水资源短缺风险综合评价

1水资源短缺风险综合评价摘要本文首先对北京市的2001-2009年得水资源短缺状况进行了调查，在综合考虑系统属性等风险过程后，利用层次分析模型对北京市各缺水影响因子的权重进行了定量分析，并基于致险因子承险因子及损害程度等影响因子构建了水资源系统风险的评价指标及模型：该指标体系由4层次共20个指标构成，能更好的表征风险的产生和构成；该模型包括参数计算与风险分级，能简便计算风险级别的划分。其次，本文在综合考虑水资源呈现能力后得出结论，北京市能应对水资源系统风险，但是仍受约束性风险限制，可通过开源节流，调整产业结构及规划水资源管理来应付.然后我们对北京市2001-2009年水资源总量，地表水资源以及地下水资源量进行了调查。运用Matlab处理系统对历年降水量进行了拟合，用origin处理系统对万元GDP水耗做出了拟合由此得出了缺水量波动性较大的结论。最后本文对所建模型进行了升级及完善，采用灰色模型的建立改进方法，通过对无偏GM(1,1)模型的求解，得出2010年和2011年度致险率(RBI)、承险率(RSI)、脆弱性(CI)以及风险(ωDRi)、风险损失(DI)的值，并由此得出结论，北京市未来两年的水资源短缺风险分别为28.40%和30.50%，正在呈上升趋势，逐年增高，不过基本上还在约束性风险级别内，为此建议管理机构还是要约束水资源使用来防范风险，通过推荐高效水资源系统管理，促进水资源优化配置进程等途径来促进水资源系统恢复，有效地减弱风险发生及潜在损害。关键词：层次分析法水资源短缺风险多元回归拟合无偏GM（1,1）21.问题的重述水资源，是指可供人类直接利用，能够不断更新的天然水体。主要包括陆地上的地表水和地下水。近年来，我国、特别是北方地区水资源短缺问题日趋严重，水资源成为焦点话题。水资源系统风险是由于天然来水的波动、地下水持续保障能力不足、供水条件落后以及水资源社会经济承载负担过重等因素综合作用的结果,对社会、经济、环境存在潜在损害。目前北京是世界上水资源严重缺乏的大都市之一，其人均水资源占有量不足300m3，为全国人均的1/8，世界人均的1/30，属重度缺水地区，北京市水资源短缺已经成为影响和制约首都社会和经济发展的主要因素。政府采取了一系列措施,如南水北调工程建设,建立污水处理厂,产业结构调整等。但是，气候变化和经济社会不断发展，水资源短缺风险始终存在。如何对水资源风险的主要因子进行识别，对风险造成的危害等级进行划分，对不同风险因子采取相应的有效措施规避风险或减少其造成的危害，这对社会经济的稳定、可持续发展战略的实施具有重要的意义。根据《北京2009统计年鉴》及市政统计资料提供了北京市水资源的有关信息。利用这些资料和我们自己获得的其他资料，讨论得知北京市水资源短缺现在主要的主要原因是水资源供应小于水资源需求的矛盾，而如果想要解决这个问题，就必须要从影响因子来着手，所以问题细分为：北京市水资源短缺的主要因子是什么？各因子对于风险程度的贡献是多少？北京市已经到什么样的风险程度了？针对于主要因子我们怎样应对才能降低风险，从而做到有效调控？北京是未来几年又将面临什么程度的水资源短缺风险，又该如何应对呢？最后，通过建模等一系列过程进行分析检验并得出结论，且向北京市主管部门写一份建议报告。2.问题的分析北京水资源人均占有量在世界各国首都中排名百位之后。自上世纪七十年代以来，随着人口的大量增加和经济的发展，缺水成为北京面临的严重问题之一，近几年每年缺水均在4亿立方米左右。地下水资源开采量逐年剧增，尽管目前对地下水开采进行了限制，地下水位有所上升，但仍处于超采状态。地下水的超采会形成漏斗区，到目前为止，已经形成以朝阳区为中心，西到石景山、东至顺义、南至南苑、北到昌平约1600平方公里的漏斗区，引起地面沉降。由于水位不断下降，致使井越打越深，形成恶性循环。为应对这种情况，多年来，北京通过各种方式保证供水安全，除了通过调整产业结构加大节水力度，多次提高水价，强力推行农业、工业和城市节水，关、停、转移高耗水企业外，还独创了地表水、地下水、再生水、过境水、雨洪水和外调水的六水联调模式，对水资源进行合理调配，以此提高城市的供水能力。尽管方法尽施，可是但是究竟是什么导致了北京市的如此现状呢，有没有什么原因呢，该怎样解决呢，经过本小组成员的查找资料和激烈的讨论，我们认为从水资源系统结构来看,风险来源于系统属性和过程对潜在危害的抵抗乏力。系统本身的输入主体短缺、过程波动及输出脆弱程度是导致系统风险产生的重要原因,他们是水资源系统风险的致险因子;水资源系统对致险因子进行反馈,引导系统对潜在风险进行抵抗从而削减风险产生及危害,我们将这一种反3馈及抵抗性质称为承险能力;系统在致险与承险因子相互作用下,当致险压力大于承险能力时,风险就产生了。所以风险因子分为致险因子和承险因子，然后致险因子和承险因子又会细分为很多条。不同的因子给风险所能带来的贡献的大小是不一样的，这个可以通过建模的方式利用Excel或者Matlab，origin软件进行运算得出，之后通过制定一个风险等级将北京市的现状表现出来，并对作出巨大贡献的因子进行合理的调控。至于北京市水资源短缺未来两年的预测，我们可以用回归的思想，再用灰色理论进一步改进，即可对北京市进行预测了。3.模型的假设与符号说明假设1：收集的北京市水资源各个数据都实际数值相差不大；假设2：各个影响因素不会因突发事件发生突变；假设3：建模收集数据真实可靠；假设4：建模中涉及主观分析的结论基本与事实相符；aij——1—9标度理论得出的第i项较第j项的相对重要值μij——测度判断值ωD——准则层D下的相对权向量CI——脆弱性ωSi——系统风险的发生及传递对系统损害率在相关评价指标体系上的指标权重的重分配值Pi——风险潜在发生概率Ri——系统风险因子的指标值DI——风险损失RBI——致险率RSI——承险率ωDRi——风险b——回归系数；bint——回归系数的区间估计；r——残差；rint——置信区间；stats——用于检验回归模型的统计量，有三个数值：相关系数r2、F值、与F对应的概率p。其中相关系数r2越接近1，说明回归方程越显著；FF1-α（k，n-k-1）时拒绝H0，F越大，说明回归方程越显著；与F对应的概率pα时拒绝H0，回归模型成立。α——显著性水平，一般为0.05或0.01，本论文中为0.05.4.模型建立与求解4.1针对于问题1：我们对北京市全年水资源总量与全年供水(用水)总量进行了调查和比较如表1所示。4表1[7]-[9]200120022003200420052006200720082009全年水资源总量19.216.118.421.423.224.523.834.221.8全年供水(用水)总量38.934.635.834.634.534.334.835.135.5北京市全年水资源总量与全年供水（用水）总量的比较19.216.118.421.423.224.523.834.221.838.934.635.834.634.534.334.835.135.50.05.010.015.020.025.030.035.040.045.0200120022003200420052006200720082009全年水资源总量全年供水(用水)总量亿立方米利用Origin软件处理的三位直观图如图1。图15如图所示北京市全年供水总量均高于水资源总量，由于2008年北京市举办奥运会，为了保证北京市水资源能够及时供应，所以产生了供水量与水资源总量相差不大的局面。其余年份数据反映北京市各年均呈缺水事态。我们通过具体的系统属性，系统潜在损害指标来对系统表征层进行表征。通过对水文水资源循环机理的研究，充分考虑水资源系统风险产生和传递机制，经过层层挑选，从而得到一下20个评价指标(如图2)[1]。图2水资源系统风险评价指标体系图6我们认为从水资源系统结构来看,风险来源于系统属性和过程对潜在危害的抵抗乏力。Kaplans等从定量角度对风险进行了定义[2]，系统本身的输入主体短缺、过程波动及输出脆弱程度是导致系统风险产生的重要原因,他们是水资源系统风险的致险因子;水资源系统对致险因子进行反馈,引导系统对潜在风险进行抵抗从而削减风险产生及危害,我们将这一种反馈及抵抗性质称为承险能力;系统在致险与承险因子相互作用下,当致险压力大于承险能力时,风险就产生了。水资源系统风险的要素还包括损害程度,致险压力、承险能力及损害程度，综合作用下的风险过程,如图3所示[1]。图3水资源系统风险过程及属性表征7系统风险因子(如图2所示)可归结为致险因子和承险因子,前者是指引起系统变化的因子,包括系统结构的变化和外界干扰,致使风险发生的概率为致险率;而后者是指系统充分反馈或在历史事故后自我调节、自我适应而达到的能够应对危害的要素,系统对风险削减能力为承险率。下面对致险因子以及承险因子进行展开讨论。水资源系统致险因子：①短缺性:指水资源系统在自身运行过程中输入主体容易受到损害的性质,表征系统输入主体抵抗风险的不完备性。短缺性体现在系统运行的供需不满足性以及系统已经受到损害的程度。具体来看,水资源系统的短缺性体现在使用短缺性、蓄水短缺性和环境短缺性三个方面,即水资源缺水率、地下水超采和水体污染造成损害性。②波动性:相对于水资源系统多年正常运作的稳定程度,波动性是指水资源系统因为系统波动或要素波动造成的系统不平衡运作的性质。系统波动性来源于系统多年的不平衡性和系统输入输出的变动性。波动可以用平均状态和极值差异来表征,同时系统输入输出的稳定性也非常重要,因此,水资源系统波动性由多年波动、极值波动和水源波动来表征。③脆弱性:表征系统面临风险的潜在损害度,即系统潜在输出抵抗风险的脆弱程度。脆弱性指标能够衡量因风险产生而引起的损害程度,体现在水资源-社会经济耦合系统中,主要是引起社会、经济、生态应对风险能力的下降。社会损失体现在人均潜在利用能力的损失,经济损失表征对生产活动造成的损害,而生态损害体现在生态环境的破坏上。水资源系统承险因子：水资源系统本身是一个动态的开放系统,能通过自身的反馈调节来应对风险,系统本身形成了一套承担风险发生和阻止风险破坏的承险因子体系。水资源系统本身的资源禀赋、系统内部对风险事件形成的适应性以及风险发生时通过人为调度的应急性,都是系统应对风险的有力保障,是水资源系统承险因子。资源禀赋体现在水资源系统本身具有的资源条件,如水资源保障度、水资源再生条件等;适应性指人类在长时期的生产活动中形成的应对风险的措施、方法手段等,包括节水措施及节水意识的形成,以及水资源优化管理及效率提高等方面的尝试;而应急性是人类形成的专门应对风险发生的应急管理调度措施的能力[1]。综上所述,我们判定北京市水资源短缺风险的主要风险因子包含致险因子和承险因子,水资源系统的致险因子体现在使用，蓄水和环境三个方面,即水资源缺水率、地下水超采和水体污染造成损害性。承险因子体现在系统本身的资源禀赋、系统内部对风险事件形成的适应性以及风险发生时通过人为调度的应急性。4.2针对于问题二:我们认为,为了区分缺水的主要影响因素，且有针对性地对北京市进行规划和治理，我们采用层次分析模型进行了定量分析。层次分析法(AnalyticHierarchyProcess，AHP)是一种定量与定性相结合的决策方法。层次分析模型(AnalyticHierarchiealModel，AHM)是AHP的简化和改进。相对来说，AHP对一致性的要求较高些。AHM的核心环节是将AHP方法中的比例标度判断矩阵(aij)n*n转换为测度判断矩阵(μij)n*n。转换公式为：8式中：aij是按照1—9标度理论得出的第i项较第j项的相对重要值;一般取β=2。AHM法确定权重的主要步骤如下：①根据1～9标度理论构造两两比较矩阵，即判断矩阵A=(μij)n*n②根据转换公式，构造AHM的测度判断矩阵，并逐行检验一致性。③属性AHM复制法：对于n个指标Dj(j=1,2,…n),比较其相对重要性并确定每个指标权重，可通过构造相对属性