长江流域三水协同调控关键技术应用展望

张 万 顺，王 浩，周 奉

(1.武汉大学 中国发展战略与规划研究院，湖北 武汉 430079； 2.武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072； 3.武汉大学 资源与环境科学学院，湖北 武汉 430079； 4.中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038)

0 引 言

长江经济带是具有全球影响力的内河经济带、东中西互动合作的协调发展带、沿海沿江沿边全面推进的对内对外开放带，是中国人口与经济重心所在，被誉为中国经济的“金腰带”、中国经济的脊梁。打造“生态文明建设的先行示范带”是长江经济带国家发展战略的四大定位之一[1]。长江流域多年平均水资源量约占全国36%，是国家和全球战略型生态宝库。以长江黄金水道为依托，保护好长江流域生态环境，是推动长江经济带高质量发展的前提。当前长江流域干流水生态环境质量全面转好，但仍面临着水资源调控复杂、水环境污染频发、水生态风险突出等三水难题[2]。坚持生态优先、绿色发展，以水循环为纽带，统筹推进长江流域水资源、水环境、水生态协同治理，是十四五时期实现高质量发展的重要路径。流域自然与社会水循环在循环通量上此消彼长，在循环过程上深度耦合，在循环功能上竞争融合，但水多、水少、水脏、水浑依然是阻碍长江流域绿色高质量发展的瓶颈[3]。其根本原因是将水循环、水生态、水化学和水沙过程进行分离式管理，未能充分融合多过程间的多向反馈作用机制，也忽略了水循环是主循环和主驱动的客观事实[4]。过去水生态环境保护以污染治理为主，主要为水资源、水环境、水生态单一要素与“水资源-水环境”双要素耦合，治理策略上存在机理分析不足的短板。针对长江流域生态文明建设战略需求，新时期应从流域生态系统的整体性、系统性及问题靶向性出发，向“水资源-水环境-水生态”流域多要素统筹推进、协同治理、精准调控转变，在新形势下亟需构建“优化水资源调控-改善水环境质量-修复水生态系统”的三水协同调控技术体系，数字赋能提升水生态环境精准管控水平，是实现长江流域水生态环境由量变到质变的转变与协调推进长江流域高质量发展的关键抓手。以水生态环境高水平保护促进长江经济带经济社会高质量发展，推动实现长江流域“五江共建”的生态文明建设新格局。在此背景下，本文深入分析了长江流域三水存在的问题及协同调控面临的挑战，提出了三水协同调控作用机制剖析、调控手段策略以及智慧化建设等三水协同调控关键技术体系的创新和应用。

1 长江大保护三水调控举措及成效

长江大保护实施以来，自2016年起陆续发布了《长江经济带发展规划纲要》《长江经济带沿江取水口、排污口和应急水源布局规划》《长江保护修复攻坚战行动计划》等，随着水资源方面的“饮用水源和应急水源安全保障、水资源配置优化”，水生态环境保护治理方面的“化工污染治理、排污口排查整治、‘三磷’污染治理‘4+1’工程、农业面源污染治理和十年禁渔”等关键措施的践行，长江流域水资源利用效率得到有效提升、干流水质全面转好、水生态修复得到明显改善。

(1) 水资源管控成效显著。长江流域实施最严格水资源管理制度以来，通过水资源消耗总量和强度控制“以水而定”，促进流域经济社会“量水而行”，长江流域水资源开发、利用、治理、配置、节约、保护管控成效显著。长江流域2021年万元GDP用水量、万元工业增加值用水量、农田灌溉亩均用水量、城镇人均生活用水量分别达50.1，48.2，406 m3和255 L/d[5]，万元GDP用水量和万元工业增加值用水量相较2016年分别下降了34.01%和32.11%，工业用水效率提升明显，农田灌溉和城镇居民生活用水效率也逐见成效。

(2) 水生态环境明显改善。通过建立长江流域水生态考核机制，实施生态保护红线、严治化工围江、控制污染物排放许可制、长江十年禁渔计划等多项生态环境保护举措。长江流域水环境保护在对污染浓度进行限制的基础上进一步明确了长江环境保护的总体目标和区域污染的总量控制，用约束性目标管理来倒逼经济转型，由污染防治的末端治理方式向污染过程控制和源头控制转变。入河排污口溯源完成率达80%以上，完成了污水直排乱排的排污口7 000多个、存在问题的“三磷”企业281家和尾矿库1 641座的整治工作；2021年长江流域监测的国控断面中Ⅰ～Ⅲ类水质断面占97.1%，《长江保护修复攻坚战行动计划》明确的劣Ⅴ类国控断面于2021年底全部消除，干流和主要支流水质均为优；地级及以上城市建成区黑臭水体基本消除；实现了重点跨省河湖生态流量保障体系全覆盖[6]。长江流域水生态环境质量改善明显，鱼类资源呈恢复迹象。

2 长江流域存在的三水问题与挑战

长江流域梯级枢纽的建成运用等人类活动的短期影响和气候变化的长期影响对水资源、生态生境等水生态环境累积影响深远[7]，长江流域水资源利用开发、水环境保护、水生态安全和水旱灾害防治等目标下的三水协同治理与精准调控面临着新挑战。

2.1 三水问题

(1) 水资源节约集约利用存在短板。长江流域水资源时空分配不均，地区季节性、水质性缺水问题严重。受工程影响范围、流域地质条件、操作技术难度等因素的影响，长江流域水工程调节能力存在短板，干支流水库群防洪-水资源-水环境-水生态等多目标联合优化调度体系尚需完善[8]。部分地区枯水期降雨量不足全年15%，枯水年和枯水期部分支流区域间、生活生产与生态用水、流域内用水与跨流域调水还需要统筹协调[9]。流域用水总量控制指标未完全分解落实到河流水系等空间单元上，生产、生活、生态空间布局需要进一步优化[10]，各行政区水量分配份额、水资源控制红线需要明确等。当前长江流域城市供水管网漏失率约18%，灌溉水有效利用系数约0.52，节水技术有待提升完善，先进的节水经验、模式和行为规范有待推广，水资源利用效率仍有较大的提升空间。

(2) 水生态水环境问题依然突出。长江流域水生态水环境总体情况有所改观，生态质量总体优良，生态安全屏障基本建成。但多地环境基础设施欠账较多，整改成效不确定、生态问题存在反复[11]。干流城市江段以及部分支流水域仍受不同程度的污染，流域内部分水源水质出现有机污染，多地区水源地水质不达标；长江干流局部江段及其支流乌江、岷江、沱江磷超标问题突出；平原河网地区河道流动不畅，浅层地下水水质总体较差；城市水体黑臭现象未完全消除。流域内多数湖泊为轻、中度富营养化，滇池、洞庭湖、鄱阳湖、巢湖等重点湖库营养化水平仍处在较高水平，三峡库区部分支流库湾水体处于轻度富营养化。在长期围湖造田、挖沙采石、水电站建设等人类活动影响下，长江流域水生态功能退化依然严重，部分河道生态流量保障不足，湿地、湖泊面积萎缩，水生生物多样性持续减少。

(3) 防洪抗旱减灾存在薄弱环节。随着三峡、南水北调东中线、干流堤防加固等流域骨干性工程陆续建成，长江流域已经基本形成现代化长江防洪减灾体系。长江重要支流、湖区重点圩垸堤防防洪能力偏低，防洪标准和工程生态化水平提升需求迫切，防洪抗旱减灾仍存在薄弱环节。受水文循环改变的影响，水资源时空分布不均现象愈发明显，长江流域多地区发生干旱灾害，长江流域发生极旱和重旱事件分别约为25～50 a一遇、5～15 a一遇；2022年遭遇了1961年以来最严重的气象干旱[12-14]。防洪工程建设与运行阻隔水系横向、纵向连通，急需堤防生态化改造；蓄滞洪区围堤、进退洪设施建设滞后，难以实现“分得进、蓄得住、退得出”的要求；中小河流与病险水库治理、山洪灾害与风险防控仍需加强。现有工程管理信息化程度不高，监管压力大，防洪抗旱体系联合调度信息化支撑不足。

2.2 三水协同调控面临的形势与挑战

(1) 水沙形势和江湖关系变化带来的持续影响。长江流域内已建成水库5.19万座，总库容达4 141亿m3，极大缓解了防洪减灾、水资源综合利用等需要。受长江上游来沙大幅度减少及三峡水库拦沙的影响，长江上游进入中下游河道的泥沙大幅度减少、干流河道发生长距离大幅度冲刷，2003～2018年三峡水库共淤积泥沙17.43亿m3，宜昌站多年平均输沙量较2003年前均值减少了93%，2003～2018年宜昌至长江口徐六泾江段共冲刷泥沙约43亿m3；三峡水库建成以来长江与鄱阳湖水量交换出现明显差别，湖口9月出流明显增加。长江干流和主要支流的水沙过程已受到人类调控的强烈影响，长江中下游的水沙关系和江湖关系已发生显著变化并将持续变化。

(2) 人类活动和全球气候变化带来的新挑战。长江流域经济发展过程中城市化、工业化、污染排放和水资源开发利用等强人类活动导致流域水环境水生态发生了深刻变异。受全球气候变化的影响，长江流域河流径流量表现出明显的上升趋势；在气候变暖背景下，水资源量在时空分布上的变化会改变地表水环境，导致湖泊富营养化加重。随着微-小-中-大多层次防洪工程、水环境污染控制工程、水生态修复工程等建设运用，长江、汉江等流域防洪抗旱减灾能力和水生态环境质量明显提升。但人类活动与全球气候变化影响下洪涝干旱及水生态环境风险发生可能性、机理过程复杂性、高时空变异性、驱动因子综合性等持续增大，对长江流域三水协同调控带来新挑战。

(3) 高质量发展下水资源水环境水生态协同治理的新要求。长江经济带要走出一条绿色发展前提下的高质量发展之路，其重大原则是保护和发展协同推进，要严守以水量、水质、水生态要素为核心的流域生态保护红线，山水林田湖草系统综合治理，促进流域生活、生产和生态空间协调发展。在治江思路上强调人与自然的和谐相处，统筹陆域-水域、河流-湖库、干流-支流、上下游、左右岸，需严格保障生态的用水需求，落实水资源的刚性约束，强化流域生态系统修复和环境治理，优化水工程调度，推动共治、共管、共享。

(4) 水利治理体系和治理能力现代化建设提出的新任务。国家“十四五”规划纲要明确提出，构建智慧水利体系，以流域为单元提升水情测报和智能调度能力；国家“十四五”新型基础设施建设规划明确提出，要推动大江大河大湖数字孪生、智慧化模拟和智能业务应用建设。数字流域和智慧水利是实现水利信息化、现代化的主要手段，长江流域需要进一步整合“智慧长江”概念，进一步落实智慧化、精准化环境治理重要指引，深化5G、物联网、大数据、云计算、人工智能等新技术在三水协同调控中的应用力度[15]，以智慧化手段赋能三水管理，实现对水利数据的采集、储存、传输、分析和管理，稳固推进长江流域三水调控现代化变革，创新现代化的高效能三水智慧化调控体系与体制机制。

3 三水协同调控关键技术应用展望

人类活动和气候变化对流域水循环及其伴生过程的影响逐渐增加，长江流域水生态环境时空差异性高、涉水对象多样、机理过程复杂。面对流域三水融合协同共治及其靶向精准治理的现实需求，针对“山水林田湖草”系统治理思想，以及“水资源-水环境-水生态”三水融合提升的基本思路，明晰三水互馈耦合作用机制、创新三水耦合综合模拟技术、建立三水协同共治与精准调控策略、建设智慧化管控体系(见图1)，是长江流域三水融合协同共治及其靶向精准治理亟需突破的难点与挑战。

图1 长江流域三水协同调控技术体系Fig.1 Key technologies for synergistic management of “water resource-water environment-water ecology” in the Yangtze River Basin

3.1 三水互馈耦合作用机制剖析

明确气候变化与人类活动作用下流域水循环及其伴生的水环境和水生态演化过程变异及交互影响机制，以及人工调控互馈耦合作用机制，是当前科学界亟需回答的难题。在流域三水互馈机理剖析方面，欧美等国家具有一定优势，因环境问题差异大，环境复杂程度高，使得中国水循环机理研究无法直接套用，王浩首创了流域“自然-社会”二元水循环理论[16]，但仍缺乏对人类活动影响下物质与能量对三水互馈响应的精准刻画。长江流域尺度大、地理特征多样、开发利用模式多元，其流域三水问题关键因子难识别、时空特征难明晰、交互机制难厘清。深入开展三水融合机理剖析是实现长江流域三水协同共治与精准调控的基础。应剖析气候变化与人类活动作用下丘陵、平原、城镇建成区等不同区域的水文水动力、水环境、水生态演化过程变异及其交互影响机制；研究不同区域水资源均衡、水环境改善和水生态功能提升的水文学、生物、化学、生态学原理；研究河湖三水统筹视角下节水增容、污染控制、生态修复等人工调控影响的水文水动力过程、水体理化性质与物理生境变化过程、水生生物生消过程互馈耦合作用机制，为三水融合综合模拟和协调调控与管理提供理论支撑。

3.2 三水耦合综合模拟技术

利用模型精准模拟不同时空尺度下三水融合过程及其伴生污染物的迁移转化规律，在此基础上进行精准调控是研究热点与难点。当前流域尺度高效预报预警、快速响应的流域三水融合综合模拟与精准调控模型体系欠缺。现有模型过程耦合不精准、计算时效性低、要素考虑不全面[15]，且模型机理与区域特征不完全匹配。需解析陆域单元-水域单元的累-产-滞-汇响应模式，破解单一划分尺度使得流域内水利调控设施与河网体系的断面-网格计算单元无法精准耦合、陆面和水域单元耦合时交界处的网格易缺失、大尺度气象网格受划分尺度大且时空连续性差影响下难以直接耦合至微小尺度次网格(边界层网格和陆面网格)等难题。构建包括大气-地表-土壤-地下等垂向过程、陆面-河道等水平过程和“取水-输水-用水-耗水-排水-再生处理与利用-回归”等社会水循环完整过程的水量-水质-水生态综合模拟模型，并充分与云计算、大数据、物联网等紧密结合，在结构优化、并行控制、实时扩容等方面实现高性能计算。支撑丘陵、平原、城镇建成区及全流域尺度陆域单元产流产汇和断面三水时空变化特征解析，进一步定量剖析陆域-水域的水量-水质-水生态响应规律。

3.3 三水协同调控手段与策略

流域三水联合调度涉及利益群体众多，交错补水、竞争型取水关系复杂，考虑不同决策者间的利益权衡、优化寻找各种目标间的最优解，需确定统筹协调长江流域防洪、供水、生态环境保护等目标下发挥最大综合效益的整体调控方式。当前调控措施上聚焦于保障水资源配置、预防洪涝灾害、治理水环境污染和防范水生态风险等单一目标，且调控过程不精准、效果评估难量化。应基于流域三水协同调控分区分类、量质双控、多元共治的技术-经济-政策耦合优化机制，充分识别多水资源-零散污染源-多工程措施影响下陆域-水域分阶段三水时空动态特征；创新流域分阶段多目标全过程防控、全链条循环和全时空配置的节水增容-污染控制-生态修复分阶段动态三水最佳治理技术模式；提出面向生态脆弱区水土资源涵养的水资源配置与生态修复优化组合调控模式，面向污染损伤水体环境修复的水资源配置、污染负荷削减、水生态功能强化的优化组合调控模式，面向河湖退化湿地修复的水资源配置与污染负荷削减优化组合技术等；通过流域三水融合调控技术的集成、归纳与凝练，揭示针对区域特征的供水保障、洪涝和水华防控、梯级调度等三水协同作用过程规律及其调控策略，形成流域三水协同精准调控技术基本范式。

3.4 三水协同调控智慧化建设

依托信息化手段提高三水质量、助推生态文明建设是仍需高度重视并持续发力的重要工作。长江流域现有水生态环境管理业务信息系统以单一业务自成体系，业务协同和信息共享不足，高性能计算等软技术与硬件设施缺乏，致使水生态环境“四预”基础薄弱；亟需推动环境管理模式由被动转为主动，贯彻“齐抓共管”的流域管理新模式。亟需以流域三水及其伴生过程机理为基础，着力推动物联网、大数据、云计算、边缘计算等新一代信息技术与三水协同调控深度融合，构建集数据、计算、管控、服务于一体的三水协同调控智慧化管理体系。

数据方面，建立资源共享、全面覆盖、服务监管的三水物联感知系统，优化全覆盖监测网络，提高流域三水综合智慧化监测能力，促进数据资源整合和开放共享，创新流域水生态环境大数据创新应用模式。

智慧模拟方面，研发多源异构数据融合、同化及挖掘方法，开展三水预测预报技术研究和算法引擎及系统研发，依托大数据、物联网、云计算、人工智能等技术，形成数据引擎和机理引擎耦合驱动的“空-天-地-水”多维度多过程水量-水质-水生态耦合模型、高性能计算、参数动态校准和全局寻优于一体的流域三水融合精准化快速模拟技术体系。

管控体系方面，在生态环境相关业务部门的统筹领导下，综合各管理部门的需求，做好顶层设计，形成目标导向、集约化建设、平台化应用、一体化服务、跨部门多业务协同的智慧化、精细化管控体系，构建集监测、评估、预警、调控、管理等为一体的三水融合管理平台，为三水协同管控提供实时化、自动化、智能化、服务化和业务化的支撑。

服务方面，建立健全网格化、精细化管理与全过程考核机制，以“能监控、能研判、能指挥”为目标导向，细化规划实施考核评估标准和目标；基于生态功能定位，以落实污染物达标排放要求为目标，实现控制单元污染物多级动态分配；实行全过程分阶段考核，有效保障水环境、水资源、水生态安全，形成三水协同调控决策科学化、考核精准化、管理智慧化体系。

突破三水调控目标需求多样、业务标准不一、管理效率低下、多依赖工程经验的局限，以数字赋能实现流域三水协同智慧化管控，解决中国三水融合综合模拟与调控的自主知识产权卡脖子技术难题，填补从数字流域到智慧流域建设以来的工具空白。

4 结 语

在经济社会快速发展、水资源高强度开发利用、水生态环境保护未能协同跟进、气候变化影响日益凸显的多重胁迫作用下，长江流域面临水资源保障形势依然严峻、水污染风险仍将持续存在、水生物种多样性和完整性受到威胁等挑战，尚未实现水资源-水环境-水生态等多目标统筹治理、“人水和谐”与经济协同高质量发展。经济社会高质量发展与现代化治理体系等不断对三水协同调控带来新要求，“十四五”及未来一段时期，流域生态保护正在不断向着机理深化、多尺度系统监测与模拟、社会经济-自然综合评价与管理对策等多维方向发展。亟需加强三水统筹视角下长江流域在跨流域调水工程对长江流域的影响及风险防控技术、长江流域用水总量控制关键技术等水资源节约利用与优化配置研究；长江流域重要河湖生态水量保障体系、长江流域梯级水库群对水生态环境和水生生物等的影响及减缓措施、长江流域磷的分布与迁移及防控措施等水生态环境保护研究；变化环境下多尺度水文气象预报技术、长江中下游防洪布局论证、极端洪旱灾害及对策、新水沙条件下长江中下游干流河道综合治理等防洪抗旱减灾多方面研究。因此，需针对长江流域多尺度三水特征，建立和完善三水融合视角下协同调控理论与技术体系，形成以三水融合管理系统平台为基础的个性化精准模拟、知识驱动、数字赋能的三水协同调控智慧管理模式，为有效控制三水风险致灾损失，达到流域三水量、质、效协同发展，实现长江流域三水协同高效利用管理提供有效技术支撑。加大力度、加快治理、加紧攻坚，实现精准识别、科学调控、依法管理。