北京水資源評價

水資源短缺風(fēng)險綜合評價一摘要本文選取區(qū)域水資源短缺風(fēng)險程度的風(fēng)險率、脆弱性、可恢復(fù)性、重現(xiàn)期和風(fēng)險度作為對水資源采取有效的風(fēng)險管理措施已刻不容緩評價指標(biāo)，研究了水資源短缺風(fēng)險的模糊綜合評價方法。最后對包括北京水資源短缺風(fēng)險進(jìn)行了評價。結(jié)果表明，如果沒有南水北調(diào)工程，2010年整個北京的水資源短缺風(fēng)險將會處于高風(fēng)險水平 ，水資源供需狀況極度危險。二關(guān)鍵詞：水資源；風(fēng)險；綜合評價；北京；三問題的提出水資源，是指可供人類直接利用，能夠不斷更新的天然水體。主要包括陸地上的地表水和地下水。風(fēng)險，是指某一特定危險情況發(fā)生的可能性和后果的組合。水資源短缺風(fēng)險，泛指在特定的時空環(huán)境條件下，由于來水和用水兩方面存在不確定性，使區(qū)域水資源系統(tǒng)發(fā)生供水短缺的可能性以及由此產(chǎn)生的損失。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)社會不斷發(fā)展，水資源短缺風(fēng)險始終存在。如何對水資源風(fēng)險的主要因子進(jìn)行識別，對風(fēng)險造成的危害等級進(jìn)行劃分， 對不同風(fēng)險因子采取相應(yīng)的有效措施規(guī)避風(fēng)險或減少其造成的危害，這對社會經(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?！侗本?009統(tǒng)計年鑒》及市政統(tǒng)計資料提供了北京市水資源的有關(guān)信息。 利用這些資料和你自己可獲得的其他資料，討論以下問題：評價判定北京市水資源短缺風(fēng)險的主要風(fēng)險因子是什么？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。建立一個數(shù)學(xué)模型對北京市水資源短缺風(fēng)險進(jìn)行綜合評價， 作出風(fēng)險等級劃分并陳述理由。對主要風(fēng)險因子，如何進(jìn)行調(diào)控，使得風(fēng)險降低？對北京市未來兩年水資源的短缺風(fēng)險進(jìn)行預(yù)測，并提出應(yīng)對措施附表1979年至2000年北京市水資源短缺的狀況年份總用水量（億立方農(nóng)業(yè)用水（億立方工業(yè)用水（億立方第三產(chǎn)業(yè)及生活等其它用水（億立水資源總量（億方）

米）米）米）方米）197942.9224.1814.374.3738.23198050.5431.8313.774.9426198148.1131.612.214.324198247.2228.8113.894.5236.6198347.5631.611.244.7234.7198440.0521.8414.3764.01739.31198531.7110.1217.24.3938198636.5519.469.917.1827.03198730.959.6814.017.2638.66198842.4321.9914.046.439.18198944.6424.4213.776.4521.55199041.1221.7412.347.0435.86199142.0322.711.97.4342.29199246.4319.9415.5110.9822.44199345.2220.3515.289.5919.67199445.8720.9314.5710.3745.42199544.8819.3313.7811.7730.34199640.0118.9511.769.345.87199740.3218.1211.111.122.25199840.4317.3910.8412.237.7199941.7118.4510.5612.714.22200040.416.4910.5213.3916.86注：2000年以后的數(shù)據(jù)可以在《北京2009統(tǒng)計年鑒》上查到四問題分析北京水資源人均占有量在世界各國首都中排名百位之后。自上世紀(jì)七十年代以來，隨著人口的大量增加和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，缺水成為北京面臨的嚴(yán)重問題之一，近幾年每年缺水均在 4億立方米左右。地下水資源開采量逐年劇增，盡管目前對地下水開采進(jìn)行了限制，地下水位有所上升，但仍處于超采狀態(tài)。為應(yīng)對這種情況，多年來，北京通過各種方式保證供水安全，除了通過調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)加大節(jié)水力度，多次提高水價，強(qiáng)力推行農(nóng)業(yè)、工業(yè)和城市節(jié)水，關(guān)、停、轉(zhuǎn)移高耗水企業(yè)外，還獨(dú)創(chuàng)了地表水、地下水、再生水、過境水、雨洪水和外調(diào)水的六水聯(lián)調(diào)模式，對水資源進(jìn)行合理調(diào)配，以此提高城市的供水能力。盡管方法盡施，可是但是究竟是什么導(dǎo)致了北京市的如此現(xiàn)狀呢，有沒有什么原因呢，該怎樣解決呢，經(jīng)過查找資料認(rèn)為從水資源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來看 ，風(fēng)險來源于系統(tǒng)屬性和過程對潛在危害的抵抗乏力。系統(tǒng)本身的輸入主體短缺、過程波動及輸出脆弱程度是導(dǎo)致系統(tǒng)風(fēng)險產(chǎn)生的重要原因，他們是水資源系統(tǒng)風(fēng)險的致險因子 ；水資源系統(tǒng)對致險因子進(jìn)行反饋，引導(dǎo)系統(tǒng)對潛在風(fēng)險進(jìn)行抵抗從而削減風(fēng)險產(chǎn)生及危害 ，我們將這一種反饋及抵抗性質(zhì)稱為承險能力 ；系統(tǒng)在致險與承險因子相互作用下，當(dāng)致險壓力大于承險能力時，風(fēng)險就產(chǎn)生了。所以風(fēng)險因子分為致險因子和承險因子，然后致險因子和承險因子又會細(xì)分為很多條。不同的因子給風(fēng)險所能帶來的貢獻(xiàn)的大小是不一樣的。由問題分析可判斷影響北京水資源短缺風(fēng)險的因素可歸納為以下兩個方面 ：（1）自然因素：①人口數(shù)；②入境水量；③水資源總量；④地下水位埋深 ；（2）社會經(jīng)濟(jì)環(huán)境因素：①工業(yè)用水量；②污水排放量；③COD排放總量；④第三產(chǎn)業(yè)及生活用水量；⑤農(nóng)業(yè)用水量。五模型假設(shè)假設(shè)1:收集的北京市水資源各個數(shù)據(jù)都實(shí)際數(shù)值相差不大;假設(shè)2:各個影響因素不會因突發(fā)事件發(fā)生突變；假設(shè)3:建模收集數(shù)據(jù)真實(shí)可靠；假設(shè)4:建模中涉及主觀分析的結(jié)論基本與事實(shí)相符六建模過程1.風(fēng)險率根據(jù)風(fēng)險理論，荷載是使系統(tǒng)“失事”的驅(qū)動力，而抗力則是對象抵御“失事”的能力。如果把水資源系統(tǒng)的失事狀態(tài)記為 F€（入＞p），正常狀態(tài)記為S€（入＜p），那么水資源系統(tǒng)的風(fēng)險率為：r=P(>J=P{ FV5}式中：X（t）為水資源系統(tǒng)狀態(tài)變量如果水資源系統(tǒng)的工作狀態(tài)有長期的記錄，風(fēng)險率也可以定義為水資源系統(tǒng)不能正常工作的時間與整個工作歷時之比，即式中：1 NSa= ltNS匸1NS為水資源系統(tǒng)工作的總歷時；It是水資源系統(tǒng)的狀態(tài)變量。0,系統(tǒng)工作正常（Xt^S）〕It-」 卜J,系統(tǒng)失事（x產(chǎn)F） J2.脆弱性脆弱性是描述水資源系統(tǒng)失事?lián)p失平均嚴(yán)重程度的重要指標(biāo)。 為了定量表示系統(tǒng)的脆弱性，假定系統(tǒng)第i次失事的損失程度為Si，其相應(yīng)的發(fā)生概率為Pi，那么系統(tǒng)的脆弱性可表達(dá)為：NF=E(S)=\PjSj7式中：NF為系統(tǒng)失事的總次數(shù)。例如，在供水系統(tǒng)的風(fēng)險分析中，可以用缺水量來描述系統(tǒng)缺水失事的損失程度。類似洪水分析，假定P仁P2=,=PNF=1/NF,即不同缺水量的缺水事件是同頻率的，這樣上式可寫為 ：NF―、VENFy式中：VEi為第i次缺水的缺水量。上式說明干旱的期望缺水量可以用來表示供水系統(tǒng)的脆弱性。為了消除需水量不同的影響，一般采用相對值，即NF .NF八VEiT、、VDii:— Xi^式中：VDi是第i次干旱缺水期的需水量。3.重現(xiàn)期事故周期是兩次進(jìn)入失事模式F之間的時間間隔，也叫平均重現(xiàn)期。用 d(,n)表示第n間隔時間的歷時，則平均重現(xiàn)期為1 NXd,n)N-1n=1式中：N=Ng)是0到t時段內(nèi)屬于模式F的事故數(shù)目?？苫謴?fù)性恢復(fù)性是描述系統(tǒng)從事故狀態(tài)返回到正常狀態(tài)的可能性。 系統(tǒng)的恢復(fù)性越高，表明該系統(tǒng)能更快地從事故狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎＿\(yùn)行狀態(tài)。它可以由如下的條件概率來定義：=p(XtS|Xt-—F)上式亦可用全概率公式改寫為一_p{Xt_!F,XtS}P{XhF}引入整數(shù)變量

hXtF0,Xts及v 1,XtJF,Xts「0, 其它這樣，由全概率公式可得NS :NS一'、Zt 7ttj.y記NS NSTfs= Zt, Tf=' tt=1 t=1則有：-Tfs/Tf,Tf=0[1, Tf=0從上式可以看出，當(dāng)Tf=0,即水資源系統(tǒng)在整個歷時一直處于正常工作狀態(tài)，則 3=1;而當(dāng)Tfs=0,即水資源系統(tǒng)一直處于失事狀態(tài) (tf=NS),則3=0。一般來講，0<3<1。這表明水資源系統(tǒng)有時會處于失事狀態(tài)，但有可能恢復(fù)正常狀態(tài)，而且失事的歷時越長，恢復(fù)性越小，也就是說水資源系統(tǒng)在經(jīng)歷了一個較長時期的失事之后，轉(zhuǎn)為正常狀態(tài)是比較困難的。風(fēng)險度用概率分布的數(shù)學(xué)特征，如標(biāo)準(zhǔn)差 6或半標(biāo)準(zhǔn)差d-,可以說明風(fēng)險的大小。 6和6-越大，則風(fēng)險越大，反之越小。這是因?yàn)楦怕史植荚椒稚?，?shí)際結(jié)果遠(yuǎn)離期望值的概率就越大 。n匚=(D(X))1/2 (Xi-E(X))2/(n-1))1/2iA用6、6-比較風(fēng)險大小雖簡單，概念明確，但 6-為某一物理量的絕對量，當(dāng)兩個比較方案的期望值相差很大時，則可比性差，同時比較結(jié)果可能不準(zhǔn)確。為了克服用 6-可比性差的不足，可用其相對量作為比較參數(shù)，該相對量定義為風(fēng)險度 FDj，即標(biāo)準(zhǔn)差與期望值的比值(也稱變差系數(shù))。C廠二/E(X)」j/S這里值得說明的是：風(fēng)險度不同于風(fēng)險率，前者的值可大于 1，而后者只能小于或等于1。水資源的短缺取決于供水和需水兩方面影響， 而這兩方面都具有隨機(jī)性和不確定性。 因此水資源短缺風(fēng)險也具有隨機(jī)性和不確定性。我們在進(jìn)行風(fēng)險評價時，充分考慮風(fēng)險特點(diǎn)以及水資源的復(fù)雜

性，把存在風(fēng)險的概率、風(fēng)險出現(xiàn)的時間、風(fēng)險造成的損失多少、風(fēng)險解除時間、缺水量的分布等一系列因素考慮在內(nèi)。故我們從多方面的指標(biāo)綜合考慮評價北京市現(xiàn)水資源短缺風(fēng)險等級。我們在評價指標(biāo)選擇中堅持的原則：（1）能集中反映缺水的風(fēng)險程度；（2）能集中反映水資源短缺風(fēng)險發(fā)生后水資源系統(tǒng)的承受能力；（3）代表性好，針對性強(qiáng)，易于量化。依據(jù)上述原則，我們選取水資源的風(fēng)險率、脆弱性、可恢復(fù)性、事故周期、風(fēng)險度作為水資源系統(tǒng)水資源短缺風(fēng)險的評價指標(biāo)。風(fēng)險評價是在風(fēng)險識別和風(fēng)險分析的基礎(chǔ)上，把損失概率、損失程度以及其它因素綜合起來考慮，分析該風(fēng)險的影響，尋求風(fēng)險對策并分析該對策的影響，為風(fēng)險決策創(chuàng)造條件。本文采用上述定義的風(fēng)險率、脆弱性、可恢復(fù)性、重現(xiàn)期、風(fēng)險度作為水資源短缺風(fēng)險的評價指標(biāo)，采用模糊綜合評判方法對水資源短缺風(fēng)險進(jìn)行評價。設(shè)給定2個有限論域U=｛u1,u2, ,um｝和V=｛v1,v2, ,vn｝其中，U代表綜合評判的因素所組成的集合； V代表評語所組成的集合。則模糊綜合評判即表示下列的模糊變換 B=AXR,式中A為U上的模糊子集。而評判結(jié)果B是V上的模糊子集，并且可表示為ui評定等級的能力；bj為等A=(■"'2, , -m),ow■iW1;BNEb， ,bn),0WbjW1。其中■i表示單因素Ui在總評定因素中所起作用大小的變量，也在一定程度上代表根據(jù)單因素ui評定等級的能力；bj為等關(guān)系矩陣R可表示為式中：表示因素「11_rm1r21式中：表示因素「11_rm1r21比的評價對等級比的隸屬度，因而矩陣R中第Ri（幾1,幾2,…，扁）即為對第i個因素Ui的單因素評判結(jié)果。在評價計算中A=（'「’2, ，‘m）代表了各個因素對綜合評判重要性的權(quán)系數(shù)，因此滿 V'i=1,（i=1,2，…，m）；同時，模糊變換aXR也即退化為普通矩陣計算，即bj=min（1,H*環(huán)）,i=1,2，…，m；j=1,2,…,n上述權(quán)系數(shù)的確定可用層次分析法（AHP）得到。由上述分析可以看出，評價因素集U=｛“,氏, ,um｝對應(yīng)評語集V二““, ,vn｝而評判矩陣中rij即為某因素ui對應(yīng)等級比的隸屬度，其值可根據(jù)各評價因素的實(shí)際數(shù)值對照各因素的分級指標(biāo)推求。我們將評語級分為 5個級別，各評價因素分級指標(biāo)見表 1。表1各評價因素分級指標(biāo)水資源短缺風(fēng)險u1（風(fēng)險率）U2（脆弱性）U3（可恢復(fù)性）U4（重現(xiàn)期）U5（風(fēng)險度）V（低）<0.200<0.200>0.800>9.000<0.200V（較低）0.200?0.4000.200--0.4000.601?0.8006.001-9.0000.201?0.600V3（中）0.401?0.6000.401--0.6000.401?0.6003.001-6.0000.601?1.000V4（較高）0.601?0.8000.601--0.8000.200?0.4001.000-3.0001.001?2.000V5（高）>0.800>0.800<0.2001>2.000通過模糊綜合評判方法建立模型計算出缺水風(fēng)險性的綜合評分知道北京市處于高風(fēng)險的水資源短缺狀況，。在采取以往的水資源控制手段的條件下，經(jīng)過對 2000-2010年用水狀況的數(shù)據(jù)分析，采用灰色系統(tǒng)理論模型和多元線性回歸模型用不同的方式對北京市未來水資源短缺風(fēng)險的分析， 較清晰地預(yù)測到北京市未來幾年的水資源短缺仍會處于一種高風(fēng)險狀態(tài)。可見，解決水資源短缺問題依然嚴(yán)峻。為了能更高效的對水資源短缺問題解決， 分析造成水資源短缺的風(fēng)險因子， 對熵權(quán)的判斷得到主要因素為人口的高速聚集和年降水量的日益減少。在解決水資源短缺問題上市水行政主管部門應(yīng)該側(cè)重以上兩個問題著手。但僅僅從這兩個方面入手是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，為此我們提出了如下有效緩解北京水資源短缺的有效措施：一、 加強(qiáng)水資源的合理調(diào)度，完善了相關(guān)體制和機(jī)構(gòu)建設(shè)：?加強(qiáng)地下水環(huán)境保護(hù)，建立完善的地下水動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。從區(qū)域上保護(hù)地下水，防止水質(zhì)惡化，應(yīng)從源頭上即地下水補(bǔ)給區(qū)進(jìn)行保護(hù)。水資源是“從水源地t供水t排水t治污t中水回用”這樣一個閉環(huán)的系統(tǒng)，需要統(tǒng)一管理，才能優(yōu)化配置，達(dá)到最佳效益?繼續(xù)開展污水資源化、雨洪利用的研究和應(yīng)用。把城市污水排放規(guī)劃管理、污水處理廠建設(shè)、再生污水利用三個環(huán)節(jié)綜合起來，全面規(guī)劃考慮，實(shí)現(xiàn)污水資源化。收集和利用城市雨洪，既可防治雨洪災(zāi)害，緩解城市雨洪壓力；同時又增加了可用水資源，并可通過回灌補(bǔ)給蓄養(yǎng)地下水。3?應(yīng)建立外來水源、本地水源相互協(xié)調(diào)的供水網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)本地地表水源與外來水源的聯(lián)合調(diào)蓄、地下水與地表水的聯(lián)合調(diào)蓄，提高北京城市供水安全保證程度，支持城市可持續(xù)發(fā)展。4?為保證城市供水安全，應(yīng)科學(xué)地適度增加地下水開采量，合理開發(fā)利用。對已確定的應(yīng)急供水水源地應(yīng)盡快投入勘探和開發(fā)工作，對其它地區(qū)繼續(xù)開展調(diào)查工作，尋找新的后備應(yīng)急水源。二、 使有關(guān)單位及市民注意節(jié)約用水，提高用水效率：1?通過宣傳加強(qiáng)民眾和單位的節(jié)水意識， 另一方面有關(guān)部門需要采取一些有