水资源短缺风险评价

水资源短缺风险评价体系摘要：目前,水资源短缺的问题越来越突出,而且成为制约我国社会经济可持续发展和水资源可持续利用的主要障碍,关于如何对水资源的短缺风险进行综合评价,目前没有统一定义和标准评价方法.如何建立科学的评价方法、建立一个规范化并和国际接轨的评价体系已成为一个亟待解决的重要课题.基于对水资源短缺风险评价的需要,本文以北京市为例,我们在原模糊综合评判模型的基础上改进模型.首先用层次分析法构建了北京市水资源短缺风险因子分析模型,通过计算,最终确定出导致风险的主要因子,为进一步进行风险评价奠定了基础.随后运用改进的模糊综合评判模型,对北京市的水资源短缺程度、短缺原因及变化趋势进行了比较全面的分析,对风险等级进行了划分.同时,选取了短缺性、危险性、易损性、承险性作为水资源短缺风险的评价指标,通过建立隶属函数和评价矩阵,对水资源短缺风险进行了定量评价,以最大隶属原则为依据,得出北京市水资源短缺处于较高风险，同时也为制订风险的防范措施和对策提供了理论依据.在应用模糊综合评判模型的同时,我们为了准确的确定短缺性、危险性、易损性、承险性的权重,通过发放调查问卷,采用确定权重的统计方法,即加权统计方法,得到了其权重.在用该模型分析水资源短缺风险的分析过程中,通过计算发现该方法克服了以往假设模型中条件的限制,在目前信息收集不完整、数据质量不高的情况下有着独特的优势.该模型能使评估更加客观、准确、系统、有效.然后用MATLAB软件对北京市水资源状况的相关数据进行拟合,从用水量、用水结构、水资源总量几个方面对北京市未来五年水资源进行了预测,得到了可靠的预测结果.最后,在我们研究结论的基础上,提出了缓解北京市水资源短缺的对策和措施.关键词：水资源短缺风险；模糊综合评判模型；层次分析法；预测1一、问题重述水资源是城市形成、发展的必要条件,在自然和人类活动影响下,城市旱涝、缺水及水环境污染现象时有发生,水资源问题已严重阻碍了当今城市发展水资源短缺、供需的失衡始终是我国社会经济可持续发展、水资源可持续开发利用和管理保护所面临的重大问题和难题.那么如何对水资源短缺风险的主要因子进行识别,以及在这些水资源短缺的风险因子中,哪些因子是主要的,这对于研究水资源短缺风险将是十分必要的,因此,对以上几个问题的分析将是必不可少的.那么能不能建立一个水资源短缺风险评价的数学模型？由此分析,对于从用水量、用水结构、水资源存量几个方面对北京市未来几年的水资源进行预测也是必要的.这样,可以给有关部门写一份研究报告,提出水资源短缺成因、水资源风险控制以及水资源保护等方面提出一点建议,来降低水资源短缺风险.二、问题分析由于的数据属离散型,它们无法直接为数学模型所用.在统计数据中存在的人为误差,其属性变量的取值必然存在误差.基于上述原因,我们必须对数据进行处理；鉴于风险各层面的指标差异问题,我们必须对数据比较分析,得到统一的评价标准,最后进行评估.因此我们需要解决以下关键问题：1.如何对水资源风险的主要因子进行识别,然后对分险因子进行重要性分析2.搜集数据,然后对数据进行分析和计算.3.在原有模糊综合评价模型的基础上,如何进行改进和变化,建立一个更好的数学评价模型,使其更好地适应水资源短缺风险的评价.三、基本假设假设一:我们对水资源短缺风险因子指标分层是合理的假设二:我们所列的水资源短缺风险因子指标是全面的,其他因素对水资源的短缺风险的影响忽略不计假设三:南水北调及其它工程正常运行2假设四:没有重大的自然灾害发生如干旱等其他因素假设五:在数据的计算过程中,加设误差在合理的范围之内,对数据结果的影响可以忽略不计假设六:所有收集到的数据均有效,即不考虑人为因素造成的无效数据假设七:北京地区人口流动正常假设八:风险等级是主要致险因子决定的四、符号说明ija：表示项目Ci与Cj对目标的影响之比iW：权重..CR：随机性指标..CI：一致性指标iA：分类指标CR：一致性比率iN:影响力评价指标值ik:分项指标值iU:综合评判因素iV:评判等级iB:等级iV对综合评定所得模糊子集B的隶属度i:单因素iU在总评定因素中所起作用的大小B:V上的模糊子集()iCx:隶属函数五、模型建立水资源短缺风险,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.为了较好地评价水资源短缺风险,首先,我们需要分析水资源短缺的风险因子,即分析水资源短缺的成因.5.1判定水资源短缺的主要风险因子根据北京市水资源资料,首先通过系统定性分析,列出了可能造成北京市水资源短缺风3险的各方面因素,比如说降雨量、灌溉面积、水的价格等,然后在这些因素中选出一些主要的因素,其他一些次要因素则认为对北京市水资源短缺的影响较小可以忽略不计.概括来说,这些因素主要源于以下四方面:1.环境因素;2.工业因素;3.农业因素,4.社会经济因素.通过对水资源短缺风险因素的分析,我们建立起相应的风险指标体系.该指标体系分为3个层次,共由15个指标组成.如表1所示,表1：水资源短缺风险因子的评价指标一级指标二级指标指标含义单位指标量水资源短缺风险因子环境因素A降水量A1mm463地下水资源量A2亿立方米16.2植被覆盖面积A3公顷52.6蒸发量A4mm421.1工业因素B水库容量B1亿立方米28.6工业用水量B2亿立方米7.1工业污水排放量B3亿立方米12.5工业污水处理量B4亿立方米9.8农业因素C灌溉面积C1万平方公顷4.86渠系水利覆盖率C2%80高产值农户耗水量C4%43.2社会经济因素D人口密度D1每平方公里9.37第三年产业占全市比重D2%67.5生活用水定额D3亿立方米13.03GDP水耗下降率D4%58.4根据对问题的分析,为了定量分析水资源短缺因子的重要性,我们参考已有的层次分析法[8],这种方法是一种将定性分析与定量分析相结合的系统分析方法.层次分析法处理问题的基本步骤简述如下：(1)确定评价目标,再明确方案评价的准则.根据评价目标、评价准则构造递阶层次结构模型.递阶层次结构模型一般分为3层：目标4层、准则层和方案层；(2)应用两两比较法构造所有的判断矩阵.下表是建立判断矩阵的方法.表2.两两比较法的标度判断尺度具体含义975312、4、6、8ia因素比ja因素绝对重要ia因素比ja因素重要得多ia因素比ja因素重要ia因素比ja因素稍微重要ia因素比ja因素一样重要ia因素ja因素的重要程度介于上述各数值之间对本级的要素进行两两比较来确定判断矩阵A的元素,ija是要素ia对ja的相对重要性其值是由专家根据资料数据以及自己的经验和价值观用判断尺度来确定判断尺度表示要素ia对ja相对重要性的数量尺度.采用的判断尺度见（表1）根据判断尺度建立n阶的判断矩阵nnA：111212212212nnnnnnaaaaaaAaaa其中： 0ija,1/ijjiaa,iia=1,（i,j1,2,,n）然后确定各要素的相对重要程度：(1)计算判断矩阵的特征向量W,然后进行归一化处理即得到相对重要程度向量：11 1,2,...,nniijjnWai,（5.1）（2）一致性判断.为了检验判断矩阵的一致性,根据AHP原理,可以利用max与n之差5来检验一致性,定义一致性计算指标为：...CICRCR,（5.2）其中max..1nCIn,（5.3）max为判断矩阵A的最大特征值...CR为随机性指标,是通过构造最不一致的情况,对不同的n阶比较矩阵中的元素,采取随机取数的方式进行赋值,并且对不同的n取多个子样,先计算出..CI的值,再求得其平均值,记为..CR,见表2.表3.随机性指标..CR数值N1234567891011C.R.000.580.91.121.241.321.411.451.491.51当矩阵A满足一致性时,..0CI；当矩阵A不满足一致性时,一般有maxn,因此..0CI,故在一般情况下,当0.1CR时就可以认为判断矩阵具有一致性,据此而计算的值是可以接受的；若不满足0.1CR,则认为判断矩阵不符合一致性要求,需要专家重新按判断尺度表进行判断,建立判断矩阵进行相应计算,直到一致性检验通过.设环境因素指标、工业因素指标、农业因素指标、社会经济因素指标权重向量分别为1234,,,,现在以社会经济因素为例,对其相关二级指标进行求解：表4：社会经济因素相关指标量相关指标D1D2D3D4指标量9.3767.513.0358.4（1）求权重向量它对应的判断矩阵61112122122412nnnnnnaaaaaaAaaa=9.379.379.37167.513.0358.467.567.567.519.3713.0358.413.0313.0313.0319.3767.558.458.458.458.419.3767.513.03计算判断矩阵的特征向量W,然后进行归一化处理即得到相对重要程度向量：11nniijjWa,i＝1、2、…、n;（5.4）最后得到的权重向量为：4(0.064,0.454,0.088,0.394)Tw（2）一致性检验max的计算过程如下：A1=9.379.379.37167.513.0358.467.567.567.519.3713.0358.413.0313.0313.0319.3767.558.458.458.458.419.3767.513.030.06390.06320.05290.06310.45520.45560.45360.45560.08780.08790.08760.08770.39310.39320.38330.39350.25281.82240.35121.57280.06320.45570.08780.3932得4A=0.25291.82260.35141.5726max=0.25291.82260.35141.5728140.06320.45570.08780.3932=4.013根据公式max..1nCIn可得..0.0241,CI此时,..0.9CR,由公式...CICRCR.列向量归一化按行求和归一化7可算得..0.0241,CI由于..0.1CR＜则可以认为判断矩阵具有一致性,据此而计算的值是可以接受的；综合上面的计算,我们得到环境因素指标、工业因素指标、农业因素指标、社会经济因素指标的4个权重向量：1(0.486,0.017,0.055,0.442)Tw2(0.493,0.122,0.216,0.169)Tw3(0.798,0.8,0.432)Tw4(0.064,0.454,0.088,0.394)Tw设环境因素指标、工业因素指标、社会经济因素指标值分别是,,,ABCDNNNN,它们的分项指标的权重为1ia,2ia,3ia,…,jia（i,j1,2,,n）,分项指标的值分别为1ik,2ik,3ik,…,jik（i,j1,2,,n）,总值为N,所以有公式11mjnimnmnmnNak（5.5）根据这个公式及参考姜启源编的《数学模型》第二版[1]中的概念及计算原理得目标中的组合权重应该为它们相应的权向量和max归一化的特征向量两两乘积之和.则对于社会经济因素来说,它的评价指标值为：1155.4mjniDmnmnmnNak同理,对于水资源分险因子的其他三个层面,可得其评价指标值为：1143.9mjniAmnmnmnNak1119.3mjniBmnmnmnNak114.01mjniCmnmnmnNak8再根据它们各自的指标值算出权重向量,最后,由公式（5.5）得到水资源短缺风险因子