褚俊英，周祖昊，王 浩，戴東宸

(1．中國水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京 100044;2．中建水務(wù)環(huán)保有限公司，北京100037)

流域作為水系的集水區(qū)，是水文過程和環(huán)境生態(tài)功能的連續(xù)體，成為具有層次結(jié)構(gòu)和整體功能的復(fù)雜動態(tài)系統(tǒng)。在氣候變化以及高強度人類活動的雙重影響下，我國流域水安全面臨極大挑戰(zhàn)，如流域內(nèi)污染負荷產(chǎn)生強度大、成分多，污染物的遷移和轉(zhuǎn)化規(guī)律極其復(fù)雜，加上流域內(nèi)經(jīng)濟社會快速發(fā)展過程中城市點源污染、面源污染防控措施長期乏力，導(dǎo)致流域水質(zhì)惡化，城市黑臭水體大量存在。此外，流域還面臨水資源短缺、生態(tài)系統(tǒng)退化、內(nèi)澇頻發(fā)、防洪風(fēng)險突出、水景觀與水文化缺失等多個突出問題。流域水問題本質(zhì)是流域水循環(huán)及其伴隨過程的綜合體現(xiàn)，實施流域綜合治理已成為我國社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略。在流域綜合治理的理論與實踐方面，不少學(xué)者開展的研究主要集中在流域水資源水環(huán)境綜合治理等方面，關(guān)注體制和政策層面的分析[1-2]。靖中秋等[3]針對北方地區(qū)普遍存在的水資源、水環(huán)境與水生態(tài)問題，提出了涵蓋“點-線-面-管”的流域水環(huán)境綜合治理模式。總體上，我國流域綜合治理的研究尚處于探索階段，迫切需要探索流域綜合治理的理論架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)體系，為流域綜合治理提供支撐。

1 流域綜合治理的發(fā)展歷程

20世紀末至21世紀初，世界上許多國家不斷創(chuàng)新流域綜合治理體系。流域綜合治理可分為3個主要階段：一是流域水資源開發(fā)利用階段，水資源具有防洪、供水、航運等單方面或多方面的功能，為社會經(jīng)濟發(fā)展提供支撐與安全保障;二是高強度社會經(jīng)濟發(fā)展過程中流域水資源與水環(huán)境聯(lián)合治理階段，該階段從最初的污染達標排放，逐步發(fā)展為面向總量控制的水質(zhì)恢復(fù)，以及河流生態(tài)系統(tǒng)的保護與修復(fù);三是面向整體功能的人與自然和諧共生的流域綜合治理階段(圖1)。流域綜合治理的發(fā)展歷程具有如下特點：在空間方面，流域水環(huán)境治理體系從單純重視河流自身擴展到整個流域水系;在要素方面，從單一體現(xiàn)水資源要素發(fā)展到統(tǒng)籌環(huán)境、生態(tài)等多個要素;在過程方面，從傳統(tǒng)的“末端治理”模式轉(zhuǎn)變?yōu)椤霸搭^減排、過程阻斷、末端治理”多過程治理;在主體方面，從政府主導(dǎo)發(fā)展為政府、企業(yè)、非政府組織以及社會公眾多元化網(wǎng)絡(luò)治理，形成流域治理產(chǎn)業(yè)鏈。

圖1 流域綜合治理的發(fā)展歷程

隨著氣候變化與高強度人類活動，流域水問題日益呈現(xiàn)復(fù)雜性、交織性特點，流域綜合治理作為解決流域水問題的有效方法，已成為世界上流域生態(tài)文明治理與提升生態(tài)治理能力的重要舉措[4]。從基本概念上，流域綜合治理是指以流域為基本單元，以流域水循環(huán)過程及其伴生過程為主線，充分發(fā)揮流域?qū)λh(huán)的天然調(diào)節(jié)作用，規(guī)范人類社會對水土資源的開發(fā)活動，減少對自然水循環(huán)的擾動，推進流域水信息化建設(shè)與智慧決策，實現(xiàn)流域地表-土壤-地下多過程立體化調(diào)控，水量、水質(zhì)、水生態(tài)多要素綜合調(diào)控，最大限度地實現(xiàn)“去極值化”和“系統(tǒng)均衡”目標，建設(shè)具有免疫機制的健康生態(tài)流域，促進社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展。

2 流域綜合治理系統(tǒng)的多維嵌套結(jié)構(gòu)

由于流域面臨的多種水問題交織、關(guān)聯(lián)、鏈接，流域綜合治理涉及資源、環(huán)境、經(jīng)濟、社會等，是復(fù)雜動態(tài)的適應(yīng)性系統(tǒng)，具有要素眾多、層次復(fù)雜、關(guān)系錯綜復(fù)雜以及目標功能多樣的特征，需充分融合水文水資源學(xué)、環(huán)境學(xué)、生態(tài)學(xué)、景觀學(xué)、生物學(xué)等多學(xué)科專業(yè)知識。鑒于當(dāng)前我國流域普遍面臨的水資源短缺、水資源利用效率低下、水污染、水生態(tài)退化、水文化缺失等問題相互關(guān)聯(lián)，面向流域水循環(huán)及其伴生過程“時-空-要素-過程-調(diào)控”，流域綜合治理系統(tǒng)具有多維嵌套結(jié)構(gòu)，主要體現(xiàn)在5個維度的耦合：時間維、空間維、要素維、過程維以及調(diào)控維，見圖2。

圖2 流域綜合治理的多維嵌套理論架構(gòu)

在多維嵌套結(jié)構(gòu)中，不同維度之間密切關(guān)聯(lián)、相互作用、不可分割。表1給出了流域綜合治理中要素維與其他維度的關(guān)系。如，水環(huán)境與水資源兩要素密不可分，一方面流域污染物的降解、輸移受到流域降水、蒸發(fā)、產(chǎn)流與匯流等自然水循環(huán)過程以及人類生活、工業(yè)和農(nóng)業(yè)廢污水排放與處理等社會水循環(huán)過程的影響，流域水資源短缺降低水環(huán)境容量，導(dǎo)致流域水環(huán)境惡化，進一步加劇缺水的矛盾;另一方面，社會水循環(huán)中節(jié)水與清潔生產(chǎn)措施在提高用水效率、緩解缺水的同時，也降低了水污染負荷強度，廢污水深度處理技術(shù)的采用也在一定程度上增大了可利用的水資源量。此外，海綿城市建設(shè)通過改善城市水循環(huán)過程，可以同時起到雨澇調(diào)蓄、削減污染物、存儲利用水資源、改善水生態(tài)系統(tǒng)以及營造水景觀的多重效益[5]，具有實現(xiàn)多個維度目標的效用。

a.時間維。在時間維度上，流域綜合治理可分為宏觀上數(shù)年或多年尺度(如10年、100年、1000年等)，中觀上的年、月尺度，以及微觀上的日、時、分、秒尺度。如在水環(huán)境方面，美國實施的TMDLs(total maximum daily loads)是在滿足水質(zhì)標準的條件下，以日為時間單位給出水體能夠接受的某種污染物的最大日負荷量。在水資源方面，我國實施的最嚴格水資源管理制度中總量控制通常是年尺度，在水資源調(diào)度過程中可以細化到月、日、時尺度;在水環(huán)境方面，污染物的降解通?？紤]到日尺度，在水污染應(yīng)急調(diào)度中可以細化到時、分尺度;在水安全方面，洪水與內(nèi)澇的研究通?？梢约毣椒?、秒尺度。

b.空間維。在宏觀、中觀、微觀層面上，流域綜合治理的空間維度分別為流域或行政區(qū)、控制單元、子流域與水文響應(yīng)單元。從流域水循環(huán)及其伴生的完整過程看，流域、子流域、水文響應(yīng)單元是逐級減少的，控制單元/行政區(qū)域是在流域空間分級基礎(chǔ)上，體現(xiàn)水管理要求進行重新劃分。①流域或區(qū)域。從流域自然和功能的統(tǒng)一性出發(fā)，以流域為單元，上下游、左右岸、干支流的開發(fā)利用具有相互影響、相互競爭的關(guān)系，應(yīng)從流域生態(tài)系統(tǒng)平衡角度進行統(tǒng)籌考慮。歐盟、新西蘭等地區(qū)和國家開始實施以流域為基本單元的管理模式，以流域為單元進行綜合治理已成為重要發(fā)展趨勢[1，6]。我國應(yīng)探索建立以流域為基礎(chǔ)的流域與區(qū)域相結(jié)合的管理體制。②控制單元。將復(fù)雜的流域水問題分解到控制單元，實施更為精準化和有效的管理，可為目標落實、任務(wù)分解、總量控制等提供基礎(chǔ)[7]。通常，將水質(zhì)不達標、生態(tài)和功能問題突出、存在事故風(fēng)險和水環(huán)境質(zhì)量下降風(fēng)險等含有重要飲用水水源、具有重要生態(tài)功能以及水質(zhì)達標難度較大的控制單元作為優(yōu)先控制單元，進行重點治理和保護。③子流域或水文響應(yīng)單元。水文響應(yīng)單元主要是根據(jù)流域內(nèi)的土壤類型、坡度、土地利用等因素劃分的具有相同水文特征的最小水文單元[8]，是流域水循環(huán)模擬的基本單元，其劃分情況將對分布式模型精度帶來影響[9]

表1 流域綜合治理中要素維與其他維度的關(guān)系

c.要素維。隨著社會經(jīng)濟水平的提高以及生態(tài)環(huán)境意識的增強，人們對流域的需求趨于多樣化、層次化。流域面臨的水問題交織關(guān)聯(lián)，除了常態(tài)的流域缺水、水污染問題，特殊情景下的干旱、洪水、內(nèi)澇問題也需要引起關(guān)注。流域水資源的開發(fā)、水害的防治以及水生態(tài)功系統(tǒng)功能的恢復(fù)具有復(fù)雜相關(guān)性，為突出合力治水，流域綜合治理由單要素治理轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘁刂卫?，包括了水資源、水環(huán)境、水生態(tài)、水安全、水文化等多方面，如歐洲萊茵河流域的綜合治理考慮了污染源控制與水環(huán)境治理、水生態(tài)保護(鮭魚產(chǎn)卵與洄游)、水資源利用以及防洪減災(zāi)等多個方面[10];浙江省2013年做出了“五水共治”的戰(zhàn)略部署，即“治污水、防洪水、排澇水、保供水、抓節(jié)水”的統(tǒng)籌共治;深圳市突出問題導(dǎo)向提出了“五位一體”(水資源、水安全、水環(huán)境、水生態(tài)、水文化)的理念統(tǒng)領(lǐng)治水工作。

d.過程維。在宏觀尺度上流域綜合治理的過程維表現(xiàn)為流域“自然-社會”二元水循環(huán)之間的耦合以及其伴生的水生態(tài)、水環(huán)境、水安全與水文化過程。在中觀尺度上，表現(xiàn)在自然水循環(huán)和社會水循環(huán)分環(huán)節(jié)、分行業(yè)的過程，即自然主循環(huán)系統(tǒng)的“降水-坡面-河道-地下”的基本過程及其伴隨的污染物遷移轉(zhuǎn)化與生態(tài)系統(tǒng)演化過程，以及社會側(cè)支循環(huán)系統(tǒng)的“取水-供水-用水-排水”的基本過程及其伴隨的污染物遷移轉(zhuǎn)化以及水生態(tài)系統(tǒng)演化過程，以及兩者之間相互作用的物質(zhì)、能量、信息傳輸與交換所帶來的干旱過程、洪澇過程、景觀格局過程、文化沉淀過程、生態(tài)過程等。在微觀尺度上，過程維體現(xiàn)為降雨、徑流、植被覆蓋度、污染物遷移轉(zhuǎn)化系數(shù)、生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和多樣性等多個影響因子過程的細致識別。

e.調(diào)控維。流域綜合治理措施維包括措施集合、實施主體、實施機制等方面。①從措施集合看，流域綜合治理可分為工程措施、非工程措施，工程措施見表1。非工程措施主要包括行政許可制度、價格制度、參與制度、宣傳制度以及融資制度等[11]。②從實施主體看，流域綜合治理措施實施主體包括各級政府、企業(yè)、非政府組織以及社會公眾等，不斷構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化治理結(jié)構(gòu)和實施鏈條，將治理目標落實到每個利益相關(guān)者[12]。世界流域綜合治理經(jīng)歷了從部門各自為政向跨部門、跨地區(qū)綜合治理轉(zhuǎn)變，是法律法規(guī)制度不斷完善的過程，其中建立了集權(quán)管理、分散管理或綜合管理模式[13]。③從實施機制看，流域綜合治理可分為政府主導(dǎo)、市場化以及社會自治等治理機制[1]，政府和社會資本合作模式在流域綜合治理中日益得到廣泛應(yīng)用。

3 流域綜合治理的關(guān)鍵技術(shù)體系

我國不同流域面臨的水問題有所不同，如，海河流域主要存在水量短缺、河道斷流、水體污染和濕地萎縮等問題;珠江流域存在著局部河段水污染嚴重、河流生境阻隔、濕地資源衰退、生物多樣性降低等問題;太湖流域面臨著防洪、水污染、水生態(tài)破壞等問題;西北諸河面臨河湖萎縮、天然綠洲退化、生物多樣性降低及生態(tài)系統(tǒng)失衡等問題。以流域面臨的這些突出問題為導(dǎo)向，系統(tǒng)建立流域綜合治理的關(guān)鍵技術(shù)體系尤為重要。流域綜合治理的關(guān)鍵技術(shù)體系可以歸納為三類：流域水循環(huán)及其伴生過程機理辨識技術(shù)體系、流域綜合治理全要素多過程綜合模擬技術(shù)體系以及流域綜合治理優(yōu)化決策技術(shù)體系，分別為流域綜合治理提供理論基礎(chǔ)、定量工具以及決策支持。這三大技術(shù)體系之間耦合關(guān)聯(lián)、互為支撐反饋，見圖3。

3.1 機理辨識技術(shù)體系

流域水循環(huán)及其伴生過程機理的識別，是科學(xué)認識流域水安全問題的重要基礎(chǔ)和前提。流域綜合治理機理辨識技術(shù)體系主要包括流域水循環(huán)及其演化機理、流域水資源供需規(guī)律與配置原理、流域水污染物遷移轉(zhuǎn)化機理、流域水生態(tài)結(jié)構(gòu)、功能與過程機理、流域洪水過程與內(nèi)澇演化機理、流域水文化變遷機制等方面及其動態(tài)耦合、關(guān)聯(lián)機制?？傮w上，流域水循環(huán)大量可靠信息的獲取通常是流域綜合治理各項機理識別的關(guān)鍵，將與云計算、大數(shù)據(jù)等高新技術(shù)不斷融合。

3.2 綜合模擬技術(shù)體系

流域綜合治理的定量模擬，是指綜合考慮流域時間、空間、過程、要素、措施等不同維度參數(shù)特征，對流域水循環(huán)及其伴隨過程進行定量模擬，評估不同措施所帶來的效果與影響。各流域所面臨的主導(dǎo)問題不同，模擬的關(guān)注點也明顯不同，但通常水質(zhì)水量過程是核心。流域綜合治理定量綜合模擬技術(shù)體系具體包括：流域分布式水循環(huán)模擬、流域水資源供需模擬與優(yōu)化配置、流域污染負荷遷移轉(zhuǎn)化模擬、流域水質(zhì)過程模擬、基于遙感的流域生態(tài)需水模擬、流域洪水過程與風(fēng)險模擬、面向低影響措施的流域內(nèi)澇積水過程模擬、流域水文化傳播的社會學(xué)模擬等多個模塊及其綜合集成?？傮w上，與遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)耦合，實現(xiàn)全要素、多過程的綜合耦合模擬，著力體現(xiàn)變化環(huán)境下的不確定性，為水問題診斷、措施優(yōu)選以及效果評估提供支撐，是流域綜合治理定量綜合模擬技術(shù)的發(fā)展趨勢[14]。

圖3 流域綜合治理的關(guān)鍵技術(shù)體系結(jié)構(gòu)

3.3 優(yōu)化決策技術(shù)體系

如何利用系統(tǒng)工程理論，權(quán)衡多種流域綜合治理措施的科學(xué)性和經(jīng)濟性，是決定流域治理成敗的關(guān)鍵。代表性的優(yōu)化決策技術(shù)有：①情景分析法。即通過設(shè)置多種情景，對流域綜合治理的措施進行比較，確定最優(yōu)方案。如劉起方等[15]構(gòu)建了進化博弈模型，以淮河流域為例對政府兩種管理情景(即關(guān)停、罰款)對企業(yè)水污染治理行為帶來的效果進行了評價和論證。②多目標優(yōu)化法。曹寅白等[16]提出了多維臨界調(diào)控的準則與模型，給出不同維度目標函數(shù)與權(quán)衡機制，以海河流域為例進行不同方案的評價與優(yōu)選。③目標倒逼法。流域綜合治理確定了水質(zhì)、水資源、水生態(tài)、水安全等多維目標后，通過計算水環(huán)境容量倒逼污染物削減量，通過優(yōu)化配置計算水資源供給量，通過防洪排澇目標要求給出防洪排澇方案等，協(xié)調(diào)優(yōu)化給出項目清單并進行投資估算。④綜合評分法。通過對不同措施的重要性程度確定指標權(quán)重和評分[17]，結(jié)合聚類分析或模糊算法確定流域綜合治理措施的優(yōu)先次序[4]，或?qū)嵤┑闹卫泶胧┑男?yīng)進行評估[18]。⑤路徑分析法。將正向算法中的控制參數(shù)由連續(xù)變量進行離散化，通過路徑分析提高了優(yōu)化方案的針對性和可行性[19]。

這些決策優(yōu)化技術(shù)可歸納為主觀經(jīng)驗法、統(tǒng)計分析法以及定量模擬法。隨著空間分析、信息技術(shù)的不斷發(fā)展，復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)理論方法與整體分析模型被提出，使得不確定性決策技術(shù)、風(fēng)險決策以及交互式?jīng)Q策技術(shù)以及大數(shù)據(jù)決策技術(shù)等等現(xiàn)代新決策技術(shù)日益在流域綜合治理水資源、水環(huán)境、水生態(tài)等多個維度得到發(fā)展和應(yīng)用，為流域綜合治理的決策提供必要的支持。

4 結(jié) 語

流域綜合治理是解決流域性水問題的有效方法，是構(gòu)建生態(tài)文明治理體系和提升生態(tài)治理能力現(xiàn)代化的重要組成部分。本文構(gòu)建的流域綜合治理系統(tǒng)多維嵌套結(jié)構(gòu)和流域綜合治理三大關(guān)鍵技術(shù)體系可為我國流域綜合治理實踐提供科學(xué)支撐。