水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)的綜合評價(jià)

1、水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)的綜合評價(jià) 摘要：本文從風(fēng)險(xiǎn)的角度對北京地區(qū)水資源短缺的問題進(jìn)行了探討。首先，通過資料分析，列出了可能導(dǎo)致水資源短缺的各方面原因，并建立了相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系。然后，對各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)值進(jìn)行了獲取工作。針對北京地區(qū)的實(shí)際資料，采用主成分分析法和改進(jìn)的灰色關(guān)聯(lián)度對風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)進(jìn)行定量篩選，最終確定出導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)的敏感因子，為進(jìn)一步進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)也為制定風(fēng)險(xiǎn)的防范措施和對策提供了理論依據(jù)。為了對水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行綜合評價(jià)，我們建立了一個(gè)水資源短缺量與來水和用水兩個(gè)因素之間的線性回歸模型，并且對未來兩年做了預(yù)測，建立數(shù)據(jù)擬合模型，求解水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)及對應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)等級。 關(guān)鍵詞：北京地區(qū)；

2、水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)；敏感因子；風(fēng)險(xiǎn)等級；線性回歸；擬合1. 問題的重述近年來，我國、特別是北方地區(qū)水資源短缺問題日趨嚴(yán)重，水資源成為焦點(diǎn)話題。以北京市為例，北京是世界上水資源嚴(yán)重缺乏的大都市之一，其人均水資源占有量不足300m3，為全國人均的1/8，世界人均的1/30，屬重度缺水地區(qū)，附表中所列的數(shù)據(jù)給出了1979年至2000年北京市水資源短缺的狀況。北京市水資源短缺已經(jīng)成為影響和制約首都社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要因素。政府采取了一系列措施, 如南水北調(diào)工程建設(shè), 建立污水處理廠,產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整等。但是，氣候變化和經(jīng)濟(jì)社會(huì)不斷發(fā)展，水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)始終存在。如何對水資源風(fēng)險(xiǎn)的主要因子進(jìn)行識別，對風(fēng)險(xiǎn)造成的危

3、害等級進(jìn)行劃分，對不同風(fēng)險(xiǎn)因子采取相應(yīng)的有效措施規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)或減少其造成的危害，這對社會(huì)經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定、可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施具有重要的意義。北京2009統(tǒng)計(jì)年鑒及市政統(tǒng)計(jì)資料提供了北京市水資源的有關(guān)信息。利用這些資料和可獲得的其他資料，討論以下問題：1 評價(jià)判定北京市水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)的主要風(fēng)險(xiǎn)因子是什么？影響水資源的因素很多,例如：氣候條件、水利工程設(shè)施、工業(yè)污染、農(nóng)業(yè)用水、管理制度，人口規(guī)模等。2建立一個(gè)數(shù)學(xué)模型對北京市水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行綜合評價(jià)， 作出風(fēng)險(xiǎn)等級劃分并陳述理由。對主要風(fēng)險(xiǎn)因子,如何進(jìn)行調(diào)控，使得風(fēng)險(xiǎn)降低？ 3 對北京市未來兩年水資源的短缺風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測，并提出應(yīng)對措施。 4 以北京市水行

4、政主管部門為報(bào)告對象，寫一份建議報(bào)告。2. 問題的分析從風(fēng)險(xiǎn)的角度來看，目前北京地區(qū)面臨著較大的水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)。風(fēng)險(xiǎn)是存在于任何事物之中的，人類不可能完全消除風(fēng)險(xiǎn)，但是能過盡量減少風(fēng)險(xiǎn)，將危險(xiǎn)發(fā)生的可能性和損失降到最低。與減小風(fēng)險(xiǎn)，首先應(yīng)該找出導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)的主要原因，并得到哪些因素會(huì)加大風(fēng)險(xiǎn)，哪些因素會(huì)降低風(fēng)險(xiǎn)。從而為制定相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)防范措施和對策提供理論依據(jù)。哪些因素會(huì)加大北京地區(qū)水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)？哪些因素又會(huì)降低水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)？本文首先通過系統(tǒng)定性分析，列出了可能加大和降低地區(qū)水資源短缺的各方面因素。概括來說，這些因素主要源于以下兩個(gè)方面：1、來水因素；2、用水因素。由于加大和降低風(fēng)險(xiǎn)的因素較多，

5、而從北京地區(qū)科學(xué)管理的角度來看，如何充分發(fā)揮人力、物力、和財(cái)力最大限度的緩解水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)，是所急需解決的問題?！笆挛镆テ渲饕堋?，只有找到加大和降低水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)的主要因素，才能有針對性地采取有效措施和策略。本文結(jié)合定性分許和定量計(jì)算，試圖找出加大和降低水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)的主要因素，并確定出風(fēng)險(xiǎn)敏感因子。3. 模型的假設(shè)與符號說明3.1 模型的假設(shè)（1）除了所考慮的因子外，其他風(fēng)險(xiǎn)因素忽略不計(jì)；（2）忽略因?yàn)樗芯恳蜃拥臄?shù)據(jù)不全所帶來的影響；（3）在一定時(shí)間范圍內(nèi)所研究的各因子是連續(xù)變化的；（4）水資源系統(tǒng)發(fā)生供水短缺產(chǎn)生的損失用缺水量來衡量。（5）水資源短缺量歸一化所選取的最大值即為所統(tǒng)計(jì)

6、年份缺水量的最大值，忽略其對模型的影響；（6） 文中所有提到的關(guān)于供水量及用水量的單位均為億立方米。3.2 符號說明4. 模型的建立與求解4.1 水資源短缺主要風(fēng)險(xiǎn)因子的確定4.1.1影響水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)的因素加大和降低北京地區(qū)水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)的因素主要源于以下兩方面1、來水因素;2、用水因素。以下分別從以上方面對其因素進(jìn)行定性分析:a 、來水因素: (1) 地表水水量：地表水水量=降水量蒸發(fā)量。降水量:它是水資源的來源,其大小變化直接影響到水資源量的大小,當(dāng)降雨量減小時(shí),水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)就相應(yīng)增大。蒸發(fā)量:蒸發(fā)量增大將導(dǎo)致區(qū)域可用水資源減少,從而增大水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)。 (2) 地下水天然補(bǔ)給量:此補(bǔ)

7、給量越大,則可用地下水也越多,可以降低水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)。b、用水因素: (1) 農(nóng)業(yè)用水量 (2) 工業(yè)用水量資 (3) 第三產(chǎn)業(yè)用水量4.1.2風(fēng)險(xiǎn)敏感因子的確定本文中,分別采用主成分析法和灰色關(guān)聯(lián)度法進(jìn)行指標(biāo)定量篩選。由于數(shù)學(xué)方法在實(shí)際應(yīng)用中可能會(huì)或多或少有其自身的缺陷和局限性,因此,采用不同的數(shù)學(xué)方法進(jìn)行計(jì)算,并將其結(jié)果互相對比和驗(yàn)證,最終將能得出較為準(zhǔn)確的結(jié)果。4.1.3 利用主成分分析方法確定風(fēng)險(xiǎn)敏感因子主成分分析法是指標(biāo)篩選最常用的方法之一,該方法的本質(zhì)目的是對高維變量系統(tǒng)進(jìn)行最佳綜合與簡化,同時(shí)客觀地確定各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重,從而篩選出權(quán)重大的指標(biāo),確定敏感因子。該方法較層次分析法和專家

8、打分法的好處是避免了主觀隨意性,因此本文首先采用此法進(jìn)行指標(biāo)篩選。圖1 石羊河流域水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系圖主成分分析方法的步驟為8 - 10 :(1) 數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理 （1）其中為第個(gè)分區(qū)第個(gè)指標(biāo)的值,，為第個(gè)指標(biāo)的樣本均值和樣本標(biāo)準(zhǔn)差。(2) 計(jì)算數(shù)據(jù)表() ×的相關(guān)矩陣R。(3) 求R 的個(gè)特征值:，以及對應(yīng)的特征向量 ,它們標(biāo)準(zhǔn)正交,稱為主軸。(4) 求主成分: （2）(5) 精度分析:通過求累計(jì)貢獻(xiàn)率 來判斷, ,一般要求取> 85 %的最小值,則可得主平面的維數(shù)m ,從而可對m 個(gè)主成分進(jìn)行綜合分析。(6) 在獲得特征向量與特征值,并確定主超平面的維數(shù)之后,可以計(jì)算

9、主因子載荷矩陣,其計(jì)算公式為: 其中4.1.4 利用改進(jìn)的灰色關(guān)聯(lián)方法篩選敏感性風(fēng)險(xiǎn)因子灰色關(guān)聯(lián)方法的主要步驟如下 :(1) 參考序列的選擇水資源短缺風(fēng)險(xiǎn):由于水資源的短缺與否主要體現(xiàn)在人均水資源量上,當(dāng)人均水資源量越小,水資源短缺的風(fēng)險(xiǎn)就越大,所以選定人均水資源量作為參考序列。各個(gè)參考序列都以表示之,其中= 1 ,2 , , 為評價(jià)區(qū)數(shù)。(2) 比較序列的確定其它列入風(fēng)險(xiǎn)因子表中的因子組成的序列即為比較序列,記為,k = 1 ,2 , ,n ,i = 1 ,2 , ,m ,m為因子數(shù)量。(3) 對參考序列與比較序列進(jìn)行無量綱處理處理方法為以各序列中最大值為1 ,其余均以此值相除,此對于指標(biāo)值

10、越大越好的情況;對于指標(biāo)值越小越好的情況,以最小指標(biāo)值除以其它指標(biāo)值。(4) 利用下述公式計(jì)算比較序列的所有指標(biāo)對應(yīng)于參考序列所有指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù) (4)式中, 為指標(biāo)k 的絕對差,為分辨系數(shù),在01 之間變化。傳統(tǒng)的一般取0. 5 ,然而大量計(jì)算結(jié)果表明,0. 5 并不是最合適的數(shù)值,的取值應(yīng)遵循下述以下兩大原則:a 、充分體現(xiàn)關(guān)聯(lián)度的整體性,即關(guān)聯(lián)度不僅與有關(guān),而且與所有其它因子(j = 1 ,2 , ,n) 有關(guān);b、具有抗干擾作用,即當(dāng)系統(tǒng)因子的觀測序列出現(xiàn)異常值時(shí),能夠抑制、削弱它對關(guān)聯(lián)空間的影響。因此,分辨系數(shù)的取值規(guī)則如下:記為所有差值絕對值的均值,=,并記 (),則的取值為:2,

11、且滿足則在此區(qū)間內(nèi)取值。(5) 比較序列對應(yīng)于參考序列的關(guān)聯(lián)度一般用平均值,即(6) 按關(guān)聯(lián)度大小進(jìn)行排序關(guān)聯(lián)度越大,比較序列與參考序列關(guān)系越密切。4.2 問題二的模型建立為了對水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行綜合評價(jià)，我們建立了一個(gè)水資源短缺量與來水和用水兩個(gè)因素之間的線性回歸模型。由模型一，主成分分析可知，影響用水的因子主要是工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水、第三產(chǎn)業(yè)用水以及廢水排放量；而影響來水的因子有入境水量、年降雨量和地表水資源總量。 （1）利用eviews軟件求出水資源短缺量與各風(fēng)險(xiǎn)因子之間的線性回歸方程。Y= +C （1） 其中，為統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)借助eviews軟件回歸所得的各因子的系數(shù)，C為常數(shù)。通過該回歸方程

12、，我們將水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)化為各個(gè)因子的變化趨勢，各個(gè)因子的變化直接導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)的變化。只要調(diào)節(jié)各個(gè)因子就能調(diào)節(jié)風(fēng)險(xiǎn)的大小。并通過對各個(gè)因子未來值的預(yù)測，間接來預(yù)測水資源短缺量，即水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)。 為了風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行綜合的評價(jià)及給風(fēng)險(xiǎn)等級進(jìn)行劃分，我們先是建立一個(gè)基于快速聚類法重心法思想的聚類模型。再通過spss軟件給風(fēng)險(xiǎn)劃分等級，給風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行一個(gè)綜合的評價(jià)。（2）重心法的原理：若樣品之間采用歐氏距離，設(shè)某一步將類與合并成，它們各有，（=+）個(gè)樣品，它們的重心用，和表示，顯然有：=（+） 某一類的重心為，它與新類的距離是：=+（3）將1979至2008年缺水年份的缺水量，運(yùn)用SPSS軟件進(jìn)行聚類分析，將其分

13、成k類，然后算出每類的均值 （此處的類似于聚類分析中的類中心）。 =（i為每類中因子的個(gè)數(shù)） （4）將各個(gè)均值從小到大進(jìn)行排序，排序結(jié)果為：，（t=k），算出相鄰兩個(gè)均值之間的均值（m=k-1）。=（+） （5）再將算出的經(jīng)過歸一化處理，從而將缺水量轉(zhuǎn)化成水資源風(fēng)險(xiǎn)，并用來表示風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)，其值介于01之間的小數(shù)。 = 注意：因?yàn)槿彼繎?yīng)該是大于零的，所以此處的min(Y)我們選取零,而max(Y)的值取從1979年到2008年缺水量的最大值。（6）歸一化后的m個(gè)值把01這一區(qū)間分成了m+1個(gè)小區(qū)間，也就把風(fēng)險(xiǎn)劃分成了m+1個(gè)等級，并根據(jù)各風(fēng)險(xiǎn)值所在的區(qū)間對其命名。 注意：本文對水資源風(fēng)險(xiǎn)劃分了4個(gè)等級，并對其命名為較低風(fēng)險(xiǎn)、低風(fēng)險(xiǎn)、較高風(fēng)險(xiǎn)和高風(fēng)險(xiǎn)。4.3 問題三的模型建立在問題2中我們已經(jīng)建立了一個(gè)水資源短缺量與風(fēng)險(xiǎn)因子之間的風(fēng)險(xiǎn)綜合評價(jià)的線性回歸模型，通過這個(gè)線性回歸模型我們知道了缺水量與各因子之間的關(guān)系，為了對未來兩年北京市的水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測，我們可先對7個(gè)因子建立數(shù)據(jù)擬合模型，利用MA