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1、1摘要现在北京水资源短缺风险处于高风险水平，水资源供需状况极度危险，对水资源采取有效的风险管理措施已刻不容缓。对北京水资源短缺问题进行了探讨。首先 ,通过实地调查和资料分析，根据这些资料我们对问题一采用列出了可能导致北京水资源短缺风险的各方面原因，并建立了相应的风险指标体系。然后对北京的各区的风险指标值进行了获取工作。针对北京的实际资料 ,采用主成分分析法进行定量筛选，最终确定出导致风险的敏感因子，为进一步进行风险评价奠定了基础 ,同时也为制订风险的防范措施和对策提供了理论依据。对于问题二我们选取北京水资源短缺风险程度的风险率，脆弱性、可恢复性、重现期和风险度作为评价指标，研究了水资源短缺风险
2、的模糊综合评价方法。最后对北京的水资源短缺风险进行了评价。对于问题三、四，根据第一、二问的解答进行合理的预测并从多方面提出合理的建议报告关键词: 水资源短缺风险；风险指标体系； 模糊综合评价方法；风险敏感因子；主成分分析法；层次分析法2一 问题重述水资源，是指可供人类直接利用，能够不断更新的天然水体。主要包括陆地上的地表水和地下水。风险，是指某一特定危险情况发生的可能性和后果的组合。水资源短缺风险，泛指在特定的时空环境条件下，由于来水和用水两方面存在不确定性，使区域水资源系统发生供水短缺的可能性以及由此产生的损失。近年来，我国、特别是北方地区水资源短缺问题日趋严重，水资源成为焦点话题。以北京市
3、为例，北京是世界上水资源严重缺乏的大都市之一，其人均水资源占有量不足 300m3，为全国人均的 1/8，世界人均的1/30，属重度缺水地区，附表中所列的数据给出了 1979 年至 2000年北京市水资源短缺的状况。北京市水资源短缺已经成为影响和制约首都社会和经济发展的主要因素。政府采取了一系列措施, 如南水北调工程建设, 建立污水处理厂,产业结构调整等。但是，气候变化和经济社会不断发展，水资源短缺风险始终存在。如何对水资源风险的主要因子进行识别，对风险造成的危害等级进行划分，对不同风险因子采取相应的有效措施规避风险或减少其造成的危害，这对社会经济的稳定、可持续发展战略的实施具有重要的意义。北京
4、 2009 统计年鉴及市政统计资料提供了北京市水资源的有关信息。利用这些资料和你自己可获得的其他资料，讨论以下问3题：1 评价判定北京市水资源短缺风险的主要风险因子是什么？影响水资源的因素很多,例如：气候条件、水利工程设施、工业污染、农业用水、管理制度，人口规模等。2 建立一个数学模型对北京市水资源短缺风险进行综合评价， 作出风险等级划分并陈述理由。对主要风险因子,如何进行调控，使得风险降低？3 对北京市未来两年水资源的短缺风险进行预测，并提出应对措施。4 以北京市水行政主管部门为报告对象，写一份建议报告。二 问题的分析2.1、对问题一的分析问题一属于寻找多方面因素影响的主要因子问题。通过实地
5、调查和资料分析，列出了可能导致北京水资源短缺风险的各方面原因，并建立了相应的风险指标体系。然后，对其风险指标值进行了获取工作。采用主成分分析法对风险指标进行定量筛选，最终确定出导致风险的敏感因子，为进一步进行风险评价奠定了基础，同时也为制订风险的防范措施和对策提供了理论依据。2.2、对问题二的分析问题二属于水资源短缺分析的模糊综合评价。供水和需水都存在不确定因素。因此，水资源短缺也具有随机性，即存在一定的水4资源短缺风险。概括而言，所谓水资源短缺风险是指在特定的时空环境条件下，由于来水和用水两方面存在不确定性， 使区域水资源系统发生供水短缺的概率以及由此产生的损失。选取北京水资源短缺风险程度的
6、风险率、脆弱性、可恢复性、重现期和风险度作为评价指标，研究水资源短缺风险的模糊综合评价方法。最后对北京和的水资源短缺风险进行了评价。2.3、对问题三，四的分析三 模型的假设1、2、3、4、四 定义与符号说明Xij ：第 i 个区的第 j 个指标Xj ：第 j 个指标的样本均值Sj ：第 j 个指标的样本方差R ：y 的相关矩阵：R 的特征值jUj ：R 的特征向量Zk ：因子的主成分E ：累计贡献路率5m ： 主成分的个数Djxm：主因子载荷矩阵r : 水资源风险率第 i 次干旱缺水期的需水量iV：系统第 i 次失事的损失程度St：系统第 i 次失事的发生概率tP：系统的脆弱性NF：系统失事的
7、总次数：第 i 次缺水的缺水量iVE：是第 i 次干旱缺水期的需水量iD：平均重现期：条件概率五 模型的建立与求解5.1 模型一的建立与求解5.1.1 北京市水资源短缺风险指标体系的建立（1）通过对北京水资源的考察和资料分析 ,我们把其水资源短缺分为量的短缺和质的短缺。首先是量的短缺，北京地处在华北，属于温带季风气候，而大陆性也比较强，冬季降水稀少，虽然夏季降水较多，但由于森林覆盖率低，储水功能不好，雨季也很短暂而且近年来，全球气候变暖，6蒸发加剧，造成地表径流量大幅减少沙尘暴天气多，加剧了北京的干旱。其次水资源质的短缺，这里主要是指水环境被严重污染、人口规模增大从而导致可利用的水资源量大幅度
8、减少。由于北京工业发展的迅速 ,从而带来了大量的工业污水；人口规模的增加，从而带来了大量的生活污水。然而大量的污水不经处理直接排放，使区域内地表水和地下水受到严重的污染。（2）影响水资源短缺风险的因素通过所查资料可得水资源短缺风险的因素主要源于以下三方面 1、自然因素；2、社会经济；3、工程技术。以下分别从三方面对其因素进行定性分析：a、自然因素: (1)降水量（主要是气候条件）：它是水资源的来源，其大小变化直接影响到水资源量的大小，当降雨量减小时，水资源短缺风险就相应增大。 (2)水源涵养指标(以植被覆盖率表示)：一般植被覆盖率越大，涵养水源较好，能有效降低水资源短缺风险；(3)地下水天然补
9、给量：此补给量越大，则可用地下水也越多 ,可以降低水资源短缺风险。b、社会经济: (1)单位 GDP 产值污水排放量：污水排放量越大；该区域水体的水质就越差，可用水资源也就相应减小，加大了水资源短缺风险; (2)污水处理率：污水进行处理后，使不是水资源的污水转变为水资源 ,从水质的角度增加了水资源量，从而降低了水资源短缺风险; (3)人均 GDP：此值越高，表示经济实力越强，可以对7水资源的开发和利用进行更大的投资，原则上能够降低水资源短缺风险；(4)万元产值工业耗水率：在保证产值的情况下耗水率越低，则越节约水资源，能够降低水资源短缺风险，反之则能加大风险；(5)万元产值农业耗水率：与工业耗水
10、率原则相同；(6)工业总产值占有率：一般工业产生污染比较严重，工业总产值越高 ,则水污染越严重 ,所以该值增大会加大水资源短缺风险; (7)人口规模：人口密度大将导致水资源使用更加紧张 ,此值增大将加大水资源短缺风险。(8)管理制度：在北京这种地区，用水一般较紧张，普遍提倡节约用水，因此在保证人们正常生活用水情况下，生活用水定额越小，水资源短缺风险也越低。c、工程技术：(1)渠系水利用系数：指的是渠首引水量减去渠系渗漏补给量与渠首引水量之比，此值越大，渠系渗漏补给量越小，则水资源利用率越高，降低了水资源短缺风险； (2)水循环利用率：原则上该值越高 ,则水的利用率越高，水资源短缺风险也相应减小
11、；(3)水利工程设施(调入的水量与原有水量之比)：能够从其他地方将水资源调入，此值增大将降低水资源短缺风险；通过对北京水资源短缺风险因素的分析，我们建立起相应的风险指标体系。该指标体系分为 3 个层次，共由 14 个指标组成。5.1.2 风险敏感因子的确定a 采用主成分分析法进行指标定量筛选。由于数学方法在实际应用中可能会或多或少有其自身的缺陷和局限性，因此，采用不同的数学方法进行计算 ,并将其结果互相对比和验证，最终将能得出8较为准确的结果。主成分分析法是指标筛选最常用的方法之一，该方法的本质目的是对高维变量系统进行最佳综合与简化，同时客观地确定各个指标的权重，从而筛选出权重大的指标确定敏感
12、因子。该方法较层次分析法和专家打分法的好处是避免了主观随意性 ,因此首先采用此法进行指标筛选。指标有(1)降水量；(2)水源涵养指标； (以植被覆盖率表示)： (3)地下水天然补给量：(4)单位 GDP 产值污水排放量；(5)污水处理率；(6)人均 GDP； (7)万元产值工业耗水率； (8)万元产值农业耗水率； (9)工业总产值占有率； (10)管理制度； (11)人口规模；（12）渠系水利用系数；（13）水循环利用率；（14）水利工程设施；b 主成分分析方法的步骤为(1)数据的标准化处理 i=1,2,3， j=1,2， Jsxyjjjij（2）计算数据表 的相关矩阵的值 R。ij(3)求
13、R 的 J 个特征值 : 1 2 J ,以及对应的特征向量 u1 ,u2 , ,uj ,它们标准正交 ,u1 ,u2 , ,uj 称为主轴。（4）求主成分： Jjjkxuz1j = 1 ,2 ,J ,k = 1 ,2 ,J(5)精度分析:通过求累计贡献率 E 来判断一般要求取 E 85 %9的最小 m 值 ,则可得主平面的维数 m ,从而可对 m 个主成分进行综合分析。JjjmkE11(6)在获得特征向量与特征值 ,并确定主超平面的维数之后 ,可以计算主因子载荷矩阵 ,其计算公式为:D jxm=Ujxm 2/15.1.3 结论从水利局可知北京市各区的水资源短缺状况。水资源短缺风险:计算所得的前
14、几个特征根 ,E = ( ) / 14。在获得特征j .321值和特征向量后 ,计算正交旋转后的主因子载荷矩阵。通过对北京市 15 个区的风险因子值进行主成分分析，得到北京市水资源短缺风险的主要风险因子主要是气候条件、工业污染、农业用水和人口规模。5.2 模型二的建立与求解北京水资源是否短缺、短缺情况如何，简单来讲是受用水需求和供水两个因素影响决定的。由于各种不确定的随机因素，供水和需水都存在不确定因素，因此，水资源短缺也具有随机性，即存在一定的水资源短缺风险。概括而言，所谓水资源短缺风险是指在特定的时空环境条件下，由于来水和用水两方面存在不确定性，使区域水10资源系统发生供水短缺的概率以及由
15、此产生的损失。一般的风险研究只对个别风险指标进行描述，而对区域水资源短缺风险的综合评判则比较少见。我们在水资源短缺风险分析的基础上，对区域水资源短缺风险分析所得到的性能指标进行综合评判，从而确定区域水资源短缺风险所达到的程度，做出等级划分，为区域水资源规划和管理提供决策依据。5.2.1 水资源短缺风险评价指标（a）风险率 根据风险理论，荷载是使系统“失事”的驱动力，而抗力则是对象抵御“失事”的能力。如果把水资源系统的失事状态记为 ，正常状态记为 ，那么水资源系统的风险()F()S率为:（1）()()trPFX如果水资源系统的工作状态有长期的记录，风险率也可以定义为水资源系统不能正常工作的时间与
16、整个工作历时之比，即:（2） 1NSttI),0,1xsFt ttX系 统 工 作 正 常 （系 统 失 事 （b）脆弱性 脆弱性是描述水资源系统失事损失平均严重程度的重要指标。为了定量表示系统的脆弱性，假定系统第i次失事的损失程度为 ，其相应的发生概率为 ，那么系统的脆弱性可表达为:tStP（3）1NFitES11式中:NF为系统失事的总次数。例如，在供水系统的风险分析中，可以用缺水量来描述系统缺水失事的损失程度。类似洪水分析，假定 ，即121.NFP不同缺水量的缺水事件是同频率的，这样上式可写为:（4）1NFitVE式中： 为第i次缺水的缺水量。VE上式说明干旱的期望缺水量可以用来表示供水系统的脆弱性。为了消除需水量不同的影响，一般采用相对值，即:（5）11NFit itVD
