北京水资源评价

水资源短缺风险综合评价一摘要本文选取区域水资源短缺风险程度的风险率、脆弱性、可恢复性、重现期和风险度作为对水资源采取有效的风险管理措施已刻不容缓评价指标，研究了水资源短缺风险的模糊综合评价方法。最后对包括北京水资源短缺风险进行了评价。结果表明，如果没有南水北调工程,2010年整个北京的水资源短缺风险将会处于高风险水平，水资源供需状况极度危险。二关键词：水资源;风险;综合评价;北京；三问题的提出水资源，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。风险，是指某一特定危险情况发生的可能性和后果的组合。水资源短缺风险，泛指在特定的时空环境条件下，由于来水和用水两方面存在不确定性，使区域水资源系统发生供水短缺的可能性以及由此产生的损失。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。以北京市为例，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，附表中所列的数据给出了1979年至2000年北京市水资源短缺的状况。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。《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。利用这些资料和你自己可获得的其他资料，讨论以下问题：评价判定北京市水资源短缺风险的主要风险因子是什么？影响水资源的因素很多，例如：气候条件、水利工程设施、工业污染、农业用水、管理制度，人口规模等。建立一个数学模型对北京市水资源短缺风险进行综合评价，作出风险等级划分并陈述理由。对主要风险因子,如何进行调控，使得风险降低？对北京市未来两年水资源的短缺风险进行预测，并提出应对措施附表1979年至2000年北京市水资源短缺的状况总用水量农业用水工业用水第三产业及生活水资源总量年份（亿立方（亿立方（亿立方等其它用水（亿立（亿方）

米）米）米）方米）197942.9224.1814.374.3738.23198050.5431.8313.774.9426198148.1131.612.214.324198247.2228.8113.894.5236.6198347.5631.611.244.7234.7198440.0521.8414.3764.01739.31198531.7110.1217.24.3938198636.5519.469.917.1827.03198730.959.6814.017.2638.66198842.4321.9914.046.439.18198944.6424.4213.776.4521.55199041.1221.7412.347.0435.86199142.0322.711.97.4342.29199246.4319.9415.5110.9822.44199345.2220.3515.289.5919.67199445.8720.9314.5710.3745.42199544.8819.3313.7811.7730.34199640.0118.9511.769.345.87199740.3218.1211.111.122.25199840.4317.3910.8412.237.7199941.7118.4510.5612.714.22200040.416.4910.5213.3916.86注：2000年以后的数据可以在《北京2009统计年鉴》上查到四问题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。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，经过查找资料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。由问题分析可判断影响北京水资源短缺风险的因素可归纳为以下两个方面:(1)自然因素:①人口数;②入境水量;③水资源总量;④地下水位埋深；(2)社会经济环境因素:①工业用水量;②污水排放量;③COD排放总量;④第三产业及生活用水量;⑤农业用水量。五模型假设假设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六建模过程风险率根据风险理论，荷载是使系统“失事”的驱动力，而抗力则是对象抵御“失事”的能力。如果把水资源系统的失事状态记为Fe(A>p)，正常状态记为Se(A<p)，那么水资源系统的风险率为：r=P(人>p)=P{xGFy}式中：'⑴为水资源系统状态变量如果水资源系统的工作状态有长期的记录，风险率也可以定义为水资源系统不能正常工作的时间与整个工作历时之比，即1炸1a-NT ，t=i式中：NS为水资源系统工作的总历时；It是水资源系统的状态变量。J0,系统工作正常(XtuS)、<=h系统失事(乂「u日):脆弱性脆弱性是描述水资源系统失事损失平均严重程度的重要指标。为了定量表示系统的脆弱性，假定系统第i次失事的损失程度为Si,其相应的发生概率为Pi,那么系统的脆弱性可表达为：x=E（S）=芸FPSiit=1式中：NF为系统失事的总次数。例如，在供水系统的风险分析中，可以用缺水量来描述系统缺水失事的损失程度。类似洪水分析，假定P1=P2=…=PNF=1/NF,即不同缺水量的缺水事件是同频率的，这样上式可写为：x=_L%FVE

NFi

t=1式中：VEi为第i次缺水的缺水量。上式说明干旱的期望缺水量可以用来表示供水系统的脆弱性。为了消除需水量不同的影响，一般采用相对值，即x=%VE/芸如VD.

i=1 ： i=1式中：VD是第i次干旱缺水期的需水量。3.重现期事故周期是两次进入失事模式F之间的时间间隔，也叫平均重现期。用d（H，n）表示第n间隔时间的历时，则平均重现期为①=—1—%一1d（日,n）N-1n=1式中：N=N（以）是0到t时段内属于模式F的事故数目。可恢复性恢复性是描述系统从事故状态返回到正常状态的可能性。系统的恢复性越高，表明该系统能更快地从事故状态转变为正常运行状态。它可以由如下的条件概率来定义：P=p（XGSIX1GF）上式亦可用全概率公式改写为_p{X uF,XuS}P= P{x]uF}引入整数变量这样，由全概率公式可得则有:LXuF

tI0,Xu这样，由全概率公式可得则有:LXuF

tI0,XusIt1,Xt-10,£ztt=1tTfs互Z，，t=1t其它t=归yF tt=1从上式可以看出，当"。，即水资源系统在整个历时一直处于正常工作状态，则8=1；而当Tfs=0，即水资源系统一直处于失事状态(?f=ns),则8=0。一般来讲，0<8<1。这表明水资源系统有时会处于失事状态，但有可能恢复正常状态，而且失事的历时越长，恢复性越小，也就是说水资源系统在经历了一个较长时期的失事之后，转为正常状态是比较困难的。5.风险度用概率分布的数学特征，如标准差。或半标准差。-，可以说明风险的大小。o和。-越大，则风险越大，反之越小。这是因为概率分布越分散，实际结果远离期望值的概率就越大。Q=(D(X))1/2=(£(X-E(X))2/(n-1))1/2ii=1用o、o-比较风险大小虽简单，概念明确，但0-为某一物理量的绝对量，当两个比较方案的期望值相差很大时，则可比性差，同时比较结果可能不准确。为了克服用！-可比性差的不足，可用其相对量作为比较参数，该相对量定义为风险度FD.，即标准差与期望值的比值(也称变差系数)。C=b/E(X)=。/这里值得说明的是：风险度不同于风险率，前者的值可大于1，而后者只能小于或等于1。水资源的短缺取决于供水和需水两方面影响，而这两方面都具有随机性和不确定性。因此水资源短缺风险也具有随机性和不确定性。我们在进行风险评价时，充分考虑风险特点以及水资源的复杂性，把存在风险的概率、风险出现的时间、风险造成的损失多少、风险解除时间、缺水量的分布等一系列因素考虑在内。故我们从多方面的指标综合考虑评价北京市现水资源短缺风险等级。我们在评价指标选择中坚持的原则：（1） 能集中反映缺水的风险程度；（2） 能集中反映水资源短缺风险发生后水资源系统的承受能力；（3） 代表性好，针对性强，易于量化。依据上述原则，我们选取水资源的风险率、脆弱性、可恢复性、事故周期、风险度作为水资源系统水资源短缺风险的评价指标。风险评价是在风险识别和风险分析的基础上，把损失概率、损失程度以及其它因素综合起来考虑，分析该风险的影响，寻求风险对策并分析该对策的影响，为风险决策创造条件。本文采用上述定义的风险率、脆弱性、可恢复性、重现期、风险度作为水资源短缺风险的评价指标，采用模糊综合评判方法对水资源短缺风险进行评价。设给定2个有限论域U=｛〃，U, ,U｝和V=｛V,v， ,v｝其中，U代表综合评判TOC\o"1-5"\h\z1 2 m 1 2 n的因素所组成的集合；V代表评语所组成的集合。则模糊综合评判即表示下列的模糊变换B=AXR，式中A为U上的模糊子集。而评判结果B是V上的模糊子集，并且可表示为A=（人，人， ，人），0W入W1；B=（b，b, ,b），0WbW1。其中入表示单因素u,在1 2 m i 1 2 n j i l总评定因素中所起作用大小的变量，也在一定程度上代表根据单因素ut评定等级的能力；,.为等级V.对综合评定所得模糊子集B的隶属度，它表示综合评判的结果。关系矩阵R可表示为,1,2…,r r ...rR= 21 22 2nLLL…rmn'式中：表示因素U的评价对等级V的隶属度，因而矩阵R中第R=（气，J，…，r）即为i j i i1i2 in对第i个因素u的单因素评判结果。在评价计算中A=（牛*2••…，七）代表了各个因素对综合评判重要性的权系数，因此满£*.=】，（iT，2,…,m）；同时，模糊变换AXR也即退化为普通矩阵计算，即七=min（l£*,*jiT，2,…，m；jT，2,…,n上述权系数的确定可用层次分析法（AHP）得到。由上述分析可以看出，评价因素集U二比，u， ，u｝对应评语集V=｛匕，七， ，v｝而评12 m 12 n判矩阵中rij即为某因素ui对应等级vj的隶属度，其值可根据各评价因素的实际数值对照各因素的分级指标推求。我们将评语级分为5个级别，各评价因素分级指标见表1。表1各评价因素分级指标水资源短缺风险u1（风险率）u」,2（脆弱性）u3（可恢复性）u4（重现期）u5（风险度）匕（低）W0.200W0.200N0.800N9.000W0.200匕（较低）0.200〜0.4000.200〜0.4000.601〜0.8006.001〜9.0000.201〜0.600匕（中）0.401〜0.6000.401〜0.6000.401〜0.6003.001〜6.0000.601〜1.000匕（较高）0.601〜0.8000.601〜0.8000.200〜0.4001.000〜3.0001.001〜2.000匕（高）N0.800N0.800W0.200W1N2.000通过模糊综合评判方法建立模型计算出缺水风险性的综合评分知道北京市处于高风险的水资源短缺状况，。在采取以往的水资源控制手段的条件下，经过对2000-2010年用水状况的数据分析，采用灰色系统理论模型和多元线性回归模型用不同的方式对北京市未来水资源短缺风险的分析，较清晰地预测到北京市未来几年的水资源短缺仍会处于一种高风险状态。可见，解决水资源短缺问题依然严峻。为了能更高效的对水资源短缺问题解决，分析造成水资源短缺的风险因子，对熵权的判断得到主要因素为人口的高速聚集和年降水量的日益减少。在解决水资源短缺问题上市水行政主管部门应该侧重以上两个问题着手。但仅仅从这两个方面入手是远远不够的，为此我们提出了如下有效缓解北京水资源短缺的有效措施：一、 加强水资源的合理调度，完善了相关体制和机构建设：加强地下水环境保护，建立完善的地下水动态监测系统。从区域上保护地下水，防止水质恶化，应从源头上即地下水补给区进行保护。水资源是“从水源地f供水f排水f治污f中水回用”这样一个闭环的系统，需要统一管理，才能优化配置，达到最佳效益继续开展污水资源化、雨洪利用的研究和应用。把城市污水排放规划管理、污水处理厂建设、再生污水利用三个环节综合起来，全面规划考虑，实现污水资源化。收集和利用城市雨洪，既可防治雨洪灾害，缓解城市雨洪压力；同时又增加了可用水资源，并可通过回灌补给蓄养地下水。应建立外来水源、本地水源相互协调的供水网络，实现本地地表水源与外来水源的联合调蓄、地下水与地表水的联合调蓄，提高北京城市供水安全保证程度，支持城市可持续发展。为保证城市供水安全，应科学地适度增加地下水开采量，合理开发利用。对已确定的应急供水水源地应尽快投入勘探和开发工作，对其它地区继续开展调查工作，寻找新的后备应急水源。二、 使有关单位及市民注意节约用水，提高用水效率：通过宣传加强民众和单