重庆市缺水风险评估系统及水资源优化配置可行性分析

谢东芝 曹馨匀 卢 彬 蒋 伟

（重庆交通大学 河海学院，重庆 400074）

为了展开对重庆市水资源短缺情况和当地水资源分配情况的研究，我们欲将对重庆市水资源现状进行信息收集、分类、汇总及评估分析，拟定建立一个可以运用于分析重庆市复杂水资源境况、短缺程度的评估系统，能够对重庆部分地区的水资源短缺的严峻形势进行理论分析，以确定各地缺水风险等级，并且预测未来三年重庆市的缺水风险指数，给出更合适的资源优化配置方案。因此，我们首先需要对拟定的研究方案进行可行性分析，为相关研究的进行打下基础。

1 研究背景分析

长期以来，重庆许多民众并不认为重庆市有缺水现象的存在。其实不然，通过各项数据综合观察会发现，重庆确实是一个中度缺水城市：根据最近10年来的资料显示，农田灌溉水有效利用系数仅为0.45-0.55，低于全国平均水平，与世界先进水平0.7-0.8差距更大；万元工业增加值用水量甚至是发达国家的3-4倍。重庆市水资源的供需矛盾已成为制约经济可持续发展的主要瓶颈。

2 水资源短缺风险评估系统建立的可行性分析

风险分析是对不确定影响因素较多的事物可能造成的经济损失和资源浪费，进行一个人为的判断和预估。不论是在经济学，还是在社会科学领域中，风险分析都发挥着较强的作用，并得到人们的广泛应用。风险分析于20世纪50年代末期引入水文领域，相关研究历经了三个阶段，从单一的工程效益分析发展到对社会、生态产生影响的分析，是研究水资源管理和规划问题中的一个重要方面。

随着水资源供需矛盾问题的日益突出，水资源短缺风险研究成为水文风险研究的一个重要领域。许多学者通过选定不同区域和不同风险评估指标，直接或间接地对范围内水资源短缺风险进行评价。由于无法用同一个评估系统或模型准确地描述大范围内的普遍缺水情况，这一领域目前的研究还不够完善，因此我们决定对重庆市范围内部分地区水资源情况进行研究、建立风险评估系统的想法是可行的。

总而言之，对于以往的水文风险研究来说，更多的是对个别风险指标进行描述，而水资源系统风险的综合评价较少见，但随着时间的推移，单一指标的局限性便显现出来了，综合评价也凸显了其优越性。

风险分析主要分为风险识别、风险估计和风险评价三个步骤。风险识别意在判断出风险之所在和引起风险的主要因素，也就是对水资源系统所面临的以及潜在的风险因素作出定性估计，加以判断、归类，并鉴定风险性质。风险估计是指对已判别出的各种风险因素估计其发生的可能性大小及其可能的后果。风险评价是根据风险识别和估计的结果，用某种指标表示风险的大小，并将其与规定的允许风险标准相比较，以衡量风险的严重程度。

3 水资源短缺配置优化及趋势预测可行性分析

建立缺水评估体系实质上是为了地区未来能够更好地对水资源的使用进行规划，从而实现资源节约，因此，对未来城市缺水情况的预测是有必要的。我们可利用曲线拟合得到风险主导因子的未来变化趋势，并重复风险分析的步骤确定未来几年的风险等级情况，针对不同的情况对水资源配置进行优化调整，总结防范水资源短缺风险的对策和建议。

3.1 优化配置的数学建模基础

水资源配置优化的问题，从数学建模方面，大致可以归属于最优化问题数学模型。

数学建模是一种数学思维方法，就是根据实际问题来建立数学模型并对它进行求解，然后根据结果去解决实际问题。它是运用数学的语言和方法，通过抽象、简化建立能近似刻画并“解决”实际问题的一种强有力的数学手段。数学建模中有十大算法，在此不一赘述。

对重庆市缺水风险进行综合评估，通过查阅大量相关资料，了解导致重庆市水资源短缺的因素，并通过对事故树法、灰色关联模型、熵值法、模糊综合评价方法和MATLAB模拟仿真的运用，为重庆市水资源短缺风险划分等级，并预测未来三年的风险等级，给予合理的水资源规划建议。技术路线如下：

1）首先，使用事故树法和数据统计分析，找出导致重庆市水资源短缺的因素，即风险因子。2）其次，通过已有数据构建灰色关联模型，通过量化分析找出导致重庆市缺水的主要因素，即风险主导因子。关联度越大，该因子对水资源的影响程度越大。3）然后，建立数学模型，划分风险等级，运用模糊统计的方法求解各风险主导因子的隶属度，根据熵值法确定各风险主导因子在综合评价中的权重，并对重庆市水资源短缺风险进行综合评价，进行缺水程度的等级划分，再进行模糊综合评价确定重庆市当前水资源短缺风险等级。4）最后，运用MATLAB数据拟合，预测未来三年重庆市水资源短缺风险等级的变化情况，并给出合理的水资源配置规划建议，以缓解重庆市水资源短缺的问题，实现经济和生态资源的可持续发展。

3.2 水资源配置优化及趋势预测的可行性分析

关于水资源的优化配置和趋势预测，主要解决以下几个方面的问题：1）造成重庆市水资源短缺风险的风险因子是什么？即如何判断风险因子？2）如何对重庆市水资源短缺风险进行综合评价，依据什么条件做出风险等级划分？3）如何利用建模和计算机软件等方法实现编程，对水资源的配置进行合理优化，提高有效利用率？4）如何预测未来三年的缺水风险等级变化并给出相应的应对措施和参考建议。

针对第一、二个问题，我们可以判定水资源的风险因子为农业用水、工业用水、第三产业用水、降水量、人口、平均气温、污水总量等。通过对重庆市近三十年来的各个因素数据的分析，构建灰色分析模型，用Matlab软件编程得到各个风险因子彼此间的灰色关联度，最后通过彼此之间关联度的大小，从而得到影响重庆市水资源短缺的主要风险因子有哪些，排除非主要风险因子，从而减少一定的工作量。

针对第三、四个问题，可以在确定风险因子的基础上，采用脆弱性、风险度、风险率、可恢复性、周期性作为区域水资源短缺风险评价指标，建立模糊综合评价指标体系。通过建立的隶属函数得到模糊关系矩阵和风险评价各因素的权重得到综合评价矢量，并建立多元线性回归模型，划分低、中、高风险等级，得出重庆市水资源短缺处于什么样的风险状态。利用计算机编程，分析计算在一定变量条件下的最佳优化方案。基于这个优化后的方案，预测未来的变化趋势，进一步给出一些能够降低重庆市水资源短缺风险因子的应对措施和建议。

由此可见，不论是从数学建模的理论基础出发还是投入到实际工程的应用中，水资源的风险评估优化配置都是切实可行的。