［意大利］ G.羅西 等

5 對干旱所致供水系統(tǒng)缺水的評價

在供水系統(tǒng)干旱預(yù)防戰(zhàn)略規(guī)劃中，干旱所致缺水風(fēng)險評價是一個關(guān)鍵步驟。此外，在供水系統(tǒng)運行過程中，可通過風(fēng)險評估對不同管理方式進行比較。在制定戰(zhàn)略決策時，風(fēng)險評估一般是無條件的(并非針對系統(tǒng)的某種特殊狀況或條件)，目的是選擇最佳的長期措施。當(dāng)供水系統(tǒng)在干旱條件下運行時，風(fēng)險評估則是“有條件的”，即需要考慮系統(tǒng)的初始狀況或條件。這時，最主要的問題就是何時及怎樣啟動必要的減災(zāi)措施(即實施定量供水政策和/或使用額外水資源)，以避免未來出現(xiàn)嚴(yán)重缺水。由于未來干旱發(fā)展的不確定性，決策的制定應(yīng)基于對干旱所致缺水風(fēng)險的評估，同時應(yīng)將抗旱措施納入系統(tǒng)模型中。很多情況下，這些既定措施是按照一種互動方式分步實施的，必須根據(jù)供水系統(tǒng)的不同狀況(如正常、戒備、警報)采取不同措施。

以往文獻中已有關(guān)于干旱風(fēng)險的不同定義。與地震或洪水等其他自然災(zāi)害的普遍定義法相似，有些對干旱風(fēng)險的定義是基于極端事件的發(fā)生概率或其預(yù)計產(chǎn)生的破壞，可通過將災(zāi)害事件的概率與災(zāi)害影響因素的脆弱性相結(jié)合計算得出。不論采用哪種特定計算方法，這種概念定義的優(yōu)點就在于其試圖將干旱出現(xiàn)的時間性質(zhì)與其影響都考慮在內(nèi)。

關(guān)于干旱損失及預(yù)防和減災(zāi)措施的經(jīng)濟評價也是很多文獻的研究主題。有兩個歐盟資助的項目就曾對經(jīng)濟評價的不同方法進行了回顧，分別是“干旱研究需求與政策選擇評價項目”(XEROCHORE)(2011年)和“自然災(zāi)害成本評價項目”(CONHAZ)(2012年)。但由于缺少恰當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)，加之干旱損失經(jīng)濟評估的復(fù)雜性，過去對干旱條件下的供水系統(tǒng)管理進行分析時，都是假設(shè)缺水即代表干旱損失。因此，都是在考慮不同用水需求的基礎(chǔ)上，從干旱所致缺水的概率來評價干旱風(fēng)險。

一般來說，干旱對供水系統(tǒng)的影響很大程度上取決于儲水設(shè)施的特點、運行規(guī)則、水需求的時間分布，以及為減輕干旱影響所采取的措施。正確的缺水風(fēng)險評估應(yīng)該同時考慮災(zāi)害(即干旱的出現(xiàn))與供水系統(tǒng)的脆弱性，而后者取決于供水系統(tǒng)的物理特性以及需求和管理因素。鑒此，蒙特卡洛模擬法可稱得上是一種評估缺水風(fēng)險的有效工具(見圖2)，因為該方法既隱含考慮了干旱的概率特性(利用隨機模型來產(chǎn)生水文數(shù)據(jù))，同時還考慮了供水系統(tǒng)的脆弱性。

如前文所述，缺水風(fēng)險評估的主要目的，是在規(guī)劃階段提高系統(tǒng)性能(包括制定恰當(dāng)?shù)臏p災(zāi)戰(zhàn)略)，在運行階段提高干旱條件下的供水運行績效。

圖2 基于蒙特卡洛模擬法的供水系統(tǒng)干旱所致缺水風(fēng)險評價

拉塞爾等人提出將干旱損失作為供水系統(tǒng)“適應(yīng)水平”的一個函數(shù)來估計，“適應(yīng)水平”基本可定義為供需比率。此后又出現(xiàn)了若干方法，評價供水系統(tǒng)是否可以長期滿足干旱期間的供水需求。供水系統(tǒng)的績效通常都通過一系列恰當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)或指標(biāo)來評估，通過可靠性、彈性及脆弱性等概念對缺水狀況進行量化。近年來，越來越多地開始使用不同程度缺水的發(fā)生概率來評估不同的干旱減災(zāi)措施。

有些研究用到了“設(shè)計干旱”的概念，如弗里克等人就通過模擬供水系統(tǒng)在固定回歸期干旱期間的績效，來評價供水系統(tǒng)的抗旱能力，這一固定回歸期干旱是從很長的水文序列中得出的，評估還考慮了供水系統(tǒng)的發(fā)展規(guī)劃。

坎切列雷等人通過采用標(biāo)準(zhǔn)運行政策和一些對沖政策，研究了通過“運行方法”確定的干旱嚴(yán)重性與不同需求模式下水庫績效指標(biāo)之間的關(guān)系。研究表明，單純依靠設(shè)計干旱無法計算出缺水的特點，建議使用蒙特卡洛分析法來進行缺水風(fēng)險的評估。

約翰遜等人研究了使用帕爾默水文干旱指標(biāo)來初步評估水庫對干旱敏感度的可能性，旨在對比較脆弱的水庫進行更詳細的調(diào)查。

干旱風(fēng)險下復(fù)雜供水系統(tǒng)的規(guī)劃重點在于對減災(zāi)措施的評估，因此，所做出的決策應(yīng)包括以下內(nèi)容:缺水在不同用水部門之間的分?jǐn)?各水源放水的時間分布;不同水源之間放水的優(yōu)先順序。因此，應(yīng)建立一個決策支持系統(tǒng)(DSS)，幫助決策者利用模型與數(shù)據(jù)庫做出決策，還應(yīng)采取多標(biāo)準(zhǔn)方法，對不同的抗旱減災(zāi)措施進行比較和排序。很多研究都建議建立專家系統(tǒng)和決策支持系統(tǒng)，幫助供水系統(tǒng)管理者進行減災(zāi)措施規(guī)劃。最近，卡拉維蒂斯就建立了一個基于信息數(shù)據(jù)的干旱管理措施評價系統(tǒng)。另外，梅拉伯特尼等人也采用遺傳算法為日本的一個供水系統(tǒng)建立了決策支持系統(tǒng)，用以評價供水系統(tǒng)對干旱的敏感度，并制定可將干旱風(fēng)險最小化的放水模式。

已經(jīng)有大量論文研究了缺水風(fēng)險的評估問題，旨在為水庫或整個供水系統(tǒng)制定應(yīng)對干旱的運行政策或蓄水分配方案。

這些論文按照揚等人提出的方式，根據(jù)指定的客觀功能，通過計算最佳放水組合的優(yōu)化程序，確定了供水系統(tǒng)的運行規(guī)則，并通過線性回歸、分段回歸、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及神經(jīng)模糊系統(tǒng)等不同技術(shù)，建立了最佳放水與水文數(shù)據(jù)及系統(tǒng)狀態(tài)變量之間的關(guān)系。其他論文主要研究的是供水系統(tǒng)在干旱條件下采用其他方式的運行情況。赫什根據(jù)水庫的當(dāng)前狀況和退出率計算得出了具體的蓄水量，并利用若干已有的徑流系列，對水庫在一定時間范圍之內(nèi)蓄水降低至一定水平的風(fēng)險進行了估計。喬伊特等人提出了一個基于計算機的水庫群決策支持系統(tǒng)，用以修訂當(dāng)前水庫應(yīng)對干旱事件的控制曲線。特別是采用了一個模擬模型，計算天然來水流量及地下水抽水供應(yīng)或河流取水的按月累積序列。史等人為一座水庫制定了干旱期間及干旱之前的需求管理政策。用以啟動限量供水的信號是一個觸發(fā)數(shù)值，表現(xiàn)為水庫中應(yīng)存有的需求月數(shù)(作為一個蓄水量)。當(dāng)實際的蓄水量加上預(yù)計來水流量低于這個觸發(fā)數(shù)值時，就要啟動限量供水。

史等人提出了一種混合整數(shù)規(guī)劃模型，可以確定供水水庫啟動不同階段限量供水的觸發(fā)數(shù)值，目的是盡可能保證最多的正常供水月數(shù)，因為每下一個限量供水階段的庫存月數(shù)都會更加有限。倫德制訂了一套干旱條件下水庫間蓄水分配的管理規(guī)則，旨在減少水庫的蒸發(fā)和滲漏損失。有些研究將早期預(yù)警系統(tǒng)信息納入了供水系統(tǒng)的干旱管理。黃等人制訂了一套顏色編碼的多水庫實時運行干旱早期預(yù)警系統(tǒng)，介紹了一套基于風(fēng)險的決策過程，并納入了水庫干旱早期預(yù)警系統(tǒng)。佳能等人針對干旱期間的多水庫系統(tǒng)運行，采用干旱頻率指數(shù)(DFI)作為干旱機制觸發(fā)指標(biāo)，通過多層次非線性優(yōu)化過程來減少灌區(qū)的供水赤字。尼克洛西等人采用了一種基于遺傳算法和蒙特卡洛模擬法的啟發(fā)式多目標(biāo)方法，用以確定啟動減災(zāi)措施的觸發(fā)水平，并根據(jù)實測和計算得出的序列來驗證這一方式的效果。

基于未來缺水的條件風(fēng)險評價及隨后減災(zāi)措施的啟動，羅西等人提出了一套干旱期間供水系統(tǒng)的管理方法。該方法采用蒙特卡洛法，利用若干隨機產(chǎn)生的流量序列模擬供水系統(tǒng)基于目前狀況在一段短時間范圍內(nèi)的表現(xiàn)，進而計算出干旱所致缺水的概率指標(biāo)。

6 干旱預(yù)防與減災(zāi)措施的定義

在以往文獻中可以找到關(guān)于干旱減災(zāi)措施的若干分類。普遍認(rèn)可的一種分類法是把干旱減災(zāi)措施分為以下3類:①增加供水;②減少用水需求;③降低干旱影響。還可根據(jù)干旱現(xiàn)象的應(yīng)對方式分為反應(yīng)式措施和前置式措施，或根據(jù)措施的實施時間分為長期措施和短期措施。長期措施旨在提高干旱的預(yù)防能力(包括對現(xiàn)有供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性和非結(jié)構(gòu)性調(diào)整)，短期措施則是指干旱事件已經(jīng)開始后所制定的應(yīng)急計劃措施，通過啟動新水源增加供水以及減少用水需求等措施來減輕干旱的影響。最近，歐盟缺水與干旱專家網(wǎng)絡(luò)提出了一些不同的干旱措施:①正常狀態(tài)下采取的預(yù)防或戰(zhàn)略措施;②運行(技術(shù)或應(yīng)急)措施，包括供需管理及環(huán)境管理等;③預(yù)警前、預(yù)警中及應(yīng)急條件下啟動的組織措施;④干旱管理計劃的后續(xù)措施;⑤恢復(fù)措施，包括取消緊急供水及有關(guān)限制等。

CONHAZ項目最近針對干旱在內(nèi)的所有自然災(zāi)害提出了一套不同的措施分類法(CONHAZ，2012)，將措施分為:①風(fēng)險管理規(guī)劃與應(yīng)對計劃;②災(zāi)害修訂;③基礎(chǔ)設(shè)施;④嚴(yán)格意義上的減災(zāi)措施;⑤溝通;⑥監(jiān)測與早期預(yù)警;⑦應(yīng)急響應(yīng);⑧金融激勵;⑨風(fēng)險轉(zhuǎn)移。為此，達克斯坦提出了多標(biāo)準(zhǔn)的評價方式及這種方式應(yīng)采取的不同視角，并討論了一些具體的多標(biāo)準(zhǔn)方法，如選擇消去法(ELECTRE)、妥協(xié)規(guī)劃法等。還有多個復(fù)雜供水系統(tǒng)采用了NAIADE模型，該模型可對不同的長期與短期措施組合進行比較和排序，進而最大限度降低缺水風(fēng)險。

7 結(jié)論

基于對若干方法的考察及應(yīng)用案例，可以得出如下結(jié)論。

首先，對供水系統(tǒng)實施有效的干旱管理需要采取綜合性措施，包括格里格所提出的提高水資源管理的若干方面，如政策部門、水務(wù)部門、政府機構(gòu)、組織水平、管理職能、地理區(qū)域、管理階段、學(xué)科與專業(yè)等。但干旱管理的復(fù)雜程度不止于此，還存在一些具體的薄弱環(huán)節(jié)和空白，影響干旱預(yù)防和減災(zāi)行動的規(guī)劃、組織和實施。

對于缺水(指可獲水資源與水需求之間長久的不平衡狀態(tài))和干旱(指在較長一段時間和較大范圍內(nèi)出現(xiàn)的臨時性低于正常降雨量的自然狀況，這種狀況會引起供水系統(tǒng)的臨時性缺水)，還存在一個概念上的誤解。此外，人們還未充分認(rèn)識到應(yīng)對干旱風(fēng)險所需的復(fù)雜體制結(jié)構(gòu)。在很多國家，流域管理機構(gòu)并不能包攬抗旱及災(zāi)后恢復(fù)的所有具體任務(wù)，因此有必要委托各個供水系統(tǒng)的運行機構(gòu)來提前準(zhǔn)備面對缺水風(fēng)險的有關(guān)措施，并根據(jù)相關(guān)干旱指標(biāo)和觸發(fā)值建立早期預(yù)警系統(tǒng)。此外，應(yīng)由國家層面來制定旱災(zāi)界定的標(biāo)準(zhǔn)，而在地區(qū)和地方層面，則應(yīng)由應(yīng)急管理組織(如歐洲國家的公民保護機構(gòu))介入預(yù)先制定的應(yīng)急計劃。因此，必須建立一種更為全面的管理機制，以實現(xiàn)綜合型或應(yīng)對型干旱管理。

其次，盡管關(guān)于干旱的若干研究已經(jīng)取得了一些令人感興趣的研究成果，未來在提高供水系統(tǒng)和社會的抗旱彈性方面，還有很多問題值得研究。未來應(yīng)重點開展的研究范疇包括以下幾個方面:

(1)更好地模擬干旱的發(fā)生及其特性，包括干旱的隨機特性及其與全球大氣循環(huán)模式的聯(lián)系，特別是當(dāng)分析須考慮氣候變化因素時。

(2)更多、更透徹地分析干旱監(jiān)測與減災(zāi)的以往經(jīng)驗，為制定干旱管理的最佳實踐奠定基礎(chǔ)。

(3)基于多標(biāo)準(zhǔn)工具，對干旱的經(jīng)濟、環(huán)境及社會影響以及不同抗旱政策在減輕上述影響方面的效果進行更加先進的評價。

(4)建立便于決策者理解和應(yīng)用的恰當(dāng)模型和一整套技術(shù)包，以幫助決策者們充分利用相關(guān)領(lǐng)域更加先進的研究成果(如用于干旱描述的隨機水文學(xué)、用于綜合影響評價的經(jīng)濟與環(huán)境科學(xué)、旨在減少用水戶沖突的社會科學(xué))。

(5)改善水務(wù)機構(gòu)和管理部門的計算機設(shè)施(包括計算能力和用戶友好型界面)，開發(fā)先進工具以實現(xiàn)供水系統(tǒng)的“應(yīng)對型”干旱管理，包括干旱早期預(yù)警系統(tǒng)、可靠的監(jiān)測和預(yù)報系統(tǒng)以及先進的決策支持系統(tǒng)，并根據(jù)通過了模擬測試的可靠觸發(fā)機制，采取最恰當(dāng)?shù)亩唐诳购敌袆印?/p>