水基礎設施韌性及提升途徑初步分析

曹建廷，邢子強

(水利部水利水電規劃設計總院，北京 100120)

水基礎設施在保障供水和防治水旱災害中發揮重要作用。加強水利基礎設施建設，提升水資源優化配置和水旱災害防御能力，仍是未來較長時期水利發展的重要任務。目前水基礎設施的規劃、建設和運行管理通常是在來水情景穩態假設下進行，對應對未來變化環境下不同情景考慮不充分。具有韌性的水基礎設施能夠應對未來不同變化情景。結合國內外不確定條件下的決策和韌性概念進展相關研究，本文梳理了韌性的概念，分析了水基礎設施建設考慮韌性的必要性，提出了加強水基礎設施韌性的途徑，以期完善水基礎設施規劃設計，提高我國水基礎設施韌性，有效應對氣候變化等不確定性的影響。

1 韌性的概念

現代韌性(resilience)的概念基于工程、生態學和運籌學三個領域的深刻見解。國內有些學者把這一概念譯為彈性、恢復力、適應能力等。本文借鑒城市韌性、經濟韌性等現代較普遍的應用，對這一術語表述為“韌性”。工程韌性來源于工程力學，是最早被提出的認知韌性的觀點，這種認知觀點最接近人們日常理解，即韌性被視為一種恢復原狀的能力。但現實應用中已經不同于簡單的工程項目的韌性，而是指系統整體所具有的工程韌性的特征。工程韌性強調在既定的單一平衡狀態周圍的穩定性，因而其一般通過系統對擾動的抵抗能力和系統恢復到平衡狀態的速度來衡量，有些學者也以系統的不能充分發揮其功能的失敗概率，以及在失敗狀況下恢復正常運行水準的時間衡量。工程韌性強調保持穩定的能力確保系統有盡可能小的波動和變化。

生態韌性是從生態系統的運行規律啟發而產生，系統可以存在多個而非唯一的平衡狀態，擾動的存在可以促使系統從一個平衡狀態向另外的平衡狀態轉化。諸多學者意識到韌性不僅可能使系統恢復到原始狀態的平衡，而且可以促使系統形成新的平衡狀態。生態韌性可以被視為系統即將跨越門檻前往另外一個平衡狀態的瞬間能夠吸收的最大的擾動量。生態韌性強調系統生存的能力，而不考慮其狀態是否改變。

在生態韌性的基礎上，隨著對系統適應性循環和跨尺度的動態交流效應等認知的進一步加深，學者們又提出演進韌性，即韌性不應該僅僅被視為系統對初始狀態的一種恢復，而是復雜的社會生態系統為響應壓力和限制條件而激發的一種變化、適應和改變的能力。演進韌性是與持續不斷的調整能力緊密相關的一種動態的系統屬性。現階段韌性的理念主要著眼于社會生態系統方面。

韌性來自系統的“本體”—其組成、配置和相互作用，使系統在擾動下能夠保持在預期的變化范圍內的連貫“功能”，系統的功能可理解和衡量為生成特定服務和產出。對韌性的系統而言，可有3種能力來表征。

(1)持久性：它能夠在不改變系統特性的情況下，對沖擊和不斷變化的脅迫作出反應，保持連貫的功能。

(2)適應性：通過改變系統的特性以適應脅迫和變化，并保持原來功能的能力。

(3)可轉換性：當超出臨界點而無法維持其先前狀態時，系統具有更改特性和建立新的穩定功能的能力。

水基礎設施韌性可理解為水基礎設施在承受或面臨氣候變化和人類活動等不同脅迫下，具有繼續保持其關鍵功能或提供服務的能力。例如一個具有韌性的水基礎設施系統不僅在常態氣候波動下而且在極端洪災或干旱事件下能夠維持供水、水質處理以及廢水和雨水排放等服務功能。

2 水基礎設施建設考慮韌性的必要性

水基礎設施在保障供水和防治水旱災害中發揮重要作用。截至2018年年底，全國已建成5級及以上江河堤防31.2萬km，已建江河堤防保護人口6.3億人；已建成各類水庫98822座，水庫總庫容8953億m3，水庫工程的供水能力2324億m3。未來隨著我國現代化建設進展的不斷推進，仍需加強和提升水基礎設施的基礎保障作用。

氣候變化對水基礎設施保障增加新的挑戰。從全球而言，氣候變化、人口增長、城市化及土地利用變化將主要影響世界各地的水系統。據IPCC第五次評估報告，氣候變化造成極端氣候事件增加，改變水文過程變化，增加水系統調控的復雜性，對保障防洪安全、供水安全影響、防治干旱災害提出新的挑戰。我國氣候類型復雜多樣，大陸性季風氣候特點顯著，水旱災害嚴重。如1998年長江發生全流域型的特大洪水，2009—2010年我國發生西南五省冬春連旱，2013年南方大范圍嚴重伏旱等特大旱情。我國降水時空分布極不均勻，當前新老水問題突出，氣候變化使我國水系統管控更趨復雜和嚴峻。應對氣候變化影響，保障經濟社會發展的用水需求，降低自然災害風險，需要加強水系統的規劃，提升水系統的保障能力。

多年來，處理自然氣候波動和防治水旱災害規劃問題作為水系統規劃設計的重要內容，迄今國內水系統規劃方法，沒有充分考慮未來社會經濟許多條件的不確定性，氣候變化使系統設計依賴的氣候水文波動的穩態假定條件不再有效，進一步加劇了這種不確定性。大量科學證據清楚地表明，過去的歷史記錄本身可能不再是當前和未來氣候的可靠參考，氣候變化對包括與極端天氣有關事件的區域氣候預測影響具有非常大的不確定性。例如，與現有歷史數據所揭示統計規律不同，50年一遇的暴雨可能已經以更高的頻率發生，未來干旱的強度或持續時間可能與歷史記錄的干旱有很大的不同。但是，目前包括全球氣候模式預估等科學研究，還不能準確預測這些氣候變化性質。

對水系統而言，氣候變化正在造成這種情況，即目前的一些涉水標準已變得不太可靠，無法滿足指導解決未來不確定情景的要求。因其僅依賴于歷史數據，不包含未來的變化數據，水基礎設施設計基礎的統計方法已變得不適當，這可能損害水基礎設施韌性，從而降低短期和長期的可靠性和運作效率，導致大量資產閑置，并給流域利益相關者帶來嚴重后果，并對地方經濟、國家資源安全和國家經濟增長有直接影響。除氣候變化外，水基礎設施規劃的未來基礎條件，如土地利用方式、經濟增長或人口趨勢等許多條件的評估也不能視為準確的預測，其存在較大不確定性。

應對未來氣候變化影響、經濟社會發展等不確定性，實現重大水利工程的長期經濟效益，保障其運行性能的可靠性，降低基礎設施投資的風險，需要提高水基礎設施的韌性。韌性理論有助于從系統的功能和變化理論以更寬廣視野考慮極端氣候事件對基礎設施的災害和沖擊。

3 加強水基礎設施韌性的途徑

3.1 水基礎設施韌性規劃

對水基礎設施進行韌性規劃，是將如何采取最適當的措施來增強水基礎設施韌性的問題。迄今為止，傳統的規劃方法尚未考慮到許多未來條件的巨大不確定性，氣候變化進一步加劇了這種不確定性。如為了幫助市政供水公司在其選擇方案中納入韌性的措施，世界銀行提出建設供水和衛生基礎設施建設應對氣候變化等其他脅迫的路線圖，并基于深度不確定性下決策方法提出三階段流程。此流程也適用于水基礎設施規劃，即把水基礎設施作為系統，通過不同情景的壓力測試，加強系統的韌性規劃，其三階段說明如下。

階段1：實現認識系統。該過程從參與式工作開始，建立一個廣泛的團隊(包括規劃者，運行者和其他利益相關者)，該團隊將確定：水系統中存在的問題和關鍵要素；可能影響這些要素的潛在威脅，以及單一要素或各要素失敗的后果；公用部門希望達到的績效目標；以及可用的解決方案。此階段還確定后續階段要使用的工具、數據和模型。

階段2：識別脆弱性。分析人員(內部專家或外部顧問)將使用在第一階段中收集到的信息對可能變化范圍指標不同情景進行壓力測試，并評估系統在不同條件下的績效指標。首先針對系統(現狀)進行此操作，然后針對不同的可能情景方案及其組合完成測試。根據階段1中確定的績效目標來評估績效情況。壓力測試結果闡明最有可能導致系統無法實現一個或多個目標的條件，這些條件通常概括描述為產生成功或失敗的各種因素組合的情景。在壓力測試基礎上，分析人員還確定了在相同情景范圍內減少系統脆弱性并提高整個系統和關鍵要素績效的選項。

階段3：選擇行動方案。分析人員將對在第2階段情景下確定的不同選項進行分析，組織成具有的韌性和靈活性的策略，確定在實現既定目標情況下不同選項的權衡取舍。這些選項應包括認真監控需要關注的條件，如監測跟蹤要素情景變化導致系統績效不可接受的條件。

作為所有這些步驟的組成部分，針對當前的脆弱性、備選方案和不同方案的權衡取舍，分析人員向管理部門和其他利益相關者征求意見，最終確定一個可行的韌性的規劃。根據項目的復雜性，確定與利益相關者進行一輪或多輪的參與性工作，以完善目標或調整決策者可以選擇的方案。這顯示規劃過程存在一定循環,如圖1所示。

圖1 提高韌性水基礎設施規劃流程

3.2 現有水基礎設施的評估和維護

認識基礎設施系統是保障基礎設施安全和服務質量的基礎。對現有水基礎設施的評估，全面認識基礎設施系統意味著：①以綜合分析不同的系統構成，及其對不同風險的敏感性，評估它們將在什么條件下發生故障，故障將產生什么影響，以及這些影響對提供服務功能的影響。②識別可能的備選措施，確定關鍵的鏈接和節點，并制訂確保服務可靠性的適當解決方案。對現有水基礎設施的評估也有助于確定采取不同措施的優先級，提高現有基礎設施的服務水平，并在關鍵構成組件故障風險發生時維持一定的服務水平。

加強現有水基礎設施的維護，減少脆弱性并提高水基礎設施韌性。例行和定期維護活動對于系統韌性至關重要。在正常情況下，定期維護活動不僅可以確保系統正常運行，而且還可以避免在正常運行期間系統組件的損壞。因此，維護保養可以延長系統的使用壽命，并隨著時間的推移增加其服務績效。

適當地系統維護通常與較低水平的輸水損失有關，提高水基礎設施的維護，不僅有助于增強水基礎設施韌性，而且還可以提高公用事業的財務可持續性。通過適當的運行維護可以避免大多數大壩發生故障的情況，這也將減少對大壩大修的需要。同樣，如果沒有適當的維護，應對氣候變化的適應性投資不太可能實現其預期的防洪和適應性效益。

3.3 綠色基礎設施建設結合

自然生態系統有能力提供或提高包括水的凈化和儲存、洪水管理、灌溉等水利基礎設施的核心服務功能。綠色基礎設施，有時也稱為自然基礎設施，指有意識或戰略性地保護、加強或恢復如森林、洪泛平原、河岸區域、海岸森林等自然生態系統的要素，這些要素提供涉水相關的服務功能，補充、增強或替代灰色基礎設施提供的相關服務功能。綠色基礎設施與傳統基礎設施有效結合，可以使傳統水利基礎設施更具有韌性。

在應對氣候變化和災害風險防控方面，國際社會日益重視基于自然解決方案和綠色基礎設施。美國城市也越來越多地將綠色基礎設施視為未來雨水管理的重要組成部分。舊金山市管理流域上游的雨水實際上是該市的優先事項之一，通過將更多的雨水排除在下水道外，提高排水系統應對暴雨洪澇的能力。在波蘭的奧得河(Odra) 和維斯瓦河(Vistula) 流域建立了多用途的洪水滯留區，減少汛期河流洪峰流量，提高防洪堤的韌性和績效，可有效防御1000 年一遇洪水。我國的海綿城市建設旨在通過一系列低影響的開發措施、利用城市綠化、濕地，結合傳統水基礎設施，減少暴雨洪澇的影響，提高城市排水設施的韌性。

3.4 創新應用

技術進步日新月異，技術創新為改善基礎設施的服務和增強韌性提供了很多機會。創新可以影響基礎設施韌性，表現在通過使用更具抵抗力的材料或需要較少維護的技術來提高基礎設施的韌性。如在市政供水的管道系統中，因高密度聚乙烯(HDPE)和聚氯乙烯(PVC)管等管材具有通用性并且易于運輸和安裝，其越來越多等得到使用。同時管道維修技術的進步，如使用機器人或傳感器通過聲波或從管道內部可視化檢測水壓變化，進行無開挖滲漏檢測，將進一步推動這種管道的應用。數字化還有助于公用事業對供水系統的優化和維護。準確的數據和遙感信息有助提高市政部門認識基礎設施系統的能力和響應性，從而規劃提升水基礎設施的韌性。如在拉斯維加斯，米德湖水位是采取各種水管理措施的觸發因素，在巴塞羅那，水庫水位也用于確定不同的供水來源組合。大數據還可以幫助市政部門對流量狀況和泄漏檢測進行分析，從而提前預測材料需求和管道更換，從而優化運營，避免浪費資源并增強業務連續性。

4 結語

在氣候變化背景下，維持或加強新的和現有的基礎設施韌性有效抵御自然災害對持續發展至關重要。通過加強水基礎設施的韌性規劃，加強現有水基礎設施運行維護，充分融合綠色基礎設施建設，加強新技術、新材料、新工藝的利用等途徑，可有效提升水基礎設施系統的穩健性和韌性，保持氣候變化背景下水基礎設施的服務功能和保障作用。國內目前對水基礎設施韌性研究還比較薄弱，對水基礎設施應對氣候變化影響分析主要采用氣候模型到水資源系統“自上而下”途徑。隨著對深度不確定性下決策制定認識深入，從系統和網絡的視角研究不同氣候變化情景下水基礎設施脆弱性，識別提高關鍵要素和系統整體韌性的途徑將進一步的發展，將會逐步應用到水基礎設施的規劃設計。