水资源系统风险评估研究进展及展望

姜秋香，付强，宫凡荔，王子龙

（1.东北农业大学水利与建筑学院，哈尔滨 150030；2.东北农业大学农林经济管理博士后科研流动站，哈尔滨 150030）

水文水资源

水资源系统风险评估研究进展及展望

姜秋香1，2，付强1，宫凡荔1，王子龙1，2

（1.东北农业大学水利与建筑学院，哈尔滨 150030；2.东北农业大学农林经济管理博士后科研流动站，哈尔滨 150030）

介绍了水资源系统风险评估指标体系构建和风险评估方法研究进展，着重分析了多种风险评估方法在实践中的优缺点和适用性，总结了传统统计学方法的不足和系统分析方法的局限性及新方法的发展前景，提出了结合数据特征综合利用所需评估方法，同时也为更好地建立水资源风险评估体系奠定了理论基础。

水资源系统；风险评估；评估指标体系：系统分析方法

水资源系统风险评估包括定义系统问题、风险识别、风险分析、风险计算和风险决策5部分［1］。

水资源系统风险评估不仅能在一定程度上降低风险和灾害产生的损失，同时也能提高水资源配置效能［2］。通过对风险评估进行科学合理的分析，定量评价水资源系统中存在的已知与未知的风险，采取有效的风险决策，才能更好地保证水资源系统风险评估理论与实践的完美结合，保障水资源系统的可持续发展。

1 风险评估指标体系

在水资源系统风险评估中，通过构建风险评估指标体系可完成风险识别和风险分析。

目前，水资源系统风险评估指标研究已由单项指标选取向指标体系构建转变。Fiering［3］对水资源系统风险中可恢复性进行了深入研究，并给出11种系统可恢复性度量方法，为后续相关研究提供了参考；Hashimoto［4］运用数学思想定量表达了可靠性、可恢复性和脆弱性3个风险评估指标，为水资源系统风险评估的模型建立奠定了基础。阮本清等［5］针对区域水资源短缺问题，采用风险率、脆弱性（易损性）、重现期、可恢复性和风险度作为其风险评估指标，以此完成水资源短缺风险评估指标体系的构建。谢翠娜等［6］在剖析自然灾害、城市干旱缺水、水环境的风险评估研究成果基础上，根据城市水资源的自然、生态环境及水资源风险的形成原理，提出了一套由危险性、暴露性、脆弱性和防灾减灾能力组成的风险评估指标体系。该指标体系涵盖了中国大多数城市的基本水资源条件，是一套适合中国城市水资源综合风险评估的指标体系。

2 风险评估方法

在风险评估指标体系构建的基础上，通过选取适宜的评估方法，对系统运行发生风险的概率及其损失程度作出估计，可定量化评估水资源系统风险。风险评估方法的选择不仅决定着能否客观地反应系统运行风险，同时也影响着规避系统风险策略的制定。目前，风险评估诸多方法可归为统计学方法、系统分析方法和新方法三大类。

2.1 统计学方法

2.1.1 概率论和极值统计学方法

概率论视系统风险发生为随机变量，以概率统计作为其数学工具，模拟系统的风险概率分布，进而实现系统的风险评估。该方法已被应用于水资源管理的不确定性分析中［7］。其具有概念性强，简单易懂等优点，但当随机变量影响因素较多时，由于难以找到变量之间的概率关系，致使无法求得解析解或数值解，因此该方法在实际应用中对系统中变量的数目和关系要求较为严格。

极值统计学方法在处理样本容量极值（最大值和最小值）的基础上，组成最大值和最小值总体，以此利用极值概率分布的随机变量来模拟极值［8］。其优点在于可以很好地模拟突发情况下的水资源风险，缺点是无法划分风险范围和风险强度。该方法在洪灾风险评估中应用较为广泛［9-10］。

2.1.2 重现期法

重现期法是从工程水文学角度提出的风险率计算方法，该方法基于两个前提假设：①各水文事件的发生是独立的；②各水文事件发生的概率相等。重现期法在计算风险上具有简单易行的优点，但也有其局限性。如重现期是由历史资料的统计和外延推得，故风险率计算会受到统计资料精度的限制。阮本清等［5］在研究水资源短缺风险中指出重现期可采用平均值，但是在实际应用中需根据不同情况选择不同的重现期。

2.1.3 蒙特卡洛模拟法

蒙特卡洛模拟法（Monte-Carlo，简称MC）是用随机数发生器产生具有相同发生概率的随机数，将其输入模型进行模拟试验，经过不断的反复，得出风险变量的频率分布，再通过统计分析得到风险指标。

MC法计算精度高，常被应用于风险计算中，尤其对于非线性、不同分布及相关系统更为有效。但该方法依赖样本容量和抽样次数，不仅计算量大，而且计算结果精确度不高，因此，在可以选择其他简单方法时，应尽可能避免使用MC法，或仅以此方法作为一种参考对照［11］。

2.1.4 JC法

JC法是由克拉维茨和菲斯莱等人提出的一种从一次二阶矩法、改进的一次二阶矩法发展而来的风险计算方法，其适用于随机变量为任意分布的情况。该方法不仅可以对非线性的状态方程求解，而且对状态方程中变量的分布不加限定，在计算同等精度时，JC法的效率高于MC法［16］，因此，该方法越来越受到学者的青睐。目前，JC法已被广泛应用于水库泄洪风险分析中［17-18］。

2.2 系统分析方法

2.2.1 模糊风险分析法

由于水资源系统的不确定性，并在其不断发展及演变过程中，受到来自诸多因素的影响，致使系统表现出不稳定、模糊或混沌等现象，这些都是水资源系统客观存在的模糊现象，因此，在研究水资源系统风险时可采用模糊分析法。该方法的优点是模糊理论研究较为成熟，不足之处是隶属度函数的构建没有统一的标准，在建立模型或是选取指标时主观性比较强。阮本清等［5］、王红瑞等［19］、罗军刚等［20］均采用了模糊方法对区域水资源短缺风险进行了综合评价。Schmucker［21］提出了用合并子系统的方法来计算整个系统的模糊风险；Simonovic［7］将风险用模糊集方法加以定义，并对水资源管理中的不确定性来源进行了分类。

2.2.2 灰色风险分析法

水资源系统被定义为复杂的巨系统，其复杂性体现在系统结构的影响因素众多，研究时人们只能把握部分，而不能了解全部的信息量。在这种信息部分已知、部分未知的情况下，将系统变量视为灰变量，可采用灰区间预测的方法来度量系统的不确定性，以此强调对风险率的灰色不确定性的描述和量化。鉴于在研究水资源系统风险巨大信息量的同时，不可避免地会遇到信息量的缺失或未知，而灰色风险分析法正弥补了这方面的空缺。在实际应用中，灰色风险分析法的局限性较小，适用范围较广。目前，该方法已被广泛应用于堤坝决口的可行性分析［22］、河流重金属污染的风险评估［23］、水资源系统灰色不确定因素风险评估［24］中。

2.2.3 层次分析法

水资源系统风险评估是由多指标组成的、具有一定层次结构的复杂系统，研究过程中的重点和难点在于指标权重的计算，为此我国学者［25-26］探讨了将层次分析作为指标权重计算的工具，最终根据权重的取值来评价风险的大小。基于层次分析的水资源系统风险评估，在建立风险评估指标体系的基础上，利用层次分析法确定各风险指标的相对权重并建立综合评估模型，最后综合各种风险指标值对水资源系统进行风险评估。层次分析法是从定性分析到定量分析综合集成的典型的系统工程方法，具有较强的推广和应用价值。

2.3 新方法

2.3.1 支持向量机法

支持向量机是一种基于结构风险最小化的新型机器学习技术，也是一种具有很好泛化能力的回归方法，同神经网络一样，具有逼近任意连续有界非线性函数能力的一种回归方法。黄明聪等［27］阐述了支持向量回归机的原理：首先选取风险评价指标，再通过给定的估计函数，利用对偶原理、拉格朗日乘子法和核技术，最终得到支持向量机的水资源短缺风险评价模型，并将其成功应用于闽东南地区水资源短缺风险评价中。支持向量机方法在水资源风险评估领域的研究尚属尝试，其应用过程比较公式化，适用范围尚无明确限定，还有待学者们进一步深入研究。

2.3.2 最大熵风险分析法

无论是模糊还是灰色风险分析法，对其应用都源于水资源系统的不确定性，风险与不确定性是紧密联系的，这是水资源系统的一大显著特性［28］。

熵是随机变量不确定性或所含信息量的度量，故可采用熵来计算水资源系统的风险程度。最大熵原理是指对于“不适定问题”（指求解问题时由于数据不完全，在给定的条件下，不足以推求该问题的确定解），在其所有的可行解中，当满足一定的约束条件时，应选择熵值最大的一个［29］。熵最大意味着此时的解所包含的主观成分最少，因此，该解最客观，误差最小。

在水资源系统风险评估中，可通过最大熵原理得到风险变量的概率特性，然后应用统计方法计算水资源系统风险率。韩宇平等［30］建立了最大熵原理的风险评价模型，通过实例分析，评价出了水资源短缺风险的高低以及需要采取行之有效的管理措施；邹强等［31］针对复杂洪水灾害系统中随机、模糊、灰色等各种不确定性，以最大熵原理为基础，建立了基于最大熵原理的洪水灾害风险模型，并将该模型应用到荆江泄洪区洪水灾害风险分析中；杜朝阳等［32］根据地下水系统不确定性的特点和影响因素，构建了基于最大熵原理的地下水开采降深风险分析模型，并将其应用到水源地下水开采风险分析中，同时验证了该模型具有较好的可行性。

虽然熵理论与方法还不完善，不能自成体系，但是由于熵对不确定性高层次的描述与刻画，用其来研究不确定性问题的有效性还是值得推广和学习的，因而具有广阔的应用前景。

2.3.3 界壳的泛系观控法

界壳论是研究系统周界（界壳）的一般性系统工程理论，该理论专门研究存在于系统周界中的共同规律，研究目的在于更好地选择界壳的结构、功能及其行为，通过界壳对系统与环境的保护和交换作用，实现系统与环境的协调发展［33］。

界壳论将系统分为系统周界（界壳）和系里两部分。例如：在水资源系统中，可将各流域、区域间的分界线，或是为之制定的管理制度及法律法规等视为该系统的周界，将流域干流及支流等视为系统的系里［34］。由于周界处于系统的外围，因此在维护其系统内部的同时还与外部环境进行交流，根据交流信息匹配出与系统相适应的界壳结构、功能及相关参数，更好地配合系统与环境间的交换工作，以此实现系统与环境间的有序交换和协调发展［35］。因此，界壳被定义为“处在系统外围能卫护系统且与环境进行交换的中介体”。

泛系观控是关于广义观测与控制及其一般机理的研究，是泛系理论的重要组成部分，其以泛系理论为基础，以观控风险分析技术为核心，将理论与技术有机结合，为研究系统的风险评估提供了有效方法［36-37］。

界壳的泛系观控模型是将界壳论与泛系观控相结合，借助观控风险分析技术，将该模型应用于水资源系统风险评估中，研究风险与收益间关系这一实际问题上。界壳的泛系观控法克服了模糊风险计算模型中需要决定较多未知因素的难题，或是蒙特卡罗风险估计方法中需要大量的样本信息、计算量巨大的弊端，建立界壳的充分可观控的泛系观控模型，并将其应用到水资源系统的风险评估上，势必会带来新的研究思路。然而现有研究均是围绕着黄河流域水资源调控模型风险评估开展的相关研究［34，38-39］，这一极具新意的风险评估方法亟待学者们在其他领域进行应用，以此验证其评估系统风险的有效性。

3 结语

（1）对于水资源系统风险评估的研究，统计学方法较为传统，在实际应用中不可避免地受到许多因素的限制。目前常用的方法是模糊分析、灰色分析及层次分析法等系统分析方法，此类方法由于各自在单独使用时均存在一定的不足之处，或是在适用范围上没有明确规定，导致分析水资源复杂巨系统风险时难免考虑不周全，计算结果不够精确。

（2）支持向量机、最大熵和界壳的泛系观控等新方法，虽然具有方法新颖、计算精度高等优点，但由于其在水资源系统风险评估中应用尚属尝试，并且其应用领域较为单一，急需学者在其他领域研究验证其有效性。

（3）在实际水资源风险评估中应科学合理的选择多种计算方法，分析实际需求，采用多种技术组合方法进行研究，综合解决水资源系统风险评估问题。只有不断探索与创新，才能够建立可靠的评估体系。

［1］韩宇平，阮本清，解建仓.水资源系统风险评估研究［J］.西安理工大学报，2003，19（1）:41-45.

［2］丁大发，吴泽宁，王海政.黄河流域水资源多维临界调控风险估计［J］.人民黄河，2003，25（1）:44-45.

［3］Fiering M B.Alternative indices of resilience［J］.Water Re-sources Research，1982，18（1）：33-39.

［4］Hashimoto T，Stedinger J R，Loucks D P.Reliability，re-siliency，and vulnerability criteria for water resource system performanceevaluation［J］.WaterResourcesResearch，1982，18（1）：14-20.

［5］阮本清，韩宇平，王浩，等.水资源短缺风险的模糊综合评价［J］.水利学报，2005，36（8）:906-912.

［6］谢翠娜，许世远，王军，等.城市水资源综合风险评价指标体系与模型构建［J］.环境科学与管理，2008，33（5）:163-168.

［7］Simonovic SP.Risk in sustainable water resourcesmanage-ment.Sustainability ofWater Resources under Increasing Un-certainty.IAHSPubl，1997（240）：3-17.

［8］朱国庆，张维，张小薇，等.极值理论应用研究进展评析［J］.系统工程学报，2001，16（1）：72-73.

［9］傅湘，王丽萍，纪昌明.极值统计学在洪灾风险评价中的应用［J］.水利学报，2001（7）:6-10.

［10］欧阳资生，王同辉.基于Copula方法的极值洪水频率与风险分析［J］.统计与信息论坛，2012，27（1）：71-76.

［11］刘涛，邵东国.水资源系统风险评估方法研究［J］.武汉大学学报（工学版），2005，38（6）:66-71.

［12］王卓甫，章志强，杨高升.防洪堤结构风险计算模型探讨［J］.水利学报，1998（7）:64-67.

［13］蔡树英，杨金忠.地下水污染风险分析的初步研究［J］.武汉水利电力大学学报，1997，30（1）：6-10.

［14］李国芳.水利工程经济效益风险分析［J］.河海大学学报（自然科学版），1999，27（5）:34-38.

［15］丁大发，吴泽宁，王海政.黄河流域水资源多维临界调控风险估计［J］.人民黄河，2003，25（1）:44-45.

［16］王长新，王惠民，徐祖信，等.泄洪风险计算方法的比较［J］.水力发电，1996，（12）：13-16.

［17］杨百银，王锐琛，安占刚.单一水库泄洪风险分析模式和计算方法［J］.水文，1999，19（4）：5-12.

［18］徐祖信，郭子中.开敞式溢洪道泄洪风险计算［J］.水利学报，1989（4）：50-54.

［19］王红瑞，钱龙霞，许新宜，等.基于模糊概率的水资源短缺风险评价模型及其应用［J］.水利学报，2009，40（7）：813-821.

［20］罗军刚，解建仓，阮本清.基于熵权的水资源短缺风险模糊综合评价模型及应用［J］.水利学报，2008，39（9）：1092-1097.

［21］Schmucker K.j.Fuzzy Sets Natural language computations and risk analysis［M］.Rockvill Maryland computer Science Press，1984，1-50.

［22］陈新民，夏佳，罗国煜.黄河下游悬河决口灾害的风险分析与评价［J］.水利学报，2000（10）：66-70.

［23］胡国华，夏军，赵沛伦.河流水质风险评价的灰色—随机风险率方法［J］.地理科学，2002，22（2）:249-252.

［24］吴泽宁，王敬，赵南.水资源系统灰色风险计算模型［J］.郑州大学学报，2002，23（3）:22-24.

［25］方燕，党志良.基于层次分析法的渭河流域水环境质量综合评价［J］.水资源与水工程学报，2005，16（1）:45-48.

［26］刘涛，邵东国，顾文权.基于层次分析法的供水风险综合评价模型［J］.武汉大学学报，2006，39（4）:25-28.

［27］黄明聪，解建仓，阮本清，等.基于支持向量机的水资源短缺风险评价模型及应用［J］.水利学报，2007，33（3）:255-259.

［28］王栋，朱元甡.风险分析在水系统中的应用研究进展及其展望［J］.河海大学学报，2002，30（2）:71-77.

［29］王栋，朱元甡.最大熵原理在水文水资源科学中的应用［J］.水科学进展，2001，12（3）:424-430.

［30］韩宇平，王永兵，冯小明.基于最大熵原理的区域水资源短缺风险综合评价［J］.安徽农业科学，2011，39（1）:397-399.

［31］邹强，周建中，周超，等.基于最大熵原理和属性区间识别理论的洪水灾害风险分析［J］.水科学进展，2012，23（3）:323-333．

［32］杜朝阳，钟华平.基于最大熵原理的地下水开采降深风险分析［J］.人民长江，2011，42（11）:95-98.

［33］曹鸿兴.界壳理论及其应用［J］.自然杂志，2000，22（3）:145-148.

［34］黄强，李勋贵，Leon Feng，等.系统周界的观控模型及其应用［J］.系统工程理论与实践，2005（3）:101-106.

［35］佟春生，黄强，刘俊萍，等.水资源系统界壳理论研究及其应用前景［J］.西安理工大学学报，2004，20（1）:21-25.

［36］吴学谋.泛系理论与数学方法［M］.南京：江苏教育出版社，1990.

［37］Yu Hong Yi，Leon Feng，Yu Ran.Pansystem guankong tech-nology and inforrnation quantization［J］.The International JournalofSystems&Cybernetics，2003，32（5）:905-911.

［38］李勋贵，黄强，Leon Feng，等.界壳的泛系观控模型及其在水资源中的应用［J］.兰州大学学报，2005，41（5）：14-19.

［39］佟春生，黄强，刘俊萍，等.水资源系统界壳理论研究及其应用前景［J］.西安理工大学学报，2004，20（1）:21-25.

Progress and prospect of study on risk assessment of water resources system

JIANGQiu-xiang1，2，FU Qiang1，GONG Fan-li1，WANG Zi-long1，2
（1.College ofWater Conservancy and Architecture，Northeast Agricultural University，Harbin 150030，China；2.PostdoctoralMobile Research Station of Agricultural and Forestry Economy Management，Northeast Agricultural University，Harbin 150030，China）

Risk assessment of water resources system is the key to ensure the water resources security and its sustainable utilization.The index system establishment and methods of risk assessment of water resources system were detailedly reviewed in the study.Firstly，the advantages，disadvantages and applicability of the various assessment methods in practice were analyzed.Then，the shortage of the traditional statistics methods，the limitation of the system analysis methods and the development prospect of the new methodswere summarized.Finally，the bestmethod for risk assessment of water resources system，that the risk could be assessed by a method combination based on data characteristics，was proposed.The study provided a theoretical foundation for risk assessmentofwater resources system.

water resources system；risk assessment；assessment index system；statistical assessmentmethod；system analysismethod

F323.2

B

1672-9900（2015）01-0001-05

2014-12-11

国家自然科学基金（51209038）；水利部公益性行业科研专项经费项目（201301096）；黑龙江省教育厅科学技术研究项目（面上）（12531009）；黑龙江省博士后资助（LBH-Z13049）；东北农业大学博士启动金（2012RCB58）

姜秋香（1982-），女（汉族），黑龙江佳木斯人，副教授，主要从事水土资源高效利用和管理研究，（Tel）13804534351。