水资源系统风险管理研究综述.docx

1、我国水资源系统风险管理研究综述梁小俊,楼章华,许月萍（浙江大学 水文与水资源工程研究所，浙江，杭州 310058）摘要：本文简单阐述水资源系统风险管理中风险及风险管理概念，并就目前研究的热点和水资源系统风险评价中的一些问题进行详细介绍，包括评价指标的选取或体系的建立和常用的风险识别和风险评价方法。最后指出现阶段水资源系统风险管理中存在的一些问题和未来的发展方向。关键词：风险管理；评价指标；风险管理方法；问题及展望风险管理作为水资源综合管理的一个分支，其概念、量化方法及模型的研究早已引起多数学者的注意。风险是由系统的不确定性因素引起的。水资源系统是由自然系统和人工系统组成的一个复合的动态的开放的

2、系统，这样的系统决定了其不确定性来源众多，主要包括：资料缺乏，如数据有限性、可变性、时效性等；对水资源系统本身不确定性的理解，系统各要素的内在不可预知性；外界条件变化，包括自然条件和人为条件引起的极端事件的变化；模型化过程中的不确定性，模型参数的取值引起的不确定性；决策者主观因素及社会制度等引起的不确定性等。1风险及风险管理概念风险的概念于19世纪末最早出现在西方经济领域中，目前已广泛应用于经济学、社会学、工程科学、环境科学和灾害学等领域中。迄今为止，风险的定义仍未统一。目前普遍认为(黄诗峰，1999)，风险应包含三个基本要素：不利事件、不利事件发生的概率和不利事件所导致的损失。水资源系统风险

3、泛指在特定时空环境条件下，水资源系统中所发生的非期望事件。具体讲，是指水体及其环境和人类水事活动过程中潜在的对人的财产、健康、生命安全以及环境构成不利影响或危害的非期望事件，是人们所不愿发生的事件(张翔，夏军，贾绍凤，2005)。通常意义下，人们所不愿发生的事情包括水资源短缺、洪涝灾害及水污染，因此水资源系统风险包括水资源短缺风险、洪涝灾害风险和水污染风险。风险管理于20世纪50年代起源于美国。到20世纪70年代，风险管理进入水资源研究领域中，并最早在美国水资源开发中得到应用。随后风险管理应用于水资源的各个领域，如防洪减灾、干旱、水利工程等。风险管理是指通过用于管理、控制风险的一整套政策和程序

4、，对风险进行识别、评估、处理和监控的系统管理过程(李雷，王仁忠等，2006)。水资源系统的三大风险，水资源短缺风险、洪涝灾害风险和水污染风险，虽然其来源、分析过程、评价方法不同，但基本模式是相同的，现引用李雷等提出的大坝风险过程：主要包括建立风险标准、风险确认、风险评价和风险处理四大部分，如图1.1。水资源风险标准包括生命风险标准、经济风险标准、社会和环境风险标准等，是风险管理的基础。风险标准的建立关系到法律制度、人民风险意识和价值观念等诸多因素，是一个长期、慢慢摸索的过程。我们需要针对我国特殊国情和民俗民风建立属于我国的水资源风险标准。风险确认主要在于鉴定风险来源和它们的影响范围，为风险评价

5、做准备。风险评价就是针对不同系统综合考虑事前风险大小和事后风险损失，给出定性或者定量指标。在这部分通常需要建立一个评价体系以及对评价体系进行整合量化，以便于管理者作出决策。风险评价是风险管理的核心。目前，我国水资源风险管理的多数工作集中在风险确认和风险评价两个阶段。是风险评价 否建立风险标准风险处理风险评估风险分析风险确认接受fxianffxianf信 息 交 流 与 咨 询监 控 与 评 审图1.1 风险管理过程图管理者根据评价结果，通过信息交流及专家咨询并参照风险标准，分析风险是否可以容忍。如果不可容忍，最终决定风险处理的方法。风险处理方法有降低风险，转移风险，回避风险和保留风险(李雷，王

6、仁忠等，2006)。由于我国水资源系统风险标准尚不健全，风险处理的研究还处在初步阶段。针对城市水资源系统，谢翠娜等（2008）提出了更为详细的管理模型，如图1.2。其基本过程同上所述的四个阶段，但在技术、模型、评价体系和方法上做了更为详细的阐述。更大范围的水资源风险管理，如整个流域水资源系统的风险管理模型目前尚没有建立，需要我们在现有理论的基础上不断努力和不断突破。图1.2 城市水资源风险管理整体模型目前，我国水资源风险管理的多数工作集中在风险确认和风险评价两个阶段。风险确认是风险评价的前奏，起着至关重要的作用，其表现形式都蕴含在风险评价过程中。下面对水资源风险评价的一些问题进行阐述，包括风险

7、评价指标的选取和风险管理中常用方法的研究，在此基础上总结水资源风险评价中存在的问题和未来的发展。2水资源风险评价指标风险评价指标应该能够反映风险的三要素：不利事件、不利事件发生的概率和不利事件所导致的损失。在水资源系统中不利事件通常指洪水、干旱和水污染。因此对水资源系统进行风险评价指标确定也即分别阐述洪水风险指标、干旱风险指标和水质风险指标，并将其量化，再针对水资源系统，采用概率方法、模糊集合论等方法，将洪水、干旱和水污染风险指标综合成相应的单指标值。水资源系统风险评价应充分考虑风险的特点以及水资源系统的复杂性，把存在风险的概率、风险出现的时间、风险造成的损失有多少、风险解除的时间等一系列因素

8、考虑在内，并结合水资源风险来源、影响因素、各种不确定性以及工程措施等，选取水资源风险评价指标。指标的选取还应遵循一定的原则： 客观性与准确性；代表性与普适性；适用性与可获性；结构性与系统性；综合性与可操作性（高吉喜，潘英姿等，2004）。以下从风险率、易损性和可恢复性三个评价因子层，以及相应的副因子层和指标层逐一介绍洪水灾害风险评价指标、干旱风险评价指标和水质风险评价指标研究现状。2.1风险率风险率即不利事件发生的可能性。洪水、干旱及污染发生的可能性，在不同的系统中各不相同，表征的方法也各不相同。1洪水风险率金菊良等（2002）从洪水灾害风险形成机制角度考虑，认为洪水灾害危险性(Flood H

9、azard)是洪水强度的概率分布函数。风险率则是由于洪水强度过大而发生洪水灾害的可能性的大小。不同的水资源系统，洪水风险率的影响因素不同。对于城市水资源系统，洪水灾害风险一方面取决于城市本身特点；另一方面取决于自然条件，如连续数日暴雨造成河川径流增加等。于是将洪水漫堤的可能性定义为城市洪水风险率，可以选取易于量化的指标如汛期降雨量/洪水含沙量、洪峰流量、堤顶高程等作为评价指标2干旱风险率干旱风险率的研究多半集中在可靠性的研究上。可靠性与风险率是两个相对对立的概念，即可靠性高则风险率小，可靠性低风险率就大。冯平(1998)指出干旱风险管理常用的风险指标有可靠性指标、恢复性指标和易损性指标等。张翔

10、等(2005)在对供水系统干旱风险评价时提出，可靠性指标是用来评价供水系统可供水量满足需水量的程度，是系统运行期内正常供水的时间()与整个供水历时(T)之比。杨奇勇等(2008)就农业干旱风险评价方面提出可靠性是指供水系统可供水量能满足农作物需水量的程度。针对不同的水资源系统，其干旱风险指标的选取各不相同。如对于城市干旱风险指标应该从众多因子中选择易于量化的，综合性强的因子来评价城市干旱风险率，需水量方面如单位GDP取水量、工业用水定额、工业用水重复利用率、城市用水人口、人口密度、人均生活用水等。供水量方面，气候变化、土地利用/覆被变化、人口经济发展等因素都将对水资源产生影响。3污染风险率污染

11、风险率，即水发生污染的可能性。通常认为只要有一种污染物的浓度超过允许浓度，即发生水污染。同理只要有一种污染物浓度有超过其允许浓度的风险，即认为存在水污染风险，其风险大小定义为风险率，用污染物浓度/允许浓度表示，比值越大水污染风险越大。但是不同的水功能区对水质的要求不同，因此各污染物的允许浓度不同，加之污染的各种不确定性，允许浓度是一个范围，因此在对水质进行风险评价时要分别对待。在对城市水资源进行水质风险评价时，应从地表水和地下水两方面进行风险评价。因为城市水资源系统包括地表水和地下水，且地表水和地下水的污染物来源、污染途径、污染物迁移转化方式等区别很大，也即影响地表水、地下水水质的因素各不相同

12、。即使同是地表水，如河流、湖泊、水库等，其影响因素也有所差异，其中影响河流水质状况的不确定性因素，不仅有河流流量、含沙量、河道形态、冲淤变化条件、水温、水化学及水生物等自然环境因素，还包括工业废水、城镇生活污水排放的波动与农业面污染源的时空变化等社会经济发展因素（胡国华等，2002）。湖泊、水库相对静止，水量更新速度较慢，其水质影响因素主要是水化学及水生物和社会经济发展因素。2.2易损性易损性是指风险发生后可能造成的损失程度。由易损性的概念和前人的研究成果来看，影响易损性的因素很多包括致灾因子、孕灾环境以及承灾体的各个方面。针对不同的水资源系统，各影响因素不尽相同，应该具体问题具体分析。对于一

13、个区域而言，易损性既反映了该区易于受到不利事件损伤或破坏的特性，又反映了其对不利事件的承受能力。应该从研究区域的自然属性和社会属性两方面总结评价指标。根据中国灾情资料统计习惯，这些指标主要有受灾人口、成灾人口、受灾面积、成灾面积、绝收面积、倒塌房屋、死伤人数、公共设施损失、直接经济损失等。所有统计指标可归为三类：灾害范围，灾害对人的影响，灾害造成的经济损失量。不利事件的损失程度与社会承载能力之间具有相关性，社会承载能力越强，损失将越小。影响社会承载能力的因子众多，包括政治、经济、科技、法律以及公民意识等等，如预报准确率、预报及时性、科技从业人员数量等。这部分指标不易量化，可操作性差，但不可忽略

14、。1洪水易损性洪水灾害风险除与洪水强度有关外，还与区域社会、生态系统的属性密切相关，即洪水灾害易损性。金菊良等（2002）从洪水灾害风险形成机制角度考虑认为，洪水灾害易损性即洪水强度与洪水灾害损失之间的函数关系。高吉喜等(2004)则指出洪水灾害易损性是在一定社会经济条件下，特定区域各类承灾体在遭受不同强度洪水后可能造成的损失程度。洪水灾害易损性既反映了承灾体易于受到致灾洪水的破坏、伤害或损伤的特性，又反映了各类承灾体对洪水灾害的承受能力。高吉喜等(2004)从致灾因子、孕灾环境以及承灾体出发，认为影响区域灾害易损性的指标有：降雨、洪水的含沙量、污染物含量、台风海啸等（致灾因子）；地形、河湖网

15、络、土壤植被（孕灾环境）；人、农业、建筑物、经济、环境以及社会（承灾体）。刘兰芳等(2006)根据洪水灾害易损性指标选取原则并结合实际情况，同时考虑到资料的可取性及计算的简便选取产值密度、人口密度、易涝面积比、降水量、水利设施密度与森林覆盖率6个指标作为洪水易损性评价的指标体系。就农业而言，影响农业洪涝灾害易损性的因素如(刘兰芳等，2006)：自然环境因素有气候因子、水土流失程度、土壤与植被状况、水系分布与地形特征等；社会经济因素有农民人均收入、水利设施、人口密度、农业产值等。不同的因素在洪涝灾害易损性形成中有着不同的影响。这些指标多是针对农业洪涝灾害的，对于城市洪涝灾害的评价部分适用但不够全

16、面。2干旱易损性干旱易损性指由于缺水而造成的损失程度。对供水系统来说，易损性可评价供水系统缺水损失程度。在一定的供水期间，干旱缺水越严重，供水系统的易损性也越大，即干旱的损失程度也越严重。易损性可定义为平均缺水量与平均需水量的比(张翔等，2005)。受干旱影响最大的是农业，杨奇勇等(2008)认为易损性反映了农业干旱供水系统缺水所造成的损失程度。从干旱或旱灾范围、对人类影响和造成的经济损失三方面衡量干旱易损性，如受旱面积，受旱人口/牲畜，干旱持续时间；农业成灾面积、农业绝收面积，饮水困难人数，农业减产总量；总经济损失，工业产值减缓幅度，农业经济损失。3污染易损性同洪水灾害易损性和干旱易损性类似

17、，水质污染易损性描述水资源污染程度及污染发生后对生活、生态、经济等造成的影响，因此可从污染程度和影响程度两个副因子层出发，评价水质污染易损性。污染程度的评价采用水质必评项目，溶解氧(DO)、高锰酸盐指数()、化学需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)、总氮(TN)和总磷(TP)超标率。衡量绝对污染程度，相对污染程度用污染水面率来评价。对于污染造成的影响，从生活、生态、经济三方面考虑。2.3可恢复性可恢复性是指不利事件发生后，承灾体恢复到正常状态的可能性。对干旱可恢复性而言，张翔等(2005)指出恢复性可用供水系统从事故状态恢复所费时间与系统整个连续缺水时间的比。杨奇勇等(2008)在研究湖南省农

18、业干旱水资源风险评价时指出恢复性是指农业干旱发生时，水资源系统从缺水状态恢复到正常状态的可能性。恢复性指数越低说明干旱缺水越严重，水资源风险越大。高路等(2008)指出恢复性指承灾体遭受损失后、灾情产生后，弥补损失使其恢复到正常或更高水平的能力。可恢复性反映了不利事件的严重程度，危害或者损失越大，系统的可恢复性越小，它是风险率与易损性的复合函数，是灾后响应能力的综合体现，主要体现在生命线和生产线恢复的措施上，不仅与灾害灾情有直接关系还与包括水动力特征、致灾因子、承灾体、社会经济状况、社会应急措施及可获得的外界援助等等相关。加之可恢复性所说的恢复到正常状态，不是原来状态而是一个新的状态，可能优于

19、原来状态也可能劣于原来状态，但一定不会对人的生活、生产产生不良影响。这个状态本身也是模糊的，没有明确的概念，使得可恢复性的研究难度增加。再者，可恢复性中的一些因子是永远不能恢复的，比如死亡人口等；有些因子是难以预料的，如可能得到的援助、灾情蔓延的速度深度和广度以及一些灾害连锁灾害等。3水资源风险管理方法水资源系统的风险管理运用了运筹学、网络技术、信息技术、大型数据库、非线性科学技术、系统工程管理方法等，是一门交叉性的前沿研究课题。在风险管理的各个过程中都要用到数学方法，如风险识别、风险评价和风险处理过程。3.1风险识别方法风险识别常用的方法有事故树法、头脑风暴法、德尔菲法和幕景分析法等，其中事

20、故树法是定量分析方法，其余都是定性分析方法。事故树是一种图表，用来表示所有可能产生事故的风险事件。它由一些节点和连接这些节点的线组成，每个节点表示某一具体事件，而连线则表示事件之间的某种特定关系。事故树法遵循逻辑学演绎分析原则，即从结果分析原因（韩宇平，2003）。头脑风暴法是一种集体开发创造性思维的方法，可分为直接头脑风暴法和质疑头脑风暴法。前者是在专家群体决策基础上尽可能激发创造性，产生尽可能多的设想的方法；后者则是对前者提出的设想，方案逐一质疑，发行其现实可行性的方法，其本质是一种定性的方法。德尔菲法是采用问卷的形式对选定的一组专家进行意见征询，经过多次反馈、统计分析，最终得出各专家一致

21、认可的意见，从而得到预测结果的方法。幕景分析法是一种能识别关键因素及其影响的方法。一个幕景对应未来某种状态，可以在计算机上计算和显示，也可用图表曲线等简述。它研究某种因素变化时，整体情况的变化以及可能存在的危险，就像一幕幕场景一样，供人们比较研究。3.2风险评价方法风险评价方法从方法性质上可以分定性评价方法和定量评价方法。定性评价方法如：专家打分法、层次分析法、调查法和矩阵分析法；定量评价方法如：模糊数学法、蒙特卡罗法、等风险图法、极值统计学法、概率风险分析方法、最大熵风险分析方法、马尔科夫链方法等。不同方法使用场合不同，随机方法的相关分析和拟合需要大量的数据，模糊集合论需求的样本数据很少，适

22、合在变量很难测量时使用。在运用时，应根据各系统实际情况、现有数据以及要求计算精度等选取合适的方法。下面简单罗列常用的风险评价方法及其原理，见表1. 表1 风险评价模型、方法及原理风险评价模型评价方法原理等风险图法等风险图法风险量的大小是风险出现的频率和潜在的损失值的函数极值风险模型极值统计学方法以历史上最大灾害程度为标准，采用极值估计概率风险模型参数解析法蒙特卡洛法直接积分法二阶矩法视灾害发生为随机过程，以概率统计为数学工具进行积分或者微分随机风险分析随机模拟法随机优化法随机多目标分析网络模型法视系统变量为随机变量，应用随机理论定量评价系统的不确定性模糊风险分析（王红瑞，2009） 模糊综合评

23、价法随机聚类法视系统变量为模糊变量，应用模糊集合论定量评价系统的不确定性灰色风险分析 灰色关联分析法灰色聚类法灰色贴近度分析法灰色决策评价法灰色预测方法 将系统变量视为灰变量，应用灰区间预测方法来度量系统的不确定性；强调对风险率的灰色不确定性的描述和量化最大熵风险分析最大熵风险分析方法用最大熵原理设定风险因子的概率分布对随机现象不确定性的度量IFTSP模型区间参数、模糊双平台评价程序方法结合区间参数的模糊程序技术，建立一个双平台的方案决策框架人工神经网络模型(ANN)人工神经网络分析法以大脑生理变化过程为基础，模仿大脑结构和功能，借助计算机处理大规模信息物元可拓法物元可拓法引入物元概念，通过评

24、价级别和实测数据，实现综合评价定量化基于马尔科夫过程的动态风险评价模型（顾文权，2008）马尔科夫链方法时间、状态均离散，同时运用概率论和随机方法4、存在的问题及未来展望4.1存在的问题风险管理在信贷、金融、企业等方面的应用比较成熟，在水资源综合管理中的应用存在较多的问题。水资源风险管理理念不强，从政府到基层都没有引起足够的重视；从事水资源风险管理的人员较少，缺乏精通风险管理理论和风险计算技术的专业人才；风险管理方法比较落后，以定性分析为主，定量计算较少；缺乏明确的风险标准和管理战略等。4.2未来展望风险管理的发展，关键技术在事前的风险评价、风险量化和风险预测，以及风险处理。一套完善的风险管理

25、应该包括全面的风险评价，准确的风险量化，即时的风险预测和完善的风险应急措施。目前，在这几方面的发展还没有取得令人满意的成果。这恰恰指明了未来的发展方向。首先建立评价体系时，针对水资源系统的不同风险，在充分考虑其风险来源，了解其风险发生机制的基础上，运用数学和计算机的技术，建立全面准确的风险评价体系。其次是风险的量化，风险的量化主要是对评价体系的量化。风险量化方法众多，但是对于不确定性的处理方法的研究要着眼于不确定性来源，有针对地去突破各个技术难点。如针对数据缺乏带来的不确定性，可以通过建立相应的物理模型实验室来模拟测得较准确全面的资料；另外不断健全体制，使其尽量保证资料的公开性和易获取性。环境

26、变化对水文水资源的影响机理到模型的建立都具有很大的研究价值。针对研究者的主观意识带来的不确定性，各种方法的研究还有待加强。最后风险预测和风险处理是最大的难点。风险预测应该向一个通俗的、公众易于理解的方向上靠拢。在风险评价和风险量化的基础上，选择恰当的方法处理风险，这需要政府的全力支持、公众的积极参与以及雄厚的经济实力等。参考文献1李雷,王仁忠,等.大坝风险评价与风险管理M. 北京:中国水利水电出版,2006.2谢翠娜,许世远,等.城市水资源综合风险评价指标体系与模型构建J.环境科学与管理，2008,33(5).3金菊良,魏一鸣,等.洪水灾害风险管理的理论框架探讨J.水利水电技术,2002,33

27、(9).4黄诗峰.洪水灾害风险分析的理论与方法研究.北京J:中国科学院地理研究所,1999.5张翔,夏军,贾绍凤.干旱期水安全及其风险评价研究J.水利学报,2005,36(9).6高吉喜,潘英姿,柳海鹰,黄诗峰,李岱青.区域洪水灾害易损性评价J.环境科学研究,2004,(6).7金菊良,魏一呜,付强,丁晶.洪水灾害风险管理的理论框架探讨J. 水利水电技术,2002,33(9).8冯平.供水系统干旱期的水资源风险管理J.自然资源学报,1998,13(2):139-143.9杨奇勇,毛德华,常疆,蔡松柏.湖南省农业干旱水资源风险评价J.湖南师范大学自然学报,2008,31(1).10胡国华,赵军,

28、夏沛伦.河流水质风险评价的灰色-随机风险率方法J.地理科学,2002,22(2).11刘兰芳,彭蝶飞,邹君.湖南省农业洪涝灾害易损性分析与评价J.资源科学,2006(6) .12高路,陈思,周洪建,罗奎,王静爱,毛佳.重庆市2006年特大旱灾分析与灾后恢复性研究J.自然灾害学报,2008,17(1).13韩宇平.水资源短缺风险管理研究D.西安:西安理工大学,2003.14王红瑞,钱龙霞,许新宜,王岩.基于模糊概率的水资源短缺风险评价模型及其应用J.水利学报,2009,40(7):813-821.15顾文权,邵东国,黄显峰,代涛.水资源优化配置多目标风险分析方法研究J.水利学报,2008,39(3),339345.