氣候變化下供水系統(tǒng)的適應(yīng)與恢復(fù)能力

［英國］S.德塞 等

可靠的供水是人類健康和福祉之必需。氣候變化對供水系統(tǒng)存在潛在影響，其方式多種多樣，有通過改變?nèi)∷托钏?，有通過改變干旱頻率和干旱強度的，也有通過改變需水量和供水基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)生故障風(fēng)險變化的等。盡管準(zhǔn)確詳細(xì)地描述這些變化可能也是不確定的，既然深信全球氣候正在發(fā)生變化，因此不可避免地要主動適應(yīng)這種不確定的變化氣候。水利工作者過去往往是在假定氣候不變的情況下進(jìn)行規(guī)劃，而這種假定在一個變化的氣候中和其他社會經(jīng)濟條件發(fā)生變化的情況下已不再成立。

該?？瘜Χ鄬W(xué)科方法和跨學(xué)科方法在處理供水系統(tǒng)未來對這種變化的適應(yīng)性和恢復(fù)能力方面的價值進(jìn)行了論證。文章主要以英國為例，從跨學(xué)科的角度探討了供水系統(tǒng)如何適應(yīng)不確定變化氣候及其如何恢復(fù)等相關(guān)問題。文章議題將會引起國際上對水資源管理和適應(yīng)氣候變化感興趣者的共鳴。?？蟛糠治恼略醋怨こ膛c物理科學(xué)研究理事會(EPSRC)發(fā)起的一個研究項目——應(yīng)對變化氣候的適應(yīng)能力與恢復(fù)能力(ARCC－水)，該項目得到了經(jīng)濟與社會研究理事會的資助。因此，專刊文章囊括了參與“ARCC－水”項目的多個大學(xué)、研究機構(gòu)、咨詢公司以及政府和非政府組織的研究成果和理念。其中一些文章在倫敦召開的皇家地理學(xué)會－英國地理學(xué)家協(xié)會(RGS－IBG)2011國際年會議題為“不確定變化氣候下的可持續(xù)水資源管理”的分會上進(jìn)行了交流。

?？珍浀脑u述性文章、研究論文以及特邀撰稿所具有的跨學(xué)科特性充分反映了供水系統(tǒng)對氣候變化的適應(yīng)性所涉及的主題眾多。這些主題包括:①干旱、水資源和淡水環(huán)境受氣候變化影響的不確定性;②現(xiàn)有預(yù)測需水量的方法所固有的不確定性;③采用定性方法進(jìn)行水資源規(guī)劃的極度不確定性。各文章還強調(diào):未來供水系統(tǒng)受氣候影響的程度相當(dāng)于用水戶和供水者受到的法律環(huán)境和監(jiān)管環(huán)境影響的程度，并鼓勵水資源管理工作者采用多學(xué)科方法處理各種社會、政治和經(jīng)濟問題，并認(rèn)真研究各跨學(xué)科方法對現(xiàn)有的實踐和政策會產(chǎn)生的影響。最后，盡管該?？且杂鵀橹?，仍從三大洲邀請了3位經(jīng)驗豐富的學(xué)者(索佛里斯、穆巨達(dá)爾、高博)，共享了他們在該主題方面的理念與智慧。

1 需水研究的批判性社會科學(xué)方法探討

由特邀編委索佛里斯撰寫的文章介紹了澳大利亞水資源管理者在應(yīng)對干旱和早期氣候變化方面的經(jīng)驗。該文提倡采用優(yōu)先考慮了概念性和方法性實驗主義與自反性的跨學(xué)科、多學(xué)科方法，也仔細(xì)考慮了人文研究與社會科學(xué)研究在“計算”時由于特別強調(diào)實證科學(xué)而出現(xiàn)的困難。作者還研究了繼續(xù)建立以水資源共同管理為主導(dǎo)的應(yīng)急“合作模式”的必要性。

皮爾斯等人在其“變化氣候條件下可持續(xù)水資源管理的環(huán)境社會科學(xué)研究方法重構(gòu)”一文中，探討了在英國現(xiàn)有水資源管理和氣候變化適應(yīng)性方法中人本化需求端管理所存在的偏差，并研究了如何將這種偏差納入水利行業(yè)在處理單個用水戶時所采用的概念性與系統(tǒng)性方法中。作者還確定了這種情況如何在英國現(xiàn)有水資源管理方法內(nèi)的供需“雙軌”準(zhǔn)則下形成二分法。在重點回顧了澳大利亞、英國和歐洲的歷史之后，作者認(rèn)為，現(xiàn)有的這種在“個體中”構(gòu)建適應(yīng)性和變化的框架模式存在問題，其重點在于在面對無法確定其需水量是否可以“得到控制”的“一般用水戶”時，無意識地再次強調(diào)建設(shè)適應(yīng)性更強的基礎(chǔ)設(shè)施的重要性。作者概述了如何將這些有問題的構(gòu)架(即一種“反烏托邦式災(zāi)難性構(gòu)架，其結(jié)果通過行為構(gòu)架進(jìn)行評價”)納入英國政府資助的研究項目中，并如何根據(jù)環(huán)境和氣候變化而不是依據(jù)實際的涉水活動(及由水利部門提供的相關(guān)服務(wù))及其與實際耗用水量的關(guān)系，針對用水戶建立很不精確的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并進(jìn)行細(xì)分(然后用其制定“干預(yù)策略”和“減少需求策略”)的方法。作者提出，古典的扎根理論可以作為一種可行的方法用于在實證主義和后實證主義之間架起一座橋梁，而以前認(rèn)為這種方法在英國水資源管理的“社會研究”和“科學(xué)研究”中是存在的，可以從實際研究背景(即實際用水模式)角度而不是從非相關(guān)理論推斷(即態(tài)度理論和經(jīng)濟理論)的角度作為一種干預(yù)用水的方法。作者指出，這種方法對用水效率和需水研究及政策制定的資助者很有吸引力，因為“從實體理論角度進(jìn)行干預(yù)從短期看可能有用和有利得多?！?/p>

布朗等人在其“在不確定條件下跟蹤生活需水的新方法——社會科學(xué)方法在英國的進(jìn)一步反思”一文中介紹了重點在跟蹤實際用水實踐方法的開發(fā)方面所開展的初步工作。該文同樣提倡從方法論角度來支持對耗水和需水管理進(jìn)行批判性社會科學(xué)研究，所用方法針對的是用水的實際行為和習(xí)慣，而不是采用學(xué)者皮爾斯等在其文中強調(diào)的用心理的、經(jīng)濟的和環(huán)境的構(gòu)架形成的生活用水戶拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方法。但是，盡管沒有采用由皮爾斯等人提出的更加定性的方法，作者提倡在滿足開展批判性社會科學(xué)研究所用方法的過程中可以試驗性地采用定量的方法，而這些社會科學(xué)研究大多是采用定性的方法進(jìn)行的。在認(rèn)識到現(xiàn)行用水戶構(gòu)架方法存在局限性的同時，作者還指出，批判性社會科學(xué)在沒有提出同樣對現(xiàn)行水資源管理系統(tǒng)極為重要和有用的方法論方面也存在局限性。作者贊成，將由帕克和威爾比開展的實際需水量研究與由皮爾斯等人提出的更加定性的扎根理論研究聯(lián)系起來，并將這種定性方法放大，這樣就可以確定人群對耗水驅(qū)動力的變化量。作者簡述了跟蹤需水驅(qū)動力可行的方法，而需水驅(qū)動力可以用來確定人群需水量變化的近似測量值，然后可以將其用于政策策略的研究和制定中。

帕克和威爾比在其“量化家庭需水量:英國的理論與實踐述評”一文中綜述了英國水利行業(yè)現(xiàn)行的需水預(yù)報預(yù)測方法，重點探討了采用家庭和其他人口統(tǒng)計變量作為估算人均耗水量，以及由一系列技術(shù)成果及其他成果引起的潛在變化的方法。通過評述，作者強調(diào)指出，對處理氣候變量和實際耗水量之間關(guān)系的研究極度缺乏，重點指出了現(xiàn)在采用的預(yù)報預(yù)測受氣候和氣象變化影響的家庭耗水量的方法存在的缺陷。作者采用英國供水公司“黃金100”數(shù)據(jù)庫來解釋將家庭需水?dāng)?shù)據(jù)用于氣候預(yù)報信號時所遇到的重要的實際問題和概念性問題。重點涉及這些大型數(shù)據(jù)庫中存在的錯誤，因為這些數(shù)據(jù)庫始終用作他用，而沒有用于研究需水量和氣候之間的關(guān)系。盡管如此，作者通過各種分析(從分層分析到線性回歸分析)仍然確定了一系列大家可能感興趣的需水量與氣候變化之間的各種關(guān)系式。這表明，在氣候變量和需水量之間常常存在一種非線性關(guān)系。該研究所獲得的實際結(jié)果與分析結(jié)果可為短期(從天到季度)和長期(從數(shù)年到數(shù)十年)需水量的估算和預(yù)測提供信息。

2 氣候與氣象變化對供水系統(tǒng)影響的預(yù)測

特邀專家穆巨達(dá)爾將水資源管理者缺少對氣候影響的研究歸罪于其不確定性大且關(guān)注期限過長。采用近期(10a)的預(yù)測，并降低不確定性將有利于水資源規(guī)劃。穆巨達(dá)爾進(jìn)一步重點探討了需水量不斷增長的發(fā)展中國家在運行城市供水系統(tǒng)方面遇到的挑戰(zhàn)。

在“英國21世紀(jì)干旱概況”一文中，拉赫茲等人基于擾動物理資料構(gòu)建了未來各種氣象干旱情景，以便更好地理解其時空特性。作者采用23個水源區(qū)的干旱強度指數(shù)研究了干旱的4個重要特征值，即強度、干旱協(xié)方差、干旱持續(xù)月份的頻率以及一定時段內(nèi)干旱事件出現(xiàn)的頻率?？傮w－平均變化值表明:英格蘭和威爾士的干旱強度增加，其中2050和2080年代、中等干旱(分位數(shù)值為70%)和雨季(10月到次年3月)變化較大。英格蘭旱季(4～9月)的預(yù)測值存在較大誤差。結(jié)果還表明，干旱可能持續(xù)很長一段時間。但是，預(yù)測的持續(xù)時間較長的干旱發(fā)生的頻率比持續(xù)時間較短的干旱發(fā)生的頻率低。

在“應(yīng)用大型氣候綜合數(shù)據(jù)研究氣候變化對淡水環(huán)境的水文影響”一文中，馮等人以英國東南部一條敏感的白堊河(伊欽河)為例進(jìn)行了說明，研究了氣候變化對淡水生態(tài)系統(tǒng)可能產(chǎn)生的影響范圍，尤其是對大型無脊椎物種的影響范圍。作者使用1920～2080年246個瞬態(tài)氣候序列數(shù)據(jù)通過Catchmod降雨－徑流模型建立的環(huán)境影響矩陣表明，如果達(dá)不到該河環(huán)境流量的目標(biāo)，就會對無脊椎物種造成不可逆轉(zhuǎn)的影響。該模型強調(diào)了建立大型綜合數(shù)據(jù)庫來提高對氣候變化影響認(rèn)識的重要性，同時重點探討了如何用該方法研究范圍更廣的可能的生態(tài)系統(tǒng)的變化。有效的溝通有利于決策者制定范圍更廣的應(yīng)對氣候變化影響的政策和監(jiān)管對策。

韋德等人在其“2012年英國氣候變化風(fēng)險評估:評估其對水資源的影響以告知政策制定者”一文中報告了水利部門對英國首次開展氣候變化風(fēng)險評估的研究情況。為了評估氣候變化對英國水利行業(yè)的影響，韋德等人采用了各種各樣的方法，如利益相關(guān)者參與、文獻(xiàn)評述、專家咨詢以及大尺度定量分析等，提出了10個氣候變化風(fēng)險矩陣。這10個風(fēng)險矩陣分成以下幾組:直接生物物理影響(如相對干燥度和枯水流量的變化)、可獲得水量(可調(diào)供水量和需水量的變化)、水質(zhì)與水環(huán)境(如不能持續(xù)取水的取水口數(shù)量)和資產(chǎn)。采用英國2009年氣候預(yù)測值和國家統(tǒng)計局的未來人口預(yù)測值為此次分析建立了各種情景?？傮w評估表明，英國水資源壓力可能會增加。近期來看，對枯水流量的影響預(yù)計在英國東部最大，在北部和西部影響較小，這一情況與以前相同，但是這些變化在一些敏感流域仍然是很大的。然而，采用預(yù)計在大多數(shù)情景下都會增加的冬季剩余水量，部分供水結(jié)果可能存在偏差。

3 不確定情況下規(guī)劃供水系統(tǒng)的各種方法

高博認(rèn)為，過分強調(diào)了量化氣候的不確定性，而忽視了如何適應(yīng)這種不確定性與變化。她提出了一種方法，“目的是堅持在不確定情況下制定決策的原則，如對另一種可能的方案進(jìn)行探索性模擬，尋求適應(yīng)未來各種氣候條件的穩(wěn)健性策略，以及采用深謀遠(yuǎn)慮和靈活的方式方法來預(yù)測適應(yīng)性策略并監(jiān)控其變化。”這些原則在?？械钠渌?篇文章中也進(jìn)行了探討。

在不確定情況下進(jìn)行規(guī)劃是普遍情況，而背景情況通常各不相同。在英格蘭和威爾士，供水系統(tǒng)已私有化，而國家的監(jiān)管體系是幫助確保供水公司的投資能夠服務(wù)于用水戶，確保供水和維持低成本之間保持平衡。數(shù)十家供水公司使用了一種雙重法:①用水源模擬模型來估算已建和擬建供水需水項目的安全供水量(“可調(diào)供水量”)，同時估算這些供水量的安全系數(shù)(“動態(tài)余量”);②對各選項進(jìn)行優(yōu)化，提示監(jiān)管者在制定規(guī)劃時應(yīng)遵循系統(tǒng)升級的年成本最低計劃，以達(dá)到供需平衡。V.拉尼等人在其“應(yīng)用優(yōu)化和不確定分析法制定英國東南部水資源綜合規(guī)劃”一文中介紹了這種雙相的“供需平衡的經(jīng)濟學(xué)”方法的區(qū)域應(yīng)用情況。在這次嘗試中，共有6家供水公司、環(huán)境與經(jīng)濟監(jiān)管部門參與，從經(jīng)濟上對英國東南部26 a內(nèi)的供需投資進(jìn)行了優(yōu)化。英國東南部是英國最缺水的地區(qū)，其人口增長也是最大最快的。該文認(rèn)為，重力水輸送和為共享水資源開發(fā)項目提供機會可以降低該地區(qū)的供需水不平衡，其成本效益比單家供水公司規(guī)劃高得多。與各公司單獨開發(fā)水資源相比，各公司之間開展合作將節(jié)約投資8億英鎊(降低投資45%)。

柯特林等人在其“在嚴(yán)重不確定性情況下應(yīng)用信息差決策理論開展水資源規(guī)劃”一文中對采用信息差決策理論來完善在嚴(yán)重不確定性情況下的水資源規(guī)劃進(jìn)行了闡述。其目的在于評估一項擬制定的水資源規(guī)劃在超出有界的不確定性范圍(在供需水經(jīng)濟平衡(EBSD)方法中可能予以考慮)時的表現(xiàn)情況。信息差決策理論提供了一種在范圍更廣的不確定性下對未來設(shè)計進(jìn)行取樣的方法，因此，可以對在嚴(yán)重不確定性條件下水資源管理方案進(jìn)行評估。該文利用基于信息差理論的一種綜合方法對不確定未來各種供水端和需水端管理方案的穩(wěn)健性進(jìn)行了定量評估。研究結(jié)果表明，如果超出了用動態(tài)余量方法獲得的不確定性范圍，就會出現(xiàn)偏好逆轉(zhuǎn)，即在低不確定性下表現(xiàn)不佳的一些管理方案，在較高不確定性時卻表現(xiàn)較好。該研究還表明，當(dāng)總體的50%或50%以上采用需水端管理方案時，提高效率的措施和創(chuàng)新的方案(如雨水收集)與一些供水端管理方案相比一樣出色，甚至比后者還好。該文概略地解釋了基于信息差理論的方法如何全面反映潛在的供水端/需水端的未來，并提供了豐富的信息來支持嚴(yán)重不確定性下供水系統(tǒng)的適應(yīng)性管理。

馬特洛索夫等人將上述EBSD經(jīng)濟學(xué)優(yōu)化法與“穩(wěn)健決策法”(RDM)進(jìn)行了對比分析。穩(wěn)健決策法是一種像信息差搜尋法一樣通過對一組有限的未來狀態(tài)進(jìn)行詳細(xì)的模擬來幫助在不確定性下進(jìn)行決策的方法。作者發(fā)表了“不確定性下供水與需水管理策略的選擇——經(jīng)濟優(yōu)化法與穩(wěn)健決策法之對比研究”一文，該文將這兩種方法在泰晤士河地區(qū)(包括倫敦)供水系統(tǒng)中的應(yīng)用情況進(jìn)行了介紹。EBSD經(jīng)濟學(xué)優(yōu)化法考慮了數(shù)百種單個的供水/需水方案及其相互之間的關(guān)系，得出了能夠滿足預(yù)測年需水要求的成本最低的投資計劃。將各方案的供水量誤差總計納入安全系數(shù)中，亦即對未來多個方案的穩(wěn)健性不用再作評估。RDM從整體模擬(有或沒有概率分布)開始，可以為未來多種條件下各種系統(tǒng)設(shè)計(方案)的系統(tǒng)性能的多個標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行跟蹤。“情況發(fā)現(xiàn)”階段采用群集發(fā)現(xiàn)算法來揭示將導(dǎo)致規(guī)劃失效的各種不確定因子，因此允許通過迭代計算加以改善。RDM的優(yōu)勢在于，可根據(jù)幾個矩陣進(jìn)行詳細(xì)的規(guī)劃評估，同時抽取多種樣本，然后評估其對擬定規(guī)劃的影響;不足之處在于計算工作量很大，限制了可以考慮的規(guī)劃次數(shù)和不確定性因子的個數(shù)。該文得出的結(jié)論是，經(jīng)濟學(xué)優(yōu)化法和RDM法可以互補，只是得出的答案不同，實現(xiàn)的目標(biāo)不同而已。文章建議，在未找到一種能夠?qū)⑦@兩種方法的優(yōu)勢融為一體的新方法之前，可將兩種方法聯(lián)合使用以提高水資源規(guī)劃水平。