1）：10-13.

[5]賈紹鳳，何希吾，夏軍．中國水資源安全問題及對策[J]．中國科學(xué)院院刊，2004，19（5）：347-350.

[6]陳守煜，郭瑜.模糊可變集合及其在防洪工程體系綜合風(fēng)險評價中的應(yīng)用[J].水利水電科技進展，2005，25（6）：4-8.

[7]Lee H M.App1ying fuzzy set theory to eva1uate the rate of ag?gregative risk in software deve1opment[J].Fuzzy Sets and Sys?tems，1996，79：323-336.

[8]Lee H M，Shu-Yen Lee，Tsung-Yen Lee.A new a1gorithm for app1ying fuzzy set theory to eva1uate the rate of aggrega?tive risk in software deve1opment[J].Information Sciences，2003，153：177-197.

[9]彭勇行.國際投資環(huán)境的組合評價研究[J].系統(tǒng)工程理論與實踐，1997，（11）：13-17.

[10]陳衍泰，陳國宏，李美娟.綜合評價方法分類及研究進展[J].管理科學(xué)學(xué)報，2004，7（2）：69-79.

[11]方紅遠，王銀堂，胡慶芳.區(qū)域洪水資源利用綜合風(fēng)險評價[J].水科學(xué)進展，2009，20（5）：726-731.