基于交叉影響分析的杭州市區(qū)引配水需求預(yù)測(cè)

汪　健，錢學(xué)誠(chéng)，何　晴，陸一奇

(杭州市河道管理總站，浙江　杭州　310014)

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基于交叉影響分析的杭州市區(qū)引配水需求預(yù)測(cè)

汪健，錢學(xué)誠(chéng)，何晴，陸一奇

(杭州市河道管理總站，浙江杭州310014)

受到水資源供求矛盾突出、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、環(huán)境保護(hù)和治污力度加大、用水成本不斷上升等多重事件的影響，杭州市區(qū)從錢塘江引配水的水量需求難以確定。通過采用交叉影響分析方法，從宏觀層面對(duì)城市引配水今后一段時(shí)期的需求進(jìn)行了相應(yīng)的預(yù)測(cè)。通過影響事件集合的構(gòu)建、交叉影響因子的專家評(píng)估，以及蒙特卡羅仿真模擬計(jì)算，得出杭州市區(qū)從錢塘江引配水需求不斷增長(zhǎng)的概率為0.302 6，說明預(yù)測(cè)的引配水量需求總的趨勢(shì)為減少。交叉影響分析方法作為在水資源配置領(lǐng)域的實(shí)踐應(yīng)用，為今后的科學(xué)制訂引配水管理方案、實(shí)施引配水工程設(shè)施建設(shè)提供了有效的決策方法和依據(jù)。

交叉影響分析；引配水；預(yù)測(cè)

1　問題的提出

1968年Gordon和H.Hayward首次提出了交叉影響分析方法(簡(jiǎn)稱CIA)，通過采用蒙特卡羅仿真模擬計(jì)算來(lái)預(yù)測(cè)事件發(fā)生的概率[1]。交叉影響分析方法作為一種重要的分析預(yù)測(cè)方法，通過圍繞某一觀察事件構(gòu)建相應(yīng)的影響事件集合，選擇合適的方法對(duì)事件之間的影響程度進(jìn)行計(jì)算分析，從而對(duì)未來(lái)事件的可能發(fā)展趨勢(shì)或發(fā)生概率做出評(píng)估或判斷。城市發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃因?yàn)榫邆鋯栴}重大、因素復(fù)雜、未來(lái)不確定3大特征，有可能成為交叉影響分析的重要議題[2]。目前交叉影響分析方法主要應(yīng)用在城市發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃方面，如經(jīng)濟(jì)管理、戰(zhàn)略研究、水環(huán)境治理等領(lǐng)域。1988年徐鴻德用交叉影響分析方法預(yù)測(cè)了廢水處理技術(shù)的發(fā)展方向[3]；1991年昌杰將馬爾柯夫鏈與交叉影響分析結(jié)合運(yùn)用到生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)領(lǐng)域[4]；2009年，楊琪對(duì)交叉影響分析做了比較系統(tǒng)的研究，并結(jié)合北京地區(qū)交通ETC系統(tǒng)發(fā)展做了技術(shù)預(yù)見分析[5]。

水資源優(yōu)化配置在解決我國(guó)水資源問題，實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)利用等方面占有重要地位，對(duì)于促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展也具有重要的理論和實(shí)際意義[6]。引配水屬于水資源配置的范疇，一般指為保證生產(chǎn)生活用水、航運(yùn)及重要區(qū)域水環(huán)境，充分利用外河水動(dòng)力和清水資源，通過水閘、泵站等工程設(shè)施的調(diào)度，使河網(wǎng)內(nèi)主要河道水體定向、有序流動(dòng)，加快水體更新速度，改善內(nèi)河水質(zhì)的一種水資源調(diào)度方式[7]。當(dāng)前國(guó)內(nèi)許多城市都通過人工引配水調(diào)度方式開展城市水資源配置，滿足城市各項(xiàng)用水需求。杭州市地處錢塘江河口地區(qū)，錢塘江北岸主城區(qū)的日常生產(chǎn)生活用水以及大約90%的河道環(huán)境用水均需通過引配水從錢塘江引入，2013年運(yùn)河從錢塘江引入的水資源量平均達(dá)到12.07億m3[8]。運(yùn)河、西湖、西溪濕地等重要水域均從錢塘江引配水，并建立起了完善的引配水設(shè)施和相應(yīng)的調(diào)度運(yùn)行機(jī)制。隨著城市環(huán)境保護(hù)和治污力度的加大，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，河口用水形勢(shì)的日趨緊張等多種因素的綜合影響，今后的城市引配水量需求總體趨勢(shì)，值得進(jìn)一步研究和關(guān)注。本文運(yùn)用交叉影響分析方法，對(duì)杭州市區(qū)引配水需求的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析。

2　交叉影響分析方法

交叉影響分析對(duì)未來(lái)事件發(fā)生概率和趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)分析時(shí)，一般需要3種初始數(shù)據(jù)，即：事件集合、事件的初始概率和事件之間的相互影響(見表1)[5]。事件集合是與預(yù)測(cè)目標(biāo)相關(guān)的所有事件，代表了預(yù)測(cè)活動(dòng)的具體范圍。初始概率一般用“0”到“1”之間的數(shù)字表示，“0”代表事件在未來(lái)不會(huì)發(fā)生，“1”代表事件在未來(lái)肯定會(huì)發(fā)生。數(shù)字形式的交叉影響一般用“+”表示正向的影響，“-”表示負(fù)向的影響；“1”“2”“3”等數(shù)字表示影響的強(qiáng)度，例如：“1”表示較弱影響，“2”表示強(qiáng)影響，“3”表示強(qiáng)烈影響。某一事件的發(fā)生對(duì)其它事件具體影響的方向和影響程度需要由專家進(jìn)行評(píng)估。通常應(yīng)選擇多位具有豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)人士參與評(píng)估，并且取平均值，以確保評(píng)估結(jié)果的一致性和準(zhǔn)確性。在獲得事件集合、初始概率和相互影響的數(shù)據(jù)之后，應(yīng)用蒙特卡羅法進(jìn)行模擬試驗(yàn)分析。模擬試驗(yàn)結(jié)束后，用事件發(fā)生的模擬概率來(lái)修正初始概率，以獲得更加準(zhǔn)確的影響分析結(jié)果。

表1　用于預(yù)測(cè)事件發(fā)生概率的初始數(shù)據(jù)表

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

本文采用Gordon的經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算事件的累計(jì)發(fā)生概率(修正概率)，見式(1)。

Pn′=Pn+K×S×Pn(Pn-1)

(1)

式中：Pn′為事件m發(fā)生之后事件n的累計(jì)發(fā)生概率；Pn為事件m發(fā)生之前事件n的累計(jì)發(fā)生概率；K為如果事件m的發(fā)生增加了事件n發(fā)生的概率，K=-1；如果事件m的發(fā)生減少了事件n發(fā)生的概率，K=+1；如果事件m的發(fā)生既不增加也不減少事件n發(fā)生的概率，則K=0；0

表2　影響系數(shù)換算表

3　預(yù)測(cè)分析

3.1構(gòu)建事件集合及專家評(píng)估

任何社會(huì)經(jīng)濟(jì)事件都不是孤立的，它們之間存在著相互促進(jìn)或相互制約作用[9]。交叉影響分析不僅分析事件之間相互影響的方向，還分析事件之間影響的程度。事件集合是交叉影響分析的具體對(duì)象，也是圍繞中心事件而構(gòu)建的所有關(guān)聯(lián)事件的總和。根據(jù)事件的性質(zhì)，可將事件分為觀察事件、內(nèi)部事件、政策事件和宏觀事件[5]。觀察事件通常是中心事件，是研究分析的主要目標(biāo)對(duì)象，其余事件一般圍繞觀察事件而構(gòu)建。內(nèi)部事件是與觀察事件通常存在內(nèi)在聯(lián)系，可能對(duì)觀察事件發(fā)生概率或發(fā)展趨勢(shì)產(chǎn)生直接的影響。政策事件和宏觀事件都是對(duì)觀察事件具有顯著影響的社會(huì)性事件，也會(huì)對(duì)觀察事件發(fā)生概率或發(fā)展趨勢(shì)產(chǎn)生一定的影響。構(gòu)建事件集合，要突出體現(xiàn)中心事件的基本內(nèi)容和主要特征。構(gòu)建的是否客觀完備，對(duì)于預(yù)測(cè)分析的結(jié)果具有重要影響。選取事件時(shí)，通常要求事件具有一定的獨(dú)立性，盡量避免選取重復(fù)事件。

根據(jù)杭州市區(qū)引配水的實(shí)際，結(jié)合錢塘江水文水資源條件、引配水運(yùn)行管理要求以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境建設(shè)的總體要求，構(gòu)建了運(yùn)河從錢塘江引配水需求與調(diào)度前景相關(guān)聯(lián)的事件集合(見表3)。集合共包含16個(gè)事件，其中E1為觀察事件，“從錢塘江引水量需求不斷增加”，本文所指的需求是綜合各種事件影響(包括考慮供給能力)之后的可能需求量或可供量。內(nèi)部事件有8件，分別為引配水能力、內(nèi)河水質(zhì)狀況、錢塘江水質(zhì)、監(jiān)管情況、突發(fā)性污染、臺(tái)汛期影響、工作體系(設(shè)施、調(diào)度和管理)、水資源緊缺程度等，這些事件與引配水量的需求直接相關(guān)。政策事件有5件，水資源管理、環(huán)境保護(hù)和治污力度、用水成本、水上交通和航運(yùn)旅游、社會(huì)節(jié)水風(fēng)氣等，這些事件與引配水需求也存在著緊密聯(lián)系。宏觀事件2件，社會(huì)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、城市規(guī)模擴(kuò)大和人口增加，一定程度上也會(huì)對(duì)引配水需求產(chǎn)生影響。

表3　與從錢塘江引配水調(diào)度前景相關(guān)的事件表

邀請(qǐng)數(shù)位長(zhǎng)期從事杭州市引配水管理工作的專業(yè)人員對(duì)事件之間可能的相互影響進(jìn)行評(píng)估，并以平均值作為最終估值(見表4)。

表4　初始概率和交叉影響專家評(píng)估表

3.2模擬計(jì)算及分析

經(jīng)編程并在Microsoft Visual Studio 2010平臺(tái)上運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了蒙特卡羅仿真模擬。將初始概率和換算后的交叉影響因子錄入程序中，并分別設(shè)定計(jì)算次數(shù)為5 000、10 000、50 000、100 000進(jìn)行調(diào)試計(jì)算，得到運(yùn)算結(jié)果(見表5)。經(jīng)過對(duì)比分析，認(rèn)為計(jì)算次數(shù)為100 000次時(shí)，各事件的模擬概率值趨于穩(wěn)定，故將程序運(yùn)行100 000次計(jì)算后的模擬概率值設(shè)定為各事件的修正概率。修正概率是專家通過對(duì)事件之間相互影響的評(píng)估之后可能發(fā)生的概率，更符合事件的實(shí)際和發(fā)展趨勢(shì)。

表5　蒙特卡羅仿真模擬概率表

從仿真模擬結(jié)果看，共有6個(gè)事件的修正概率與其初始概率相比有所下降，分別是E1、E2、E4、E6、E9、E13。其中，觀察事件E1的概率發(fā)生明顯的下降，由原來(lái)的0.610 0變?yōu)?.302 6，下降0.307 4，說明從錢塘江引水量需求總趨勢(shì)是下降的。具體分析相關(guān)事件對(duì)E1的綜合影響，認(rèn)為主要起阻礙作用的影響占主導(dǎo)地位，共有11個(gè)相關(guān)事件對(duì)事件E1的發(fā)生起了阻礙作用，且有4個(gè)為“很強(qiáng)影響”，分別是E2、E4、E7、E9，5個(gè)為“強(qiáng)影響”，僅有4個(gè)相關(guān)事件起促進(jìn)作用，且僅有E5為“很強(qiáng)影響”。由此可以預(yù)見，受到錢塘江潮水、梅汛期和臺(tái)風(fēng)頻繁影響、河口地區(qū)用水形勢(shì)不斷趨緊、引水流量日趨飽和等一系列不利事件的制約，以及受未來(lái)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、最嚴(yán)格水資源制度執(zhí)行、節(jié)水意識(shí)進(jìn)一步提高等事件的影響，從錢塘江引入水量不斷增加的可能性相對(duì)較小。事件E6的概率也有較明顯的下降，下降了0.208 5。分析相關(guān)事件對(duì)E6的綜合影響，僅3個(gè)事件對(duì)其有影響，且都起阻礙作用?？梢钥闯?，隨著環(huán)境保護(hù)和治污力度的加大，水上交通、旅游的發(fā)展，以及經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和升級(jí)，對(duì)水環(huán)境建設(shè)的重視程度將不斷加大，錢塘江發(fā)生水質(zhì)突發(fā)性污染以及水葫蘆、動(dòng)物尸體集中爆發(fā)的現(xiàn)象將趨于減少。與其初始概率相比，修正概率有所升高的事件有10個(gè)，分別是E3、E5、E7、E8、E10、E11、E12、E14、E15、E16。其中事件E8的概率變化最明顯，上升了0.279 9。此外，生產(chǎn)生活和環(huán)境用水成本的上升以及節(jié)水風(fēng)氣的好轉(zhuǎn)等事件發(fā)生的可能性也有大幅提升。

對(duì)于某些事件可以假定在不久的將來(lái)必然發(fā)生，即初始概率為1.000 0，重新進(jìn)行仿真模擬。如選擇修正概率較低的E6、E9、E12事件必然發(fā)生時(shí)，得到E1事件的累計(jì)發(fā)生概率為0.242 5。即在錢塘江水源水質(zhì)不夠穩(wěn)定、河口地區(qū)的用水形勢(shì)不斷趨緊以及生產(chǎn)生活和環(huán)境用水的成本不斷提高等事件發(fā)生條件下，觀察事件E1的累計(jì)發(fā)生概率與之前的修正概率相比，進(jìn)一步下降了0.060 1，表明引水水源水質(zhì)惡化、用水形勢(shì)緊張和用水成本的提高，將較大程度上阻礙引水量不斷增加事件發(fā)生的可能性。

以上分析基于杭州市區(qū)引配水需求的特點(diǎn)以及專家評(píng)估的結(jié)果，對(duì)于不同城市、不同發(fā)展需求、不同水資源條件而言，引配水的需求會(huì)受到不同事件的影響，構(gòu)建的事件集合會(huì)有較大差異，同時(shí)影響的程度也會(huì)不盡相同。

4　結(jié)　語(yǔ)

目前涉及城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)及發(fā)展戰(zhàn)略的預(yù)測(cè)分析較多，研究和應(yīng)用的主要方法有層次分析、網(wǎng)絡(luò)分析、情景分析等，交叉影響分析方法作為一種簡(jiǎn)單有效、應(yīng)用面廣、容錯(cuò)性強(qiáng)的預(yù)測(cè)方法，實(shí)踐當(dāng)中應(yīng)用相對(duì)較少。我國(guó)大多數(shù)城市水資源都比較緊缺，研究城市水資源優(yōu)化配置具有重要的理論和實(shí)踐意義。本文運(yùn)用交叉影響分析法，建立了對(duì)杭州市區(qū)引配水調(diào)度工作相關(guān)聯(lián)的事件集合，集合的中心事件是引配水量需求的發(fā)展趨勢(shì)。通過專家估計(jì)和蒙特卡羅模擬計(jì)算，形成了對(duì)事件發(fā)生的修正概率。通過修正概率與初始概率的比較，得出基于專家估計(jì)的E1事件發(fā)生概率為0.302 6，說明了從錢塘江引配水量不斷增長(zhǎng)的可能性較小。實(shí)踐當(dāng)中，對(duì)于影響重大、因素復(fù)雜、不確定因素多的事件，交叉影響分析方法是一種有效的預(yù)測(cè)分析方法，具有良好的應(yīng)用前景。

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(責(zé)任編輯郎忘憂)

2015-10-12

汪健(1975-)，男，高級(jí)工程師，碩士，主要從事水資源、水環(huán)境和水文化研究。E-mail：wj831@qq.com

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