一种研究流域水资源风险传递规律的方法及系统与流程

本发明属于水资源管理技术领域，具体涉及一种研究流域水资源风险传递规律的方法及系统。

背景技术：

水是生命之源，是人类生存和经济社会发展的重要基础资源。近年来，随着气候变化和社会经济的发展，水资源的各类风险问题日益严重，水资源风险研究方面受到越来越多专家学者的关注，对水资源进行风险管理是提高水资源管理水平、应对水资源问题的有效途径和发展趋势。针对流域水资源风险传递规律方面，国内外还鲜有人研究。风险源在传递过程中会发生量变和质变，在流域空间的传递形式也会表现出多种规律，如何表征多种风险源在流域系统和子系统内动态传递过程是流域水资源实时风险调度与应急调控需要解决的一个主要关键科学问题。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种研究流域水资源风险传递规律的新方法及系统，目标是针对流域水资源调度的不确定性问题，识别其面临的诸多风险要素，建立风险评价模型和风险传递模型，研究风险传递的主要影响因素、传递路径和传递特征及规律。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种研究流域水资源风险传递规律的方法，该方法主要包括：获取流域水资源风险源数据；建立流域水资源风险评价模型和建立流域水资源风险传递模型。

进一步讲，本发明中，所述的研究流域水资源风险传递规律的方法，其中，建立流域水资源风险评价模型的具体步骤如下：

步骤21：识别风险要素，从致灾因子、承灾体、孕灾环境和防灾减灾能力四个方面识别水资源风险要素，建立包含即目标层、准则层和指标层的水资源风险评价指标体系；

步骤22：标准化风险指标，对水资源风险源数据进行标准化处理，转化为无量纲的纯数值；

步骤23：确定权重，确定水资源风险要素的相对重要程度，对流域风险的贡献度或重要性；

步骤24：评价水资源风险情况。

建立流域水资源风险传递模型的具体步骤如下：

步骤31：判别风险传递关系，通过相关性检验，相关性检验的显著性水平α＝0.05，95％的置信区间，得到水资源风险传递关系和传递路径；

步骤32：分析计算水资源风险传递情况，研究风险传递规律。

步骤32的具体步骤如下：

步骤321：变量标准化，在分析变量值间的关系时，自变量的量纲不一样，因而不能直接在传统的多元线性回归的基础上根据回归系数b值的大小比较影响效应的大小，因此对各变量进行标准化，使量纲相同，然后进行比较；变量标准化后的偏回归系数就是传递系数；

步骤322：分解变量相关系数，n个变量之间可进行分解，将x1对y的单相关系数r1y分解为：r1y＝p1y+r12p2y+r13p3y+…+r1npny，式中：p1y是x1对y的直接传递系数，r12p2y是x1通过x2对y的间接传递系数，r13p3y是x1通过x3对y的间接传递系数，……，r1npny是x1通过xn对y的间接传递系数；同理，分别将x2对y的单相关系数r2y、x3对y的单相关系数r3y、……、xn对y的单相关系数rny进行分解；

步骤323：计算传递系数，根据单相关系数的分解，建立单相关系数的方程组，通过该方程组

通过相关性检验，取α＝0.05，95％的置信区间或者α＝0.10，90％的置信区间，判别风险传递关系，若通过相关性检验，则具有传递关系；依据传递关系确定传递路径，分析计算水资源风险传递情况，研究风险传递规律。

同时，在本发明中还提出了一种研究流域水资源风险传递规律的系统，该系统包括：风险源要素识别单元，用于识别风险源要素，获取风险源数据；风险评价单元，用于建立风险评价模型，区划水资源风险，定量水资源风险大小；风险传递分析单元，用于建立风险传递路径模型，识别风险传递规律。

进一步讲，本发明中，所述的研究流域水资源风险传递规律的系统，其特征在于，所述风险源要素识别单元包括：对研究流域进行选择，对选择的流域水资源风险源要素进行识别；对识别的风险源要素数据进行持续监测、记录统计，获取原始数据。

所述风险评价单元包括：根据所述识别风险源要素，建立水资源风险评价指标体系；根据所述获取原始数据，对各个评价指标数据进行标准化处理，消除量纲和数量级的影响，转化为无量纲的纯数值；根据所述风险源要素，确定水资源风险要素的相对重要程度，确定权重；根据所述风险评价指标体系，评价水资源风险。

所述风险传递分析单元包括：根据所述风险评价单元的计算结果，假设流域水资源风险不会跨流域传递，然后对子流域进行相关性检验，通过相关性检验的相邻子流域，α＝0.05，95％的置信区间，确定水资源风险传递路径，建立水资源风险传递模型；

根据单相关系数的分解，建立变量之间的单相关系数的方程组

得到各相关变量之间的传递系数；根据所述的传递系数，分析计算水资源风险传递情况，研究风险传递规律。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明首次提出了一套基于风险识别-评估-传递的系统方法，能评估各子流域在时空尺度上的水资源风险，解析风险在流域内的传递规律，明晰风险在流域子系统间的传递路径、方向和强度。本发明主要是针对流域水资源调度的不确定性问题，表征风险源在流域系统和子系统内动态传递问题。基于灾害风险系统理论和灾害风险形成机制，对研究流域水资源风险源要素进行识别；建立流域水资源风险评价模型；运用流域风险传递的方法，判别水资源风险传递关系，识别水资源风险传递路径，建立流域内水资源风险传递模型、绘制风险传递路径图、研究风险传递特征和传递规律。本发明可以评估流域时空尺度上的水资源风险，明析水资源风险传递路径、方向和强度，解析风险在流域系统和子系统内传递规律，为流域水资源风险评估、预报与管理提供了一种新的技术方案。

附图说明

图1为本发明研究流域水资源风险传递规律的方法流程图；

图2为本发明中建立风险评价模型示意图；

图3为本发明中建立风险传递模型示意图；

图4为本发明研究流域水资源风险传递规律的系统流程图；

图5是实施例中珠江二级水资源区旱涝急转风险；

图6是实施例中珠江流域二级水资源区旱涝急转风险传递图；

图7(a)至图7(c)是实施例中珠江流域5年周期旱涝急转风险传递图，其中，图7(a)是2000-2004年旱涝急转风险传递，图7(b)是2005-2009年旱涝急转风险传递，图7(c)是2010-2014年旱涝急转风险传递。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。

如图1所示，本发明提出的一种研究流域水资源风险传递规律的方法，包括的步骤是：获取流域水资源风险源数据；建立流域水资源风险评价模型和建立流域水资源风险传递模型。

其中，所述获取流域水资源风险源数据包括：从致灾因子、承灾体、孕灾环境和防灾减灾能力四个方面识别水资源风险要素，遵循综合性、科学性、可操作性、系统性等原则；

本发明中，建立流域水资源风险评价模型，如图2所示，主要包括：对各风险源指标数据标准化；确定风险源要素的对风险的相对重要程度，确定风险源权重；建立包含即目标层、准则层和指标层的风险评价模型并分析，定量风险大小，为建立风险传递模型奠定基础。

建立流域水资源风险传递模型，如图3所示，主要包括：识别风险传递关系，确定风险传递路径，识别水资源风险传递特征和传递规律。

本发明中运用一种风险传递方法，建立流域内水资源风险传递模型。该风险传递方法是回归分析的拓展，也属于归因分析的一种，用于处理较为复杂的多变量之间的因果关系。在回归分析基础上将自变量x与因变量y的相关系数riy(i为变量的个数)加以分解，分解出自变量x对因变量y的直接影响和间接影响，考虑它们之间的直接、间接综合效应，变量之间的相关系数为直接传递系数与间接传递系数的和。

设有n个变量，变量相关系数r1y可加以分解，分解为自变量x1对因变量y的直接效应p1y和自变量x1通过其它的n-1个变量对因变量y间接效应r12p2y+r13p3y+…+r1(n-1)p(n-1)y。

同理所有变量中，其余的n-1个变量对变量y的关系可得方程组(1)：

检验变量之间的线性相关性，当满足α＝0.05，95％的置信区间时，认为变量之间线性显著性明显。对变量间线性关系进行统计检验，采用逐步检验分析方法，不满足显著性检验的变量进行剔除，考虑直接和间接效应后，由此可以得到流域内其余n-1个变量中对目标变量存在关系的线性方程式。以n个变量之间分解为例详细说明，包含变量标准化、分解相关系数和计算传递系数三个步骤：

(1)变量标准化

在分析变量值间的关系时，自变量的量纲不一样，因而不能直接在传统的多元线性回归的基础上根据回归系数b值的大小比较影响效应的大小，因此对各变量进行标准化，使量纲相同，然后可以进行比较。变量标准化方法及过程如下：

式(2)-(3)得到(4)：

式(4)除以y的标准差δy得(5)：

对式(5)作恒等变换可得(6)：

式中：δy、依次为y、x1、x2、…、xn的标准差。此外有(7)：

则有如(8)：

其中变量标准化后的偏回归系数就是传递系数，如(9)：

(2)分解相关系数

r1y可分解为：r1y＝p1y+r12p2y+r13p3y+…+r1npny

式中：p1y——x1对y的直接传递系数(直接影响力)

r12p2y——x1通过x2对y的间接传递系数(间接影响力)

r13p3y——x1通过x3对y的间接传递系数(间接影响力)

…………

r1npny——x1通过xn对y的间接传递系数(间接影响力)

同理可以分析出r2y、r3y、…、rny的分解。

(3)计算传递系数：

根据单相关系数的分解，建立单相关系数的方程组，如式(10)：

建立流域内水资源风险传递模型时，通过相关性检验(一般根据需要取α＝0.05，95％的置信区间或者α＝0.10，90％的置信区间)判别风险传递关系，若通过相关性检验，则具有传递关系；依据传递关系确定传递路径，分析计算水资源风险传递情况，研究风险传递规律。

本发明提供了一种研究流域水资源风险传递规律的系统，如图4所示，主要包括：风险源要素识别单元100，风险评价单元200，和风险传递分析单元300。

所述风险源要素识别单元，用于识别风险源要素，获取风险源数据；所述风险评价单元，用于建立风险评价模型，区划水资源风险；所述风险传递分析单元，用于建立风险传递路径模型，识别风险传递规律。

所述风险源要素识别单元包括：对研究流域进行选择，针对选取区域的特点，从致灾因子、承灾体、孕灾环境和防灾减灾能力四个方面，遵从综合性、科学性、可操作性、系统性等原则，对选择的流域水资源风险源要素进行识别。对识别的风险源要素数据进行持续监测、记录统计，获取原始数据。

所述风险评价单元包括：根据识别的风险源要素，建立包含目标层、准则层和指标层的水资源风险评价指标体系；根据获取的原始数据，对各个评价指标数据进行标准化处理，消除量纲和数量级的影响，转化为无量纲的纯数值；根据识别的风险源要素，确定水资源风险要素的相对重要程度，确定各指标权重；根据风险评价指标体系，评价水资源风险。

所述风险传递分析单元包括：根据所述风险评价单元的计算结果，假设流域水资源风险不会跨流域传递，然后对子流域进行相关性检验，通过相关性检验的相邻子流域(α＝0.05，95％的置信区间)，确定水资源风险传递路径，建立水资源风险传递模型。

根据单相关系数的分解，建立变量之间的单相关系数的方程组

得到各相关变量之间的传递系数。根据所述的传递系数，分析计算水资源风险传递情况，研究风险传递规律。

实施例

请参阅图1，图1为本发明提出的研究流域水资源风险传递规律的方法。

考虑研究流域特点，识别风险源要素，获取风险源数据。考虑珠江流域的地理位置、地质条件，河流水系特征，气候水文情况，土壤植被情况自然地理和社会经济数据，从旱涝急转灾害的危险性、暴露性、脆弱性、防旱减灾能力四方面来识别旱涝急转风险源，遵循科学性、综合性、系统性、层次性、动态性、可操作性等原则，选取了10个指标因子表征旱涝急转风险。

依据建立风险评价模型，构建旱涝急转灾害风险评价指标体系，如表1所示：

表1旱涝急转灾害风险评价指标体系及数据来源

请参阅图2，图2为本发明中建立风险评价模型示意图。

将获取的风险源指标数据归一化，运用熵权法确定各指标权重，构建的旱涝急转风险指标模型如下式：

r＝f(h,e,v,c)＝h+e+v+c

式中：r为旱涝急转风险指数(riskofflood)；h为致灾因子的危险性(hazard)；e为承灾体的暴露性(exposure)；v为孕灾环境的脆弱性(vulnerability)；c为防灾减灾能力(disasterprevention)。wi为各评价指标的权重系数，hi、ei、vi、ci为各指标层数据归一化后的值。基于旱涝急转风险评价模型选取的指标数据，通过模型计算得出珠江流域7个二级水资源区旱涝急转风险值，图5示出了珠江二级水资源区旱涝急转风险。

请参阅图3，图3为本发明中建立风险传递模型示意图。

珠江流域的七个二级水资源区根据流域河流水系可区分上下游。假设风险不会跨流域传递，通过相关性检验(α＝0.05，95％的置信区间)，判别风险传递关系，得到7个二级水资源区之间的相关性为南北盘江-红柳江，红柳江-北江，西江-北江，郁江-北江，北江-珠江三角洲，东江-珠江三角洲，北江、东江-珠江三角洲，红柳江、西江、郁江-北江，珠江二级水资源区之前存在这8组传递关系，由存在的传递关系确定出风险传递路径。基于2000-2017年珠江流域二级水资源区旱涝急转风险数值和上述8组的传递关系，使用建立的风险传递模型，同时考虑直接传递效应和间接传递效应，计算得到了每一年的旱涝急转风险传递值，图6所示出了珠江流域二级水资源区旱涝急转风险传递图。

珠江流域二级水资源区旱涝急转风险传递的数值在[-0.35,0.20]之间波动，其中南北盘江向红柳江风险传递值较小，风险传递数值在[-0.049220,0.061712]之间波动；红柳江向北江风险传递数值略有波动，最高(0.208265)出现在2015年由北江传向红柳江，次高(0.114791)出现在2001年由红柳江传向北江；西江向北江风险传递较小，多年平均趋近于0；郁江向北江风险传递数值也较小，最高(0.1054)出现在2004年由北江传向郁江；东江向珠三角风险传递数值在[-0.237424,0.067739]之间波动，最高(0.237424)出现在2008年由珠三角传向东江；北江和东江向珠江三角洲风险传递较大，风险波动很大，风险传递数值在[-0.345077,0.199246]之间波动；红柳江、西江、郁江向北江风险传递基本呈现对称分布，风险传递数值在[-0.188655,0.161220]之间波动。60％风险传递数值中超过零值，其代表正向传递，这说明风险有极大的可能是由上游传递到下游，风险传递数值为负值集中在个别年份，如2006年、2008年、2014年和2015年，表明在个别年份，旱涝急转风险存在下游向上游传递的现象。由于单分析每一年的风险传递情况不具有规律性，将流域内二级水资源区的旱涝急转风险传递值划分为5年短周期，可得到每5年的旱涝急转风险传递平均值，图7(a)至图7(c)示出了珠江流域5年周期旱涝急转风险传递图，其中，图7(a)是2000-2004年旱涝急转风险传递，图7(b)是2005-2009年旱涝急转风险传递，图7(c)是2010-2014年旱涝急转风险传递。

由图7(a)、图7(b)和图7(c)可知：2000年-2004年有西江向北江和郁江向北江风险传递数值为负，这说明北江向上游西江、郁江传递旱涝急转风险数值分别为0.013010和0.016340，其它二级水资源区之间均是上游向下游传递，北江向珠江三角洲旱涝急转风险传递数值最大，为0.036768，南北盘江向红柳江旱涝急转风险传递数值最小，为0.007222；2005年-2009年东江和北江向珠江三角洲风险传递数值为负，其它二级水资源区之间都是上游向下游传递，其中珠江三角洲向东江风险传递数值最大，为0.035990，南北盘江向红柳江风险传递数值次大，为0.032826；2010-2014年仅有东江向珠江三角洲和郁江向北江风险传递为正值，其它二级水资源区之间风险传递均为负值，表明大部分都是下游向上游传递。

综上可得旱涝急转风险传递规律为：上下各个流域间的旱涝风险传递值变化呈现出递增递减一致的变化趋势；当流域内旱涝急转风险较大的地区为东部的珠江三角洲时，旱涝急转风险是由上游向下游正向传递，当流域内旱涝急转风险较大的地区由流域东部移动向西部的红柳江区域时，旱涝急转风险是由下游向上游逆向传递。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。