西部水資源開發利用風險現狀評價

摘要 我國實施西部大開發戰略后，西部水資源開發利用問題變得越來越突出。為了弄清楚西部水資源開發利用存在的風險現狀，本文在風險概念的基礎上探討了水資源開發利用風險概念和影響因素，并構建了西部水資源開發利用風險評價指標體系。根據水資源系統表現出多模態、突跳和發散的基本突變特征，論述了運用突變理論評價水資源開發利用風險具有一定的可行性，將突變理論引入到水資源開發利用風險評價中，對西部水資源開發利用風險進行評價。首先對各項風險評價指標按照重要性排序，并對各指標值進行無量綱化；然后利用突變模型的歸一公式和突變模型的評價準則進行遞歸運算，最后求出各層指標相對風險值（突變隸屬度），將評價結果與風險等級對照，綜合判斷和分析各層各項指標相對風險狀況。計算結果表明：在西部12個省份中，各層指標的風險值差異顯著，但是水資源開發利用綜合風險值分布在0.66-0.92之間，總體上屬于中高度風險水平，12省份風險從小到大排序為：西藏→陜西→重慶→四川→青海→云南→貴州→廣西→內蒙→甘肅→新疆→寧夏，這一結果與西部12省份水資源開發利用實際狀況相符，可以為西部大開發過程水資源合理有效利用和管理提供風險決策參考依據。

關鍵詞西部；水資源；開發利用；風險評價；突變理論

中圖分類號X37文獻標識碼A文章編號1002-2104（2013）

20世紀末，我國提出了西部大開發戰略，其目標旨在縮小我國東西部地區經濟、社會發展的差異，使得我國國土經濟和社會均衡發展與全面發展。我國西部地區共有12個省（市、區），分為西北地區（陜西省、甘肅省、青海省、寧夏回族自治區、新疆維吾爾自治區和內蒙古自治區）和西南地區（四川省、貴州省、云南省、重慶市、西藏自治區和廣西壯族自治區）。西部地區土地面積為685萬km2，占總國土面積的71.4%，其水資源總量約15 000億m3，占全國水資源總量的54%。在西部地區中，西北與西南地區自然條件很不相同，多數地區經濟發展水平都同樣屬于低水平，各自水資源量多少都存在自己的水問題。總體來看，水資源主要集中在西南和西北山區，西南水多地少，西北水少地多，水土組合呈現出極不均衡的狀況，這種狀況制約著西部社會經濟發展[1-2]。西部地區經過10余年的努力和發展，社會經濟等各方面均得到了較快發展。相應地水資源開發利用程度也不斷加大，表現為用水量迅速增長，水資源開發利用問題突出，如在西北地區，幾乎所有省份水資源開發利用程度高于全國平均水平（25.4%）。2009年，甘肅和內蒙接近50%，新疆達到了70%，寧夏達到了800%，已遠遠超過世界干旱區平均水資源利用為30%的水平[3]。這樣高強度的開發利用水資源已引起了水資源衰竭和生態惡化等問題，如河流水量銳減、河道斷流、內陸湖面積縮小，我國最大內陸河塔里木河下游斷流。為了實現西部水資源的可持續利用，以支撐經濟西部經濟社會可持續發展，要正確認識和評估西部水資源開發利用風險，為水資源可持續開發利用提供決策依據。本文利用突變理論開展西部12省（市、區）水資源開發利用風險評價。

1水資源開發利用風險評價內涵與方法

1.1水資源開發利用風險概念及評價指標

19世紀初，西方經濟學家提出了“風險”的概念，認為風險是商業活動的副產品，經營者的收入是其為經營活動承擔風險的報酬。Willet認為風險是關于不期望發生的事件發生的不確定性的客觀體現[4]。20世紀30-40年代，人們開始研究風險與可靠性問題，并運用概率論研究機器設備的維修問題。后來風險分析和可靠性理論不斷完善充實，逐漸形成了一門應用科學。到了60年代，美國教授William從風險可測算性出發，認為風險是在給定情況下和特定時間內，可能發生結果之間的差異，并指出風險可分為客觀風險與主觀風險，前者是實際存在的，后者是個人對客觀風險的估計。80年代后，風險分析進入到定量化階段，并且風險分析理論開始走進各個學科領域，諸如社會學科、管理學科、醫學等。風險的概念也隨認識程度不同、專業角度不同而豐富多樣。

國外對水領域風險與不確定性研究始于上世紀50年代，把風險理論引入到水領域，從風險概念、影響因素、表征指標、評價準則等方面開展研究，并將風險分析應用到生產實踐中，如洪水風險分析、供水系統可靠性分析、工程風險分析、風險決策分析等，為水系統在風險分析方面做出了重要貢獻[5-7]。近些年來，國內學者將不確定性和風險理論引入到水領域，對有關水利用的不確定性和風險問題開展了很多研究，取得了顯著成就。目前與水有關的風險定義很多，如防洪風險、洪水風險、供水風險、工程性風險、水環境風險和水管理風險等，由于研究問題和對象不同，風險的定義有一定的差別。國內學者對水系統的風險研究更多地側重于風險分析的應用[8-11]。但迄今為止，對有關水利用風險的內涵還沒有一個明確而統一的定義。

由于社會經濟發展的需求，大規模開采水資源，引發了一系列的水資源和生態問題。另外，在水資源開發利用規劃和管理活動中，由于監測不到位、認識不科學及管理措施不當等，影響到供水水量和水質，有可能導致缺水、斷流和水源污染等水安全事故。這些影響因素和不利后果在開發利用過程中具有不確定性，需要對其進行風險研究。由于水資源系統不僅涉及系統本身，還涉及社會、經濟、生態系統，這些系統相互作用、相互耦合構成具有一定結構和功能的開放性復雜系統，系統內部各要素之間、要素與外部環境之間不斷地進行著物質交換、能量傳輸和信息傳遞，所以水資源開發利用風險概念是非常豐富的和復雜的。

本文在前人研究的基礎上，從風險內涵和構成要素的角度，認為水資源開發利用風險是指特定時空環境條件下，在水資源開發利用過程中，受各種不確定性因素影響，水資源系統可能產生不利事件造成不確定程度的損失。其研究對象是風險事件成因和風險事故概率以及事故對環境、生態、經濟和社會構成的不利影響和危害。這些不利事件有水資源枯竭、地下水位下降、水污染、生態功能退化、水土流失、土地荒漠化等。

水資源開發利用受到各種不確定因素的干擾，可概括為：自然不確定性因素和人類活動不確定性因素。自然不確定性因素主要指水資源系統外部環境變化（如氣候變化、太陽活動）以及系統內部結構變化所引起的人類無法控制的自然現象給系統帶來的不確定性；人類活動不確定性因素主要指社會發展和人類認識的局限性導致人類認識和解決問題的能力受到約束或者導致人類無法把握和有效地控制人類社會的發展所引起的社會、經濟、政治的變化對水資源開發利用造成的影響。不確定性因素較難考慮，然而可以從水資源開發利用的脆弱性、開發利用現狀和開發利用導致的經濟生態環境等方面來考慮水資源開發利用風險水平。因此，水資源開發利用風險評價從可操作角度，一般可以從水資源的稟賦條件狀況、水資源開發利用狀況、社會經濟水平和生態環境狀況4個方面進行指標體系構建和指標選取，然后選取綜合評價方法對其計算并進行結果分析。

杜朝陽等：西部水資源開發利用風險現狀評價中國人口·資源與環境2013年第10期1.2水資源開發利用風險評價方法

目前，風險評價方法有很多種，大致可分為兩類：（1）單因素控制的風險評價方法，如直接積分法（DC）、蒙特卡羅法（MC）、一次二階矩法（FOSM）、均值一次二階矩法（MFOSM）、改進一次二階矩法（AFOSM）和驗算點法（JC）等，這些方法均屬于隨機理論方法，主要解決單目標問題；（2）多因素控制的風險評價方法，如基于模糊理論、灰色理論、未確知理論和熵理論的風險評價方法，這些方法屬于綜合評價方法，主要解決多目標、多約束條件的問題[8，11]。同樣，對于水資源開發利用風險，根據研究問題的復雜性選擇相應的方法進行風險評價，但是在選擇方法之前，要對此方法對水資源開發利用風險評價的可行性進行論證。本文將引入突變理論的風險評價方法。

2引入突變理論的風險評價方法

2.1突變理論及突變評價方法

許多年來，自然界許多事物的連續的、漸變的、平滑的運動變化過程，都可以用微積分的方法給以圓滿解決。但在自然界和社會中存在著大量突變和躍遷現象，如地震、細胞分裂、戰爭和經濟危機等，這種狀況無法用微積分數學進行描述，迫使數學家研究不連續性現象的數學理論。1972年，法國數學教授Rene Thom創立了突變理論，用拓撲學、奇點和穩定性的數學理論來研究自然界和社會現象中的各種形態、結構的非連續性突變，系統而明確地闡明了突變理論，從而奠定了突變理論的基礎，這標志著突變理論的正式誕生[12-13]。突變評價方法屬于突變理論的適用性應用，是指將觀察到的突變現象帶入某一數學模型中進行數據計算及評價。突變評價方法優點：不采用指標權重，而是根據各指標在歸一公式中的地位和機制決定各指標相對重要性，定性與定量相結合，從而減少主觀性又不失科學性和合理性，評價結果客觀、準確、計算簡便，不要求樣本數大于變量數，其應用范圍廣泛[14-15]。

在水資源系統中，隨著外部環境和內部要素發生變化，系統某些狀態漸變到一定程度，連續性就會破壞，水資源系統自組織機制顯得格外活躍，打破原有的系統平衡狀態，產生了質變飛躍。在這個過程中，水資源系統表現出多模態（系統隨時出現穩定和非穩定狀態）、突跳（連續性就會破壞，出現間斷點）和發散（控制變量數值的微小變化卻可能導致狀態變量終值的很大變化），這些特征屬于突變的基本特征，因此，運用突變理論評價水資源開發利用風險具有可行性。

2.2突變評價方法簡介

（1）初等突變類型。 突變理論通過對系統的勢函數將其臨界點分類，研究各種類型臨界點附近非連續性變化狀態的特征，按其幾何形狀概括，有7種性質不同的基本類型[16]（見表1）。

表中V（x）表示勢函數，勢函數的變量有兩類：①狀態變量x，y，表示系統的行為狀態；②控制變量a，b，c，d，可把它視為影響系統行為狀態的因素。可以看出，每種突變類型都是由一個勢函數決定的，平衡曲面為滿足勢函數的一階導數（或兩個一階偏導數）為零的所有點的集合；某一類型的突變過程可以通過其相應的平衡曲面來描述。同時，可能出現性質不同的不連續構造的數目與狀態變量數目無關，而主要取決于控制變量的數目。

另外，由表1可以看出，這7種初等突變類型的控制變量維數均不大于4，但實際中，研究對象較為復雜，多數情況下，控制變量維數（評價中為評價指標數）遠超過4個，這就限制了突變理論的應用，為此需要對初等突變類型進行擴展。文獻[17]已將其控制變量維數由4維擴展到n維，從而擴大了突變理論應用條件和范圍。

（2）歸一公式。 在實際評價中，最常用的初等突變類

經過歸一化處理后，狀態變量和控制變量的取值范圍均為0-1，稱其為突變模糊隸屬度函數。突變模型中各控制變量對狀態變量的作用，是根據突變模型內在的矛盾對立統一關系由模型本身確定的，各控制變量對狀態變量的影響有主次之分，主要控制變量在前，次要控制變量在后，如圖1。

根據評價內容和指標選取需要，對控制變量維數可以進行適當拓展，以滿足評價要求。

（3）突變評價準則。 利用突變理論進行綜合分析與評價時，視實際問題性質不同而采用3種不同評價準則[19]。

a. 非互補準則。當系統控制變量之間的作用不可互相替代，不可相互彌補其不足時，則按照“大中取小”原則取值，即從諸控制變量（a，b，c，d）相應的突變級數值中選取最小值作為系統的x值，即x=min{xa，xb，xc，xd}。

b. 互補準則。若系統的各控制變量之間可相互彌補不足時，可以使x值達到較高的平均值，即取控制變量（a，b，c，d）所對應的xa，xb，xc，xd的平均值。

c. 過閾互補準則。系統的各控制變量必須達到某一閾值后才能互補。

從理論上可以證明，只有遵循上述原則，才能滿足突變理論中分歧方程的要求。另外，為避免非互補準則可能丟棄主導因素，從而影響到上層指標，使得評價結果失去應有的公正性和科學合理性，可以采取以下兩種方法處理：①舍棄次要的且影響小的因素，選擇公正合理的控制變量；②限制各控制變量評分的相對高低，淡化次要控制變量，突出起主導作用的控制變量[18]。

3引入突變理論的水資源開發利用風險評價步驟結合水資源開發利用風險概念、影響因素和主要水資源問題，應用突變理論進行水資源利用風險評價，具體過程如下：

（1）構造評價指標體系，根據水資源開發利用風險評價概念和內容、風險因子的內在作用關系及指標選擇的原則和目的，對風險評價目標進行多層次分解（目標層、準則層、指標層），建立評價指標體系，按照指標重要性將風險評價指標排序。

（2）確定底層評價指標的分值，對指標（控制變量）數值進行統一化。 由于各個指標的原始數據取值量級和度量單位不盡相同，數據之間沒有可比性。因此，為了使指標之間具有可比性，在使用突變歸一化公式之前，根據綜合評判的要求，采用模糊數學的方法產生一種多維的、取值在[0，1]之間的模糊隸屬函數值。

對于正向指標，其值越大越好，那么指標值的模糊隸屬度為