基于模糊集对分析的河湖水系连通风险评估

沈 婕，梁忠民，王 军

(河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210098)

0 引 言

河湖水系是水资源的载体，是生态环境的重要组成部分，也是经济社会发展的基础[1]。近年来，随着经济的快速发展，人类对水资源的过度开发利用与河湖水系的干扰，导致一些地区出现水资源承载能力和调配能力不足，部分江河和地区洪涝水宣泄不畅，河湖湿地萎缩严重，水环境恶化等问题。因此，人们逐渐认识到河湖水系连通的重要性。

目前，已有不少学者在河湖水系连通评价方面做过研究。如黄草等[2]运用景观生态学的基本原理构建水系格局与连通性评价指标体系，定量分析了河湖水系的连通现状与河湖连通的合理性。Wang等[3]在分析河流系统结构特征的基础上，利用图论方法，在平面尺度上研究了不同河流及相关湖泊之间的连通性。Deng等[4]基于相邻台站的水位波动差异，提出了一种新的定量纵向功能连通性指数(LFCI)。孟祥永等[5]从水系连通的驱动因素和水力效果出发，构建了城市水系连通性评价体系。杨霄等[6]运用MIKE BASIN模型对不同的水系连通工程供水方案进行评价。

我国正在全面推进“四水”(水资源、水生态、水环境、水灾害)统筹治理。河湖水系连通一方面可以提高水资源调控水平和供水保障能力，同时它也有可能带来一系列风险。因此，本文提出基于“四水”风险的河湖水系连通风险评价体系，并采用赵克勤[7]提出的集对分析方法构建河湖水系连通风险评估模型，并以太湖引江济太工程为例进行应用研究，探讨方法的适用性。

1 研究方法

1.1 评价指标体系

进行河湖水系连通的目的是为了提高水资源统筹调配能力、改善水生态环境状况、增强自然灾害抗御能力，最终实现人水和谐。为此，遵循整体性、简明性和可操作性、定量与定性相结合的原则，借鉴相关研究成果，将水资源风险、水环境风险、水生态风险和水资源风险及其影响因子作为要素，组成了河湖水系连通风险评价系统。

我国水系连通工程具有类型较多(水资源配置主导型、防洪减灾主导型、水环境水生态恢复主导型)、区域特点多样(我国中部、西部和东部差异大)、层面不同(有国家层面、区域层面、城市层面)等特点，致使不同水系连通工程的“四水风险”表现形式差异很大，目前还无一套统一成熟的“四水风险”指标体系可供借鉴。为此，本文提出“四层结构”风险评价指标体系，即在传统的 “三层结构”(目标层、要素层和指标层)的基础上，增加了风险属性层。风险属性层对于任何水系连通工程都是相同的，但从属于该风险属性的指标未必相同，可根据水系连通工程具体情况进行动态调整。本文构建的河湖水系连通风险评价指标体系见表1。

表1 河湖水系连通风险评价指标体系

1.2 风险评估模型

目前，风险评估的方法主要有层次分析法、综合评分法、人工神经网络评价法、集对分析法等，其中，集对分析是一种用联系数处理不确定性的方法，在处理不确定性关系上具有一定优势，可应用于河湖水系连通的风险评估中。

将评价对象的指标值xl(L=1,2,…,m，m为评价指标数)与该指标的评价等级k作为两个集合构成一个集对μ(Al，Bk)，通过联系度μ来描述各种不确定性，其表达式为

μ=a+bi+cj

(1)

式中，a为同一度；b为差异度；c为对立度，且a，b，c∈[0，1]，a+b+c=1；i为差异度的系数，i∈[-1，1]；j为对立度系数，取恒定值-1。

之后，将三元联系度中的bi进一步划分为b1i1+b2i2+…+bk-2ik-2，便可以得到基于集对分析的k元联系度。本文采用的河湖水系连通风险评价等级共有5级，因此本文使用的五元联系度表达式为

μ=a+b1i1+b2i2+b3i3+cj

(2)

式中，a，b1，b2，b3，c∈[0，1]，且a+b1+b2+b3+c=1；b1，b2，b3为差异度分量；i1、i2、i3为差异度分量系数。

由于等级标准是人为确定的，并没有明确的界限，因而具有模糊性。在确定联系度μ时，有必要考虑评价标准的模糊性，基于模糊分析理论，构建了模糊联系度。

对于越小越优型的指标，其联系度μA～B表达式则为

(3)

对于越大越优型指标，其联系度μA～B表达式为

(4)

式中，S1、S2、S3、S4分别为I至V类评价等级的临界值。

在此基础上，计算评价样本与评价等级k之间五元综合联系度μA～B的表达式为

(5)

式中，wl为第l个指标的权重。

采用置信度准则来评价河湖水系连通系统的风险等级。计算公式为

hl=(f1+f2+…+fl)>λ

(6)

2 实例应用

2.1 研究区概况

太湖流域是我国经济发展最为突出的核心经济区之一；然而，随着太湖流域经济的快速发展、城市化和工业化进程的不断推进，湖泊水污染和富营养化问题日趋严重，流域水质型缺水问题日益突出。水系连通是解决太湖流域水环境污染的有效途径。2002年水利太湖流域管理局启动了“引江济太”调水工程(见图1)，通过望虞河将水质较好的长江水引入太湖及周边河网，以促进河网有序流动，改善太湖及河网水环境。本文选取2018年作为研究年份，对太湖流域水系连通进行风险评估。

图1 “引江济太”工程示意

2.2 太湖流域水系连通风险评价指标体系与评价标准

根据“引江济太” 调水的实际情况，选取符合太湖流域的风险因子作为评价指标(见表2)。

表2 太湖流域水系连通风险评价指标体系

单项指标的分级采用定量与定性相结合的方法确定，分级标准优先采用国家、地区、行业标准或相关文献研究成果。将河湖水系连通风险等级划分为五个等级，分别为Ⅰ级(轻微风险)、Ⅱ级(较小风险)、Ⅲ级(中等风险)、Ⅳ级(较大风险)和Ⅴ级(重大风险)。具体指标分级标准见表3。

表3 单项指标分级标准

2.3 太湖流域水系连通风险评估

本文研究数据主要来源于《太湖健康状况报告》(2018)、《太湖流域及东南诸河水资源公报》(2018)、《太湖流域引江济太年报》(2018)、《太湖流域片防汛防台年报》(2018)。指标权重与定性指标均由引江济太相关专家进行打分确定。

用层次分析法(AHP法)计算要素层及其各指标的权重，权重结果见表4。

表4 层次分析法赋权结果

采用Copula方法计算长江流域大通站的径流量与太湖流域的降水量的丰枯遭遇。选取1956～1985年共30年径流量与降水量系列，通过Copula函数构造两站的径流量与降水量的联合分布，定量分析两站的丰枯遭遇。

根据评价指标、评价标准及模糊集对评价法，对太湖流域水系连通的风险等级进行评价，评价结果见表5、6。根据各要素层的权重，将其联系度进行加权平均，得到太湖流域水系的连通评估结果(见表6)。

表5 单指标联系度

表6 各要素层的联系度、hk值及综合风险

这里取λ=0.6(中等保守)，根据置信度准则得太湖流域水系连通2018年风险等级成果。

(1)水资源风险中：D1、D2为Ⅰ级(轻微风险)，D3为Ⅱ级(较小风险)。在指标不同权重的作用下，太湖流域水系连通水资源风险等级为Ⅰ级(轻微风险)。

(2)水环境风险中：D4、D5为Ⅱ级(较小风险)，D6为Ⅲ级(中等风险)。太湖流域水系连通水环境风险等级为Ⅱ级(较小风险)。

(3)水生态风险中：D7、D8为Ⅲ级(中等风险)，D9为Ⅴ级(重大风险)。太湖流域水系连通水生态风险等级为Ⅲ级(中等风险)。

(4)水灾害风险中：D10、D12为Ⅱ级(较小风险)，D11为Ⅲ级(中等风险)。太湖流域水系连通水生态风险等级为Ⅱ级(较小风险)。

(5)太湖流域水系连通2018年风险等级为Ⅱ级(较小风险)。

3 结 论

(1)综合分析河湖水系连通风险影响因素，从“四水”方面建立河湖水系连通风险评价指标体系，提出了一种模糊集对河湖水系连通评估方法。该方法对资料需求适中、简单易行。

(2)本文以太湖流域引江济太水系连通为例进行应用研究，结果表明太湖流域水系连通2018年风险等级为较小风险，与工程运行的实际情况相符。

(3)河湖水系连通风险评估的难点主要在于指标体系构建及指标的量化，既要考虑到指标的完整充分性，也要兼顾指标的可获性，因此本文仅是一个探索性的研究。