区域水资源系统临界特征值识别与综合调控技术

第1章绪论 1.1研 究 背 景 1.1.1水资源系统常态与应急综合管理的实践需求 1.我国面临的主要水资源问题 我国水资源自然禀赋特点决定了我国是旱涝灾害频发的国家，长期以来，北方水资源短缺与南方洪涝频发、非汛期干旱与汛期防洪共存。目前来讲，旱灾受害主体主要为广大农村和农业，而洪灾受害主体主要为城市和工业。此外，由于短时强降雨的频发，城市内涝问题也直接影响城市安全。 1）南北方丰枯趋势进一步加剧 在强人类活动和气候变化的影响下，中国许多地区的产水规律发生变异，使得水资源的情势发生了变化。一方面从水资源总量来看，20世纪80年代以后，中国北方地区的水资源量明显减少，北方水少南方水多的水资源分布特点更为突出。中国水资源综合规划调查评价成果显示，在全国10个水资源一级区中，北方的辽河区、海河区、黄河区和淮河区等一级区水资源总量明显减少，其中尤以海河区减少幅度*大。而南方大部分区域总体上呈现水资源总量略为偏丰的情势。 2）极值天气发生频率提高 洪水及其引发的泥石流灾害时有发生，给国家造成巨大损失。1998年长江流域发生特大洪水；2003年，淮河流域发生了持续性洪涝灾害；2005年黑龙江省发生洪灾；2007年淮河流域再次发生全流域性大洪水，安徽省遭受严重的洪涝灾害；2008年6月，浙江、福建、江西、湖南、广东、广西等地部分地区遭受强暴雨袭击，造成严重洪涝、山体滑坡和泥石流灾害；2010年全国范围内受洪灾影响人数达2亿人。 除了流域大规模洪水外，近年来，城市短时强降雨频发，导致城市内涝灾害不容忽视。北京市仅2011年7月就发生三次短时强降雨，特别是7月27日，三小时内，市区多个地区的降雨量超过100mm，城市面临严重内涝灾害威胁。 受降雨本身的不确定性以及全球气候变化影响，很多传统丰水地区也面临短期缺水影响。2005年春末夏初，中国云南省多数地区旱情达中等至严重强度。2006年春夏，四川、重庆遭遇1949年以来*严重的旱灾，近千万人出现临时饮水困难。2007年9月下旬，中国南方大部地区降雨明显减少，湖南、江西、贵州、广西等地旱情严重，为50年来所罕见。2008年初，重庆遭受持续旱灾，约140万人、100万余头大牲畜存在饮水困难。2009～2010年，中国西南地区的云南、贵州、四川、重庆、广西、湖南等地遭遇秋、冬、春、初夏四季连续的百年一遇特大旱灾，湖泊干涸，河道断流。2011年，长江中下游地区遭遇50年来罕见干旱，降雨与多年同期相比偏少40%～60%，为1961年以来同期*少年份，5月以后，降雨虽较前期略有增加，但湖北、湖南、江西、安徽、江苏等长江中下游地区，降水与多年同期相比仍偏少20%～40%。这种短期干旱给传统丰水地区带来巨大灾害，如何应对季节性干旱已经成为中国南方地区水资源管理不得不面对的问题。 3）社会经济保障需求不断增加 一方面，基于中国社会经济发展趋势与总体用水要求，保障率要求相对较低的农业用水将逐渐向保障率要求高的生活用水、工业用水、第三产业用水转移，一旦供水大规模短缺，将造成巨大的损失。未来中国社会经济用水保障不仅体现在供水总量上，更为重要的是供水过程需要保证持续、均衡、稳定，*大限度消除来水丰枯的时空不确定性是供水管理的难题。另一方面，随着人口的增加，社会经济的大规模发展，人口密度与经济产值密度显著提高，承受洪水灾害的能力大幅下降，因此防洪任务日益加剧。 2.水资源问题的破解路径 1）单一管理及其存在的弊端 常态下的水资源管理虽然贯穿于全年的水利工作中，但主要针对的是平水年或非汛期的水资源调配，目标仅是满足各行业部门的常规用水需求；其重点在于通过闸涵或大坝等工程实施蓄水、引水、提水、灌水，支持国民经济建设；在管理中讲求按规划实施，按部就班，主要归属于水利部水资源司管理；而应急状态下的水资源管理则仅仅集中在一年内有限的几个月，尤其是春旱和秋汛时节，即丰水期和枯水期；目标是保证极端状态下的社会安定，主要采取的手段是极端干旱时的集中全力抗旱打井或极端洪水时的抗洪抢险；在应急状态下，人财物等一切储备力量都向防洪抗旱倾斜；其随机性强，支出金额也较大，具体的负责部门是水利部防汛抗旱总指挥部。这种职能和体制上的分割表面上看是合适的，但两者各司其职，互不干涉，却在一定程度上造成了资源共享上的沟通壁垒，有时会因为部门间的职责交叉出现管理的真空。 一般情况常态管理与应急管理各自独立运行，根据水资源系统所处的状态选取不同的管理手段。这种管理模式的缺点是：①滞后性，往往在洪涝或者干旱发生后一段时间才能有效地介入管理。②独立性，常态管理和应急管理以不同的管理理念为指导，常态管理主要指导思想是“供”和“控”，主要是保障水资源系统的正常运行，应急管理主要指导思想在洪涝管理中为“泄”和“排”，在干旱管理中为“保”和“供”，主要目标是尽快将灾害消除。在不同的管理理念指导下，很少考虑常态管理和应急管理的内在联系，即常态管理中考虑灾害发生的风险，应急管理中不以单纯抵御灾害为目的，而是以区域弹性恢复为导向，从硬管理转向软管理，如抵御小规模的洪水不单纯靠建坝抵御，而是充分利用地下的各种蓄水空间调蓄洪水。③片面性，水资源系统的正常运行与非正常运行都统一于整个水循环过程，水循环过程中的各个水文要素，降水、下垫面、径流、土壤水、地下水等都与水资源系统的状态相关，单纯的常态管理和应急管理都关注某一个具体水文要素，例如，农业干旱只关注降水量或地下水位，很少从区域水文循环的角度考虑各水文要素之间的联系。 2）常态与应急综合管理是解决水资源问题的重要路径 随着以降雨为主要参数的气象因子不确定性增加，洪水、干旱等极端事件与过程的频率和极值日益加大，在水利工程数量增多、监测技术提高以及预测精度增大等科学技术的支撑下，对取用水的过程控制也不断更新，并表现为应急标准提高化、常态管理范围扩大化。 针对常态管理与应急管理分离的不足，近些年，有专家提出常态与应急综合管理理念。常态与应急综合管理就是从整个区域自然-社会二元水循环的角度，根据各水文要素之间的联系，预判水资源系统的状态，在水资源系统正常运行的条件下，为应急调控预留空间，在水资源系统非正常运行时，考虑优化常态管理手段，采用柔性的管理方式规避灾害，而不是与水资源灾害正面交锋，避免工程措施带来的其他不利影响，如生态破坏等。 在常态模式下，全面设防、封堵、消除突发事件的诱因，虽然可以降低事件发生的风险，但管理成本很高，容易造成大量资源的闲置浪费，甚至超出社会的承受能力；在应急模式下，应急处置措施虽然可以随机应变，但离不开日常对人力物力的准备，否则不但难以有针对性地把握有利时机控制事态发展，还极有可能给生命财产安全带来新的风险，处置成本也会失控。常态和应急综合管理，就是面向系统全周期发展过程，基于正常和非正常的视角，将系统运行的常规状态与应急状态统筹考虑，以维护系统可持续运行、降低系统运行风险、应对系统突发事件、实现系统发展目标为任务，针对系统运行中出现的或可能出现的管理需求，联立进行的一系列计划、组织、指挥、协调和控制行为（刘宁，2014a）。在常态管理中为应急管理留足调控空间，在应急管理中考虑水资源的储备和充分利用，实现水资源开发利用、防洪除涝和抗旱减灾的有机融合，提高水安全保证程度，变水害为水利，以解决我国存在的严峻水资源问题。 3.国内外水资源系统常态与应急综合管理实践 目前，水资源系统常态与应急综合管理主要应用于以下三个方面。 1）雨洪水的资源化利用 我国季风区陆地面积占到陆地总面积的三分之二，在季风区降雨多集中在6～8月，雨量占到全年降水量的50%～90%，集中降雨一方面成为城市洪涝灾害的主要原因，另一方面却是缺水城市的潜在资源。以前对雨洪水的管理以“排”为主，要求尽快将雨洪水排入河道，避免形成洪涝灾害，而随着城市的发展，雨洪水的资源化需求不断强烈，对雨洪水的态度也转变为以“蓄”为主，如住房和城乡建设部（简称住建部）主推的“海绵型城市”建设，要求把雨水的渗透、滞留、集蓄、净化、循环使用和排水密切集合(仇保兴，2015)。国内外对雨水资源化已进行了大量的研究和实践。德国制定了雨水利用设施标准和雨水排放费征收标准，并开发了洼地-渗渠技术以及雨水的分类收集技术(Schuetze，2013)。美国制定了雨水利用条例保障雨水的调蓄及利用，强调非工程生态技术的开发和应用(Alghariani，2010)。日本推行雨水贮留渗透计划，通过屋顶收集、沉淀和过滤技术进行雨水收集。以色列制定水法、水井法等相关法律，促进雨水资源的收集和利用，通过预测雨水流量，安排雨水流向，大量雨水渗入地下或建筑堤坝被集蓄利用(Avraham　and　Baruch，2013)。另外还有希腊(Sazakli　et　al.，2007)、新西兰(Schets et al.，2010)等国家也开展了相关实践。国内也有一些城市开展城市雨水资源利用实践，北京出台了首部屋顶绿化地方标准，设置屋顶雨水收集利用系统，并提出环保型透水砖铺装地面设计和施工方法(左建兵等，2008)。上海利用排水路面、泵站、存储池等收集雨水，在绿地上修建雨水收集系统，并研究通过降低绿地高程等调蓄雨水(倪华明，2012)。天津也提出了雨水利用的各项技术指南，包括自然净化技术、透水铺装技术、雨水调蓄技术等(邵兆凤等，2012)。 2）人工补给地下水 我国北方地区多数城市靠抽取地下水维持供给，常年超采地下水形成了大面积的地下漏斗，以海河流域为例，海河流域山前平原已有约1万km2的浅层地下水含水层被疏干，地下水*大埋深已达105m(乔瑞波，2009)。据统计，海河流域已有30余个漏斗区，甚至已经形成漏斗群，当地至今仍然没有停止对地下水的掠夺式开发(郭海朋，2004)。然而，为防洪安全考虑，北方地区在汛期为腾出库容防洪而将大量蓄水排入大海，而在春季为抗旱接着超采地下水。人工回补地下水是解决水资源时空分布错位的方法之一，充分利用汛期非致灾性径流以及雨洪资源，利用池塘、水窖、集水坑、绿地等作为集水器，实现季节性回补(Eusuff　and　Lansey，2004)。目前人工回补地下水在国内外已经开展了诸多的研究。20世纪50年代，荷兰通过引莱茵河水回补地下水，通过条带渗透沟、渠，利用风机天然沙丘地层自然过滤补给地下水，年补给量达到1.5亿m3(江剑等，2014)。利雅得市（阿拉伯半岛城市）在大坝后布置回灌井，利用雨水补给地下水，在干旱地区非常可观(Alrehaili　and　Tahir，2012)。Herman（2002）认为人工回补地下水的必要性越来越大，因为相对水库蓄水，地下水储备具有减少蒸发损失，避免泥沙沉积，不会引发生态危害以及降低人类疾病等优势。 3）洪涝、干旱灾害的风险管理 洪涝风险通常指发生有洪水造成的损失与伤害的可能性。随着极端气候事件的频繁发生，未来城市自然灾害的发生将变得更加具有隐伏性和突发性(尚志海，2007)，在这种背景下，原来的防洪减灾措施已经不能满足现代城市发展的需要，洪涝风险管理成为新兴的管理手段，传统的“抗洪救灾”思路将逐步转化到“风险管控”上来。风险包括两方面要素：一是危害发生的概率;二是可能造成的损失程度。“抗洪救灾”应对战略是防治灾害进一步扩大和减轻灾害损失；“风险管控”则综合考虑灾害发生的概率和损失程度。洪涝风险管理主要环节包括风险分析、风险评估和风险降低过程(秦波和田卉，2012)。国外的风险管理起步较早，Schanze（2006）的书中详细介绍了洪水风险管理的框架，并指出世界很多城市都在从洪水防御向洪水风险管理转变。 1.1.2亟待解决的科学问题 所谓“常态”，即常见之态，表现出事物的一般规律，持续性发生的状态。而“应急”状态指突然发生的、紧急的状态，表现出事物突