智能水資源系統(tǒng)工程探討

1、智能水資源系統(tǒng)工程探討 匯報人：金菊良 合肥工業(yè)大學土木與水利工程學院水資源與環(huán)境系統(tǒng)工程研究所安徽 合肥 230009， E-mail: JINJL66@126.com2014年04月18日,1 1989-1994：水資源系統(tǒng)隨機分析模擬 2 1995-2000：水資源系統(tǒng)優(yōu)化建模預測 3 2000-2008：水資源系統(tǒng)評價決策調(diào)控 4 2009-2014：水資源系統(tǒng)風險分析評估,內(nèi)容提要,“中國四大河

2、月徑流隨機變化特性的探討”（1989年學士論文，丁晶老師負責的國家自然科學基金48670042“徑流隨機變化基本規(guī)律的研究”）用隨機水文學的方法探索四大河月徑流時序上的周期、相依、持續(xù)性、偏態(tài)分布特性和空間上相關(guān)性特性研究和選用合適的隨機模型（季節(jié)性一階自回歸模型、主站模型）表征其變化規(guī)律,1 1989-1994：水資源系統(tǒng)隨機分析模擬,四大河實測和模擬1000年的情況和結(jié)果表,“中國四大河月徑流隨機變化特性的探討”（1989年學士

3、論文）用隨機水文學的方法探索四大河月徑流時序上的周期、相依、持續(xù)性、偏態(tài)分布特性和空間上相關(guān)性特性；進而研究和選用合適的隨機模型（季節(jié)性一階自回歸模型、主站模型）表征其變化規(guī)律。,1 1989-1994：水資源系統(tǒng)隨機分析模擬,四大河代表站負輪長頻次曲線（—實測序列，……模型）,“中國四大河月徑流隨機變化特性的探討”（1989年學士論文）依據(jù)中國四大河(長江、黃河、松花江、西江)觀測資料，用隨機水文學的方法探索了四大河月徑流時序變化

4、特性和空間變化特性在此基礎上研究了表征月徑流變化特性的模型，結(jié)果表明簡單的季節(jié)性一階自回歸模型，加上隨機項的偏態(tài)變換，可用來表征月徑流的時序變化，主站模型可用來表征月徑流的空間變化結(jié)果還表明:長江和黃河月徑流量的變化基本上是同步的，長江和松花江的月徑流量變化表現(xiàn)出異步的趨勢,1 1989-1994：水資源系統(tǒng)隨機分析模擬,“工程隨機模型在暴雨洪水分析計算中的應用”（1992年碩士論文），利用隨機水文學的原理和方法，建立了年暴雨過程隨

5、機模型和基于計算機數(shù)值模擬的暴雨洪水流域系統(tǒng)隨機模型，對這些隨機模型的實用性檢驗，表明暴雨洪水流域系統(tǒng)隨機模擬方法這一方法在洪水災害風險分析評估中具有廣泛的應用前景。 年暴雨過程統(tǒng)計特征分析年暴雨過程隨機模型的建立流域暴雨洪水系統(tǒng)的準隨機產(chǎn)流模型的建立流域暴雨洪水系統(tǒng)確定性地面徑流匯流模型的建立流域暴雨洪水系統(tǒng)確定性淺層地下徑流匯流模型的建立,1 1989-1994：水資源系統(tǒng)隨機分析模擬,“工程隨機模型在暴雨洪水分析計算中的

6、應用”（1992年碩士論文）利用隨機水文學的原理和方法，建立了年暴雨過程隨機模型和基于計算機數(shù)值模擬的暴雨洪水流域系統(tǒng)隨機模型對這些隨機模型的實用性檢驗，表明暴雨洪水流域系統(tǒng)隨機模擬方法這一方法在洪水災害風險分析評估中具有廣泛的應用前景,1 1989-1994：水資源系統(tǒng)隨機分析模擬,PAR(1)年暴雨過程隨機模型的間接參數(shù)檢驗,“工程隨機模型在暴雨洪水分析計算中的應用”（1992年碩士論文）利用隨機水文學的原理和方法，建立了年暴

7、雨過程隨機模型和基于計算機數(shù)值模擬的暴雨洪水流域系統(tǒng)隨機模型對這些隨機模型的實用性檢驗，表明暴雨洪水流域系統(tǒng)隨機模擬方法這一方法在洪水災害風險分析評估中具有廣泛的應用前景,1 1989-1994：水資源系統(tǒng)隨機分析模擬,流域暴雨洪水系統(tǒng)隨機模擬模型的實用性檢驗,,,,,,“遺傳算法及其在水問題中的應用”（1998年博士論文）針對標準遺傳算法應用中存在的問題，設計了標準遺傳算法的改進形式—加速遺傳算法 ( AGA) 從理論和實證角度

8、分析了AGA的有效性、可行性。,2 1995-2000：水資源系統(tǒng)優(yōu)化建模預測,遺傳算法與人工智能研究領(lǐng)域其它分支之間的關(guān)系,“遺傳算法及其在水問題中的應用”（1998年博士論文）針對標準遺傳算法應用中存在的問題，設計了標準遺傳算法的改進形式—加速遺傳算法 ( AGA) 從理論和實證角度分析了AGA的有效性、可行性。,2 1995-2000：水資源系統(tǒng)優(yōu)化建模預測,生物進化與遺傳算法之間的對應關(guān)系,“遺傳算法及其在水問題中的應用”（

9、1998年博士論文）針對標準遺傳算法應用中存在的問題，設計了標準遺傳算法的改進形式—加速遺傳算法 ( AGA) 從理論和實證角度分析了AGA的有效性、可行性。,2 1995-2000：水資源系統(tǒng)優(yōu)化建模預測,“遺傳算法及其在水問題中的應用”（1998年博士論文）的研究內(nèi)容,“基因算法在Logistic曲線參數(shù)估計中的應用”（1997），Logistic曲線參數(shù)估計是非線性參數(shù)估計問題:K 與 a、r 的地位不相同，不能只經(jīng)一次線性化

10、再用最小二乘法來估計;K 一般要求它的數(shù)據(jù)類型與 N 的數(shù)據(jù)類型相同：,2 1995-2000：水資源系統(tǒng)優(yōu)化建模預測,,用 AGA 估計邏輯斯諦曲線的參數(shù)(Gause(1934)第Ⅰ組數(shù)據(jù)),“基于遺傳算法的神經(jīng)網(wǎng)絡及其在洪水災害承災體易損性建模中的應用”（1998）提出在BP算法訓練網(wǎng)絡出現(xiàn)收斂速度緩慢時啟用AGA來優(yōu)化此時的網(wǎng)絡參數(shù)，把AGA的優(yōu)化結(jié)果作為BP算法的初始值再用BP算法訓練網(wǎng)絡，如此交替運行BP算法和AGA，就可望

11、能加快網(wǎng)絡的收斂速度，同時在一定程度上可望改善局部最小問題。水稻在不同生育階段、不同受淹水深和不同受淹歷時所造成的產(chǎn)量影響程度是不同的。水稻的洪水災害易損性模型就是指水稻的減產(chǎn)率與水稻生育期、淹水深度、淹水歷時等減產(chǎn)影響因子的函數(shù)關(guān)系。,2 1995-2000：水資源系統(tǒng)優(yōu)化建模預測,“基于遺傳算法的神經(jīng)網(wǎng)絡及其在洪水災害承災體易損性建模中的應用”（1998）水稻的洪水災害易損性模型就是指水稻的減產(chǎn)率與水稻生育期、淹水深度、淹水歷

12、時等減產(chǎn)影響因子的函數(shù)關(guān)系。,2 1995-2000：水資源系統(tǒng)優(yōu)化建模預測,用于水稻洪災易損性分析的 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡模型的訓練和測試結(jié)果,“計算天然河道水面曲線的新方法”（2000）目前計算河道水面曲線的常用方法是試算法、迭代法和圖解法，這類方法沿河道順序逐段推求各計算河段橫斷面的水位值，存在各計算河段的誤差累積問題，也不便控制全河段總計算誤差提出了同時確定河道計算河段各斷面的水位值的思想，這實質(zhì)上就是全河段總計算誤差最小化問題，

13、可用加速遺傳算法(AGA)來處理。建立如下迭代公式,2 1995-2000：水資源系統(tǒng)優(yōu)化建模預測,“計算天然河道水面曲線的新方法”（2000）提出了同時確定河道計算河段各斷面的水位值的思想實質(zhì)上是全河段總計算誤差最小化問題，可用加速遺傳算法(AGA)來處理,2 1995-2000：水資源系統(tǒng)優(yōu)化建模預測,用AGA同時計算各斷面的水位值 單位：m,從全河段總計算誤差(即目標函數(shù))值來看，AGA的計算結(jié)果(0.00

14、000)明顯好于試算法和迭代法的計算結(jié)果，而迭代法的結(jié)果(0.00439)又好于試算法的結(jié)果(0.08188)從各斷面水位的計算結(jié)果看，雖然迭代法能控制每個計算河段的計算誤差，但由于誤差的累積，沿計算方向(從斷面3至斷面1)各斷面的水位計算誤差存在逐漸增大的趨勢；在試算法中各斷面的水位計算誤差相對都較大；而AGA則能有效控制全河段總計算誤差，解決了誤差累積問題，提高了計算精度,“遺傳算法在水資源工程中的應用研究”（2000年博士后報告

15、）基于遺傳算法(GA)的運行機理，抓住“交叉”這一GA思想，把GA的基本原理、分析技術(shù)和先進算法較完整地引入水資源工程領(lǐng)域，研制開發(fā)了適用于水資源工程問題的GA具體實施方案，解決了常規(guī)方法難以解決的一系列復雜問題：完善了基于二進制編碼的加速遺傳算法(AGA)，提出了基于實數(shù)編碼的加速遺傳算法(RAGA)和基于整數(shù)編碼的單親遺傳算法(IPGA)建立了基于AGA的門限自回歸模型、基于AGA的門限回歸模型、基于AGA的雙線性模型、基于A

16、GA的邏輯斯諦曲線模型、基于RAGA的投影尋蹤分類模型、基于RAGA的投影尋蹤等級評價模型、基于RAGA的投影尋蹤門限自回歸模型和基于RAGA的投影尋蹤門限回歸模型把這些模型成功地用于地下水位預測、海溫預測、海洋冰情預測、河道洪水預測、低溫冷害預測、年徑流預、江淮旱澇序列預測、日徑流預測、洪水災情評估、水環(huán)境質(zhì)量綜合評價、洪水分類、小流域治理效益評價、氣候區(qū)劃、天然河道水面曲線、均質(zhì)土壩滲流三段法計算問題、梯形明渠臨界水深計算問題和溢

17、流壩下游收縮斷面水深計算等一系列實際問題中，進一步說明了GA在處理實際水資源工程復雜優(yōu)化問題中具有廣泛的應用前景,2 1995-2000：水資源系統(tǒng)優(yōu)化建模預測,“基于遺傳算法的門限自回歸模型在淺層地下水位預測中的應用”（1999） ：,2 1995-2000：水資源系統(tǒng)優(yōu)化建模預測,,逐月地下水位系列的點值圖,根據(jù)該點值圖，可分為2段直線，據(jù)此確定門限區(qū)間的個數(shù)L=2，在分段線性的轉(zhuǎn)折點（均值）42.529附近確定門限值r(1)的搜索

18、范圍，可得該序列的TAR模型的結(jié)構(gòu)形式為,用AGA優(yōu)化TAR模型的參數(shù),地下水位預測模型的擬合誤差和預測誤差分析結(jié)果,“基于遺傳算法的地下水位動態(tài)預測雙線性模型”（2001）近代控制理論中提出的雙線性模型（bilinear time series model，BM）只包含有限個模型參數(shù)，用以擬合非線性時序過程BM是目前時間序列分析中應用最廣的自回歸滑動平均模型ARMA(p,q)的非線性推廣，BM 模型利用在實際預測過程中得到的殘差信

19、息進行反饋校正，只用較少的模型參數(shù)就可保證模型高的擬合精度和穩(wěn)健的預測性能，對水資源系統(tǒng)復雜非線性動態(tài)系統(tǒng)具有很強的適應性BM模型的一般形式為 ：,2 1995-2000：水資源系統(tǒng)優(yōu)化建模預測,,,BM模型的主要特點是，在ARMA模型的基礎上進一步考慮了預測殘差的過去值e(i-j)與系統(tǒng)行為的過去值x(i-k)之間的交互作用對系統(tǒng)當前行為x(i)的影響，當x(i)固定時BM模型就成為關(guān)于e(i)的線性模型，而當e(i)固定時BM模型

20、則成為關(guān)于x(i)的線性模型,“基于遺傳算法的地下水位動態(tài)預測雙線性模型”（2001）,2 1995-2000：水資源系統(tǒng)優(yōu)化建模預測,,例1 地下水位時序各預測模型的擬合誤差分析和預測誤差分析的結(jié)果對比表,例2 地下水位時序各預測模型的擬合誤差分析和預測誤差分析的結(jié)果對比表,就擬合精度和預測效果的總體而言，BM模型相對較優(yōu)盡管BM模型只利用了地下水位動態(tài)序列相依性顯著的少數(shù)自回歸項的信息，但是由于利用了過去預測的殘差信息進行反饋校正

21、，保證了BM模型高的擬合精度和穩(wěn)健的預測性能，因而預測如地下水位動態(tài)時序這樣復雜的非線性動態(tài)系統(tǒng)具有很強的適應性由于BM模型有效利用了預測過程中產(chǎn)生的殘差信息，在實際應用中常常表現(xiàn)出模型結(jié)構(gòu)簡明、參數(shù)少、適應性強等顯著優(yōu)點，因而是一類具有廣泛應用價值的非線性時序模型,“復雜系統(tǒng)綜合評價的理論框架及其在水安全評價中的應用”（2008）從方法論的角度提出了處理一般復雜系統(tǒng)綜合評價問題的7個步驟，它們組成了復雜系統(tǒng)綜合評價的理論框架：確

22、定評價對象集生成函數(shù)確定評價指標集生成函數(shù)確定評價指標測度函數(shù)確定定性指標定量化函數(shù)確定指標一致無量綱化函數(shù)確定指標權(quán)重函數(shù)確定綜合評價指標函數(shù)這7個函數(shù)合理選取或構(gòu)造這7個函數(shù)的不同形式，就可構(gòu)建合適的綜合評價模型，據(jù)此提出了5類評價模型：主客觀賦權(quán)評價方法，模式識別評價方法，相似評價方法，決策分析評價方法，組合評價方法,3 2000-2008：水資源系統(tǒng)評價決策調(diào)控,復雜系統(tǒng)綜合評價的理論框架,“復雜系統(tǒng)綜合評價的理論

23、框架及其在水安全評價中的應用”（2008）,3 2000-2008：水資源系統(tǒng)評價決策調(diào)控,應用結(jié)果說明：構(gòu)建綜合評價模型的最重要工作依次是確定綜合評價指標函數(shù)、指標權(quán)重函數(shù)和評價指標集生成函數(shù)實現(xiàn)綜合評價的理論框架功能最強的綜合評價方法依次是組合評價方法、決策分析評價方法和層次分析方法，相似評價方法、模式識別評價方法或投影尋蹤評價方法須與其它方法聯(lián)合應用才能構(gòu)造完整的評價模型,5類評價方法在本綜合評價理論框架7個函數(shù)確定中的作用,

24、“基于改進層次分析法的模糊綜合評價模型”（2004）提出了直接根據(jù)單指標相對隸屬度的模糊評價矩陣，構(gòu)造層次分析法中的判斷矩陣，用以確定各評價指標權(quán)重給出了用加速遺傳算法檢驗和修正判斷矩陣的一致性和計算判斷矩陣各要素的權(quán)重的模糊綜合評價模型(AHP_FCE)應用結(jié)果表明，AHP_FCE方法簡便和通用，計算結(jié)果較為客觀和穩(wěn)定,3 2000-2008：水資源系統(tǒng)評價決策調(diào)控,,“基于改進層次分析法的模糊綜合評價模型”（2004）提出了

25、直接根據(jù)單指標相對隸屬度的模糊評價矩陣，構(gòu)造層次分析法中的判斷矩陣，用以確定各評價指標權(quán)重給出了用加速遺傳算法檢驗和修正判斷矩陣的一致性和計算判斷矩陣各要素的權(quán)重的模糊綜合評價模型(AHP_FCE)應用結(jié)果表明，AHP_FCE方法簡便和通用，計算結(jié)果較為客觀和穩(wěn)定,3 2000-2008：水資源系統(tǒng)評價決策調(diào)控,,水電站裝機容量各方案評價指標樣本數(shù)據(jù)及其AHP_FCE模型評價結(jié)果,可得方案1至方案4的模糊評價的綜合指標值z(j)分別

26、為0.501，0.485，0.676和0.498，說明方案3為相對最佳方案根據(jù)文獻中權(quán)重法得到的方案1至方案4的模糊評價的綜合指標值z(j)分別為0.54，0.52，0.56和0.46，說明方案3為相對最佳方案可見等權(quán)重法所得的最大與次大綜合評價指標值很接近、不易決策，而AHP_FCE法的最大與次大綜合評價指標值差異明顯，有利于決策,“水質(zhì)綜合評價的投影尋蹤模型”（2001），提出用基于實碼加速遺傳算法(RAGA)的投影尋蹤(PP)

27、模型進行水質(zhì)綜合評價的新方法（PPGE）,3 2000-2008：水資源系統(tǒng)評價決策調(diào)控,,步驟1 構(gòu)造投影指標函數(shù),,,,,步驟2 優(yōu)化投影指標函數(shù),,,步驟3 建立投影尋蹤水質(zhì)綜合評價模型,水樣投影值z*(i)與標準水質(zhì)等級y(i)之間的關(guān)系,,,,“水質(zhì)綜合評價的投影尋蹤模型”（2001），提出用基于實碼加速遺傳算法(RAGA)的投影尋蹤(PP)模型進行水質(zhì)綜合評價的新方法（PPGE）,3 2000-2008：水資源系統(tǒng)評價決策調(diào)

28、控,,,,,,,,各水樣水質(zhì)等級的標準值與PPGE計算值間的誤差分析結(jié)果,用PPGE模型評價五大湖泊水環(huán)境質(zhì)量等級,“基于聯(lián)系數(shù)的流域水安全評價模型”（2008），在流域水安全評價指標體系和評價標準建立的基礎上，用基于加速遺傳算法的模糊層次分析法篩選指標、確定各指標和子系統(tǒng)的權(quán)重，用集對分析方法建立了基于聯(lián)系數(shù)的流域水安全評價模型（CN-AM）,3 2000-2008：水資源系統(tǒng)評價決策調(diào)控,,,,,,用AGA-FAHP篩選流域水安全評

29、價指標體系{xjk|j=1,2,…,m；k=1,2,…,nj},,,,,“基于聯(lián)系數(shù)的流域水安全評價模型”（2008），在流域水安全評價指標體系和評價標準建立的基礎上，用基于加速遺傳算法的模糊層次分析法篩選指標、確定各指標和子系統(tǒng)的權(quán)重，用集對分析方法建立了基于聯(lián)系數(shù)的流域水安全評價模型（CN-AM）,3 2000-2008：水資源系統(tǒng)評價決策調(diào)控,,,,,,用SPA構(gòu)造樣本i子系統(tǒng)j指標k的樣本值xijk與水安全評價標準之間的單指標聯(lián)

30、系數(shù)uijk,,,,“基于聯(lián)系數(shù)的流域水安全評價模型”（2008），在流域水安全評價指標體系和評價標準建立的基礎上，用基于加速遺傳算法的模糊層次分析法篩選指標、確定各指標和子系統(tǒng)的權(quán)重，用集對分析方法建立了基于聯(lián)系數(shù)的流域水安全評價模型（CN-AM）,3 2000-2008：水資源系統(tǒng)評價決策調(diào)控,,,,,,用SPA構(gòu)造樣本i子系統(tǒng)j指標k的樣本值xijk與水安全評價標準之間的單指標聯(lián)系數(shù)uijk,,,,,,“基于聯(lián)系數(shù)的流域水安全評價

31、模型”（2008），在流域水安全評價指標體系和評價標準建立的基礎上，用基于加速遺傳算法的模糊層次分析法篩選指標、確定各指標和子系統(tǒng)的權(quán)重，用集對分析方法建立了基于聯(lián)系數(shù)的流域水安全評價模型（CN-AM）,3 2000-2008：水資源系統(tǒng)評價決策調(diào)控,,,,,,計算樣本i子系統(tǒng)j與水安全評價標準之間的子系統(tǒng)聯(lián)系數(shù)uij,,,,計算樣本i與水安全評價標準之間的樣本聯(lián)系數(shù)ui,水安全等級評判,樣本i子系統(tǒng)j的水安全評價等級值為,樣本i的水安

32、全評價等級值為,式中:λ為置信度,一般在[0·50,0·70]內(nèi)取值,λ越大則評價結(jié)果越傾向于保守、穩(wěn)妥,“基于聯(lián)系數(shù)的流域水安全評價模型”（2008），在流域水安全評價指標體系和評價標準建立的基礎上，用基于加速遺傳算法的模糊層次分析法篩選指標、確定各指標和子系統(tǒng)的權(quán)重，用集對分析方法建立了基于聯(lián)系數(shù)的流域水安全評價模型（CN-AM）,3 2000-2008：水資源系統(tǒng)評價決策調(diào)控,,,,,,巢湖流域水安全系統(tǒng)各區(qū)域

33、的CN-AM評價結(jié)果,,巢湖流域水安全等級狀況的空間分布,“基于聯(lián)系數(shù)的流域水安全評價模型”（2008），在流域水安全評價指標體系和評價標準建立的基礎上，用基于加速遺傳算法的模糊層次分析法篩選指標、確定各指標和子系統(tǒng)的權(quán)重，用集對分析方法建立了基于聯(lián)系數(shù)的流域水安全評價模型（CN-AM）CN-AM可從指標、子系統(tǒng)和樣本3個層次定量地分析流域水安全的復雜狀態(tài)，既可測度流域水安全整體狀態(tài)的高低程度，又可識別影響流域水安全狀態(tài)的重要指標和重

34、要子系統(tǒng)CN-AM在巢湖流域中的應用結(jié)果表明：基于聯(lián)系數(shù)的均分原則評判方法與屬性數(shù)學的置信度準則評判方法具有一致性和互補性，聯(lián)合應用可保障CN-AM評價結(jié)果的可靠性；巢湖流域水安全系統(tǒng)處于臨界安全狀態(tài)，應提升流域的經(jīng)濟和科技發(fā)展水平、推廣節(jié)水技術(shù)、加快城市化進程和控制人口增長，以提高該流域水安全的保障程度CN-AM適用性強，在已知評價等級標準的各類多層次復雜系統(tǒng)綜合評價問題中具有一定的應用價值,3 2000-2008：水資源系統(tǒng)評價

35、決策調(diào)控,,,,,,,“基于現(xiàn)有防洪工程洪水資源利用的風險分析”（2008）潘家口水庫為不完全多年調(diào)節(jié)水庫，壩址以上控制面積為33700 km2，占灤河流域面積的75%，壩址以上多年平均徑流量為24.5億 m3，占全流域多年平均徑流量的53%設計標準為千年一遇，校核標準為五千年一遇，設計洪水位224.50 m，校核洪水位227.00 m。主壩壩頂高程230.50 m（大沽高程），保壩洪水位230.10 m，正常蓄水位222.00 m

36、，汛限水位216.00 m，死水位180.00 m，發(fā)電死水位180.00 m，最高蓄水位224.70 m。防洪庫容9.7億 m3，興利庫容19.5億 m3,3 2000-2008：水資源系統(tǒng)評價決策調(diào)控,,,,,,,“基于現(xiàn)有防洪工程洪水資源利用的風險分析”（2008）為減小水庫汛期棄水，提高水庫工程的綜合效益，潘家口水庫采用抬高水庫主汛期汛限水位的措施，以實現(xiàn)利用洪水資源的目的根據(jù)潘家口水庫的調(diào)度運行現(xiàn)狀，設計的汛限水位抬高方案

37、為：從216.5~220.0 m每0.5 m作為一個方案，共組成8個汛限水位抬高方案潘家口水庫抬高汛限水位的主要風險是水庫本身的防洪風險，可以用以校核洪水位為特征水位的水文風險率，及以壩頂高程為特征水位的漫壩風險率作為風險指標潘家口水庫抬高汛限水位產(chǎn)生的綜合效益有：農(nóng)業(yè)供水效益、工業(yè)供水效益、生活供水效益、環(huán)境供水效益和發(fā)電效益以這些效益指標連同風險指標共同構(gòu)建潘家口水庫抬高汛限水位的評價指標體系（共7個指標），根據(jù)各方案的風險和

38、效益估算結(jié)果，建立潘家口水庫汛限水位抬高方案風險決策的目標特征值矩陣,3 2000-2008：水資源系統(tǒng)評價決策調(diào)控,,,,,,,“基于現(xiàn)有防洪工程洪水資源利用的風險分析”（2008）主客觀組合賦權(quán)重分別為0.2266，0.2522，0.0994，0.1325，0.1900，0.0741和0.0252。由FAHP-IEW的步驟6得這8個方案的相對優(yōu)屬度分別為0.4788，0.5201，0.5618，0.5995，0.6308，0.62

39、81，0.6055和0.5212，據(jù)此可知方案5即潘家口水庫將主汛期汛限水位抬高至218.5 m為優(yōu)選決策方案。在該方案下，潘家口水庫將增加綜合效益25 932萬元，而超校核洪水位的水文風險率增加0.004%，超壩頂高程的漫壩風險率增加0.002%。這一優(yōu)選結(jié)果與多目標模糊優(yōu)選法相一致若側(cè)重于考慮防洪安全，把風險和效益因素的主觀權(quán)重分別占60%和40%，即這7個指標的主觀權(quán)重分別取為0.2，0.4，0.08，0.1，0.12，0.04

40、和0.06，用FAHP-IEW可得這8個方案的相對優(yōu)屬度分別為0.5958，0.6203，0.6451，0.6633，0.6723，0.6471，0.5734和0.4042，據(jù)此可知方案5或方案4，即潘家口水庫將主汛期汛限水位抬高至218.5 m或218.0 m為優(yōu)選決策方案,3 2000-2008：水資源系統(tǒng)評價決策調(diào)控,,,,,,,4 2009-2014：水資源系統(tǒng)風險分析評估,“自然風險評估的初步理論框架—以旱災為例”（2014）

41、根據(jù)旱災風險的形成機制，在旱災風險評估基本概念分析的基礎上，提出并系統(tǒng)地闡述了由旱災致災因子危險性、承災體的災損敏感性、暴露和抗旱能力組成的旱災風險系統(tǒng)在旱災風險系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎上提出了旱災風險評估方法論和旱災風險評估理論模式，進而建立了由致災因子危險性分析、承災體脆弱性分析、旱災損失風險分析、旱災風險評價、旱災風險決策分析方法組成的旱災風險評估方法體系，以及由干旱頻率與旱災損失關(guān)系曲線圖、干旱頻率空間分布圖、旱災損失空間分布圖、與旱災

42、風險有關(guān)的致災因子危險性分布圖等各種專題圖、旱災風險區(qū)劃圖組成的旱災風險評估應用模式體系由上述旱災風險系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、旱災風險評估方法論和理論模式、旱災風險評估方法體系和應用模式體系組成旱災風險評估的初步理論框架，該理論框架在其它自然災害風險評估中具有參考應用價值,4.1 旱災系統(tǒng)與旱災風險系統(tǒng)旱災風險系統(tǒng)是致災因子的危險性（旱災危險性）H，以及承災體的災損敏感性V 、暴露E和抗旱能力A這4個要素相互聯(lián)系、相互作用下形成的復雜系統(tǒng)。 承

43、災體的暴露和災損敏感性綜合為旱災易損性，旱災易損性和抗旱能力一起，構(gòu)成旱災脆弱性。旱災危險性、旱災脆弱性和旱災損失風險分別為旱災風險系統(tǒng)的輸入、轉(zhuǎn)換和輸出，換言之，旱災損失風險是干旱風險經(jīng)旱災脆弱性這一系統(tǒng)轉(zhuǎn)換作用后的結(jié)果。,,,,4 2009-2014：水資源系統(tǒng)風險分析評估,4.2 旱災風險評估旱災風險評估，就是識別和分析區(qū)域干旱發(fā)生概率及可能產(chǎn)生的損失后果，估計區(qū)域干旱發(fā)生的可能性分布函數(shù)和旱災損失的可能性分布函數(shù)，確定旱災風

44、險級別并決定哪些旱災風險需要控制以及如何從減輕旱災風險行動方案中選擇最優(yōu)方案的過程。 旱災風險評估的理論基礎是旱災風險系統(tǒng)的不確定性，主要包括隨機不確定性和模糊不確定性。 旱災風險評估的作用定量認識旱災風險機理的有效途徑旱災風險控制和風險管理的前提和基礎制定防治旱災對策、規(guī)劃防治區(qū)域、實施防治措施以及優(yōu)選防災項目、進行項目管理的基礎,,,旱災風險研究難點 難以表征干旱災害（氣象旱災）； 難以描述經(jīng)濟社會系統(tǒng)和人居環(huán)境的

45、 暴露度及其它特征； 難以描述和計算脆弱性的特殊性； 難以率定和計算抵抗旱災風險的能力。,4 2009-2014：水資源系統(tǒng)風險分析評估,4.3 旱災風險評估的基本原理旱災風險評估的基本原理就是把干旱風險，經(jīng)過旱災脆弱性，轉(zhuǎn)換為旱災損失風險的一般過程：1）確定某給定時間、給定空間的研究地區(qū)干旱強度的可能性分布函數(shù)，即干旱風險H；2）確定在一定抗旱能力條件下各干旱強度與承災體系統(tǒng)各種破壞程度之間一一對應的定量關(guān)系，確定承災體

46、系統(tǒng)各種破壞程度與各種損失之間一一對應的定量關(guān)系V(A)；3）綜合上述的1）~2），得到某給定時間、給定空間的研究地區(qū)在一定抗旱能力條件下旱災損失的可能性分布函數(shù)，即旱災損失風險R(A)=L~P。,,4 2009-2014：水資源系統(tǒng)風險分析評估,旱災損失,,,量化,旱災風險損失風險曲線的建立,4.4 旱災風險評估的理論模式,4 2009-2014：水資源系統(tǒng)風險分析評估,旱災風險評估的基本原理,4.4 旱災風險評估的理論模式,孕災環(huán)

47、境,致災因子,歷史表現(xiàn),人口,社會經(jīng)濟,資源環(huán)境,人口,社會經(jīng)濟價值,資源環(huán)境價值,,,,,,,,,,災害危險性模型P=f（I）,脆弱性模型D=g（I, A）,暴露（風險區(qū)價值，E）,,,,,,,頻率—毀損率關(guān)系D=h（P, A）,,,,風險評估模型C=F（P, A）,,損失率值計算,風險等級初步劃分,風險等級修訂,,,防災減災措施,社會經(jīng)濟特征,容許風險度,,,,成果輸出,,,,,,風險區(qū)劃圖,文字報告,注：P——干旱發(fā)生頻率I—

48、—干旱強度D——毀損率A ——防災減災能力E——風險區(qū)價值C——損失率值,,防災減災能力,,4.4 旱災風險評估的理論模式,R(A)=HoV(A)式中：R為旱災風險函數(shù)，A為抗旱能力，H為描述旱災危險性函數(shù)族，V為描述在一定抗旱能力條件下旱災脆弱性函數(shù)族，o為合成規(guī)則族。旱災風險受旱災危險性、旱災脆弱性和抗旱能力這三者決定。旱災風險評估思想，就是建立旱災危險性函數(shù)、旱災脆弱性函數(shù)，確定這些函數(shù)的合成規(guī)則，并用旱災危險性函數(shù)與

49、旱災脆弱性函數(shù)的合成來表征旱災損失風險。該基本理論模式與聯(lián)合國人道主義事務部（1991）的風險定義是一致的。例如，取H為干旱強度M的概率分布函數(shù)P(M)，V為抗旱能力A條件下各干旱強度與各旱災損失之間的函數(shù)關(guān)系C(M，A)，o為函數(shù)復合運算，則R(A)為在抗旱能力A條件下旱災損失的概率分布函數(shù)P(C，A)，P(C，A)就是在抗旱能力A條件下的旱災損失風險曲線。,4 2009-2014：水資源系統(tǒng)風險分析評估,4.5 旱災風險評估的方法

50、體系,1） 基于旱災損失風險構(gòu)成要素的旱災損失風險指數(shù)評估方法 建立干旱致災因子的危險性、承災體的暴露、災損敏感性和抗旱能力的風險評估指標體系，采用系統(tǒng)綜合評價方法進行旱災風險評估： R=f(H,E,V,A) 優(yōu)點可反映造成不同旱災風險的各因素的影響程度大小，該風險評估立足于災害風險大小和災害風險結(jié)構(gòu)要素之間的關(guān)聯(lián)性，利于成因分析，在反映由于要素變化導致風險時空格局演變方面具有重要的指示意義。數(shù)

51、據(jù)資料要求低、方法簡便，能反映區(qū)域風險的整體狀況，是目前國內(nèi)應用最廣泛的方法。適用于災害風險初步和快速評估、大中空間尺度的風險評估，以及數(shù)值數(shù)據(jù)資料難以獲取的風險評估。,淮河流域旱災綜合風險指數(shù)值分布圖,4 2009-2014：水資源系統(tǒng)風險分析評估,4.5 旱災風險評估的方法體系,1） 基于旱災損失風險構(gòu)成要素的旱災損失風險指數(shù)評估方法 建立干旱致災因子的危險性、承災體的暴露、災損敏感性和抗旱能力的風險評估指標體系，采用系統(tǒng)綜合評

52、價方法進行旱災風險評估： R=f(H,E,V,A) 不足不能直接反映風險的內(nèi)涵，其計算結(jié)果不具有明確的物理意義。旱災風險指數(shù)值為依賴于評估者經(jīng)驗的相對結(jié)果，是一類半定量的研究方法，不易從時間和空間尺度上進行風險高低的絕對比較，也無法模擬自然災害風險復雜系統(tǒng)的不確定性與動態(tài)過程。在建模方法和模型因子選擇以及模型因子權(quán)重的確定等方面均不可避免地帶有人為任意性。,

53、4 2009-2014：水資源系統(tǒng)風險分析評估,4.5 旱災風險評估的方法體系,2） 基于歷史旱災損失頻率分析的旱災損失風險曲線評估方法根據(jù)某一特定區(qū)域的歷史旱災損失序列，采用旱災損失序列的頻率分析方法，估計旱災損失的概率分布，以不同損失的概率水平反映干旱災害風險。優(yōu)點歷史旱災損失是旱災風險系統(tǒng)的演化結(jié)果，在統(tǒng)計上可視為未來災情的重現(xiàn)，原理簡單歷史旱災損失序列資料豐富、演變過程復雜，能反映旱災風險的不確定性特征，計算簡便，易于從

54、時間和空間尺度上進行比較歷史旱災損失指標用旱災損失率可以消除物價和GDP增長的因素,安徽省17地市農(nóng)業(yè)旱災風險曲線,4 2009-2014：水資源系統(tǒng)風險分析評估,4.5 旱災風險評估的方法體系,2） 基于歷史旱災損失頻率分析的旱災損失風險曲線評估方法根據(jù)某一特定區(qū)域的歷史旱災損失序列，采用旱災損失序列的頻率分析方法，估計旱災損失的概率分布，以不同損失的概率水平反映干旱災害風險。不足假設整個旱災損失系列是一個隨機變量有時不盡合理

55、、需要進行非一致性處理，長系列旱災損失數(shù)據(jù)難以獲得，無法反映造成旱災損失的不同因素的影響程度評估結(jié)果是資料統(tǒng)計單元的區(qū)域整體風險，不能反映風險在區(qū)域內(nèi)的空間差異性,4 2009-2014：水資源系統(tǒng)風險分析評估,4.5 旱災風險評估的方法體系,3） 基于旱災損失風險成因過程模擬的旱災損失風險曲線評估方法根據(jù)災害風險系統(tǒng)各要素相互作用機制和災害系統(tǒng)動力學機制，采用歷史干旱災損資料和災害過程模擬方法，建立干旱強度與旱災損失之間關(guān)系的旱災

56、脆弱性曲線采用致災因子發(fā)生概率情景和承災體社會經(jīng)濟變化情景的設置等災害情景過程模擬的途徑，建立在一定孕災環(huán)境條件下承災體損失風險與旱災危險性和旱災脆弱性之間的關(guān)系,株洲市現(xiàn)狀水平年、夏季干旱實際來水條件下的干旱頻率-水稻旱災損失率關(guān)系圖,4 2009-2014：水資源系統(tǒng)風險分析評估,4.5 旱災風險評估的方法體系,3） 基于旱災損失風險成因過程模擬的旱災損失風險曲線評估方法從災害風險系統(tǒng)各要素相互作用機制和災害系統(tǒng)動力學機制角度，

57、利用歷史干旱災損資料和災害過程模擬方法建立干旱強度與旱災損失之間關(guān)系的旱災脆弱性曲線，采用致災因子發(fā)生概率情景和承災體社會經(jīng)濟變化情景的設置等災害情景過程模擬的途徑，建立在一定孕災環(huán)境條件下承災體損失風險與旱災危險性和旱災脆弱性之間的關(guān)系 。優(yōu)點可以從不同致災因子重現(xiàn)期、不同承災體發(fā)展階段、不同時空尺度的角度模擬旱災發(fā)展演化過程屬于情境模擬的災害動態(tài)風險評估范疇，適用于模擬變化環(huán)境下災害風險的不確定性和動態(tài)變化過程是當前旱災風險

58、評估研究的主要發(fā)展方向和前沿課題,4 2009-2014：水資源系統(tǒng)風險分析評估,4.6 旱災風險評估的應用模式,1） R圖系指干旱頻率～旱災損失曲線圖，即干旱事件的發(fā)生頻率與對應的因旱糧食損失率之間的定量關(guān)系曲線圖。主要應用1）可預估“某區(qū)域在某一抗旱能力條件（灌溉條件）下，不同頻率干旱發(fā)生可能造成的糧食損失” 2）可評估“某區(qū)域在不同抗旱能力條件（灌溉條件）下，同一頻率干旱發(fā)生可能造成的糧食損失” 3）利用R圖可確定研究區(qū)

59、域合理的抗旱能力區(qū)間,茶陵縣不同灌溉水平下的夏季農(nóng)業(yè)旱災風險R圖,4 2009-2014：水資源系統(tǒng)風險分析評估,4.6 旱災風險評估的應用模式,2) P圖系指干旱頻率空間分布圖，即表征研究地區(qū)在給定旱災損失率下干旱頻率的空間分布圖。主要應用1）研究給定抗旱能力（不同灌溉水平，例如無灌溉、50%、75%和100%滿足灌溉需水）條件下，給定損失率（如5%、10%、20%、50%、70%）對應的干旱頻率（或重現(xiàn)期）的空間分布圖 2

60、）研究地區(qū)歷史上發(fā)生的最大重現(xiàn)期的空間分布圖。最大重現(xiàn)期往往反映的是歷史上或某段歷史時期內(nèi)某區(qū)域發(fā)生極端干旱的情況,損失率10%,4 2009-2014：水資源系統(tǒng)風險分析評估,4.6 旱災風險評估的應用模式,3） C圖系指旱災損失空間分布圖，即表征研究地區(qū)在給定抗旱能力（不同灌溉水平，包括無灌溉、50%、75%和100%）條件下，給定重現(xiàn)期（如5年一遇、10年一遇、20年一遇、50年一遇、100年一遇）對應的旱災損失率的空間分布圖。

61、主要應用1）利用C圖可確定研究區(qū)域內(nèi)損失風險高、低風險區(qū)，為制定和采用不同的抗旱決策提供依據(jù) 2）利用C圖可確定研究地區(qū)在歷史上發(fā)生的最大損失率的空間分布圖 3）利用C圖可廣泛應用于災前旱災損失預評估、災中旱災損失快速評估和災后旱災損失統(tǒng)計核實,20年一遇,4 2009-2014：水資源系統(tǒng)風險分析評估,4.6 旱災風險評估的應用模式,4）X圖系指與研究地區(qū)旱災風險有關(guān)的，除R、P或C圖以外的其他旱災風險變量的空間分布圖例如

62、最長干旱歷時分布圖致災因子危險性分布圖承災體脆弱性分布圖承災體暴露分布圖等各種專題圖這些圖可為實際抗旱提供重要的信息支持。,4 2009-2014：水資源系統(tǒng)風險分析評估,4.6 旱災風險評估的應用模式,5） 旱災風險區(qū)劃系指以行政、格網(wǎng)或流域等為區(qū)劃空間單元，按照旱災在時間上的演替和空間上的分布規(guī)律，將旱災風險評估結(jié)果進行等級劃分、編制區(qū)域旱災風險圖，對研究區(qū)域的空間范圍進行區(qū)域劃分，以反映旱災風險等級在研究區(qū)域中的空間分

63、布格局。它是旱災風險評估結(jié)果區(qū)域分異的一種可視化表達形式，是反映區(qū)域旱災風險空間差異性和一致性的圖件和相關(guān)說明，可為旱災管理中防旱抗旱措施的制定提供重要的科學依據(jù)。,淮河流域農(nóng)業(yè)旱災風險區(qū)劃,4 2009-2014：水資源系統(tǒng)風險分析評估,4 2009-2014：水資源系統(tǒng)風險分析評估,4.7 “基于遺傳模糊層次分析法的水庫誘發(fā)地震綜合風險評價指標體系篩選模型”（2010）根據(jù)水庫誘發(fā)地震與所在地區(qū)社會經(jīng)濟系統(tǒng)交互作用的機理分析，提

64、出了由危險性、易損性、減災能力、災情4個子系統(tǒng)組成水庫誘發(fā)地震綜合風險系統(tǒng)由這些子系統(tǒng)及其二級評價指標組成水庫誘發(fā)地震綜合風險評價的初步指標體系，再利用專家咨詢信息，采用遺傳模糊層次分析法篩選該初步指標體系，從而建立了水庫誘發(fā)地震綜合風險評價指標體系該指標體系可用于水庫誘發(fā)地震綜合風險評價，為構(gòu)建水庫誘發(fā)地震綜合風險預警系統(tǒng)提供了重要的技術(shù)基礎,4 2009-2014：水資源系統(tǒng)風險分析評估,4.7 “基于遺傳模糊層次分析法的水庫誘

65、發(fā)地震綜合風險評價指標體系篩選模型”(2010),4 2009-2014：水資源系統(tǒng)風險分析評估,4.7 “基于遺傳模糊層次分析法的水庫誘發(fā)地震綜合風險評價指標體系篩選模型”（2010）,4 2009-2014：水資源系統(tǒng)風險分析評估,4.7 “基于遺傳模糊層次分析法的水庫誘發(fā)地震綜合風險評價指標體系篩選模型”（2010）,4 2009-2014：水資源系統(tǒng)風險分析評估,4.7 “基于遺傳模糊層次分析法的水庫誘發(fā)地震綜合風險評價指標體系

66、篩選模型”（2010）,4 2009-2014：水資源系統(tǒng)風險分析評估,4.7 “基于遺傳模糊層次分析法的水庫誘發(fā)地震綜合風險評價指標體系篩選模型”（2010）,危險性子系統(tǒng)各指標的篩選計算值,易損性子系統(tǒng)各指標的篩選計算值（經(jīng)專家咨詢，x2, 6因與x2, 3重復故刪去）,4 2009-2014：水資源系統(tǒng)風險分析評估,4.7 “基于遺傳模糊層次分析法的水庫誘發(fā)地震綜合風險評價指標體系篩選模型”（2010）,減災能力子系統(tǒng)各指標的篩選

67、計算值,易損性子系統(tǒng)各指標的篩選計算值（經(jīng)專家咨詢，x2, 6因與x2, 3重復故刪去）,4 2009-2014：水資源系統(tǒng)風險分析評估,4.8 “實際抗旱能力下的農(nóng)業(yè)旱災損失風險曲線計算方法研究”（2014）以干旱期間供水滿足需水的比例作為抗旱能力指標，分別建立抗旱能力指標—來水頻率、干旱頻率—干旱烈度保證率之間的關(guān)系曲線，以干旱烈度保證頻率表征來水頻率，進而得出各次干旱過程的抗旱能力指標與干旱頻率的一一對應關(guān)系利用copula

68、函數(shù)計算干旱頻率，通過EPIC模型模擬水稻產(chǎn)量并計算損失，建立干旱頻率—假定灌溉水平—旱災損失率三者間關(guān)系根據(jù)抗旱能力和干旱頻率的對應關(guān)系，并以抗旱能力指標反映灌溉水平，可推得現(xiàn)狀水平年實際抗旱能力下的干旱頻率—旱災損失率曲線,,實際抗旱能力下的農(nóng)業(yè)旱災損失風險曲線計算流程,4 2009-2014：水資源系統(tǒng)風險分析評估,4.8 “實際抗旱能力下的農(nóng)業(yè)旱災損失風險曲線計算方法研究”（2014）,株洲市夏季干旱頻率-旱災損失率曲線圖,