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城市水安全风险评价理论方法及应用研究

杨丰顺  
【摘要】:随着世界人口的迅速增长以及社会经济的快速发展,水资源匮乏、水环境污染、水土流失、洪涝干旱灾害等水安全问题已经成为世界各国广泛关注的重大资源环境问题。城市是人类活动最频繁和复杂的区域,因而对于城市水安全的研究显得尤为重要。城市水安全的状态诊断和预测为科学的规划和合理的决策奠定了理论基础。城市水安全涉及自然、社会、经济、环境等诸多方面,其中伴随着大量的不确定性因素,因而城市水安全的风险具有客观上的必然性和普遍性。本文广泛总结了国内外有关城市水安全风险评价相关理论和实践,在复杂系统理论和风险分析理论的指导下,对城市水安全的状态诊断、预测以及供水风险、水资源配置风险的理论与方法进行了系统深入的研究。全文的主要研究内容包括: (1)给出了论文的选题背景与研究意义,并在系统总结了国内外关于城市水安全风险评价研究进展的基础上,提出了本文的主要研究内容及技术路线。 (2)从城市水安全的基本概念和一般的风险定义入手,分析了城市水安全的定义、内涵、影响因子以及诊断方法,总结了国内外关于城市水安全的评价标准规范;分析了城市水安全的不确定性,并对潜在的风险源进行识别;从城市水安全风险的特征、评价原则、动态分析流程以及风险描述方法四个方面系统介绍了城市水安全风险评价实施的主要内容。 (3)在分析了指标体系构建原则的基础上,构建了包含城市重要性、防洪安全、供水安全以及水环境安全四个子系统的城市水安全评价指标体系;提出了组合赋权法,充分利用主观赋权和客观赋权的信息确定综合权重,达到主观和客观的统一;针对常规突变评价法的缺陷,利用线性代数中克拉默法则以及范德蒙德行列式的性质,从两个方面对突变评价法进行改进并应用于城市水安全诊断之中;以武汉城市圈为例,对圈内9个城市的水安全现状进行综合评价。 (4)从指标体系的设计、指标值的标准化、评价标准的确定、水安全指数的计算等方面构建了水安全指数模型,该模型通过综合指数实现城市水安全的状态诊断;引入统计学中的斯皮尔曼相关系数,对比分析不同方法评价结果的一致性,并验证了水安全指数模型的合理性和有效性;构建了城市水安全的灰色预测模型,用于城市水安全的发展趋势预测;以武汉城市圈的水安全综合评价为例,验证以上模型和方法的有效性和可行性。 (5)探讨了供水风险的定义,并在此基础上,识别供水系统的风险因子;利用Box-Cox数据变换技术和Copula函数以及随机模拟技术,分别提出了基于Box-Cox数据变换的供水随机模拟模型和基于Copula函数的需水随机模拟模型,进一步构建了城市供水风险评价模型;针对丰水型城市的特性,特别提出了干旱条件下的供水风险评价模型;选择可靠性、恢复性、易损性、缺水指数、协调指数等5个风险评价指标构建风险评价指标体系。 (6)在总结了水资源优化配置概念和作用的基础上,分析配置过程中的不确定性,给出了水资源优化配置风险的定义并对关键的风险因子进行识别;利用主观、客观概率分布量化风险因子的不确定性特征;针对云模型在知识表示中具有不确定中包含确定性、稳定包含变化的显著特征,构建了多目标云优化算法;将水资源优化配置模型与随机模拟技术以及多目标云优化算法相结合,建立了水资源优化配置的风险评价模型;以南昌市为例,对不限制协调供水和限制协调供水两种不同供水条件下的配置风险进行评价。 (7)总结了论文的全部研究内容和研究成果,并对有待进一步深入研究的问题进行展望。


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