地下水科学前沿方向2

1、地下水资源开采决策的风险分析地下水资源开采决策的风险分析主要内容主要内容问题的问题的提出提出 风险分析风险分析方方法法结论与展望结论与展望JC法法模糊模糊随机模型随机模型 由于对地下水资源的不合理开发利用，由于对地下水资源的不合理开发利用，已产生众多的环境问题，如区域地下水水位已产生众多的环境问题，如区域地下水水位的持续下降、地面变形、海（咸）水入侵、的持续下降、地面变形、海（咸）水入侵、泉水流量衰减等。这些问题的发生直接制约泉水流量衰减等。这些问题的发生直接制约着地下水资源的可持续开发利用。着地下水资源的可持续开发利用。一、问题的提出一、问题的提出20042004年年大连海水入侵程度图大连海

2、水入侵程度图 198820021994历 年 入 侵 面 积01002003004005001975198019851990199520002005年份入侵面积（km2)00.511.522.558606264666870727476788082848688909294年份0100200300400500600700开采量矿坑排水量降雨量汾河渗漏量晋祠泉流量原因何在？原因何在？重要的原因之一重要的原因之一: : 长期以来，地下水资源研究中大都是采长期以来，地下水资源研究中大都是采取确定性模型进行地下水水流和污染物运移取确定性模型进行地下水水流和污染物运移模拟、地下水资源评价和管理研究的。模拟、

3、地下水资源评价和管理研究的。 在此过程中，存在着许多不确定性因素在此过程中，存在着许多不确定性因素，尤其是各种模型中的水文地质参数，具有，尤其是各种模型中的水文地质参数，具有明显的不确定性。明显的不确定性。 而而“不确定性不确定性”与与“风险风险”是紧密相联是紧密相联系的，要实现地下水资源的可持续开发利用系的，要实现地下水资源的可持续开发利用，在地下水资源研究中引入，在地下水资源研究中引入“风险分析风险分析”是是非常必要的。非常必要的。 什么叫风险？什么叫风险？ 简单地说，风险就是系统失效的概率，简单地说，风险就是系统失效的概率，即工程达不到预期目标的概率。即工程达不到预期目标的概率。 风险分

4、析（风险分析（Risk analysis）则相应包则相应包括三个相互联系的部分，即：风险辨识、风括三个相互联系的部分，即：风险辨识、风险估算和风险评价。险估算和风险评价。 风险辨识即为分析系统在特定的决策条风险辨识即为分析系统在特定的决策条件下发生什么样的事故，对地下水供水工程件下发生什么样的事故，对地下水供水工程来说，就是分析在某一决策条件下运行供水来说，就是分析在某一决策条件下运行供水工程会产生什么环境问题。工程会产生什么环境问题。 风险估算则着眼于定量地描述事故发生风险估算则着眼于定量地描述事故发生的概率，即计算出事故发生的可能性有多大的概率，即计算出事故发生的可能性有多大。 风险评价的

5、主要任务是阐述事故将会产风险评价的主要任务是阐述事故将会产生什么样的社会、经济和环境负效应，即对生什么样的社会、经济和环境负效应，即对事故所产生的后果进行评价。事故所产生的后果进行评价。 山东济宁：山东济宁： 1987年地下水实际开采量年地下水实际开采量14.35104m3/d，地，地下水可开采量为下水可开采量为14.76104m3/d (大于地下水实际大于地下水实际开采量开采量)，但地下水位却下降了，但地下水位却下降了1.5m。 地下水资源评价结果的可靠性？地下水资源评价结果的可靠性？不确定性因素水文地质概念模型结构的概化水文地质概念模型结构的概化含水层介质的非均质性含水层介质的非均质性观测

6、误差观测误差“noisy data”地表水体与地下水转化机理地表水体与地下水转化机理Kinzelbach认为认为:采用确定性模型方法来解决非确采用确定性模型方法来解决非确定性的问题，其结果很值得怀疑。定性的问题，其结果很值得怀疑。更为严重的是决策者将模拟结果认为是完全正确更为严重的是决策者将模拟结果认为是完全正确的的(即可靠度为即可靠度为100%)，并将其应用到水源地的实，并将其应用到水源地的实际运行中。际运行中。18二、风险分析方法二、风险分析方法 在不确定性因素分析的基础上，开展风险分析在不确定性因素分析的基础上，开展风险分析方法的探讨可以在一定程度上提高水资源评价结果方法的探讨可以在一定

7、程度上提高水资源评价结果的的可靠性可靠性，保障水源地的，保障水源地的可持续运行；可持续运行；为管理部门为管理部门作出决策提供作出决策提供技术支持；技术支持；并进一步推动地下水并进一步推动地下水风险风险管理及风险决策管理及风险决策的发展，增加生态环境效益。的发展，增加生态环境效益。主要的风险分析方法主要的风险分析方法随机随机 (概率论与数理统计概率论与数理统计)模糊模糊 (模糊数学模糊数学)灰色灰色 (灰色理论灰色理论)未确知未确知 (未确知数学未确知数学)随机随机-模糊模糊、随机、随机-灰色灰色随机微分方程随机微分方程随机方法随机方法JC法法 优点：在提高可靠度计算精度的同时，可考虑优点：在提

8、高可靠度计算精度的同时，可考虑非正非正态态的随机变量。的随机变量。 主要有三种转化方法：当量正态化法、映射变换法主要有三种转化方法：当量正态化法、映射变换法和实用分析法。和实用分析法。 “当量正态化当量正态化”法是国际结构联合委员会法是国际结构联合委员会(Joint Committee of Structural Safety，JCSS)推荐的方法，因推荐的方法，因此又简称为此又简称为JC法法。国外称。国外称first-order reliability method(FOSM)。21实例一实例一 研究为一研究为一平原区承压含水层平原区承压含水层，潜水含水层的，潜水含水层的越流补给量和承压含水

9、层本身的侧向径流补给量越流补给量和承压含水层本身的侧向径流补给量是地下水的主要补给来源。根据概化后的水文地是地下水的主要补给来源。根据概化后的水文地质概念模型，依据可开采系数法建立计算地下水质概念模型，依据可开采系数法建立计算地下水可开采量的可开采量的 方程：方程：Q可可=0.9*(HbF+KMJL)实例二实例二 研究区位于辽宁省大凌河中游河谷地带，为研究区位于辽宁省大凌河中游河谷地带，为一一丘陵地区的潜水含水层丘陵地区的潜水含水层，来自河谷区上游的地，来自河谷区上游的地下水侧向径流、降水入渗、地表水体的入渗是本下水侧向径流、降水入渗、地表水体的入渗是本区地下水的主要补给来源，依据可开采系数法

10、和区地下水的主要补给来源，依据可开采系数法和计算区地下水补径排条件得，地下水可开采量可计算区地下水补径排条件得，地下水可开采量可由下式确定：由下式确定： 7111223=0.850.85 ()iiiiQQFPKI AKI AK I A可补参数分布概型参数分布概型 张家港暨阳湖及天津市滨海平原水库张家港暨阳湖及天津市滨海平原水库北塘北塘水库库底地层的研究，均得出湖底及库底地层渗水库库底地层的研究，均得出湖底及库底地层渗透系数更接近透系数更接近对数正态分布，对数正态分布，与与Law(1944)等其等其他学者研究结论一致。因此，在实例研究中设渗他学者研究结论一致。因此，在实例研究中设渗透系数服从对数

11、正态分布，从而与正态分布结果透系数服从对数正态分布，从而与正态分布结果进行对比。进行对比。可靠度计算结果分析可靠度计算结果分析参数分布概型的影响参数分布概型的影响实例一实例一实例二实例二4050607080901002.12.22.32.42.52.6可靠度可靠度(%)开采量开采量(104m3/d)对数正态对数正态正态正态50607080901009111315可靠度可靠度(%)开采量开采量(104m3/d)正态正态对数正态对数正态可靠度计算结果分析可靠度计算结果分析变异系数的影响变异系数的影响20304050607080901002.12.22.32.42.52.6可靠度可靠度(%)开采量开

12、采量(104m3/d)CvCv增大增大10%Cv减小减小10% 随机方法中的随机方法中的矩法矩法(JC法法)是对确定性模型解析解是对确定性模型解析解的一种改进与完善，且更具有的一种改进与完善，且更具有一般性一般性(确定性模型即确定性模型即二阶矩为零二阶矩为零)，因此称之为，因此称之为“矩法解析模型矩法解析模型”。 确定性与不确定性相互依存、相互转化。确定性与不确定性相互依存、相互转化。模糊模糊随机模型随机模型实际工程中，往往存在多种不确定性因素。对不确实际工程中，往往存在多种不确定性因素。对不确 定性因素的综合处理，则更有理论意义与应用价值。定性因素的综合处理，则更有理论意义与应用价值。实际工

13、作中不可能得到有关变量的精确的均值，即实际工作中不可能得到有关变量的精确的均值，即存在参数的模糊性。存在参数的模糊性。 对不确定性的认识则有必要从单纯的随机性深入对不确定性的认识则有必要从单纯的随机性深入到到随机性随机性与与模糊性模糊性相互渗透交融的层次。相互渗透交融的层次。借助于隶属度和隶属函数来描述数学模型中参借助于隶属度和隶属函数来描述数学模型中参数的模糊性。数的模糊性。通过截集使模糊集合问题转化为普通集合问题，通过截集使模糊集合问题转化为普通集合问题，从而可利用概率统计方法中计算风险率的方法从而可利用概率统计方法中计算风险率的方法(如如AFOSM法法)进行求解。进行求解。模糊风险模糊风

14、险300510152025303500.20.40.60.81模模糊糊风风险险( (%) )截集截集下限下限上限上限均值均值模糊模糊随机模型反映出模糊性对计算风险值的影响，随机模型反映出模糊性对计算风险值的影响，即数学模型中参数具有一定的模糊性，则对应地系即数学模型中参数具有一定的模糊性，则对应地系统风险值不应该是一个确定性的值，而应是一个模统风险值不应该是一个确定性的值，而应是一个模糊区间，这比概率统计中确定的安全与失效之间的糊区间，这比概率统计中确定的安全与失效之间的截然划分截然划分更符合工程实际情况。更符合工程实际情况。模糊模糊随机模型中考虑的不确定性因素较多，得出随机模型中考虑的不确定

15、性因素较多，得出的模糊风险较大。的模糊风险较大。31三、结论与展望三、结论与展望结论实例研究表明：参数的分布概型不是影响实例研究表明：参数的分布概型不是影响评价结果可靠度的主要因子，因此在缺少评价结果可靠度的主要因子，因此在缺少资料时可以假设参数服从正态分布或对数资料时可以假设参数服从正态分布或对数正态分布。正态分布。 参数的变异系数对评价结果影响较大，因参数的变异系数对评价结果影响较大，因此，应加强水文地质参数的监测与观测。此，应加强水文地质参数的监测与观测。3233 模糊模糊随机模型中当水平截集随机模型中当水平截集=1.0时，模型简化为随机模型，时，模型简化为随机模型，因此传统的随机风险模型定义是因此传统的随机风险模型定义是模糊模糊随机模型的随机模型的一个特例一个特例。结论用数学公式来刻画用数学公式来刻画主观认识主观认识上的不确定性上的不确定性(未确定各数学未确定各数学)。不确定性因素的不确定性因素的综合处理综合处理(两种及两种以上两种及两种以上不确定性因素的处理不确定性因素的处理)。考虑变量考虑变量 的的“动态性动态性”( 随机微分方程随机微分方程) “随机数值模拟随