水資源系統(tǒng)風險評估研究進展及展望

姜秋香，付強，宮凡荔，王子龍

（1.東北農(nóng)業(yè)大學水利與建筑學院，哈爾濱 150030；2.東北農(nóng)業(yè)大學農(nóng)林經(jīng)濟管理博士后科研流動站，哈爾濱 150030）

水文水資源

水資源系統(tǒng)風險評估研究進展及展望

姜秋香1，2，付強1，宮凡荔1，王子龍1，2

（1.東北農(nóng)業(yè)大學水利與建筑學院，哈爾濱 150030；2.東北農(nóng)業(yè)大學農(nóng)林經(jīng)濟管理博士后科研流動站，哈爾濱 150030）

介紹了水資源系統(tǒng)風險評估指標體系構(gòu)建和風險評估方法研究進展，著重分析了多種風險評估方法在實踐中的優(yōu)缺點和適用性，總結(jié)了傳統(tǒng)統(tǒng)計學方法的不足和系統(tǒng)分析方法的局限性及新方法的發(fā)展前景，提出了結(jié)合數(shù)據(jù)特征綜合利用所需評估方法，同時也為更好地建立水資源風險評估體系奠定了理論基礎。

水資源系統(tǒng)；風險評估；評估指標體系：系統(tǒng)分析方法

水資源系統(tǒng)風險評估包括定義系統(tǒng)問題、風險識別、風險分析、風險計算和風險決策5部分［1］。

水資源系統(tǒng)風險評估不僅能在一定程度上降低風險和災害產(chǎn)生的損失，同時也能提高水資源配置效能［2］。通過對風險評估進行科學合理的分析，定量評價水資源系統(tǒng)中存在的已知與未知的風險，采取有效的風險決策，才能更好地保證水資源系統(tǒng)風險評估理論與實踐的完美結(jié)合，保障水資源系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。

1 風險評估指標體系

在水資源系統(tǒng)風險評估中，通過構(gòu)建風險評估指標體系可完成風險識別和風險分析。

目前，水資源系統(tǒng)風險評估指標研究已由單項指標選取向指標體系構(gòu)建轉(zhuǎn)變。Fiering［3］對水資源系統(tǒng)風險中可恢復性進行了深入研究，并給出11種系統(tǒng)可恢復性度量方法，為后續(xù)相關(guān)研究提供了參考；Hashimoto［4］運用數(shù)學思想定量表達了可靠性、可恢復性和脆弱性3個風險評估指標，為水資源系統(tǒng)風險評估的模型建立奠定了基礎。阮本清等［5］針對區(qū)域水資源短缺問題，采用風險率、脆弱性（易損性）、重現(xiàn)期、可恢復性和風險度作為其風險評估指標，以此完成水資源短缺風險評估指標體系的構(gòu)建。謝翠娜等［6］在剖析自然災害、城市干旱缺水、水環(huán)境的風險評估研究成果基礎上，根據(jù)城市水資源的自然、生態(tài)環(huán)境及水資源風險的形成原理，提出了一套由危險性、暴露性、脆弱性和防災減災能力組成的風險評估指標體系。該指標體系涵蓋了中國大多數(shù)城市的基本水資源條件，是一套適合中國城市水資源綜合風險評估的指標體系。

2 風險評估方法

在風險評估指標體系構(gòu)建的基礎上，通過選取適宜的評估方法，對系統(tǒng)運行發(fā)生風險的概率及其損失程度作出估計，可定量化評估水資源系統(tǒng)風險。風險評估方法的選擇不僅決定著能否客觀地反應系統(tǒng)運行風險，同時也影響著規(guī)避系統(tǒng)風險策略的制定。目前，風險評估諸多方法可歸為統(tǒng)計學方法、系統(tǒng)分析方法和新方法三大類。

2.1 統(tǒng)計學方法

2.1.1 概率論和極值統(tǒng)計學方法

概率論視系統(tǒng)風險發(fā)生為隨機變量，以概率統(tǒng)計作為其數(shù)學工具，模擬系統(tǒng)的風險概率分布，進而實現(xiàn)系統(tǒng)的風險評估。該方法已被應用于水資源管理的不確定性分析中［7］。其具有概念性強，簡單易懂等優(yōu)點，但當隨機變量影響因素較多時，由于難以找到變量之間的概率關(guān)系，致使無法求得解析解或數(shù)值解，因此該方法在實際應用中對系統(tǒng)中變量的數(shù)目和關(guān)系要求較為嚴格。

極值統(tǒng)計學方法在處理樣本容量極值（最大值和最小值）的基礎上，組成最大值和最小值總體，以此利用極值概率分布的隨機變量來模擬極值［8］。其優(yōu)點在于可以很好地模擬突發(fā)情況下的水資源風險，缺點是無法劃分風險范圍和風險強度。該方法在洪災風險評估中應用較為廣泛［9-10］。

2.1.2 重現(xiàn)期法

重現(xiàn)期法是從工程水文學角度提出的風險率計算方法，該方法基于兩個前提假設：①各水文事件的發(fā)生是獨立的；②各水文事件發(fā)生的概率相等。重現(xiàn)期法在計算風險上具有簡單易行的優(yōu)點，但也有其局限性。如重現(xiàn)期是由歷史資料的統(tǒng)計和外延推得，故風險率計算會受到統(tǒng)計資料精度的限制。阮本清等［5］在研究水資源短缺風險中指出重現(xiàn)期可采用平均值，但是在實際應用中需根據(jù)不同情況選擇不同的重現(xiàn)期。

2.1.3 蒙特卡洛模擬法

蒙特卡洛模擬法（Monte-Carlo，簡稱MC）是用隨機數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生具有相同發(fā)生概率的隨機數(shù)，將其輸入模型進行模擬試驗，經(jīng)過不斷的反復，得出風險變量的頻率分布，再通過統(tǒng)計分析得到風險指標。

MC法計算精度高，常被應用于風險計算中，尤其對于非線性、不同分布及相關(guān)系統(tǒng)更為有效。但該方法依賴樣本容量和抽樣次數(shù)，不僅計算量大，而且計算結(jié)果精確度不高，因此，在可以選擇其他簡單方法時，應盡可能避免使用MC法，或僅以此方法作為一種參考對照［11］。

2.1.4 JC法

JC法是由克拉維茨和菲斯萊等人提出的一種從一次二階矩法、改進的一次二階矩法發(fā)展而來的風險計算方法，其適用于隨機變量為任意分布的情況。該方法不僅可以對非線性的狀態(tài)方程求解，而且對狀態(tài)方程中變量的分布不加限定，在計算同等精度時，JC法的效率高于MC法［16］，因此，該方法越來越受到學者的青睞。目前，JC法已被廣泛應用于水庫泄洪風險分析中［17-18］。

2.2 系統(tǒng)分析方法

2.2.1 模糊風險分析法

由于水資源系統(tǒng)的不確定性，并在其不斷發(fā)展及演變過程中，受到來自諸多因素的影響，致使系統(tǒng)表現(xiàn)出不穩(wěn)定、模糊或混沌等現(xiàn)象，這些都是水資源系統(tǒng)客觀存在的模糊現(xiàn)象，因此，在研究水資源系統(tǒng)風險時可采用模糊分析法。該方法的優(yōu)點是模糊理論研究較為成熟，不足之處是隸屬度函數(shù)的構(gòu)建沒有統(tǒng)一的標準，在建立模型或是選取指標時主觀性比較強。阮本清等［5］、王紅瑞等［19］、羅軍剛等［20］均采用了模糊方法對區(qū)域水資源短缺風險進行了綜合評價。Schmucker［21］提出了用合并子系統(tǒng)的方法來計算整個系統(tǒng)的模糊風險；Simonovic［7］將風險用模糊集方法加以定義，并對水資源管理中的不確定性來源進行了分類。

2.2.2 灰色風險分析法

水資源系統(tǒng)被定義為復雜的巨系統(tǒng)，其復雜性體現(xiàn)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響因素眾多，研究時人們只能把握部分，而不能了解全部的信息量。在這種信息部分已知、部分未知的情況下，將系統(tǒng)變量視為灰變量，可采用灰區(qū)間預測的方法來度量系統(tǒng)的不確定性，以此強調(diào)對風險率的灰色不確定性的描述和量化。鑒于在研究水資源系統(tǒng)風險巨大信息量的同時，不可避免地會遇到信息量的缺失或未知，而灰色風險分析法正彌補了這方面的空缺。在實際應用中，灰色風險分析法的局限性較小，適用范圍較廣。目前，該方法已被廣泛應用于堤壩決口的可行性分析［22］、河流重金屬污染的風險評估［23］、水資源系統(tǒng)灰色不確定因素風險評估［24］中。

2.2.3 層次分析法

水資源系統(tǒng)風險評估是由多指標組成的、具有一定層次結(jié)構(gòu)的復雜系統(tǒng)，研究過程中的重點和難點在于指標權(quán)重的計算，為此我國學者［25-26］探討了將層次分析作為指標權(quán)重計算的工具，最終根據(jù)權(quán)重的取值來評價風險的大小?；趯哟畏治龅乃Y源系統(tǒng)風險評估，在建立風險評估指標體系的基礎上，利用層次分析法確定各風險指標的相對權(quán)重并建立綜合評估模型，最后綜合各種風險指標值對水資源系統(tǒng)進行風險評估。層次分析法是從定性分析到定量分析綜合集成的典型的系統(tǒng)工程方法，具有較強的推廣和應用價值。

2.3 新方法

2.3.1 支持向量機法

支持向量機是一種基于結(jié)構(gòu)風險最小化的新型機器學習技術(shù)，也是一種具有很好泛化能力的回歸方法，同神經(jīng)網(wǎng)絡一樣，具有逼近任意連續(xù)有界非線性函數(shù)能力的一種回歸方法。黃明聰?shù)龋?7］闡述了支持向量回歸機的原理：首先選取風險評價指標，再通過給定的估計函數(shù)，利用對偶原理、拉格朗日乘子法和核技術(shù)，最終得到支持向量機的水資源短缺風險評價模型，并將其成功應用于閩東南地區(qū)水資源短缺風險評價中。支持向量機方法在水資源風險評估領(lǐng)域的研究尚屬嘗試，其應用過程比較公式化，適用范圍尚無明確限定，還有待學者們進一步深入研究。

2.3.2 最大熵風險分析法

無論是模糊還是灰色風險分析法，對其應用都源于水資源系統(tǒng)的不確定性，風險與不確定性是緊密聯(lián)系的，這是水資源系統(tǒng)的一大顯著特性［28］。

熵是隨機變量不確定性或所含信息量的度量，故可采用熵來計算水資源系統(tǒng)的風險程度。最大熵原理是指對于“不適定問題”（指求解問題時由于數(shù)據(jù)不完全，在給定的條件下，不足以推求該問題的確定解），在其所有的可行解中，當滿足一定的約束條件時，應選擇熵值最大的一個［29］。熵最大意味著此時的解所包含的主觀成分最少，因此，該解最客觀，誤差最小。

在水資源系統(tǒng)風險評估中，可通過最大熵原理得到風險變量的概率特性，然后應用統(tǒng)計方法計算水資源系統(tǒng)風險率。韓宇平等［30］建立了最大熵原理的風險評價模型，通過實例分析，評價出了水資源短缺風險的高低以及需要采取行之有效的管理措施；鄒強等［31］針對復雜洪水災害系統(tǒng)中隨機、模糊、灰色等各種不確定性，以最大熵原理為基礎，建立了基于最大熵原理的洪水災害風險模型，并將該模型應用到荊江泄洪區(qū)洪水災害風險分析中；杜朝陽等［32］根據(jù)地下水系統(tǒng)不確定性的特點和影響因素，構(gòu)建了基于最大熵原理的地下水開采降深風險分析模型，并將其應用到水源地下水開采風險分析中，同時驗證了該模型具有較好的可行性。

雖然熵理論與方法還不完善，不能自成體系，但是由于熵對不確定性高層次的描述與刻畫，用其來研究不確定性問題的有效性還是值得推廣和學習的，因而具有廣闊的應用前景。

2.3.3 界殼的泛系觀控法

界殼論是研究系統(tǒng)周界（界殼）的一般性系統(tǒng)工程理論，該理論專門研究存在于系統(tǒng)周界中的共同規(guī)律，研究目的在于更好地選擇界殼的結(jié)構(gòu)、功能及其行為，通過界殼對系統(tǒng)與環(huán)境的保護和交換作用，實現(xiàn)系統(tǒng)與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展［33］。

界殼論將系統(tǒng)分為系統(tǒng)周界（界殼）和系里兩部分。例如：在水資源系統(tǒng)中，可將各流域、區(qū)域間的分界線，或是為之制定的管理制度及法律法規(guī)等視為該系統(tǒng)的周界，將流域干流及支流等視為系統(tǒng)的系里［34］。由于周界處于系統(tǒng)的外圍，因此在維護其系統(tǒng)內(nèi)部的同時還與外部環(huán)境進行交流，根據(jù)交流信息匹配出與系統(tǒng)相適應的界殼結(jié)構(gòu)、功能及相關(guān)參數(shù)，更好地配合系統(tǒng)與環(huán)境間的交換工作，以此實現(xiàn)系統(tǒng)與環(huán)境間的有序交換和協(xié)調(diào)發(fā)展［35］。因此，界殼被定義為“處在系統(tǒng)外圍能衛(wèi)護系統(tǒng)且與環(huán)境進行交換的中介體”。

泛系觀控是關(guān)于廣義觀測與控制及其一般機理的研究，是泛系理論的重要組成部分，其以泛系理論為基礎，以觀控風險分析技術(shù)為核心，將理論與技術(shù)有機結(jié)合，為研究系統(tǒng)的風險評估提供了有效方法［36-37］。

界殼的泛系觀控模型是將界殼論與泛系觀控相結(jié)合，借助觀控風險分析技術(shù)，將該模型應用于水資源系統(tǒng)風險評估中，研究風險與收益間關(guān)系這一實際問題上。界殼的泛系觀控法克服了模糊風險計算模型中需要決定較多未知因素的難題，或是蒙特卡羅風險估計方法中需要大量的樣本信息、計算量巨大的弊端，建立界殼的充分可觀控的泛系觀控模型，并將其應用到水資源系統(tǒng)的風險評估上，勢必會帶來新的研究思路。然而現(xiàn)有研究均是圍繞著黃河流域水資源調(diào)控模型風險評估開展的相關(guān)研究［34，38-39］，這一極具新意的風險評估方法亟待學者們在其他領(lǐng)域進行應用，以此驗證其評估系統(tǒng)風險的有效性。

3 結(jié)語

（1）對于水資源系統(tǒng)風險評估的研究，統(tǒng)計學方法較為傳統(tǒng)，在實際應用中不可避免地受到許多因素的限制。目前常用的方法是模糊分析、灰色分析及層次分析法等系統(tǒng)分析方法，此類方法由于各自在單獨使用時均存在一定的不足之處，或是在適用范圍上沒有明確規(guī)定，導致分析水資源復雜巨系統(tǒng)風險時難免考慮不周全，計算結(jié)果不夠精確。

（2）支持向量機、最大熵和界殼的泛系觀控等新方法，雖然具有方法新穎、計算精度高等優(yōu)點，但由于其在水資源系統(tǒng)風險評估中應用尚屬嘗試，并且其應用領(lǐng)域較為單一，急需學者在其他領(lǐng)域研究驗證其有效性。

（3）在實際水資源風險評估中應科學合理的選擇多種計算方法，分析實際需求，采用多種技術(shù)組合方法進行研究，綜合解決水資源系統(tǒng)風險評估問題。只有不斷探索與創(chuàng)新，才能夠建立可靠的評估體系。

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Progress and prospect of study on risk assessment of water resources system

JIANGQiu-xiang1，2，F(xiàn)U Qiang1，GONG Fan-li1，WANG Zi-long1，2
（1.College ofWater Conservancy and Architecture，Northeast Agricultural University，Harbin 150030，China；2.PostdoctoralMobile Research Station of Agricultural and Forestry Economy Management，Northeast Agricultural University，Harbin 150030，China）

Risk assessment of water resources system is the key to ensure the water resources security and its sustainable utilization.The index system establishment and methods of risk assessment of water resources system were detailedly reviewed in the study.Firstly，the advantages，disadvantages and applicability of the various assessment methods in practice were analyzed.Then，the shortage of the traditional statistics methods，the limitation of the system analysis methods and the development prospect of the new methodswere summarized.Finally，the bestmethod for risk assessment of water resources system，that the risk could be assessed by a method combination based on data characteristics，was proposed.The study provided a theoretical foundation for risk assessmentofwater resources system.

water resources system；risk assessment；assessment index system；statistical assessmentmethod；system analysismethod

F323.2

B

1672-9900（2015）01-0001-05

2014-12-11

國家自然科學基金（51209038）；水利部公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目（201301096）；黑龍江省教育廳科學技術(shù)研究項目（面上）（12531009）；黑龍江省博士后資助（LBH-Z13049）；東北農(nóng)業(yè)大學博士啟動金（2012RCB58）

姜秋香（1982-），女（漢族），黑龍江佳木斯人，副教授，主要從事水土資源高效利用和管理研究，（Tel）13804534351。