水資源短缺風(fēng)險的綜合評價

1、水資源短缺風(fēng)險的綜合評價 摘要：本文從風(fēng)險的角度對北京地區(qū)水資源短缺的問題進(jìn)行了探討。首先，通過資料分析，列出了可能導(dǎo)致水資源短缺的各方面緣故，并建立了相應(yīng)的風(fēng)險指標(biāo)體系。然后，對各個風(fēng)險指標(biāo)值進(jìn)行了獵取工作。針對北京地區(qū)的實際資料，采納主成分分析法和改進(jìn)的灰色關(guān)聯(lián)度對風(fēng)險指標(biāo)進(jìn)行定量篩選，最終確定出導(dǎo)致風(fēng)險的敏感因子，為進(jìn)一步進(jìn)行風(fēng)險評價奠定了基礎(chǔ)，同時也為制定風(fēng)險的防范措施和對策提供了理論依據(jù)。為了對水資源短缺風(fēng)險進(jìn)行綜合評價，我們建立了一個水資源短缺量與來水和用水兩個因素之間的線性回歸模型，同時對以后兩年做了預(yù)測，建立數(shù)據(jù)擬合模型，求解水資源短缺風(fēng)險及對應(yīng)的風(fēng)險等級。 關(guān)鍵詞：北京地區(qū)；

2、水資源短缺風(fēng)險；敏感因子；風(fēng)險等級；線性回歸；擬合問題的重述近年來，我國、特不是北方地區(qū)水資源短缺問題日趨嚴(yán)峻，水資源成為焦點話題。以北京市為例，北京是世界上水資源嚴(yán)峻缺乏的大都市之一，其人均水資源占有量不足300m3，為全國人均的1/8，世界人均的1/30，屬重度缺水地區(qū)，附表中所列的數(shù)據(jù)給出了1979年至2000年北京市水資源短缺的狀況。北京市水資源短缺差不多成為阻礙和制約首都社會和經(jīng)濟(jì)進(jìn)展的要緊因素。政府采取了一系列措施, 如南水北調(diào)工程建設(shè), 建立污水處理廠,產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整等。然而，氣候變化和經(jīng)濟(jì)社會不斷進(jìn)展，水資源短缺風(fēng)險始終存在。如何對水資源風(fēng)險的要緊因子進(jìn)行識不，對風(fēng)險造成的危害等

3、級進(jìn)行劃分，對不同風(fēng)險因子采取相應(yīng)的有效措施規(guī)避風(fēng)險或減少其造成的危害，這對社會經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定、可持續(xù)進(jìn)展戰(zhàn)略的實施具有重要的意義。北京2009統(tǒng)計年鑒及市政統(tǒng)計資料提供了北京市水資源的有關(guān)信息。利用這些資料和可獲得的其他資料，討論以下問題：評價判定北京市水資源短缺風(fēng)險的要緊風(fēng)險因子是什么？阻礙水資源的因素專門多,例如：氣候條件、水利工程設(shè)施、工業(yè)污染、農(nóng)業(yè)用水、治理制度，人口規(guī)模等。2建立一個數(shù)學(xué)模型對北京市水資源短缺風(fēng)險進(jìn)行綜合評價， 作出風(fēng)險等級劃分并陳述理由。對要緊風(fēng)險因子,如何進(jìn)行調(diào)控，使得風(fēng)險降低？ 3 對北京市以后兩年水資源的短缺風(fēng)險進(jìn)行預(yù)測，并提出應(yīng)對措施。 4 以北京市水行政主管

4、部門為報告對象，寫一份建議報告。問題的分析從風(fēng)險的角度來看，目前北京地區(qū)面臨著較大的水資源短缺風(fēng)險。風(fēng)險是存在于任何事物之中的，人類不可能完全消除風(fēng)險，然而能過盡量減少風(fēng)險，將危險發(fā)生的可能性和損失降到最低。與減小風(fēng)險，首先應(yīng)該找出導(dǎo)致風(fēng)險的要緊緣故，并得到哪些因素會加大風(fēng)險，哪些因素會降低風(fēng)險。從而為制定相關(guān)的風(fēng)險防范措施和對策提供理論依據(jù)。哪些因素會加大北京地區(qū)水資源短缺風(fēng)險？哪些因素又會降低水資源短缺風(fēng)險？本文首先通過系統(tǒng)定性分析，列出了可能加大和降低地區(qū)水資源短缺的各方面因素。概括來講，這些因素要緊源于以下兩個方面：1、來水因素；2、用水因素。由于加大和降低風(fēng)險的因素較多，而從北京地區(qū)

5、科學(xué)治理的角度來看，如何充分發(fā)揮人力、物力、和財力最大限度的緩解水資源短缺風(fēng)險，是所急需解決的問題?！笆挛镆テ湟o矛盾”，只有找到加大和降低水資源短缺風(fēng)險的要緊因素，才能有針對性地采取有效措施和策略。本文結(jié)合定性分許和定量計算，試圖找出加大和降低水資源短缺風(fēng)險的要緊因素，并確定出風(fēng)險敏感因子。模型的假設(shè)與符號講明3.1 模型的假設(shè)（1）除了所考慮的因子外，其他風(fēng)險因素忽略不計；（2）忽略因為所研究因子的數(shù)據(jù)不全所帶來的阻礙；（3）在一定時刻范圍內(nèi)所研究的各因子是連續(xù)變化的；（4）水資源系統(tǒng)發(fā)生供水短缺產(chǎn)生的損失用缺水量來衡量。（5）水資源短缺量歸一化所選取的最大值即為所統(tǒng)計年份缺水量的最大值

6、，忽略其對模型的阻礙；文中所有提到的關(guān)于供水量及用水量的單位均為億立方米。3.2 符號講明模型的建立與求解4.1 水資源短缺要緊風(fēng)險因子的確定4.1.1阻礙水資源短缺風(fēng)險的因素加大和降低北京地區(qū)水資源短缺風(fēng)險的因素要緊源于以下兩方面1、來水因素;2、用水因素。以下分不從以上方面對其因素進(jìn)行定性分析:a 、來水因素: (1) 地表水水量：地表水水量=降水量蒸發(fā)量。降水量:它是水資源的來源,其大小變化直接阻礙到水資源量的大小,當(dāng)降雨量減小時,水資源短缺風(fēng)險就相應(yīng)增大。蒸發(fā)量:蒸發(fā)量增大將導(dǎo)致區(qū)域可用水資源減少,從而增大水資源短缺風(fēng)險。 (2) 地下水天然補(bǔ)給量:此補(bǔ)給量越大,則可用地下水也越多,能

7、夠降低水資源短缺風(fēng)險。b、用水因素: (1) 農(nóng)業(yè)用水量 (2) 工業(yè)用水量資 (3) 第三產(chǎn)業(yè)用水量4.1.2風(fēng)險敏感因子的確定本文中,分不采納主成分析法和灰色關(guān)聯(lián)度法進(jìn)行指標(biāo)定量篩選。由于數(shù)學(xué)方法在實際應(yīng)用中可能會或多或少有其自身的缺陷和局限性,因此,采納不同的數(shù)學(xué)方法進(jìn)行計算,并將其結(jié)果互相對比和驗證,最終將能得出較為準(zhǔn)確的結(jié)果。4.1.3 利用主成分分析方法確定風(fēng)險敏感因子主成分分析法是指標(biāo)篩選最常用的方法之一,該方法的本質(zhì)目的是對高維變量系統(tǒng)進(jìn)行最佳綜合與簡化,同時客觀地確定各個指標(biāo)的權(quán)重,從而篩選出權(quán)重大的指標(biāo),確定敏感因子。該方法較層次分析法和專家打分法的好處是幸免了主觀隨意性,

8、因此本文首先采納此法進(jìn)行指標(biāo)篩選。 SKIPIF 1 0 圖1 石羊河流域水資源短缺風(fēng)險指標(biāo)體系圖主成分分析方法的步驟為8 - 10 :(1) 數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理 SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 （1）其中 SKIPIF 1 0 為第 SKIPIF 1 0 個分區(qū)第個指標(biāo)的值, SKIPIF 1 0 ， SKIPIF 1 0 為第 SKIPIF 1 0 個指標(biāo)的樣本均值和樣本標(biāo)準(zhǔn)差。(2) 計算數(shù)據(jù)表( SKIPIF 1 0 ) SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 的相關(guān)矩陣R。(3) 求R 的 SKIPIF 1 0 個特征值: SKIPIF 1 0 ，以及對應(yīng)的特征向量 S

9、KIPIF 1 0 ,它們標(biāo)準(zhǔn)正交, SKIPIF 1 0 稱為主軸。(4) 求主成分: SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 （2）(5) 精度分析:通過求累計貢獻(xiàn)率 SKIPIF 1 0 來推斷, SKIPIF 1 0 ,一般要求取 SKIPIF 1 85 %的最小 SKIPIF 1 0 值,則可得主平面的維數(shù)m ,從而可對m 個主成分進(jìn)行綜合分析。(6) 在獲得特征向量與特征值,并確定主超平面的維數(shù)之后,能夠計算主因子載荷矩陣,其計算公式為: SKIPIF 1 0 其中 SKIPIF 1 0 4.1.4 利用改進(jìn)的灰色關(guān)聯(lián)方法篩選敏感性風(fēng)險因子灰色關(guān)聯(lián)方法的要緊步驟如下 :(1)

10、參考序列的選擇水資源短缺風(fēng)險:由于水資源的短缺與否要緊體現(xiàn)在人均水資源量上,當(dāng)人均水資源量越小,水資源短缺的風(fēng)險就越大,因此選定人均水資源量作為參考序列。各個參考序列都以 SKIPIF 1 0 表示之,其中 SKIPIF 1 0 = 1 ,2 , , SKIPIF 1 0 , SKIPIF 1 0 為評價區(qū)數(shù)。(2) 比較序列的確定其它列入風(fēng)險因子表中的因子組成的序列即為比較序列,記為 SKIPIF 1 0 ,k = 1 ,2 , ,n ,i = 1 ,2 , ,m ,m為因子數(shù)量。(3) 對參考序列與比較序列進(jìn)行無量綱處理處理方法為以各序列中最大值為1 ,其余均以此值相除,此關(guān)于指標(biāo)值越大越

11、好的情況;關(guān)于指標(biāo)值越小越好的情況,以最小指標(biāo)值除以其它指標(biāo)值。(4) 利用下述公式計算比較序列的所有指標(biāo)對應(yīng)于參考序列所有指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù) SKIPIF 1 0 (4)式中, SKIPIF 1 0 為指標(biāo)k 的絕對差,為分辨系數(shù),在01 之間變化。傳統(tǒng)的一般取0. 5 ,然而大量計算結(jié)果表明,0. 5 并不是最合適的數(shù)值,的取值應(yīng)遵循下述以下兩大原則:a 、充分體現(xiàn)關(guān)聯(lián)度的整體性,即關(guān)聯(lián)度 SKIPIF 1 0 不僅與 SKIPIF 1 0 有關(guān),而且與所有其它因子 SKIPIF 1 0 (j = 1 ,2 , ,n) 有關(guān);b、具有抗干擾作用,即當(dāng)系統(tǒng)因子的觀測序列出現(xiàn)異常值時,能夠抑制、削

12、弱它對關(guān)聯(lián)空間的阻礙。因此,分辨系數(shù)的取值規(guī)則如下:記 SKIPIF 1 0 為所有差值絕對值的均值, SKIPIF 1 0 = SKIPIF 1 0 ,并記 SKIPIF 1 0 ( SKIPIF 1 0 ),則的取值為:2,且滿足 SKIPIF 1 0 則在此區(qū)間內(nèi)取值。(5) 比較序列對應(yīng)于參考序列的關(guān)聯(lián)度一般用平均值,即 SKIPIF 1 0 (6) 按關(guān)聯(lián)度大小進(jìn)行排序關(guān)聯(lián)度越大,比較序列與參考序列關(guān)系越緊密。4.2 問題二的模型建立為了對水資源短缺風(fēng)險進(jìn)行綜合評價，我們建立了一個水資源短缺量與來水和用水兩個因素之間的線性回歸模型。由模型一，主成分分析可知，阻礙用水的因子要緊是工業(yè)用

13、水、農(nóng)業(yè)用水、第三產(chǎn)業(yè)用水以及廢水排放量；而阻礙來水的因子有入境水量、年降雨量和地表水資源總量。 （1）利用eviews軟件求出水資源短缺量與各風(fēng)險因子之間的線性回歸方程。Y= +C （1） 其中，為統(tǒng)計數(shù)據(jù)借助eviews軟件回歸所得的各因子的系數(shù)，C為常數(shù)。通過該回歸方程，我們將水資源短缺風(fēng)險轉(zhuǎn)化為各個因子的變化趨勢，各個因子的變化直接導(dǎo)致風(fēng)險的變化。只要調(diào)節(jié)各個因子就能調(diào)節(jié)風(fēng)險的大小。并通過對各個因子以后值的預(yù)測，間接來預(yù)測水資源短缺量，即水資源短缺風(fēng)險。 為了風(fēng)險進(jìn)行綜合的評價及給風(fēng)險等級進(jìn)行劃分，我們先是建立一個基于快速聚類法重心法思想的聚類模型。再通過spss軟件給風(fēng)險劃分等級，給

14、風(fēng)險進(jìn)行一個綜合的評價。（2）重心法的原理：若樣品之間采納歐氏距離，設(shè)某一步將類 SKIPIF 1 0 與 SKIPIF 1 0 合并成 SKIPIF 1 0 ，它們各有 SKIPIF 1 0 ， SKIPIF 1 0 ， SKIPIF 1 0 （ SKIPIF 1 0 = SKIPIF 1 0 + SKIPIF 1 0 ）個樣品，它們的重心用 SKIPIF 1 0 ， SKIPIF 1 0 和 SKIPIF 1 0 表示，顯然有： SKIPIF 1 0 = SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 （ SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 + SKIPIF 1

15、0 SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 ） 某一類 SKIPIF 1 0 的重心為 SKIPIF 1 0 ，它與新類 SKIPIF 1 0 的距離是： SKIPIF 1 0 = SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 + SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 （3）將1979至2008年缺水年份的缺水量，運用SPSS軟件進(jìn)行聚類分析，將其分成k類，然后算出每類的均值 SKIPIF 1 0 （此處的 SKIPIF 1 0 類似于聚類分析中的類中心）

16、。 SKIPIF 1 0 = SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 （i為每類中因子的個數(shù)） （4）將各個均值 SKIPIF 1 0 從小到大進(jìn)行排序，排序結(jié)果為： SKIPIF 1 0 ， SKIPIF 1 0 ， SKIPIF 1 0 ，（t=k），算出相鄰兩個均值之間的均值 SKIPIF 1 0 （m=k-1）。 SKIPIF 1 0 = SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 （ SKIPIF 1 0 + SKIPIF 1 0 ） （5）再將算出的 SKIPIF 1 0 通過歸一化處理，從而將缺水量轉(zhuǎn)化成水資源風(fēng)險，并用來表示風(fēng)險系數(shù)，其值介于01之間的

17、小數(shù)。 SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 = SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 注意：因為缺水量應(yīng)該是大于零的，因此此處的min(Y)我們選取零,而max(Y)的值取從1979年到2008年缺水量的最大值。（6）歸一化后的m個值把01這一區(qū)間分成了m+1個小區(qū)間，也就把風(fēng)險劃分成了m+1個等級，并依照各風(fēng)險值所在的區(qū)間對其命名。 注意：本文對水資源風(fēng)險劃分了4個等級，并對其命名為較低風(fēng)險、低風(fēng)險、較高風(fēng)險和高風(fēng)險。4.3 問題三的模型建立在問題2中我們差不多建立了一個水資源短缺量與風(fēng)險因子之間的風(fēng)險綜合評價的線性回歸模型，通過那個線性回歸模型我們明白了缺水量與各因子之間的關(guān)系，為了對以后兩年北京市的水資源短缺風(fēng)險進(jìn)行預(yù)測，我們可先對7個因子建立數(shù)據(jù)擬合模型，利用MATLAB對7個風(fēng)險因子的變化趨勢進(jìn)行擬合預(yù)測，將所求得的各因子的預(yù)測值代入到線性回歸公式中，即可求得以后兩年北京市的水資源短缺量，歸一化后即可求出水資源短缺風(fēng)險及對應(yīng)的風(fēng)險等級。我們假設(shè)一組原始序列 SKIPIF 1 0 引入一階弱化算子D，令 SK