重慶市缺水風險評估系統及水資源優化配置可行性分析

謝東芝 曹馨勻 盧 彬 蔣 偉

（重慶交通大學 河海學院，重慶 400074）

為了展開對重慶市水資源短缺情況和當地水資源分配情況的研究，我們欲將對重慶市水資源現狀進行信息收集、分類、匯總及評估分析，擬定建立一個可以運用于分析重慶市復雜水資源境況、短缺程度的評估系統，能夠對重慶部分地區的水資源短缺的嚴峻形勢進行理論分析，以確定各地缺水風險等級，并且預測未來三年重慶市的缺水風險指數，給出更合適的資源優化配置方案。因此，我們首先需要對擬定的研究方案進行可行性分析，為相關研究的進行打下基礎。

1 研究背景分析

長期以來，重慶許多民眾并不認為重慶市有缺水現象的存在。其實不然，通過各項數據綜合觀察會發現，重慶確實是一個中度缺水城市：根據最近10年來的資料顯示，農田灌溉水有效利用系數僅為0.45-0.55，低于全國平均水平，與世界先進水平0.7-0.8差距更大；萬元工業增加值用水量甚至是發達國家的3-4倍。重慶市水資源的供需矛盾已成為制約經濟可持續發展的主要瓶頸。

2 水資源短缺風險評估系統建立的可行性分析

風險分析是對不確定影響因素較多的事物可能造成的經濟損失和資源浪費，進行一個人為的判斷和預估。不論是在經濟學，還是在社會科學領域中，風險分析都發揮著較強的作用，并得到人們的廣泛應用。風險分析于20世紀50年代末期引入水文領域，相關研究歷經了三個階段，從單一的工程效益分析發展到對社會、生態產生影響的分析，是研究水資源管理和規劃問題中的一個重要方面。

隨著水資源供需矛盾問題的日益突出，水資源短缺風險研究成為水文風險研究的一個重要領域。許多學者通過選定不同區域和不同風險評估指標，直接或間接地對范圍內水資源短缺風險進行評價。由于無法用同一個評估系統或模型準確地描述大范圍內的普遍缺水情況，這一領域目前的研究還不夠完善，因此我們決定對重慶市范圍內部分地區水資源情況進行研究、建立風險評估系統的想法是可行的。

總而言之，對于以往的水文風險研究來說，更多的是對個別風險指標進行描述，而水資源系統風險的綜合評價較少見，但隨著時間的推移，單一指標的局限性便顯現出來了，綜合評價也凸顯了其優越性。

風險分析主要分為風險識別、風險估計和風險評價三個步驟。風險識別意在判斷出風險之所在和引起風險的主要因素，也就是對水資源系統所面臨的以及潛在的風險因素作出定性估計，加以判斷、歸類，并鑒定風險性質。風險估計是指對已判別出的各種風險因素估計其發生的可能性大小及其可能的后果。風險評價是根據風險識別和估計的結果，用某種指標表示風險的大小，并將其與規定的允許風險標準相比較，以衡量風險的嚴重程度。

3 水資源短缺配置優化及趨勢預測可行性分析

建立缺水評估體系實質上是為了地區未來能夠更好地對水資源的使用進行規劃，從而實現資源節約，因此，對未來城市缺水情況的預測是有必要的。我們可利用曲線擬合得到風險主導因子的未來變化趨勢，并重復風險分析的步驟確定未來幾年的風險等級情況，針對不同的情況對水資源配置進行優化調整，總結防范水資源短缺風險的對策和建議。

3.1 優化配置的數學建模基礎

水資源配置優化的問題，從數學建模方面，大致可以歸屬于最優化問題數學模型。

數學建模是一種數學思維方法，就是根據實際問題來建立數學模型并對它進行求解，然后根據結果去解決實際問題。它是運用數學的語言和方法，通過抽象、簡化建立能近似刻畫并“解決”實際問題的一種強有力的數學手段。數學建模中有十大算法，在此不一贅述。

對重慶市缺水風險進行綜合評估，通過查閱大量相關資料，了解導致重慶市水資源短缺的因素，并通過對事故樹法、灰色關聯模型、熵值法、模糊綜合評價方法和MATLAB模擬仿真的運用，為重慶市水資源短缺風險劃分等級，并預測未來三年的風險等級，給予合理的水資源規劃建議。技術路線如下：

1）首先，使用事故樹法和數據統計分析，找出導致重慶市水資源短缺的因素，即風險因子。2）其次，通過已有數據構建灰色關聯模型，通過量化分析找出導致重慶市缺水的主要因素，即風險主導因子。關聯度越大，該因子對水資源的影響程度越大。3）然后，建立數學模型，劃分風險等級，運用模糊統計的方法求解各風險主導因子的隸屬度，根據熵值法確定各風險主導因子在綜合評價中的權重，并對重慶市水資源短缺風險進行綜合評價，進行缺水程度的等級劃分，再進行模糊綜合評價確定重慶市當前水資源短缺風險等級。4）最后，運用MATLAB數據擬合，預測未來三年重慶市水資源短缺風險等級的變化情況，并給出合理的水資源配置規劃建議，以緩解重慶市水資源短缺的問題，實現經濟和生態資源的可持續發展。

3.2 水資源配置優化及趨勢預測的可行性分析

關于水資源的優化配置和趨勢預測，主要解決以下幾個方面的問題：1）造成重慶市水資源短缺風險的風險因子是什么？即如何判斷風險因子？2）如何對重慶市水資源短缺風險進行綜合評價，依據什么條件做出風險等級劃分？3）如何利用建模和計算機軟件等方法實現編程，對水資源的配置進行合理優化，提高有效利用率？4）如何預測未來三年的缺水風險等級變化并給出相應的應對措施和參考建議。

針對第一、二個問題，我們可以判定水資源的風險因子為農業用水、工業用水、第三產業用水、降水量、人口、平均氣溫、污水總量等。通過對重慶市近三十年來的各個因素數據的分析，構建灰色分析模型，用Matlab軟件編程得到各個風險因子彼此間的灰色關聯度，最后通過彼此之間關聯度的大小，從而得到影響重慶市水資源短缺的主要風險因子有哪些，排除非主要風險因子，從而減少一定的工作量。

針對第三、四個問題，可以在確定風險因子的基礎上，采用脆弱性、風險度、風險率、可恢復性、周期性作為區域水資源短缺風險評價指標，建立模糊綜合評價指標體系。通過建立的隸屬函數得到模糊關系矩陣和風險評價各因素的權重得到綜合評價矢量，并建立多元線性回歸模型，劃分低、中、高風險等級，得出重慶市水資源短缺處于什么樣的風險狀態。利用計算機編程，分析計算在一定變量條件下的最佳優化方案。基于這個優化后的方案，預測未來的變化趨勢，進一步給出一些能夠降低重慶市水資源短缺風險因子的應對措施和建議。

由此可見，不論是從數學建模的理論基礎出發還是投入到實際工程的應用中，水資源的風險評估優化配置都是切實可行的。