基于熵值分析的城市供水系统风险定量化评价方法研究

本项目通过对系统科学、计算机技术等交叉学科方法原理的综合运用，开展城市供水系统风险定量化评价方法研究，重点解决风险评价过程中的系统性和不确定性问题。首先，通过对不同子系统之间的协同关系和作用机理的分析，根据串并联系统特征和集对分析原理，建立供水系统风险传播数学模型，探索风险在供水系统中的传播机理；其次，将物理学上无序度和不确定性的科学量度指标熵函数与风险有机结合，提出供水系统风险熵概念及计算公式，探索利用熵理论解决供水系统风险定量化问题的方法；再次，采用突变理论分析供水系统功能突变的机理，建立突发事件作用下供水系统的尖点突变势函数和分歧方程，提出基于突变级数法的供水系统风险定量化评价方法；最后，整合上述研究成果，综合考虑城市供水的经济性和供水风险的可接受水平，研究确定供水系统应对一定突发事件所需具备的系统结构参数临界值，提出供水系统的风险熵控制方案。

城市供水系统是城市建设的重要基础设施。但是由于系统设施自身结构老化，以及自然灾害、恐怖袭击等各种突发事件都给城市供水安全带来重大威胁。因此，供水安全问题已经成为整个城市安全和防灾系统的重要组成部分，急需建立一套城市供水系统风险评价技术体系。本项目通过综合运用系统科学、计算机技术等交叉学科的方法原理，开展了城市供水系统风险定量化评价方法研究，重点解决风险评价过程中的系统性和不确定性问题。. 首先，通过对国内典型城市供水系统的组成特点进行分析，基于串并联系统理论建立了城市供水系统逻辑结构数学模型，在此基础上采用系统学思想分析了子系统之间的协同关系和作用机理，根据串并联系统特征和集对分析原理，确定不同子系统在整个供水系统风险传播过程中的风险传播系数，建立了供水系统风险传播数学模型，探索了分在供水系统中的物理传播路径和传播机理，解决了供水系统风险评价的系统性问题。. 其次，针对供水系统在面临突发事件时功能转变的突变性特征，分析了供水系统功能突变的机理，建立了供水子系统尖点突变模型，在此基础上，结合供水子系统脆弱性综合评价指标体系的建立，提出了基于突变级数法的供水系统脆弱性评价数学模型，并以某供水子系统为例，验证了上述方法的可行性，克服了以往脆弱性评价方法主观性的缺陷。. 再次，针对供水系统面临突发事件的概率水平、严重性程度存在的不确定性问题，将能有效解决无序度和不确定性问题的熵函数引入到供水子系统中进行风险评价研究。提出了供水系统风险熵概念及计算公式，探索利用熵理论解决供水系统风险定量化问题的方法，并以某配水子系统为例进行研究，验证了上述城市供水系统风险熵定量化评价模型的准确性和有效性，解决了供水系统风险评价的不确定性问题。. 最后，在上述研究的基础上，综合考虑城市供水系统的经济性和供水风险的可接受水平，根据供水系统的风险熵取决于突发事件发生概率的不确定性和严重性水平及其自身结构的脆弱性，以城市供水系统某一可控程度应对地震突发事件为例，采用正交分析、层次分析和模糊聚类等方法，从降低脆弱性和提高应急能力两方面研究了城市供水系统风险熵控制方案。并以某开发区供水管网为例分别对脆弱性降低方案和应急能力提高方案进行了考察，在考虑到经济性的情况下，通过结果分析，验证了设计方法的合理性和可行性，并针对其薄弱环节提出了建议。