姜秋香，付強(qiáng)，宮凡荔，王子龍

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與建筑學(xué)院，哈爾濱 150030；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)林經(jīng)濟(jì)管理博士后科研流動(dòng)站，哈爾濱 150030）

水文水資源

水資源系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估研究進(jìn)展及展望

姜秋香1，2，付強(qiáng)1，宮凡荔1，王子龍1，2

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與建筑學(xué)院，哈爾濱 150030；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)林經(jīng)濟(jì)管理博士后科研流動(dòng)站，哈爾濱 150030）

介紹了水資源系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)體系構(gòu)建和風(fēng)險(xiǎn)評估方法研究進(jìn)展，著重分析了多種風(fēng)險(xiǎn)評估方法在實(shí)踐中的優(yōu)缺點(diǎn)和適用性，總結(jié)了傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法的不足和系統(tǒng)分析方法的局限性及新方法的發(fā)展前景，提出了結(jié)合數(shù)據(jù)特征綜合利用所需評估方法，同時(shí)也為更好地建立水資源風(fēng)險(xiǎn)評估體系奠定了理論基礎(chǔ)。

水資源系統(tǒng)；風(fēng)險(xiǎn)評估；評估指標(biāo)體系：系統(tǒng)分析方法

水資源系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估包括定義系統(tǒng)問題、風(fēng)險(xiǎn)識別、風(fēng)險(xiǎn)分析、風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算和風(fēng)險(xiǎn)決策5部分［1］。

水資源系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估不僅能在一定程度上降低風(fēng)險(xiǎn)和災(zāi)害產(chǎn)生的損失，同時(shí)也能提高水資源配置效能［2］。通過對風(fēng)險(xiǎn)評估進(jìn)行科學(xué)合理的分析，定量評價(jià)水資源系統(tǒng)中存在的已知與未知的風(fēng)險(xiǎn)，采取有效的風(fēng)險(xiǎn)決策，才能更好地保證水資源系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估理論與實(shí)踐的完美結(jié)合，保障水資源系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。

1 風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)體系

在水資源系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估中，通過構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)體系可完成風(fēng)險(xiǎn)識別和風(fēng)險(xiǎn)分析。

目前，水資源系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)研究已由單項(xiàng)指標(biāo)選取向指標(biāo)體系構(gòu)建轉(zhuǎn)變。Fiering［3］對水資源系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)中可恢復(fù)性進(jìn)行了深入研究，并給出11種系統(tǒng)可恢復(fù)性度量方法，為后續(xù)相關(guān)研究提供了參考；Hashimoto［4］運(yùn)用數(shù)學(xué)思想定量表達(dá)了可靠性、可恢復(fù)性和脆弱性3個(gè)風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)，為水資源系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估的模型建立奠定了基礎(chǔ)。阮本清等［5］針對區(qū)域水資源短缺問題，采用風(fēng)險(xiǎn)率、脆弱性（易損性）、重現(xiàn)期、可恢復(fù)性和風(fēng)險(xiǎn)度作為其風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)，以此完成水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)體系的構(gòu)建。謝翠娜等［6］在剖析自然災(zāi)害、城市干旱缺水、水環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)評估研究成果基礎(chǔ)上，根據(jù)城市水資源的自然、生態(tài)環(huán)境及水資源風(fēng)險(xiǎn)的形成原理，提出了一套由危險(xiǎn)性、暴露性、脆弱性和防災(zāi)減災(zāi)能力組成的風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)體系。該指標(biāo)體系涵蓋了中國大多數(shù)城市的基本水資源條件，是一套適合中國城市水資源綜合風(fēng)險(xiǎn)評估的指標(biāo)體系。

2 風(fēng)險(xiǎn)評估方法

在風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)體系構(gòu)建的基礎(chǔ)上，通過選取適宜的評估方法，對系統(tǒng)運(yùn)行發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)的概率及其損失程度作出估計(jì)，可定量化評估水資源系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)。風(fēng)險(xiǎn)評估方法的選擇不僅決定著能否客觀地反應(yīng)系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也影響著規(guī)避系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)策略的制定。目前，風(fēng)險(xiǎn)評估諸多方法可歸為統(tǒng)計(jì)學(xué)方法、系統(tǒng)分析方法和新方法三大類。

2.1 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

2.1.1 概率論和極值統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

概率論視系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生為隨機(jī)變量，以概率統(tǒng)計(jì)作為其數(shù)學(xué)工具，模擬系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)概率分布，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)評估。該方法已被應(yīng)用于水資源管理的不確定性分析中［7］。其具有概念性強(qiáng)，簡單易懂等優(yōu)點(diǎn)，但當(dāng)隨機(jī)變量影響因素較多時(shí)，由于難以找到變量之間的概率關(guān)系，致使無法求得解析解或數(shù)值解，因此該方法在實(shí)際應(yīng)用中對系統(tǒng)中變量的數(shù)目和關(guān)系要求較為嚴(yán)格。

極值統(tǒng)計(jì)學(xué)方法在處理樣本容量極值（最大值和最小值）的基礎(chǔ)上，組成最大值和最小值總體，以此利用極值概率分布的隨機(jī)變量來模擬極值［8］。其優(yōu)點(diǎn)在于可以很好地模擬突發(fā)情況下的水資源風(fēng)險(xiǎn)，缺點(diǎn)是無法劃分風(fēng)險(xiǎn)范圍和風(fēng)險(xiǎn)強(qiáng)度。該方法在洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評估中應(yīng)用較為廣泛［9-10］。

2.1.2 重現(xiàn)期法

重現(xiàn)期法是從工程水文學(xué)角度提出的風(fēng)險(xiǎn)率計(jì)算方法，該方法基于兩個(gè)前提假設(shè)：①各水文事件的發(fā)生是獨(dú)立的；②各水文事件發(fā)生的概率相等。重現(xiàn)期法在計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)上具有簡單易行的優(yōu)點(diǎn)，但也有其局限性。如重現(xiàn)期是由歷史資料的統(tǒng)計(jì)和外延推得，故風(fēng)險(xiǎn)率計(jì)算會(huì)受到統(tǒng)計(jì)資料精度的限制。阮本清等［5］在研究水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)中指出重現(xiàn)期可采用平均值，但是在實(shí)際應(yīng)用中需根據(jù)不同情況選擇不同的重現(xiàn)期。

2.1.3 蒙特卡洛模擬法

蒙特卡洛模擬法（Monte-Carlo，簡稱MC）是用隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生具有相同發(fā)生概率的隨機(jī)數(shù)，將其輸入模型進(jìn)行模擬試驗(yàn)，經(jīng)過不斷的反復(fù)，得出風(fēng)險(xiǎn)變量的頻率分布，再通過統(tǒng)計(jì)分析得到風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)。

MC法計(jì)算精度高，常被應(yīng)用于風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算中，尤其對于非線性、不同分布及相關(guān)系統(tǒng)更為有效。但該方法依賴樣本容量和抽樣次數(shù)，不僅計(jì)算量大，而且計(jì)算結(jié)果精確度不高，因此，在可以選擇其他簡單方法時(shí)，應(yīng)盡可能避免使用MC法，或僅以此方法作為一種參考對照［11］。

2.1.4 JC法

JC法是由克拉維茨和菲斯萊等人提出的一種從一次二階矩法、改進(jìn)的一次二階矩法發(fā)展而來的風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算方法，其適用于隨機(jī)變量為任意分布的情況。該方法不僅可以對非線性的狀態(tài)方程求解，而且對狀態(tài)方程中變量的分布不加限定，在計(jì)算同等精度時(shí)，JC法的效率高于MC法［16］，因此，該方法越來越受到學(xué)者的青睞。目前，JC法已被廣泛應(yīng)用于水庫泄洪風(fēng)險(xiǎn)分析中［17-18］。

2.2 系統(tǒng)分析方法

2.2.1 模糊風(fēng)險(xiǎn)分析法

由于水資源系統(tǒng)的不確定性，并在其不斷發(fā)展及演變過程中，受到來自諸多因素的影響，致使系統(tǒng)表現(xiàn)出不穩(wěn)定、模糊或混沌等現(xiàn)象，這些都是水資源系統(tǒng)客觀存在的模糊現(xiàn)象，因此，在研究水資源系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)可采用模糊分析法。該方法的優(yōu)點(diǎn)是模糊理論研究較為成熟，不足之處是隸屬度函數(shù)的構(gòu)建沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，在建立模型或是選取指標(biāo)時(shí)主觀性比較強(qiáng)。阮本清等［5］、王紅瑞等［19］、羅軍剛等［20］均采用了模糊方法對區(qū)域水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了綜合評價(jià)。Schmucker［21］提出了用合并子系統(tǒng)的方法來計(jì)算整個(gè)系統(tǒng)的模糊風(fēng)險(xiǎn)；Simonovic［7］將風(fēng)險(xiǎn)用模糊集方法加以定義，并對水資源管理中的不確定性來源進(jìn)行了分類。

2.2.2 灰色風(fēng)險(xiǎn)分析法

水資源系統(tǒng)被定義為復(fù)雜的巨系統(tǒng)，其復(fù)雜性體現(xiàn)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響因素眾多，研究時(shí)人們只能把握部分，而不能了解全部的信息量。在這種信息部分已知、部分未知的情況下，將系統(tǒng)變量視為灰變量，可采用灰區(qū)間預(yù)測的方法來度量系統(tǒng)的不確定性，以此強(qiáng)調(diào)對風(fēng)險(xiǎn)率的灰色不確定性的描述和量化。鑒于在研究水資源系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)巨大信息量的同時(shí)，不可避免地會(huì)遇到信息量的缺失或未知，而灰色風(fēng)險(xiǎn)分析法正彌補(bǔ)了這方面的空缺。在實(shí)際應(yīng)用中，灰色風(fēng)險(xiǎn)分析法的局限性較小，適用范圍較廣。目前，該方法已被廣泛應(yīng)用于堤壩決口的可行性分析［22］、河流重金屬污染的風(fēng)險(xiǎn)評估［23］、水資源系統(tǒng)灰色不確定因素風(fēng)險(xiǎn)評估［24］中。

2.2.3 層次分析法

水資源系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估是由多指標(biāo)組成的、具有一定層次結(jié)構(gòu)的復(fù)雜系統(tǒng)，研究過程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)在于指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算，為此我國學(xué)者［25-26］探討了將層次分析作為指標(biāo)權(quán)重計(jì)算的工具，最終根據(jù)權(quán)重的取值來評價(jià)風(fēng)險(xiǎn)的大小?；趯哟畏治龅乃Y源系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估，在建立風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，利用層次分析法確定各風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的相對權(quán)重并建立綜合評估模型，最后綜合各種風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)值對水資源系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估。層次分析法是從定性分析到定量分析綜合集成的典型的系統(tǒng)工程方法，具有較強(qiáng)的推廣和應(yīng)用價(jià)值。

2.3 新方法

2.3.1 支持向量機(jī)法

支持向量機(jī)是一種基于結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小化的新型機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，也是一種具有很好泛化能力的回歸方法，同神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一樣，具有逼近任意連續(xù)有界非線性函數(shù)能力的一種回歸方法。黃明聰?shù)龋?7］闡述了支持向量回歸機(jī)的原理：首先選取風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)，再通過給定的估計(jì)函數(shù)，利用對偶原理、拉格朗日乘子法和核技術(shù)，最終得到支持向量機(jī)的水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型，并將其成功應(yīng)用于閩東南地區(qū)水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)中。支持向量機(jī)方法在水資源風(fēng)險(xiǎn)評估領(lǐng)域的研究尚屬嘗試，其應(yīng)用過程比較公式化，適用范圍尚無明確限定，還有待學(xué)者們進(jìn)一步深入研究。

2.3.2 最大熵風(fēng)險(xiǎn)分析法

無論是模糊還是灰色風(fēng)險(xiǎn)分析法，對其應(yīng)用都源于水資源系統(tǒng)的不確定性，風(fēng)險(xiǎn)與不確定性是緊密聯(lián)系的，這是水資源系統(tǒng)的一大顯著特性［28］。

熵是隨機(jī)變量不確定性或所含信息量的度量，故可采用熵來計(jì)算水資源系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)程度。最大熵原理是指對于“不適定問題”（指求解問題時(shí)由于數(shù)據(jù)不完全，在給定的條件下，不足以推求該問題的確定解），在其所有的可行解中，當(dāng)滿足一定的約束條件時(shí)，應(yīng)選擇熵值最大的一個(gè)［29］。熵最大意味著此時(shí)的解所包含的主觀成分最少，因此，該解最客觀，誤差最小。

在水資源系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估中，可通過最大熵原理得到風(fēng)險(xiǎn)變量的概率特性，然后應(yīng)用統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算水資源系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)率。韓宇平等［30］建立了最大熵原理的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型，通過實(shí)例分析，評價(jià)出了水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)的高低以及需要采取行之有效的管理措施；鄒強(qiáng)等［31］針對復(fù)雜洪水災(zāi)害系統(tǒng)中隨機(jī)、模糊、灰色等各種不確定性，以最大熵原理為基礎(chǔ)，建立了基于最大熵原理的洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)模型，并將該模型應(yīng)用到荊江泄洪區(qū)洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析中；杜朝陽等［32］根據(jù)地下水系統(tǒng)不確定性的特點(diǎn)和影響因素，構(gòu)建了基于最大熵原理的地下水開采降深風(fēng)險(xiǎn)分析模型，并將其應(yīng)用到水源地下水開采風(fēng)險(xiǎn)分析中，同時(shí)驗(yàn)證了該模型具有較好的可行性。

雖然熵理論與方法還不完善，不能自成體系，但是由于熵對不確定性高層次的描述與刻畫，用其來研究不確定性問題的有效性還是值得推廣和學(xué)習(xí)的，因而具有廣闊的應(yīng)用前景。

2.3.3 界殼的泛系觀控法

界殼論是研究系統(tǒng)周界（界殼）的一般性系統(tǒng)工程理論，該理論專門研究存在于系統(tǒng)周界中的共同規(guī)律，研究目的在于更好地選擇界殼的結(jié)構(gòu)、功能及其行為，通過界殼對系統(tǒng)與環(huán)境的保護(hù)和交換作用，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展［33］。

界殼論將系統(tǒng)分為系統(tǒng)周界（界殼）和系里兩部分。例如：在水資源系統(tǒng)中，可將各流域、區(qū)域間的分界線，或是為之制定的管理制度及法律法規(guī)等視為該系統(tǒng)的周界，將流域干流及支流等視為系統(tǒng)的系里［34］。由于周界處于系統(tǒng)的外圍，因此在維護(hù)其系統(tǒng)內(nèi)部的同時(shí)還與外部環(huán)境進(jìn)行交流，根據(jù)交流信息匹配出與系統(tǒng)相適應(yīng)的界殼結(jié)構(gòu)、功能及相關(guān)參數(shù)，更好地配合系統(tǒng)與環(huán)境間的交換工作，以此實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與環(huán)境間的有序交換和協(xié)調(diào)發(fā)展［35］。因此，界殼被定義為“處在系統(tǒng)外圍能衛(wèi)護(hù)系統(tǒng)且與環(huán)境進(jìn)行交換的中介體”。

泛系觀控是關(guān)于廣義觀測與控制及其一般機(jī)理的研究，是泛系理論的重要組成部分，其以泛系理論為基礎(chǔ)，以觀控風(fēng)險(xiǎn)分析技術(shù)為核心，將理論與技術(shù)有機(jī)結(jié)合，為研究系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)評估提供了有效方法［36-37］。

界殼的泛系觀控模型是將界殼論與泛系觀控相結(jié)合，借助觀控風(fēng)險(xiǎn)分析技術(shù)，將該模型應(yīng)用于水資源系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估中，研究風(fēng)險(xiǎn)與收益間關(guān)系這一實(shí)際問題上。界殼的泛系觀控法克服了模糊風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算模型中需要決定較多未知因素的難題，或是蒙特卡羅風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)方法中需要大量的樣本信息、計(jì)算量巨大的弊端，建立界殼的充分可觀控的泛系觀控模型，并將其應(yīng)用到水資源系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)評估上，勢必會(huì)帶來新的研究思路。然而現(xiàn)有研究均是圍繞著黃河流域水資源調(diào)控模型風(fēng)險(xiǎn)評估開展的相關(guān)研究［34，38-39］，這一極具新意的風(fēng)險(xiǎn)評估方法亟待學(xué)者們在其他領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用，以此驗(yàn)證其評估系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)的有效性。

3 結(jié)語

（1）對于水資源系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估的研究，統(tǒng)計(jì)學(xué)方法較為傳統(tǒng)，在實(shí)際應(yīng)用中不可避免地受到許多因素的限制。目前常用的方法是模糊分析、灰色分析及層次分析法等系統(tǒng)分析方法，此類方法由于各自在單獨(dú)使用時(shí)均存在一定的不足之處，或是在適用范圍上沒有明確規(guī)定，導(dǎo)致分析水資源復(fù)雜巨系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)難免考慮不周全，計(jì)算結(jié)果不夠精確。

（2）支持向量機(jī)、最大熵和界殼的泛系觀控等新方法，雖然具有方法新穎、計(jì)算精度高等優(yōu)點(diǎn)，但由于其在水資源系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估中應(yīng)用尚屬嘗試，并且其應(yīng)用領(lǐng)域較為單一，急需學(xué)者在其他領(lǐng)域研究驗(yàn)證其有效性。

（3）在實(shí)際水資源風(fēng)險(xiǎn)評估中應(yīng)科學(xué)合理的選擇多種計(jì)算方法，分析實(shí)際需求，采用多種技術(shù)組合方法進(jìn)行研究，綜合解決水資源系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估問題。只有不斷探索與創(chuàng)新，才能夠建立可靠的評估體系。

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

JIANGQiu-xiang1，2，F(xiàn)U 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

國家自然科學(xué)基金（51209038）；水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目（201301096）；黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（面上）（12531009）；黑龍江省博士后資助（LBH-Z13049）；東北農(nóng)業(yè)大學(xué)博士啟動(dòng)金（2012RCB58）

姜秋香（1982-），女（漢族），黑龍江佳木斯人，副教授，主要從事水土資源高效利用和管理研究，（Tel）13804534351。