重慶市缺水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng)及水資源優(yōu)化配置可行性分析

謝東芝 曹馨勻 盧 彬 蔣 偉

（重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院，重慶 400074）

為了展開(kāi)對(duì)重慶市水資源短缺情況和當(dāng)?shù)厮Y源分配情況的研究，我們欲將對(duì)重慶市水資源現(xiàn)狀進(jìn)行信息收集、分類、匯總及評(píng)估分析，擬定建立一個(gè)可以運(yùn)用于分析重慶市復(fù)雜水資源境況、短缺程度的評(píng)估系統(tǒng)，能夠?qū)χ貞c部分地區(qū)的水資源短缺的嚴(yán)峻形勢(shì)進(jìn)行理論分析，以確定各地缺水風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，并且預(yù)測(cè)未來(lái)三年重慶市的缺水風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，給出更合適的資源優(yōu)化配置方案。因此，我們首先需要對(duì)擬定的研究方案進(jìn)行可行性分析，為相關(guān)研究的進(jìn)行打下基礎(chǔ)。

1 研究背景分析

長(zhǎng)期以來(lái)，重慶許多民眾并不認(rèn)為重慶市有缺水現(xiàn)象的存在。其實(shí)不然，通過(guò)各項(xiàng)數(shù)據(jù)綜合觀察會(huì)發(fā)現(xiàn)，重慶確實(shí)是一個(gè)中度缺水城市：根據(jù)最近10年來(lái)的資料顯示，農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)僅為0.45-0.55，低于全國(guó)平均水平，與世界先進(jìn)水平0.7-0.8差距更大；萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量甚至是發(fā)達(dá)國(guó)家的3-4倍。重慶市水資源的供需矛盾已成為制約經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的主要瓶頸。

2 水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng)建立的可行性分析

風(fēng)險(xiǎn)分析是對(duì)不確定影響因素較多的事物可能造成的經(jīng)濟(jì)損失和資源浪費(fèi)，進(jìn)行一個(gè)人為的判斷和預(yù)估。不論是在經(jīng)濟(jì)學(xué)，還是在社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域中，風(fēng)險(xiǎn)分析都發(fā)揮著較強(qiáng)的作用，并得到人們的廣泛應(yīng)用。風(fēng)險(xiǎn)分析于20世紀(jì)50年代末期引入水文領(lǐng)域，相關(guān)研究歷經(jīng)了三個(gè)階段，從單一的工程效益分析發(fā)展到對(duì)社會(huì)、生態(tài)產(chǎn)生影響的分析，是研究水資源管理和規(guī)劃問(wèn)題中的一個(gè)重要方面。

隨著水資源供需矛盾問(wèn)題的日益突出，水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)研究成為水文風(fēng)險(xiǎn)研究的一個(gè)重要領(lǐng)域。許多學(xué)者通過(guò)選定不同區(qū)域和不同風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)，直接或間接地對(duì)范圍內(nèi)水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。由于無(wú)法用同一個(gè)評(píng)估系統(tǒng)或模型準(zhǔn)確地描述大范圍內(nèi)的普遍缺水情況，這一領(lǐng)域目前的研究還不夠完善，因此我們決定對(duì)重慶市范圍內(nèi)部分地區(qū)水資源情況進(jìn)行研究、建立風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng)的想法是可行的。

總而言之，對(duì)于以往的水文風(fēng)險(xiǎn)研究來(lái)說(shuō)，更多的是對(duì)個(gè)別風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)進(jìn)行描述，而水資源系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)的綜合評(píng)價(jià)較少見(jiàn)，但隨著時(shí)間的推移，單一指標(biāo)的局限性便顯現(xiàn)出來(lái)了，綜合評(píng)價(jià)也凸顯了其優(yōu)越性。

風(fēng)險(xiǎn)分析主要分為風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)三個(gè)步驟。風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別意在判斷出風(fēng)險(xiǎn)之所在和引起風(fēng)險(xiǎn)的主要因素，也就是對(duì)水資源系統(tǒng)所面臨的以及潛在的風(fēng)險(xiǎn)因素作出定性估計(jì)，加以判斷、歸類，并鑒定風(fēng)險(xiǎn)性質(zhì)。風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)是指對(duì)已判別出的各種風(fēng)險(xiǎn)因素估計(jì)其發(fā)生的可能性大小及其可能的后果。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別和估計(jì)的結(jié)果，用某種指標(biāo)表示風(fēng)險(xiǎn)的大小，并將其與規(guī)定的允許風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)相比較，以衡量風(fēng)險(xiǎn)的嚴(yán)重程度。

3 水資源短缺配置優(yōu)化及趨勢(shì)預(yù)測(cè)可行性分析

建立缺水評(píng)估體系實(shí)質(zhì)上是為了地區(qū)未來(lái)能夠更好地對(duì)水資源的使用進(jìn)行規(guī)劃，從而實(shí)現(xiàn)資源節(jié)約，因此，對(duì)未來(lái)城市缺水情況的預(yù)測(cè)是有必要的。我們可利用曲線擬合得到風(fēng)險(xiǎn)主導(dǎo)因子的未來(lái)變化趨勢(shì)，并重復(fù)風(fēng)險(xiǎn)分析的步驟確定未來(lái)幾年的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)情況，針對(duì)不同的情況對(duì)水資源配置進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，總結(jié)防范水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)的對(duì)策和建議。

3.1 優(yōu)化配置的數(shù)學(xué)建?；A(chǔ)

水資源配置優(yōu)化的問(wèn)題，從數(shù)學(xué)建模方面，大致可以歸屬于最優(yōu)化問(wèn)題數(shù)學(xué)模型。

數(shù)學(xué)建模是一種數(shù)學(xué)思維方法，就是根據(jù)實(shí)際問(wèn)題來(lái)建立數(shù)學(xué)模型并對(duì)它進(jìn)行求解，然后根據(jù)結(jié)果去解決實(shí)際問(wèn)題。它是運(yùn)用數(shù)學(xué)的語(yǔ)言和方法，通過(guò)抽象、簡(jiǎn)化建立能近似刻畫并“解決”實(shí)際問(wèn)題的一種強(qiáng)有力的數(shù)學(xué)手段。數(shù)學(xué)建模中有十大算法，在此不一贅述。

對(duì)重慶市缺水風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行綜合評(píng)估，通過(guò)查閱大量相關(guān)資料，了解導(dǎo)致重慶市水資源短缺的因素，并通過(guò)對(duì)事故樹(shù)法、灰色關(guān)聯(lián)模型、熵值法、模糊綜合評(píng)價(jià)方法和MATLAB模擬仿真的運(yùn)用，為重慶市水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)劃分等級(jí)，并預(yù)測(cè)未來(lái)三年的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，給予合理的水資源規(guī)劃建議。技術(shù)路線如下：

1）首先，使用事故樹(shù)法和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，找出導(dǎo)致重慶市水資源短缺的因素，即風(fēng)險(xiǎn)因子。2）其次，通過(guò)已有數(shù)據(jù)構(gòu)建灰色關(guān)聯(lián)模型，通過(guò)量化分析找出導(dǎo)致重慶市缺水的主要因素，即風(fēng)險(xiǎn)主導(dǎo)因子。關(guān)聯(lián)度越大，該因子對(duì)水資源的影響程度越大。3）然后，建立數(shù)學(xué)模型，劃分風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，運(yùn)用模糊統(tǒng)計(jì)的方法求解各風(fēng)險(xiǎn)主導(dǎo)因子的隸屬度，根據(jù)熵值法確定各風(fēng)險(xiǎn)主導(dǎo)因子在綜合評(píng)價(jià)中的權(quán)重，并對(duì)重慶市水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，進(jìn)行缺水程度的等級(jí)劃分，再進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)確定重慶市當(dāng)前水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。4）最后，運(yùn)用MATLAB數(shù)據(jù)擬合，預(yù)測(cè)未來(lái)三年重慶市水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的變化情況，并給出合理的水資源配置規(guī)劃建議，以緩解重慶市水資源短缺的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)資源的可持續(xù)發(fā)展。

3.2 水資源配置優(yōu)化及趨勢(shì)預(yù)測(cè)的可行性分析

關(guān)于水資源的優(yōu)化配置和趨勢(shì)預(yù)測(cè)，主要解決以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：1）造成重慶市水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)的風(fēng)險(xiǎn)因子是什么？即如何判斷風(fēng)險(xiǎn)因子？2）如何對(duì)重慶市水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，依據(jù)什么條件做出風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分？3）如何利用建模和計(jì)算機(jī)軟件等方法實(shí)現(xiàn)編程，對(duì)水資源的配置進(jìn)行合理優(yōu)化，提高有效利用率？4）如何預(yù)測(cè)未來(lái)三年的缺水風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)變化并給出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施和參考建議。

針對(duì)第一、二個(gè)問(wèn)題，我們可以判定水資源的風(fēng)險(xiǎn)因子為農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水、第三產(chǎn)業(yè)用水、降水量、人口、平均氣溫、污水總量等。通過(guò)對(duì)重慶市近三十年來(lái)的各個(gè)因素?cái)?shù)據(jù)的分析，構(gòu)建灰色分析模型，用Matlab軟件編程得到各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因子彼此間的灰色關(guān)聯(lián)度，最后通過(guò)彼此之間關(guān)聯(lián)度的大小，從而得到影響重慶市水資源短缺的主要風(fēng)險(xiǎn)因子有哪些，排除非主要風(fēng)險(xiǎn)因子，從而減少一定的工作量。

針對(duì)第三、四個(gè)問(wèn)題，可以在確定風(fēng)險(xiǎn)因子的基礎(chǔ)上，采用脆弱性、風(fēng)險(xiǎn)度、風(fēng)險(xiǎn)率、可恢復(fù)性、周期性作為區(qū)域水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立模糊綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。通過(guò)建立的隸屬函數(shù)得到模糊關(guān)系矩陣和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)各因素的權(quán)重得到綜合評(píng)價(jià)矢量，并建立多元線性回歸模型，劃分低、中、高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，得出重慶市水資源短缺處于什么樣的風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)。利用計(jì)算機(jī)編程，分析計(jì)算在一定變量條件下的最佳優(yōu)化方案?；谶@個(gè)優(yōu)化后的方案，預(yù)測(cè)未來(lái)的變化趨勢(shì)，進(jìn)一步給出一些能夠降低重慶市水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)因子的應(yīng)對(duì)措施和建議。

由此可見(jiàn)，不論是從數(shù)學(xué)建模的理論基礎(chǔ)出發(fā)還是投入到實(shí)際工程的應(yīng)用中，水資源的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估優(yōu)化配置都是切實(shí)可行的。