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论文题目：水资源短缺风险综合评价参赛队员：许文勇江锦明钟沛1摘要：北京是全球水资源严重匮乏的大都市之一，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。对不同风险因子采取相应的有效措施规避风险，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。对此，本文将主要研究北市水资源的短缺风险的问题，求解问题一：探求水资源短缺风险因子。据近年北京市水资源相关的数据，利用总体供求关系的分析、不同因子的比值比较、降水量及人口资料的分析，针对三方面指标分析出缺水主要因子：人口密度、地下水、农业及工业用水。求解问题二：利用古典概率的水资源短缺风险评价模型，对北京市水资源短缺风险进行综合评价,利用k均值聚类分析法，将风险综合值分为五个等级，最终得到五个聚类中心，根据五个中心将风险综合值分成五组，每组为一等级，完成风险等级划分。分析风险主要因子，调控主要因子，减低风险。求解问题三：利用matlab,画出各影响因子随时间变化的图像，通过拟合，得到拟合函数，预测出未来两年的各因子的数据，从而求出风险率，然后针对性地提出建议。求解问题四：基于以上分析，作出建议报告。我们认为在保证合理规划生活农业用水的前提下，加快南水北调工程的外部供给，再加上加大再生水的利用规模和循环是解决北京市水资源缺乏的最好方法之一。关键词：水资源、古典概率、k均值聚类分析法、拟合、南水北调、再生水2一、问题的提出与分析1.1问题的提出北京是全世界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2009年期间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。尽管政府采取了一系列措施,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。根据相关资料，讨论以下问题：1、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。2、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，做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？3、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。4、以北京市水行政主管部门为报告对象，写一份建议报告。1.2问题的分析本题针对北京市水资源短缺问题，提出对北京市水资源短缺风险的判定以及对水资源短缺风险做出综合评价和对未来几年水资源的短缺风险进行预测的问题。我们认为对北京市水资源短缺风险的评价应该从水的使用状况做出分析，也即是通过水资源总量与水资源在各个不同领域的利用情况在进几年的变化趋势来做出综合地评价，评判出最主要的风险因子。因此我们要找出界定主要风险因子的因素，针对不同影响元素进行分析。然后依据主要风险因子，假设出合理的模型，带入近年来相关性数据。这就需要首先探究出描述水资源短缺风险的综合评价标准，量化成数字进行比较，划分出风险等级。或者利用各年的数据，拟合出具有科学性的曲线。我们建立的模型应本着运算简便，条理清晰，数值稳定，科学合理的原则，并借助各种软件的功能，得到我们期望的结果。利用模型，分析出影响北京水资源短缺风险的原因，依据现有数据及模型，对未来两年缺水风险展开预测，得出预测结论。最后，依据模型的分析，给相关部门提出有见解性的建议，结合实际情况和创新思维，分析出真正可以解决北京水资源风险的重大问题。“上善若水。水善利万物，而不争”。古人以水寓德，以水寄情，对水是生命之源的认识早已达到极致，因此我们更应呼吁人类，提高对节约水资源的重视度。3二、基本假设1.假设北京市的降雨地区分布是近似均匀的。2.假设北京地表水主要来源为五大河流。3.假设水资源总量全部为北京市地表水地下水量没有外部供水影响。4．假设北京市不存在重大自然灾害的影响。三、符号说明Ρij单个因素在每年的用水量χ1水资源总量χ2年污水再生量χ3工业用水χ4农业用水χ5第三产业及生活等其它用水量χ6再生水χ7南水北调工程调量Α缺水量μ风险度ι风险率η供水量ζ需水量Ζ风险综合值Αi第i年的缺水量Αmin缺水情况下最少的缺水量Αmax最大的缺水量μi第i年的风险度ιi第i年的风险率Ζi第i年的风险综合值Τkj第k组风险综合值的第j个数据4n年份γi相关系数四、模型的建立与求解问题1解决方案——探求水资源短缺风险因子1.1问题分析本题要求通过对近几年来北京市水资源相关的数据进行分析，综合评定，然后找出影响北京市水资源的主要几个因子。附表一中给出了1979年至2000年北京市水资源短缺的状况，其中包括了农业用水、工业用水、生活用水以及总用水量和水资源总量的关系。附表二中给出了2001-2008年的水资源情况。通过两个表格中给出的数据，可以看出水资源先是呈现出供不应求的关系，然后供求差值得以减小呈现缓和趋势。在本题中，我们主要通过对水资源在不同领域中的应用所占据的比值以及重要的影响水资源使用情况的原因来进行综合分析。1.2问题求解(1)针对总体供求关系的分析缺水因子通过对1979年—2008年水资源数据的分析，列出水资源总量χ1,水资源总使用量ζ，缺水量Α之间的关系。用MATLAB绘出数据情况的折线图如下：图一、北京市水资源使用情况总体反应5从折线图中可以看出，除1985、1987、1996年三年以外，其余年份都存在缺水现象，缺水情况近似正弦曲线，在1980年1993年和2000年均出现高峰。从而从整体上反映出了缺水与时间之间的关系并不大，从95年至2000年缺水量呈现上升趋势，之后又有缓和的迹象。(2)针对用途方面分析缺水因子由于水资源总量χ1是固定的，所以只要找出单个因子在每年的用水量Ρij占总用水量的比值Ρij/χ1，通过不同因子比值的比较，评判出影响水资源的最主要的因子。我们从农业用水、生活和其他用水、工业用水三个方面来分析水资源的利用与短缺情况。得到数据的图像如下：图二，北京市（1979-2008）农业、工业、生活用水情况从图像看出，1979年—2000年期间，农业用水占据主要比例，生活用水较少于工业用水。然而从2000年以后，农业用水和工业用水比例迅速减少，生活用水开始达到最高比例。这说明在未来的一段时间里，生活用水可能成为缺水的主要因素。(3)针对影响水资源正常使用的因素来分析缺水因子从附表3中所给的北京近几年的气象资料可以得到以下降水量变化情况6图三、北京市（1979-2008）年降水量除去部分年降水出现高峰之外，总体上降水略呈现出减少的趋势。而降水主要决定地表水，地表水的总量从附表二中看出约占总水资源的34%，而其余的接近75%为地下水。可以看出地下水的使用量是影响水资源总量的一个重要因素。再结合附表4对常住人口总数比较得到如下图：7图四、北京（1978-2008）常住人口数量北京市常住人口一直呈增长趋势，今总人口已经达到近1700万，巨大的人口密度导致人们生活用水占据了总水量的很大的一部分，这成为了导致缺水的一个主要因素。其次，通过附表5中给出的污水排放以及处理情况，2008年的污水排放量为132095万立方米，而污水的处理能力还不够，从而也从客观上影响了水资源的使用量。1.3总结通过以上几个方面的分析，可以看出，造成北京市水资源短缺的主要因子有以下几点：1、人口密度过大而导致生活用水过多；2、地下水的使用过多而导致地下水储量不足；3、农业用水不合理，导致水资源浪费，4、工业废水的排放导致水污染，且除污能力有限，造成水资源利用率低。问题2解决方案水资源短缺风险评价模型的建立2.1基于古典概率的水资源短缺风险评价模型产生缺水风险的情况为需水量ζ供水量η，缺水量Α=ζ-η，将缺水的影响程度定义为风险度μ，风险度μ的隶属函数如下：μ=0Α≤Αmin（2)μ=（Αi-Αmin）/（Αmax-Αmin）ΑminΑΑmax(3)μ=1Α≥Αmax(4)81979年-2009年需水量ζ=χi3+χi4+χi5，供水量η=χi1+χi2+χi6+χi7，缺水量Αi=ζi-ηi，风险度μi综合风险值Ζi，整理如表4：表4：需水量、供水量、缺水量、风险度、综合风险值统计表年份供水量η（亿立方米）需水量ζ（亿立方米）缺水量Α（亿立方米）是否缺水风险度综合风险值197938.315642.924.604410.1600.119198026.78950.5423.75110.8800.653198124.098648.1124.011410.8890.66198236.699547.2210.520510.3820.283198334.793147.5612.766910.4670.347198439.401340.050.648710.0110.008198538.091331.71-6.3813000198627.114536.559.435510.3410.253198738.733130.95-7.7831000198839.250242.433.179810.1060.079198921.612644.6423.027410.8520.632199035.939941.125.180110.1810.134199142.362342.03-0.3323000199222.442246.4323.987810.8890.66199319.675745.2225.544310.9470.703199445.507645.870.3624100199530.757844.8814.122210.5170.384199646.326540.01-6.3165000199722.723840.3217.596210.6480.481199838.184540.432.245510.0710.053199914.758441.7126.951611.0000.742200018.71540.421.68510.8020.595200121.40838.917.49210.6440.4789200219.07334.615.52710.5700.423200324.43235.811.36810.4140.307200428.41734.66.18310.2190.162200533.17934.51.32110.0360.027200637.01634.30-2.716000200738.61834.8-3.816000200849.67535.1-14.575000200941.3335.5-5.83000其中Αmin=0.3624，Αmax=26.9516，表2中“是否缺水”这一项，缺水为1，不缺水为0，表4得到1979年-2009年31年中缺水年有24年，不缺水年有8年，则风险率ι=缺水年数/总年数=23/31=0.742，风险综合值Ζi=ι*μi（5）风险综合值如表4所示。2.2k均值聚类分析法的引入聚类分析：根据分析样本的各研究变量，将性质相似的样本归为一类的方法。k均值聚类算法是将给定的数据集合分成确定的若干组。定义k个中心点,每组一个，由于不同的初始中心位置产生不同的聚类结果。所以选取适当中心点是聚类的关键。通过使它们之间的距离尽可能大，使给定的所有数据点结合到离它最近的中心点的聚类中。当所有的数据点都分配到中心点的范围内后，初始的聚类形成，通过先前阶段的聚类中心重新计算k个新中心点，再将给定的数据重新分配到离它最近的新中心点，不断进行循环，由循环的结果得知，k个中心点逐步地改变直到它们的位置不再变化为止，即聚类中心不再移动，得到最终聚类中心。标准函数的最小值函数定义为：ckNkzzkmzj1（6）式中：cN为聚类组的数量；km为第k个聚类的均值向量；z为得分向量；kz为cN聚类中的第k个聚类。k均值聚类