構建干旱防備系統(tǒng)減免干旱災害損失

李中鋒 ，劉昌明 ，王紅瑞

（1.北京師范大學水科學研究院，100875，北京； 2.水利部辦公廳，100053，北京； 3.中國科學院，100864，北京）

干旱缺水既是對經濟社會發(fā)展水平和發(fā)展能力的考驗，同時也是對區(qū)域水資源管理水平與管理能力的考驗。在干旱頻發(fā)、多發(fā)、重發(fā)的背景下，傳統(tǒng)水資源管理模式已經越來越不適應現(xiàn)代經濟社會發(fā)展的需要。創(chuàng)新水資源管理模式，全面構建干旱防備系統(tǒng)（Drought Prevention and Preparedness System，DPPS），全力預防和減輕干旱災害損失，已成為我國水利工作面臨的一項十分重要的任務。

DPPS系統(tǒng)是融干旱的預防、準備、應對和評估等多個環(huán)節(jié)為一體的綜合管理系統(tǒng)。這一系統(tǒng)主要由預防子系統(tǒng)和應對子系統(tǒng)兩大部分構成，其中預防子系統(tǒng)包括水資源模塊、水工程模塊、供水能力模塊和系統(tǒng)分析模塊，應對子系統(tǒng)包括監(jiān)測預警模塊、用水需求模塊、風險控制模塊和系統(tǒng)評估模塊。從各模塊的相關性方面來說，主要存在著四種關系：一是獨立性，二是依存性，三是差異性，四是互補性。這四種關系通過模塊之間不同的交互和響應機制，使DPPS系統(tǒng)的各模塊及各組件有機地聯(lián)為一體，成為一個指向明確的大系統(tǒng)；在這一系統(tǒng)中，既有宏觀的管理目標，又有保證宏觀目標實現(xiàn)的微觀操作任務。

一、DPPS系統(tǒng)的預防子系統(tǒng)

預防子系統(tǒng)包括水資源模塊、水工程模塊、供水能力模塊和系統(tǒng)分析模塊，這四個模塊的主要內容分別是圍繞水資源的自然分布情況、水工程對自然水資源的調蓄能力、面向社會不同地區(qū)和不同行業(yè)的供水保障能力以及自然水循環(huán)與社會水循環(huán)的差別分析這四個方面來展開的。干旱的主要矛盾是缺水，是人類經濟社會正常生產、生活所需之水，與自然水循環(huán)以及現(xiàn)有的供水能力之間產生了明顯的矛盾。解決這一矛盾的關鍵在于增加水的儲備，保障干旱期水的供應。這一子系統(tǒng)的四個模塊，其主要內容就是為了增加水的儲備，保障水的供應。所以這一子系統(tǒng)的基本特征是從供水的源頭上，避免干旱對經濟社會系統(tǒng)產生不利影響，是可以避免和減輕旱災危害的“免疫系統(tǒng)”（見圖1）。

圖1 DPPS預防子系統(tǒng)

1.水資源模塊

受地理位置、降雨條件、地貌以及氣候變化等因素的影響，水資源的自然分布在各地區(qū)、各流域差別十分明顯，由此形成不同特點的氣候帶。在不同的氣候帶，水資源的形態(tài)分布、季節(jié)分布有著各自的特征。如極地氣候帶，水資源的形態(tài)以固體為主；溫濕氣候帶，水資源的形態(tài)在液態(tài)和氣態(tài)兩方面均比較豐富；干燥氣候帶，水資源的形態(tài)則以氣態(tài)為主。在季節(jié)分布上，有的地區(qū)四季比較均勻，有的地區(qū)則季節(jié)差別很大。干旱是某一地區(qū)水資源可供應量偏離正常分布值的概率事件。

目前，全球大多數(shù)地區(qū)可利用的水資源形態(tài)基本上是液態(tài)的淡水，淡水資源的開發(fā)與利用是很多地區(qū)當前面對的一個復雜而緊迫的難題。一個地區(qū)的水資源主要來源于自然降水，自然降水的一部分通過蒸發(fā)回到大氣中，而另一部分通過匯集和下滲，轉化為地表水和地下水。地表水和地下水之間，也可以進行補給和轉化。

在水資源模塊中，還有一個重要的因素是，我國相當一部分流域的城鄉(xiāng)水資源與外流域的水資源關系日漸密切，地表水的數(shù)量不僅受自然降水的直接影響，而且也受跨流域調入水或調出水的影響。這在水資源模塊的建立中，是一個應當考慮的重要外在影響因素（見圖2）。

圖2 水資源模塊

2.水工程模塊

自然降水以及轉化后形成的地表水、地下水，在現(xiàn)代社會生產生活條件下，通常不能被人們直接利用，而是需要通過各種水工程先進行處理，然后才能分門別類地予以使用。有沒有建設不同類型的水工程，是經濟社會對水資源開發(fā)利用水平的標志，也是人們預防干旱、減免旱災損失的關鍵措施和根本手段。就預防干旱的水工程類型來說，大致可分為四類：一是蓄水工程，主要是水庫、地下水庫；二是引水工程，主要是從江河引水的閘壩、渠道等；三是提水工程，主要是將水從低處提到高處的泵站、機井等；四是節(jié)水工程，主要包括再生水利用、海水淡化等非常規(guī)水源工程（見圖 3）。

圖3 水工程模塊

不同類型的水工程是形成供水能力的基礎，是預防干旱的必要條件和有效手段。水工程在設計與運用中，均有其設計主導目標和邊界運用條件。如水庫在來水豐枯不同的條件下，供水保障能力會產生相應的變化與浮動；如果干旱持續(xù)時間很長，淺層地下水水位和深層地下水水位都會受到影響，可能會造成有些井位無水可取，形成供水能力下降。因此，不同的水工程在預防干旱中，還需要考慮協(xié)同發(fā)揮工程作用、形成工程運用的合力效應。

3.供水能力模塊

面向社會不同地區(qū)和不同行業(yè)的供水能力，大部分都是由正常的供水能力構成，也就是說，這個能力是由常規(guī)水源和常規(guī)水工程構成的供水保障體系。這個體系是保障一個地區(qū)正常用水必不可少的基本設施。就供水配置方面來說，一個地區(qū)的供水能力通常分為生活供水能力、工業(yè)供水能力、農業(yè)供水能力和生態(tài)供水能力等若干方面。在DPPS系統(tǒng)中，供水能力是一個核心因子，它決定著應對干旱的基礎能力和水平（見圖4）。

圖4 供水能力模塊

在干旱預防和抗御能力中，除常規(guī)供水能力外，還有一個很重要的方面就是應急供水能力。這個供水能力在一般正常時段內，不需要發(fā)揮作用。而在干旱加重、持續(xù)時間延長的情況下，就需要調用應急供水能力。應急供水能力可以是對非常規(guī)水源的使用，如開采深層地下水以緩解嚴重旱情；也可以是臨時性的跨地區(qū)、跨流域的水源調度，也就是說將甲地富余出的正常供水能力，調劑給處于干旱中的乙地，使乙地的應急供水能力得到增長，以彌補本地正常供水能力的缺口。而乙地在得到甲地的應急供水后，則可以轉化為本地的正常供水能力，通過本地的正常供水渠道和設施向本地用水戶進行供水。

4.系統(tǒng)分析模塊

DPPS預防子系統(tǒng)的系統(tǒng)分析模塊主要是結合水資源的三種形態(tài)（藍水、綠水、白水）的存在，圍繞城鄉(xiāng)生活用水、社會生產用水和生態(tài)環(huán)境用水，對常規(guī)水源勘查、水源替代論證、節(jié)水潛力分析、地下水保護、綠色植被保護、空中水資源開發(fā)等內容予以分析評估，從而最大限度地提高當?shù)厮Y源的開發(fā)利用能力，有效發(fā)揮不同形態(tài)水資源對于干旱預防和應對的重要作用，實現(xiàn)在保護生態(tài)環(huán)境的情況下保障城鄉(xiāng)居民的正常生活和社會生產的正常運行，促進區(qū)域水資源綜合管理和利用（見圖 5）。

圖5 系統(tǒng)分析模塊

二、DPPS系統(tǒng)的應對子系統(tǒng)

DPPS系統(tǒng)的應對子系統(tǒng)，主要功能是應對可能到來的干旱事件，為干旱的到來進行管理和調度準備。如果說在預防子系統(tǒng)中，是以硬件建設為中心，而在應對子系統(tǒng)中，則是以軟件建設為中心。這一子系統(tǒng)主要包括監(jiān)測預警模塊、用水需求模塊、風險控制模塊和系統(tǒng)評估模塊，這些模塊的共同特征是為應對干旱作準備的（見圖 6）。

圖6 DPPS應對子系統(tǒng)

通過監(jiān)測預警模塊，及時向專業(yè)領域和社會各界發(fā)出干旱預警信號，及早引起專業(yè)部門和社會公眾對干旱的關注。通過用水需求模塊，了解干旱時期各領域的用水需求以及這些需求的性質與數(shù)量，從而確定供水的優(yōu)先順序和保證程度。通過風險控制模塊，將干旱風險予以分類，判斷風險可能帶來的損失與影響，并予以響應。通過系統(tǒng)評估模塊，對干旱事件的全過程進行分析研究，總結干旱應對的成效得失，為進一步提高干旱應對能力和水平積累經驗。

1.監(jiān)測預警模塊

干旱的監(jiān)測預警就中長期氣候形勢來看，是全世界面臨的一個難題。干旱往往在不知不覺中來到，往往又在不知不覺中離開。就目前科技水平而言，要提前10～15天對單一的天氣事件作出明確的、可靠的預報幾乎是不可能的。但由于氣候變化具有一定的周期性，因此，對干旱的監(jiān)測預警能夠建立在以季節(jié)、年和更長時間為尺度的概率論表達上。根據(jù)概率估計值，可以對一個地方干旱發(fā)生的頻率進行預測。由于這種預測是建立在粗線條的估計基礎上，因而對干旱發(fā)生后的實際意義不具有特別大的價值。干旱監(jiān)測需要對干旱的進程、程度和變化等因素進行連續(xù)測量，并根據(jù)這些指標的變化調整干旱應對的具體策略和措施。因此，干旱監(jiān)測預警模塊的建立就需要多種因子的綜合描述。

國內外關于干旱監(jiān)測的方法和指標很多，也很復雜。如國內氣象部門采用的監(jiān)測土壤干旱的熱慣量法，監(jiān)測植被干旱狀況的植被供水指數(shù)法、距平植被指數(shù)法等。如美國有關地區(qū)采用的正常降水百分比指數(shù)、級差指數(shù)、標準化降水指數(shù)（SPI）、Palmer 干 旱程 度 指 數(shù) （PDSI）、Palmer水文干旱指數(shù)（PHDD）、地表水供水指數(shù)（SWSI）等等。這些方法和指標各有其特征和意義，但在運用地區(qū)和使用條件上也有各自的局限性。

在DPPS系統(tǒng)中，監(jiān)測預警模塊主要由五部分構成：氣象監(jiān)測、水文監(jiān)測、土壤監(jiān)測、植物監(jiān)測和供水監(jiān)測（見圖7）。氣象監(jiān)測主要針對空氣溫度、濕度和降水量，水文監(jiān)測主要是針對地表水、地下水的水位、流量、蓄水量等，土壤監(jiān)測主要針對土壤的墑情，植被監(jiān)測主要針對植物的蒸騰變化，供水監(jiān)測主要針對水廠的可供水量和可供天數(shù)。

圖7 監(jiān)測預警模塊

這五個方面的監(jiān)測指標各具有不同的目標指向和參考意義。氣象監(jiān)測所得到的溫度、濕度和降水數(shù)據(jù)，與常年正常值比較，如果有較大的偏離，如溫度明顯高于常年同期，濕度明顯小于常年同期，降水明顯少于常年同期，則說明該地區(qū)已經進入氣象干旱。如果水文監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)是江河水位明顯低于常年同期，水庫蓄水明顯少于常年同期，地下水水位明顯低于常年同期，則說明該地區(qū)已進入水文干旱。土壤墑情如果顯著低于常年同期，加之植被蒸騰作用顯著降低，則說明該地區(qū)已進入農業(yè)干旱。如果城市、工業(yè)供水不能保證較長時間如3個月以上，短期內無緩解跡象，則說明該地區(qū)已進入經濟社會干旱。這些測量指標應該綜合考慮運用，不宜進行單一發(fā)布和使用。

2.用水需求模塊

用水需求必須達到平衡，才能降低和解除干旱帶來的不利影響。但在嚴重干旱時期，供水能力明顯下降，而用水需求卻很旺盛，如不抑制一部分用水需求，全社會的用水將會更加緊張，甚至會發(fā)生影響人們基本生活的事件。這種情況下，就不能不提前進行緊急時期的供水規(guī)劃，將不同類型的用水行為進行分類處理，排出用水的優(yōu)先秩序和保障程度。這樣，一旦發(fā)生干旱時期的緊急情況，就要按照用水秩序逐漸放棄非必要領域的用水，全力保障必要領域的用水。建立這樣的用水秩序，就可能有效避免干旱時期的用水沖突，保證將有限的水資源用在必需的領域中（見圖 8）。

圖8 用水需求模塊

粗線條的用水順序只能給出分類用水的輪廓，而不是分類用水的全部。在用水管理的可操作層次上，對用水分類及其重要性進行精細的劃分，有助于干旱時期的用水管理。在這方面，國外的一些做法可為我們提供借鑒。如美國北卡羅來納州在《缺水應對規(guī)劃手冊》中，對全社會用水分為三類：第一類為緊要用水，包括基本的生活用水、醫(yī)療健康設施用水及必要的公共用水；第二類是社會或經濟方面重要用水，包括非基本生活家庭用水，商業(yè)、農業(yè)、工業(yè)及機構用水；第三類是非緊要用水，如噴泉、水池等裝飾性用水，非商業(yè)用途的花園、草坪等室外用水。當出現(xiàn)供水短缺，需要對用水進行限制時，就啟動相應的計劃措施，對重要程度不同的用水行為依次進行限制直到完全禁止。

3.風險控制模塊

干旱的發(fā)生，會給經濟社會和生態(tài)環(huán)境帶來一些意想不到的風險，對這些風險提前進行分析、研判和評估，通過提前識別風險、分析風險，采取相應措施并付諸行動，會有利于提高干旱應對的主動性和及時性，有利于提高干旱應對的內在質量，避免被動受損和局面失控，避免災害的擴大以及次生災害的連鎖發(fā)生。因而，建立風險控制模塊，有助于將干旱負面影響控制在最低程度和最小范圍（見圖 9）。

干旱帶來的風險主要存在于四個方面：一是農業(yè)風險，這是最容易因干旱影響而造成損失的行業(yè)；二是工業(yè)風險；三是社會風險；四是生態(tài)風險。就農業(yè)風險來說，主要的表現(xiàn)是農作物因缺乏生長所需水分而造成減產甚至絕收，從而給農民收益和農村經濟帶來沉重損失。就工業(yè)風險來說，有些對水作為生產要素強烈的產業(yè)，如飲料業(yè)、洗煤業(yè)、煉鋼業(yè)、造紙業(yè)等，如果缺水就會影響正常的生產，進而給產量、產值帶來損失。就社會風險來說，如果某一城市或地區(qū)的正常供水因干旱而中止，可能會帶來社會騷亂，影響社會穩(wěn)定。就生態(tài)風險來說，持久的干旱會造成河流干涸，使一些水生動植物瀕于絕跡，個別物種可能會從此滅絕，同時干旱還會加大森林火險發(fā)生的頻率和強度，對生態(tài)脆弱區(qū)的環(huán)境造成退化性的影響。對于這些風險，如果不制訂提前應對的預案，可能就會使這些風險得以形成并造成蔓延式的巨大危害，給經濟社會發(fā)展帶來重創(chuàng)。通過風險控制模塊，將能夠識別并能夠化解的風險可予以解除、將不能完全解除的風險可予以降低，減輕風險的影響面和影響程度。對于不能解除、也不能降低的風險，還可采取轉移的方法進行處理，如在地表水完全匱乏的情況下，通過臨時性開采深層地下水；其實就是把干旱的風險轉移給了后人。再有就是對無法處理的風險，如河流干涸導致的物種消失，只能予以保留并承受風險。

4.系統(tǒng)評估模塊

圖9 風險控制模塊

干旱的應對是一個復雜的過程，需要調動和運用全社會的力量，目標明確、統(tǒng)籌協(xié)調地進行應對。單打一的抗旱方式，過分突出某一方面的抗旱行為，可能會使全社會的旱情應對處于低效率和低質量的狀態(tài)中。如剛進入干旱初期，就馬上投入大量的人力、物力，特別是將十分有限的、珍貴的抗旱水源大量灌入低產值的農田中，雖對一時的作物旱情有緩解作用，但由于缺乏對干旱發(fā)展的預見，隨著干旱的劇烈發(fā)展，在后期干旱的應對中，由于前期水源的浪費式使用，水源非常緊張，以致面臨連生活飲用水都無法保障的嚴重困境。而前期澆灌到農田的水，由于后期干旱的加重且沒有后續(xù)水源，也發(fā)揮不出抗災減災的作用。因此，對干旱事件進行系統(tǒng)評估，從干旱的早期監(jiān)測預警到干旱后社會各方面的應對準備，從干旱的發(fā)展變化到干旱應對措施的調整與加強，從常規(guī)水源的強化管理到應急水源的引入利用等等，都應納入系統(tǒng)評估的范圍。在總結每次干旱事件的基礎上，不斷加強和完善干旱應對的多方面措施，以期提高干旱應對的主動性、時效性和全面性。

系統(tǒng)評估模塊重點分為四個部分：一是對干旱歷程進行的評估，包括干旱的起始時間、干旱的覆蓋范圍和干旱的程度；二是對干旱影響的評估，包括干旱時期出現(xiàn)的飲水困難情況、對工農業(yè)等經濟部門造成的損失和對生態(tài)環(huán)境的破壞與影響；三是對抗旱應對措施的評估，包括對供水措施的評估、對節(jié)水措施的評估和對管理措施的評估；四是對干旱應對效果的評估，包括對城鄉(xiāng)居民生活秩序的保障情況、對社會各產業(yè)生產秩序的保障情況以及社會各方面對干旱事件的評價與反映（見圖10）。

圖10 系統(tǒng)評估模塊

近年隨著全球氣候變化的影響，干旱事件在我國呈現(xiàn)多發(fā)、頻發(fā)和重發(fā)的趨勢。2006年夏，我國四川、重慶發(fā)生百年不遇的大旱。2008年春，我國華北數(shù)千萬畝冬麥區(qū)發(fā)生嚴重干旱。2009年秋至2010年5月，我國西南地區(qū)云南、貴州、廣西等地又發(fā)生嚴重的干旱。頻頻發(fā)生的干旱事件，對我們的抗旱工作亮起了紅燈。強化對干旱事件的系統(tǒng)評估，分析不同地區(qū)、不同氣候類型下應對干旱事件的薄弱環(huán)節(jié)，并在今后的水利建設和抗旱工作中予以加強，對提高各地防范和應對干旱的工作能力會有明顯的幫助作用。

三、DPPS系統(tǒng)模塊分析

DPPS系統(tǒng)中的各模塊之間存在著密切的關系，無論是預防子系統(tǒng)中的水資源模塊、水工程模塊、供水能力模塊和系統(tǒng)分析模塊，還是應對子系統(tǒng)中的監(jiān)測預警模塊、用水需求模塊、風險控制模塊和系統(tǒng)評估模塊，彼此間均存在著獨立性、依存性、差異性和互補性等程度不等的相關性。

1.獨立性分析

水資源模塊、水工程模塊、供水能力模塊、系統(tǒng)分析模塊、監(jiān)測預警模塊、用水需求模塊、風險控制模塊和系統(tǒng)評估模塊，這8個模塊中的每一個模塊都具有明顯的獨立性，即可以不依附于其他模塊而獨立存在、獨立運行。

2.依存性分析

依存性是指這8個模塊之間，不管是從其內部結構來看，還是從外部發(fā)揮的功能來說，相互之間存在著依存關系。如建立水工程模塊的一個很重要的依存條件是水資源模塊，因為水工程是改變水資源存在和利用方式的必要手段，沒有水資源模塊，水工程就會成為一個空殼。同樣，供水能力模塊也是基于水工程的建立與運行，沒有水工程模塊，供水能力也是一句空話。監(jiān)測預警模塊雖是對旱情和旱災而言的，但監(jiān)測預警的目的是為了控制和調整好用水需求，將干旱造成的各種風險控制在最小程度和可承受范圍內。所以，這8個模塊雖可以獨立存在，但相互之間又有很強的內在聯(lián)系，存在著緊密的依存性（見圖11）。

圖11 依存性

3.差異性分析

差異性是指兩大子系統(tǒng)每個子系統(tǒng)的4個模塊，其相互之間是不同的，有著顯著的差異性，相互間不可簡單替代。如預防子系統(tǒng)是以水工程為核心的，重在水資源工程的硬件建設，特別是像水庫、水塘等蓄水工程；而應對子系統(tǒng)則是以用水需求管理為核心，重在對分類用水、不同類別用水的保障程度以及不同類型用水的應急管理等。

再如，系統(tǒng)分析模塊與系統(tǒng)評估模塊，從名稱上看似乎差別不大，但實際上在作用和意義上都是有差異的。系統(tǒng)分析模塊主要是對各種可利用的水資源進行分析，以獲得當?shù)厮Y源的實際利用能力與可開發(fā)潛力之間的數(shù)據(jù)，其作用和意義是面向可能發(fā)生的干旱。而系統(tǒng)評估模塊則是對已經發(fā)生的干旱事件進行多方面總結分析，重在對干旱給出科學合理的定性、定量描述，從應對干旱的經驗措施中總結成效與不足，以為干旱應對工作積累經驗。

4.互補性分析

DPPS系統(tǒng)的8個模塊之間還存在著一定的互補性關系。這種關系是指：如果甲模塊的結構完善，功能健全，則可以對乙模塊的功能與結構產生良好的作用與影響，有利于乙模塊的建立與完善。反之，乙模塊的真實完整，同樣也會給甲模塊提供幫助，即兩者的關系是互補的，而不是矛盾的，是相互促進的，而不是相互制約的。在用水需求的分類中，所分類別越細致，對其保障程度越具體，則對干旱風險事件越有把握應對和防范。同理，如果干旱風險分析得越明確，制定的預案越具體可行，則對緊急時期的用水管理秩序會帶來顯明的幫助和促進作用。

總之，構建干旱防備系統(tǒng)，是避免和減輕干旱災害的重要措施與手段，是經濟社會發(fā)展對轉變水資源管理模式的必然要求，同時也是應對極端氣候事件、保障經濟社會與生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的必由之路。

[1]中華人民共和國水利部.旱情等級標準 [M].（中華人民共和國水利行業(yè)標準 SL424-2008）.北京：中國水利水電出版社，2009.

[2]劉昌明，何希吾，等.中國21世紀水問題方略[M].北京：科學出版社，2001.

[3]劉昌明，陳志愷.中國水資源現(xiàn)狀評價和供需發(fā)展趨勢分析[M].北京：中國水利水電出版社，2001.