欧洲供水系统干旱风险管理最新发展概述(下)

［意大利］ G.罗西 等

5 对干旱所致供水系统缺水的评价

在供水系统干旱预防战略规划中，干旱所致缺水风险评价是一个关键步骤。此外，在供水系统运行过程中，可通过风险评估对不同管理方式进行比较。在制定战略决策时，风险评估一般是无条件的(并非针对系统的某种特殊状况或条件)，目的是选择最佳的长期措施。当供水系统在干旱条件下运行时，风险评估则是“有条件的”，即需要考虑系统的初始状况或条件。这时，最主要的问题就是何时及怎样启动必要的减灾措施(即实施定量供水政策和/或使用额外水资源)，以避免未来出现严重缺水。由于未来干旱发展的不确定性，决策的制定应基于对干旱所致缺水风险的评估，同时应将抗旱措施纳入系统模型中。很多情况下，这些既定措施是按照一种互动方式分步实施的，必须根据供水系统的不同状况(如正常、戒备、警报)采取不同措施。

以往文献中已有关于干旱风险的不同定义。与地震或洪水等其他自然灾害的普遍定义法相似，有些对干旱风险的定义是基于极端事件的发生概率或其预计产生的破坏，可通过将灾害事件的概率与灾害影响因素的脆弱性相结合计算得出。不论采用哪种特定计算方法，这种概念定义的优点就在于其试图将干旱出现的时间性质与其影响都考虑在内。

关于干旱损失及预防和减灾措施的经济评价也是很多文献的研究主题。有两个欧盟资助的项目就曾对经济评价的不同方法进行了回顾，分别是“干旱研究需求与政策选择评价项目”(XEROCHORE)(2011年)和“自然灾害成本评价项目”(CONHAZ)(2012年)。但由于缺少恰当的数据，加之干旱损失经济评估的复杂性，过去对干旱条件下的供水系统管理进行分析时，都是假设缺水即代表干旱损失。因此，都是在考虑不同用水需求的基础上，从干旱所致缺水的概率来评价干旱风险。

一般来说，干旱对供水系统的影响很大程度上取决于储水设施的特点、运行规则、水需求的时间分布，以及为减轻干旱影响所采取的措施。正确的缺水风险评估应该同时考虑灾害(即干旱的出现)与供水系统的脆弱性，而后者取决于供水系统的物理特性以及需求和管理因素。鉴此，蒙特卡洛模拟法可称得上是一种评估缺水风险的有效工具(见图2)，因为该方法既隐含考虑了干旱的概率特性(利用随机模型来产生水文数据)，同时还考虑了供水系统的脆弱性。

如前文所述，缺水风险评估的主要目的，是在规划阶段提高系统性能(包括制定恰当的减灾战略)，在运行阶段提高干旱条件下的供水运行绩效。

图2 基于蒙特卡洛模拟法的供水系统干旱所致缺水风险评价

拉塞尔等人提出将干旱损失作为供水系统“适应水平”的一个函数来估计，“适应水平”基本可定义为供需比率。此后又出现了若干方法，评价供水系统是否可以长期满足干旱期间的供水需求。供水系统的绩效通常都通过一系列恰当的标准或指标来评估，通过可靠性、弹性及脆弱性等概念对缺水状况进行量化。近年来，越来越多地开始使用不同程度缺水的发生概率来评估不同的干旱减灾措施。

有些研究用到了“设计干旱”的概念，如弗里克等人就通过模拟供水系统在固定回归期干旱期间的绩效，来评价供水系统的抗旱能力，这一固定回归期干旱是从很长的水文序列中得出的，评估还考虑了供水系统的发展规划。

坎切列雷等人通过采用标准运行政策和一些对冲政策，研究了通过“运行方法”确定的干旱严重性与不同需求模式下水库绩效指标之间的关系。研究表明，单纯依靠设计干旱无法计算出缺水的特点，建议使用蒙特卡洛分析法来进行缺水风险的评估。

约翰逊等人研究了使用帕尔默水文干旱指标来初步评估水库对干旱敏感度的可能性，旨在对比较脆弱的水库进行更详细的调查。

干旱风险下复杂供水系统的规划重点在于对减灾措施的评估，因此，所做出的决策应包括以下内容:缺水在不同用水部门之间的分摊;各水源放水的时间分布;不同水源之间放水的优先顺序。因此，应建立一个决策支持系统(DSS)，帮助决策者利用模型与数据库做出决策，还应采取多标准方法，对不同的抗旱减灾措施进行比较和排序。很多研究都建议建立专家系统和决策支持系统，帮助供水系统管理者进行减灾措施规划。最近，卡拉维蒂斯就建立了一个基于信息数据的干旱管理措施评价系统。另外，梅拉伯特尼等人也采用遗传算法为日本的一个供水系统建立了决策支持系统，用以评价供水系统对干旱的敏感度，并制定可将干旱风险最小化的放水模式。

已经有大量论文研究了缺水风险的评估问题，旨在为水库或整个供水系统制定应对干旱的运行政策或蓄水分配方案。

这些论文按照扬等人提出的方式，根据指定的客观功能，通过计算最佳放水组合的优化程序，确定了供水系统的运行规则，并通过线性回归、分段回归、神经网络以及神经模糊系统等不同技术，建立了最佳放水与水文数据及系统状态变量之间的关系。其他论文主要研究的是供水系统在干旱条件下采用其他方式的运行情况。赫什根据水库的当前状况和退出率计算得出了具体的蓄水量，并利用若干已有的径流系列，对水库在一定时间范围之内蓄水降低至一定水平的风险进行了估计。乔伊特等人提出了一个基于计算机的水库群决策支持系统，用以修订当前水库应对干旱事件的控制曲线。特别是采用了一个模拟模型，计算天然来水流量及地下水抽水供应或河流取水的按月累积序列。史等人为一座水库制定了干旱期间及干旱之前的需求管理政策。用以启动限量供水的信号是一个触发数值，表现为水库中应存有的需求月数(作为一个蓄水量)。当实际的蓄水量加上预计来水流量低于这个触发数值时，就要启动限量供水。

史等人提出了一种混合整数规划模型，可以确定供水水库启动不同阶段限量供水的触发数值，目的是尽可能保证最多的正常供水月数，因为每下一个限量供水阶段的库存月数都会更加有限。伦德制订了一套干旱条件下水库间蓄水分配的管理规则，旨在减少水库的蒸发和渗漏损失。有些研究将早期预警系统信息纳入了供水系统的干旱管理。黄等人制订了一套颜色编码的多水库实时运行干旱早期预警系统，介绍了一套基于风险的决策过程，并纳入了水库干旱早期预警系统。佳能等人针对干旱期间的多水库系统运行，采用干旱频率指数(DFI)作为干旱机制触发指标，通过多层次非线性优化过程来减少灌区的供水赤字。尼克洛西等人采用了一种基于遗传算法和蒙特卡洛模拟法的启发式多目标方法，用以确定启动减灾措施的触发水平，并根据实测和计算得出的序列来验证这一方式的效果。

基于未来缺水的条件风险评价及随后减灾措施的启动，罗西等人提出了一套干旱期间供水系统的管理方法。该方法采用蒙特卡洛法，利用若干随机产生的流量序列模拟供水系统基于目前状况在一段短时间范围内的表现，进而计算出干旱所致缺水的概率指标。

6 干旱预防与减灾措施的定义

在以往文献中可以找到关于干旱减灾措施的若干分类。普遍认可的一种分类法是把干旱减灾措施分为以下3类:①增加供水;②减少用水需求;③降低干旱影响。还可根据干旱现象的应对方式分为反应式措施和前置式措施，或根据措施的实施时间分为长期措施和短期措施。长期措施旨在提高干旱的预防能力(包括对现有供水系统的结构性和非结构性调整)，短期措施则是指干旱事件已经开始后所制定的应急计划措施，通过启动新水源增加供水以及减少用水需求等措施来减轻干旱的影响。最近，欧盟缺水与干旱专家网络提出了一些不同的干旱措施:①正常状态下采取的预防或战略措施;②运行(技术或应急)措施，包括供需管理及环境管理等;③预警前、预警中及应急条件下启动的组织措施;④干旱管理计划的后续措施;⑤恢复措施，包括取消紧急供水及有关限制等。

CONHAZ项目最近针对干旱在内的所有自然灾害提出了一套不同的措施分类法(CONHAZ，2012)，将措施分为:①风险管理规划与应对计划;②灾害修订;③基础设施;④严格意义上的减灾措施;⑤沟通;⑥监测与早期预警;⑦应急响应;⑧金融激励;⑨风险转移。为此，达克斯坦提出了多标准的评价方式及这种方式应采取的不同视角，并讨论了一些具体的多标准方法，如选择消去法(ELECTRE)、妥协规划法等。还有多个复杂供水系统采用了NAIADE模型，该模型可对不同的长期与短期措施组合进行比较和排序，进而最大限度降低缺水风险。

7 结论

基于对若干方法的考察及应用案例，可以得出如下结论。

首先，对供水系统实施有效的干旱管理需要采取综合性措施，包括格里格所提出的提高水资源管理的若干方面，如政策部门、水务部门、政府机构、组织水平、管理职能、地理区域、管理阶段、学科与专业等。但干旱管理的复杂程度不止于此，还存在一些具体的薄弱环节和空白，影响干旱预防和减灾行动的规划、组织和实施。

对于缺水(指可获水资源与水需求之间长久的不平衡状态)和干旱(指在较长一段时间和较大范围内出现的临时性低于正常降雨量的自然状况，这种状况会引起供水系统的临时性缺水)，还存在一个概念上的误解。此外，人们还未充分认识到应对干旱风险所需的复杂体制结构。在很多国家，流域管理机构并不能包揽抗旱及灾后恢复的所有具体任务，因此有必要委托各个供水系统的运行机构来提前准备面对缺水风险的有关措施，并根据相关干旱指标和触发值建立早期预警系统。此外，应由国家层面来制定旱灾界定的标准，而在地区和地方层面，则应由应急管理组织(如欧洲国家的公民保护机构)介入预先制定的应急计划。因此，必须建立一种更为全面的管理机制，以实现综合型或应对型干旱管理。

其次，尽管关于干旱的若干研究已经取得了一些令人感兴趣的研究成果，未来在提高供水系统和社会的抗旱弹性方面，还有很多问题值得研究。未来应重点开展的研究范畴包括以下几个方面:

(1)更好地模拟干旱的发生及其特性，包括干旱的随机特性及其与全球大气循环模式的联系，特别是当分析须考虑气候变化因素时。

(2)更多、更透彻地分析干旱监测与减灾的以往经验，为制定干旱管理的最佳实践奠定基础。

(3)基于多标准工具，对干旱的经济、环境及社会影响以及不同抗旱政策在减轻上述影响方面的效果进行更加先进的评价。

(4)建立便于决策者理解和应用的恰当模型和一整套技术包，以帮助决策者们充分利用相关领域更加先进的研究成果(如用于干旱描述的随机水文学、用于综合影响评价的经济与环境科学、旨在减少用水户冲突的社会科学)。

(5)改善水务机构和管理部门的计算机设施(包括计算能力和用户友好型界面)，开发先进工具以实现供水系统的“应对型”干旱管理，包括干旱早期预警系统、可靠的监测和预报系统以及先进的决策支持系统，并根据通过了模拟测试的可靠触发机制，采取最恰当的短期抗旱行动。