基于組合權(quán)重云模型的調(diào)水工程洪水資源利用風(fēng)險評價

李宛諭 黃顯峰 閻瑋 方國華 劉展志

摘要：洪水資源利用在產(chǎn)生效益的同時，也會帶來風(fēng)險，有必要加強洪水利用風(fēng)險評價研究，最大限度降低洪水資源利用的負面影響。對調(diào)水工程洪水資源利用風(fēng)險因素進行識別，構(gòu)建風(fēng)險評價指標(biāo)體系，從蓄水工程、輸水工程、提水工程三個方面展開評價。采用層次分析法計算主觀權(quán)重，熵權(quán)法和投影尋蹤法計算客觀權(quán)重，引入云模型計算風(fēng)險指標(biāo)的隸屬度，最后得到洪水資源利用的風(fēng)險等級。以南水北調(diào)東線工程江蘇段為實例，對豐、平、枯三種典型年的洪水資源利用風(fēng)險進行了評價，驗證了評價方法的有效性與適用性。

關(guān)鍵詞：洪水資源利用；風(fēng)險評價；云模型；熵權(quán)；投影尋蹤；調(diào)水工程

中圖分類號：TV213 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：

16721683（2018）05005709

Risk assessment of flood resources utilization in water transfer project based on combined weight and cloud model

LI Wanyu1，HUANG Xianfeng1，YAN Wei2，F(xiàn)ANG Guohua1，LIU Zhanzhi1

（

1.College of Water Conservancy and Hydropower Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China；2.Jiangsu Water Source of the East Route of SouthtoNorth Water Diversion Project Ltd.，Co.，Nanjing 210029，China

）

Abstract：

The utilization of flood resources will produce benefits，but it will also bring risks.Therefore，it is necessary to study the risk assessment of flood utilization so as to minimize the negative effects of flood resources utilization.We identified the risk factors of flood resources utilization in a water diversion project，and constructed an index system for risk assessment based on three aspects： water storage projects，water conveyance projects，and water pumping projects.The subjective weight was calculated by the analytic hierarchy process，and the objective weight was calculated by the entropy weight method and the projection pursuit method.The cloud model was adopted to calculate the membership degree of the risk index.Then，the risk grade of flood resources utilization can be obtained.The above method was applied to the Jiangsu Province segment of the East Route of the SouthtoNorth Water Transfer Project.The risks of flood resources utilization in wet，normal，and dry years were evaluated，and the validity and applicability of the evaluation method were verified.

Key words：

utilization of flood resources；risk assessment；cloud model；entropy weight；projection pursuit；water transfer project

近年來，社會經(jīng)濟快速發(fā)展，水資源供需矛盾加劇。跨流域調(diào)水工程能在一定程度上緩解水資源短缺問題，但調(diào)水一般是在非汛期進行，如果充分利用汛期的洪水資源， 就能增加我國水資源可利用量，進一步解決問題。以南水北調(diào)東線工程為例，加強對洪水資源的利用和管理，可以提高東線水資源的利用率，為調(diào)水沿線帶來巨大的經(jīng)濟效益。但洪水資源具有雙重屬性，帶來效益的同時也存在風(fēng)險，為了安全利用洪水資源，有必要對洪水資源利用進行風(fēng)險分析。

國外學(xué)者在洪水資源利用方面的研究較少，側(cè)重于對洪水風(fēng)險、洪水災(zāi)害及損失的研究，Hall等[1]將MC方法應(yīng)用到洪水風(fēng)險評估中，取得了較好的效果。Kyungrock[2]采用均值一次二階矩法和改進的一次二階矩法計算蓄滯洪區(qū)風(fēng)險。Brenner等[3]將正射影像集成到洪水風(fēng)險分析中，可以定期評估風(fēng)險損失。Su等[4]提出了基于彈性目標(biāo)的洪水風(fēng)險管理多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計框架，將其應(yīng)用到印度尼西亞流域中。我國學(xué)者對洪水資源利用的研究始于20世紀70年代，傅湘等[5]采用系統(tǒng)分析法，對大型水庫在不同汛限水位下的風(fēng)險進行了分析。高波等[6]從洪水資源安全利用的角度出發(fā)，提出了風(fēng)險設(shè)計分析論證的框架和定量分析方法。胡慶芳等[7]提出了能夠保證防洪安全的流域洪水資源利用評價方法。王忠靜等[8]采用不同頻率設(shè)計洪水，對洪水資源利用的適度性進行了分析。王宗志等[9]對流域洪水資源的潛力、風(fēng)險和效益進行了評價。

目前，洪水資源利用風(fēng)險評價的研究主要集中在水庫洪水資源利用[10]、流域洪水資源利用[11]以及區(qū)域洪水資源利用[12]，還沒有關(guān)于調(diào)水工程洪水資源利用的評價體系。調(diào)水工程的洪水資源利用是一個復(fù)雜的過程，有眾多的風(fēng)險因素相互制約、相互作用。洪水資源利用風(fēng)險，既包括洪水資源利用風(fēng)險發(fā)生概率的大小（風(fēng)險率），又包括工程失事的損失或嚴重性（風(fēng)險度）。調(diào)水工程的水利工程結(jié)構(gòu)、運行特征、在洪水資源開發(fā)利用中的作用、風(fēng)險值高低及其對社會經(jīng)濟發(fā)展的影響力存在差異，不能采取簡單的加權(quán)求和形式來評價其洪水資源利用風(fēng)險。

本文根據(jù)調(diào)水工程洪水資源利用方式及其風(fēng)險產(chǎn)生的特征，構(gòu)建了風(fēng)險評價指標(biāo)體系。基于層次分析法計算主觀權(quán)重，熵權(quán)法和投影尋蹤法計算客觀權(quán)重，主客觀結(jié)合得到組合權(quán)重。洪水資源利用風(fēng)險沒有分明的界限，屬于模糊概念[13]，所以采用云模型計算隸屬度。以南水北調(diào)東線工程江蘇段為例，對其在豐、平、枯三種典型年的洪水資源利用風(fēng)險進行評價，驗證評價方法的適用性。

1 風(fēng)險指標(biāo)體系與風(fēng)險計算

1.1 指標(biāo)體系

風(fēng)險具有不確定性，也具有模糊性。通過對眾多繁雜的風(fēng)險指標(biāo)進行分層、歸類和篩選，識別出主要的風(fēng)險因素，從而構(gòu)建合理的風(fēng)險指標(biāo)體系。本文根據(jù)調(diào)水工程的特點，參考文獻[14]構(gòu)建調(diào)水工程洪水資源利用風(fēng)險評價指標(biāo)體系。評價體系分為三層，目標(biāo)層是調(diào)水工程洪水資源利用風(fēng)險，準則層包括蓄水工程風(fēng)險、輸水工程風(fēng)險、提水工程風(fēng)險三類風(fēng)險，指標(biāo)層由每類風(fēng)險所包含的具體指標(biāo)構(gòu)成。對于蓄水工程，風(fēng)險指標(biāo)主要包括系統(tǒng)內(nèi)的湖泊和水庫；對于輸水工程，風(fēng)險指標(biāo)主要是河道和渠道；對于提水工程，風(fēng)險指標(biāo)主要有泵站和水閘。

1.2 評價標(biāo)準

1.2.1 風(fēng)險率評價標(biāo)準

在我國大壩安全評價的基礎(chǔ)上[15]，結(jié)合工程實際運行條件，得到調(diào)水工程洪水資源利用風(fēng)險率的評價標(biāo)準，具體內(nèi)容見表1。

1.2.2 風(fēng)險度評價標(biāo)準

參考水利工程建設(shè)重大質(zhì)量與安全事故等級劃分[16]，得到調(diào)水工程洪水資源利用風(fēng)險度評價標(biāo)準，具體內(nèi)容見表2。

1.2.3 風(fēng)險評價標(biāo)準

調(diào)水工程洪水資源利用風(fēng)險評價等級由風(fēng)險率和風(fēng)險度共同確定，分為5級，具體內(nèi)容見表3。

1.3 風(fēng)險計算方法

根據(jù)風(fēng)險的定義，把風(fēng)險率和風(fēng)險度的乘積作為洪水資源利用風(fēng)險。在調(diào)水工程洪水資源利用過程中，蓄水工程、輸水工程和提水工程承擔(dān)了主要的工程風(fēng)險，風(fēng)險率和風(fēng)險度的具體方法如下。

1.3.1 風(fēng)險率計算方法

風(fēng)險率采用式（1）、式（2）、式（3）計算，再將計算結(jié)果按表1中的標(biāo)準換算成風(fēng)險率評價值。

（1） 蓄水工程風(fēng)險率。

蓄水工程的蓄水量增加后，工程的調(diào)洪能力降低，加大了汛期水位超過工程允許最高水位的風(fēng)險。對于某一洪水過程Q（t），按一定的調(diào)洪規(guī)則進行調(diào)度，工程可能達到的最高水位為Hm（t），所形成的防洪風(fēng)險狀態(tài)是Hm（t）超過了允許最高水位Ha，蓄水工程的風(fēng)險率R1可表示為

R1=P{Hm（t）≥Ha} （1）

（2） 輸水工程風(fēng)險率。

輸水工程的蓄洪能力是影響調(diào)水工程洪水資源利用的重要因素，輸水工程為調(diào)水工程洪水資源利用提供了必要條件，當(dāng)輸水流量Qc超過了工程允許的最大流量Qcm時，就產(chǎn)生了風(fēng)險，輸水工程的風(fēng)險率R2可表示為

R2=P{Qc（t）≥Qcm} （2）

（3） 提水工程風(fēng)險率。

提水工程應(yīng)在設(shè)計工況內(nèi)正常運行，增加的洪水資源量使工程運行水位升高，需校核其調(diào)水時的水位是否滿足正常運行要求。當(dāng)抽水水位Hp超過工程設(shè)計水位Hpm時，會帶來風(fēng)險，提水工程的風(fēng)險率R3可表示為

R3=P{Hp（t）≥Hpm} （3）

1.3.2 風(fēng)險度計算方法

風(fēng)險度評價是一個復(fù)雜的過程，用風(fēng)險損失來度量各指標(biāo)風(fēng)險造成失事后果的嚴重性。對蓄水工程和輸水工程，主要考慮洪水漫溢帶來的淹沒損失；對提水工程，主要考慮不能正常提水帶來的供水延誤導(dǎo)致供水保證率受到影響而造成的經(jīng)濟損失。風(fēng)險度評價值的確定應(yīng)依據(jù)表2的標(biāo)準，結(jié)合具體的工程參數(shù)、保護范圍、調(diào)水量等因素綜合考慮。

2 組合權(quán)重的計算

采用主客觀結(jié)合的方式計算風(fēng)險指標(biāo)權(quán)重。由專家評判得出主觀權(quán)重，再結(jié)合指標(biāo)值的固有屬性，可以得到客觀權(quán)重。本文采用層次分析法計算主觀權(quán)重，熵權(quán)法和投影尋蹤法計算客觀權(quán)重，用遺傳算法求解主客觀組合權(quán)重。

2.1 層次分析法

層次分析法是一種主觀賦權(quán)的方法，計算步驟如下[17]。

（1）構(gòu)造判斷矩陣。對各層進行判斷，整理得到風(fēng)險因素的判斷矩陣[WTHX]A[WTBX]=（aij）m×n，求解[WTHX]A[WTBX]的特征值和特征向量。

（2）一致性檢驗。用一致性指標(biāo)CI檢驗判斷矩陣[WTHX]A[WTBX]是否滿足一致性要求，CI越大，表明不一致性越嚴重。

（3）計算指標(biāo)權(quán)重。若遞階結(jié)構(gòu)通過一致性檢驗，則可求出指標(biāo)層各因素的最終權(quán)重d

2.2 熵權(quán)法

熵權(quán)法用信息無序化的程度來度量信息的多少，指標(biāo)攜帶的信息越多，表示該指標(biāo)對決策起的作用越大。熵值越小，系統(tǒng)的無序性越小。熵權(quán)法的判斷矩陣由評價指標(biāo)值構(gòu)成，是一種客觀賦權(quán)的方法[18]，計算步驟如下。

（1）若評價對象有m個，評價指標(biāo)有n個，采用極差法對指標(biāo)值進行歸一化處理，得到初始判斷矩陣[WTHX]R[WTBX]=（rij）m×n。

（2）計算各指標(biāo)的熵值。

（3）計算各指標(biāo)權(quán)重。

2.3 投影尋蹤法

基本思路是：將高維數(shù)據(jù)投影到低維子空間里，用投影指標(biāo)函數(shù)反映某種特征結(jié)構(gòu)的可能性。投影方向向量反映了各個指標(biāo)對投影值的貢獻大小，把歸一化后的投影向量作為評價指標(biāo)的權(quán)重[19]。投影尋蹤法直接通過決策矩陣求得權(quán)重，是客觀賦權(quán)的方法，計算步驟如下。

（1）根據(jù)各指標(biāo)原始數(shù)據(jù)，歸一化處理后得到初始矩陣[WTHX]R[WTBX]=（xij）m×n（m為評價對象個數(shù)，n為評價指標(biāo)個數(shù)）。

（2）構(gòu)造投影指標(biāo)函數(shù)，把初始指標(biāo)投影到方向向量上，得到指標(biāo)的投影值Zi如下：

最后，用RAGA求解，權(quán)重值取重復(fù)50次的各代最優(yōu)個體的平均值。

2.4 組合賦權(quán)法

組合賦權(quán)法將主觀權(quán)重與客觀權(quán)重進行結(jié)合，是一種科學(xué)合理的方法[20]。組合權(quán)重通過遺傳算法求解，遺傳算法適應(yīng)度函數(shù)的表達式為：

式中：Y（i，j）為第i種方法的第j個指標(biāo)的權(quán)重；W（j）為隨機生成的第j個指標(biāo)的權(quán)重；m為評價方法數(shù)；n為評價指標(biāo)數(shù)。

3 云模型風(fēng)險評價

3.1 云模型及其數(shù)字特征

云模型是由李德毅院士提出的處理定性概念與定量描述的不確定性數(shù)學(xué)模型[21]。若U是用精確 數(shù)字表示的一個論域，R′是其對應(yīng)的定性概念，那么對U中的任何元素x均有穩(wěn)定的隨機數(shù)y=UR′（x），這個隨機數(shù)就是元素x對概念R′的確定度[22]。

云的數(shù)字特征可以反映定性概念的定量特征，用期望Ex、熵En和超熵He來表示。Ex是定性論域的中心值，En度量了定性概念的模糊性和隨機性，He對熵的不確定性進行度量[23]。正態(tài)云及數(shù)字特征見圖1。

3.2 云發(fā)生器

云發(fā)生器是構(gòu)成云模型的基本算法，主要有正向云發(fā)生器、逆向云發(fā)生器和條件云發(fā)生器[24]，能夠?qū)崿F(xiàn)定量數(shù)值和定性語言的不確定性轉(zhuǎn)換。

3.3 指標(biāo)隸屬度計算

本文通過X條件云發(fā)生器來計算風(fēng)險指標(biāo)的隸屬度，計算步驟如下[26]。

（1）確定評價指標(biāo)等級標(biāo)準。

（2）計算不同等級的特征值，求解各指標(biāo)對不同等級的隸屬度。

通過X條件云發(fā)生器，輸入指標(biāo)值，對每個樣本重復(fù)1 000次，求得的平均值作為每個等級的隸屬度，輸出的云模型隸屬度矩陣是[WTHX]D[WTBX]=（μ*ij）m×n，計算公式如下：

組合權(quán)重[WTHX]W對D[WTBX]進行模糊轉(zhuǎn)換，就能得到評價集上的模糊子集[WTHX]C[WTBX][27]，本文采用最大隸屬度準則進行等級評判。

3.4 洪水資源利用風(fēng)險評價的步驟

本文對調(diào)水工程洪水資源利用風(fēng)險評價的步驟分為6步，評價流程見圖2。

4 實例研究

4.1 工程概況

南水北調(diào)東線一期工程于2002年12月開工建設(shè)，2013年建成通水，供水范圍是蘇北、皖東北、魯南、膠東和魯北地區(qū)。目前南水北調(diào)東線沿線地區(qū)尚有供水無法覆蓋的區(qū)域，實施洪水資源利用可以從一定程度上緩解供水不足問題，洪水資源的開發(fā)利用有其必要性。在東線二期工程實施前，采取聯(lián)合調(diào)度管理措施，把江蘇段的洪水資源輸送至京津冀地區(qū)，實現(xiàn)水資源的合理利用和調(diào)配，最大限度地發(fā)揮一期工程的效益。本文以南水北調(diào)工程江蘇段為例，對其洪水資源利用風(fēng)險進行評價，為南水北調(diào)工程江蘇段洪水資源安全利用提供理論依據(jù)。根據(jù)南水北調(diào)江蘇段的各級湖泊、輸水路線和沿線的泵站情況，對其進行概化，工程概化圖見圖3。

4.2 指標(biāo)體系構(gòu)建

由圖3可知，江蘇段工程洪水資源利用的起點是洪澤湖，再根據(jù)調(diào)水路線的湖泊、河道和閘站情況 ，識別出風(fēng)險指標(biāo)。蓄水工程風(fēng)險由洪澤湖、駱馬湖和南四湖下級湖的風(fēng)險組成；輸水工程風(fēng)險由中運河、徐洪河、不牢河、韓莊運河的風(fēng)險組成；提水工程風(fēng)險由泗陽站、泗洪站、劉老澗站、睢寧站、皂河站、邳州站、劉山泵站的風(fēng)險組成，評價指標(biāo)體系見圖4。

4.3 風(fēng)險計算

一般而言，洪水汛期發(fā)生在每年的6月到9月，考慮到江蘇省實際用水需求與湖泊的水資源調(diào)度等情況，將東線洪水資源利用調(diào)水時段調(diào)整為7月中旬到9月。在不同的來水條件下，洪水資源利用的風(fēng)險存在差異，本文分別對豐水年、平水年和枯水年的洪水資源利用風(fēng)險進行評價。

調(diào)水工程具有一定的空間跨度，需要正確劃分風(fēng)險評價的典型年，選擇的典型年要能夠反映出流域水資源的豐、平、枯變化情況，具有代表性。典型年選擇的方法：根據(jù)流域水資源公報等資料，確定初步的洪水資源利用典型年（豐水年、平水年、枯水年的頻率為25%、50%、75%）；考慮把湖泊汛期棄水作為洪水資源可利用量，還需結(jié)合湖泊的出湖流量對典型年劃分作出適當(dāng)調(diào)整。本文把洪澤湖的汛期棄水作為東線洪水資源供給，初定以洪澤湖流域為準劃分典型年。通過對洪澤湖流域2003年至2017年的水文資料進行分析計算，所選取的豐水年代表是2003年，平水年代表是2010年，枯水年代表是2014年。

對豐、平、枯三種典型年的洪水資源利用汛期時段（七月中旬到九月）進行來水頻率分析，驗證合理性。豐水年汛期來水頻率曲線見圖5，洪澤湖、駱馬湖、南四湖下級湖的平均入湖流量分別是4 707 m3/s、974 m3/s、1 092 m3/s；平水年汛期來水頻率曲線見圖6，洪澤湖、駱馬湖、南四湖下級湖的平均入湖流量分別是2 922 m3/s、458 m3/s、367 m3/s；在枯水年，洪澤湖汛期平均入湖流量是1 218 m3/s，駱馬湖和南四湖下級湖幾乎沒有入湖流量。在同一時段內(nèi)，洪澤湖來水量比駱馬湖和南四湖下級湖大得多，棄水也最多，駱馬湖和南四湖下級湖來水情況接近，因此以洪澤湖流域為準劃分典型年有利于準確估計風(fēng)險。

根據(jù)南水北調(diào)東線工程實際運行調(diào)度情況，按照13節(jié)風(fēng)險計算的方法，在充分分析各風(fēng)險指標(biāo)的水文資料和工程參數(shù)基礎(chǔ)上，根據(jù)洪水資源可調(diào)水量可以計算出風(fēng)險率評價[HJ2.2mm]值，通過估計風(fēng)險損失、分析造成后果的嚴重性可得到風(fēng)險度評價值，將兩者乘積作為風(fēng)險評價值，各指標(biāo)在豐、平、枯不同典型年的風(fēng)險評價值見表5，豐水年來水組合危險性最大，蓄水、輸水、提水工程對應(yīng)的風(fēng)險值最大，應(yīng)以豐水年來水組合來控制洪水資源利用風(fēng)險，制定相應(yīng)風(fēng)險規(guī)避措施。

4.4 組合權(quán)重計算

請相關(guān)領(lǐng)域的專家對風(fēng)險指標(biāo)進行評分，從而構(gòu)造出層次分析法所需的判斷矩陣，計算得到主觀權(quán)重。把各指標(biāo)在2003年至2017年共15年的洪水資源利用風(fēng)險評價值作為熵權(quán)法和投影尋蹤法的初始判斷矩陣，計算得到基于熵權(quán)法和投影尋蹤法的客觀權(quán)重。采用遺傳算法求解組合權(quán)重，計算結(jié)果見表6。根據(jù)表中的權(quán)重值得到由不同方法計算的指標(biāo)權(quán)重變化曲線，見圖7可以看出，組合權(quán)重介于三種方法算得的權(quán)重值之間，綜合考慮了主觀因素和客觀因素。

本文評價方法更客觀合理，主客組合權(quán)重考慮了人為因素和指標(biāo)值本身的客觀屬性，云模型對風(fēng)險做了模糊性處理，組合權(quán)重云模型理論對解決具有隨機性的模糊風(fēng)險評價問題有較好的適應(yīng)性。

不同典型年型條件下洪水資源利用的特點與可能存在的問題：豐水年，湖泊汛期棄水豐富，向京津冀地區(qū)的可調(diào)洪水資源多，供水保證率高，能帶來較大的洪水資源利用效益，但洪水資源利用風(fēng)險也高；平水年，可調(diào)洪水資源量適中，洪水資源利用風(fēng)險和效益中等；對于枯水年，汛期棄水少甚至沒有棄水，可調(diào)洪水資源少，導(dǎo)致供水得不到保證，洪水資源利用效益低，帶來的風(fēng)險也低。應(yīng)根據(jù)不同典型年的洪水資源利用風(fēng)險，結(jié)合工程實際，加強風(fēng)險監(jiān)控，必要時采取相對應(yīng)的風(fēng)險管理措施，同時制定風(fēng)險應(yīng)急預(yù)案，保證洪水資源利用風(fēng)險在可控范圍內(nèi)。

5 結(jié)論

洪水資源的利用能在一定程度上緩解我國的水資源短缺問題，合理利用洪水資源要把風(fēng)險控制在一定范圍內(nèi)，必要時可采取風(fēng)險規(guī)避措施。本文從工程角度出發(fā)，構(gòu)建了調(diào)水工程洪水資源利用風(fēng)險指標(biāo)體系，引入了組合權(quán)重云模型理論。通過層次分析法、熵權(quán)法和投影尋蹤法計算得到主客觀組合權(quán)重，基于云模型計算隸屬度，考慮了模糊性和隨機性，對調(diào)水工程洪水資源利用風(fēng)險進行客觀評價。對南水北調(diào)江蘇段的計算分析可以發(fā)現(xiàn)，其洪水資源利用的工程風(fēng)險較小，同時南水北調(diào)東線洪水資源利用會給京津冀地區(qū)帶來巨大的經(jīng)濟和社會效益。調(diào)水工程的洪水資源利用風(fēng)險評價對洪水資源安全利用具有實際意義，組合權(quán)重與云模型相結(jié)合的風(fēng)險評價方法為調(diào)水工程洪水資源安全利用提供了重要的理論支撐。

調(diào)水工程系統(tǒng)復(fù)雜，影響洪水資源利用風(fēng)險因素眾多，本文只考慮了工程風(fēng)險，對水質(zhì)風(fēng)險、管理調(diào)度風(fēng)險還可做進一步研究。

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