基于模糊集對分析的河湖水系連通風險評估

沈 婕，梁忠民，王 軍

(河海大學水文水資源學院，江蘇 南京 210098)

0 引 言

河湖水系是水資源的載體，是生態環境的重要組成部分，也是經濟社會發展的基礎[1]。近年來，隨著經濟的快速發展，人類對水資源的過度開發利用與河湖水系的干擾，導致一些地區出現水資源承載能力和調配能力不足，部分江河和地區洪澇水宣泄不暢，河湖濕地萎縮嚴重，水環境惡化等問題。因此，人們逐漸認識到河湖水系連通的重要性。

目前，已有不少學者在河湖水系連通評價方面做過研究。如黃草等[2]運用景觀生態學的基本原理構建水系格局與連通性評價指標體系，定量分析了河湖水系的連通現狀與河湖連通的合理性。Wang等[3]在分析河流系統結構特征的基礎上，利用圖論方法，在平面尺度上研究了不同河流及相關湖泊之間的連通性。Deng等[4]基于相鄰臺站的水位波動差異，提出了一種新的定量縱向功能連通性指數(LFCI)。孟祥永等[5]從水系連通的驅動因素和水力效果出發，構建了城市水系連通性評價體系。楊霄等[6]運用MIKE BASIN模型對不同的水系連通工程供水方案進行評價。

我國正在全面推進“四水”(水資源、水生態、水環境、水災害)統籌治理。河湖水系連通一方面可以提高水資源調控水平和供水保障能力，同時它也有可能帶來一系列風險。因此，本文提出基于“四水”風險的河湖水系連通風險評價體系，并采用趙克勤[7]提出的集對分析方法構建河湖水系連通風險評估模型，并以太湖引江濟太工程為例進行應用研究，探討方法的適用性。

1 研究方法

1.1 評價指標體系

進行河湖水系連通的目的是為了提高水資源統籌調配能力、改善水生態環境狀況、增強自然災害抗御能力，最終實現人水和諧。為此，遵循整體性、簡明性和可操作性、定量與定性相結合的原則，借鑒相關研究成果，將水資源風險、水環境風險、水生態風險和水資源風險及其影響因子作為要素，組成了河湖水系連通風險評價系統。

我國水系連通工程具有類型較多(水資源配置主導型、防洪減災主導型、水環境水生態恢復主導型)、區域特點多樣(我國中部、西部和東部差異大)、層面不同(有國家層面、區域層面、城市層面)等特點，致使不同水系連通工程的“四水風險”表現形式差異很大，目前還無一套統一成熟的“四水風險”指標體系可供借鑒。為此，本文提出“四層結構”風險評價指標體系，即在傳統的 “三層結構”(目標層、要素層和指標層)的基礎上，增加了風險屬性層。風險屬性層對于任何水系連通工程都是相同的，但從屬于該風險屬性的指標未必相同，可根據水系連通工程具體情況進行動態調整。本文構建的河湖水系連通風險評價指標體系見表1。

表1 河湖水系連通風險評價指標體系

1.2 風險評估模型

目前，風險評估的方法主要有層次分析法、綜合評分法、人工神經網絡評價法、集對分析法等，其中，集對分析是一種用聯系數處理不確定性的方法，在處理不確定性關系上具有一定優勢，可應用于河湖水系連通的風險評估中。

將評價對象的指標值xl(L=1,2,…,m，m為評價指標數)與該指標的評價等級k作為兩個集合構成一個集對μ(Al，Bk)，通過聯系度μ來描述各種不確定性，其表達式為

μ=a+bi+cj

(1)

式中，a為同一度；b為差異度；c為對立度，且a，b，c∈[0，1]，a+b+c=1；i為差異度的系數，i∈[-1，1]；j為對立度系數，取恒定值-1。

之后，將三元聯系度中的bi進一步劃分為b1i1+b2i2+…+bk-2ik-2，便可以得到基于集對分析的k元聯系度。本文采用的河湖水系連通風險評價等級共有5級，因此本文使用的五元聯系度表達式為

μ=a+b1i1+b2i2+b3i3+cj

(2)

式中，a，b1，b2，b3，c∈[0，1]，且a+b1+b2+b3+c=1；b1，b2，b3為差異度分量；i1、i2、i3為差異度分量系數。

由于等級標準是人為確定的，并沒有明確的界限，因而具有模糊性。在確定聯系度μ時，有必要考慮評價標準的模糊性，基于模糊分析理論，構建了模糊聯系度。

對于越小越優型的指標，其聯系度μA～B表達式則為

(3)

對于越大越優型指標，其聯系度μA～B表達式為

(4)

式中，S1、S2、S3、S4分別為I至V類評價等級的臨界值。

在此基礎上，計算評價樣本與評價等級k之間五元綜合聯系度μA～B的表達式為

(5)

式中，wl為第l個指標的權重。

采用置信度準則來評價河湖水系連通系統的風險等級。計算公式為

hl=(f1+f2+…+fl)>λ

(6)

2 實例應用

2.1 研究區概況

太湖流域是我國經濟發展最為突出的核心經濟區之一；然而，隨著太湖流域經濟的快速發展、城市化和工業化進程的不斷推進，湖泊水污染和富營養化問題日趨嚴重，流域水質型缺水問題日益突出。水系連通是解決太湖流域水環境污染的有效途徑。2002年水利太湖流域管理局啟動了“引江濟太”調水工程(見圖1)，通過望虞河將水質較好的長江水引入太湖及周邊河網，以促進河網有序流動，改善太湖及河網水環境。本文選取2018年作為研究年份，對太湖流域水系連通進行風險評估。

圖1 “引江濟太”工程示意

2.2 太湖流域水系連通風險評價指標體系與評價標準

根據“引江濟太” 調水的實際情況，選取符合太湖流域的風險因子作為評價指標(見表2)。

表2 太湖流域水系連通風險評價指標體系

單項指標的分級采用定量與定性相結合的方法確定，分級標準優先采用國家、地區、行業標準或相關文獻研究成果。將河湖水系連通風險等級劃分為五個等級，分別為Ⅰ級(輕微風險)、Ⅱ級(較小風險)、Ⅲ級(中等風險)、Ⅳ級(較大風險)和Ⅴ級(重大風險)。具體指標分級標準見表3。

表3 單項指標分級標準

2.3 太湖流域水系連通風險評估

本文研究數據主要來源于《太湖健康狀況報告》(2018)、《太湖流域及東南諸河水資源公報》(2018)、《太湖流域引江濟太年報》(2018)、《太湖流域片防汛防臺年報》(2018)。指標權重與定性指標均由引江濟太相關專家進行打分確定。

用層次分析法(AHP法)計算要素層及其各指標的權重，權重結果見表4。

表4 層次分析法賦權結果

采用Copula方法計算長江流域大通站的徑流量與太湖流域的降水量的豐枯遭遇。選取1956～1985年共30年徑流量與降水量系列，通過Copula函數構造兩站的徑流量與降水量的聯合分布，定量分析兩站的豐枯遭遇。

根據評價指標、評價標準及模糊集對評價法，對太湖流域水系連通的風險等級進行評價，評價結果見表5、6。根據各要素層的權重，將其聯系度進行加權平均，得到太湖流域水系的連通評估結果(見表6)。

表5 單指標聯系度

表6 各要素層的聯系度、hk值及綜合風險

這里取λ=0.6(中等保守)，根據置信度準則得太湖流域水系連通2018年風險等級成果。

(1)水資源風險中：D1、D2為Ⅰ級(輕微風險)，D3為Ⅱ級(較小風險)。在指標不同權重的作用下，太湖流域水系連通水資源風險等級為Ⅰ級(輕微風險)。

(2)水環境風險中：D4、D5為Ⅱ級(較小風險)，D6為Ⅲ級(中等風險)。太湖流域水系連通水環境風險等級為Ⅱ級(較小風險)。

(3)水生態風險中：D7、D8為Ⅲ級(中等風險)，D9為Ⅴ級(重大風險)。太湖流域水系連通水生態風險等級為Ⅲ級(中等風險)。

(4)水災害風險中：D10、D12為Ⅱ級(較小風險)，D11為Ⅲ級(中等風險)。太湖流域水系連通水生態風險等級為Ⅱ級(較小風險)。

(5)太湖流域水系連通2018年風險等級為Ⅱ級(較小風險)。

3 結 論

(1)綜合分析河湖水系連通風險影響因素，從“四水”方面建立河湖水系連通風險評價指標體系，提出了一種模糊集對河湖水系連通評估方法。該方法對資料需求適中、簡單易行。

(2)本文以太湖流域引江濟太水系連通為例進行應用研究，結果表明太湖流域水系連通2018年風險等級為較小風險，與工程運行的實際情況相符。

(3)河湖水系連通風險評估的難點主要在于指標體系構建及指標的量化，既要考慮到指標的完整充分性，也要兼顧指標的可獲性，因此本文僅是一個探索性的研究。