长江流域水资源开发保护中的关键科学和技术问题

2021-04-19吴志广

长江科学院院报 2021年4期

吴志广，陈述

(1.长江科学院流域水资源与生态环境科学湖北省重点实验室，武汉 430010；2.长江科学院长江水利委员会长江经济带保护与发展战略研究中心，武汉 430010)

1 研究背景

长江是我国第一大河，全长6 300 km，干流流经青海、西藏、云南、四川、重庆、湖北、湖南、江西、安徽、江苏、上海11个省(自治区、直辖市)，横跨我国华东、华中和西南三大区。流域面积约180万 km2，占我国国土面积的18.8%，聚集的人口和创造的地区生产总值都占全国的1/3。长江流域不仅具有复杂的生态系统，是我国重要的生态安全屏障区，而且赋存巨大的、可再生的水资源，是我国水资源配置的战略水源地和能源基地，为人类生产生活提供供水、灌溉、发电和航运等服务功能，支持着流域内11个省(自治区、直辖市)以及华北、西北、苏北及山东半岛等地区经济社会的可持续发展[1]。长期以来，受持续增长的人口压力、高强度的水土资源开发，以及气候变化下水循环系统稳定性降低等多种自然和人类因素的影响，长江流域水污染加剧、水生态受损、水灾害频发以及部分区域水资源短缺等问题依然突出，导致经济社会发展与资源环境承载力失衡和失调，成为制约长江流域可持续发展的重大瓶颈[2]。2016年《长江经济带发展规划纲要》提出，要把长江经济带建设成为全国生态文明建设的先行示范带，并要求遵循的第一条基本原则就是江湖和谐、生态文明，强调在保护的前提下推进发展，实现经济发展与资源环境相适应。“共抓大保护、不搞大开发”对长江流域水资源开发保护提出了新的、更高的要求和更大挑战。辨识长江流域水资源开发保护中的关键科学和技术问题，对于支撑长江大保护与长江经济带绿色发展国家战略的实施，具有重要的科学价值和现实意义。

2 长江流域水资源开发保护中的关键科学问题

2.1 气候变化和人类活动等多因素影响下四水问题耦合驱动机制

在经济高速发展和全球气候变化等多重因素影响下，长江水生态损害、水环境恶化、水资源短缺与水旱灾害等新老四大水问题(以下简称“四水问题”)凸显，加剧了生态环境保护与经济发展之间的矛盾。在水资源方面，其供给保障能力还不够强，相当多的山丘区存在工程性缺水问题,此外，由于废污水排放量巨大，水质型缺水成为水资源短缺的新特点[3-4]；在水环境方面，江河湖库水质仍然堪忧，集中表现为总磷含量普遍超标，农业农村面源污染问题突出，沿岸重化工企业密布，带来了巨大的潜在水环境风险[5]；在水生态方面，受不合理开发和水环境恶化影响，水生态系统损害严重，如湿地萎缩、栖息地破坏、江湖关系不畅等，导致生物多样性下降、鱼类资源锐减[6-7]；在水灾害方面，尽管三峡等控制性水库的建成，中下游防洪形势大为改观，但中小河流的洪涝灾害问题仍然存在，另一方面，虽然长江流域水量丰沛，但由于季节分布不均以及经济社会发展对水资源需求增加，局部地区干旱问题仍然突出，尤其是在当前气候变化背景下，极端气象水文事件频发，进一步加剧了旱涝灾害的风险[8-9]。

基于流域水系统理论，长江水系统可视为以水循环为纽带的物理过程、生物与生物地球化学过程和人文过程这三大过程所构成的有机整体，且这三大过程之间存在着联系与反馈[10],如图1所示。

图1 气候变化和人类活动等多因素对四水问题的影响Fig.1 Four water problems under the impact of climatechange and human activities

若从这一角度来审视长江流域水资源、水环境、水生态和水灾害四水问题，无论水问题以何种形式表现出来，其症结均可归结为是水系统三大过程中某一环节或多个环节失衡和失调所致[11]。在以增温为背景的气候变化和以竞争性用水、用地为特征的人类活动共同影响下，以水循环为纽带的三大过程构成的水系统也发生显著改变，是四水问题演化的共同根源[12-13]。另外，气候变化和人类影响下，不同类型的水问题往往相互交织[14-18]。例如，水环境恶化会导致水生态损害，并导致局部水质性缺水，严重时影响供水安全；发生干旱时，河湖流量、水位降低，直接导致资源性缺水，水生态环境遭到破坏。因此，揭示气候变化和人类活动等多因素影响下长江流域四水问题耦合驱动机制，可为系统根治四水问题提供依据。

揭示气候变化和人类活动等多因素影响下长江流域四水问题耦合驱动机制涉及到如下3个层面的工作。

(1)辨识外界驱动力对长江水系统的作用方式及量级。如降水、气温等气候要素的变化，水资源、土资源开发等人为的扰动以及长江经济带规划、长江大保护等国家政策方针的影响等。

(2)探知水循环及伴生过程中各要素间的相互作用及反馈。其中，各要素之间的联系包括空间和时间两种形式，即水系统不同部分空间联系，以及在气候变化和人类活动对水系统长期持续的影响而形成的时间联系[10]。

(3)研判外界条件影响下水系统各要素相互关系的变化会诱导水问题向何种方向发展。即系统回答气候变化和人类活动共同影响下，长江水系统物理过程、生物与生物地球化学过程和人文过程及其相互关系有何变化，以及在这种变化下，水问题会在何时、何地、以何种形式显现等系列问题。

2.2 水环境与水资源开发保护及经济社会发展的相互作用关系

改革开放以来，随着工业化和城市化进程的加剧，长江流域经济社会在高速发展的同时，也给生态环境带来了巨大的压力。已有研究表明，流域内工业和城镇生活废污水排放量约占全国的40%，化学需氧量、氨氮、挥发性有机物排放强度是全国平均水平的1.5～2.0倍，位于长江经济带内的重金属重点防控区约占全国的一半[19]。长江水环境恶化是“长江病了，病得不轻”最为根本的症结，也是其他水问题的诱因(如水质型缺水、生境破坏、水体自净能力降低等)。由此可见，长江经济带规划实施过程中的主要矛盾在于日益严重的水环境问题增加了水资源开发保护的难度、制约了经济社会的高质量发展。从另一方面也说明，如果长江水环境问题得以改善，诸如水资源短缺和水生态损害之类的其他水问题也会迎刃而解。

笔者及所在团队在之前的研究中已提出了以水环境改善为突破点的长江流域水资源开发保护思路及建议[3]，即以改善长江水环境质量为抓手，以恢复和维持长江水体的物理、化学和生物完整性为目标，制定提出以水环境改善为切入点的长江流域四水问题系统治理目标和模式，促进水资源环境与经济发展相适应,如图2所示。这一思路及建议落地的基础，需要明晰长江水环境与水资源开发保护及经济社会发展的相互作用关系，包括如何厘清水环境要素在长江流域四水问题中的突出位置、如何阐明水环境变化对经济社会发展之间的响应特征和反向制约、如何辨识改善水环境对水资源开发利用、水生态修复、经济社会绿色发展的促进作用等多个方面的问题。

图2 水环境与水资源开发保护及经济社会发展之间的关系Fig.2 Relations among water environment and waterresources development and protection, economic andsocial development

辨识长江水环境与水资源开发保护及经济社会发展的相互作用关系涉及到如下2个层面的工作。

(1)水环境与水资源、水生态和水灾害联系的解析与量化。即将水环境要素放在四水问题首要位置的前提下，明晰水环境与水资源、水生态和水灾害等其他水问题之间的耦合关系，通过“解耦-耦合”的方式量化水环境要素变化与水资源、水生态和水灾害等方面的双向反馈过程。

(2)“水环境-水资源-经济社会”的协同演变过程模拟与集合响应特征的识别。即基于环境经济学、复杂网络技术、宏观经济水资源投入产出、多目标动态规划等，以“驱动力-压力-状态-影响-响应”为分析途径，采用系统动力学耦合模拟“水环境-水资源-经济社会”三者之间的关系，以及水环境要素变化条件下改善(或恶化)水资源与经济社会的响应特征，进而确定水环境对水资源保护开发及经济社会发展的制约与促进机制。

3 长江流域水资源开发保护中的关键技术问题

3.1 四水问题多维系统治理与保护技术及集成方法

目前在供水保障及水旱灾害应对、水污染治理、水生态修复等方面，已有较为完善的技术手段，形成了针对不同地域特征和成因的水问题治理模式[20-21]。在供水保障和水旱灾害应对方面，重点是以降低缺水率、提高设防标准等为目标，多采用“蓄、引、提”以及堤防等措施[22-23]，但其问题在于忽略了水循环自然属性的保育。例如，水利工程的建设和运行调度势必改变河道原有的天然水文情势(节律)[24]，进而影响到水生态系统对水文水动力过程适应性需求。在水污染治理方面，重点是以水质标准和排放标准为准则，消减污染物负荷与提升水环境容量为主要路径，以人为干预下的化学反应这类末端治理手段为主。其问题一方面在于未能从源头上控制污染物的产生，另一方面在于未能充分发挥水生态系统的调节作用。此外，上述“以物质消减物质”的手段，还会增加次生生态环境问题的风险。在水生态修复方面，多采用“去人工化”的方式实现自然属性的还原和重现，修复措施多是通过引入具有一定观赏性的植被，实现“美化”和“绿化”[11]，但对生态系统物种的适应性、结构的完整性、服务功能的协调性等方面的考虑尚显不足[25-26]。

图3 长江流域四水问题多维系统治理与保护技术集成思路Fig.3 Ideas for multi-dimensional systematic governanceand integration of protection technologies for the fourwater problems in the Yangtze River basin

由此可见，对于四水问题并存和并重的长江流域，“就问题论问题”的单要素、单过程的治理模式无法根除长江水问题的症结，往往会出现“按下葫芦又起瓢”的现象。由于四水问题是水系统中某一环节或多个环节失衡和失调所致，解决长江流域四水问题需立足于“山水林田湖草生命共同体”的理念，充分考虑自然生态系统尺度性、整体性、功能性、均衡性等方面的需求[27]，以长江干支流为经脉，以山水林田湖草为有机整体，统筹上中下游和江湖水系，统筹水资源、水环境、水生态、水灾害，统筹产业布局、资源开发与生态环境保护，从多专业领域、不同时段、多空间尺度来创建长江流域四水问题多维系统治理与保护技术及集成方法，如图3所示。具体而言，在专业上考虑不同水问题的特性及其内在关系，在空间上统筹考虑坡面和河道及植被、水体和聚落等结构单元，在时间上重点考虑不同阶段主导性的水问题，采用整体保护、系统修复、综合整治成套技术，对自然、生态和经济社会各要素进行全方位、立体性综合治理与保护。当前，水问题治理与水资源保护技术涉及众多领域、门类广泛，需根据水问题系统治理技术体系架构进行集成。

创建长江流域四水问题多维系统治理与保护技术及集成方法涉及到如下3个层面的工作。

(1)辨识山水林田湖草复合系统的整体性和内在规律性。整体性是指各要素在“生命共同体”中所处的层级、位置和作用以及相互作用关系，是长江流域四水问题多维系统治理的立足点。内在规律性是指自然规律或良性健康水循环的模式[28-29]，例如水资源应该在何时出现在何地(对应水资源短缺、干旱、洪涝问题)、化学物质应该以何种形式存储在何地(对应水污染问题)、生物应该生存在何地(对应水生态问题)[11]等，这也是长江流域四水问题多维系统治理的目标。

(2)技术方法的分类及评价。即在总结并分类国内外在水资源保护和开发等方面的先进管理经验和技术方法基础上，着眼未来长江流域四水问题变化趋势和长江经济带高质量发展需求，评估现有单项技术的各项技术的成熟度、适用性、实施效益等方面。

(3)技术的集成。围绕长江流域四水问题系统治理的目标，充分考虑单项技术的成熟度和集成技术的综合效益，融合管理、技术、政策、法规、经济及人文等多学科，从四水问题的要素维度、空间维度、时间维度等系统治理角度，构建适应未来长江经济带高质量发展的长江流域水资源保护开发技术集成体系。

3.2 协调多利益主体的水资源多目标协同保护与开发管理体制机制

长江流域水资源保护与开发涉及到防洪部门、电力调度部门、用水管理部门、航运交通部门、国土资源部门、环境监管机构、上下游沿岸地方政府等多个部门。长期以来，沿江地方政府主要谋求本地区的经济发展和水资源开发保护，导致长江上下游、左右岸管理保护的整体推进不协调，区域间水资源开发保护矛盾较多[30]。目前长江流域的流域性管理机构包括长江水利委员会、长江航务管理局、长江流域渔政监督管理办公室、长江流域生态环境监督局等。这些机构既存在职能交叉重叠，又壁垒森严，相互掣肘部门之间难以形成合力[31]。河湖长制的全面实施，在纵向上实现从省级到村级单位之间的上传下达，在横向上实现了行政区内水利、环保、建设、农业、林业、渔业等机构和部门间的团结协作和沟通联动，打破了各部门之间的壁垒，克服了“多头治水”中存在的诸多难题。但是，对于跨省江河、省界河流的水资源开发与保护仍然存在责任划分不清晰、上下游沟通协调机制不畅、整体推进不协调等问题[32]。

针对长江流域水资源开发保护的多元利益主体特点和管理中存在的主要问题，如何均衡各部门、各区域的利益？如何协同防洪、发电、供水等多目标？如何打破部门壁垒？是长江流域水资源开发保护中需要解决的重要难题(见图4)。因此，需要从多目标协同、区域统筹、利益均衡等角度，研究建立协调多元利益主体的长江流域水资源多目标协同保护与开发综合管理体制机制，为突破体制瓶颈与利益短视、推动长江经济带一体化发展提供制度保障。

图4 长江流域多目标多利益主体特征Fig.4 Characteristics of multi-objective andmulti-stakeholder in the Yangtze River basin

长江流域水资源多目标协同保护与开发综合管理体制机制，主要涉及的方面有：

(1)深度融合流域管理与河湖长制，建立跨省市协商协作机制、河湖长监管机制的流域综合管理体制和跨省市河湖长制监管机制。

(2)在长江流域建立起上中下游、左右岸间的利益平衡和补偿制度。包括：东、中、西部地区水资源水生态保护补偿与损害赔偿的双向责任机制；西部生态涵养区、集中式饮用水水源地保护区、重大水利水电工程和调水工程影响区、水土流失重点治理区、流域蓄滞洪区生态补偿机制；推动经济带东中西部开发地区、受益地区与生态保护地区建立健全横向生态补偿机制等。

(3)水利工程联合统一调度管理体制。在制定长江上中下游水库群“防洪-供水-水质-水生态”多目标调度原则与方法基础上，建立包括统一监测、统一调度、统一监督的流域控制性断面综合管理机制以及流域控制性水利水电工程统一调度管理制度在内的水利工程联合统一调度管理体制。