国家水网工程可持续运行风险研究进展

仇越 柳长顺 蒋晓辉 张希健

摘 要：为对国家水网工程可持续运行风险未来研究提供思路与可行性建议，综述了国家水网工程及相关水利工程的可持续性及运行风险研究进展。在文献阅读的基础上，初步解释了国家水网可持续性的概念，基于工程、社会、经济、生态和管理五项主要风险因子构建了国家水网工程可持续运行风险评价指标体系，认为工程风险和生态风险是影响国家水网工程可持续运行的主要风险因子。针对当前国家水网工程可持续运行风险研究存在的不足，提出了目前国家水网工程可持续运行风险评价面临的关键技术问题，指出未来需要基于国家水网工程可持续运行风险评价指标体系，识别风险因子及其发生概率，开展工程实证分析，提出风险管控模式和促进国家水网可持续运行的实施建议。

关键词：国家水网；水利工程；可持续性；可持续运行；风险研究

中图分类号：ＴＶ５４ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０３．０２７

引用格式：仇越，柳长顺，蒋晓辉，等．国家水网工程可持续运行风险研究进展［Ｊ］．人民黄河，２０２４，４６（３）：１４８－１５５．

０ 引言

水资源作为人类社会重要的自然和经济资源，兼具基础性和战略性，既是影响生态变化的主要因素之一，也是一个国家经济综合体系的有机组成部分［１－２］ 。我国水资源问题十分突出［３］ ，长期以来，水资源的时空分布一直处于不平衡的状态，不符合当前社会的经济发展模式［４－５］ 。

为解决这一矛盾，我国修建了三峡水库、南水北调［６］ 等现代大型水利工程，这些水利工程与我国众多的自然河湖水系［７－８］ 协同构成了我国的水资源网络，但各流域间连通作用不强，存在诸多不足，因此国家在“十四五” 规划中明确决定实施國家水网重大工程。国家水网工程是对已经存在的控制性枢纽工程和河湖水系连通工程的系统整合［９］ 。综合现有研究，其概念可以解释为：国家水网是以天然河湖水系为基础、引调排水工程为渠道、调蓄工程为节点、智能调控为手段、体制机制法制管理为支撑，集水资源调配、流域防洪减灾、水生态保护等功能为一体，在空间上呈现显著网络形态的综合性国家水资源配置系统［１０－１３］ 。依据“确有需要、生态安全、可以持续” 的重大水利工程论证原则，国家水网工程可持续性及运行风险的相关研究至关重要，但当前我国对于国家水网工程可持续性及运行风险的研究相对薄弱。因此，本文结合ＣｉｔｅＳｐａｃｅ 软件对国家水网及相关水利工程可持续有关研究进行了综述，在此基础上初步解释了国家水网可持续性的科学内涵，对国家水网运行的主要风险因子进行了探讨，阐述了目前国家水网可持续性研究面临的问题并展望了未来的研究重点。

１ 国家水网可持续性的概念解析

１．１ 国家水网可持续性的概念框架

国家水网可持续性的概念可以结合公共建设项目可持续性的概念来进行解释。ＰＲＹＮ 等［１４］ 和ＫＡＲＡＣＡ等［１５］ 认为基础设施可持续性包含经济、社会和环境３个方面，易弘蕾等［１６］ 提出大型公共项目的可持续性应该包含经济效应、环境状况、社会影响、资源利用、卫生安全以及项目管理６ 个方面，郎启贵等［１７］ 指出建设项目可持续性包括建设项目本身的可持续性和建设项目所在地区的可持续性两个方面，陈岩［１８］ 将建设项目可持续性定义为“建设项目在其整个生命周期中不断地发挥社会、经济和环境效益，协调和维持三者之间相互适应且动态平衡的能力”，朱嬿等［１９］ 认为建设项目可持续性可以从研究范围、内核、本质特征、内涵及影响因素５ 个层面来解读。

可见，国家水网可持续性是一个综合的概念，应当从整体性的角度出发，基于系统学的研究理论，对国家水网可持续性的研究尺度、本质特征和科学内涵进行全方位的分析。笔者建立了国家水网可持续性的概念框架，如图１ 所示。

１．２ 国家水网可持续性的研究尺度

时间尺度方面，国家水网重大工程是党中央从中华民族永续发展的战略高度提出的战略性决策部署，因此国家水网可持续性应该具备永续发展的特点，也就是其生命周期是无限的。空间尺度方面，国家水网工程可持续性与我国的经济、环境、社会３ 个领域密切相关，因此要保证国家水网工程的可持续性，必须保证它与我国经济、社会、环境之间的和谐度与协调性。

１．３ 国家水网可持续性的本质特征

可持续性的概念由可持续发展理论衍生而来，牛文元［２０］ 提出可持续发展的核心要素是“发展、协调和持续”，因此国家水网可持续性的本质特征与可持续发展一脉相承，即发展度、协调度和持续度。其中：发展度是衡量国家水网工程能否实现工程目标的数量维特征，协调度是衡量国家水网工程内在和外在影响因素的质量维特征，持续度是衡量其生命周期的时间维特征。

１．４ 国家水网可持续性的科学内涵

国家水网工程可持续性的科学内涵体现在工程技术先进性、经济效益合理性、社会影响协调性、生态环境友好性和管理体系完整性。本文对国家水网可持续性定义为：国家水网工程在其无限的生命周期当中，稳定发挥水资源调配、流域防洪减灾、水环境保护等功能，保持与经济、社会、环境之间的协调性并持续发挥社会、经济、环境效益，优化我国水资源配置、全面提升我国水安全保障水平的可持续能力。

２ 基于ＣｉｔｅＳｐａｃｅ 的水网研究文献计量分析

以中国学术期刊全文数据库（中国知网）为数据源，以主题或关键词“水网”为筛选条件，文献类型为学术期刊，得到文献３ ２０２ 篇。对得到的文献进行二次筛选，剔除访谈、新闻报道、会议活动通知、读者反馈等非学术型文章以及相关性欠缺的文章，最终得到有效文献１ ０５８ 篇，使用软件ＣｉｔｅＳｐａｃｅ．６．１．Ｒ６ 对所选１ ０５８篇文献进行计量分析。

２．１ 发文趋势

对选取的１ ０５８ 篇文献按照发表时间进行统计，结果见图２。从１９８４ 年起国内开始出现针对水网的研究，此后发文数量总体呈现稳定上升趋势，其中２００９—f1２０１１ 年水网研究相关发文量有较大幅度上升，从２９ 篇上升到了６５ 篇，２０１１—２０２０ 年呈现下降趋势，２０２０—２０２２ 年再次呈现大幅上升趋势，于２０２２ 年达８９ 篇。在１ ０５８ 篇文献中，直接研究国家水网的文献仅为７６ 篇，但发文数量在近两年处于大幅上升趋势，这说明国家水网研究尚处于起步阶段，且有望成为未来的研究热点。

２．２ 关键词共现分析

关键词对于文献的研究核心主题起到了高度的概括作用，因此某一特定研究领域可以使用关键词进行共现分析，以了解其研究热点及发展趋势。对选取的１ ０５８ 篇文献进行关键词共现分析，频次≥１０ 的关键词见表１。可以看出，目前针对水网的研究以局部地区为主流，研究热点集中于现代水网、生态水网、水网建设等方面，针对国家水网的研究已经初具规模。

２．３ 关键词突现分析

关键词突现分析是通过对频次变化率高、增长速度快的关键词进行检测，进而形象展示该领域内某研究热点随时间的变化情况。对水网研究领域的关键词进行突现分析，共检测到１２ 个突现词，分别为施工、生态水网、规则、现代水网、水资源、智能水网、水网工程、大水网、智慧水网、国家水网、水网建设、水系连通。可以得出，２００７—２０１６ 年突现词为生态水网，主要研究水网工程与生态环境之间的协调与兼容程度。

从２０１２ 年开始，现代水网、智能水网等［２１］ 研究开始出现，国家编制“十四五”规划时，将国家智能水网的研究划定为国家水网智能化部分的研究，因此国家智能水网研究可以归结为国家水网研究的前身。在智能水网研究领域，中国水利水电科学研究院有关学者从概念解析、建设思路、结构组成、核心技术等方面进行了深入研究。匡尚富等［２２］ 首次提出了我国智能水网的概念和系统结构。尚毅梓等［２３］ 阐释了水网智能化的概念，积极探索了我国智能水网工程的建设思路。王建华等［２４］ 提出智能水网是由水物理网、水信息网和水管理网耦合组成的复合网络系统。蒋云钟等［２５］ 从技术维度提出了智慧水利的赋能体系与核心技術，包括水利工程智能体、业务管理智慧体以及数字孪生［２６］ 、物联网、大数据等。于翔等［２７］ 将数字水网应用于京津冀地区的水功能区考核管理，实现了可视化的数字水网与业务融合应用。智能化是国家水网的主要特征之一，国家水网工程建设不只是物理水网如河湖水系与调水工程的连通，也是水利技术、水利业务与实体水网的孪生与融合。因此，物理、信息、管理三网合一及数字孪生、业务融合等是未来智能水网研究的重点，也是智慧水利发展的趋势和落脚点。

从２０２１ 年起，针对国家水网的研究开始涌现，且研究主题集中于水网建设、水系连通等方面，说明针对国家水网可持续性及其运行风险方面的研究较为薄弱。

３ 水利工程可持续性及运行风险研究进展

当前直接针对国家水网工程可持续性及其运行风险的研究尚处于萌芽阶段，因此了解我国现有水利工程可持续性及其运行风险的研究进展对于国家水网工程可持续性及运行风险研究具有重要意义。

３．１ 国家水网相关水利工程可持续性研究进展

我国跨流域调水工程与经济、生态和社会发展之间关系密切，实现跨流域调水工程产生最大效益与最小负效应的关键是跨流域调水工程影响区域经济、生态和社会的可持续性［２８］ 。当前针对水利工程可持续性的研究主要从水利工程对生态环境可持续能力的影响及水利工程造成的经济、生态和社会效益等方面开展。表２ 汇总了目前针对水利工程可持续性研究的主要研究内容、研究方法和研究对象。

在水利工程对生态环境可持续能力的影响研究中，生态足迹模型［２９－３３］ 应用较广，主要用于工程水源地生态足迹、生态承载力和生态盈亏的计算分析以及水源地可持续发展现状的实证分析。河流一维水动力学模型与水体富营养化模型［３４］ 适用于分析水利工程对河流水环境容量和水华发生概率的影响。王志杰等［３５］ 采用压力－状态－响应（ＰＳＲ）模型框架对南水北调中线汉中市水源地进行了生态脆弱性评价。秦欢欢等［３６］ 采用ＭＩＫＥ ＳＨＥ 模型和ＳＤ 模型耦合的方式，模拟了２０１４—２０２８ 年农业节水和南水北调对华北平原可持续水管理的影响。穆贵玲等［３７］ 建立了湖北三峡库区水资源可持续评价指标体系，并运用融入ＴＯＰＳＩＳ法思想的改进投影寻踪模型进行了水资源可持续评价。

在水利工程的经济、生态和社会效益研究中，直接市场法、缺水损失法、分摊系数法、影子水价法等［３８－３９］可以计算工程对受水区产生的各种效益，但这些方法相对传统，计算精度有待提高。当前，各种改进模型在水利工程效益分析计算中的应用较为广泛，与传统方法相比，其分析灵活性较大且计算准确度较高。杨爱民等［４０］ 基于生态系统服务功能理论对南水北调东线一期工程受水区的生态环境效益进行了评估。杨子桐等［４１］ 基于组合权重和改进云模型的综合评价方法对南水北调东线工程效益进行了综合评价。卢亚丽等［４２］ 通过构建ｓｔａｃｋｅｌｂｅｒｇ 分散决策模型和集中决策模型对南水北调工程可持续供应链进行了利益协调分析。赵晶等［４３］ 采用动态可计算一般均衡模型（ＣＧＥ），定量评估了河南省南水北调中线工程供水的社会效益与经济价值。胡江霞等［４４］ 基于中介效应模型和调节效应模型，提出保证贫困农民生计可持续性的关键是生计资本和生计风险管理。在实际应用中，采用何种方法进行水利工程的经济、生态和社会效益评估计算，应结合受水区的环境特征和社会状况综合分析后确定。

３．２ 水利工程可持续运行风险研究进展

国外在水利工程风险评价研究方面，ＭＡＹＳ 等［４５］首次将风险评价管理理论应用于水利工程当中。ＲＯＢＥＲＴ［４６］ 基于水利工程风险分析研究提出了水利工程安全管理模型。ＨＲＥＩＮＳＳＯＮ 等［４７］ 将蒙特卡罗法应用于各类水利工程改扩建方案的风险评价当中。

ＢＡＬＫＨＡＩＲ 等［４８］ 对小型水利水电工程运营条件及成本进行分析，认为将发电系统成本确定为激励要素有助于控制成本风险。

表３ 列出了水利工程可持续运行风险研究的主要内容、方法与对象。根据汇总结果可知，我国现有针对水利工程可持续运行风险的研究对象主要集中在南水北调和三峡水库两个重点水利工程，研究重点集中于工程风险评价，研究内容包含工程风险、经济风险、社会风险、生态风险和管理风险等方面。

在水利工程经济风险研究中，可拓评估模型［４９］ 与熵权法［５０］ 有所应用，但缺乏相关水利工程实证分析。社会风险研究方面，黄德春等［５１］ 建立了重大水利工程社会系统脆弱性评估模型及评价指标体系。吕周洋等采用改进的ＨＨＭ 建模识别方法［５２］ 和基于Ａｇｅｎｔ 的社会风险管理政策制定模型［５３］ ，识别了南水北调东线工程的社会风险因子。在管理风险研究当中，工程风险管理方法［５４－５５］ 应用普遍，ＪＵＮ 等［５６］ 针对南水北调东线工程建立了经营管理风险指标体系。

在工程风险研究中，基于传统失效模式与影响分析（ＦＭＥＡ）［５７－５８］ 方法的风险评估模型在南水北调工程运行安全風险研究中应用十分广泛。汪伦焰等创新性引入ＶＩＫＯＲ 构建了基于模糊ＶＩＫＯＲ－ＦＭＥＡ［５９］ 的南水北调运行管理安全风险分析模型， 相比传统ＦＥＭＡ 法分析准确度有所提高， 并运用结合ＦｉｎｅＫｉｎｎｅｙ 评价方法和模糊推理系统的风险评价模型［６０］ ，对南水北调中线总干渠运行风险进行了评价。聂相田等基于决策实验室分析法、解释结构模型［６１］ 以及ＩＯＷＡ－云模型等［６２］ 对长距离引水工程运行安全风险进行了一系列的研究。ＺＨＯＵ 等［６３］ 基于实体关系图的方法建立了一个完整的工程风险数据库。马婷婷等［６４］ 采用风险指数矩阵法对南水北调进京南干渠盾构隧洞工程风险进行了评价和分级。胡丹等［６５］ 引入基于直觉模糊集理论的多属性评价模型对南水北调中线明渠工程运行风险进行了综合评价。

在生态风险研究领域，基于ＲＳ 和ＧＩＳ 空间信息技术结合各类基础学科方法建立模型［６６－６９］ 在水利工程生态风险时空变化研究中应用广泛。科普拉函数、贝叶斯网络［７０］ 以及经验正交分析［７１］ 等方法常用于南水北调工程水源区与受水区干旱遭遇分析。物种敏感性分布（ＳＳＤ）法、地累积指数法和沉积物质量基准法等［７２－７４］ 适用于与重金属污染相关的水利工程生态风险评价。压力－状态－响应模型与正态云模型［７５－７６］ 在水环境污染和土地利用风险中有所应用。其他方面，封丽等［７７］ 根据欧盟环境风险评价方法对三峡库区主要水域典型抗生素进行了生态风险评价。王复生等［７８］ 用蒙特卡罗法辅助层次分析法，通过ＡｒｃＧＩＳ 得到了南水北调东线山东段区域的洪水灾害风险区划图。

综合上文分析，当前研究重心集中于工程风险和生态风险两方面。基于传统研究方法融合各种新型技术的改进型研究方法在水利工程风险研究中为主流，其弥补了传统方法分析精度差、分析流程单一、分析对象局限等不足，可以处理离散和非线性的大规模风险分析问题，使得研究结果更加合理、精确。此外，水利工程不确定性形式比较多样化，各类风险研究方法均有其优点与局限性，因此应根据实际情况，针对具体的水利工程与研究内容选择合适的研究方法。

４ 国家水网工程可持续运行风险研究

４．１ 国家水网工程可持续运行风险的概念

项目管理知识体系指南对项目风险定义为［７９］ ：当一个具有未知性或不确定性的事件发生时，会对至少一个项目目标产生影响。ＷＩＤＥＭＡＮ［８０］ 对项目风险定义为：某一个事件的发生对于实现项目的既定目标产生不利影响的可能性。本文将国家水网可持续运行风险定义为：国家水网工程在其无限的生命周期内发生的导致工程效益受到损失的可能性与危害性因素，或对稳定发挥其工程功能，实现国家水网建设目标可能产生干扰的不确定性影响。

４．２ 国家水网工程可持续运行风险评价指标体系

基于文献研究与上文对于水利工程可持续性运行风险研究进展的综述，结合建立全过程风险管理体系的构想，把国家水网工程可持续运行风险因素划分为工程风险、社会风险、经济风险、生态风险和管理风险５ 个方面，初步构建了国家水网工程可持续运行风险评价指标体系，见表４（总计包含５ 个一级指标和１７个二级指标）。

国家水网工程是一个由纲、目、结多节点、多通道组成的庞大水资源配置系统，结合上文对于水利工程可持续运行风险研究进展的综述，本文认为工程风险和生态风险是影响国家水网工程可持续性的主要风险指标，应重视国家水网工程风险和生态风险的研究。后续可以选取合适的评价方法进一步对各项风险指标及对应二级指标的权重进行计算，从而精确有效地对影响国家水网工程可持续运行的各项风险因子进行防范与控制。

４．３ 国家水网工程可持续运行风险评价关键技术问题

结合国家水网工程的性质与特点，从工程、社会、经济、生态和管理５ 个方面提出国家水网工程可持续运行风险评价可能存在的技术难点。国家水网具有工程种类多、数量多、跨度大、分布广等特点，如何科学合理地分析各类工程风险因子组合的可能性，从而准确评价和预测工程风险十分重要。在进行社会风险评价时应该做到定量分析与定性分析相结合，采用正确合适的评价方法，才能准确评价国家水网工程的社会风险，从而最大限度预防和减少社会风险带来的损失。如何确定关键经济因子并针对各级水网子工程所在区域经济发展水平、产业结构和水价承受能力等建立动态高精度经济风险模拟模型是一个亟须解决的难题。研究国家水网与区域气象、水文、生态之间的互馈机制，揭示国家水网建设条件下区域气象、水文、生态系统演化规律，最终准确评价水网格局变化导致的区域水文气象与生态系统风险是生态风险评价的重点。综合评估国家水网工程的管理体系，形成综合性调度运行预案，选取适合管理风险的评价方法，是管理风险评价的重难点。

５ 结论与展望

国家水网工程研究领域目前主要集中于区域水网、生态水网、智能水网等方面。国家水网可持续运行风险研究仍处于初步阶段，其运行主要受工程风险和生态风险的综合影响，与经济、社会、管理等风险因子也息息相关。我国区域众多且发展需求、规划各不相同，需要根据不同地区风险要素分类分阶段进行风险研究。水网不只是河湖水系与水利工程的联通，也是水利技术、水利业务与实体水网的孪生融合。国家水网工程可持续运行风险评价存在众多研究难点，借鉴现有水利工程如南水北调工程和三峡水库可持续运行风险研究经验成果，提出以下４ 点展望：

１）综合考虑工程、社会、经济、生态、管理等因素，构建国家水网可持续运行风险评价指标体系，识别主要风险因子及其发生概率。

２）以具体流域为研究区，基于当前已经建成的水利工程开展实例应用，以验证国家水网可持续运行风险评价指标体系的可靠性。

３）基于构建的国家水网工程可持续运行风险评价指标体系，综合评价国家水网工程可持续性，提出工程风险管控模式，为国家水网工程规划建设提供定量支撑。

４）研究提出国家水网可持续运行风险管控措施和促进国家水网可持续运行的实施建议，为已开展和即将开展的南水北调等重大水网工程可持续运行管理提供科学方案，全面增强我国水资源统筹调控能力、供水保障能力、战略储备能力，为全面建设社会主义现代化国家提供有力的水安全保障。

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【责任编辑 张华岩】