歐洲供水系統(tǒng)干旱風(fēng)險(xiǎn)管理最新發(fā)展概述(下)

［意大利］ G.羅西 等

5 對(duì)干旱所致供水系統(tǒng)缺水的評(píng)價(jià)

在供水系統(tǒng)干旱預(yù)防戰(zhàn)略規(guī)劃中，干旱所致缺水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是一個(gè)關(guān)鍵步驟。此外，在供水系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，可通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估對(duì)不同管理方式進(jìn)行比較。在制定戰(zhàn)略決策時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估一般是無(wú)條件的(并非針對(duì)系統(tǒng)的某種特殊狀況或條件)，目的是選擇最佳的長(zhǎng)期措施。當(dāng)供水系統(tǒng)在干旱條件下運(yùn)行時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估則是“有條件的”，即需要考慮系統(tǒng)的初始狀況或條件。這時(shí)，最主要的問(wèn)題就是何時(shí)及怎樣啟動(dòng)必要的減災(zāi)措施(即實(shí)施定量供水政策和/或使用額外水資源)，以避免未來(lái)出現(xiàn)嚴(yán)重缺水。由于未來(lái)干旱發(fā)展的不確定性，決策的制定應(yīng)基于對(duì)干旱所致缺水風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估，同時(shí)應(yīng)將抗旱措施納入系統(tǒng)模型中。很多情況下，這些既定措施是按照一種互動(dòng)方式分步實(shí)施的，必須根據(jù)供水系統(tǒng)的不同狀況(如正常、戒備、警報(bào))采取不同措施。

以往文獻(xiàn)中已有關(guān)于干旱風(fēng)險(xiǎn)的不同定義。與地震或洪水等其他自然災(zāi)害的普遍定義法相似，有些對(duì)干旱風(fēng)險(xiǎn)的定義是基于極端事件的發(fā)生概率或其預(yù)計(jì)產(chǎn)生的破壞，可通過(guò)將災(zāi)害事件的概率與災(zāi)害影響因素的脆弱性相結(jié)合計(jì)算得出。不論采用哪種特定計(jì)算方法，這種概念定義的優(yōu)點(diǎn)就在于其試圖將干旱出現(xiàn)的時(shí)間性質(zhì)與其影響都考慮在內(nèi)。

關(guān)于干旱損失及預(yù)防和減災(zāi)措施的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)也是很多文獻(xiàn)的研究主題。有兩個(gè)歐盟資助的項(xiàng)目就曾對(duì)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)的不同方法進(jìn)行了回顧，分別是“干旱研究需求與政策選擇評(píng)價(jià)項(xiàng)目”(XEROCHORE)(2011年)和“自然災(zāi)害成本評(píng)價(jià)項(xiàng)目”(CONHAZ)(2012年)。但由于缺少恰當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)，加之干旱損失經(jīng)濟(jì)評(píng)估的復(fù)雜性，過(guò)去對(duì)干旱條件下的供水系統(tǒng)管理進(jìn)行分析時(shí)，都是假設(shè)缺水即代表干旱損失。因此，都是在考慮不同用水需求的基礎(chǔ)上，從干旱所致缺水的概率來(lái)評(píng)價(jià)干旱風(fēng)險(xiǎn)。

一般來(lái)說(shuō)，干旱對(duì)供水系統(tǒng)的影響很大程度上取決于儲(chǔ)水設(shè)施的特點(diǎn)、運(yùn)行規(guī)則、水需求的時(shí)間分布，以及為減輕干旱影響所采取的措施。正確的缺水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估應(yīng)該同時(shí)考慮災(zāi)害(即干旱的出現(xiàn))與供水系統(tǒng)的脆弱性，而后者取決于供水系統(tǒng)的物理特性以及需求和管理因素。鑒此，蒙特卡洛模擬法可稱得上是一種評(píng)估缺水風(fēng)險(xiǎn)的有效工具(見(jiàn)圖2)，因?yàn)樵摲椒入[含考慮了干旱的概率特性(利用隨機(jī)模型來(lái)產(chǎn)生水文數(shù)據(jù))，同時(shí)還考慮了供水系統(tǒng)的脆弱性。

如前文所述，缺水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的主要目的，是在規(guī)劃階段提高系統(tǒng)性能(包括制定恰當(dāng)?shù)臏p災(zāi)戰(zhàn)略)，在運(yùn)行階段提高干旱條件下的供水運(yùn)行績(jī)效。

圖2 基于蒙特卡洛模擬法的供水系統(tǒng)干旱所致缺水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

拉塞爾等人提出將干旱損失作為供水系統(tǒng)“適應(yīng)水平”的一個(gè)函數(shù)來(lái)估計(jì)，“適應(yīng)水平”基本可定義為供需比率。此后又出現(xiàn)了若干方法，評(píng)價(jià)供水系統(tǒng)是否可以長(zhǎng)期滿足干旱期間的供水需求。供水系統(tǒng)的績(jī)效通常都通過(guò)一系列恰當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)或指標(biāo)來(lái)評(píng)估，通過(guò)可靠性、彈性及脆弱性等概念對(duì)缺水狀況進(jìn)行量化。近年來(lái)，越來(lái)越多地開(kāi)始使用不同程度缺水的發(fā)生概率來(lái)評(píng)估不同的干旱減災(zāi)措施。

有些研究用到了“設(shè)計(jì)干旱”的概念，如弗里克等人就通過(guò)模擬供水系統(tǒng)在固定回歸期干旱期間的績(jī)效，來(lái)評(píng)價(jià)供水系統(tǒng)的抗旱能力，這一固定回歸期干旱是從很長(zhǎng)的水文序列中得出的，評(píng)估還考慮了供水系統(tǒng)的發(fā)展規(guī)劃。

坎切列雷等人通過(guò)采用標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行政策和一些對(duì)沖政策，研究了通過(guò)“運(yùn)行方法”確定的干旱嚴(yán)重性與不同需求模式下水庫(kù)績(jī)效指標(biāo)之間的關(guān)系。研究表明，單純依靠設(shè)計(jì)干旱無(wú)法計(jì)算出缺水的特點(diǎn)，建議使用蒙特卡洛分析法來(lái)進(jìn)行缺水風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估。

約翰遜等人研究了使用帕爾默水文干旱指標(biāo)來(lái)初步評(píng)估水庫(kù)對(duì)干旱敏感度的可能性，旨在對(duì)比較脆弱的水庫(kù)進(jìn)行更詳細(xì)的調(diào)查。

干旱風(fēng)險(xiǎn)下復(fù)雜供水系統(tǒng)的規(guī)劃重點(diǎn)在于對(duì)減災(zāi)措施的評(píng)估，因此，所做出的決策應(yīng)包括以下內(nèi)容:缺水在不同用水部門之間的分?jǐn)?各水源放水的時(shí)間分布;不同水源之間放水的優(yōu)先順序。因此，應(yīng)建立一個(gè)決策支持系統(tǒng)(DSS)，幫助決策者利用模型與數(shù)據(jù)庫(kù)做出決策，還應(yīng)采取多標(biāo)準(zhǔn)方法，對(duì)不同的抗旱減災(zāi)措施進(jìn)行比較和排序。很多研究都建議建立專家系統(tǒng)和決策支持系統(tǒng)，幫助供水系統(tǒng)管理者進(jìn)行減災(zāi)措施規(guī)劃。最近，卡拉維蒂斯就建立了一個(gè)基于信息數(shù)據(jù)的干旱管理措施評(píng)價(jià)系統(tǒng)。另外，梅拉伯特尼等人也采用遺傳算法為日本的一個(gè)供水系統(tǒng)建立了決策支持系統(tǒng)，用以評(píng)價(jià)供水系統(tǒng)對(duì)干旱的敏感度，并制定可將干旱風(fēng)險(xiǎn)最小化的放水模式。

已經(jīng)有大量論文研究了缺水風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估問(wèn)題，旨在為水庫(kù)或整個(gè)供水系統(tǒng)制定應(yīng)對(duì)干旱的運(yùn)行政策或蓄水分配方案。

這些論文按照揚(yáng)等人提出的方式，根據(jù)指定的客觀功能，通過(guò)計(jì)算最佳放水組合的優(yōu)化程序，確定了供水系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)則，并通過(guò)線性回歸、分段回歸、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及神經(jīng)模糊系統(tǒng)等不同技術(shù)，建立了最佳放水與水文數(shù)據(jù)及系統(tǒng)狀態(tài)變量之間的關(guān)系。其他論文主要研究的是供水系統(tǒng)在干旱條件下采用其他方式的運(yùn)行情況。赫什根據(jù)水庫(kù)的當(dāng)前狀況和退出率計(jì)算得出了具體的蓄水量，并利用若干已有的徑流系列，對(duì)水庫(kù)在一定時(shí)間范圍之內(nèi)蓄水降低至一定水平的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了估計(jì)。喬伊特等人提出了一個(gè)基于計(jì)算機(jī)的水庫(kù)群決策支持系統(tǒng)，用以修訂當(dāng)前水庫(kù)應(yīng)對(duì)干旱事件的控制曲線。特別是采用了一個(gè)模擬模型，計(jì)算天然來(lái)水流量及地下水抽水供應(yīng)或河流取水的按月累積序列。史等人為一座水庫(kù)制定了干旱期間及干旱之前的需求管理政策。用以啟動(dòng)限量供水的信號(hào)是一個(gè)觸發(fā)數(shù)值，表現(xiàn)為水庫(kù)中應(yīng)存有的需求月數(shù)(作為一個(gè)蓄水量)。當(dāng)實(shí)際的蓄水量加上預(yù)計(jì)來(lái)水流量低于這個(gè)觸發(fā)數(shù)值時(shí)，就要啟動(dòng)限量供水。

史等人提出了一種混合整數(shù)規(guī)劃模型，可以確定供水水庫(kù)啟動(dòng)不同階段限量供水的觸發(fā)數(shù)值，目的是盡可能保證最多的正常供水月數(shù)，因?yàn)槊肯乱粋€(gè)限量供水階段的庫(kù)存月數(shù)都會(huì)更加有限。倫德制訂了一套干旱條件下水庫(kù)間蓄水分配的管理規(guī)則，旨在減少水庫(kù)的蒸發(fā)和滲漏損失。有些研究將早期預(yù)警系統(tǒng)信息納入了供水系統(tǒng)的干旱管理。黃等人制訂了一套顏色編碼的多水庫(kù)實(shí)時(shí)運(yùn)行干旱早期預(yù)警系統(tǒng)，介紹了一套基于風(fēng)險(xiǎn)的決策過(guò)程，并納入了水庫(kù)干旱早期預(yù)警系統(tǒng)。佳能等人針對(duì)干旱期間的多水庫(kù)系統(tǒng)運(yùn)行，采用干旱頻率指數(shù)(DFI)作為干旱機(jī)制觸發(fā)指標(biāo)，通過(guò)多層次非線性優(yōu)化過(guò)程來(lái)減少灌區(qū)的供水赤字。尼克洛西等人采用了一種基于遺傳算法和蒙特卡洛模擬法的啟發(fā)式多目標(biāo)方法，用以確定啟動(dòng)減災(zāi)措施的觸發(fā)水平，并根據(jù)實(shí)測(cè)和計(jì)算得出的序列來(lái)驗(yàn)證這一方式的效果。

基于未來(lái)缺水的條件風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及隨后減災(zāi)措施的啟動(dòng)，羅西等人提出了一套干旱期間供水系統(tǒng)的管理方法。該方法采用蒙特卡洛法，利用若干隨機(jī)產(chǎn)生的流量序列模擬供水系統(tǒng)基于目前狀況在一段短時(shí)間范圍內(nèi)的表現(xiàn)，進(jìn)而計(jì)算出干旱所致缺水的概率指標(biāo)。

6 干旱預(yù)防與減災(zāi)措施的定義

在以往文獻(xiàn)中可以找到關(guān)于干旱減災(zāi)措施的若干分類。普遍認(rèn)可的一種分類法是把干旱減災(zāi)措施分為以下3類:①增加供水;②減少用水需求;③降低干旱影響。還可根據(jù)干旱現(xiàn)象的應(yīng)對(duì)方式分為反應(yīng)式措施和前置式措施，或根據(jù)措施的實(shí)施時(shí)間分為長(zhǎng)期措施和短期措施。長(zhǎng)期措施旨在提高干旱的預(yù)防能力(包括對(duì)現(xiàn)有供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性和非結(jié)構(gòu)性調(diào)整)，短期措施則是指干旱事件已經(jīng)開(kāi)始后所制定的應(yīng)急計(jì)劃措施，通過(guò)啟動(dòng)新水源增加供水以及減少用水需求等措施來(lái)減輕干旱的影響。最近，歐盟缺水與干旱專家網(wǎng)絡(luò)提出了一些不同的干旱措施:①正常狀態(tài)下采取的預(yù)防或戰(zhàn)略措施;②運(yùn)行(技術(shù)或應(yīng)急)措施，包括供需管理及環(huán)境管理等;③預(yù)警前、預(yù)警中及應(yīng)急條件下啟動(dòng)的組織措施;④干旱管理計(jì)劃的后續(xù)措施;⑤恢復(fù)措施，包括取消緊急供水及有關(guān)限制等。

CONHAZ項(xiàng)目最近針對(duì)干旱在內(nèi)的所有自然災(zāi)害提出了一套不同的措施分類法(CONHAZ，2012)，將措施分為:①風(fēng)險(xiǎn)管理規(guī)劃與應(yīng)對(duì)計(jì)劃;②災(zāi)害修訂;③基礎(chǔ)設(shè)施;④嚴(yán)格意義上的減災(zāi)措施;⑤溝通;⑥監(jiān)測(cè)與早期預(yù)警;⑦應(yīng)急響應(yīng);⑧金融激勵(lì);⑨風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)移。為此，達(dá)克斯坦提出了多標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)價(jià)方式及這種方式應(yīng)采取的不同視角，并討論了一些具體的多標(biāo)準(zhǔn)方法，如選擇消去法(ELECTRE)、妥協(xié)規(guī)劃法等。還有多個(gè)復(fù)雜供水系統(tǒng)采用了NAIADE模型，該模型可對(duì)不同的長(zhǎng)期與短期措施組合進(jìn)行比較和排序，進(jìn)而最大限度降低缺水風(fēng)險(xiǎn)。

7 結(jié)論

基于對(duì)若干方法的考察及應(yīng)用案例，可以得出如下結(jié)論。

首先，對(duì)供水系統(tǒng)實(shí)施有效的干旱管理需要采取綜合性措施，包括格里格所提出的提高水資源管理的若干方面，如政策部門、水務(wù)部門、政府機(jī)構(gòu)、組織水平、管理職能、地理區(qū)域、管理階段、學(xué)科與專業(yè)等。但干旱管理的復(fù)雜程度不止于此，還存在一些具體的薄弱環(huán)節(jié)和空白，影響干旱預(yù)防和減災(zāi)行動(dòng)的規(guī)劃、組織和實(shí)施。

對(duì)于缺水(指可獲水資源與水需求之間長(zhǎng)久的不平衡狀態(tài))和干旱(指在較長(zhǎng)一段時(shí)間和較大范圍內(nèi)出現(xiàn)的臨時(shí)性低于正常降雨量的自然狀況，這種狀況會(huì)引起供水系統(tǒng)的臨時(shí)性缺水)，還存在一個(gè)概念上的誤解。此外，人們還未充分認(rèn)識(shí)到應(yīng)對(duì)干旱風(fēng)險(xiǎn)所需的復(fù)雜體制結(jié)構(gòu)。在很多國(guó)家，流域管理機(jī)構(gòu)并不能包攬抗旱及災(zāi)后恢復(fù)的所有具體任務(wù)，因此有必要委托各個(gè)供水系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)構(gòu)來(lái)提前準(zhǔn)備面對(duì)缺水風(fēng)險(xiǎn)的有關(guān)措施，并根據(jù)相關(guān)干旱指標(biāo)和觸發(fā)值建立早期預(yù)警系統(tǒng)。此外，應(yīng)由國(guó)家層面來(lái)制定旱災(zāi)界定的標(biāo)準(zhǔn)，而在地區(qū)和地方層面，則應(yīng)由應(yīng)急管理組織(如歐洲國(guó)家的公民保護(hù)機(jī)構(gòu))介入預(yù)先制定的應(yīng)急計(jì)劃。因此，必須建立一種更為全面的管理機(jī)制，以實(shí)現(xiàn)綜合型或應(yīng)對(duì)型干旱管理。

其次，盡管關(guān)于干旱的若干研究已經(jīng)取得了一些令人感興趣的研究成果，未來(lái)在提高供水系統(tǒng)和社會(huì)的抗旱彈性方面，還有很多問(wèn)題值得研究。未來(lái)應(yīng)重點(diǎn)開(kāi)展的研究范疇包括以下幾個(gè)方面:

(1)更好地模擬干旱的發(fā)生及其特性，包括干旱的隨機(jī)特性及其與全球大氣循環(huán)模式的聯(lián)系，特別是當(dāng)分析須考慮氣候變化因素時(shí)。

(2)更多、更透徹地分析干旱監(jiān)測(cè)與減災(zāi)的以往經(jīng)驗(yàn)，為制定干旱管理的最佳實(shí)踐奠定基礎(chǔ)。

(3)基于多標(biāo)準(zhǔn)工具，對(duì)干旱的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境及社會(huì)影響以及不同抗旱政策在減輕上述影響方面的效果進(jìn)行更加先進(jìn)的評(píng)價(jià)。

(4)建立便于決策者理解和應(yīng)用的恰當(dāng)模型和一整套技術(shù)包，以幫助決策者們充分利用相關(guān)領(lǐng)域更加先進(jìn)的研究成果(如用于干旱描述的隨機(jī)水文學(xué)、用于綜合影響評(píng)價(jià)的經(jīng)濟(jì)與環(huán)境科學(xué)、旨在減少用水戶沖突的社會(huì)科學(xué))。

(5)改善水務(wù)機(jī)構(gòu)和管理部門的計(jì)算機(jī)設(shè)施(包括計(jì)算能力和用戶友好型界面)，開(kāi)發(fā)先進(jìn)工具以實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)的“應(yīng)對(duì)型”干旱管理，包括干旱早期預(yù)警系統(tǒng)、可靠的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)系統(tǒng)以及先進(jìn)的決策支持系統(tǒng)，并根據(jù)通過(guò)了模擬測(cè)試的可靠觸發(fā)機(jī)制，采取最恰當(dāng)?shù)亩唐诳购敌袆?dòng)。