雨洪资源利用风险分析方法研究综述.doc

雨洪资源利用风险分析方法研究综述谢志高1习树峰2（1.深圳市大鹏半岛水源工程管理处，深圳 518118；2.深圳市水务规划设计院，深圳 518001）摘 要：本文在传统风险分析过程的基础上，主要针对雨洪资源利用过程中所需要解决的风险识别、风险估计和风险决策等关健问题，详细分析了目前现有的风险识别、估计和决策方法的主要内容和相关特点，为雨洪资源利用的风险研究方法的具体应用提供了一定的参考依据。关键词：雨洪资源化；风险识别；风险估计；风险决策1引言随着城市化带来的水资源紧缺和环境与生态问题的日益恶化，雨洪资源越来越引起人们的重视，对雨洪资源合理利用，加快雨洪资源化力度是现阶段的主要任务。雨洪资源化利用是指在保障防洪安全和洪水利用，并对自然环境不产生较大危害的前提下，尽量利用水保工程，水库拦河闸坝、自然洼地、人工湖泊、地下水库等蓄水工程拦蓄洪水，以及延长洪水在河道、蓄滞洪区等的滞留时间，恢复河流及湖泊、洼地的水面景观，改善人类居住环境，最大可能补充地下水等1。雨洪资源化是将洪水灾害直接转化为可利用水资源的一种方法，是将大自然水循环矛盾激化结果巧妙转化为效益的一种方式，但是它具有较大的风险性。同其它水资源利用方法相比，雨洪资源化利用的成败关系重大，其后果更为明显。尤其是决策失误时，往往伴随着巨大的水事灾难，如库区坍塌、水库垮坝等重大事件。因此针对洪水的水资源利用风险更为突出。在此背景下对雨洪资源利用风险的分析就更加必要，对实际的指导意义也更强。2传统风险的定义和分析过程22.1风险的定义风险是自然界的不确定性与人类社会耦合而形成的，风险的因素可能来自自然界，也可能来自人类社会，但风险产生的危害的主要对象主要是人类社会。风险分析的对象十分广泛，包括自然灾害分析、工程设计、建设和管理、产品设计、银行投资、保险设计、系统工程和政府管理，等等。风险分析的主要内容是判断风险产生的原因和因素，估算风险的大小，评估风险可能带来的影响和损失，然后采取措施减小风险或者转移风险。风险分析的目的是评价风险和预测风险在安全和经济之间取得平衡，采取综合应对措施，将不确定的因素变成为可预见或可控的事物，通过风险管理和制度化建设将风险减到最低程度或者使其按预定方案转移。2.2风险分析过程风险分析从研究的顺序来说，包括风险识别、风险估算、风险评价、风险处理和风险决策等方面。从管理学来看，风险分析是风险管理的技术基础。风险识别是描述可能事件对系统的负面作用和影响，包括对风险事件因素、事件发生方式和范围的确定。风险估算着眼于定量的地描述风险事件发生的概率和相应的后果及损失。风险评价是要解决“怎样才算安全”问题，为决策者提出建议，包括项目、社会和个人可接受的风险评价、风险分类和分级以及方案选择。风险决策包括风险转移方案选择，风险监测、维护计划、应急预案或应急计划等。风险管理包括风险分析、风险立法和风险制度化建设等。针对雨洪资源风险分析方面，其主要研究过程可描述为：3雨洪资源风险分析方法和数学模型3.1雨洪资源风险识别方法风险识别又称风险辨识，它是指通过对大量来源可靠的信息资料进行系统了解和分析，找出风险之所在和引起风险的主要因素，并对其后果作出定性的估计。雨洪资源利用的风险识别包括对防洪、供水、生态环境等各种风险进行识别并找出引起风险的主要风险因子3。雨洪资源风险识别方法指根据一般的风险分析方法对雨洪资源利用的风险进行识别，主要包括层次分析法、风险树法、专家调查法、幕景分析法、定性仿真法以及列举法、表上作业法等。（1）层次分析法（AHP）是20世纪70年代由美国的运筹学家Saaty教授提出来的，是一种定性和定量相结合的分析方法4。它的基本原理是首先把问题层次化，按问题的性质和总目标将此问题分解成不同层次和若干因素，再各因素之间进行简单的比较以确定不同因素对总目标的相对重要性或相对优劣次序。这种方法需要的定量数据不多，但要求对问题所包含的因素及具体关系明确，适用于多目标负责问题的决策分析，应用广泛。（2）风险树法是美国能源部门70年代前后提出的一种综合分析方法。它利用图解的形式将大的故障分解成各种小的风险, 或对各种引起风险的原因进行逐步分解。这种方法应用流域广，简单明确，能够比较迅速的发现存在的问题。（3）专家调查法专家调查法又称德尔菲法，它起源于本世纪67年代末期，其的应用已遍及经济、社会、工程技术等各领域。用德尔菲方法进行风险预测和识别的过程是选定有关的领域和专家通过函询收集专家意见，然后加以综合整理，再匿名反馈给各位专家，再次征询意见。这样反复经过四至五轮，逐步使专家的意见趋向一致，作为最后预测和识别的根据。这种方法能够集思广益，特别适用于大型项目，但是该方法有可能存在经验的局限性。（4）幕景分析法（Scenarios Analysis）5是通过对风险主体进行各种类别的风险仿真和模拟，以描述风险主体的未来状况。风险分析人员根据这种仿真和模拟来分析出未来可能危害到风险主体的各种风险因素。幕景分析是扩展决策者的视野、增强精确分析未来的能力的一种思维程序，但这种方法也有局限性，即所谓“隧道眼光”现象好象沿着一条隧道观察外界事物一样看不到各种可能的情况，这是因为所有幕景分析都是围绕着分析者目前的考虑、价值观和信息水平进行的，因此就可能产生偏差。这一点需要分析者和决策者有清醒的估计，必要时可与其它方法结合使用。（5）定性仿真法6是一门新兴起的高新技术。相对传统定量仿真而言，定性仿真力求非数字化，克服定量仿真的弱点，用非数字手段处理输入、建模、行为分析和输出等环节，通过定性模型推导系统的定性行为。该方法具有非常友好的人机接口，使仿真结果与人们的思维习惯相一致。由于定性方法的这些特点，使定性仿真非常适合处理风险分析中的不确定性数据。（6）表上作业法7先分类后识别的方法，使得分析人员对项目的风险轮廓就有一个整体的认识，然后按风险因素类的特征，对每一类风险根据个人的特长和相关工程经验进行识别。这种方法的优点主要有：在对工程项目的风险因素识别过程中，先分类后识别的方法能够保证识别结果的全面性和准确性。表上作业方法便于风险因素的识别，它既能分散作业，又能集中作业；能发挥分析人员各自的特长；能及时地发现问题、解决问题；能做到对风险因素的动态跟踪。这种方法便于形成风险管理历史资料数据库，使得不同工程项目风险管理的借鉴和对比成为可能。但是该方法没有考虑对于因素间之间的关系，容易出现因子之间相互关联的情况。3.2雨洪资源风险估计方法常规的风险分析方法大致方法分为定性分析法和定量分析法。定性分析法只要用于风险可测度很小的风险主体，常用的方法有调查法、矩阵分析法和德尔菲法。定量风险分析方法是借助数学工具研究风险主体中的数量特征关系和变化，确定其风险率的方法。定量风险分析方法归纳起来可分为基于概率论与数理统计的分析法、蒙特卡洛随机模拟法（MC法）、极限分析法、马尔柯夫过程方法、模糊数学方法、最大熵法等。3.2.1基于概率论与数理统计的分析法根据水库调度中风险的特点可分为3种方法：直接积分法，即采用典型概率分布函数计算风险率。在水库调度中，影响风险主体的不确定性风险变量（或随机变量）大都服从一些典型的概率分布，如 P-型分布、正态分布、三角形分布、伽玛分布、威布尔分布等。此方法计算简单，适合于风险变量比较少的情形。统计参数分析法。主要根据各风险变量的统计参数（均值、方差）来推求风险度（期望值、方差）。离散状态组合法。该法属穷举法的范畴。首先给出各风险变量的离散型估计值，然后根据概率组合原理，由这些离散的估计值来推求结果出现的大小及其可能性。比较适用于风险变量个数较少，且每个风险变量的离散状态个数较少的情况。当风险变量较多，或每个风险变量的离散状态个数较多时，可能造成“维数灾”。3.2.2蒙特卡洛随机模拟法（MC法）蒙特卡罗（Monte-Carlo）又称为随机模拟法，其模拟技术属于试验数学的一个分支，以概率统计理论为基础，以随机抽样为主要手段，利用随机数产生抽样样本进行统计分析，求得统计值作为待解问题的数值解8。此方法主要先对各变量依据自身分布分别进行随机取样，然后根据这些随机抽取值计算风险率。优点是不需考虑各风险变量之间复杂的相互影响关系。但不足之处是对基本变量的分布假定比较敏感，而且对于每一次随机取样，计算的风险率都不一样，因此比较适合和其他方法对照应用。基本原理：假定函数Y=f(X1,X2,Xn),其中变量X1,X2,Xn的概率分布或发生频率已知。蒙特卡罗法利用一个随机数发生器通过直接或间接抽样取出每一组随机变量(X1,X2,Xn)分布的一组值 X1i,X2i,Xni，然后按Y对于X1,X2,Xn的关系式yi =f(X1i,X2i,Xni)确定函数Y的值yi。反复独立抽样（模拟）多次(i =1,2,n)，便可得到函数Y的一批抽样数值y1,y2,yn，当模拟次数足够多时，便可给出与实际情况相近的函数Y的概率分布及其特征数字。3.2.3极限分析法此方法主要包括均值一次二阶矩法、改进的一次二阶矩法（AFOSM）和JC法。均值一次二阶矩（MFOSM）法在随机变量分布尚不清楚时，采用只有均值和方差的数学模型的方法，是计算系统风险或部分风险的一种近似分析方法。该方法能够同时考虑各种不确定性因素，允许根据新资料或改善了的资料进行适时校正，对于单个因素，只需要知道各参数的均值和标准差，即可进行计算；相比较其他风险计算方法，该方法所需的计算量也适当9。它运用泰勒级数展开，使之线性化。由于MFOSM将线性化点选为均值点，而使计算结果可能偏差较大。改进的一次二阶矩法（AFOSM）进行系统的风险分析。AFOSM法就是将功能函数在失事面上可能的失事验算点处按泰勒级数展开，取其一阶展开式计算功能函数的期望值和方差，然后计算其可靠性指标。AFOSM针对MFOSM的缺点，在进行泰勒级数展开时，将线性化点选为风险发生的极值点（风险点）。AFOSM法应用于系统的风险分析，有效地避免了蒙特卡罗法的上述缺陷，即计算的风险值较准确，该值通常与功能变量关系不大；估算风险时，可以考虑不同时期流域水文地质、自然地理、人类活动等产汇流条件的改变；在精度相同的情况下，计算机耗时少10。JC法11的基本原理仍与一次二阶矩法相同，即将所求结构的极限状态方程用泰勒级数展开，使之线性化，然后用该方程的一阶矩和二阶矩求解结构的可靠度。但是，相较于一次二阶矩法，改进一次二阶矩法等，JC法有了很大的改进，主要表现在其不仅可以对非线性的状态方程求解，而且对状态方程中变量的分布不加限定，最后求解出变量在失效边缘的不利组合临界点及可靠度或失效风险。JC法由FOSM和AFOSM发展而来，克服了两者都只适用于正态分布的不足。它虽然解决了非正态分布的问题，但只适用于风险变量相互独立的情形。3.2.4基于马尔柯夫过程的风险分析法马尔柯夫（Markov）链是一种重要的随机过程，它研究的是某一事件的状态及状态之间转移规律理论的随机过程，它所描述的随机现象是：已知现在，未来的概率分布与过去的状态无关，即无后效性。水库调度中的入库径流过程一般服从于马尔柯夫过程，因此可用马氏过程状态转移概率来推求水库调度中风险变量相互影响的风险率12。对于风险而言，为了对事件的不确定性进行分析和量化，首先要对其变化特性有一个清晰的认识，以便为方法的设计提供基础。设X(t)为某一指数的状态集合，可以推断，X(t)是随时间推移而上下起伏的一个随机过程。由于加强和减弱等复杂的不确定因素的相互作用，使得在某一年的状态只与前一年（或最近几年）的状态及状态的变化有关（有较强的关联），而与更前面的年份无关（或关联较弱,可以不予考虑）。因此，X(t)的变化过程具备马尔柯夫过程无后效性这一特点，是一个马尔柯夫过程，并且其状态和时间参数可以是离散形式的马尔柯夫过程马氏链13。将X(t)中的时刻改记为n，在实际应用中n作为年度参数，是非负的整数。同时，从简化分析考虑，还可以规定X(n)的取值为整数，即X(n)是以整数形式出现的，所以这种马氏链又称为（状态或取值）可列马氏链。当X(n)的取值状态为有限个时，又称这种马氏链为有限（可列）马氏链。对于指数的状态而言，X(n)的取值必为有限且为正整数，所以采用有限可列马氏链来描述风险状态X(n)的这种随机过程是合理和恰当的。3.2.5模糊数学风险分析法1965年美国自控专家Zadeh提出了模糊集合理论，它将数学的应用范围从精确拓展到模糊现象领域。陈守煜教授提出并创建了水文水资源学的新的分支学科模糊水文水资源学，建立了模糊水文水资源学的理论基础工程模糊集理论与方法14和水资源与防洪可变模糊集理论与方法15，并针对水科学问题的复杂性与不确定性做了大量的应用研究工作。由于水库调度中的不确定性因素，如径流、泄流、库水位变化等，具有明显的模糊特征，因而用模糊数学进行风险分析是适宜的。设一个随机事件的集合为，是模糊随机事件，上的一个模糊子集事件，从属于模糊随机事件的程度(隶属度)为，则模糊随机事件的概率为:。3.2.6最大熵法1948年，Shannon在创立信息论时,找到了一个唯一的量来度量信源的不确定性,这个量与热力学和统计力学中的熵在数学形式和物理意义都相近,所以也称为熵。除了信息传输以外，Jaynes16提出的最大熵原理（POME）。最大熵风险分析方法17将信息熵、风险估计和概率论方法有机地联系起来，基于最大熵原理建立最大熵风险估计模型，先验信息（已知数据）构成求极值问题的约束条件，最大熵准则得到随机变量的概率分布。最大熵法的计算量小于蒙特卡洛法，但需要进行许多数学推导，计算较复杂。3.3雨洪资源风险决策方法1风险决策的方法有很多种，风险决策问题可以概括为:其中可以是max或min，D为决策空间，为状态空间上的变量，为m维目标函数。当m=1时，上式为单目标风险型决策；当m=2时，上式为多目标风险决策。单目标风险型决策方法主要有期望损益分析决策法，边际分析决策法，边际分析决策法，贝叶斯风险决策法，期望一方差两目标法，极大化希望水平法等；常用的多目标风险型决策方法有多属性期望效用理论，概率均衡法，分区多目标风险决策方法。多目标决策问题是在单目标决策问题的基础上发展起来的，多目标风险型决策方法与多目标决策方法互为联系，多目标决策方法主要是选择一个最佳均衡解，而多目标风险决策方法往往以多目标决策方法为基础，综合有关的不确定性分析，使得在冒最小风险的代价下，得到某种最佳效益。4结语雨洪资源风险分析是雨洪资源研究的一项重要内容。它要求在整个分析过程中要对风险因子进行定性和定量的研究，并要在结果中体现风险程度的大小，为风险决策提供科学的依据。雨洪资源化项目研究的内容较多，它包括洪水预报，水库优化调度，水资源的优化配置，城市雨水利用和洪水回灌地下水研究等许多方面的内容，所以对于不同的研究层面，其风险研究方法也不尽相同。如何选择适当的方法，研究过程中对于不同方法之间的相互比较和并且分析其结论的合理性对于雨洪资源风险分析是非常重要的内容。雨洪资源化是一个既涉及技术上的可行、经济的合理，又涉及生态环境的容许和防洪安全保障问题的复杂系统工程，随着洪水治理观念的改变和新技术、新方法在水利学科中的应用，雨洪资源化的理论研究与应用实践将会进入一个新的阶段，雨洪资源的风险分析也会面临更多的问题，其发展面也会更加广阔。参考文献1 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