疏勒河流域的水资源安全评价预警研究

武兰珍，赵婷婷，赵 霞，王兴繁，孙栋元

(甘肃农业大学水利水电工程学院，甘肃 兰州 730070)

0 引言

水资源是人类赖以生存和发展的重要物质因素之一。随着人类社会高质量的发展，对水资源需求量逐渐加大，导致水资源的供需矛盾日益尖锐，对生态环境的影响日益增大，总体现状不容小嘘[1]。作为中国典型的干旱内陆河流域，疏勒河流域是一个严重的干旱缺水地区。其水安全问题日益成为社会和人类的关键焦点问题之一。

水安全预警是将预警理论和方法运用到管理过程中，与区域水资源的实际情况相结合，对偏离理想状态的水资源的质和量进行适当的预警，并作出相应的指导措施。水资源安全预警包括水资源安全状况评估，水资源安全趋势预报，水资源安全管理3个部分。水资源安全的现状评估，主要是对当前以及近几年来的水资源安全状况展开分析，要从两个角度来进行评估：一是程度评估(现状评估)，二是强度评估(发展速度评估)；水资源安全状况变化趋势预测，是在未来一定时间内，将系统内影响水资源变化的要素进行适当的分析，从而对水资源安全状况进行相应的预测，其系统内指标预测性进行了评价，对水资源的安全进行判定。

水资源安全预警的主要目的是对水资源安全进行调控，在预警级别预测的基础上，采取相应措施清除相应的预警，保证水资源的安全。

水安全预警系统的一个重要方面是确定水资源偏离理想状态的程度。在系统中，预警级别和水平、边界和灯光是相互对应的。预警级别表示预警的程度；预警等级是预警的程度，对应的预警等级分别为无警、轻警、中警、重警、极重警；预警边界是描述不同等级不同预警的指标边界；依据其确定预警灯，当指标由重到轻超过相应的预警值时，分别为“红灯”“橙灯”“橘灯”和“红灯”；当超过指标相应的阈值时，则分别显示“红灯”“橙灯”“黄灯”和“绿灯”“蓝灯”的信号灯。

1 基于突变理论方面的安全预警

1.1 突变理论

法国数学家Rene Thom于20世纪70年代新建了一门新型的交叉数学学科，主要内容包括不连续的变化和突变[2]。在一个方程组中，一个方程组是一个具有惟一不变性的方程组，该方程组是一个稳定的方程组。灾变建模是以系统内部的潜功能为基础，包括描述其特性的状态和影响其灾变的控制变量。在此基础上，对系统进行了奇点集的变换，从而获得了系统在控制空间中的轨道-离散集。对势函数V(x)进行一次微分和二次微分，再消去x，从而获得一次分散集公式。当这些参数的数值到达分歧集中时，其位能将发生突变，也就是从一种状态跃迁到另外一种状态。因此，可以通过对分支集合的研究来实现对该体系的控制。在一维的条件下，存在4种突变模式，见表1。

表1 一维状态下变量的突变模型

1.2 基于突变理论的突变级数法

从各预警指标所表达的报警情况来判断整个水利系统的报警情况，是一个多标准的决策系统。突变级数法是一种利用突变理论和模糊数学构建模糊隶属度函数对系统中的评价指标进行多层次、多级分解，利用标准化公式对其进行定量分析，最终将其恢复到固定的比特参数，这就是总体隶属度函数，进而实现对水资源安全性的评估。

1.2.1层次结构模型建立

根据系统的内在效应原则，将其根据系统中多种评价指标分成多层结构，一般结果为固定可测量的子指标后停止运行[3]。根据经验确定具体的每个评价指标的重要性，解决在同一层次、同一属性结构中，根据指标的重要程度，按顺序由大指标分成小指标确定权重值的困难。在常见突变系统中，其控制变量一般不超过4个，每层控制变量分解的子指标也不超过4个[3-4]。如图1所示，不同的控制变量对应不同的突变模型。

图1 突变模型系统示意图

1.2.2突变模型的归一公式

分歧集方程的状态变量和控制变量的正规化被限制在0和1的范围内。即将差分集合方程正规化，得出各突变模型的正规化公式。见表2。在归一化之后，将状态变量和控制变量控制在0～1之间。这就是突变多标准评价方法的关键内容—突变模糊隶属度函数[3，5]。与平常模糊隶属度函数相类似，但在应用上有很大的区别。不是用户主观地赋予权重值，而是模型对每个控制变量状态的影响；此外，控制变量和状态变量之间的矛盾关系是基于突变模型的内在矛盾性。3个常用模型的控制变量的作用和优先级如下：

表2 突变模型归一公式

尖点突变：a(剖分因子)，b(正则因子)

燕尾突变：a(剖分因子)，b(正则因子)，c(燕尾因子)

蝴蝶突变：a(剖分因子)，b(正则因子)，c(蝴蝶因子)，d(偏畸因子)[3，6]

1.3 综合评价

为了消除不同指标之间因尺度不同而造成的指标不可比性，评价指标首先要做到无量纲。

对于越大越好型指标，令：

(1)

对于越小越好型指标，令：

(2)

式中，xij—原始数据；xmax(j)—j行数据最大值；xmin(j)—j行数据最小值；yij—无量纲化处理后的数据。

突变水平或突变模糊隶属度函数应将状态变量和控制变量控制在0～1之间。

突变水平或突变模糊隶属度函数是状态变量和控制变量在0～1之间变化的值。根据其内容及突变模型的正规化公式和互补或非互补原则，依次从下往上计算状态变数的值是最终评价结果。所谓“补充”原则，是指系统中的控制变量(如a，b，c，d)可以彼此相互补充，采用正规化公式求状态变量x时，应对控制变量xa，xb，xc，xd进行平均值的计算[3，7-9]。“非互补”原则，是指系统中的控制变量(如a，b，c，d)不能彼此之间相互补充，也就是说，系统控制变量xa，xb，xc，xd中，应取最小值作为系统x的值。这叫“大中取小”[3，10-11]。

2 案例分析

2.1 疏勒河流域水资源安全预警指标体系

水资源安全预警是指将预警理论与预警方法应用于水资源安全管理中，对水资源偏离预期值作出警度级别，其指标主要分为预警状况、预警来源和预警前兆。其中警报状况指标是指描述区域水资源安全警报研究对象的指标；依据概念描述和划分警情产生的统计指标；警源指标的前兆指标是警报指标[3]。水资源安全预警指标根据社会、经济和生态环境的状态，将社会-经济-生态环境-水资源等复合系统中的特点、信息、指标定为研究对象，以警源指标为依据，警兆指标为主体，构建本文的反映疏勒河流域水资源安全预警指标体系见表3。对表3中各指标警界及对应的警灯而言，正向指标大于最大临界值时为无警，小于最小临界值时为极重警，反之亦然。例如，指标年降水量C11这一正向指标，当降水量大于105mm时为无警，小于50mm时为极重警。

表3 流域水资源安全预警指标体系及其警界、警灯

2.2 疏勒河流域水资源安全警度预测

2.2.1突变模型及预警阙值

采用突变级数法确定疏勒河流域水安全预警等级划分的队列值。利用上述所建指标体系，成立依据突变级数法的评估要求组织指标体系，见表4。根据突变理论指示，依次排序为重要指标和次要指标，建立层次结构模型，并依据此选择相应的模型。

表4 疏勒河流域层次结构及突变模型

根据互补性原则：

B5=C24=0.4051

B8=C31=0.4773

B10=C41=0.3656

表5 水资源安全预警警度划分阈值

2.2.2预测警度

参考《甘肃省水资源公报》，搜集疏勒河流域2005—2017年水资源安全预警指标的原始数据[12-13]。各项指标的原始数据数据无量纲，将2005—2017年的疏勒河流域数值按突变级数法进行计算，并对各值和预警阙值进行对比分析，确定各年的预警水平，结果见表6、如图2所示。其中2005—2009年为轻警状态、2010—2013年为重警状态、2014—2017年为极重警状态。

表6 疏勒河2015—2017年水资源安全预警结果

图2 疏勒河2015—2017年水资源安全预警结果

3 结论

针对疏勒河水资源安全预警，设计了由目标层、标准层和地表层3个层次相互相辅相成且通用预警指标体系框架。预警指标为对象，源头指标为基础，预警标志为主体，包括社会系统、经济系统、水资源系统和水生生态环境系统。根据疏勒河流域的突变级数法的评估要求，选取合适的预警指标体系，构建其层次结构模型。根据疏勒河流域实际情况，结合突变理论确定了警度预报的阈值：I≥0.9981，无警；0.9569≤I<0.9981，轻警；0.9281≤I<0.9569，中警；0.8601≤I<0.9281，重警；I<0.8601为极重警。其中I为根据突变级数法求得的综合指数。疏勒河流域2005—2017年13年中水资源安全一直处于有警状态，其中2005—2009年为轻警状态、2010—2013年为重警状态；2014—2017年为极重警状态。