CN113762730A - 一种水资源承载力风险评估方法及其电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种水资源承载力风险评估方法，包括对数据库中与水资源承载力相关的文献进行分析、概括和总结；从水循环、生态‑环境、经济‑社会三方面整理归纳影响水资源承载力风险指标；解析水资源承载力风险的要素组成，识别影响水资源承载力的关键驱动因子；从承载系统的脆弱性和危险性两方面构建风险指标体系。在风险要素组成分析与风险指标体系建立的基础上，根据指标特征与获取资料序列长短，采用定性与定量评估相结合的方式，建立水资源承载力风险集成评估模型，模拟水资源超载的概率或可能性。作为水资源承载力研究的拓展，本发明为研究水资源承载力风险评估提供了理论支撑与技术方法，对于实现区域水资源与经济社会协调发展具有重要意义。
Description
技术领域
本发明专利涉及水资源可持续利用技术领域，具体的是水资源承载力风险评估方法及其电子设备。
背景技术
随着人口的快速增长和社会经济的迅速发展，气候变化、水资源短缺、生物多样性减少等环境问题日益严重，当前世界正经历着错综复杂的经济社会转型，人类已步入了“风险社会”，面临着多重风险与挑战。水资源作为维持人类生存和发展不可替代的重要自然资源，在经济社会发展中起到了重要支撑与保障作用。水资源承载力评估是协调水资源与经济社会可持续发展的前提，关于水资源承载力的研究也成为了当前水科学研究领域的热点。而现实水资源系统存在众多的可变性、随机性和不确定性，且随着全球环境变化的加剧，以及人类活动日益增强，水资源系统所面临的风险在逐步加大，并成为制约经济社会可持续发展的一大挑战。
水资源承载力作为衡量人与自然协调程度的重要指标之一，是水资源评价与规划的核心，为区域水资源安全与可持续利用提供了基本度量，也为水资源的规划与管理提供了基础。受气候变化、经济社会发展水平、政策等不确定因素的影响，水资源支撑经济社会能力的不稳定性逐渐在增加。当前关于水资源承载力研究大多忽略了这些不确定性因素变化，也使得评估结果与实际偏差较大，不能真实反映区域水资源的承载能力。水资源承载力反映的是一个复杂大系统，以确定的指标体系研究水资源承载力，受指标选取和权重计算主观性的影响评估结果与实际易产生偏差。以多目标优化法和系统动力学法系统评估水资源承载力，虽能够给出其所承载的经济社会规模、能力或容量，但难以对复杂水资源系统进行较准确的抽象与概化，进而降低了水资源承载力评估结果的可信度。
当前的水资源承载力评估方法多偏重于承载容量或状态评估，而对于其承载状态的稳定性和可靠性缺乏研究。风险无处不在、无时不有，人类社会的发展始终与风险相伴。同样，在水资源系统中也伴随着风险，水资源风险是在水资源系统中由不确定因素带来的不利影响与损失。随着经济社会发展与生态文明进步，人类开始对水资源的开发利用与保护逐渐重视，同时对水资源承载力的研究也提出了更高的要求，亟待开展以评估水资源支撑经济社会发展可靠性为目标的水资源承载力风险研究，从而量化水资源系统的不确定性以及这种不确定性对经济社会和生态环境的影响，进而指导对水资源系统不利事件进行风险防控。由此可见，水资源承载力风险有别于水资源短缺风险和水资源安全风险，是风险理论在水资源承载力研究中的具体应用，是对水资源承载力研究的拓展。
基于此，本发明将聚焦于水资源超载事件发生的概率或可能性，解析水资源承载力风险要素组成，构建水资源承载力风险评估方法，模拟水资源超载的概率或可能性，为研究区域水资源承载力风险提供理论支撑与技术方法，同时也为水资源风险防范与优化利用提供技术支撑和决策依据。
发明内容
本发明针对现有水资源承载力评估技术多偏重于承载容量或状态的评估，而对其承载状态的稳定性与可靠性缺乏研究的现状，提供一种水资源承载力风险评估方法，包括对数据库中与水资源承载力相关的文献进行分析、概括和总结；从水循环、生态 -环境、经济-社会三个方面整理归纳影响水资源承载力风险指标；围绕水资源承载力风险的内涵与机理，解析水资源承载力风险要素组成，识别影响水资源承载力的关键驱动因子；从承载系统的脆弱性和危险性两方面构建风险指标体系；最终形成风险要素和风险指标体系。在风险要素组成分析与风险指标体系建立的基础上，根据指标特征与获取资料序列长短，采用定性与定量评估相结合的形式，建立区域水资源承载力风险集成评估模型，模拟水资源超载事件的概率与可能性。
本发明申请的水资源承载力风险评估方法，形成了一套包括风险因子识别、风险框架、评估模型、风险管控对策等内容的水资源承载力风险评估理论体系，为系统研究水资源风险提供了理论支撑和技术方法，可以解决水资源承载力风险评估方法不够完善、不够准确的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明提出一种水资源承载力风险评估方法，该方法包括以下步骤：
对数据库中与水资源承载力相关的文献进行分析、概括和总结；
从水循环、生态-环境、经济-社会三个方面整理归纳影响水资源承载力风险指标；
围绕水资源承载力风险的内涵与机理，评估各指标对区域水资源承载力风险的影响，识别影响水资源承载力的关键驱动因子；
从承载系统的脆弱性和危险性两方面构建风险指标体系；
最终形成风险要素和风险指标体系。
可选地，脆弱性指标的建立是根据支撑-压力-状态-响应的水资源复合系统，同时结合水资源系统的水量、水质、水域面积、水流等功能属性，以水资源承载风险的脆弱性作为目标层，准则层为承载体、利用方式、承载对象，建立包括人均水资源量、功能区水质、水域面积、河流阻隔、人均GDP、人口密度、建成区面积比例等指标；
危险性是由于气候变化和人类活动而使水资源系统发生超载，为此其指标主要考虑气候变化、城市化、产业布局、政策变化对水资源承载系统的影响，建立包含有降水、蒸发、城市化水平、产业结构等指标。
可选地，在风险要素组成分析与风险指标体系建立的基础上，根据指标特征与获取资料序列长短，采用定性与定量评估相结合的形式，建立区域水资源承载力风险集成评估模型，模拟水资源超载事件的概率与可能性。
可选地，定量评估具体采用概率统计法和模糊综合评价法计算水资源承载力风险的概率与可能性；
降水、蒸发采用概率统计的方法计算其对水资源承载系统危险性的概率，选取Copula函数来计算多变量的联合分布的概率。
F(x1,x2,…,xn)＝Cθ(F1(x1),F2(x2),…,Fn(xn)) (1)
式中F是一个以x1,x2,…,xn为随机变量的n维分布函数；C为边缘分布[0,1]区间Copula联结函数；θ为参数；F1(x1),F2(x2),…,Fn(xn)分别为随机变量x1,x2,…,xn的边缘分布；
采用极大似然法对函数的参数进行估计，并利用拟合优度对其生成的边缘分布进行检验；
对于序列较短且无法通过概率统计方法得到其风险概率的指标因子，这里采用模糊综合评价法评估其风险等级；
选取“加权平均型”的
模型即
由于
该模型蜕化为一般的实数加法，即
式中：λi表示第i项指标的权重，采用层次分析法(AHP)得到；rij表示第i项j因子的隶属度，指标越大越优的采用式(3)，指标越小越优的采用式(4)得到，
选取最大隶属度C＝max{bi}作为水资源承载力脆弱性评估指数。
可选地，定性评估采用专家经验法，根据水资源对经济社会的支撑情景模式来判定所属风险等级；
水资源承载力是在水资源系统与经济社会系统之间寻求“平衡”状态，当水资源系统无法支撑经济社会发展规模时，就是“超载”，如果可以支撑，就是“承载”；处于二者的临界，就是处于“平衡”。
可选地，根据经济社会系统发展对水资源系统所产生的压力超载程度，将水资源承载压力分为严重超载、超载、承载、低载四个等级；在此基础上按照超载的严重程度，水资源承载力风险设定为四个等级，分别为高风险、较高风险、中风险、无风险。
可选地，利用上述定量与定性相结合的方法完成水资源危险性与脆弱性评估，根据综合风险结构框架对水资源承载力风险进行计算，见下式：
R＝G(f(h),f(v)) (5)
式中，R为水资源承载力风险，f(h)为水资源承载力危险性函数，f(v)为水资源承载力脆弱性函数。最后依据风险值R大小将水资源承载力风险划分为较低风险R＜0.3、低风险0.3≤R＜0.5、中风险 0.5≤R＜0.8、高风险R≥0.8四个等级。
本发明的另一方面提出一种水资源承载力风险评估方法的电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其中，处理器执行计算机程序时实现上述用于水资源承载力风险评估方法。
通过以上方法及其电子设备，本发明可以有如下技术效果：通过定性和定量相结合的具体方法与具体演算公式，及其电子设备的计算运行，能够从时间上和空间上展示区域水资源承载力风险的空间格局和演变趋势。依据所得到的水资源承载力风险评估结果，分析引发水资源承载力风险的主要原因，据此在技术上提出解决方案，并因地制宜提出风险的管控措施。
附图说明
为了使本发明所解决的技术问题、采用的技术手段及取得的技术效果更加清楚，下面将参照附图详细描述本发明的具体实施例。但需声明的是，下面描述的附图仅仅是本发明的示例性实施例的附图，对于本领域的技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他实施例的附图。
图1显示的是水资源承载力风险要素组成图；
图2显示的是水资源承载力风险因子识别过程示意图；
图3显示的是水资源承载力风险评估结构框架图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照参考附图来全面地描述本发明的示例性实施例。虽然各示例性实施例能够以多种具体的方式实施，但不应理解为本发明仅限于在此阐述的实施例。相反，提供这些示例性实施例是为了使本发明的内容更加完整，更加便于将发明构思全面地传达给本领域的技术人员。
在符合本发明的技术构思的前提下，在某个特定的实施例中描述的结构、性能、效果或者其他特征可以任何合适的方式结合到一个或更多其他的实施例中。
在对于具体实施例的介绍过程中，对结构、性能、效果或者其他特征的细节描述是为了使本领域的技术人员对实施例能够充分理解。但是，并不排除本领域技术人员可以在特定情况下，以不含有上述结构、性能、效果或者其他特征的技术方案来实施本发明。
附图中的流程图仅是一种示例性的流程演示，不代表本发明的方案中必须包括流程图中的所有的内容、操作和步骤，也不代表必须按照图中所显示的顺序执行。例如，流程图中有的操作/ 步骤可以分解，有的操作/步骤可以合并或部分合并，等等。在不脱离本发明的发明主旨的情况下，流程图中显示的执行顺序可以根据实际情况改变。
附图中的框图一般表示的是功能实体，并不一定必然与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
各附图中相同的附图标记表示相同或类似的元件、组件或部分，因而下文中可能省略了对相同或类似的元件、组件或部分的重复描述。还应理解，虽然本文中可能使用第一、第二、第三等表示编号的定语来描述各种器件、元件、组件或部分，但是这些器件、元件、组件或部分不应受这些定语的限制。也就是说，这些定语仅是用来将一者与另一者区分。例如，第一器件亦可称为第二器件，但不偏离本发明实质的技术方案。此外，术语“和/ 或”、“及/或”是指包括所列出项目中的任何一个或多个的所有组合。
本发明充分考虑水资源系统中诸多系统参数以及其子系统相互用作的不确定性，系统分析影响水资源承载力风险因素。给出主要过程和因子影响水资源承载力及负荷的概念模式，识别影响水资源承载力的关键驱动因子。解析气候变化、人类活动对水资源承载系统的影响过程，从致险因子的危险性与受险体的脆弱性两方面出发，按照风险源、风险因子、风险触发、风险属性、承载风险的过程，构建多层次多属性水资源承载力风险结构框架。采用定性与定量相结合的方法，建立水资源承载力风险评估模型。
脆弱性评估以支撑-压力-状态-响应的水资源复合系统出发，结合水资源的水量、水质、水域、水流功能属性，从承载体(水资源)、利用方式(经济)、承载对象(社会)三方面选取主要影响水资源承载系统脆弱性因子构建评价指标，采用模糊综合评价法与层次分析(AHP)赋权法，定量评估水资源承载系统的脆弱性。危险性评估是从气候变化、城市化、产业结构、政策变化等方面，采用概率统计法与风险等级法对水资源承载系统的危险性进行定量与定性评估。最后，将其计算的脆弱性与危险性以乘积形式耦合得到水资源承载力综合风险。图1显示的是水资源承载力风险要素组成示意图。水资源承载系统是由水资源与经济社会系统共同组成，既有水资源对经济社会的支撑作用，也有经济社会发展造成对水资源的压力影响。水资源超载风险的评估可从致险因子和承险体两方面来分析，即导致水资源系统超载致险因子的危险性与水资源作为承险体的脆弱性。
图2显示的是水资源承载力风险因子识别过程示意图。通过文献分析、概括和总结，从水循环、生态-环境、经济-社会等面整理归纳影响水资源承载力风险指标，围绕水资源承载力风险的内涵与机理，评估各指标对区域水资源承载力风险的影响，识别影响水资源承载力的关键驱动因子。
在水资源承载力风险要素组成与关键驱动因子识别的基础上，从承载系统的脆弱性和危险性两方面构建风险指标体系。脆弱性指标的建立是根据支撑-压力-状态-响应的水资源复合系统，同时结合水资源系统的水量、水质、水域面积、水流等功能属性 (简称量、质、域、流)，以水资源承载风险的脆弱性作为目标层，准则层为承载体、利用方式、承载对象等，建立包括人均水资源量、功能区水质、水域面积、河流阻隔、人均GDP、人口密度、建成区面积比重等指标。危险性主要考虑了气候变化、城市化、产业布局、政策变化等对水资源承载系统的影响，建立包含有降水、蒸发、城市化水平、产业结构等指标。
在风险要素组成分析与指标体系建立的基础上，然后根据指标特征与获取资料序列长短，采用定性与定量相结合的形式，研发区域水资源承载力风险集成评估模型，模拟水资源超载的概率与可能性。
定量评估具体采用概率统计法和模糊综合评价法计算水资源承载风险的概率与可能性。如降水、蒸发等可采用概率统计的方法计算其对水资源承载系统危险性的概率，这里主要选取 Copula函数来计算多变量的联合分布的概率。
F(x1,x2,…,xn)＝Cθ(F1(x1),F2(x2),…,Fn(xn)) (1)
式中F是一个以x1,x2,…,xn为随机变量的n维分布函数；C为边缘分布[0,1]区间Copula联结函数；θ为参数；F1(x1),F2(x2),…,Fn(xn)分别为随机变量x1,x2,…,xn的边缘分布。采用极大似然法对函数的参数进行估计，并利用拟合优度对其生成的边缘分布进行检验。
对于序列较短无法以概率统计的方法计算得到其风险概率的指标因子，采用模糊综合评价法评估其风险等级。选取“加权平均型”的
模型即
由于
该模型蜕化为一般的实数加法，即
式中：λi表示第i项指标的权重，采用层次分析法(AHP)得到； rij表示第i项j因子的隶属度，具体计算按照指标越大越优的采用式(3)，指标越小越优的采用式(4)得到。
选取最大隶属度C＝max{bi}作为水资源承载力脆弱性评估指数。
由于受到样本数据的限制而无法定量评估的因素如政策指标，这里采用了定性的方法进行评估。定性评估主要采用专家经验法，根据水资源对经济社会的支撑情景模式来判定所属风险等级。水资源承载力是在水资源系统与经济社会系统之间寻求“平衡”状态，当水资源系统无法支撑经济社会发展规模时，就是“超载”，如果可以支撑，就是“承载”；处于二者的临界，可以认为处于“平衡”。根据经济社会系统发展对水资源系统所产生的压力超载程度，将水资源承载压力分为严重超载、超载、承载、低载四个等级。在此基础上按照超载的严重程度，水资源承载力风险也设定为四个等级，分别为高风险、较高风险、中风险、无风险。见表1。
表1水资源承载风险级别评价等级
利用上述定量与定性相结合的方法完成水资源危险性与脆弱性评估，根据综合风险结构框架对水资源承载力风险进行计算，见下式：
R＝G(f(h),f(v)) (5)
式中，R为水资源承载力风险，f(h)为水资源承载力危险性函数， f(v)为水资源承载力脆弱性函数。最后依据风险值R大小将水资源承载力风险划分为较低风险(R＜0.3)、低风险(0.3≤R＜0.5)、中风险(0.5≤R＜0.8)、高风险(R≥0.8)四个等级。
图3表示了水资源承载力风险评估整体框架图。作为风险理论与承载力理论的跨学科综合，本发明从水资源复合系统出发，以风险论和承载力理论为指导，对影响水资源承载力的关键驱动因素进行识别。通过对气候变化、人类活动影响水资源承载系统的风险表现特征分析，揭示出水资源承载力风险的形成机理。构建水资源承载力风险评估框架，从致险因子的危险性与受险体的脆弱性两方面出发，采用定性与定量相结合的方法，构建了基于风险等级与联合概率分布的水资源承载力风险评估模型，对多元不确定指标影响下水资源承载力风险进行评估。从气候变化、城市化、产业结构、政策变化等方面对区域水资源承载力风险进行评估，分析其风险的时空演变差异和趋势。因地制宜提出水资源承载力风险管控对策，为水资源风险防范与优化利用提供决策依据，对实现区域水资源支撑经济社会可持续发展具有重要意义。
综上所述，水资源承载力风险评估是聚焦于水资源超载发生的概率或可能性，突破了以往水资源承载力所呈现的承载状态或可承载人口、经济规模，以风险概率或风险等级形式呈现了水资源超载的可能性，拓展了水资源承载力研究。
以上说明书及附图中如此叙述仅仅是为了清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体加以理解，以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化、修改与结合，均应属于本发明保护的范围。
Claims (9)
1.一种水资源承载力风险评估方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
对数据库中与水资源承载力相关的文献进行分析、概括和总结；
从水循环、生态-环境、经济-社会三个方面整理归纳影响水资源承载力风险指标；
围绕水资源承载力风险的内涵与机理，评估解析水资源承载力风险的要素组成，分析各指标对区域水资源承载力风险的影响，识别影响水资源承载力的关键驱动因子；
从承载系统的脆弱性和危险性两方面构建风险指标体系；
最终形成风险要素和风险指标体系。
2.一种根据权利要求1所述的水资源承载力风险评估方法，其特征在于：
脆弱性指标的建立是根据支撑-压力-状态-响应的水资源复合系统，同时结合水资源系统的水量、水质、水域面积、水流的功能属性，以水资源承载风险的脆弱性作为目标层，准则层为承载体、利用方式、承载对象，建立包括人均水资源量、功能区水质、水域面积、河流阻隔、人均GDP、人口密度、建成区面积比重的指标；
危险性主要是由于气候变化和人类活动而使水资源系统发生超载，其指标主要考虑气候变化、城市化、产业布局、政策变化对水资源承载系统的影响，建立包含有降水、蒸发、城市化、产业结构的指标。
3.一种根据权利要求1所述的水资源承载力风险评估方法，其特征在于：
其中承载体为水资源，利用方式为经济，承载对象为社会。
4.一种根据权利要求1所述的水资源承载力风险评估方法，其特征在于：
在风险要素组成分析与风险指标体系建立的基础上，根据指标特征与获取资料序列长短，采用定性与定量评估相结合的形式，建立区域水资源承载力风险集成评估模型，模拟水资源超载事件的概率与可能性。
5.一种根据权利要求3所述的水资源承载力风险评估方法，其特征在于：
定量评估具体采用概率统计法和模糊综合评价法计算水资源承载风险的概率与可能性；
降水、蒸发采用概率统计的方法计算其对水资源承载系统危险性概率，选取Copula函数来计算多变量的联合分布的概率；
F(x1,x2,…,xn)＝Cθ(F1(x1),F2(x2),…,Fn(xn)) (1)
式中F是一个以x1,x2,…,xn为随机变量的n维分布函数；C为边缘分布[0,1]区间Copula联结函数；θ为参数；F1(x1),F2(x2),…,Fn(xn)分别为随机变量x1,x2,…,xn的边缘分布；
采用极大似然法对函数的参数进行估计，并利用拟合优度对其生成的边缘分布进行检验；
对于序列较短无法以概率统计的方法计算得到其概率风险的指标因子，采用模糊综合评价法评估其风险等级；
选取“加权平均型”的
模型即
由于
该模型蜕化为一般的实数加法，即
式中：λi表示第i项指标的权重，采用层次分析法(AHP)得到；rij表示第i项j因子的隶属度，指标越大越优的采用式(3)，指标越小越优的采用式(4)得到，
选取最大隶属度C＝max{bi}作为水资源承载力脆弱性评估指数。
6.一种根据权利要求3所述的水资源承载力风险评估方法，其特征在于：
定性评估采用专家经验法，根据水资源对经济社会的支撑情景模式来判定所属风险等级；
水资源承载力是在水资源系统与经济社会系统之间寻求“平衡”状态，当水资源系统无法支撑经济社会发展规模时，就是“超载”，如果可以支撑，就是“承载”；处于二者的临界，就是处于“平衡”。
7.一种根据权利要求5所述的水资源承载力风险评估方法，其特征在于：
根据经济社会系统发展对水资源系统所产生的压力超载程度，将水资源承载压力分为严重超载、超载、承载、低载四个等级；在此基础上按照超载的严重程度，水资源承载力风险设定为四个等级，分别为高风险、较高风险、中风险、无风险。
8.一种根据权利要求4至7之一所述的水资源承载力风险评估方法，其特征在于：
利用上述定量与定性相结合的方法完成水资源危险性与脆弱性评估，根据综合风险结构框架，采用乘积耦合形式对水资源承载力风险进行计算，见下式：
R＝G(f(h),f(v)) (5)
式中，R为水资源承载力风险，f(h)为水资源承载力危险性函数，f(v)为水资源承载力脆弱性函数；最后依据风险值R大小将水资源承载力风险划分为较低风险R＜0.3、低风险0.3≤R＜0.5、中风险0.5≤R＜0.8、高风险R≥0.8四个等级。
9.一种根据权利要求1至8之一所述的水资源承载力风险评估方法的电子设备，其特征在于：
包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其中，处理器执行计算机程序时实现上述用于水资源承载力风险评估方法。
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| CN202110936139.7A CN113762730A (zh) | 2021-08-16 | 2021-08-16 | 一种水资源承载力风险评估方法及其电子设备 |
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- 2021-08-16 CN CN202110936139.7A patent/CN113762730A/zh active Pending
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