疏勒河流域的水資源安全評價預警研究

武蘭珍，趙婷婷，趙 霞，王興繁，孫棟元

(甘肅農業大學水利水電工程學院，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

水資源是人類賴以生存和發展的重要物質因素之一。隨著人類社會高質量的發展，對水資源需求量逐漸加大，導致水資源的供需矛盾日益尖銳，對生態環境的影響日益增大，總體現狀不容小噓[1]。作為中國典型的干旱內陸河流域，疏勒河流域是一個嚴重的干旱缺水地區。其水安全問題日益成為社會和人類的關鍵焦點問題之一。

水安全預警是將預警理論和方法運用到管理過程中，與區域水資源的實際情況相結合，對偏離理想狀態的水資源的質和量進行適當的預警，并作出相應的指導措施。水資源安全預警包括水資源安全狀況評估，水資源安全趨勢預報，水資源安全管理3個部分。水資源安全的現狀評估，主要是對當前以及近幾年來的水資源安全狀況展開分析，要從兩個角度來進行評估：一是程度評估(現狀評估)，二是強度評估(發展速度評估)；水資源安全狀況變化趨勢預測，是在未來一定時間內，將系統內影響水資源變化的要素進行適當的分析，從而對水資源安全狀況進行相應的預測，其系統內指標預測性進行了評價，對水資源的安全進行判定。

水資源安全預警的主要目的是對水資源安全進行調控，在預警級別預測的基礎上，采取相應措施清除相應的預警，保證水資源的安全。

水安全預警系統的一個重要方面是確定水資源偏離理想狀態的程度。在系統中，預警級別和水平、邊界和燈光是相互對應的。預警級別表示預警的程度；預警等級是預警的程度，對應的預警等級分別為無警、輕警、中警、重警、極重警；預警邊界是描述不同等級不同預警的指標邊界；依據其確定預警燈，當指標由重到輕超過相應的預警值時，分別為“紅燈”“橙燈”“橘燈”和“紅燈”；當超過指標相應的閾值時，則分別顯示“紅燈”“橙燈”“黃燈”和“綠燈”“藍燈”的信號燈。

1 基于突變理論方面的安全預警

1.1 突變理論

法國數學家Rene Thom于20世紀70年代新建了一門新型的交叉數學學科，主要內容包括不連續的變化和突變[2]。在一個方程組中，一個方程組是一個具有惟一不變性的方程組，該方程組是一個穩定的方程組。災變建模是以系統內部的潛功能為基礎，包括描述其特性的狀態和影響其災變的控制變量。在此基礎上，對系統進行了奇點集的變換，從而獲得了系統在控制空間中的軌道-離散集。對勢函數V(x)進行一次微分和二次微分，再消去x，從而獲得一次分散集公式。當這些參數的數值到達分歧集中時，其位能將發生突變，也就是從一種狀態躍遷到另外一種狀態。因此，可以通過對分支集合的研究來實現對該體系的控制。在一維的條件下，存在4種突變模式，見表1。

表1 一維狀態下變量的突變模型

1.2 基于突變理論的突變級數法

從各預警指標所表達的報警情況來判斷整個水利系統的報警情況，是一個多標準的決策系統。突變級數法是一種利用突變理論和模糊數學構建模糊隸屬度函數對系統中的評價指標進行多層次、多級分解，利用標準化公式對其進行定量分析，最終將其恢復到固定的比特參數，這就是總體隸屬度函數，進而實現對水資源安全性的評估。

1.2.1層次結構模型建立

根據系統的內在效應原則，將其根據系統中多種評價指標分成多層結構，一般結果為固定可測量的子指標后停止運行[3]。根據經驗確定具體的每個評價指標的重要性，解決在同一層次、同一屬性結構中，根據指標的重要程度，按順序由大指標分成小指標確定權重值的困難。在常見突變系統中，其控制變量一般不超過4個，每層控制變量分解的子指標也不超過4個[3-4]。如圖1所示，不同的控制變量對應不同的突變模型。

圖1 突變模型系統示意圖

1.2.2突變模型的歸一公式

分歧集方程的狀態變量和控制變量的正規化被限制在0和1的范圍內。即將差分集合方程正規化，得出各突變模型的正規化公式。見表2。在歸一化之后，將狀態變量和控制變量控制在0～1之間。這就是突變多標準評價方法的關鍵內容—突變模糊隸屬度函數[3，5]。與平常模糊隸屬度函數相類似，但在應用上有很大的區別。不是用戶主觀地賦予權重值，而是模型對每個控制變量狀態的影響；此外，控制變量和狀態變量之間的矛盾關系是基于突變模型的內在矛盾性。3個常用模型的控制變量的作用和優先級如下：

表2 突變模型歸一公式

尖點突變：a(剖分因子)，b(正則因子)

燕尾突變：a(剖分因子)，b(正則因子)，c(燕尾因子)

蝴蝶突變：a(剖分因子)，b(正則因子)，c(蝴蝶因子)，d(偏畸因子)[3，6]

1.3 綜合評價

為了消除不同指標之間因尺度不同而造成的指標不可比性，評價指標首先要做到無量綱。

對于越大越好型指標，令：

(1)

對于越小越好型指標，令：

(2)

式中，xij—原始數據；xmax(j)—j行數據最大值；xmin(j)—j行數據最小值；yij—無量綱化處理后的數據。

突變水平或突變模糊隸屬度函數應將狀態變量和控制變量控制在0～1之間。

突變水平或突變模糊隸屬度函數是狀態變量和控制變量在0～1之間變化的值。根據其內容及突變模型的正規化公式和互補或非互補原則，依次從下往上計算狀態變數的值是最終評價結果。所謂“補充”原則，是指系統中的控制變量(如a，b，c，d)可以彼此相互補充，采用正規化公式求狀態變量x時，應對控制變量xa，xb，xc，xd進行平均值的計算[3，7-9]。“非互補”原則，是指系統中的控制變量(如a，b，c，d)不能彼此之間相互補充，也就是說，系統控制變量xa，xb，xc，xd中，應取最小值作為系統x的值。這叫“大中取小”[3，10-11]。

2 案例分析

2.1 疏勒河流域水資源安全預警指標體系

水資源安全預警是指將預警理論與預警方法應用于水資源安全管理中，對水資源偏離預期值作出警度級別，其指標主要分為預警狀況、預警來源和預警前兆。其中警報狀況指標是指描述區域水資源安全警報研究對象的指標；依據概念描述和劃分警情產生的統計指標；警源指標的前兆指標是警報指標[3]。水資源安全預警指標根據社會、經濟和生態環境的狀態，將社會-經濟-生態環境-水資源等復合系統中的特點、信息、指標定為研究對象，以警源指標為依據，警兆指標為主體，構建本文的反映疏勒河流域水資源安全預警指標體系見表3。對表3中各指標警界及對應的警燈而言，正向指標大于最大臨界值時為無警，小于最小臨界值時為極重警，反之亦然。例如，指標年降水量C11這一正向指標，當降水量大于105mm時為無警，小于50mm時為極重警。

表3 流域水資源安全預警指標體系及其警界、警燈

2.2 疏勒河流域水資源安全警度預測

2.2.1突變模型及預警闕值

采用突變級數法確定疏勒河流域水安全預警等級劃分的隊列值。利用上述所建指標體系，成立依據突變級數法的評估要求組織指標體系，見表4。根據突變理論指示，依次排序為重要指標和次要指標，建立層次結構模型，并依據此選擇相應的模型。

表4 疏勒河流域層次結構及突變模型

根據互補性原則：

B5=C24=0.4051

B8=C31=0.4773

B10=C41=0.3656

表5 水資源安全預警警度劃分閾值

2.2.2預測警度

參考《甘肅省水資源公報》，搜集疏勒河流域2005—2017年水資源安全預警指標的原始數據[12-13]。各項指標的原始數據數據無量綱，將2005—2017年的疏勒河流域數值按突變級數法進行計算，并對各值和預警闕值進行對比分析，確定各年的預警水平，結果見表6、如圖2所示。其中2005—2009年為輕警狀態、2010—2013年為重警狀態、2014—2017年為極重警狀態。

表6 疏勒河2015—2017年水資源安全預警結果

圖2 疏勒河2015—2017年水資源安全預警結果

3 結論

針對疏勒河水資源安全預警，設計了由目標層、標準層和地表層3個層次相互相輔相成且通用預警指標體系框架。預警指標為對象，源頭指標為基礎，預警標志為主體，包括社會系統、經濟系統、水資源系統和水生生態環境系統。根據疏勒河流域的突變級數法的評估要求，選取合適的預警指標體系，構建其層次結構模型。根據疏勒河流域實際情況，結合突變理論確定了警度預報的閾值：I≥0.9981，無警；0.9569≤I<0.9981，輕警；0.9281≤I<0.9569，中警；0.8601≤I<0.9281，重警；I<0.8601為極重警。其中I為根據突變級數法求得的綜合指數。疏勒河流域2005—2017年13年中水資源安全一直處于有警狀態，其中2005—2009年為輕警狀態、2010—2013年為重警狀態；2014—2017年為極重警狀態。