构建干旱防备系统减免干旱灾害损失

李中锋 ，刘昌明 ，王红瑞

（1.北京师范大学水科学研究院，100875，北京； 2.水利部办公厅，100053，北京； 3.中国科学院，100864，北京）

干旱缺水既是对经济社会发展水平和发展能力的考验，同时也是对区域水资源管理水平与管理能力的考验。在干旱频发、多发、重发的背景下，传统水资源管理模式已经越来越不适应现代经济社会发展的需要。创新水资源管理模式，全面构建干旱防备系统（Drought Prevention and Preparedness System，DPPS），全力预防和减轻干旱灾害损失，已成为我国水利工作面临的一项十分重要的任务。

DPPS系统是融干旱的预防、准备、应对和评估等多个环节为一体的综合管理系统。这一系统主要由预防子系统和应对子系统两大部分构成，其中预防子系统包括水资源模块、水工程模块、供水能力模块和系统分析模块，应对子系统包括监测预警模块、用水需求模块、风险控制模块和系统评估模块。从各模块的相关性方面来说，主要存在着四种关系：一是独立性，二是依存性，三是差异性，四是互补性。这四种关系通过模块之间不同的交互和响应机制，使DPPS系统的各模块及各组件有机地联为一体，成为一个指向明确的大系统；在这一系统中，既有宏观的管理目标，又有保证宏观目标实现的微观操作任务。

一、DPPS系统的预防子系统

预防子系统包括水资源模块、水工程模块、供水能力模块和系统分析模块，这四个模块的主要内容分别是围绕水资源的自然分布情况、水工程对自然水资源的调蓄能力、面向社会不同地区和不同行业的供水保障能力以及自然水循环与社会水循环的差别分析这四个方面来展开的。干旱的主要矛盾是缺水，是人类经济社会正常生产、生活所需之水，与自然水循环以及现有的供水能力之间产生了明显的矛盾。解决这一矛盾的关键在于增加水的储备，保障干旱期水的供应。这一子系统的四个模块，其主要内容就是为了增加水的储备，保障水的供应。所以这一子系统的基本特征是从供水的源头上，避免干旱对经济社会系统产生不利影响，是可以避免和减轻旱灾危害的“免疫系统”（见图1）。

图1 DPPS预防子系统

1.水资源模块

受地理位置、降雨条件、地貌以及气候变化等因素的影响，水资源的自然分布在各地区、各流域差别十分明显，由此形成不同特点的气候带。在不同的气候带，水资源的形态分布、季节分布有着各自的特征。如极地气候带，水资源的形态以固体为主；温湿气候带，水资源的形态在液态和气态两方面均比较丰富；干燥气候带，水资源的形态则以气态为主。在季节分布上，有的地区四季比较均匀，有的地区则季节差别很大。干旱是某一地区水资源可供应量偏离正常分布值的概率事件。

目前，全球大多数地区可利用的水资源形态基本上是液态的淡水，淡水资源的开发与利用是很多地区当前面对的一个复杂而紧迫的难题。一个地区的水资源主要来源于自然降水，自然降水的一部分通过蒸发回到大气中，而另一部分通过汇集和下渗，转化为地表水和地下水。地表水和地下水之间，也可以进行补给和转化。

在水资源模块中，还有一个重要的因素是，我国相当一部分流域的城乡水资源与外流域的水资源关系日渐密切，地表水的数量不仅受自然降水的直接影响，而且也受跨流域调入水或调出水的影响。这在水资源模块的建立中，是一个应当考虑的重要外在影响因素（见图2）。

图2 水资源模块

2.水工程模块

自然降水以及转化后形成的地表水、地下水，在现代社会生产生活条件下，通常不能被人们直接利用，而是需要通过各种水工程先进行处理，然后才能分门别类地予以使用。有没有建设不同类型的水工程，是经济社会对水资源开发利用水平的标志，也是人们预防干旱、减免旱灾损失的关键措施和根本手段。就预防干旱的水工程类型来说，大致可分为四类：一是蓄水工程，主要是水库、地下水库；二是引水工程，主要是从江河引水的闸坝、渠道等；三是提水工程，主要是将水从低处提到高处的泵站、机井等；四是节水工程，主要包括再生水利用、海水淡化等非常规水源工程（见图 3）。

图3 水工程模块

不同类型的水工程是形成供水能力的基础，是预防干旱的必要条件和有效手段。水工程在设计与运用中，均有其设计主导目标和边界运用条件。如水库在来水丰枯不同的条件下，供水保障能力会产生相应的变化与浮动；如果干旱持续时间很长，浅层地下水水位和深层地下水水位都会受到影响，可能会造成有些井位无水可取，形成供水能力下降。因此，不同的水工程在预防干旱中，还需要考虑协同发挥工程作用、形成工程运用的合力效应。

3.供水能力模块

面向社会不同地区和不同行业的供水能力，大部分都是由正常的供水能力构成，也就是说，这个能力是由常规水源和常规水工程构成的供水保障体系。这个体系是保障一个地区正常用水必不可少的基本设施。就供水配置方面来说，一个地区的供水能力通常分为生活供水能力、工业供水能力、农业供水能力和生态供水能力等若干方面。在DPPS系统中，供水能力是一个核心因子，它决定着应对干旱的基础能力和水平（见图4）。

图4 供水能力模块

在干旱预防和抗御能力中，除常规供水能力外，还有一个很重要的方面就是应急供水能力。这个供水能力在一般正常时段内，不需要发挥作用。而在干旱加重、持续时间延长的情况下，就需要调用应急供水能力。应急供水能力可以是对非常规水源的使用，如开采深层地下水以缓解严重旱情；也可以是临时性的跨地区、跨流域的水源调度，也就是说将甲地富余出的正常供水能力，调剂给处于干旱中的乙地，使乙地的应急供水能力得到增长，以弥补本地正常供水能力的缺口。而乙地在得到甲地的应急供水后，则可以转化为本地的正常供水能力，通过本地的正常供水渠道和设施向本地用水户进行供水。

4.系统分析模块

DPPS预防子系统的系统分析模块主要是结合水资源的三种形态（蓝水、绿水、白水）的存在，围绕城乡生活用水、社会生产用水和生态环境用水，对常规水源勘查、水源替代论证、节水潜力分析、地下水保护、绿色植被保护、空中水资源开发等内容予以分析评估，从而最大限度地提高当地水资源的开发利用能力，有效发挥不同形态水资源对于干旱预防和应对的重要作用，实现在保护生态环境的情况下保障城乡居民的正常生活和社会生产的正常运行，促进区域水资源综合管理和利用（见图 5）。

图5 系统分析模块

二、DPPS系统的应对子系统

DPPS系统的应对子系统，主要功能是应对可能到来的干旱事件，为干旱的到来进行管理和调度准备。如果说在预防子系统中，是以硬件建设为中心，而在应对子系统中，则是以软件建设为中心。这一子系统主要包括监测预警模块、用水需求模块、风险控制模块和系统评估模块，这些模块的共同特征是为应对干旱作准备的（见图 6）。

图6 DPPS应对子系统

通过监测预警模块，及时向专业领域和社会各界发出干旱预警信号，及早引起专业部门和社会公众对干旱的关注。通过用水需求模块，了解干旱时期各领域的用水需求以及这些需求的性质与数量，从而确定供水的优先顺序和保证程度。通过风险控制模块，将干旱风险予以分类，判断风险可能带来的损失与影响，并予以响应。通过系统评估模块，对干旱事件的全过程进行分析研究，总结干旱应对的成效得失，为进一步提高干旱应对能力和水平积累经验。

1.监测预警模块

干旱的监测预警就中长期气候形势来看，是全世界面临的一个难题。干旱往往在不知不觉中来到，往往又在不知不觉中离开。就目前科技水平而言，要提前10～15天对单一的天气事件作出明确的、可靠的预报几乎是不可能的。但由于气候变化具有一定的周期性，因此，对干旱的监测预警能够建立在以季节、年和更长时间为尺度的概率论表达上。根据概率估计值，可以对一个地方干旱发生的频率进行预测。由于这种预测是建立在粗线条的估计基础上，因而对干旱发生后的实际意义不具有特别大的价值。干旱监测需要对干旱的进程、程度和变化等因素进行连续测量，并根据这些指标的变化调整干旱应对的具体策略和措施。因此，干旱监测预警模块的建立就需要多种因子的综合描述。

国内外关于干旱监测的方法和指标很多，也很复杂。如国内气象部门采用的监测土壤干旱的热惯量法，监测植被干旱状况的植被供水指数法、距平植被指数法等。如美国有关地区采用的正常降水百分比指数、级差指数、标准化降水指数（SPI）、Palmer 干 旱程 度 指 数 （PDSI）、Palmer水文干旱指数（PHDD）、地表水供水指数（SWSI）等等。这些方法和指标各有其特征和意义，但在运用地区和使用条件上也有各自的局限性。

在DPPS系统中，监测预警模块主要由五部分构成：气象监测、水文监测、土壤监测、植物监测和供水监测（见图7）。气象监测主要针对空气温度、湿度和降水量，水文监测主要是针对地表水、地下水的水位、流量、蓄水量等，土壤监测主要针对土壤的墒情，植被监测主要针对植物的蒸腾变化，供水监测主要针对水厂的可供水量和可供天数。

图7 监测预警模块

这五个方面的监测指标各具有不同的目标指向和参考意义。气象监测所得到的温度、湿度和降水数据，与常年正常值比较，如果有较大的偏离，如温度明显高于常年同期，湿度明显小于常年同期，降水明显少于常年同期，则说明该地区已经进入气象干旱。如果水文监测得到的数据是江河水位明显低于常年同期，水库蓄水明显少于常年同期，地下水水位明显低于常年同期，则说明该地区已进入水文干旱。土壤墒情如果显著低于常年同期，加之植被蒸腾作用显著降低，则说明该地区已进入农业干旱。如果城市、工业供水不能保证较长时间如3个月以上，短期内无缓解迹象，则说明该地区已进入经济社会干旱。这些测量指标应该综合考虑运用，不宜进行单一发布和使用。

2.用水需求模块

用水需求必须达到平衡，才能降低和解除干旱带来的不利影响。但在严重干旱时期，供水能力明显下降，而用水需求却很旺盛，如不抑制一部分用水需求，全社会的用水将会更加紧张，甚至会发生影响人们基本生活的事件。这种情况下，就不能不提前进行紧急时期的供水规划，将不同类型的用水行为进行分类处理，排出用水的优先秩序和保障程度。这样，一旦发生干旱时期的紧急情况，就要按照用水秩序逐渐放弃非必要领域的用水，全力保障必要领域的用水。建立这样的用水秩序，就可能有效避免干旱时期的用水冲突，保证将有限的水资源用在必需的领域中（见图 8）。

图8 用水需求模块

粗线条的用水顺序只能给出分类用水的轮廓，而不是分类用水的全部。在用水管理的可操作层次上，对用水分类及其重要性进行精细的划分，有助于干旱时期的用水管理。在这方面，国外的一些做法可为我们提供借鉴。如美国北卡罗来纳州在《缺水应对规划手册》中，对全社会用水分为三类：第一类为紧要用水，包括基本的生活用水、医疗健康设施用水及必要的公共用水；第二类是社会或经济方面重要用水，包括非基本生活家庭用水，商业、农业、工业及机构用水；第三类是非紧要用水，如喷泉、水池等装饰性用水，非商业用途的花园、草坪等室外用水。当出现供水短缺，需要对用水进行限制时，就启动相应的计划措施，对重要程度不同的用水行为依次进行限制直到完全禁止。

3.风险控制模块

干旱的发生，会给经济社会和生态环境带来一些意想不到的风险，对这些风险提前进行分析、研判和评估，通过提前识别风险、分析风险，采取相应措施并付诸行动，会有利于提高干旱应对的主动性和及时性，有利于提高干旱应对的内在质量，避免被动受损和局面失控，避免灾害的扩大以及次生灾害的连锁发生。因而，建立风险控制模块，有助于将干旱负面影响控制在最低程度和最小范围（见图 9）。

干旱带来的风险主要存在于四个方面：一是农业风险，这是最容易因干旱影响而造成损失的行业；二是工业风险；三是社会风险；四是生态风险。就农业风险来说，主要的表现是农作物因缺乏生长所需水分而造成减产甚至绝收，从而给农民收益和农村经济带来沉重损失。就工业风险来说，有些对水作为生产要素强烈的产业，如饮料业、洗煤业、炼钢业、造纸业等，如果缺水就会影响正常的生产，进而给产量、产值带来损失。就社会风险来说，如果某一城市或地区的正常供水因干旱而中止，可能会带来社会骚乱，影响社会稳定。就生态风险来说，持久的干旱会造成河流干涸，使一些水生动植物濒于绝迹，个别物种可能会从此灭绝，同时干旱还会加大森林火险发生的频率和强度，对生态脆弱区的环境造成退化性的影响。对于这些风险，如果不制订提前应对的预案，可能就会使这些风险得以形成并造成蔓延式的巨大危害，给经济社会发展带来重创。通过风险控制模块，将能够识别并能够化解的风险可予以解除、将不能完全解除的风险可予以降低，减轻风险的影响面和影响程度。对于不能解除、也不能降低的风险，还可采取转移的方法进行处理，如在地表水完全匮乏的情况下，通过临时性开采深层地下水；其实就是把干旱的风险转移给了后人。再有就是对无法处理的风险，如河流干涸导致的物种消失，只能予以保留并承受风险。

4.系统评估模块

图9 风险控制模块

干旱的应对是一个复杂的过程，需要调动和运用全社会的力量，目标明确、统筹协调地进行应对。单打一的抗旱方式，过分突出某一方面的抗旱行为，可能会使全社会的旱情应对处于低效率和低质量的状态中。如刚进入干旱初期，就马上投入大量的人力、物力，特别是将十分有限的、珍贵的抗旱水源大量灌入低产值的农田中，虽对一时的作物旱情有缓解作用，但由于缺乏对干旱发展的预见，随着干旱的剧烈发展，在后期干旱的应对中，由于前期水源的浪费式使用，水源非常紧张，以致面临连生活饮用水都无法保障的严重困境。而前期浇灌到农田的水，由于后期干旱的加重且没有后续水源，也发挥不出抗灾减灾的作用。因此，对干旱事件进行系统评估，从干旱的早期监测预警到干旱后社会各方面的应对准备，从干旱的发展变化到干旱应对措施的调整与加强，从常规水源的强化管理到应急水源的引入利用等等，都应纳入系统评估的范围。在总结每次干旱事件的基础上，不断加强和完善干旱应对的多方面措施，以期提高干旱应对的主动性、时效性和全面性。

系统评估模块重点分为四个部分：一是对干旱历程进行的评估，包括干旱的起始时间、干旱的覆盖范围和干旱的程度；二是对干旱影响的评估，包括干旱时期出现的饮水困难情况、对工农业等经济部门造成的损失和对生态环境的破坏与影响；三是对抗旱应对措施的评估，包括对供水措施的评估、对节水措施的评估和对管理措施的评估；四是对干旱应对效果的评估，包括对城乡居民生活秩序的保障情况、对社会各产业生产秩序的保障情况以及社会各方面对干旱事件的评价与反映（见图10）。

图10 系统评估模块

近年随着全球气候变化的影响，干旱事件在我国呈现多发、频发和重发的趋势。2006年夏，我国四川、重庆发生百年不遇的大旱。2008年春，我国华北数千万亩冬麦区发生严重干旱。2009年秋至2010年5月，我国西南地区云南、贵州、广西等地又发生严重的干旱。频频发生的干旱事件，对我们的抗旱工作亮起了红灯。强化对干旱事件的系统评估，分析不同地区、不同气候类型下应对干旱事件的薄弱环节，并在今后的水利建设和抗旱工作中予以加强，对提高各地防范和应对干旱的工作能力会有明显的帮助作用。

三、DPPS系统模块分析

DPPS系统中的各模块之间存在着密切的关系，无论是预防子系统中的水资源模块、水工程模块、供水能力模块和系统分析模块，还是应对子系统中的监测预警模块、用水需求模块、风险控制模块和系统评估模块，彼此间均存在着独立性、依存性、差异性和互补性等程度不等的相关性。

1.独立性分析

水资源模块、水工程模块、供水能力模块、系统分析模块、监测预警模块、用水需求模块、风险控制模块和系统评估模块，这8个模块中的每一个模块都具有明显的独立性，即可以不依附于其他模块而独立存在、独立运行。

2.依存性分析

依存性是指这8个模块之间，不管是从其内部结构来看，还是从外部发挥的功能来说，相互之间存在着依存关系。如建立水工程模块的一个很重要的依存条件是水资源模块，因为水工程是改变水资源存在和利用方式的必要手段，没有水资源模块，水工程就会成为一个空壳。同样，供水能力模块也是基于水工程的建立与运行，没有水工程模块，供水能力也是一句空话。监测预警模块虽是对旱情和旱灾而言的，但监测预警的目的是为了控制和调整好用水需求，将干旱造成的各种风险控制在最小程度和可承受范围内。所以，这8个模块虽可以独立存在，但相互之间又有很强的内在联系，存在着紧密的依存性（见图11）。

图11 依存性

3.差异性分析

差异性是指两大子系统每个子系统的4个模块，其相互之间是不同的，有着显著的差异性，相互间不可简单替代。如预防子系统是以水工程为核心的，重在水资源工程的硬件建设，特别是像水库、水塘等蓄水工程；而应对子系统则是以用水需求管理为核心，重在对分类用水、不同类别用水的保障程度以及不同类型用水的应急管理等。

再如，系统分析模块与系统评估模块，从名称上看似乎差别不大，但实际上在作用和意义上都是有差异的。系统分析模块主要是对各种可利用的水资源进行分析，以获得当地水资源的实际利用能力与可开发潜力之间的数据，其作用和意义是面向可能发生的干旱。而系统评估模块则是对已经发生的干旱事件进行多方面总结分析，重在对干旱给出科学合理的定性、定量描述，从应对干旱的经验措施中总结成效与不足，以为干旱应对工作积累经验。

4.互补性分析

DPPS系统的8个模块之间还存在着一定的互补性关系。这种关系是指：如果甲模块的结构完善，功能健全，则可以对乙模块的功能与结构产生良好的作用与影响，有利于乙模块的建立与完善。反之，乙模块的真实完整，同样也会给甲模块提供帮助，即两者的关系是互补的，而不是矛盾的，是相互促进的，而不是相互制约的。在用水需求的分类中，所分类别越细致，对其保障程度越具体，则对干旱风险事件越有把握应对和防范。同理，如果干旱风险分析得越明确，制定的预案越具体可行，则对紧急时期的用水管理秩序会带来显明的帮助和促进作用。

总之，构建干旱防备系统，是避免和减轻干旱灾害的重要措施与手段，是经济社会发展对转变水资源管理模式的必然要求，同时也是应对极端气候事件、保障经济社会与生态环境可持续发展的必由之路。

[1]中华人民共和国水利部.旱情等级标准 [M].（中华人民共和国水利行业标准 SL424-2008）.北京：中国水利水电出版社，2009.

[2]刘昌明，何希吾，等.中国21世纪水问题方略[M].北京：科学出版社，2001.

[3]刘昌明，陈志恺.中国水资源现状评价和供需发展趋势分析[M].北京：中国水利水电出版社，2001.