CN108681844B - 一种调水工程洪水资源利用风险评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种调水工程洪水资源利用风险评价方法，属于调水工程洪水资源利用风险评价技术领域。其包括以下步骤：步骤一，获取待研究工程的洪水资源利用基本资料；步骤二，构建调水工程洪水资源利用风险评价体系；步骤三，确定调水工程洪水资源利用风险评价等级与标准；步骤四，计算蓄水工程、输水工程和提水工程风险指标的洪水资源利用风险；步骤五，将熵权法和投影寻踪法计算得到的客观权重与层次分析法计算的初始权重相耦合，利用组合赋权法计算指标权重；步骤六，通过条件云发生器计算指标隶属度；步骤七、得出整体评价等级。本发明提供了一种调水工程洪水资源利用风险评价方法，为调水工程安全利用洪水资源提供依据。

Description

一种调水工程洪水资源利用风险评价方法

技术领域

本发明属于调水工程洪水资源利用风险评价技术领域，涉及一种基于组合权重云模型的调水工程洪水资源利用风险评价方法。

背景技术

近年来，随着社会经济的快速发展，水资源供需矛盾加剧。跨流域调水工程能在一定程度上缓解水资源短缺问题，但调水一般是在非汛期进行，如果在汛期也进行调水，充分利用洪水资源，就能有效解决我国水资源短缺问题。以南水北调东线工程为例，每年汛期来水水量丰富，若能加强对洪水资源的利用和管理，就能提高南水北调东线水资源的可持续利用性，从而带动沿线社会经济的进一步发展。洪水是一种非常规的水资源，具有双重属性，带来效益的同时也存在风险，有必要对洪水资源利用进行风险分析。

调水工程的洪水资源利用是一个复杂的过程，有众多的风险因素相互制约、相互作用。洪水资源利用风险，既包括洪水资源利用风险值的大小(风险率)，又包括工程失事的损失或严重性(风险度)。调水工程各项洪水资源利用措施的水利工程结构、运行特征、在洪水资源开发利用中的作用、风险值高低及其对社会经济发展的影响力存在差异，不能采取简单的加权求和形式来评价其洪水资源利用风险。

发明内容

本发明的目的为解决现有技术存在的不足，提供一种调水工程洪水资源利用风险评价方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明所采用的技术方案是：一种调水工程洪水资源利用风险评价方法，按照以下步骤进行：

步骤一，获取待研究工程的洪水资源利用基本资料，包括工程参数、汛期水文统计资料、水资源公报、统计年鉴；

步骤二，构建调水工程洪水资源利用风险评价体系；

步骤三，确定调水工程洪水资源利用风险评价等级与标准；

步骤四，计算蓄水工程、输水工程和提水工程风险指标的洪水资源利用风险；

步骤五，将熵权法和投影寻踪法计算得到的客观权重与层次分析法计算的初始权重相耦合，利用组合赋权法计算指标权重；

步骤六，通过条件云发生器计算指标隶属度，确定每个指标评价等级；

步骤七、结果分析，得出整体评价等级。

本发明步骤二中，所述调水工程洪水资源利用风险评价体系的准则层为蓄水工程风险、输水工程风险、提水工程风险三类风险。

本发明步骤二中，所述调水工程洪水资源利用风险评价体系的指标层由每类风险所包含的具体指标构成，对于蓄水工程，风险指标主要包括系统内的湖泊和水库等；对于输水工程，风险指标主要是河道和渠道等；对于提水工程，风险指标主要有泵站和水闸等。

本发明步骤三中，所述调水工程洪水资源利用风险评价等级与标准具体包括风险率评价等级与标准、风险度评价等级与标准、风险评价等级与标准。

本发明所述风险评价等级与标准具体为：5个等级，分别是低风险(Ⅰ)、较低风险(Ⅱ)、中等风险(Ⅲ)、较高风险(Ⅳ)、高风险(Ⅴ)。

本发明步骤四中，所述计算蓄水工程、输水工程和提水工程风险指标的洪水资源利用风险具体步骤为：

计算蓄水工程、输水工程和提水工程的洪水资源利用风险率，根据风险率评价标准把风险率转化成评价值，其中，所述蓄水工程洪水资源利用风险率指的是蓄水工程可能达到的最高水位为H_m(t)超过允许最高水位H_a对应的概率，所述输水工程洪水资源利用风险率指的是输水工程的实际流量Q_c超过工程允许的最大流量Q_cm对应的概率，所述提水工程洪水资源利用风险率指的是泵站抽水水位H_p超过工程设计水位H_pm的概率；

计算蓄水工程、输水工程和提水工程的洪水资源利用风险度，根据风险度评价标准把风险度转化成评价值，其中，所述洪水资源利用风险度的计算具体指：对蓄水工程和输水工程，主要考虑洪水漫溢带来的淹没损失；对提水工程，主要考虑不能正常提水带来的供水延误，导致供水保证率受到影响而造成的经济损失；

再将各工程洪水资源利用风险率评价值与风险度评价值的乘积作为风险评价值。

本发明步骤五中，所述组合赋权法采用遗传算法求解，使综合权重与各评价方法所求得的权重差值的平方最小，构造适应度函数公式：

式中，Y(i,j)为第i种方法的第j个指标的权重，W(j)为随机生成的第j个指标的权重，m为评价方法数，n为评价指标数。

有益效果

实施本发明，将组合赋权法和云模型理论引入调水工程洪水资源利用风险评价中来，相对于现有技术具有如下优点：

(1)构建了调水工程洪水资源利用风险评价指标体系，考虑洪水资源利用风险率和风险度计算风险，使风险计算结果更全面合理；

(2)组合赋权法将主观赋权与客观赋权相结合，本发明采用熵权法和投影寻踪法两种客观计算权重的方法改进层次分析法，使权重更客观科学同时又具有一定的倾向性，可以增加评价结果可靠性；

(3)洪水资源利用风险没有明显的界限，有随机性与模糊性，云模型能够使评价体系保留这些特性，可以综合体现评价体系的特点，使评价结果更加真实有效；

(4)基于组合权重云模型的调水工程风险评价方法思路清晰，应用广泛，为调水工程洪水资源安全利用提供了重要的理论支撑。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种调水工程洪水资源利用风险评价方法技术路线图；

图2为本发明实例的南水北调工程江苏段系统概化图；

图3为本发明实例的调水工程洪水资源利用风险评价体系；

图4为本发明实例的采用不同方法的指标权重变化曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种调水工程洪水资源利用风险评价方法，综合考虑调水工程洪水资源利用评价系统中随机性与模糊性，将定性定量指标相结合，通过主客观权重求组合权重，以条件云发生器求解指标隶属度，即将组合赋权法和云模型理论引入调水工程洪水资源利用风险评价中来，形成组合权重云模型，来确定调水工程洪水资源利用风险综合评价等级。本发明提供的一种调水工程洪水资源利用风险评价方法技术路线图，如图1所示。

实施例

下面以具体实例对本发明加以说明。

步骤一、获取待研究工程的洪水资源利用基本资料。

待研究工程的洪水资源利用基本资料，包括工程参数、汛期水文统计资料、水资源公报、统计年鉴。

步骤二、构建调水工程洪水资源利用风险评价体系。

调水工程洪水资源利用风险评价指标体系的准则层为蓄水工程风险、输水工程风险、提水工程风险三类风险，指标层由每类风险所包含的具体指标构成，对于蓄水工程，风险指标主要包括系统内的湖泊和水库等；对于输水工程，风险指标主要是河道和渠道等；对于提水工程，风险指标主要有泵站和水闸等。

南水北调东线第一期工程于2002年12月开工建设，2013年建成通水，供水范围是苏北、皖东北、鲁南、胶东和鲁北地区。以南水北调工程江苏段为例，对其洪水资源利用风险进行评价。根据南水北调江苏段的各级湖泊、输水路线和沿线的泵站情况，对其进行概化，南水北调工程江苏段系统概化图见图2。

由南水北调工程江苏段系统概化图可知，江苏段工程洪水资源利用的起点是洪泽湖，再根据调水路线的湖泊、河道和闸站情况，可以识别出东线洪水资源利用的主要风险指标，其洪水资源利用风险评价指标体系见图3。

步骤三、确定调水工程洪水资源利用风险评价等级与标准。

调水工程洪水资源利用风险评价等级与标准具体包括风险率评价等级与标准、风险度评价等级与标准、风险评价等级与标准，其又分为5个等级，分别是低风险(Ⅰ)、较低风险(Ⅱ)、中等风险(Ⅲ)、较高风险(Ⅳ)、高风险(Ⅴ)。

(1)风险率评价标准

在参考我国大坝安全评价的基础上，结合工程实际运行条件，得到调水工程风险率的评价标准，风险率评价等级分为5级，具体内容见表1。

表1调水工程洪水资源利用风险率评价标准

(2)风险度评价标准参照水利工程建设重大质量与安全事故等级划分，调水工程洪水资源利用风险的风险度评价等级分为5级，分别是：轻微、中等、严重、重大、灾难性。具体内容见表2。

表2调水工程洪水资源利用风险度评价标准

(3)风险评价标准

洪水资源利用风险评价为安全利用洪水资源提供理论依据。调水工程洪水资源利用的风险评价等级由风险率和风险度共同确定，分为5级，分别是：低风险(Ⅰ)、较低风险(Ⅱ)、中等风险(Ⅲ)、较高风险(Ⅳ)、高风险(Ⅴ)，评价基准见表3。

表3调水工程洪水资源利用风险评价标准与等级

步骤四、计算蓄水工程、输水工程和提水工程风险指标的洪水资源利用风险。

在调水工程洪水资源利用过程中，蓄水工程、输水工程和提水工程承担了主要的工程风险，具体方法如下：

1、计算蓄水工程、输水工程和提水工程的洪水资源利用风险率，根据风险率评价标准把风险率转化成评价值。蓄水工程洪水资源利用风险率指的是蓄水工程可能达到的最高水位为H_m(t)超过允许最高水位H_a对应的概率；输水工程洪水资源利用风险率指的是输水工程的实际流量Q_c超过工程允许的最大流量Q_cm对应的概率；提水工程洪水资源利用风险率指的是泵站抽水水位H_p超过工程设计水位H_pm的概率。

风险率计算原则如下：

蓄水工程增加蓄水后，工程的调洪能力降低，加大了汛期水位超过蓄水工程允许最高水位的风险。对于某一洪水过程Q(t)，按一定的调洪规则进行调度，工程可能达到的最高水位为H_m(t)，所形成的防洪风险状态是H_m(t)超过了允许最高水位H_a，蓄水工程风险指标的风险率R₁可表示为：

R₁＝P{H_m(t)≥H_a} (1)

输水工程的蓄洪能力是影响调水工程洪水资源利用的重要因素，输水工程为调水工程洪水资源利用提供了必要条件，当输水工程的实际流量Q_c超过了工程允许的最大流量Q_cm时，就产生了输水工程洪水资源利用风险，输水工程风险指标的风险率R₂可表示为：

R₂＝P{Q_c(t)≥Q_cm} (2)

提水工程应在设计工况内正常运行，增加的洪水资源量会使提水工程水位升高，需校核其调水时的水位是否满足正常运行要求。抽水水位H_p超过工程设计水位H_pm时，会带来提水工程洪水资源利用风险，提水工程风险指标的风险率R₃可表示为：

R₃＝P{H_p(t)≥H_pm} (3)

2、计算蓄水工程、输水工程和提水工程的洪水资源利用风险度，根据风险度评价标准把风险度转化成评价值。洪水资源利用风险度的计算具体指：对蓄水工程和输水工程，主要考虑洪水漫溢带来的淹没损失；对提水工程，主要考虑不能正常提水带来的供水延误，导致供水保证率受到影响而造成的经济损失。

风险度计算原则如下：

风险度的评价是一个复杂的过程，要充分考虑各指标洪水资源利用风险造成失事后果的严重性，通过用风险损失来度量。对蓄水工程和输水工程，主要考虑洪水漫溢带来的淹没损失；对提水工程，主要考虑不能正常提水带来的供水延误，导致供水保证率受到影响而造成的经济损失。风险度评价值的确定应依据表2的标准，结合具体的工程参数、保护范围、调水量等因素综合考虑。

3、将各工程洪水资源利用风险率评价值与风险度评价值的乘积作为风险评价值。指标风险评价值计算如下：

将各指标的风险率和风险度计算值按照评价标准与等级转化为相应的评价值，再把风险率和风险度的乘积作为洪水资源利用风险。

根据江苏省实际用水需求，东线洪水资源利用调水时段为7月中旬到9月。以洪泽湖流域为准划分典型年，通过对洪泽湖流域2003年至2017年的水文资料进行分析计算，所选取的丰水年代表是2003年，平水年代表是2010年，枯水年代表是2014年，各指标在丰、平、枯不同典型年的风险评价值见表4。

表4风险计算表

步骤五、将熵权法和投影寻踪法计算得到的客观权重与层次分析法计算的初始权重相耦合，利用组合赋权法计算指标权重。

1、层次分析法

本发明采用层次分析法计算主观权重，计算步骤如下：

(1)构造判断矩阵。对各个层次进行判断，整理得到各个风险因素的判断矩阵A＝(a_ij)_m×n，求解A的特征值和特征向量。

(2)一致性检验。用一致性指标CI检验比较判别矩阵是否满足一致性要求，CI越大，说明不一致越严重。

(3)计算指标权重。若递阶结构通过一致性检验，即可求出指标层各因素的最终权重d_k，其中b_kj是各指标的相对权重，c_j是准则层的权重：

2、熵权法

本发明采用熵权法作为客观权重，计算步骤如下：

(1)若评价对象有m个，评价指标有n个，采用极差法对指标值进行归一化处理，得到初始判断矩阵R＝(r_ij)_m×n。

(2)计算各指标的熵值：

若f_ij＝0，lnf_ij无意义，则：

式中，若f_ij＝0，则取lnf_ij＝0。

(3)计算各指标权重：

3、投影寻踪法

本发明采用投影寻踪法计算客观权重，计算步骤如下：

(1)根据各指标原始数据，归一化处理后到初始矩阵R＝(x_ij)_m×n(m为评价对象个数，n为评价指标个数)。

(2)构造投影指标函数，把初始指标投影到方向向量上，得到指标的投影值Z_i：

式中，a为投影方向向量，a＝(a₁,K,a_n)。

投影函数Q(a)可以表达为：

Q(a)＝S(a)×d(a) (10)

其中：

式中，S(a)为Z_i的标准差；d(a)为Z_i的局部密度；

为Z_i的均值；R为局部密度窗口半径，通常R＝0.1×S(a)；r_ij为两投影值的距离，r_ij＝|Z_i-Z_j|；f(R-r_ij)为单位阶跃函数，当(R-r_ij)≥0时取1，反之取0。

(3)通过优化投影函数，构造适应度函数：

max Q(a)＝S(a)×d(a) (13)

最后，用RAGA求解，权重值取重复50次的各代最优个体的平均值。

4、组合赋权

组合赋权法将主观赋权与客观赋权进行结合，是一种科学合理的方法。组合权重通过遗传算法求解，使综合权重与各评价方法所求得的权重差值的平方最小，遗传算法适应度函数的表达式是：

式中，Y(i,j)为第i种方法的第j个指标的权重，W(j)为随机生成的第j个指标的权重，m为评价方法数，n为评价指标数。

请相关领域的专家对风险指标两两评分，从而构造出层次分析法所需的判别矩阵，计算得到主观权重。把各指标在2003年至2017年共15年的洪水资源利用风险评价值作为熵权法和投影寻踪法的初始判断矩阵，计算得到基于熵权法和投影寻踪法的客观权重。图4为本发明实例的采用不同方法的指标权重变化曲线图。采用遗传算法求解组合权重，计算结果见表5。

表5风险评价权重计算表

步骤六、通过条件云发生器计算指标隶属度，确定每个指标评价等级。

云的数字特征可以反映定性概念的定量特征，用期望Ex、熵En和超熵He来表示。Ex是定性论域的中心值，En度量了定性概念的模糊性和随机性，He对熵的不确定性进行度量。

本发明通过X条件云发生器来计算各风险指标的隶属度，计算步骤如下：

(1)确定评价指标等级标准；

(2)计算不同等级的特征值，求解各个指标对不同等级的隶属度。

式中，B_min、B_max分别表示指标评价等级的下限和上限，k为常数，可以依据变量的模糊阈度进行调整。本实例评价等级的云数字特征见表6。

表6云模型的数字特征计算规则

通过X条件云发生器，输入指标值，对每个样本重复1000次，求得的平均值作为每个等级的隶属度，输出的云模型隶属度矩阵是D＝(μ_ij ^*)_m×n，计算公式如下：

组合权重W对D进行模糊转换，就能得到评价集上的模糊子集C，本发明采用最大隶属度准则进行评价等级评判。

C＝WD＝(c₁,c₂,L,c_n) (20)

对丰、平、枯三种典型年的水资源利情况风险进行评价，采用X条件云发生器生成各个指标的隶属度，为了降低误差，重复计算1000次，根据最大隶属度原则得出评价等级，计算结果及各指标的风险等级评价如表7、8、9所示，在丰、平、枯三种典型年下的洪水资源利用风险评价等级根据最大隶属度原则得到，结果见表10。

表7丰水年洪水资源利用风险隶属度计算表

表8平水年洪水资源利用风险隶属度计算表

表9枯水年洪水资源利用风险隶属度计算表

表10不同典型年的南水北调东线工程洪水资源利用风险评价结果

步骤七、结果分析，得出整体评价等级。

从上述计算结果可知，对于丰水年，风险较高的指标有：洪泽湖、骆马湖、南四湖下级湖、中运河、泗阳站和皂河站，对于平水年，风险较高的指标是洪泽湖、中运河，而对于枯水年，所有指标的风险均较低。丰水年风险等级是Ⅲ，对应中等风险，平水年和枯水年的风险等级是Ⅱ，对照各风险指标的风险等级，可以发现平水年存在Ⅲ级风险指标，而枯水年风险均是Ⅱ级或∣级，也可以进一步说明枯水年的洪水资源利用风险最低。本发明的评价结果与专家评判相一致，但本发明评价方法更客观合理，主客组合权重考虑了人为因素和指标值本身的客观属性，云模型对风险做了模糊性处理，组合权重云模型理论对解决具有随机性的模糊风险评价问题有较好的适应性。

本发明的上述调水工程洪水资源利用风险评价方法过程，将组合权重云模型引入调水工程洪水资源利用风险评价中来，综合考虑定性指标与定量指标，同时考虑评价过程中可能的随机性与模糊性，根据各指标相应的评价等级与标准，基于层次分析法计算主观权重，熵权法和投影寻踪法计算客观权重，主客观结合得到最终权重，采用云模型计算隶属度，根据最大隶属度准则确定洪水资源利用的风险等级。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种调水工程洪水资源利用风险评价方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一，获取待研究工程的洪水资源利用基本资料，包括工程参数、汛期水文统计资料、水资源公报、统计年鉴；

步骤二，构建调水工程洪水资源利用风险评价体系；

步骤三，确定调水工程洪水资源利用风险评价等级与标准；

步骤四，计算蓄水工程、输水工程和提水工程风险指标的洪水资源利用风险，所述计算蓄水工程、输水工程和提水工程风险指标的洪水资源利用风险具体步骤为：

计算蓄水工程、输水工程和提水工程的洪水资源利用风险率，根据风险率评价标准把风险率转化成评价值，其中，所述蓄水工程洪水资源利用风险率指的是蓄水工程可能达到的最高水位为H_m(t)超过允许最高水位H_a对应的概率，所述输水工程洪水资源利用风险率指的是输水工程的实际流量Q_c超过工程允许的最大流量Q_cm对应的概率，所述提水工程洪水资源利用风险率指的是泵站抽水水位H_p超过工程设计水位H_pm的概率；

计算蓄水工程、输水工程和提水工程的洪水资源利用风险度，根据风险度评价标准把风险度转化成评价值，其中，所述洪水资源利用风险度的计算具体指：对蓄水工程和输水工程，主要考虑洪水漫溢带来的淹没损失；对提水工程，主要考虑不能正常提水带来的供水延误，导致供水保证率受到影响而造成的经济损失；

再将各工程洪水资源利用风险率评价值与风险度评价值的乘积作为风险评价值；

步骤五，将熵权法和投影寻踪法计算得到的客观权重与层次分析法计算的初始权重相耦合，利用组合赋权法计算指标权重；

步骤六，通过条件云发生器计算指标隶属度，确定每个指标评价等级；

步骤七、结果分析，得出整体评价等级。

2.根据权利要求1所述的调水工程洪水资源利用风险评价方法，其特征在于，步骤二中，所述调水工程洪水资源利用风险评价体系的准则层为蓄水工程风险、输水工程风险、提水工程风险三类风险。

3.根据权利要求1所述的调水工程洪水资源利用风险评价方法，其特征在于，步骤二中，所述调水工程洪水资源利用风险评价体系的指标层由每类风险所包含的具体指标构成，对于蓄水工程，风险指标主要包括系统内的湖泊和水库等；对于输水工程，风险指标主要是河道和渠道等；对于提水工程，风险指标主要有泵站和水闸等。

4.根据权利要求1所述的调水工程洪水资源利用风险评价方法，其特征在于，步骤三中，所述调水工程洪水资源利用风险评价等级与标准具体包括风险率评价等级与标准、风险度评价等级与标准、风险评价等级与标准。

5.根据权利要求4所述的调水工程洪水资源利用风险评价方法，其特征在于，所述风险评价等级与标准具体是：将风险分为5个等级，分别是低风险(Ⅰ)、较低风险(Ⅱ)、中等风险(Ⅲ)、较高风险(Ⅳ)、高风险(Ⅴ)。

6.根据权利要求1所述的调水工程洪水资源利用风险评价方法，其特征在于，步骤五中，所述组合赋权法采用遗传算法求解，使综合权重与各评价方法所求得的权重差值的平方最小，构造适应度函数公式：

式中，Y(i,j)为第i种方法的第j个指标的权重，W(j)为随机生成的第j个指标的权重，m为评价方法数，n为评价指标数。

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