曹建廷，邢子強(qiáng)

(水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計總院，北京 100120)

水基礎(chǔ)設(shè)施在保障供水和防治水旱災(zāi)害中發(fā)揮重要作用。加強(qiáng)水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，提升水資源優(yōu)化配置和水旱災(zāi)害防御能力，仍是未來較長時期水利發(fā)展的重要任務(wù)。目前水基礎(chǔ)設(shè)施的規(guī)劃、建設(shè)和運行管理通常是在來水情景穩(wěn)態(tài)假設(shè)下進(jìn)行，對應(yīng)對未來變化環(huán)境下不同情景考慮不充分。具有韌性的水基礎(chǔ)設(shè)施能夠應(yīng)對未來不同變化情景。結(jié)合國內(nèi)外不確定條件下的決策和韌性概念進(jìn)展相關(guān)研究，本文梳理了韌性的概念，分析了水基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)考慮韌性的必要性，提出了加強(qiáng)水基礎(chǔ)設(shè)施韌性的途徑，以期完善水基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃設(shè)計，提高我國水基礎(chǔ)設(shè)施韌性，有效應(yīng)對氣候變化等不確定性的影響。

1 韌性的概念

現(xiàn)代韌性(resilience)的概念基于工程、生態(tài)學(xué)和運籌學(xué)三個領(lǐng)域的深刻見解。國內(nèi)有些學(xué)者把這一概念譯為彈性、恢復(fù)力、適應(yīng)能力等。本文借鑒城市韌性、經(jīng)濟(jì)韌性等現(xiàn)代較普遍的應(yīng)用，對這一術(shù)語表述為“韌性”。工程韌性來源于工程力學(xué)，是最早被提出的認(rèn)知韌性的觀點，這種認(rèn)知觀點最接近人們?nèi)粘＠斫猓错g性被視為一種恢復(fù)原狀的能力。但現(xiàn)實應(yīng)用中已經(jīng)不同于簡單的工程項目的韌性，而是指系統(tǒng)整體所具有的工程韌性的特征。工程韌性強(qiáng)調(diào)在既定的單一平衡狀態(tài)周圍的穩(wěn)定性，因而其一般通過系統(tǒng)對擾動的抵抗能力和系統(tǒng)恢復(fù)到平衡狀態(tài)的速度來衡量，有些學(xué)者也以系統(tǒng)的不能充分發(fā)揮其功能的失敗概率，以及在失敗狀況下恢復(fù)正常運行水準(zhǔn)的時間衡量。工程韌性強(qiáng)調(diào)保持穩(wěn)定的能力確保系統(tǒng)有盡可能小的波動和變化。

生態(tài)韌性是從生態(tài)系統(tǒng)的運行規(guī)律啟發(fā)而產(chǎn)生，系統(tǒng)可以存在多個而非唯一的平衡狀態(tài)，擾動的存在可以促使系統(tǒng)從一個平衡狀態(tài)向另外的平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)化。諸多學(xué)者意識到韌性不僅可能使系統(tǒng)恢復(fù)到原始狀態(tài)的平衡，而且可以促使系統(tǒng)形成新的平衡狀態(tài)。生態(tài)韌性可以被視為系統(tǒng)即將跨越門檻前往另外一個平衡狀態(tài)的瞬間能夠吸收的最大的擾動量。生態(tài)韌性強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)生存的能力，而不考慮其狀態(tài)是否改變。

在生態(tài)韌性的基礎(chǔ)上，隨著對系統(tǒng)適應(yīng)性循環(huán)和跨尺度的動態(tài)交流效應(yīng)等認(rèn)知的進(jìn)一步加深，學(xué)者們又提出演進(jìn)韌性，即韌性不應(yīng)該僅僅被視為系統(tǒng)對初始狀態(tài)的一種恢復(fù)，而是復(fù)雜的社會生態(tài)系統(tǒng)為響應(yīng)壓力和限制條件而激發(fā)的一種變化、適應(yīng)和改變的能力。演進(jìn)韌性是與持續(xù)不斷的調(diào)整能力緊密相關(guān)的一種動態(tài)的系統(tǒng)屬性?，F(xiàn)階段韌性的理念主要著眼于社會生態(tài)系統(tǒng)方面。

韌性來自系統(tǒng)的“本體”—其組成、配置和相互作用，使系統(tǒng)在擾動下能夠保持在預(yù)期的變化范圍內(nèi)的連貫“功能”，系統(tǒng)的功能可理解和衡量為生成特定服務(wù)和產(chǎn)出。對韌性的系統(tǒng)而言，可有3種能力來表征。

(1)持久性：它能夠在不改變系統(tǒng)特性的情況下，對沖擊和不斷變化的脅迫作出反應(yīng)，保持連貫的功能。

(2)適應(yīng)性：通過改變系統(tǒng)的特性以適應(yīng)脅迫和變化，并保持原來功能的能力。

(3)可轉(zhuǎn)換性：當(dāng)超出臨界點而無法維持其先前狀態(tài)時，系統(tǒng)具有更改特性和建立新的穩(wěn)定功能的能力。

水基礎(chǔ)設(shè)施韌性可理解為水基礎(chǔ)設(shè)施在承受或面臨氣候變化和人類活動等不同脅迫下，具有繼續(xù)保持其關(guān)鍵功能或提供服務(wù)的能力。例如一個具有韌性的水基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)不僅在常態(tài)氣候波動下而且在極端洪災(zāi)或干旱事件下能夠維持供水、水質(zhì)處理以及廢水和雨水排放等服務(wù)功能。

2 水基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)考慮韌性的必要性

水基礎(chǔ)設(shè)施在保障供水和防治水旱災(zāi)害中發(fā)揮重要作用。截至2018年年底，全國已建成5級及以上江河堤防31.2萬km，已建江河堤防保護(hù)人口6.3億人；已建成各類水庫98822座，水庫總庫容8953億m3，水庫工程的供水能力2324億m3。未來隨著我國現(xiàn)代化建設(shè)進(jìn)展的不斷推進(jìn)，仍需加強(qiáng)和提升水基礎(chǔ)設(shè)施的基礎(chǔ)保障作用。

氣候變化對水基礎(chǔ)設(shè)施保障增加新的挑戰(zhàn)。從全球而言，氣候變化、人口增長、城市化及土地利用變化將主要影響世界各地的水系統(tǒng)。據(jù)IPCC第五次評估報告，氣候變化造成極端氣候事件增加，改變水文過程變化，增加水系統(tǒng)調(diào)控的復(fù)雜性，對保障防洪安全、供水安全影響、防治干旱災(zāi)害提出新的挑戰(zhàn)。我國氣候類型復(fù)雜多樣，大陸性季風(fēng)氣候特點顯著，水旱災(zāi)害嚴(yán)重。如1998年長江發(fā)生全流域型的特大洪水，2009—2010年我國發(fā)生西南五省冬春連旱，2013年南方大范圍嚴(yán)重伏旱等特大旱情。我國降水時空分布極不均勻，當(dāng)前新老水問題突出，氣候變化使我國水系統(tǒng)管控更趨復(fù)雜和嚴(yán)峻。應(yīng)對氣候變化影響，保障經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的用水需求，降低自然災(zāi)害風(fēng)險，需要加強(qiáng)水系統(tǒng)的規(guī)劃，提升水系統(tǒng)的保障能力。

多年來，處理自然氣候波動和防治水旱災(zāi)害規(guī)劃問題作為水系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計的重要內(nèi)容，迄今國內(nèi)水系統(tǒng)規(guī)劃方法，沒有充分考慮未來社會經(jīng)濟(jì)許多條件的不確定性，氣候變化使系統(tǒng)設(shè)計依賴的氣候水文波動的穩(wěn)態(tài)假定條件不再有效，進(jìn)一步加劇了這種不確定性。大量科學(xué)證據(jù)清楚地表明，過去的歷史記錄本身可能不再是當(dāng)前和未來氣候的可靠參考，氣候變化對包括與極端天氣有關(guān)事件的區(qū)域氣候預(yù)測影響具有非常大的不確定性。例如，與現(xiàn)有歷史數(shù)據(jù)所揭示統(tǒng)計規(guī)律不同，50年一遇的暴雨可能已經(jīng)以更高的頻率發(fā)生，未來干旱的強(qiáng)度或持續(xù)時間可能與歷史記錄的干旱有很大的不同。但是，目前包括全球氣候模式預(yù)估等科學(xué)研究，還不能準(zhǔn)確預(yù)測這些氣候變化性質(zhì)。

對水系統(tǒng)而言，氣候變化正在造成這種情況，即目前的一些涉水標(biāo)準(zhǔn)已變得不太可靠，無法滿足指導(dǎo)解決未來不確定情景的要求。因其僅依賴于歷史數(shù)據(jù)，不包含未來的變化數(shù)據(jù)，水基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計基礎(chǔ)的統(tǒng)計方法已變得不適當(dāng)，這可能損害水基礎(chǔ)設(shè)施韌性，從而降低短期和長期的可靠性和運作效率，導(dǎo)致大量資產(chǎn)閑置，并給流域利益相關(guān)者帶來嚴(yán)重后果，并對地方經(jīng)濟(jì)、國家資源安全和國家經(jīng)濟(jì)增長有直接影響。除氣候變化外，水基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃的未來基礎(chǔ)條件，如土地利用方式、經(jīng)濟(jì)增長或人口趨勢等許多條件的評估也不能視為準(zhǔn)確的預(yù)測，其存在較大不確定性。

應(yīng)對未來氣候變化影響、經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展等不確定性，實現(xiàn)重大水利工程的長期經(jīng)濟(jì)效益，保障其運行性能的可靠性，降低基礎(chǔ)設(shè)施投資的風(fēng)險，需要提高水基礎(chǔ)設(shè)施的韌性。韌性理論有助于從系統(tǒng)的功能和變化理論以更寬廣視野考慮極端氣候事件對基礎(chǔ)設(shè)施的災(zāi)害和沖擊。

3 加強(qiáng)水基礎(chǔ)設(shè)施韌性的途徑

3.1 水基礎(chǔ)設(shè)施韌性規(guī)劃

對水基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行韌性規(guī)劃，是將如何采取最適當(dāng)?shù)拇胧﹣碓鰪?qiáng)水基礎(chǔ)設(shè)施韌性的問題。迄今為止，傳統(tǒng)的規(guī)劃方法尚未考慮到許多未來條件的巨大不確定性，氣候變化進(jìn)一步加劇了這種不確定性。如為了幫助市政供水公司在其選擇方案中納入韌性的措施，世界銀行提出建設(shè)供水和衛(wèi)生基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)應(yīng)對氣候變化等其他脅迫的路線圖，并基于深度不確定性下決策方法提出三階段流程。此流程也適用于水基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃，即把水基礎(chǔ)設(shè)施作為系統(tǒng)，通過不同情景的壓力測試，加強(qiáng)系統(tǒng)的韌性規(guī)劃，其三階段說明如下。

階段1：實現(xiàn)認(rèn)識系統(tǒng)。該過程從參與式工作開始，建立一個廣泛的團(tuán)隊(包括規(guī)劃者，運行者和其他利益相關(guān)者)，該團(tuán)隊將確定：水系統(tǒng)中存在的問題和關(guān)鍵要素；可能影響這些要素的潛在威脅，以及單一要素或各要素失敗的后果；公用部門希望達(dá)到的績效目標(biāo)；以及可用的解決方案。此階段還確定后續(xù)階段要使用的工具、數(shù)據(jù)和模型。

階段2：識別脆弱性。分析人員(內(nèi)部專家或外部顧問)將使用在第一階段中收集到的信息對可能變化范圍指標(biāo)不同情景進(jìn)行壓力測試，并評估系統(tǒng)在不同條件下的績效指標(biāo)。首先針對系統(tǒng)(現(xiàn)狀)進(jìn)行此操作，然后針對不同的可能情景方案及其組合完成測試。根據(jù)階段1中確定的績效目標(biāo)來評估績效情況。壓力測試結(jié)果闡明最有可能導(dǎo)致系統(tǒng)無法實現(xiàn)一個或多個目標(biāo)的條件，這些條件通常概括描述為產(chǎn)生成功或失敗的各種因素組合的情景。在壓力測試基礎(chǔ)上，分析人員還確定了在相同情景范圍內(nèi)減少系統(tǒng)脆弱性并提高整個系統(tǒng)和關(guān)鍵要素績效的選項。

階段3：選擇行動方案。分析人員將對在第2階段情景下確定的不同選項進(jìn)行分析，組織成具有的韌性和靈活性的策略，確定在實現(xiàn)既定目標(biāo)情況下不同選項的權(quán)衡取舍。這些選項應(yīng)包括認(rèn)真監(jiān)控需要關(guān)注的條件，如監(jiān)測跟蹤要素情景變化導(dǎo)致系統(tǒng)績效不可接受的條件。

作為所有這些步驟的組成部分，針對當(dāng)前的脆弱性、備選方案和不同方案的權(quán)衡取舍，分析人員向管理部門和其他利益相關(guān)者征求意見，最終確定一個可行的韌性的規(guī)劃。根據(jù)項目的復(fù)雜性，確定與利益相關(guān)者進(jìn)行一輪或多輪的參與性工作，以完善目標(biāo)或調(diào)整決策者可以選擇的方案。這顯示規(guī)劃過程存在一定循環(huán),如圖1所示。

圖1 提高韌性水基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃流程

3.2 現(xiàn)有水基礎(chǔ)設(shè)施的評估和維護(hù)

認(rèn)識基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)是保障基礎(chǔ)設(shè)施安全和服務(wù)質(zhì)量的基礎(chǔ)。對現(xiàn)有水基礎(chǔ)設(shè)施的評估，全面認(rèn)識基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)意味著：①以綜合分析不同的系統(tǒng)構(gòu)成，及其對不同風(fēng)險的敏感性，評估它們將在什么條件下發(fā)生故障，故障將產(chǎn)生什么影響，以及這些影響對提供服務(wù)功能的影響。②識別可能的備選措施，確定關(guān)鍵的鏈接和節(jié)點，并制訂確保服務(wù)可靠性的適當(dāng)解決方案。對現(xiàn)有水基礎(chǔ)設(shè)施的評估也有助于確定采取不同措施的優(yōu)先級，提高現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的服務(wù)水平，并在關(guān)鍵構(gòu)成組件故障風(fēng)險發(fā)生時維持一定的服務(wù)水平。

加強(qiáng)現(xiàn)有水基礎(chǔ)設(shè)施的維護(hù)，減少脆弱性并提高水基礎(chǔ)設(shè)施韌性。例行和定期維護(hù)活動對于系統(tǒng)韌性至關(guān)重要。在正常情況下，定期維護(hù)活動不僅可以確保系統(tǒng)正常運行，而且還可以避免在正常運行期間系統(tǒng)組件的損壞。因此，維護(hù)保養(yǎng)可以延長系統(tǒng)的使用壽命，并隨著時間的推移增加其服務(wù)績效。

適當(dāng)?shù)叵到y(tǒng)維護(hù)通常與較低水平的輸水損失有關(guān)，提高水基礎(chǔ)設(shè)施的維護(hù)，不僅有助于增強(qiáng)水基礎(chǔ)設(shè)施韌性，而且還可以提高公用事業(yè)的財務(wù)可持續(xù)性。通過適當(dāng)?shù)倪\行維護(hù)可以避免大多數(shù)大壩發(fā)生故障的情況，這也將減少對大壩大修的需要。同樣，如果沒有適當(dāng)?shù)木S護(hù)，應(yīng)對氣候變化的適應(yīng)性投資不太可能實現(xiàn)其預(yù)期的防洪和適應(yīng)性效益。

3.3 綠色基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)結(jié)合

自然生態(tài)系統(tǒng)有能力提供或提高包括水的凈化和儲存、洪水管理、灌溉等水利基礎(chǔ)設(shè)施的核心服務(wù)功能。綠色基礎(chǔ)設(shè)施，有時也稱為自然基礎(chǔ)設(shè)施，指有意識或戰(zhàn)略性地保護(hù)、加強(qiáng)或恢復(fù)如森林、洪泛平原、河岸區(qū)域、海岸森林等自然生態(tài)系統(tǒng)的要素，這些要素提供涉水相關(guān)的服務(wù)功能，補(bǔ)充、增強(qiáng)或替代灰色基礎(chǔ)設(shè)施提供的相關(guān)服務(wù)功能。綠色基礎(chǔ)設(shè)施與傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施有效結(jié)合，可以使傳統(tǒng)水利基礎(chǔ)設(shè)施更具有韌性。

在應(yīng)對氣候變化和災(zāi)害風(fēng)險防控方面，國際社會日益重視基于自然解決方案和綠色基礎(chǔ)設(shè)施。美國城市也越來越多地將綠色基礎(chǔ)設(shè)施視為未來雨水管理的重要組成部分。舊金山市管理流域上游的雨水實際上是該市的優(yōu)先事項之一，通過將更多的雨水排除在下水道外，提高排水系統(tǒng)應(yīng)對暴雨洪澇的能力。在波蘭的奧得河(Odra) 和維斯瓦河(Vistula) 流域建立了多用途的洪水滯留區(qū)，減少汛期河流洪峰流量，提高防洪堤的韌性和績效，可有效防御1000 年一遇洪水。我國的海綿城市建設(shè)旨在通過一系列低影響的開發(fā)措施、利用城市綠化、濕地，結(jié)合傳統(tǒng)水基礎(chǔ)設(shè)施，減少暴雨洪澇的影響，提高城市排水設(shè)施的韌性。

3.4 創(chuàng)新應(yīng)用

技術(shù)進(jìn)步日新月異，技術(shù)創(chuàng)新為改善基礎(chǔ)設(shè)施的服務(wù)和增強(qiáng)韌性提供了很多機(jī)會。創(chuàng)新可以影響基礎(chǔ)設(shè)施韌性，表現(xiàn)在通過使用更具抵抗力的材料或需要較少維護(hù)的技術(shù)來提高基礎(chǔ)設(shè)施的韌性。如在市政供水的管道系統(tǒng)中，因高密度聚乙烯(HDPE)和聚氯乙烯(PVC)管等管材具有通用性并且易于運輸和安裝，其越來越多等得到使用。同時管道維修技術(shù)的進(jìn)步，如使用機(jī)器人或傳感器通過聲波或從管道內(nèi)部可視化檢測水壓變化，進(jìn)行無開挖滲漏檢測，將進(jìn)一步推動這種管道的應(yīng)用。數(shù)字化還有助于公用事業(yè)對供水系統(tǒng)的優(yōu)化和維護(hù)。準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)和遙感信息有助提高市政部門認(rèn)識基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的能力和響應(yīng)性，從而規(guī)劃提升水基礎(chǔ)設(shè)施的韌性。如在拉斯維加斯，米德湖水位是采取各種水管理措施的觸發(fā)因素，在巴塞羅那，水庫水位也用于確定不同的供水來源組合。大數(shù)據(jù)還可以幫助市政部門對流量狀況和泄漏檢測進(jìn)行分析，從而提前預(yù)測材料需求和管道更換，從而優(yōu)化運營，避免浪費資源并增強(qiáng)業(yè)務(wù)連續(xù)性。

4 結(jié)語

在氣候變化背景下，維持或加強(qiáng)新的和現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施韌性有效抵御自然災(zāi)害對持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。通過加強(qiáng)水基礎(chǔ)設(shè)施的韌性規(guī)劃，加強(qiáng)現(xiàn)有水基礎(chǔ)設(shè)施運行維護(hù)，充分融合綠色基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，加強(qiáng)新技術(shù)、新材料、新工藝的利用等途徑，可有效提升水基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的穩(wěn)健性和韌性，保持氣候變化背景下水基礎(chǔ)設(shè)施的服務(wù)功能和保障作用。國內(nèi)目前對水基礎(chǔ)設(shè)施韌性研究還比較薄弱，對水基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)對氣候變化影響分析主要采用氣候模型到水資源系統(tǒng)“自上而下”途徑。隨著對深度不確定性下決策制定認(rèn)識深入，從系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的視角研究不同氣候變化情景下水基礎(chǔ)設(shè)施脆弱性，識別提高關(guān)鍵要素和系統(tǒng)整體韌性的途徑將進(jìn)一步的發(fā)展，將會逐步應(yīng)用到水基礎(chǔ)設(shè)施的規(guī)劃設(shè)計。