基于模糊概率的水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型及其應(yīng)用

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1、萬(wàn)方數(shù)據(jù)2009年7月水利學(xué)報(bào)SHUILIXUEBAO第40卷第7期文章編號(hào)：0559．9350(2009)07．0813．09基于模糊概率的水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型及其應(yīng)用王紅瑞1，錢(qián)龍霞1，許新宜1，王巖2(1．北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院水沙科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100875；2．北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院。北京100037)摘要：本文基于模糊概率理論建立了水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，可對(duì)水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率和缺水影響程度給予綜合評(píng)價(jià)。首先構(gòu)造隸屬函數(shù)以評(píng)價(jià)水資源系統(tǒng)的模糊性；其次利用Logistic回歸模型模擬和

2、預(yù)測(cè)水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率；而后建立了基于模糊概率的水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型；最后利用判別分析識(shí)別出水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)敏感因子。作為實(shí)例對(duì)北京市1979--2005年的水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)研究表明，水資源總量、污水排放總量、農(nóng)業(yè)用水量以及生活用水量是北京市水資源短缺的主要致險(xiǎn)因子。再生水回用和南水北調(diào)工程可使北京地區(qū)2010和2020年各種情景下的水資源短缺均降至低風(fēng)險(xiǎn)水平。關(guān)鍵詞：模糊概率；togistic回歸模型；判別分析；水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)；敏感因子；北京中圖分類號(hào)：TV213文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A1研究背景近年來(lái)，受氣候變化和經(jīng)濟(jì)

3、社會(huì)不斷發(fā)展的影響，水資源短缺問(wèn)題日趨嚴(yán)重，對(duì)水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)的研究已引起了廣泛的重視u“1。國(guó)外的許多學(xué)者開(kāi)展了這一方面的研究，如探討優(yōu)化調(diào)度模型中參數(shù)的模糊不確定性引起的水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題b“]，以及有關(guān)河流水質(zhì)管理、水庫(kù)灌溉等引起的短缺風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題"一引。最具代表性的風(fēng)險(xiǎn)定義是由Kaplan提出的，并得到國(guó)際社會(huì)廣泛的認(rèn)可¨¨，即Risk={

4、Pi(茗；)表示第i個(gè)事件結(jié)果為石；的概率，風(fēng)險(xiǎn)模型采用了向量的表示形式。國(guó)內(nèi)這方面具有代表性的工作有，如阮本清等建立了水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)性能指標(biāo)，研究了水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)的模糊綜合評(píng)價(jià)方法[121；劉濤等利用層次分析法確定風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的權(quán)重并建立供水風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)估模型¨糾；黃明聰?shù)葘L(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)歸納為一個(gè)支持向量回歸問(wèn)題，建立了基于支持向量機(jī)的水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型‘1引。上述研究的共同特點(diǎn)是從隨機(jī)模型或模糊模型的角度分別探討水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題。而水資源系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的大系統(tǒng)，廣泛存在著隨機(jī)性和模糊性¨5。，由于隨機(jī)性是因果律的破缺

5、、模糊性是排中率的破缺，所以應(yīng)在水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型的設(shè)計(jì)中同時(shí)考慮這兩種因素的影響。2基于模糊概率的水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型的建立借鑒Kaplan的定義，本文認(rèn)為水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)是指在特定的環(huán)境條件下，由于來(lái)水和用水存在模收穡日期：2008．10-16基金項(xiàng)目：國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2006BAD20806)；北京市自然科學(xué)基金(8083027)作者簡(jiǎn)介：王紅璃(1963一)，男，副教授。博士，主要從事水文水資源和環(huán)境規(guī)劃評(píng)價(jià)研究。E．mail：henryzsr@bnu．edu．cn一813一萬(wàn)方數(shù)據(jù)糊與隨機(jī)不確定性

6、，使區(qū)域水資源系統(tǒng)發(fā)生供水短缺的概率以及相應(yīng)的缺水影響程度。基于上述理由設(shè)計(jì)了基于模糊概率的水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型。2．1基于模糊概率的水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)對(duì)于一個(gè)供水系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，所謂失事主要是供水量E小于需水量職，從而使供水系統(tǒng)處于失事?tīng)顟B(tài)?；谒Y源系統(tǒng)的模糊不確定性，構(gòu)造一個(gè)合適的隸屬函數(shù)來(lái)描述供水失事帶來(lái)的損失。定義模糊集職如下：阢={茗：0≤盧。(石)≤1}(2)式中：茗為缺水量，菇=職一E；∥。(省)為缺水量在模糊集耽上的隸屬函數(shù)，構(gòu)造如下：／．t。(茗)=0，0≤菇≤耽(晶卜礬<菇<％㈥1，菇≥Wm式中：E、E

7、分別為供水量和需水量；Wo為缺水系列中最小缺水量；砜為缺水系列中最大缺水量；P為大于1的正整數(shù)。將水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)定義為模糊事件A，發(fā)生的概率，即模糊概率為P(A，)=J礦／。A(y)dP(4)式中：R“為n維歐氏空間；／1．，為模糊事件A，的隸屬函數(shù)；P為概率測(cè)定。如果dP=f(y)dy，則P(^)=J礦IuA／(Y)f(y)dy(5)其中，(，，)是隨機(jī)變量Y的概率密度函數(shù)。水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)的定義可表示為+?R=I產(chǎn)。(髫)f(聾)dx(6)毒8從式(3)一(6)可知：上述風(fēng)險(xiǎn)定義將水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)存在的模糊性和隨機(jī)性

8、聯(lián)系在一起，其中，隨機(jī)不確定性體現(xiàn)了水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率，而模糊不確定性則體現(xiàn)了水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)的影響程度。依據(jù)概率密度函數(shù)f(算)和隸屬函數(shù)的形式計(jì)算水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)尺。2．2水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)的模擬概率分布模擬系列的概率分布一般有MC(蒙特卡羅)、MFOSM(均值一次兩階矩)法、sO(兩次矩)法、最大熵風(fēng)險(xiǎn)分析方法、AFOSM(改進(jìn)一次兩階矩)