流域綜合治理方案制定的基本理論及技術框架

褚俊英，王 浩，周祖昊，王春懿，張海萍，牛存穩

(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)

受全球氣候變化以及強人類活動影響，我國面臨嚴峻的流域水安全形勢，流域水資源短缺已成為制約社會經濟發展的重要因素，水環境污染,水生態系統面臨威脅[1],洪水災害出現了多發、頻發和重發的趨勢[2]。流域水問題的根本解決具有相當的復雜性、艱巨性和長期性。近些年來，我國陸續發布《水污染防治行動計劃》《“十三五”生態環境保護規劃》以及《關于全面推行河長制的意見》，實施流域綜合治理已成為推進我國生態文明建設的重大舉措。在理念方面，流域綜合治理強調建設生態海綿流域實現“去極值、系統化”治理，尋求更為系統性、整體化的解決方案。在模式方面，流域綜合治理目標已從傳統的水資源單要素擴展為統籌考慮水資源、水環境、水生態、水安全、水文化等多要素；從原有的“末端治理”，轉變為“源頭減排、過程阻斷、末端治理”全過程手段；從原有的政府為主體，轉變為“政府監管、企業建管、公眾參與”的多元主體模式[3-4]。在實踐方面，我國流域綜合治理項目呈現范圍廣、資金大、任務重、要素多，涉及專業廣、部門多，時間要求緊，過程監管嚴格等特點[5-7]。

流域綜合治理作為一個系統工程，通常包括規劃編制(方案制定)、項目建議、可研報告編制、專項評價(如防洪影響評價、水土保持評價、環境影響評價等)、初步設計、施工圖設計、工程施工等多個環節。其中，流域綜合治理方案的制定尤為重要，實際上,更為詳盡和細致的流域綜合治理規劃，不僅兼顧了流域綜合治理規劃的長遠性、全局性、戰略性內容，而且注重實現目標的方案途徑，強調針對性和可操作性，是后續流域綜合治理工程項目建議和可行性研究報告的關鍵環節，也是方案設計與工程實施的基礎和前提。盡管長期以來學者在流域水資源綜合規劃、水資源保護規劃、防洪規劃、排澇規劃、給排水規劃、雨水利用規劃等專項方面開展了大量研究，形成了若干基本理論和技術方法[8-10]，鑒于流域綜合治理作為我國未來時期推進生態文明建設的創新戰略實踐，該系統更加凸顯耗散性、非線性、動態性等復雜巨系統特征，其方案制定依然處于探索階段，系統性、規范性有待進一步提升。本文從宏觀、中觀、微觀角度總結了流域綜合治理方案制定的3個基礎理論，給出了方案制定的基本原則，系統構建了流域綜合治理方案制定的層次化技術思路，并對其未來發展趨勢進行了展望，旨在為流域綜合治理實踐提供參考。

1 流域綜合治理方案制定的基本原理

1.1 基礎理論

按照空間單元精細化程度與理論指導功能的差異，流域綜合治理方案制定的基礎理論可分為宏觀尺度的可持續發展理論、中觀尺度的流域“自然-社會”二元水循環理論以及微觀尺度的“木桶理論”。其中，可持續發展理論主要著眼于流域整體的特征，為流域綜合治理根本目標與總體策略的設定提供總體指導與依據；流域“自然-社會”二元水循環理論主要著眼于流域自然與社會不同行業的特征，為流域綜合治理規劃過程中各項調控閾值的設定提供依據；“木桶理論”則主要著眼于流域各個控制單元的特征，為流域綜合治理方案的優選提供理論基石。

a. 可持續發展理論。在宏觀流域尺度上，可持續發展理論強調經濟、社會發展與資源、環境協調統一，樹立尊重自然、順應自然、保護自然的生態文明理念，實現社會經濟系統與資源環境與生態系統之間的平衡[11]。在此理論框架下，流域綜合治理方案的確定通常需要在流域當前和未來的人類需求和自然需求之間取得平衡，具有技術、社會與經濟可行性[12]。該理論為流域綜合治理根本目標與總體策略的設定提供依據，促進流域綜合治理從傳統的粗放式發展模式轉變為高效的自律式發展模式，具體表現為：在價值取向方面，由傳統水利功能實用價值觀向水生態文明價值觀的轉變；在思維方式方面，由立竿見影的愿景式思維方式向底線型全過程控制的思維方式轉變；在治水路線方面，由單一目標、分區治理向流域統籌、系統治理轉變，從而促進流域生態文明建設與人水和諧發展。

b. 流域“自然-社會”二元水循環理論。在中觀行業尺度上，流域“自然-社會”二元水循環理論為流域綜合治理提供了重要支撐。流域水循環在服務功能屬性、循環結構、循環路徑、驅動力、演變效應等多個方面呈現為“自然”與“社會”二元化的特征與規律。流域“自然-社會”二元水循環失衡是出現流域水問題的根本原因，具體表現為：①隨著經濟社會的發展，下墊面變化帶來流域水資源的衰減，導致資源衰減效應；②流域社會水循環取用水通量的不斷增大和強化，擠占了河流、湖泊以及海岸生態系統所需的淡水資源，導致生態效應；③社會水循環過程中伴隨的污染物排放，導致環境效應[13]。在此理論框架下，流域綜合治理應實現二元水循環過程中各要素供給、不同行業用戶水循環過程中臨界閾值的辨識與科學調控，如確定人類從自然界取、用、耗、排一體化過程中各個環節的水量以及不同污染物通量到底是多少，從而既不影響水循環的整體穩定性，又不損害社會經濟和生態環境的健康發展，促進流域各環節、各行業、各要素的均衡與協調[14-15]。

c. “木桶理論”。在微觀單元尺度上，“木桶理論”為流域綜合治理不同方案的比選與優化提供了理論基石。“木桶理論”又稱為“短板效應”，是指木桶的盛水量取決于桶壁上最短木板的長度，應不斷提升木桶的各木板高度并使之均衡[16]。流域面臨的水問題大小程度，取決于流域內每個控制單元的節水力度、污染控制程度、生態保護強度、景觀文化沉淀以及防洪排澇措施實施狀況。基于該理論框架，通過布設流域綜合治理多種工程與非工程措施，促進每個控制單元不斷克服“短板”、提升效率。在提高內部性方面，各個單元通過水資源合理配置與優化調度，盡可能提高流域控制單元內部最薄弱環節的效率，實現經濟社會用水的安全性、生態用水的可靠性、景觀文化的延續性；在降低外部性方面，各單元盡可能減少控制單元水資源開發利用過程所帶來的突出效應，如洪災與內澇危機、生態破壞與環境影響，從而提升系統的整體效應。

1.2 基本原則

流域綜合治理方案制定應始終堅持流域統籌、單元控制、系統均衡三大基本原則，尋找流域綜合治理的優化解決方案，促進流域人水和諧與生態文明。其中，流域統籌是實現流域綜合治理目標的前提條件，單元控制是流域綜合治理落地的基礎支撐，系統均衡是從單元到流域、從局部到整體優化的過程要求。3個原則互聯互饋，不可分割。

a. 流域統籌原則。流域以水循環為紐帶驅動水污染、水沙、水鹽、水生態等物質和能量循環，是維持生態環境系統平衡的載體，也是水問題產生和治理完整的自然地理單元。堅持流域統籌的原則，流域綜合治理應總覽流域全局，實現科學安排與通盤籌劃，具體包括上下游、干支流、水域與陸域、城市與農村等多空間辨識，水安全、水資源、水環境、水生態、水景觀以及水文化等多要素統籌，洪水澇水、產污積污、雨水控用、用水耗水、排水回用等多過程診斷以及源頭減排、過程阻斷、末端治理等多措施統籌等。

b. 單元控制原則。將流域分解成若干小流域，形成多個基本計算單元，有利于促進流域綜合治理方案確定的針對性和操作性，提升流域治理的網格化、精細化程度[17]。按照流域特征與水問題特點，兼顧干支流、上下游以及左右岸的關系，將復雜的流域劃分成既相互獨立、又相互聯系的基本單元，為流域綜合治理措施的落實和管理提供支撐，如龍崗河、坪山河兩河流域綜合治理方案中進行了3級劃分共計28個控制單元[5]。流域各計算單元采用分散式生態治理模式，盡可能做到雨洪立體分滯與平衡、污染物的產生和削減平衡，把洪水、污染盡量削減在本地。通過集中與分散結合的方式，把水資源利用、污染物與洪水的“產生-收集-處理-利用”過程結合起來。

c. 系統均衡原則。運用系統思維、平衡法則，通過不同時空條件下各控制單元相互依存、相互作用和相互反饋，促進系統整體達到和諧、均衡狀態。如坪山河流域上游支流的生態補水通過匯流關系對下游干流的生態水量帶來影響，通過比較不同水源(如水庫水、再生水)補水方式帶來的生態流量改善效果與經濟成本大小，可確定上游單元、干流單元各補水方式的優先權[18]。由于流域中每個單元中污染負荷來源和數量、治理成本、雨洪強度與過程、生態系統結構與需水特征等方面存在差異，可采取聯防聯治策略，使得邊際成本和邊際效益保持動態均衡，促進系統整體達到最優狀態。

2 流域綜合治理方案制定的層次化技術框架

流域綜合治理作為復雜動態大系統，具有要素眾多、層次復雜、關系錯綜以及目標功能多樣性的特征[3]。基于流域綜合治理的大量實踐，以流域面臨的水問題為導向，提出流域綜合治理方案制定的技術框架，由機理識別、量化模擬、規劃集成、實施安排4個層次構成，如圖1所示。這些不同的層次之間相互作用、耦合關聯、動態反饋，其中，機理識別(L1)是指科學認知流域水循環規律，是流域綜合治理方案確定的基礎和前提；量化模擬(L2)為流域綜合治理規劃的調控閾值辨識、不同方案措施的效果評價提供定量技術支撐；規劃集成(L3)通過閾值識別，在專項規劃基礎上進行整合與權衡，提出流域綜合治理總體規劃策略，為流域綜合治理方案確定與實施提供指導與方向；實施安排(L4)是指通過權衡流域綜合治理各項措施的經濟性、有效性和可操作性，優化確定流域綜合治理具體的工程與非工程解決方案、實施安排與保障措施，是流域綜合治理方案制定的最終產出。

2.1 流域水循環及其伴生過程機理識別與問題辨識

流域水循環及其伴生過程機理識別與問題辨識，是流域綜合治理方案制定的基礎。從流域的視角，廣泛收集流域社會人口、經濟發展、土地利用、河湖水系與生態系統、氣象水文、地理地貌、暴雨洪水過程、城市內澇特征、景觀文化特征等長系列數據與資料，對流域水資源開發利用、流域污染負荷狀況、河湖斷面水質演變過程、生態系統結構與功能、生態流量保障狀況[19]、防洪與內澇防治體系、水景觀與水文化等演變特征與現狀規律進行解析，識別迫切需要解決的流域水問題。在此過程中，除借助已有的歷史統計數據與資料報告外，必要時進行現場調查與勘測，選取代表點進行取樣化驗，有效利用遙感、地理信息系統等現代分析技術已成為趨勢。

2.2 流域綜合治理量化模擬系統構建

基于流域水循環及其伴生過程的機理識別與問題分析，構建流域綜合治理的定量模擬系統平臺，為合理預測流域水循環及其伴生過程的發展趨勢、設定流域綜合治理調控閾值、評估綜合治理方案的效果提供平臺。該平臺通常包括流域水量水質子模型、面向生態的流域水資源配置子模型、流域洪澇風險評估子模型、流域綜合治理調控措施優選子模型等多個組成。不同子模型之間通過參數、輸入與輸出變量進行耦合關聯，從而體現了流域社會經濟系統與資源環境系統之間的動態反饋關系[20]。在流域社會經濟發展、水文、水資源開發利用、污染防治、防洪排澇、生態系統修復與治理、水管理與水文化特征分析的基礎上，利用該平臺可以對流域水循環過程及其伴生的水污染、水生態過程進行模擬和預測，得到流域污染物遷移轉化與平衡關系、流域洪水過程與內澇風險分布、流域生態用水過程等量化結果。此外，利用該平臺可得出流域不同時期、不同要素、不同過程的調控閾值，并支撐流域綜合治理措施實施效果的定量評價。

圖1 流域綜合治理方案制定的技術框架

2.3 流域綜合治理專項與總體規劃

在機理識別和量化模擬的基礎上，進行多專業的綜合集成，開展流域治理專項與總體規劃，通常包括如下內容：①針對流域面臨的突出水問題，量化流域綜合治理的目標，根據實際情況需要分近中遠期并分要素(如水資源、水環境、水生態、水文化、水管理等)提出；②基于流域的水系特征與管理要求，劃分控制單元；③依據分要素設定不同控制目標，借助流域綜合治理量化模擬系統，識別流域多個控制閾值(如用水總量、耗水總量、排水量、各污染物入河量、徑流控制量等)；④綜合水文水資源、水環境、防洪排澇、水生態等多要素的專業知識，以問題為導向進行各專項規劃，具體包括流域水污染防治與水質提升規劃、面向生態環境提升的多水源水資源配置規劃、流域防洪排澇安全保障規劃以及流域水文化與水景觀體系規劃等；⑤在各專項規劃基礎上，運用復雜大系統控制理論，通過歸類整合、措施綜合等，匯總形成流域綜合治理的總體規劃，分控制單元、分要素、分時期確定總體調控指標要求，并提出流域綜合治理總體規劃體系與策略。

2.4 流域綜合治理的實施安排與效果評價

基于流域綜合治理專項與總體規劃，權衡流域綜合治理中多種措施的經濟性、有效性和可操作性，優化提出流域綜合治理實施安排,通常包括：①基于流域綜合治理的目標，將規劃內容進一步細化到工程措施與非工程措施，進行各項措施的技術、經濟參數的信息獲取與適用性分析，注重單項技術和集成技術的靈活運用;②借助流域綜合治理量化模擬系統(L2)，進行不同方案(如源頭減排、污水處理、生態修復、生態補水等)的組合優化與效果評估。通常需要構建評價指標體系(如彈性指標、可靠性指標、穩健性指標、經濟性指標等)，進行多目標優化或權衡。可借助線性與非線性動態規劃、人工神經網絡、多目標遺傳算法等方法求解最優方案或非支配解的帕洛托前沿方案[21]。如，Su等[22]構建了流域穩健性指數(robustness index)最大化和經濟成本最小化的污染負荷控制優化模型，以云南滇池為例采用NSGA-II算法進行求解，給出了流域不同污染控制方案條件下的帕累托目標函數前沿，對流域綜合治理總體目標與分項目標的實施效果(如水質、缺水程度、防洪、內澇等多要素)進行動態評價;③根據流域綜合治理方案的優化結果，分控制單元、分要素、分時期確定流域綜合治理的工程與非工程方案(如流域水污染源頭減排、過程阻斷與末端治理方案，基于海綿流域的防洪除澇整治方案，面向水生態環境改善的多水源水資源配置方案，流域水景觀與水文化體系建設方案，以及智慧流域平臺建設方案等)，并進一步給出工程項目布局、投資要求、任務分解、進度安排與保障措施等。

3 流域綜合治理方案制定的趨勢展望

3.1 提升不確定條件下機理認知與量化模擬的可靠性

在機理識別與量化模擬層面，由于流域具有土地空間異質性以及人類社會經濟活動的動態性，流域綜合治理往往以流域水循環為主線，涉及水資源、水環境、水生態等多要素、多過程的內容，其方案確定日益注重多專業(如環保、水利、市政、生態、景觀等)的配合與技術整合。受到該系統固有的復雜性特征的影響，流域綜合治理的機理認知與量化模擬依然存在著極大不確定性，主要包括：①不可預測性，即信息缺失條件下無法預測復雜系統存在最優的狀態[23];②不可量化性，即模型結構和參數由于流域系統過于復雜或認知能力有限而無法很好量化[24]。這種復雜性使得綜合治理機理識別過程中無法有效利用基于一致性假設的頻率分布或主觀概率分布信息[25]。當前流域綜合治理方案的風險分析尚未包含在流域綜合治理方案制定中，通常借助量化系統開展確定性條件下方案的可達性評價，導致在實際復雜變化環境條件下方案執行后無法達到預期效果。如何借助大數據、云平臺，充分利用GIS與遙感信息，構建面向不確定性、具有動態適應性的流域綜合治理機理認知與量化模型，從而輔助流域綜合治理方案的確定和優化，將成為未來研究與實踐的重要趨勢[22]。

3.2 構建傳統與新興技術綜合權衡的規范化體系

在實施安排與效果評價層面，除了傳統流域治理技術外，未來隨著科學技術的進步與環保產業的發展，節水控源、截污系統、污染處理、生態治理、生態修復、生態補水、生態疏浚等領域的新技術、新產品和新工藝不斷涌現[26]，特別是綠色基礎設施的興起和發展[27]，為流域綜合治理整體解決方案的確定提供了多種技術選擇。流域綜合治理的新產品、技術與設備通常具有見效快、成本低等特點，但在不同流域的適用性、穩定性方面仍需深入論證。在流域綜合治理方案確定過程中，需要因地制宜地進行適用性技術、前瞻性技術的綜合集成與協調，實現新舊技術的優勢互補，為流域綜合治理發揮長效提供技術支撐。基于不同流域社會經濟與自然條件特點，應構建規范化的適用技術清單，建立兼顧經濟成本、技術效果、可靠性與靈活性等多目標的技術綜合評價體系[28]，指導眾多候選技術的綜合比選，為流域綜合治理方案制定規范化發展提供支撐。

3.3 引入多主體市場化機制，構筑延伸產業化鏈條

在實施安排與效果評價層面，流域綜合治理方案涉及多項工程措施與非工程措施。在政府主導條件下，通過宣傳教育鼓勵社會公眾、企業與其他利益相關方共同參與，發揮其在信息收集、效果評估等方面的積極作用，有利于構建流域綜合治理的長效機制。如，永定河流域治理利用市場化模式進行運作，由京津冀晉4省市政府及中國交通建設集團有限公司共同組建“永定河流域投資有限公司”，負責方案的總體實施和投融資運作[29]。在流域綜合治理方案制定過程中，應在政府嚴格監管下，推進市場化、產業化運作，不斷延伸相關產品與設備采購以及技術服務的產業鏈條。通過政府與社會資本合作模式，促進各利益方參與并實現共贏，代表性的流域綜合治理公私合作PPP市場化模式有EPC總承包模式、BOT模式、TOT模式等[30-31]。其中，EPC總承包模式通常具有資金風險小，便于工程管理、進度控制的特點，在流域綜合治理方案制定中得到應用。此外，流域生態補償作為重要經濟政策和管理制度，在流域綜合治理方案制定中日益得到發展，為流域上下游利益共贏提供了市場化途徑[32]。

4 結 語

宏觀尺度的可持續發展理論、中觀尺度的流域“自然-社會”二元水循環理論以及微觀尺度的“木桶理論”，是流域綜合治理方案制定的基礎理論依據。應始終堅持流域統籌、單元控制、系統均衡三大基本原則，以不同流域面臨的突出水問題為導向，按照“機理分析、量化模擬、規劃集成、實施安排”等層次化的科學邏輯，因地制宜地制定與組織實施流域綜合治理方案，從根本上促進流域人水和諧與生態文明建設。流域綜合治理系統具有復雜動態大系統的基本特征，其方案制定依然面臨極大的不確定性。如何有效提升不確定條件下機理認知與量化模擬可靠性、如何構建傳統與新興技術綜合權衡的規范化體系，以及如何引入多主體、構建產業化鏈條建立長效機制，已成為我國未來流域綜合治理方案制定關注的難題與挑戰。借助大數據、云平臺，充分利用GIS與遙感信息，研發具有動態適應性的流域綜合治理機理分析與效果評價模型平臺，構建規范化的適用性技術清單，建立考慮經濟成本、技術效果、可靠性與靈活性等多目標的技術評價體系，以及通過資本合作模式促進政府、企業與社會公眾等利益方積極參與并實現共贏，已成為流域綜合治理方案制定的重要發展趨勢。