基于模糊集對(duì)分析的河湖水系連通風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

沈 婕，梁忠民，王 軍

(河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098)

0 引 言

河湖水系是水資源的載體，是生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，也是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)[1]。近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類對(duì)水資源的過度開發(fā)利用與河湖水系的干擾，導(dǎo)致一些地區(qū)出現(xiàn)水資源承載能力和調(diào)配能力不足，部分江河和地區(qū)洪澇水宣泄不暢，河湖濕地萎縮嚴(yán)重，水環(huán)境惡化等問題。因此，人們逐漸認(rèn)識(shí)到河湖水系連通的重要性。

目前，已有不少學(xué)者在河湖水系連通評(píng)價(jià)方面做過研究。如黃草等[2]運(yùn)用景觀生態(tài)學(xué)的基本原理構(gòu)建水系格局與連通性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，定量分析了河湖水系的連通現(xiàn)狀與河湖連通的合理性。Wang等[3]在分析河流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上，利用圖論方法，在平面尺度上研究了不同河流及相關(guān)湖泊之間的連通性。Deng等[4]基于相鄰臺(tái)站的水位波動(dòng)差異，提出了一種新的定量縱向功能連通性指數(shù)(LFCI)。孟祥永等[5]從水系連通的驅(qū)動(dòng)因素和水力效果出發(fā)，構(gòu)建了城市水系連通性評(píng)價(jià)體系。楊霄等[6]運(yùn)用MIKE BASIN模型對(duì)不同的水系連通工程供水方案進(jìn)行評(píng)價(jià)。

我國正在全面推進(jìn)“四水”(水資源、水生態(tài)、水環(huán)境、水災(zāi)害)統(tǒng)籌治理。河湖水系連通一方面可以提高水資源調(diào)控水平和供水保障能力，同時(shí)它也有可能帶來一系列風(fēng)險(xiǎn)。因此，本文提出基于“四水”風(fēng)險(xiǎn)的河湖水系連通風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系，并采用趙克勤[7]提出的集對(duì)分析方法構(gòu)建河湖水系連通風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，并以太湖引江濟(jì)太工程為例進(jìn)行應(yīng)用研究，探討方法的適用性。

1 研究方法

1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

進(jìn)行河湖水系連通的目的是為了提高水資源統(tǒng)籌調(diào)配能力、改善水生態(tài)環(huán)境狀況、增強(qiáng)自然災(zāi)害抗御能力，最終實(shí)現(xiàn)人水和諧。為此，遵循整體性、簡(jiǎn)明性和可操作性、定量與定性相結(jié)合的原則，借鑒相關(guān)研究成果，將水資源風(fēng)險(xiǎn)、水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)、水生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和水資源風(fēng)險(xiǎn)及其影響因子作為要素，組成了河湖水系連通風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)系統(tǒng)。

我國水系連通工程具有類型較多(水資源配置主導(dǎo)型、防洪減災(zāi)主導(dǎo)型、水環(huán)境水生態(tài)恢復(fù)主導(dǎo)型)、區(qū)域特點(diǎn)多樣(我國中部、西部和東部差異大)、層面不同(有國家層面、區(qū)域?qū)用?、城市層?等特點(diǎn)，致使不同水系連通工程的“四水風(fēng)險(xiǎn)”表現(xiàn)形式差異很大，目前還無一套統(tǒng)一成熟的“四水風(fēng)險(xiǎn)”指標(biāo)體系可供借鑒。為此，本文提出“四層結(jié)構(gòu)”風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，即在傳統(tǒng)的 “三層結(jié)構(gòu)”(目標(biāo)層、要素層和指標(biāo)層)的基礎(chǔ)上，增加了風(fēng)險(xiǎn)屬性層。風(fēng)險(xiǎn)屬性層對(duì)于任何水系連通工程都是相同的，但從屬于該風(fēng)險(xiǎn)屬性的指標(biāo)未必相同，可根據(jù)水系連通工程具體情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。本文構(gòu)建的河湖水系連通風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系見表1。

表1 河湖水系連通風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

1.2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型

目前，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的方法主要有層次分析法、綜合評(píng)分法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)法、集對(duì)分析法等，其中，集對(duì)分析是一種用聯(lián)系數(shù)處理不確定性的方法，在處理不確定性關(guān)系上具有一定優(yōu)勢(shì)，可應(yīng)用于河湖水系連通的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中。

將評(píng)價(jià)對(duì)象的指標(biāo)值xl(L=1,2,…,m，m為評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù))與該指標(biāo)的評(píng)價(jià)等級(jí)k作為兩個(gè)集合構(gòu)成一個(gè)集對(duì)μ(Al，Bk)，通過聯(lián)系度μ來描述各種不確定性，其表達(dá)式為

μ=a+bi+cj

(1)

式中，a為同一度；b為差異度；c為對(duì)立度，且a，b，c∈[0，1]，a+b+c=1；i為差異度的系數(shù)，i∈[-1，1]；j為對(duì)立度系數(shù)，取恒定值-1。

之后，將三元聯(lián)系度中的bi進(jìn)一步劃分為b1i1+b2i2+…+bk-2ik-2，便可以得到基于集對(duì)分析的k元聯(lián)系度。本文采用的河湖水系連通風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)共有5級(jí)，因此本文使用的五元聯(lián)系度表達(dá)式為

μ=a+b1i1+b2i2+b3i3+cj

(2)

式中，a，b1，b2，b3，c∈[0，1]，且a+b1+b2+b3+c=1；b1，b2，b3為差異度分量；i1、i2、i3為差異度分量系數(shù)。

由于等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)是人為確定的，并沒有明確的界限，因而具有模糊性。在確定聯(lián)系度μ時(shí)，有必要考慮評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的模糊性，基于模糊分析理論，構(gòu)建了模糊聯(lián)系度。

對(duì)于越小越優(yōu)型的指標(biāo)，其聯(lián)系度μA～B表達(dá)式則為

(3)

對(duì)于越大越優(yōu)型指標(biāo)，其聯(lián)系度μA～B表達(dá)式為

(4)

式中，S1、S2、S3、S4分別為I至V類評(píng)價(jià)等級(jí)的臨界值。

在此基礎(chǔ)上，計(jì)算評(píng)價(jià)樣本與評(píng)價(jià)等級(jí)k之間五元綜合聯(lián)系度μA～B的表達(dá)式為

(5)

式中，wl為第l個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。

采用置信度準(zhǔn)則來評(píng)價(jià)河湖水系連通系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。計(jì)算公式為

hl=(f1+f2+…+fl)>λ

(6)

2 實(shí)例應(yīng)用

2.1 研究區(qū)概況

太湖流域是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展最為突出的核心經(jīng)濟(jì)區(qū)之一；然而，隨著太湖流域經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、城市化和工業(yè)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，湖泊水污染和富營養(yǎng)化問題日趨嚴(yán)重，流域水質(zhì)型缺水問題日益突出。水系連通是解決太湖流域水環(huán)境污染的有效途徑。2002年水利太湖流域管理局啟動(dòng)了“引江濟(jì)太”調(diào)水工程(見圖1)，通過望虞河將水質(zhì)較好的長江水引入太湖及周邊河網(wǎng)，以促進(jìn)河網(wǎng)有序流動(dòng)，改善太湖及河網(wǎng)水環(huán)境。本文選取2018年作為研究年份，對(duì)太湖流域水系連通進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

圖1 “引江濟(jì)太”工程示意

2.2 太湖流域水系連通風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)“引江濟(jì)太” 調(diào)水的實(shí)際情況，選取符合太湖流域的風(fēng)險(xiǎn)因子作為評(píng)價(jià)指標(biāo)(見表2)。

表2 太湖流域水系連通風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

單項(xiàng)指標(biāo)的分級(jí)采用定量與定性相結(jié)合的方法確定，分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)先采用國家、地區(qū)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或相關(guān)文獻(xiàn)研究成果。將河湖水系連通風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分為五個(gè)等級(jí)，分別為Ⅰ級(jí)(輕微風(fēng)險(xiǎn))、Ⅱ級(jí)(較小風(fēng)險(xiǎn))、Ⅲ級(jí)(中等風(fēng)險(xiǎn))、Ⅳ級(jí)(較大風(fēng)險(xiǎn))和Ⅴ級(jí)(重大風(fēng)險(xiǎn))。具體指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 單項(xiàng)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2.3 太湖流域水系連通風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

本文研究數(shù)據(jù)主要來源于《太湖健康狀況報(bào)告》(2018)、《太湖流域及東南諸河水資源公報(bào)》(2018)、《太湖流域引江濟(jì)太年報(bào)》(2018)、《太湖流域片防汛防臺(tái)年報(bào)》(2018)。指標(biāo)權(quán)重與定性指標(biāo)均由引江濟(jì)太相關(guān)專家進(jìn)行打分確定。

用層次分析法(AHP法)計(jì)算要素層及其各指標(biāo)的權(quán)重，權(quán)重結(jié)果見表4。

表4 層次分析法賦權(quán)結(jié)果

采用Copula方法計(jì)算長江流域大通站的徑流量與太湖流域的降水量的豐枯遭遇。選取1956～1985年共30年徑流量與降水量系列，通過Copula函數(shù)構(gòu)造兩站的徑流量與降水量的聯(lián)合分布，定量分析兩站的豐枯遭遇。

根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及模糊集對(duì)評(píng)價(jià)法，對(duì)太湖流域水系連通的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果見表5、6。根據(jù)各要素層的權(quán)重，將其聯(lián)系度進(jìn)行加權(quán)平均，得到太湖流域水系的連通評(píng)估結(jié)果(見表6)。

表5 單指標(biāo)聯(lián)系度

表6 各要素層的聯(lián)系度、hk值及綜合風(fēng)險(xiǎn)

這里取λ=0.6(中等保守)，根據(jù)置信度準(zhǔn)則得太湖流域水系連通2018年風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)成果。

(1)水資源風(fēng)險(xiǎn)中：D1、D2為Ⅰ級(jí)(輕微風(fēng)險(xiǎn))，D3為Ⅱ級(jí)(較小風(fēng)險(xiǎn))。在指標(biāo)不同權(quán)重的作用下，太湖流域水系連通水資源風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅰ級(jí)(輕微風(fēng)險(xiǎn))。

(2)水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)中：D4、D5為Ⅱ級(jí)(較小風(fēng)險(xiǎn))，D6為Ⅲ級(jí)(中等風(fēng)險(xiǎn))。太湖流域水系連通水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅱ級(jí)(較小風(fēng)險(xiǎn))。

(3)水生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)中：D7、D8為Ⅲ級(jí)(中等風(fēng)險(xiǎn))，D9為Ⅴ級(jí)(重大風(fēng)險(xiǎn))。太湖流域水系連通水生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅲ級(jí)(中等風(fēng)險(xiǎn))。

(4)水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)中：D10、D12為Ⅱ級(jí)(較小風(fēng)險(xiǎn))，D11為Ⅲ級(jí)(中等風(fēng)險(xiǎn))。太湖流域水系連通水生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅱ級(jí)(較小風(fēng)險(xiǎn))。

(5)太湖流域水系連通2018年風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅱ級(jí)(較小風(fēng)險(xiǎn))。

3 結(jié) 論

(1)綜合分析河湖水系連通風(fēng)險(xiǎn)影響因素，從“四水”方面建立河湖水系連通風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，提出了一種模糊集對(duì)河湖水系連通評(píng)估方法。該方法對(duì)資料需求適中、簡(jiǎn)單易行。

(2)本文以太湖流域引江濟(jì)太水系連通為例進(jìn)行應(yīng)用研究，結(jié)果表明太湖流域水系連通2018年風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為較小風(fēng)險(xiǎn)，與工程運(yùn)行的實(shí)際情況相符。

(3)河湖水系連通風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的難點(diǎn)主要在于指標(biāo)體系構(gòu)建及指標(biāo)的量化，既要考慮到指標(biāo)的完整充分性，也要兼顧指標(biāo)的可獲性，因此本文僅是一個(gè)探索性的研究。