全球治水模式思辨與發展展望

嚴登華，王 浩，周 夢，秦天玲

(1.流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京 100038； 2.中國水利水電科學研究院水資源研究所，北京 100038；3.南水北調中線干線工程建設管理局，北京 100038)

水是制約全球可持續發展的重大瓶頸[1-2]。伴隨著水問題的發生發展，全球治水模式發生了深刻變化，治水技術快速發展，工程體系、管理體制與機制日漸完善，取得了巨大成就，為全球可持續發展目標的實現提供了支撐[3-4]。然而，在氣候變化和人類活動的影響下，全球水問題呈愈演愈烈之勢，是經濟社會發展和生態環境保護中最為突出的問題[5-6]，治水成效與人民群眾的期望值和獲得感尚有不小差距。

全球治水成效與現實問題之間的矛盾，是水問題日趨復雜所致，還是因為治水模式存在不足，應如何有效解決，已成為全球治水中亟待回答的三大問題[7-8]。本文擬結合全球水問題的發展歷程，剖析全球水問題的癥結；從治水目標、治水模式和技術路徑等3個方面，剖析當前全球治水模式的不足，并展望全球治水模式的升級發展，旨在為政府部門選取治水路徑、凝練水科學重大科技問題提供參考。

1 全球水問題發展歷程與癥結

1.1 發展歷程

縱觀人類文明和水問題的發展史，水問題伴隨著人類文明的發展而不斷發展演化。人類先后經歷原始文明、農業文明、工業和城市文明、生態文明等不同階段，各階段的水問題及成因迥異[9]。

在原始文明和農業文明初期階段，人類逐水而居，因人口數量較少，人工取用水對水循環和生態環境的影響十分有限。水循環過程整體表現為以“降水-蒸發-徑流”為主導的自然一元水循環，水生態和水環境過程呈現出天然演替與演變狀態，水質和生態優良。

隨著以灌溉為代表的現代農業文明的發展，灌溉取用水和排水對天然水循環的影響加劇；“取水-輸水-用水-耗水-排水”等具有顯著社會經濟屬性的人工水循環過程凸顯，流域水循環過程也由自然一元水循環過程，向“自然-人工”二元水循環過程轉變[10]；同時，為保障人民生命財產安全，自然洪澇過程被人為調節，水循環過程的自然屬性被削弱[11]。自然水循環通量與社會水循環通量此消彼長，過程上深度耦合，功能上競爭融合[12]。伴隨著社會水循環過程，污染物得以產生，并隨排水進入天然水體中。當入河污染負荷超出天然水體的自凈能力時，污染問題開始顯現。

進入工業和城市文明以來，人類對水土資源的開發活動日漸增強，人工水循環的通量快速增加，水循環的自然屬性被進一步削弱，甚至在部分流域人工水循環通量大于天然水循環通量。日趨增強的水土資源開發活動，使得流域下墊面條件發生改變，生態需水和生態用地被擠占[13-14]。污染負荷的產生量和入河量呈劇增的態勢，導致水生態與水環境問題日漸加劇[15]。同時，伴隨著化石能源等的消耗及溫室氣體的大量排放，大氣系統能量富集、水熱特性發生改變，穩定性下降，原有的自然節律被改變，極端事件發生頻率增大[16]，天然水循環和人工水循環的自然屬性也發生了根本性變化。

進入生態文明階段，綠色發展、節水防污型社會建設成為主導。在人類的水土資源開發活動中，通過節約用水遏制社會水循環通量的快速增長，采取系列污染減排措施，降低污染負荷的輸出，以遏制水污染，并對受損水生態系統進行修復[17-18]。然而，在工業和城市文明階段形成的水需求慣性和巨大污染累積負荷，水質改善往往要經歷一個較長時間的“污染-治理”相持、水質難以得到根本改善的階段，加上修復后的水生態系統要達到“自維持”狀態，往往要經歷幾年乃至數十年的時間[19]，水環境與水生態的改善難以一蹴而就。

不同國家和地區，水土資源的稟賦條件和發展階段迥異，水問題的特性也不同。當前，我國正處在工業文明的后期和生態文明的前期，多種水問題往往在同一流域相交織，現階段出現的復雜水污染問題集中體現了歐美發達國家在過去百年工業化進程、不同階段上出現的全部水污染問題，治理任務異常繁重[20]。

1.2 癥結

完整的流域水循環過程，既包括自然水循環過程和社會水循環過程，還包括與之伴生的水生態過程、水環境過程和水沙過程，且各要素過程之間存在著多向的互饋作用[21]。基于流域水循環及其要素過程，水問題不論其表現形式如何，都可歸結為流域水循環分項或伴生過程的失衡和失調。以升溫為背景的氣候變化和以競爭性用水、用地為特征的人類活動影響[22-23]，水循環演變及要素過程間的多向反饋作用發生顯著改變，這些是水資源、水環境與水生態問題演化的共同根源。全球水問題癥結可概括為以下4方面：①干旱和洪澇是水在一定時間段內沒有去到它應該去的地方；②生態退化或過度生態建設是在一定時間段內土地上沒有生長它應該生長的生物；③泥沙問題是泥沙在一定時間段內沒有隨水循環去到它應該去的地方；④水污染是資源沒有儲存在其應該儲存的地方，而隨水循環過多富集到水體中。上述4個方面有兩個共同的關鍵詞，即“沒有”和“應該”。其中，“沒有”是氣候變化和非理性的水土資源開發利用活動導致水循環自然演變規律和多要素過程之間的協同作用機制被打破；“應該”是指自然規律或良性健康的水循環模式和路徑[20]。

2 全球治水模式的思辨

針對干旱與洪澇、水污染治理、水生態退化和泥沙等問題，全球已經形成了針對不同地域特征和成因的治理模式，并逐漸從“單一問題治理”向“多問題系統解決”的模式轉變[24-26]。不論何種治水模式，治水目標、總體路徑和治水措施是其核心三要素。下面融合水循環多要素過程及互饋機理、水問題的癥結等，逐一進行思辨，以明晰治水模式存在的不足。

2.1 治水目標

a. 供水保障和干旱、洪澇災害治理。重點是以滿足社會經濟發展需求進行治理目標的設定，保證率、重現期、缺水率、設防標準等是關鍵指標。保證率和重現期的確定，往往以歷史天然過程為依據，基于的是“一致性”假設[27-28]。然而，在氣候變化敏感和高強度人類活動流域，水循環的“非一致性”凸顯，基于“一致性”假設分析的適用場景已不存在[29]。同時，基于單要素、離散式的點線分析未能充分融合整體水循環過程中水文與水力聯系。針對社會經濟發展所需的缺水率和設防標準的確定，未能充分融合水循環應有自然屬性特征保育需求，也難以滿足水生態系統對水文水動力過程適宜性的需求。

b. 水污染防控目標設定。當前水污染防控主要執行的是國家統一水質標準和排污標準，而水質標準和排污標準執行等級的制定，主要以人的主觀期望為依據[30]。不同流域的水環境背景迥異，并隨著自然演化而發生變化，且各流域的污染源分布差異也十分明顯，而目前排污標準與水質目標未能實現良好銜接，環境基準的研究尚待深化[31]。整體上看，水污染防治目標的設定未能充分融合水環境的自然屬性特征，也未能充分融合流域內不同水體之間污染特征的協同性。

c. 水生態保護目標設定。當前主要依據歷史演變過程中的水生態質量狀況，期盼“歷史的記憶成為現實”。但是，水生態系統有其固有的自然演化規律，在自然演化過程中水生態系統具有特定的功能，不同類型水生態系統生態服務功能之間有著固有的協同性[32]，“歷史的記憶不能成為現實”。當前對水生態修復目標的設定，未能充分融合水生態系統演變的自然規律，對各類型水生態系統服務功能之間的協調性考慮不足，單一服務功能問題凸顯。

d. 泥沙問題治理的目標設定。減沙量、水源涵養量、河型、河勢等是泥沙治理的關鍵指標[33]。在自然演化過程中，泥沙去了其應該去的地方，該流走的泥沙需要流走，該留下來的泥沙則應該留下來，自然實現動態平衡[34]。但目前坡面過度減沙和保水在局部地區已對河道及其生態系統產生了嚴重的負面影響[35-36]。總體上說，現有泥沙問題治理目標的設定需要遵循泥沙自然演變規律，以找到科學合理的調控閾值。

總之，當前治水目標的制定未能充分結合水循環及伴生過程的自然屬性特征，也未能從功能定位和發展演化的角度找到合理的調控閾值。

2.2 總體路徑

a. 洪澇災害治理。當前重點是通過水庫、堤防等水利工程措施對洪水進行蓄導，以削減斷面的洪峰量和淹沒范圍。從降雨-產流過程和坡面-河道水文的地域聯系來看，水庫、河道是整體洪水形成演化的地域末端，暴雨特性、坡面下墊面條件是影響洪澇特性的根本所在[37-38]，當前的洪澇災害治理屬于空間上的“末端治理”模式，未能從洪澇形成全過程進行層層動態防控。

b. 旱災應對。總體路徑是旱災場景下應急找水、供水。旱災的本質是缺水，旱災在演化發生過程中經歷了從豐水、缺水旱象到缺水程度持續加劇的過程[39]。然而往往是發生了旱象，人們才采取相應的措施。從旱災整體形成演化的時間過程而言，旱象就是進入到多水-缺水演變的末期，在這個階段進行治理，屬于時間上的末端治理，需要基于水循環時間節律及周期采取全周期精準調控。

c. 水污染治理。重點采用的是“源頭減排—過程阻斷—末端治理”的模式[20]，水污染伴隨著“取水—輸水—用水—耗水—排水”等人工水循環過程而孕育演化[30]。當前的源頭減排措施，重點是在排水環節，從人工水循環全過程的角度來看，這屬于循環過程的末端。水污染治理需要從人工水循環全過程出發，遏制污染物進入水(體)中。

d. 水生態治理。其模式主要是生態修復與重建。但是，除了土地利用開發直接導致的生態系統類型改變外[40]，其他絕大多數水生態問題均是因生境條件改變而發生的生態逆行演替[41-42]。在當前的水生態治理中，往往是固有水生態系統類型已演變成新的生態系統類型后再采取人為措施進行干擾，屬生態演替時間序列上的末端治理。

e. 水土流失及其影響的治理。目前已形成較為完備的“固—移—輸—淤—置”模式[43-44]，在黃河流域形成了享譽世界的“攔—排—放—調—挖”模式[45]，實踐中已取得了顯著效果。流域泥沙運動過程中，其完整的“侵蝕—搬運—沉積”鏈式過程構成了天然的空間配置格局[34]。當前重點關注的是減沙，但隨著生態環境的修復，“少沙”及其伴生問題已在局部地區凸顯[35-36]，為此，需要融合泥沙運移規律及泥沙自然屬性特征，合理確定閾值，進行流域尺度的泥沙調配。

總之，當前水問題治理總體路徑選取中存在末端治理的不足；同時，因部門分工不同，往往是針對單一水問題進行整治。從完整水循環的角度，各水問題之間存在互饋作用，對單一單元、單一問題的治理，若處置不當，往往會導致次生問題發生，如在全球局部地區已出現坡面過度水土保持導致河道斷流等流域性問題[46]。總體來看，當前水問題治理未能充分融合多過程之間的耦合關系，存在“過程分離”的不足。

2.3 治理措施

a. 供水保障和水旱災害應對。當前重點采取的是“蓄、引、提”以及堤防等措施[47]，整體上屬于“點線”結合的灰色基礎設施調配及人為作用。天然水循環過程包括大氣、地表、土壤和地下等要素過程，地表-土壤-地下相聯合，坡面-河道相制約，屬于典型的三維模式；地表尤其是坡面單元上的植被與土壤狀況，在流域降水再分配及干旱與洪澇災害孕育過程中發揮著主體作用[39,48-49]；同時，灰色基礎設施的建設和運行調度，勢必會對生態和環境產生不同程度的負面影響[50]。為此，在應對水旱災害的過程中，需要從當前的一維“點-面”結合措施，向“點-線-面-體”相結合的立體水網構建轉變；同時，充分發揮綠色基礎設施及自然力的作用。整體上看，當前的水旱災害應對措施處置對象較單一，未能充分發揮自然力的作用。

b. 水污染治理。當前分別從點源和面源污染孕育過程，通過物料的加入和人為、能量動力調節，試圖進行全面的污染物削減。當前在污水處理尤其是點源污染的處理過程中，能量投入占的成本最高，然而污染的水體本身就飽含能量，大量的外加能量投入屬于典型的“以能量攻擊能量”模式[51-52]；同時，污染物在水體中的遷移轉化，受到多層級水生態系統中生物和非生物環境的整體調節，且不同污染物之間具有互饋作用[53]。當前針對特征污染物的削減過程，重點是通過人為干預，并沒充分發揮水生態系統多層級、多要素之間的協同作用。

c. 水生態修復。當前重點采取的是“美化”和“綠化”措施。在自然演化與自然選擇的過程中，一定時間和地域上發育著特定的水生態系統，且各要素具有特定的生態服務功能，這些功能之間相互協調[54-55]。然而，在“美化”過程中，重點針對的是單一功能尤其是景觀的可欣賞功能；在“綠化”過程中，重點通過植樹造林與種草，添加或重建品種相對單一的植被，生態服務功能的單一問題凸顯。可見，“美化”不同于自然，“綠化”不同于生態。在局部地區物種的選取與當地的生境適宜性和整體生態服務功能不符，已產生較為嚴重的次生生態與環境問題[56-58]。總體來說，當前的水生態修復措施未能充分融合流域生態完整性和生態服務功能協調性需求，需要構建“體系完整、功能協調、各在其位、各司其職”的協調流域體系。

d. 水土流失及其影響治理。當前重點采取的是建設水土保持林、淤地壩等坡面固沙工程措施，以及疏浚、控導等河型、河勢調控工程措施[33]。與水生態修復措施一樣，單一針對固沙的坡面工程措施對坡面生態系統的完整性和生態服務功能的協同性將會產生影響。此外，河型河勢是制約河流水動力特征和生境適宜性的關鍵因子，部分疏浚措施會直接導致底棲生境的破壞，致使水下草場和森林成為水下荒漠[59]。在水沙治理過程中，需要進一步從流域生態完整性角度，進一步發揮自然力的作用，提升生態服務功能，規避不利影響。

3 全球治水模式發展展望——建設富自然-功能協調流域

今后治水既要滿足經濟社會發展需求，還要應對氣候變化，更要保護好生態環境[60-61]。圍繞水問題的根本癥結，結合當前治水過程中存在的自然屬性減弱、末端治理、過程分離和功能不協調等問題，應增強水循環過程的自然屬性，從流域層面實現水循環多過程、多功能的協調，充分發揮水的社會經濟功能和生態環境功能，有效規避極端事件帶來的不利影響，這是今后治水的根本遵循原則。筆者認為，建設富自然-功能協調流域(Nature Enriched and Attributes Coordinated Watershed，NeaCow)，是今后治水的基本模式和任務。

a. 富自然-功能協調流域建設的總體目標。優化調整人類的水土資源開發與利用模式，在流域尺度上系統解決水問題，讓水和沙盡量去其應該去的地方，讓土地上生長其應該生長的生物，讓資源儲存在其應該儲存的地方而不過度在水體中富集，這中間關鍵是增強水循環多過程的自然屬性，核心是實現水循環多要素、多過程、多功能之間的協調，要領是科學、充分發揮自然力的作用。

b. 富自然-功能協調流域建設的基本路徑。要遵循水循環多過程的自然規律，采用“層層剝筍”的方式，充分發揮自然地理要素對水循環多過程的調節作用，系統布置和建設人工林草等綠色基礎設施、土壤水庫等棕色基礎設施和地下水庫等藍色基礎設施、水利工程群等灰色基礎設施，同時完善智能水網和智慧水務等紅色基礎設施，并提升對這4類基礎設施的監測、預警預報和調控能力。

c. 富自然-功能協調流域建設的關鍵舉措。增強和維系流域的“四性”：①全面提升流域的調節能力和生態服務功能，增加應對系統外環境風險的能力，以強化流域的“韌性”；②構建立體暢流水網，消除梗阻，以增強水的“活性”；③提升流域生態環境質量，全面實現自然資產的保值和增值，以充實流域的“綠性”；④整合人工智能和大數據技術，構建智能化、智慧化的監管體系，實現流域的“慧性”。

較之當前的治水模式，富自然-功能協調流域具有以下特點和優勢：①從流域生態完整性出發，充分融合“山水林田湖草”生命體保育與維系的需求，較之河流生態完整性，該體系更完整，功能更明確；②充分遵循自然規律，提升自然屬性，注重自然力的科學運用;③重在系統治理和功能提升，以能力提升來應對各類風險與挑戰；④充分吸收了“海綿田”和“海綿城市”建設中水循環立體調控精髓，在流域層面開展水循環的立體調控，并實現多功能的協調。

需要指出的是，在富自然-功能協調流域建設中，強調增強水循環多過程的自然屬性，并非實現完全的自然狀態；強調綠色基礎設施建設和自然力的應用，并非要拋棄灰色基礎設施、完全規避人類干預，而是要與自然相協調，充分肯定灰色基礎設施全球治水歷史所取得的巨大功效，進一步推進灰色基礎設施的綠色升級發展。

4 結 語

全球水問題紛繁復雜，成因迥異。富自然-功能協調建設模式有效規避了當前治水模式的不足，應是今后治水模式的首要選擇。在富自然-功能協調流域建設中，首先需要回答水沙應該去哪里、土地上應該生長什么生物、資源應儲存在哪里等重大問題，以便為建設目標找到對照基線與基準，屬于復雜系統的量化精準分析；其次，措施的適應性分析與比選屬于具有物理機制的復雜群決策，基礎科學問題繁多，攻關難度極大。

富自然-功能協調流域建設模式與筆者2017年提出的生態海綿智慧流域建設框架[20]，在總體目標和總體模式等方面基本一致。在實踐驗證過程中，生態海綿智慧流域存在以下不足：一是因流域本身就可視作一類生態系統，且流域本身就是一類海綿體[62]，“生態流域”和“海綿流域”的概念不嚴謹；二是未能充分體現“富自然”這一關鍵路徑，也未能體現建設中各類舉措要實現“多要素、多功能協調”的總體要求；三是未能體現動態適應的需求，也不便于交叉學科的研討。為此，在此基礎上，調整升級為富自然-功能協調流域。