基于模糊层次评判的区域洪水资源利用综合风险评价

马月华，方红远，梁振东

（1.扬州市江都区水务局，江苏扬州 225200；2.扬州大学，江苏 扬州 225009）

区域洪水资源利用或配置实际是一种风险管理过程，风险管理是一种识别和分析风险并对其作出响应的系统过程，其目的是要极大化风险事件的正效应与极小化风险事件的负效应[1-2]。区域洪水资源利用风险是泛指在特定的时空环境条件下，在利用洪水资源解决水资源短缺和维系良好生态环境的过程中所发生的非期望事件及其发生概率并由此产生的损失程度[3-4]。

区域洪水资源利用的最大特征是利益与风险共存，无论是运用水库、蓄滞洪区及河渠槽蓄等工程性措施，抑或借助于政策制定、经济管理、预报调度等非工程性措施，其在洪水资源化利用方面均存在不同的附加风险[5-6]。虽然，这些风险可以通过洪水预测预报、先进调度技术运用以及合理的洪水资源化利用预案制定等方法加以减小，但在一般意义下，资源化的增蓄洪水量其使用成本和风险显然比常规水资源量要高。因此，在满足资源使用有效原则时，如何将高风险高成本的洪水资源量合理地分配给不同的地区或社会经济部门以获取最佳回报率是水资源合理配置必须研究的内容；而这种研究的基础则是区域洪水资源利用的综合风险评估。

1 洪水资源利用主要措施的风险计算原则

水库汛限水位动态控制运用、蓄滞洪区引流蓄洪以及河渠槽蓄调控等是目前较为常用的洪水资源利用主要措施，其在洪水资源利用过程中的风险计算原则与方法表述如下。

1.1 水库蓄洪风险计算

通过水库动态汛限水位的调整可以增加水库的可供水量，从而提高对洪水资源利用的效率。水库汛限水位提高在增加水库蓄水量而获得更多兴利效益的同时，也因防洪库容减少而降低水库的蓄洪调洪能力，导致增大汛期水库运行水位超过设计标准的风险。

设某一入库洪水过程Q（t），针对一汛限水位，按一定的调洪规则进行汛期调度后，水库可能达到的最高库水位为Hm（t），其形成防洪风险的状态是Hm（t）超过了设计标准Hd；一般情况下，最高库水位为Hm（t）超过设计标准Hd的风险（R）可表示为：

相应于一定汛限水位和某次洪水过程的水库在汛期可能达到的最高库水位，是诸如水库初始起调水位、水库几何特征、运行规则、一定频率的洪水过程特点等许多不确定性因素的函数，可根据水库调洪演算方法求得。

1.2 蓄滞洪区（湿地）蓄洪风险计算

利用蓄滞洪区转换洪水资源有2种情况。若设洪水资源化蓄洪限制水位为Zfr，则第1 种情况是蓄滞洪区按照防洪预案正常蓄洪使用，该次洪峰过后，蓄滞洪区并不完全泄空，而只是泄至Zfr，以保留部分洪水资源；第2 种情况是河道洪水未达到启用蓄滞洪区的量级，但为利用洪水资源，主动引洪水入蓄滞洪区，蓄水位最多至Zfr。

无论是第1种情况还是第2种情况，通过蓄滞洪区进行洪水资源化利用，其附加风险在于前期按蓄洪限制水位（Zfr）控制运行会占用部分防洪库容，当后期发生超标准洪水需启用蓄滞洪区时，将影响蓄滞洪区防洪减灾功能的发挥。因此，在后期洪水到来之前，尽快泄放掉一部分前期蓄滞的洪水以腾出足够的蓄洪容量，是蓄滞洪区防洪调度的关键。设洪水预报的预见期为Tf，而应当被泄放掉的前期洪水量排出蓄滞洪区所需花费的时间为Tr，则蓄滞洪区洪水资源化风险（R）可表示为：

蓄滞洪区洪水排出时间（Tr）的概率分布一般也难以确定，它与需泄放掉的前期洪水量、泄洪闸泄水能力、退水河道过流能力及水位、蓄滞洪区排水设施状况等因素有关。因此，Tr值可根据上述因素，依据区域排涝计算原则和方法计算获得。

1.3 河渠蓄洪风险计算

河槽的蓄洪能力是影响区域洪水资源化利用措施中河渠互济洪水调度的重要因素，由分洪闸、拦河闸等水利工程设施在区域骨干河流水系上形成的具有一定蓄水容量的河段，也可为区域洪水资源化利用提供条件。

河渠蓄洪风险在于洪水期河道河槽中蓄水量（Sc）超过了最大槽蓄量（Sm），或河道河槽中蓄水位（Hc）超过了河道的设计洪水位（Hcm），则河渠蓄洪风险（R）可表示为：

2 区域洪水资源利用的综合风险评价

2.1 综合风险评价层次结构

区域洪水资源利用综合风险是由各子区域的利用风险组成的，而各子区域的洪水资源利用综合风险主要来自于各种洪水资源利用措施产生的风险，如水库调度、蓄滞洪区引洪以及河渠槽蓄调控等，而每一种措施的风险则应由综合评价各相同属性的风险项而得。如，在评价分析某子区域的水库洪水资源利用措施风险在构成该子区域的综合风险值中所具有的贡献时，应采用子区域内各水库运用的风险及其相对重要性来综合评价分析水库洪水资源利用措施的风险值；其他措施（即蓄滞洪区、河渠槽蓄）的风险值则按相同方法计算。而后在所有洪水资源利用措施风险值基础上，计算分析子区域的洪水资源利用综合风险；最后由各子区域的综合风险值组合求得整个区域的洪水资源利用综合风险。根据上述区域洪水资源化利用的结构特征以及综合风险值评价应具有的层次，可以建立如实例研究中图1 所示的综合风险值评价的层次结构。其中，第1 级评价针对不同类型的洪水资源利用措施，第2 级评价针对各子区，最后一级评价即为区域综合风险评价。

2.2 模糊评价语气因子与隶属函数

多指标模糊评价分析中，一般采用多级语气评价因子，并使用三角形隶属函数等来表达各级语气评价因子的隶属度[7-8]。在本项目所研究的区域洪水利用综合风险值评价中，风险概念应包含风险值的大小以及与此风险值相对应的风险效益和风险损失，也即用模糊语气因子描述风险概念时，既要考虑风险值的大小（称为风险等级），也要考虑由对应的风险效益或风险损失决定的这种风险的影响程度（称为风险度）。如，根据实际需要，常采用极端低、相当低、低、一般、高、相当高和极端高等语气评价因子分别表示语气等级，并用三角形隶属函数来刻画这些模糊语气的隶属度。上述各模糊语气变量可分别用符号F1、F2、F3、…、FL表示（这里L为语气等级划分数目），其三角形模糊隶属度函数可分别用分段线性函数表示。对于模糊数F1，其三角形隶属度函数可表示为：

对于模糊数F2、F3、…、FL-1，其三角形隶属度函数可表示为：

其中，i=2，3，…，L-1。

而对于模糊数FL，其三角形隶属度函数可表示为：

2.3 模糊层次判断评价方法

根据图1所示的区域洪水资源利用综合风险值评价层次结构，设第1级评价时，第i类措施第j种风险项Xkij的权重为w1（i，j），i=1，2，…，I；j=1，2，…，J；第2 级评价时，第k 子区第i 类措施的权重为w2（k，i），k=1，2，…，K；i=1，2，…，I。进行区域综合风险值评价时，相应于第k子区的权重为w3（k），k=1，2，…，K。根据区域洪水资源利用方式特征，依据式（1）、（2）及（3）等可先行求得区域内各子区不同洪水资源利用措施的蓄洪水量及其相应的风险值、风险效益和风险损失。进行第1级评价时，设第k子区第i类措施第j种风险项的风险值为rk（i，j），而相应的风险效益和风险损失分别为Bk（i，j）、Ck（i，j）。根据已获得的风险值、风险效益和风险损失，在相关水资源开发利用主管部门、运行管理部门以及有关领域的专家对各风险项的风险率和风险度所作的独立评价基础上，依据前述确定的若干级语气评价因子（本研究采用L=7 级语气因子），采用加权模糊数和式（7）计算方法综合得出各风险项的风险率和风险度的等级及其隶属函数。

由此可计算第1 级评价中第k 子区各类措施的风险隶属度值，如第k子区第i类措施的风险隶属度值为：

由于第1级评价计算已获得不同子区各类措施风险隶属度值，则第2级评价计算中第k子区的风险隶属度值表示为：

第3级的区域综合风险值评价值（Ψ）可根据[Z（1），Z（2），…，Z（7）]=[w3（1），w3（2），…，w3（L）]1×L⊗[Hk（k’）]L×7数值结果，按下式计算：

2.4 评价指标权重值确定

不同层次综合风险计算分析中的各种洪水资源利用措施和各子区域的权重系数，可由综合分析社会、经济、技术及环境等因素加以确定。一般确定多指标评价体系中权重的方法主要有主观赋权法和客观赋权法[9-10]，其中主观赋权的特征是依据专家咨询综合量化确定指标权重，如功效系数法、层次分析法等，而客观赋权是根据评价指标样本自身的相关关系和变异程度确定权重，如熵值法、主成分分析法等。考虑到主观赋权过于依赖人的主观判断，难免受主观因素影响，而客观赋权虽然避免了人为因素，但容易受指标样本随机误差的影响，故笔者确定权重的方法是先在主观赋权法和客观赋权法中各选择若干种有代表性的方法计算各单一方法的权重值，在充分利用各种方法的有用评价信息条件下，建立以最小偏差平方和为目标的组合赋权评价模型，以获得相应评价因素的权重值[11]。

3 实例研究

3.1 研究区概况

研究区域为徐州市水资源计算分区——沂北区内的高塘-阿湖水库灌区（简称高阿水库区），区内多年平均年降雨量和蒸发量分别为866.3和874.6 mm。从研究区内水利工程建设状况分析，其洪水资源利用主要依靠高塘、阿湖2 座水库以及下游的大沙河控制闸、黑埠水闸与相应的河渠槽蓄段等水利设施及其调控运用来实现。

高塘水库位于徐州市新沂市东北部丘陵山区的大沙河上游，属于具有防洪、灌溉及水产养殖等功能的综合利用型水库，大石埠水库位于其上游，设计洪水位为36.83 m，校核洪水位为37.81 m（以废黄河零点计）；原水库防洪库容为3 374 万m3，兴利库容为1 171万m3。阿湖水库位于徐州市东部丘陵山地的淋头河上游，库区跨越新沂、东海2 市县，属于防洪为主和结合蓄水灌溉的中型水库，其上游建有连云港贺庄水库，该水库泄洪河道为阿湖水库主要汇流河道；下游为连云港安峰山水库，由阿安引河向其送水；总库容为4 180万m3，防洪库容及兴利库容分别为3 793万及615万m3。

大沙河、淋头河是研究区内2 条重要的区域性丘陵山区河流，均具输水和排涝两用功能，在汛期排涝季节承担着上游客水的下泄与本地内涝水量的蓄滞和下排。目前，2条河道的治理标准均为5年一遇除涝、20年一遇防洪；另外大沙河与淋头河上分别建有大沙河节制闸与黑埠闸，最大过流能力分别为565和294 m3/s。

3.2 综合分析的模糊层次评判结构

前已论述，区域洪水资源利用的风险是由区域内各项洪水资源利用措施（水库、蓄滞洪区、河渠槽蓄等）实施后发生的风险所构成的，但由于各项洪水资源利用措施在工程结构及其运行特征、区域水资源开发利用中的作用、所处地理区位及社会经济影响以及其对区域社会经济发展与生态环境保护所具有的影响力等方面的差异，它们的风险度与风险值之间存在着复杂的非线性关系，故区域洪水资源利用综合风险不宜采取类似简单加权求和形式来计算分析。图1为依据高阿水库灌区实际水利工程布局及运行特征构建的基于模糊层次评价法的区域洪水资源利用综合风险评估系统结构。

图1 高塘一阿湖区域洪水资源利用综合风险评估系统结构

3.3 计算与成果分析

不同洪水资源利用模式及运行调度策略条件下的各项洪水资源利用措施（即风险项）的风险值，按模拟计算出的各单项措施的洪水增蓄量或洪水资源可利用量与防洪风险值之间的概化关系近似估算，即高阿区域分别按50年一遇设计洪水和1 000年一遇校核洪水过程来模拟计算各水库的洪水利用风险值以及各水库下游河渠段槽蓄漫溢等防洪风险值。而相应的风险度评价，则依据各风险项在区域防洪作用、区域洪水资源利用等方面的地位和重要性，均可结合模糊定性判断分析法与专家经验等进行。各风险项的权重系数，依据前述主客观结合的计算方法进行确定。

高阿区域依据河流水系特征，可分为大石埠-高塘水库分区及贺庄-阿湖水库分区2 个洪水资源利用分区，显然，高阿区域洪水资源利用综合风险是由这2 个分区内各项洪水资源利用方式（主要为水库蓄水调洪和河渠调蓄2 种措施）所产生的风险组合构成的。笔者分别对高阿区域在设计洪水、校核洪水入库径流过程条件下，相应于汛限水位动态控制运用方案的洪水资源利用方案区域综合风险值进行了评价计算，表1 为相应于设计洪水的区域综合风险值评价计算过程。表中X111、X112分别为大石埠水库及高塘水库洪水资源利用风险项，X121、X122分别为大石埠-高塘水库河渠段槽蓄运用风险项、高塘-大沙河闸河渠段槽蓄运用风险项，X211、X212分别为贺庄水库及阿湖水库洪水资源利用风险项，X221、X222分别为贺庄-阿湖水库河渠段槽蓄运用风险项、阿湖-黑埠闸河渠段槽蓄运用风险项。w（k，i，j），i、j、k=1，2分别为相应于上述洪水资源利用风险项的权重系数。Ψ值为计算得到的整个区域洪水资源利用综合风险值，根据此值可判断研究区域洪水资源利用风险的大小状态。

由计算成果可知，在高阿区域水库实行汛限水位动态控制运用的情况下，对于设计洪水过程而言，该区域的洪水资源利用综合风险值为0.248，该值落在0.173～0.385，属于较低风险状态；而对于校核洪水过程而言，该区域的洪水资源利用综合风险值为0.708，该值落在0.507～0.882，属于较高风险状态。需要说明的是，这种区域综合风险值虽然是在区域内各风险项风险状况已知的条件下，通过模糊识别与判断的方法计算出的，但它在一定程度上可反映各种开发利用方案在洪水资源利用方面的风险程度，故其用于规划或管理方案比较是可以接受的。

表1 相应于设计洪水的区域综合风险值评价计算过程

4 结论

社会经济的快速发展导致我国区域水资源供需矛盾日益严重，在半干旱或半湿润地区注重开发利用非传统水源以缓解水资源短缺危机已被认为是一种有价值的途径。笔者从梳理归纳区域洪水资源利用方式及其相应的防洪风险计算原则着手，运用模糊数学原理和层次评价方法，建立了模糊层次评价模型结构，以用于评估区域洪水资源利用的综合风险。该方法具有考虑风险等级与风险度模糊计算以及主客观因素权重确定等特征，实例研究证实所提出的模型结构及其评价分析方法可为区域洪水资源利用规划及合理配置方案论证提供一种实用的技术手段。虽然该方法的有效性很多程度上取决于各项洪水资源利用措施的风险计算，但在计算分析条件许可的情况下将其用于区域洪水资源利用规划或管理方案选择过程是可行的。

[1]J W Ha111，I C Meadowcroft，P B Sayers. Integrated f1ood risk management in Eng1and and Wa1es[J]. Natura1 Hazards Review，2003，4（2）：126–135.

[2]王浩，殷峻暹.洪水资源利用风险管理研究综述[J].水利发展研究，2004，（5）：4-8.

[3]李继清，张玉山，王丽萍，等.洪水资源化及其风险管理浅析[J].人民长江，2005，36（1）：35-37.

[4]许士国，刘建卫，张柏良.洪水资源利用及其风险管理研究[J].水力发电，2007，33（1）：10-13.

[5]贾绍凤，何希吾，夏军．中国水资源安全问题及对策[J]．中国科学院院刊，2004，19（5）：347-350.

[6]陈守煜，郭瑜.模糊可变集合及其在防洪工程体系综合风险评价中的应用[J].水利水电科技进展，2005，25（6）：4-8.

[7]Lee H M.App1ying fuzzy set theory to eva1uate the rate of ag⁃gregative risk in software deve1opment[J].Fuzzy Sets and Sys⁃tems，1996，79：323-336.

[8]Lee H M，Shu-Yen Lee，Tsung-Yen Lee.A new a1gorithm for app1ying fuzzy set theory to eva1uate the rate of aggrega⁃tive risk in software deve1opment[J].Information Sciences，2003，153：177-197.

[9]彭勇行.国际投资环境的组合评价研究[J].系统工程理论与实践，1997，（11）：13-17.

[10]陈衍泰，陈国宏，李美娟.综合评价方法分类及研究进展[J].管理科学学报，2004，7（2）：69-79.

[11]方红远，王银堂，胡庆芳.区域洪水资源利用综合风险评价[J].水科学进展，2009，20（5）：726-731.