地下水科學前沿方向2

1、地下水資源開采決策的風險分析地下水資源開采決策的風險分析主要內(nèi)容主要內(nèi)容問題的問題的提出提出 風險分析風險分析方方法法結(jié)論與展望結(jié)論與展望JC法法模糊模糊隨機模型隨機模型 由于對地下水資源的不合理開發(fā)利用，由于對地下水資源的不合理開發(fā)利用，已產(chǎn)生眾多的環(huán)境問題，如區(qū)域地下水水位已產(chǎn)生眾多的環(huán)境問題，如區(qū)域地下水水位的持續(xù)下降、地面變形、海（咸）水入侵、的持續(xù)下降、地面變形、海（咸）水入侵、泉水流量衰減等。這些問題的發(fā)生直接制約泉水流量衰減等。這些問題的發(fā)生直接制約著地下水資源的可持續(xù)開發(fā)利用。著地下水資源的可持續(xù)開發(fā)利用。一、問題的提出一、問題的提出20042004年年大連海水入侵程度圖大連海

2、水入侵程度圖 198820021994歷 年 入 侵 面 積01002003004005001975198019851990199520002005年份入侵面積（km2)00.511.522.558606264666870727476788082848688909294年份0100200300400500600700開采量礦坑排水量降雨量汾河滲漏量晉祠泉流量原因何在？原因何在？重要的原因之一重要的原因之一: : 長期以來，地下水資源研究中大都是采長期以來，地下水資源研究中大都是采取確定性模型進行地下水水流和污染物運移取確定性模型進行地下水水流和污染物運移模擬、地下水資源評價和管理研究的。模擬、

3、地下水資源評價和管理研究的。 在此過程中，存在著許多不確定性因素在此過程中，存在著許多不確定性因素，尤其是各種模型中的水文地質(zhì)參數(shù)，具有，尤其是各種模型中的水文地質(zhì)參數(shù)，具有明顯的不確定性。明顯的不確定性。 而而“不確定性不確定性”與與“風險風險”是緊密相聯(lián)是緊密相聯(lián)系的，要實現(xiàn)地下水資源的可持續(xù)開發(fā)利用系的，要實現(xiàn)地下水資源的可持續(xù)開發(fā)利用，在地下水資源研究中引入，在地下水資源研究中引入“風險分析風險分析”是是非常必要的。非常必要的。 什么叫風險？什么叫風險？ 簡單地說，風險就是系統(tǒng)失效的概率，簡單地說，風險就是系統(tǒng)失效的概率，即工程達不到預期目標的概率。即工程達不到預期目標的概率。 風險分

4、析（風險分析（Risk analysis）則相應包則相應包括三個相互聯(lián)系的部分，即：風險辨識、風括三個相互聯(lián)系的部分，即：風險辨識、風險估算和風險評價。險估算和風險評價。 風險辨識即為分析系統(tǒng)在特定的決策條風險辨識即為分析系統(tǒng)在特定的決策條件下發(fā)生什么樣的事故，對地下水供水工程件下發(fā)生什么樣的事故，對地下水供水工程來說，就是分析在某一決策條件下運行供水來說，就是分析在某一決策條件下運行供水工程會產(chǎn)生什么環(huán)境問題。工程會產(chǎn)生什么環(huán)境問題。 風險估算則著眼于定量地描述事故發(fā)生風險估算則著眼于定量地描述事故發(fā)生的概率，即計算出事故發(fā)生的可能性有多大的概率，即計算出事故發(fā)生的可能性有多大。 風險評價的

5、主要任務是闡述事故將會產(chǎn)風險評價的主要任務是闡述事故將會產(chǎn)生什么樣的社會、經(jīng)濟和環(huán)境負效應，即對生什么樣的社會、經(jīng)濟和環(huán)境負效應，即對事故所產(chǎn)生的后果進行評價。事故所產(chǎn)生的后果進行評價。 山東濟寧：山東濟寧： 1987年地下水實際開采量年地下水實際開采量14.35104m3/d，地，地下水可開采量為下水可開采量為14.76104m3/d (大于地下水實際大于地下水實際開采量開采量)，但地下水位卻下降了，但地下水位卻下降了1.5m。 地下水資源評價結(jié)果的可靠性？地下水資源評價結(jié)果的可靠性？不確定性因素水文地質(zhì)概念模型結(jié)構(gòu)的概化水文地質(zhì)概念模型結(jié)構(gòu)的概化含水層介質(zhì)的非均質(zhì)性含水層介質(zhì)的非均質(zhì)性觀測

6、誤差觀測誤差“noisy data”地表水體與地下水轉(zhuǎn)化機理地表水體與地下水轉(zhuǎn)化機理Kinzelbach認為認為:采用確定性模型方法來解決非確采用確定性模型方法來解決非確定性的問題，其結(jié)果很值得懷疑。定性的問題，其結(jié)果很值得懷疑。更為嚴重的是決策者將模擬結(jié)果認為是完全正確更為嚴重的是決策者將模擬結(jié)果認為是完全正確的的(即可靠度為即可靠度為100%)，并將其應用到水源地的實，并將其應用到水源地的實際運行中。際運行中。18二、風險分析方法二、風險分析方法 在不確定性因素分析的基礎上，開展風險分析在不確定性因素分析的基礎上，開展風險分析方法的探討可以在一定程度上提高水資源評價結(jié)果方法的探討可以在一定

7、程度上提高水資源評價結(jié)果的的可靠性可靠性，保障水源地的，保障水源地的可持續(xù)運行；可持續(xù)運行；為管理部門為管理部門作出決策提供作出決策提供技術(shù)支持；技術(shù)支持；并進一步推動地下水并進一步推動地下水風險風險管理及風險決策管理及風險決策的發(fā)展，增加生態(tài)環(huán)境效益。的發(fā)展，增加生態(tài)環(huán)境效益。主要的風險分析方法主要的風險分析方法隨機隨機 (概率論與數(shù)理統(tǒng)計概率論與數(shù)理統(tǒng)計)模糊模糊 (模糊數(shù)學模糊數(shù)學)灰色灰色 (灰色理論灰色理論)未確知未確知 (未確知數(shù)學未確知數(shù)學)隨機隨機-模糊模糊、隨機、隨機-灰色灰色隨機微分方程隨機微分方程隨機方法隨機方法JC法法 優(yōu)點：在提高可靠度計算精度的同時，可考慮優(yōu)點：在提

8、高可靠度計算精度的同時，可考慮非正非正態(tài)態(tài)的隨機變量。的隨機變量。 主要有三種轉(zhuǎn)化方法：當量正態(tài)化法、映射變換法主要有三種轉(zhuǎn)化方法：當量正態(tài)化法、映射變換法和實用分析法。和實用分析法。 “當量正態(tài)化當量正態(tài)化”法是國際結(jié)構(gòu)聯(lián)合委員會法是國際結(jié)構(gòu)聯(lián)合委員會(Joint Committee of Structural Safety，JCSS)推薦的方法，因推薦的方法，因此又簡稱為此又簡稱為JC法法。國外稱。國外稱first-order reliability method(FOSM)。21實例一實例一 研究為一研究為一平原區(qū)承壓含水層平原區(qū)承壓含水層，潛水含水層的，潛水含水層的越流補給量和承壓含水

9、層本身的側(cè)向徑流補給量越流補給量和承壓含水層本身的側(cè)向徑流補給量是地下水的主要補給來源。根據(jù)概化后的水文地是地下水的主要補給來源。根據(jù)概化后的水文地質(zhì)概念模型，依據(jù)可開采系數(shù)法建立計算地下水質(zhì)概念模型，依據(jù)可開采系數(shù)法建立計算地下水可開采量的可開采量的 方程：方程：Q可可=0.9*(HbF+KMJL)實例二實例二 研究區(qū)位于遼寧省大凌河中游河谷地帶，為研究區(qū)位于遼寧省大凌河中游河谷地帶，為一一丘陵地區(qū)的潛水含水層丘陵地區(qū)的潛水含水層，來自河谷區(qū)上游的地，來自河谷區(qū)上游的地下水側(cè)向徑流、降水入滲、地表水體的入滲是本下水側(cè)向徑流、降水入滲、地表水體的入滲是本區(qū)地下水的主要補給來源，依據(jù)可開采系數(shù)法

10、和區(qū)地下水的主要補給來源，依據(jù)可開采系數(shù)法和計算區(qū)地下水補徑排條件得，地下水可開采量可計算區(qū)地下水補徑排條件得，地下水可開采量可由下式確定：由下式確定： 7111223=0.850.85 ()iiiiQQFPKI AKI AK I A可補參數(shù)分布概型參數(shù)分布概型 張家港暨陽湖及天津市濱海平原水庫張家港暨陽湖及天津市濱海平原水庫北塘北塘水庫庫底地層的研究，均得出湖底及庫底地層滲水庫庫底地層的研究，均得出湖底及庫底地層滲透系數(shù)更接近透系數(shù)更接近對數(shù)正態(tài)分布，對數(shù)正態(tài)分布，與與Law(1944)等其等其他學者研究結(jié)論一致。因此，在實例研究中設滲他學者研究結(jié)論一致。因此，在實例研究中設滲透系數(shù)服從對數(shù)

11、正態(tài)分布，從而與正態(tài)分布結(jié)果透系數(shù)服從對數(shù)正態(tài)分布，從而與正態(tài)分布結(jié)果進行對比。進行對比?？煽慷扔嬎憬Y(jié)果分析可靠度計算結(jié)果分析參數(shù)分布概型的影響參數(shù)分布概型的影響實例一實例一實例二實例二4050607080901002.12.22.32.42.52.6可靠度可靠度(%)開采量開采量(104m3/d)對數(shù)正態(tài)對數(shù)正態(tài)正態(tài)正態(tài)50607080901009111315可靠度可靠度(%)開采量開采量(104m3/d)正態(tài)正態(tài)對數(shù)正態(tài)對數(shù)正態(tài)可靠度計算結(jié)果分析可靠度計算結(jié)果分析變異系數(shù)的影響變異系數(shù)的影響20304050607080901002.12.22.32.42.52.6可靠度可靠度(%)開采量開

12、采量(104m3/d)CvCv增大增大10%Cv減小減小10% 隨機方法中的隨機方法中的矩法矩法(JC法法)是對確定性模型解析解是對確定性模型解析解的一種改進與完善，且更具有的一種改進與完善，且更具有一般性一般性(確定性模型即確定性模型即二階矩為零二階矩為零)，因此稱之為，因此稱之為“矩法解析模型矩法解析模型”。 確定性與不確定性相互依存、相互轉(zhuǎn)化。確定性與不確定性相互依存、相互轉(zhuǎn)化。模糊模糊隨機模型隨機模型實際工程中，往往存在多種不確定性因素。對不確實際工程中，往往存在多種不確定性因素。對不確 定性因素的綜合處理，則更有理論意義與應用價值。定性因素的綜合處理，則更有理論意義與應用價值。實際工

13、作中不可能得到有關(guān)變量的精確的均值，即實際工作中不可能得到有關(guān)變量的精確的均值，即存在參數(shù)的模糊性。存在參數(shù)的模糊性。 對不確定性的認識則有必要從單純的隨機性深入對不確定性的認識則有必要從單純的隨機性深入到到隨機性隨機性與與模糊性模糊性相互滲透交融的層次。相互滲透交融的層次。借助于隸屬度和隸屬函數(shù)來描述數(shù)學模型中參借助于隸屬度和隸屬函數(shù)來描述數(shù)學模型中參數(shù)的模糊性。數(shù)的模糊性。通過截集使模糊集合問題轉(zhuǎn)化為普通集合問題，通過截集使模糊集合問題轉(zhuǎn)化為普通集合問題，從而可利用概率統(tǒng)計方法中計算風險率的方法從而可利用概率統(tǒng)計方法中計算風險率的方法(如如AFOSM法法)進行求解。進行求解。模糊風險模糊風

14、險300510152025303500.20.40.60.81模模糊糊風風險險( (%) )截集截集下限下限上限上限均值均值模糊模糊隨機模型反映出模糊性對計算風險值的影響，隨機模型反映出模糊性對計算風險值的影響，即數(shù)學模型中參數(shù)具有一定的模糊性，則對應地系即數(shù)學模型中參數(shù)具有一定的模糊性，則對應地系統(tǒng)風險值不應該是一個確定性的值，而應是一個模統(tǒng)風險值不應該是一個確定性的值，而應是一個模糊區(qū)間，這比概率統(tǒng)計中確定的安全與失效之間的糊區(qū)間，這比概率統(tǒng)計中確定的安全與失效之間的截然劃分截然劃分更符合工程實際情況。更符合工程實際情況。模糊模糊隨機模型中考慮的不確定性因素較多，得出隨機模型中考慮的不確定

15、性因素較多，得出的模糊風險較大。的模糊風險較大。31三、結(jié)論與展望三、結(jié)論與展望結(jié)論實例研究表明：參數(shù)的分布概型不是影響實例研究表明：參數(shù)的分布概型不是影響評價結(jié)果可靠度的主要因子，因此在缺少評價結(jié)果可靠度的主要因子，因此在缺少資料時可以假設參數(shù)服從正態(tài)分布或?qū)?shù)資料時可以假設參數(shù)服從正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布。正態(tài)分布。 參數(shù)的變異系數(shù)對評價結(jié)果影響較大，因參數(shù)的變異系數(shù)對評價結(jié)果影響較大，因此，應加強水文地質(zhì)參數(shù)的監(jiān)測與觀測。此，應加強水文地質(zhì)參數(shù)的監(jiān)測與觀測。3233 模糊模糊隨機模型中當水平截集隨機模型中當水平截集=1.0時，模型簡化為隨機模型，時，模型簡化為隨機模型，因此傳統(tǒng)的隨機風險模型定義是因此傳統(tǒng)的隨機風險模型定義是模糊模糊隨機模型的隨機模型的一個特例一個特例。結(jié)論用數(shù)學公式來刻畫用數(shù)學公式來刻畫主觀認識主觀認識上的不確定性上的不確定性(未確定各數(shù)學未確定各數(shù)學)。不確定性因素的不確定性因素的綜合處理綜合處理(兩種及兩種以上兩種及兩種以上不確定性因素的處理不確定性因素的處理)?？紤]變量考慮變量 的的“動態(tài)性動態(tài)性”( 隨機微分方程隨機微分方程) “隨機數(shù)值模擬隨