流域綜合治理的多維嵌套理論與技術體系

褚俊英，周祖昊，王 浩，戴東宸

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

流域作為水系的集水區，是水文過程和環境生態功能的連續體，成為具有層次結構和整體功能的復雜動態系統。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，如流域內污染負荷產生強度大、成分多，污染物的遷移和轉化規律極其復雜，加上流域內經濟社會快速發展過程中城市點源污染、面源污染防控措施長期乏力，導致流域水質惡化，城市黑臭水體大量存在。此外，流域還面臨水資源短缺、生態系統退化、內澇頻發、防洪風險突出、水景觀與水文化缺失等多個突出問題。流域水問題本質是流域水循環及其伴隨過程的綜合體現，實施流域綜合治理已成為我國社會經濟可持續發展的重要戰略。在流域綜合治理的理論與實踐方面，不少學者開展的研究主要集中在流域水資源水環境綜合治理等方面，關注體制和政策層面的分析[1-2]。靖中秋等[3]針對北方地區普遍存在的水資源、水環境與水生態問題，提出了涵蓋“點-線-面-管”的流域水環境綜合治理模式。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與關鍵技術體系，為流域綜合治理提供支撐。

1 流域綜合治理的發展歷程

20世紀末至21世紀初，世界上許多國家不斷創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，為社會經濟發展提供支撐與安全保障;二是高強度社會經濟發展過程中流域水資源與水環境聯合治理階段，該階段從最初的污染達標排放，逐步發展為面向總量控制的水質恢復，以及河流生態系統的保護與修復;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)。流域綜合治理的發展歷程具有如下特點：在空間方面，流域水環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，從單一體現水資源要素發展到統籌環境、生態等多個要素;在過程方面，從傳統的“末端治理”模式轉變為“源頭減排、過程阻斷、末端治理”多過程治理;在主體方面，從政府主導發展為政府、企業、非政府組織以及社會公眾多元化網絡治理，形成流域治理產業鏈。

圖1 流域綜合治理的發展歷程

隨著氣候變化與高強度人類活動，流域水問題日益呈現復雜性、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文明治理與提升生態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，以流域水循環過程及其伴生過程為主線，充分發揮流域對水循環的天然調節作用，規范人類社會對水土資源的開發活動，減少對自然水循環的擾動，推進流域水信息化建設與智慧決策，實現流域地表-土壤-地下多過程立體化調控，水量、水質、水生態多要素綜合調控，最大限度地實現“去極值化”和“系統均衡”目標，建設具有免疫機制的健康生態流域，促進社會經濟可持續發展。

2 流域綜合治理系統的多維嵌套結構

由于流域面臨的多種水問題交織、關聯、鏈接，流域綜合治理涉及資源、環境、經濟、社會等，是復雜動態的適應性系統，具有要素眾多、層次復雜、關系錯綜復雜以及目標功能多樣的特征，需充分融合水文水資源學、環境學、生態學、景觀學、生物學等多學科專業知識。鑒于當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、水生態退化、水文化缺失等問題相互關聯，面向流域水循環及其伴生過程“時-空-要素-過程-調控”，流域綜合治理系統具有多維嵌套結構，主要體現在5個維度的耦合：時間維、空間維、要素維、過程維以及調控維，見圖2。

圖2 流域綜合治理的多維嵌套理論架構

在多維嵌套結構中，不同維度之間密切關聯、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系。如，水環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、產流與匯流等自然水循環過程以及人類生活、工業和農業廢污水排放與處理等社會水循環過程的影響，流域水資源短缺降低水環境容量，導致流域水環境惡化，進一步加劇缺水的矛盾;另一方面，社會水循環中節水與清潔生產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，海綿城市建設通過改善城市水循環過程，可以同時起到雨澇調蓄、削減污染物、存儲利用水資源、改善水生態系統以及營造水景觀的多重效益[5]，具有實現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。如在水環境方面，美國實施的TMDLs(total maximum daily loads)是在滿足水質標準的條件下，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，在水資源調度過程中可以細化到月、日、時尺度;在水環境方面，污染物的降解通常考慮到日尺度，在水污染應急調度中可以細化到時、分尺度;在水安全方面，洪水與內澇的研究通常可以細化到分、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、控制單元、子流域與水文響應單元。從流域水循環及其伴生的完整過程看，流域、子流域、水文響應單元是逐級減少的，控制單元/行政區域是在流域空間分級基礎上，體現水管理要求進行重新劃分。①流域或區域。從流域自然和功能的統一性出發，以流域為單元，上下游、左右岸、干支流的開發利用具有相互影響、相互競爭的關系，應從流域生態系統平衡角度進行統籌考慮。歐盟、新西蘭等地區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展趨勢[1，6]。我國應探索建立以流域為基礎的流域與區域相結合的管理體制。②控制單元。將復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、任務分解、總量控制等提供基礎[7]。通常，將水質不達標、生態和功能問題突出、存在事故風險和水環境質量下降風險等含有重要飲用水水源、具有重要生態功能以及水質達標難度較大的控制單元作為優先控制單元，進行重點治理和保護。③子流域或水文響應單元。水文響應單元主要是根據流域內的土壤類型、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系

c.要素維。隨著社會經濟水平的提高以及生態環境意識的增強，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聯，除了常態的流域缺水、水污染問題，特殊情景下的干旱、洪水、內澇問題也需要引起關注。流域水資源的開發、水害的防治以及水生態功系統功能的恢復具有復雜相關性，為突出合力治水，流域綜合治理由單要素治理轉變為多要素治理，包括了水資源、水環境、水生態、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境治理、水生態保護(鮭魚產卵與洄游)、水資源利用以及防洪減災等多個方面[10];浙江省2013年做出了“五水共治”的戰略部署，即“治污水、防洪水、排澇水、保供水、抓節水”的統籌共治;深圳市突出問題導向提出了“五位一體”(水資源、水安全、水環境、水生態、水文化)的理念統領治水工作。

d.過程維。在宏觀尺度上流域綜合治理的過程維表現為流域“自然-社會”二元水循環之間的耦合以及其伴生的水生態、水環境、水安全與水文化過程。在中觀尺度上，表現在自然水循環和社會水循環分環節、分行業的過程，即自然主循環系統的“降水-坡面-河道-地下”的基本過程及其伴隨的污染物遷移轉化與生態系統演化過程，以及社會側支循環系統的“取水-供水-用水-排水”的基本過程及其伴隨的污染物遷移轉化以及水生態系統演化過程，以及兩者之間相互作用的物質、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、生態過程等。在微觀尺度上，過程維體現為降雨、徑流、植被覆蓋度、污染物遷移轉化系數、生態系統結構和多樣性等多個影響因子過程的細致識別。

e.調控維。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、非政府組織以及社會公眾等，不斷構建網絡化治理結構和實施鏈條，將治理目標落實到每個利益相關者[12]。世界流域綜合治理經歷了從部門各自為政向跨部門、跨地區綜合治理轉變，是法律法規制度不斷完善的過程，其中建立了集權管理、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、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用。

3 流域綜合治理的關鍵技術體系

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系統失衡等問題。以流域面臨的這些突出問題為導向，系統建立流域綜合治理的關鍵技術體系尤為重要。流域綜合治理的關鍵技術體系可以歸納為三類：流域水循環及其伴生過程機理辨識技術體系、流域綜合治理全要素多過程綜合模擬技術體系以及流域綜合治理優化決策技術體系，分別為流域綜合治理提供理論基礎、定量工具以及決策支持。這三大技術體系之間耦合關聯、互為支撐反饋，見圖3。

3.1 機理辨識技術體系

流域水循環及其伴生過程機理的識別，是科學認識流域水安全問題的重要基礎和前提。流域綜合治理機理辨識技術體系主要包括流域水循環及其演化機理、流域水資源供需規律與配置原理、流域水污染物遷移轉化機理、流域水生態結構、功能與過程機理、流域洪水過程與內澇演化機理、流域水文化變遷機制等方面及其動態耦合、關聯機制。總體上，流域水循環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鍵，將與云計算、大數據等高新技術不斷融合。

3.2 綜合模擬技術體系

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特征，對流域水循環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問題不同，模擬的關注點也明顯不同，但通常水質水量過程是核心。流域綜合治理定量綜合模擬技術體系具體包括：流域分布式水循環模擬、流域水資源供需模擬與優化配置、流域污染負荷遷移轉化模擬、流域水質過程模擬、基于遙感的流域生態需水模擬、流域洪水過程與風險模擬、面向低影響措施的流域內澇積水過程模擬、流域水文化傳播的社會學模擬等多個模塊及其綜合集成。總體上，與遙感技術、地理信息系統耦合，實現全要素、多過程的綜合耦合模擬，著力體現變化環境下的不確定性，為水問題診斷、措施優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的發展趨勢[14]。

圖3 流域綜合治理的關鍵技術體系結構

3.3 優化決策技術體系

如何利用系統工程理論，權衡多種流域綜合治理措施的科學性和經濟性，是決定流域治理成敗的關鍵。代表性的優化決策技術有：①情景分析法。即通過設置多種情景，對流域綜合治理的措施進行比較，確定最優方案。如劉起方等[15]構建了進化博弈模型，以淮河流域為例對政府兩種管理情景(即關停、罰款)對企業水污染治理行為帶來的效果進行了評價和論證。②多目標優化法。曹寅白等[16]提出了多維臨界調控的準則與模型，給出不同維度目標函數與權衡機制，以海河流域為例進行不同方案的評價與優選。③目標倒逼法。流域綜合治理確定了水質、水資源、水生態、水安全等多維目標后，通過計算水環境容量倒逼污染物削減量，通過優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，協調優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重和評分[17]，結合聚類分析或模糊算法確定流域綜合治理措施的優先次序[4]，或對實施的治理措施的效應進行評估[18]。⑤路徑分析法。將正向算法中的控制參數由連續變量進行離散化，通過路徑分析提高了優化方案的針對性和可行性[19]。

這些決策優化技術可歸納為主觀經驗法、統計分析法以及定量模擬法。隨著空間分析、信息技術的不斷發展，復雜適應系統理論方法與整體分析模型被提出，使得不確定性決策技術、風險決策以及交互式決策技術以及大數據決策技術等等現代新決策技術日益在流域綜合治理水資源、水環境、水生態等多個維度得到發展和應用，為流域綜合治理的決策提供必要的支持。

4 結 語

流域綜合治理是解決流域性水問題的有效方法，是構建生態文明治理體系和提升生態治理能力現代化的重要組成部分。本文構建的流域綜合治理系統多維嵌套結構和流域綜合治理三大關鍵技術體系可為我國流域綜合治理實踐提供科學支撐。