長江流域三水協同調控關鍵技術應用展望

張 萬 順，王 浩，周 奉

(1.武漢大學 中國發展戰略與規劃研究院，湖北 武漢 430079； 2.武漢大學 水資源與水電工程科學國家重點實驗室，湖北 武漢 430072； 3.武漢大學 資源與環境科學學院，湖北 武漢 430079； 4.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 100038)

0 引 言

長江經濟帶是具有全球影響力的內河經濟帶、東中西互動合作的協調發展帶、沿海沿江沿邊全面推進的對內對外開放帶，是中國人口與經濟重心所在，被譽為中國經濟的“金腰帶”、中國經濟的脊梁。打造“生態文明建設的先行示范帶”是長江經濟帶國家發展戰略的四大定位之一[1]。長江流域多年平均水資源量約占全國36%，是國家和全球戰略型生態寶庫。以長江黃金水道為依托，保護好長江流域生態環境，是推動長江經濟帶高質量發展的前提。當前長江流域干流水生態環境質量全面轉好，但仍面臨著水資源調控復雜、水環境污染頻發、水生態風險突出等三水難題[2]。堅持生態優先、綠色發展，以水循環為紐帶，統籌推進長江流域水資源、水環境、水生態協同治理，是十四五時期實現高質量發展的重要路徑。流域自然與社會水循環在循環通量上此消彼長，在循環過程上深度耦合，在循環功能上競爭融合，但水多、水少、水臟、水渾依然是阻礙長江流域綠色高質量發展的瓶頸[3]。其根本原因是將水循環、水生態、水化學和水沙過程進行分離式管理，未能充分融合多過程間的多向反饋作用機制，也忽略了水循環是主循環和主驅動的客觀事實[4]。過去水生態環境保護以污染治理為主，主要為水資源、水環境、水生態單一要素與“水資源-水環境”雙要素耦合，治理策略上存在機理分析不足的短板。針對長江流域生態文明建設戰略需求，新時期應從流域生態系統的整體性、系統性及問題靶向性出發，向“水資源-水環境-水生態”流域多要素統籌推進、協同治理、精準調控轉變，在新形勢下亟需構建“優化水資源調控-改善水環境質量-修復水生態系統”的三水協同調控技術體系，數字賦能提升水生態環境精準管控水平，是實現長江流域水生態環境由量變到質變的轉變與協調推進長江流域高質量發展的關鍵抓手。以水生態環境高水平保護促進長江經濟帶經濟社會高質量發展，推動實現長江流域“五江共建”的生態文明建設新格局。在此背景下，本文深入分析了長江流域三水存在的問題及協同調控面臨的挑戰，提出了三水協同調控作用機制剖析、調控手段策略以及智慧化建設等三水協同調控關鍵技術體系的創新和應用。

1 長江大保護三水調控舉措及成效

長江大保護實施以來，自2016年起陸續發布了《長江經濟帶發展規劃綱要》《長江經濟帶沿江取水口、排污口和應急水源布局規劃》《長江保護修復攻堅戰行動計劃》等，隨著水資源方面的“飲用水源和應急水源安全保障、水資源配置優化”，水生態環境保護治理方面的“化工污染治理、排污口排查整治、‘三磷’污染治理‘4+1’工程、農業面源污染治理和十年禁漁”等關鍵措施的踐行，長江流域水資源利用效率得到有效提升、干流水質全面轉好、水生態修復得到明顯改善。

(1) 水資源管控成效顯著。長江流域實施最嚴格水資源管理制度以來，通過水資源消耗總量和強度控制“以水而定”，促進流域經濟社會“量水而行”，長江流域水資源開發、利用、治理、配置、節約、保護管控成效顯著。長江流域2021年萬元GDP用水量、萬元工業增加值用水量、農田灌溉畝均用水量、城鎮人均生活用水量分別達50.1，48.2，406 m3和255 L/d[5]，萬元GDP用水量和萬元工業增加值用水量相較2016年分別下降了34.01%和32.11%，工業用水效率提升明顯，農田灌溉和城鎮居民生活用水效率也逐見成效。

(2) 水生態環境明顯改善。通過建立長江流域水生態考核機制，實施生態保護紅線、嚴治化工圍江、控制污染物排放許可制、長江十年禁漁計劃等多項生態環境保護舉措。長江流域水環境保護在對污染濃度進行限制的基礎上進一步明確了長江環境保護的總體目標和區域污染的總量控制，用約束性目標管理來倒逼經濟轉型，由污染防治的末端治理方式向污染過程控制和源頭控制轉變。入河排污口溯源完成率達80%以上，完成了污水直排亂排的排污口7 000多個、存在問題的“三磷”企業281家和尾礦庫1 641座的整治工作；2021年長江流域監測的國控斷面中Ⅰ～Ⅲ類水質斷面占97.1%，《長江保護修復攻堅戰行動計劃》明確的劣Ⅴ類國控斷面于2021年底全部消除，干流和主要支流水質均為優；地級及以上城市建成區黑臭水體基本消除；實現了重點跨省河湖生態流量保障體系全覆蓋[6]。長江流域水生態環境質量改善明顯，魚類資源呈恢復跡象。

2 長江流域存在的三水問題與挑戰

長江流域梯級樞紐的建成運用等人類活動的短期影響和氣候變化的長期影響對水資源、生態生境等水生態環境累積影響深遠[7]，長江流域水資源利用開發、水環境保護、水生態安全和水旱災害防治等目標下的三水協同治理與精準調控面臨著新挑戰。

2.1 三水問題

(1) 水資源節約集約利用存在短板。長江流域水資源時空分配不均，地區季節性、水質性缺水問題嚴重。受工程影響范圍、流域地質條件、操作技術難度等因素的影響，長江流域水工程調節能力存在短板，干支流水庫群防洪-水資源-水環境-水生態等多目標聯合優化調度體系尚需完善[8]。部分地區枯水期降雨量不足全年15%，枯水年和枯水期部分支流區域間、生活生產與生態用水、流域內用水與跨流域調水還需要統籌協調[9]。流域用水總量控制指標未完全分解落實到河流水系等空間單元上，生產、生活、生態空間布局需要進一步優化[10]，各行政區水量分配份額、水資源控制紅線需要明確等。當前長江流域城市供水管網漏失率約18%，灌溉水有效利用系數約0.52，節水技術有待提升完善，先進的節水經驗、模式和行為規范有待推廣，水資源利用效率仍有較大的提升空間。

(2) 水生態水環境問題依然突出。長江流域水生態水環境總體情況有所改觀，生態質量總體優良，生態安全屏障基本建成。但多地環境基礎設施欠賬較多，整改成效不確定、生態問題存在反復[11]。干流城市江段以及部分支流水域仍受不同程度的污染，流域內部分水源水質出現有機污染，多地區水源地水質不達標；長江干流局部江段及其支流烏江、岷江、沱江磷超標問題突出；平原河網地區河道流動不暢，淺層地下水水質總體較差；城市水體黑臭現象未完全消除。流域內多數湖泊為輕、中度富營養化，滇池、洞庭湖、鄱陽湖、巢湖等重點湖庫營養化水平仍處在較高水平，三峽庫區部分支流庫灣水體處于輕度富營養化。在長期圍湖造田、挖沙采石、水電站建設等人類活動影響下，長江流域水生態功能退化依然嚴重，部分河道生態流量保障不足，濕地、湖泊面積萎縮，水生生物多樣性持續減少。

(3) 防洪抗旱減災存在薄弱環節。隨著三峽、南水北調東中線、干流堤防加固等流域骨干性工程陸續建成，長江流域已經基本形成現代化長江防洪減災體系。長江重要支流、湖區重點圩垸堤防防洪能力偏低，防洪標準和工程生態化水平提升需求迫切，防洪抗旱減災仍存在薄弱環節。受水文循環改變的影響，水資源時空分布不均現象愈發明顯，長江流域多地區發生干旱災害，長江流域發生極旱和重旱事件分別約為25～50 a一遇、5～15 a一遇；2022年遭遇了1961年以來最嚴重的氣象干旱[12-14]。防洪工程建設與運行阻隔水系橫向、縱向連通，急需堤防生態化改造；蓄滯洪區圍堤、進退洪設施建設滯后，難以實現“分得進、蓄得住、退得出”的要求；中小河流與病險水庫治理、山洪災害與風險防控仍需加強。現有工程管理信息化程度不高，監管壓力大，防洪抗旱體系聯合調度信息化支撐不足。

2.2 三水協同調控面臨的形勢與挑戰

(1) 水沙形勢和江湖關系變化帶來的持續影響。長江流域內已建成水庫5.19萬座，總庫容達4 141億m3，極大緩解了防洪減災、水資源綜合利用等需要。受長江上游來沙大幅度減少及三峽水庫攔沙的影響，長江上游進入中下游河道的泥沙大幅度減少、干流河道發生長距離大幅度沖刷，2003～2018年三峽水庫共淤積泥沙17.43億m3，宜昌站多年平均輸沙量較2003年前均值減少了93%，2003～2018年宜昌至長江口徐六涇江段共沖刷泥沙約43億m3；三峽水庫建成以來長江與鄱陽湖水量交換出現明顯差別，湖口9月出流明顯增加。長江干流和主要支流的水沙過程已受到人類調控的強烈影響，長江中下游的水沙關系和江湖關系已發生顯著變化并將持續變化。

(2) 人類活動和全球氣候變化帶來的新挑戰。長江流域經濟發展過程中城市化、工業化、污染排放和水資源開發利用等強人類活動導致流域水環境水生態發生了深刻變異。受全球氣候變化的影響，長江流域河流徑流量表現出明顯的上升趨勢；在氣候變暖背景下，水資源量在時空分布上的變化會改變地表水環境，導致湖泊富營養化加重。隨著微-小-中-大多層次防洪工程、水環境污染控制工程、水生態修復工程等建設運用，長江、漢江等流域防洪抗旱減災能力和水生態環境質量明顯提升。但人類活動與全球氣候變化影響下洪澇干旱及水生態環境風險發生可能性、機理過程復雜性、高時空變異性、驅動因子綜合性等持續增大，對長江流域三水協同調控帶來新挑戰。

(3) 高質量發展下水資源水環境水生態協同治理的新要求。長江經濟帶要走出一條綠色發展前提下的高質量發展之路，其重大原則是保護和發展協同推進，要嚴守以水量、水質、水生態要素為核心的流域生態保護紅線，山水林田湖草系統綜合治理，促進流域生活、生產和生態空間協調發展。在治江思路上強調人與自然的和諧相處，統籌陸域-水域、河流-湖庫、干流-支流、上下游、左右岸，需嚴格保障生態的用水需求，落實水資源的剛性約束，強化流域生態系統修復和環境治理，優化水工程調度，推動共治、共管、共享。

(4) 水利治理體系和治理能力現代化建設提出的新任務。國家“十四五”規劃綱要明確提出，構建智慧水利體系，以流域為單元提升水情測報和智能調度能力；國家“十四五”新型基礎設施建設規劃明確提出，要推動大江大河大湖數字孿生、智慧化模擬和智能業務應用建設。數字流域和智慧水利是實現水利信息化、現代化的主要手段，長江流域需要進一步整合“智慧長江”概念，進一步落實智慧化、精準化環境治理重要指引，深化5G、物聯網、大數據、云計算、人工智能等新技術在三水協同調控中的應用力度[15]，以智慧化手段賦能三水管理，實現對水利數據的采集、儲存、傳輸、分析和管理，穩固推進長江流域三水調控現代化變革，創新現代化的高效能三水智慧化調控體系與體制機制。

3 三水協同調控關鍵技術應用展望

人類活動和氣候變化對流域水循環及其伴生過程的影響逐漸增加，長江流域水生態環境時空差異性高、涉水對象多樣、機理過程復雜。面對流域三水融合協同共治及其靶向精準治理的現實需求，針對“山水林田湖草”系統治理思想，以及“水資源-水環境-水生態”三水融合提升的基本思路，明晰三水互饋耦合作用機制、創新三水耦合綜合模擬技術、建立三水協同共治與精準調控策略、建設智慧化管控體系(見圖1)，是長江流域三水融合協同共治及其靶向精準治理亟需突破的難點與挑戰。

圖1 長江流域三水協同調控技術體系Fig.1 Key technologies for synergistic management of “water resource-water environment-water ecology” in the Yangtze River Basin

3.1 三水互饋耦合作用機制剖析

明確氣候變化與人類活動作用下流域水循環及其伴生的水環境和水生態演化過程變異及交互影響機制，以及人工調控互饋耦合作用機制，是當前科學界亟需回答的難題。在流域三水互饋機理剖析方面，歐美等國家具有一定優勢，因環境問題差異大，環境復雜程度高，使得中國水循環機理研究無法直接套用，王浩首創了流域“自然-社會”二元水循環理論[16]，但仍缺乏對人類活動影響下物質與能量對三水互饋響應的精準刻畫。長江流域尺度大、地理特征多樣、開發利用模式多元，其流域三水問題關鍵因子難識別、時空特征難明晰、交互機制難厘清。深入開展三水融合機理剖析是實現長江流域三水協同共治與精準調控的基礎。應剖析氣候變化與人類活動作用下丘陵、平原、城鎮建成區等不同區域的水文水動力、水環境、水生態演化過程變異及其交互影響機制；研究不同區域水資源均衡、水環境改善和水生態功能提升的水文學、生物、化學、生態學原理；研究河湖三水統籌視角下節水增容、污染控制、生態修復等人工調控影響的水文水動力過程、水體理化性質與物理生境變化過程、水生生物生消過程互饋耦合作用機制，為三水融合綜合模擬和協調調控與管理提供理論支撐。

3.2 三水耦合綜合模擬技術

利用模型精準模擬不同時空尺度下三水融合過程及其伴生污染物的遷移轉化規律，在此基礎上進行精準調控是研究熱點與難點。當前流域尺度高效預報預警、快速響應的流域三水融合綜合模擬與精準調控模型體系欠缺。現有模型過程耦合不精準、計算時效性低、要素考慮不全面[15]，且模型機理與區域特征不完全匹配。需解析陸域單元-水域單元的累-產-滯-匯響應模式，破解單一劃分尺度使得流域內水利調控設施與河網體系的斷面-網格計算單元無法精準耦合、陸面和水域單元耦合時交界處的網格易缺失、大尺度氣象網格受劃分尺度大且時空連續性差影響下難以直接耦合至微小尺度次網格(邊界層網格和陸面網格)等難題。構建包括大氣-地表-土壤-地下等垂向過程、陸面-河道等水平過程和“取水-輸水-用水-耗水-排水-再生處理與利用-回歸”等社會水循環完整過程的水量-水質-水生態綜合模擬模型，并充分與云計算、大數據、物聯網等緊密結合，在結構優化、并行控制、實時擴容等方面實現高性能計算。支撐丘陵、平原、城鎮建成區及全流域尺度陸域單元產流產匯和斷面三水時空變化特征解析，進一步定量剖析陸域-水域的水量-水質-水生態響應規律。

3.3 三水協同調控手段與策略

流域三水聯合調度涉及利益群體眾多，交錯補水、競爭型取水關系復雜，考慮不同決策者間的利益權衡、優化尋找各種目標間的最優解，需確定統籌協調長江流域防洪、供水、生態環境保護等目標下發揮最大綜合效益的整體調控方式。當前調控措施上聚焦于保障水資源配置、預防洪澇災害、治理水環境污染和防范水生態風險等單一目標，且調控過程不精準、效果評估難量化。應基于流域三水協同調控分區分類、量質雙控、多元共治的技術-經濟-政策耦合優化機制，充分識別多水資源-零散污染源-多工程措施影響下陸域-水域分階段三水時空動態特征；創新流域分階段多目標全過程防控、全鏈條循環和全時空配置的節水增容-污染控制-生態修復分階段動態三水最佳治理技術模式；提出面向生態脆弱區水土資源涵養的水資源配置與生態修復優化組合調控模式，面向污染損傷水體環境修復的水資源配置、污染負荷削減、水生態功能強化的優化組合調控模式，面向河湖退化濕地修復的水資源配置與污染負荷削減優化組合技術等；通過流域三水融合調控技術的集成、歸納與凝練，揭示針對區域特征的供水保障、洪澇和水華防控、梯級調度等三水協同作用過程規律及其調控策略，形成流域三水協同精準調控技術基本范式。

3.4 三水協同調控智慧化建設

依托信息化手段提高三水質量、助推生態文明建設是仍需高度重視并持續發力的重要工作。長江流域現有水生態環境管理業務信息系統以單一業務自成體系，業務協同和信息共享不足，高性能計算等軟技術與硬件設施缺乏，致使水生態環境“四預”基礎薄弱；亟需推動環境管理模式由被動轉為主動，貫徹“齊抓共管”的流域管理新模式。亟需以流域三水及其伴生過程機理為基礎，著力推動物聯網、大數據、云計算、邊緣計算等新一代信息技術與三水協同調控深度融合，構建集數據、計算、管控、服務于一體的三水協同調控智慧化管理體系。

數據方面，建立資源共享、全面覆蓋、服務監管的三水物聯感知系統，優化全覆蓋監測網絡，提高流域三水綜合智慧化監測能力，促進數據資源整合和開放共享，創新流域水生態環境大數據創新應用模式。

智慧模擬方面，研發多源異構數據融合、同化及挖掘方法，開展三水預測預報技術研究和算法引擎及系統研發，依托大數據、物聯網、云計算、人工智能等技術，形成數據引擎和機理引擎耦合驅動的“空-天-地-水”多維度多過程水量-水質-水生態耦合模型、高性能計算、參數動態校準和全局尋優于一體的流域三水融合精準化快速模擬技術體系。

管控體系方面，在生態環境相關業務部門的統籌領導下，綜合各管理部門的需求，做好頂層設計，形成目標導向、集約化建設、平臺化應用、一體化服務、跨部門多業務協同的智慧化、精細化管控體系，構建集監測、評估、預警、調控、管理等為一體的三水融合管理平臺，為三水協同管控提供實時化、自動化、智能化、服務化和業務化的支撐。

服務方面，建立健全網格化、精細化管理與全過程考核機制，以“能監控、能研判、能指揮”為目標導向，細化規劃實施考核評估標準和目標；基于生態功能定位，以落實污染物達標排放要求為目標，實現控制單元污染物多級動態分配；實行全過程分階段考核，有效保障水環境、水資源、水生態安全，形成三水協同調控決策科學化、考核精準化、管理智慧化體系。

突破三水調控目標需求多樣、業務標準不一、管理效率低下、多依賴工程經驗的局限，以數字賦能實現流域三水協同智慧化管控，解決中國三水融合綜合模擬與調控的自主知識產權卡脖子技術難題，填補從數字流域到智慧流域建設以來的工具空白。

4 結 語

在經濟社會快速發展、水資源高強度開發利用、水生態環境保護未能協同跟進、氣候變化影響日益凸顯的多重脅迫作用下，長江流域面臨水資源保障形勢依然嚴峻、水污染風險仍將持續存在、水生物種多樣性和完整性受到威脅等挑戰，尚未實現水資源-水環境-水生態等多目標統籌治理、“人水和諧”與經濟協同高質量發展。經濟社會高質量發展與現代化治理體系等不斷對三水協同調控帶來新要求，“十四五”及未來一段時期，流域生態保護正在不斷向著機理深化、多尺度系統監測與模擬、社會經濟-自然綜合評價與管理對策等多維方向發展。亟需加強三水統籌視角下長江流域在跨流域調水工程對長江流域的影響及風險防控技術、長江流域用水總量控制關鍵技術等水資源節約利用與優化配置研究；長江流域重要河湖生態水量保障體系、長江流域梯級水庫群對水生態環境和水生生物等的影響及減緩措施、長江流域磷的分布與遷移及防控措施等水生態環境保護研究；變化環境下多尺度水文氣象預報技術、長江中下游防洪布局論證、極端洪旱災害及對策、新水沙條件下長江中下游干流河道綜合治理等防洪抗旱減災多方面研究。因此，需針對長江流域多尺度三水特征，建立和完善三水融合視角下協同調控理論與技術體系，形成以三水融合管理系統平臺為基礎的個性化精準模擬、知識驅動、數字賦能的三水協同調控智慧管理模式，為有效控制三水風險致災損失，達到流域三水量、質、效協同發展，實現長江流域三水協同高效利用管理提供有效技術支撐。加大力度、加快治理、加緊攻堅，實現精準識別、科學調控、依法管理。