水基础设施韧性及提升途径初步分析

曹建廷，邢子强

(水利部水利水电规划设计总院，北京 100120)

水基础设施在保障供水和防治水旱灾害中发挥重要作用。加强水利基础设施建设，提升水资源优化配置和水旱灾害防御能力，仍是未来较长时期水利发展的重要任务。目前水基础设施的规划、建设和运行管理通常是在来水情景稳态假设下进行，对应对未来变化环境下不同情景考虑不充分。具有韧性的水基础设施能够应对未来不同变化情景。结合国内外不确定条件下的决策和韧性概念进展相关研究，本文梳理了韧性的概念，分析了水基础设施建设考虑韧性的必要性，提出了加强水基础设施韧性的途径，以期完善水基础设施规划设计，提高我国水基础设施韧性，有效应对气候变化等不确定性的影响。

1 韧性的概念

现代韧性(resilience)的概念基于工程、生态学和运筹学三个领域的深刻见解。国内有些学者把这一概念译为弹性、恢复力、适应能力等。本文借鉴城市韧性、经济韧性等现代较普遍的应用，对这一术语表述为“韧性”。工程韧性来源于工程力学，是最早被提出的认知韧性的观点，这种认知观点最接近人们日常理解，即韧性被视为一种恢复原状的能力。但现实应用中已经不同于简单的工程项目的韧性，而是指系统整体所具有的工程韧性的特征。工程韧性强调在既定的单一平衡状态周围的稳定性，因而其一般通过系统对扰动的抵抗能力和系统恢复到平衡状态的速度来衡量，有些学者也以系统的不能充分发挥其功能的失败概率，以及在失败状况下恢复正常运行水准的时间衡量。工程韧性强调保持稳定的能力确保系统有尽可能小的波动和变化。

生态韧性是从生态系统的运行规律启发而产生，系统可以存在多个而非唯一的平衡状态，扰动的存在可以促使系统从一个平衡状态向另外的平衡状态转化。诸多学者意识到韧性不仅可能使系统恢复到原始状态的平衡，而且可以促使系统形成新的平衡状态。生态韧性可以被视为系统即将跨越门槛前往另外一个平衡状态的瞬间能够吸收的最大的扰动量。生态韧性强调系统生存的能力，而不考虑其状态是否改变。

在生态韧性的基础上，随着对系统适应性循环和跨尺度的动态交流效应等认知的进一步加深，学者们又提出演进韧性，即韧性不应该仅仅被视为系统对初始状态的一种恢复，而是复杂的社会生态系统为响应压力和限制条件而激发的一种变化、适应和改变的能力。演进韧性是与持续不断的调整能力紧密相关的一种动态的系统属性。现阶段韧性的理念主要着眼于社会生态系统方面。

韧性来自系统的“本体”—其组成、配置和相互作用，使系统在扰动下能够保持在预期的变化范围内的连贯“功能”，系统的功能可理解和衡量为生成特定服务和产出。对韧性的系统而言，可有3种能力来表征。

(1)持久性：它能够在不改变系统特性的情况下，对冲击和不断变化的胁迫作出反应，保持连贯的功能。

(2)适应性：通过改变系统的特性以适应胁迫和变化，并保持原来功能的能力。

(3)可转换性：当超出临界点而无法维持其先前状态时，系统具有更改特性和建立新的稳定功能的能力。

水基础设施韧性可理解为水基础设施在承受或面临气候变化和人类活动等不同胁迫下，具有继续保持其关键功能或提供服务的能力。例如一个具有韧性的水基础设施系统不仅在常态气候波动下而且在极端洪灾或干旱事件下能够维持供水、水质处理以及废水和雨水排放等服务功能。

2 水基础设施建设考虑韧性的必要性

水基础设施在保障供水和防治水旱灾害中发挥重要作用。截至2018年年底，全国已建成5级及以上江河堤防31.2万km，已建江河堤防保护人口6.3亿人；已建成各类水库98822座，水库总库容8953亿m3，水库工程的供水能力2324亿m3。未来随着我国现代化建设进展的不断推进，仍需加强和提升水基础设施的基础保障作用。

气候变化对水基础设施保障增加新的挑战。从全球而言，气候变化、人口增长、城市化及土地利用变化将主要影响世界各地的水系统。据IPCC第五次评估报告，气候变化造成极端气候事件增加，改变水文过程变化，增加水系统调控的复杂性，对保障防洪安全、供水安全影响、防治干旱灾害提出新的挑战。我国气候类型复杂多样，大陆性季风气候特点显著，水旱灾害严重。如1998年长江发生全流域型的特大洪水，2009—2010年我国发生西南五省冬春连旱，2013年南方大范围严重伏旱等特大旱情。我国降水时空分布极不均匀，当前新老水问题突出，气候变化使我国水系统管控更趋复杂和严峻。应对气候变化影响，保障经济社会发展的用水需求，降低自然灾害风险，需要加强水系统的规划，提升水系统的保障能力。

多年来，处理自然气候波动和防治水旱灾害规划问题作为水系统规划设计的重要内容，迄今国内水系统规划方法，没有充分考虑未来社会经济许多条件的不确定性，气候变化使系统设计依赖的气候水文波动的稳态假定条件不再有效，进一步加剧了这种不确定性。大量科学证据清楚地表明，过去的历史记录本身可能不再是当前和未来气候的可靠参考，气候变化对包括与极端天气有关事件的区域气候预测影响具有非常大的不确定性。例如，与现有历史数据所揭示统计规律不同，50年一遇的暴雨可能已经以更高的频率发生，未来干旱的强度或持续时间可能与历史记录的干旱有很大的不同。但是，目前包括全球气候模式预估等科学研究，还不能准确预测这些气候变化性质。

对水系统而言，气候变化正在造成这种情况，即目前的一些涉水标准已变得不太可靠，无法满足指导解决未来不确定情景的要求。因其仅依赖于历史数据，不包含未来的变化数据，水基础设施设计基础的统计方法已变得不适当，这可能损害水基础设施韧性，从而降低短期和长期的可靠性和运作效率，导致大量资产闲置，并给流域利益相关者带来严重后果，并对地方经济、国家资源安全和国家经济增长有直接影响。除气候变化外，水基础设施规划的未来基础条件，如土地利用方式、经济增长或人口趋势等许多条件的评估也不能视为准确的预测，其存在较大不确定性。

应对未来气候变化影响、经济社会发展等不确定性，实现重大水利工程的长期经济效益，保障其运行性能的可靠性，降低基础设施投资的风险，需要提高水基础设施的韧性。韧性理论有助于从系统的功能和变化理论以更宽广视野考虑极端气候事件对基础设施的灾害和冲击。

3 加强水基础设施韧性的途径

3.1 水基础设施韧性规划

对水基础设施进行韧性规划，是将如何采取最适当的措施来增强水基础设施韧性的问题。迄今为止，传统的规划方法尚未考虑到许多未来条件的巨大不确定性，气候变化进一步加剧了这种不确定性。如为了帮助市政供水公司在其选择方案中纳入韧性的措施，世界银行提出建设供水和卫生基础设施建设应对气候变化等其他胁迫的路线图，并基于深度不确定性下决策方法提出三阶段流程。此流程也适用于水基础设施规划，即把水基础设施作为系统，通过不同情景的压力测试，加强系统的韧性规划，其三阶段说明如下。

阶段1：实现认识系统。该过程从参与式工作开始，建立一个广泛的团队(包括规划者，运行者和其他利益相关者)，该团队将确定：水系统中存在的问题和关键要素；可能影响这些要素的潜在威胁，以及单一要素或各要素失败的后果；公用部门希望达到的绩效目标；以及可用的解决方案。此阶段还确定后续阶段要使用的工具、数据和模型。

阶段2：识别脆弱性。分析人员(内部专家或外部顾问)将使用在第一阶段中收集到的信息对可能变化范围指标不同情景进行压力测试，并评估系统在不同条件下的绩效指标。首先针对系统(现状)进行此操作，然后针对不同的可能情景方案及其组合完成测试。根据阶段1中确定的绩效目标来评估绩效情况。压力测试结果阐明最有可能导致系统无法实现一个或多个目标的条件，这些条件通常概括描述为产生成功或失败的各种因素组合的情景。在压力测试基础上，分析人员还确定了在相同情景范围内减少系统脆弱性并提高整个系统和关键要素绩效的选项。

阶段3：选择行动方案。分析人员将对在第2阶段情景下确定的不同选项进行分析，组织成具有的韧性和灵活性的策略，确定在实现既定目标情况下不同选项的权衡取舍。这些选项应包括认真监控需要关注的条件，如监测跟踪要素情景变化导致系统绩效不可接受的条件。

作为所有这些步骤的组成部分，针对当前的脆弱性、备选方案和不同方案的权衡取舍，分析人员向管理部门和其他利益相关者征求意见，最终确定一个可行的韧性的规划。根据项目的复杂性，确定与利益相关者进行一轮或多轮的参与性工作，以完善目标或调整决策者可以选择的方案。这显示规划过程存在一定循环,如图1所示。

图1 提高韧性水基础设施规划流程

3.2 现有水基础设施的评估和维护

认识基础设施系统是保障基础设施安全和服务质量的基础。对现有水基础设施的评估，全面认识基础设施系统意味着：①以综合分析不同的系统构成，及其对不同风险的敏感性，评估它们将在什么条件下发生故障，故障将产生什么影响，以及这些影响对提供服务功能的影响。②识别可能的备选措施，确定关键的链接和节点，并制订确保服务可靠性的适当解决方案。对现有水基础设施的评估也有助于确定采取不同措施的优先级，提高现有基础设施的服务水平，并在关键构成组件故障风险发生时维持一定的服务水平。

加强现有水基础设施的维护，减少脆弱性并提高水基础设施韧性。例行和定期维护活动对于系统韧性至关重要。在正常情况下，定期维护活动不仅可以确保系统正常运行，而且还可以避免在正常运行期间系统组件的损坏。因此，维护保养可以延长系统的使用寿命，并随着时间的推移增加其服务绩效。

适当地系统维护通常与较低水平的输水损失有关，提高水基础设施的维护，不仅有助于增强水基础设施韧性，而且还可以提高公用事业的财务可持续性。通过适当的运行维护可以避免大多数大坝发生故障的情况，这也将减少对大坝大修的需要。同样，如果没有适当的维护，应对气候变化的适应性投资不太可能实现其预期的防洪和适应性效益。

3.3 绿色基础设施建设结合

自然生态系统有能力提供或提高包括水的净化和储存、洪水管理、灌溉等水利基础设施的核心服务功能。绿色基础设施，有时也称为自然基础设施，指有意识或战略性地保护、加强或恢复如森林、洪泛平原、河岸区域、海岸森林等自然生态系统的要素，这些要素提供涉水相关的服务功能，补充、增强或替代灰色基础设施提供的相关服务功能。绿色基础设施与传统基础设施有效结合，可以使传统水利基础设施更具有韧性。

在应对气候变化和灾害风险防控方面，国际社会日益重视基于自然解决方案和绿色基础设施。美国城市也越来越多地将绿色基础设施视为未来雨水管理的重要组成部分。旧金山市管理流域上游的雨水实际上是该市的优先事项之一，通过将更多的雨水排除在下水道外，提高排水系统应对暴雨洪涝的能力。在波兰的奥得河(Odra) 和维斯瓦河(Vistula) 流域建立了多用途的洪水滞留区，减少汛期河流洪峰流量，提高防洪堤的韧性和绩效，可有效防御1000 年一遇洪水。我国的海绵城市建设旨在通过一系列低影响的开发措施、利用城市绿化、湿地，结合传统水基础设施，减少暴雨洪涝的影响，提高城市排水设施的韧性。

3.4 创新应用

技术进步日新月异，技术创新为改善基础设施的服务和增强韧性提供了很多机会。创新可以影响基础设施韧性，表现在通过使用更具抵抗力的材料或需要较少维护的技术来提高基础设施的韧性。如在市政供水的管道系统中，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运输和安装，其越来越多等得到使用。同时管道维修技术的进步，如使用机器人或传感器通过声波或从管道内部可视化检测水压变化，进行无开挖渗漏检测，将进一步推动这种管道的应用。数字化还有助于公用事业对供水系统的优化和维护。准确的数据和遥感信息有助提高市政部门认识基础设施系统的能力和响应性，从而规划提升水基础设施的韧性。如在拉斯维加斯，米德湖水位是采取各种水管理措施的触发因素，在巴塞罗那，水库水位也用于确定不同的供水来源组合。大数据还可以帮助市政部门对流量状况和泄漏检测进行分析，从而提前预测材料需求和管道更换，从而优化运营，避免浪费资源并增强业务连续性。

4 结语

在气候变化背景下，维持或加强新的和现有的基础设施韧性有效抵御自然灾害对持续发展至关重要。通过加强水基础设施的韧性规划，加强现有水基础设施运行维护，充分融合绿色基础设施建设，加强新技术、新材料、新工艺的利用等途径，可有效提升水基础设施系统的稳健性和韧性，保持气候变化背景下水基础设施的服务功能和保障作用。国内目前对水基础设施韧性研究还比较薄弱，对水基础设施应对气候变化影响分析主要采用气候模型到水资源系统“自上而下”途径。随着对深度不确定性下决策制定认识深入，从系统和网络的视角研究不同气候变化情景下水基础设施脆弱性，识别提高关键要素和系统整体韧性的途径将进一步的发展，将会逐步应用到水基础设施的规划设计。