气候变化下供水系统的适应与恢复能力

［英国］S.德塞 等

可靠的供水是人类健康和福祉之必需。气候变化对供水系统存在潜在影响，其方式多种多样，有通过改变取水和蓄水的，有通过改变干旱频率和干旱强度的，也有通过改变需水量和供水基础设施发生故障风险变化的等。尽管准确详细地描述这些变化可能也是不确定的，既然深信全球气候正在发生变化，因此不可避免地要主动适应这种不确定的变化气候。水利工作者过去往往是在假定气候不变的情况下进行规划，而这种假定在一个变化的气候中和其他社会经济条件发生变化的情况下已不再成立。

该专刊对多学科方法和跨学科方法在处理供水系统未来对这种变化的适应性和恢复能力方面的价值进行了论证。文章主要以英国为例，从跨学科的角度探讨了供水系统如何适应不确定变化气候及其如何恢复等相关问题。文章议题将会引起国际上对水资源管理和适应气候变化感兴趣者的共鸣。专刊大部分文章源自工程与物理科学研究理事会(EPSRC)发起的一个研究项目——应对变化气候的适应能力与恢复能力(ARCC－水)，该项目得到了经济与社会研究理事会的资助。因此，专刊文章囊括了参与“ARCC－水”项目的多个大学、研究机构、咨询公司以及政府和非政府组织的研究成果和理念。其中一些文章在伦敦召开的皇家地理学会－英国地理学家协会(RGS－IBG)2011国际年会议题为“不确定变化气候下的可持续水资源管理”的分会上进行了交流。

专刊所收录的评述性文章、研究论文以及特邀撰稿所具有的跨学科特性充分反映了供水系统对气候变化的适应性所涉及的主题众多。这些主题包括:①干旱、水资源和淡水环境受气候变化影响的不确定性;②现有预测需水量的方法所固有的不确定性;③采用定性方法进行水资源规划的极度不确定性。各文章还强调:未来供水系统受气候影响的程度相当于用水户和供水者受到的法律环境和监管环境影响的程度，并鼓励水资源管理工作者采用多学科方法处理各种社会、政治和经济问题，并认真研究各跨学科方法对现有的实践和政策会产生的影响。最后，尽管该专刊是以英国为主，仍从三大洲邀请了3位经验丰富的学者(索佛里斯、穆巨达尔、高博)，共享了他们在该主题方面的理念与智慧。

1 需水研究的批判性社会科学方法探讨

由特邀编委索佛里斯撰写的文章介绍了澳大利亚水资源管理者在应对干旱和早期气候变化方面的经验。该文提倡采用优先考虑了概念性和方法性实验主义与自反性的跨学科、多学科方法，也仔细考虑了人文研究与社会科学研究在“计算”时由于特别强调实证科学而出现的困难。作者还研究了继续建立以水资源共同管理为主导的应急“合作模式”的必要性。

皮尔斯等人在其“变化气候条件下可持续水资源管理的环境社会科学研究方法重构”一文中，探讨了在英国现有水资源管理和气候变化适应性方法中人本化需求端管理所存在的偏差，并研究了如何将这种偏差纳入水利行业在处理单个用水户时所采用的概念性与系统性方法中。作者还确定了这种情况如何在英国现有水资源管理方法内的供需“双轨”准则下形成二分法。在重点回顾了澳大利亚、英国和欧洲的历史之后，作者认为，现有的这种在“个体中”构建适应性和变化的框架模式存在问题，其重点在于在面对无法确定其需水量是否可以“得到控制”的“一般用水户”时，无意识地再次强调建设适应性更强的基础设施的重要性。作者概述了如何将这些有问题的构架(即一种“反乌托邦式灾难性构架，其结果通过行为构架进行评价”)纳入英国政府资助的研究项目中，并如何根据环境和气候变化而不是依据实际的涉水活动(及由水利部门提供的相关服务)及其与实际耗用水量的关系，针对用水户建立很不精确的拓扑结构并进行细分(然后用其制定“干预策略”和“减少需求策略”)的方法。作者提出，古典的扎根理论可以作为一种可行的方法用于在实证主义和后实证主义之间架起一座桥梁，而以前认为这种方法在英国水资源管理的“社会研究”和“科学研究”中是存在的，可以从实际研究背景(即实际用水模式)角度而不是从非相关理论推断(即态度理论和经济理论)的角度作为一种干预用水的方法。作者指出，这种方法对用水效率和需水研究及政策制定的资助者很有吸引力，因为“从实体理论角度进行干预从短期看可能有用和有利得多。”

布朗等人在其“在不确定条件下跟踪生活需水的新方法——社会科学方法在英国的进一步反思”一文中介绍了重点在跟踪实际用水实践方法的开发方面所开展的初步工作。该文同样提倡从方法论角度来支持对耗水和需水管理进行批判性社会科学研究，所用方法针对的是用水的实际行为和习惯，而不是采用学者皮尔斯等在其文中强调的用心理的、经济的和环境的构架形成的生活用水户拓扑结构方法。但是，尽管没有采用由皮尔斯等人提出的更加定性的方法，作者提倡在满足开展批判性社会科学研究所用方法的过程中可以试验性地采用定量的方法，而这些社会科学研究大多是采用定性的方法进行的。在认识到现行用水户构架方法存在局限性的同时，作者还指出，批判性社会科学在没有提出同样对现行水资源管理系统极为重要和有用的方法论方面也存在局限性。作者赞成，将由帕克和威尔比开展的实际需水量研究与由皮尔斯等人提出的更加定性的扎根理论研究联系起来，并将这种定性方法放大，这样就可以确定人群对耗水驱动力的变化量。作者简述了跟踪需水驱动力可行的方法，而需水驱动力可以用来确定人群需水量变化的近似测量值，然后可以将其用于政策策略的研究和制定中。

帕克和威尔比在其“量化家庭需水量:英国的理论与实践述评”一文中综述了英国水利行业现行的需水预报预测方法，重点探讨了采用家庭和其他人口统计变量作为估算人均耗水量，以及由一系列技术成果及其他成果引起的潜在变化的方法。通过评述，作者强调指出，对处理气候变量和实际耗水量之间关系的研究极度缺乏，重点指出了现在采用的预报预测受气候和气象变化影响的家庭耗水量的方法存在的缺陷。作者采用英国供水公司“黄金100”数据库来解释将家庭需水数据用于气候预报信号时所遇到的重要的实际问题和概念性问题。重点涉及这些大型数据库中存在的错误，因为这些数据库始终用作他用，而没有用于研究需水量和气候之间的关系。尽管如此，作者通过各种分析(从分层分析到线性回归分析)仍然确定了一系列大家可能感兴趣的需水量与气候变化之间的各种关系式。这表明，在气候变量和需水量之间常常存在一种非线性关系。该研究所获得的实际结果与分析结果可为短期(从天到季度)和长期(从数年到数十年)需水量的估算和预测提供信息。

2 气候与气象变化对供水系统影响的预测

特邀专家穆巨达尔将水资源管理者缺少对气候影响的研究归罪于其不确定性大且关注期限过长。采用近期(10a)的预测，并降低不确定性将有利于水资源规划。穆巨达尔进一步重点探讨了需水量不断增长的发展中国家在运行城市供水系统方面遇到的挑战。

在“英国21世纪干旱概况”一文中，拉赫兹等人基于扰动物理资料构建了未来各种气象干旱情景，以便更好地理解其时空特性。作者采用23个水源区的干旱强度指数研究了干旱的4个重要特征值，即强度、干旱协方差、干旱持续月份的频率以及一定时段内干旱事件出现的频率。总体－平均变化值表明:英格兰和威尔士的干旱强度增加，其中2050和2080年代、中等干旱(分位数值为70%)和雨季(10月到次年3月)变化较大。英格兰旱季(4～9月)的预测值存在较大误差。结果还表明，干旱可能持续很长一段时间。但是，预测的持续时间较长的干旱发生的频率比持续时间较短的干旱发生的频率低。

在“应用大型气候综合数据研究气候变化对淡水环境的水文影响”一文中，冯等人以英国东南部一条敏感的白垩河(伊钦河)为例进行了说明，研究了气候变化对淡水生态系统可能产生的影响范围，尤其是对大型无脊椎物种的影响范围。作者使用1920～2080年246个瞬态气候序列数据通过Catchmod降雨－径流模型建立的环境影响矩阵表明，如果达不到该河环境流量的目标，就会对无脊椎物种造成不可逆转的影响。该模型强调了建立大型综合数据库来提高对气候变化影响认识的重要性，同时重点探讨了如何用该方法研究范围更广的可能的生态系统的变化。有效的沟通有利于决策者制定范围更广的应对气候变化影响的政策和监管对策。

韦德等人在其“2012年英国气候变化风险评估:评估其对水资源的影响以告知政策制定者”一文中报告了水利部门对英国首次开展气候变化风险评估的研究情况。为了评估气候变化对英国水利行业的影响，韦德等人采用了各种各样的方法，如利益相关者参与、文献评述、专家咨询以及大尺度定量分析等，提出了10个气候变化风险矩阵。这10个风险矩阵分成以下几组:直接生物物理影响(如相对干燥度和枯水流量的变化)、可获得水量(可调供水量和需水量的变化)、水质与水环境(如不能持续取水的取水口数量)和资产。采用英国2009年气候预测值和国家统计局的未来人口预测值为此次分析建立了各种情景。总体评估表明，英国水资源压力可能会增加。近期来看，对枯水流量的影响预计在英国东部最大，在北部和西部影响较小，这一情况与以前相同，但是这些变化在一些敏感流域仍然是很大的。然而，采用预计在大多数情景下都会增加的冬季剩余水量，部分供水结果可能存在偏差。

3 不确定情况下规划供水系统的各种方法

高博认为，过分强调了量化气候的不确定性，而忽视了如何适应这种不确定性与变化。她提出了一种方法，“目的是坚持在不确定情况下制定决策的原则，如对另一种可能的方案进行探索性模拟，寻求适应未来各种气候条件的稳健性策略，以及采用深谋远虑和灵活的方式方法来预测适应性策略并监控其变化。”这些原则在专刊中的其他3篇文章中也进行了探讨。

在不确定情况下进行规划是普遍情况，而背景情况通常各不相同。在英格兰和威尔士，供水系统已私有化，而国家的监管体系是帮助确保供水公司的投资能够服务于用水户，确保供水和维持低成本之间保持平衡。数十家供水公司使用了一种双重法:①用水源模拟模型来估算已建和拟建供水需水项目的安全供水量(“可调供水量”)，同时估算这些供水量的安全系数(“动态余量”);②对各选项进行优化，提示监管者在制定规划时应遵循系统升级的年成本最低计划，以达到供需平衡。V.拉尼等人在其“应用优化和不确定分析法制定英国东南部水资源综合规划”一文中介绍了这种双相的“供需平衡的经济学”方法的区域应用情况。在这次尝试中，共有6家供水公司、环境与经济监管部门参与，从经济上对英国东南部26 a内的供需投资进行了优化。英国东南部是英国最缺水的地区，其人口增长也是最大最快的。该文认为，重力水输送和为共享水资源开发项目提供机会可以降低该地区的供需水不平衡，其成本效益比单家供水公司规划高得多。与各公司单独开发水资源相比，各公司之间开展合作将节约投资8亿英镑(降低投资45%)。

柯特林等人在其“在严重不确定性情况下应用信息差决策理论开展水资源规划”一文中对采用信息差决策理论来完善在严重不确定性情况下的水资源规划进行了阐述。其目的在于评估一项拟制定的水资源规划在超出有界的不确定性范围(在供需水经济平衡(EBSD)方法中可能予以考虑)时的表现情况。信息差决策理论提供了一种在范围更广的不确定性下对未来设计进行取样的方法，因此，可以对在严重不确定性条件下水资源管理方案进行评估。该文利用基于信息差理论的一种综合方法对不确定未来各种供水端和需水端管理方案的稳健性进行了定量评估。研究结果表明，如果超出了用动态余量方法获得的不确定性范围，就会出现偏好逆转，即在低不确定性下表现不佳的一些管理方案，在较高不确定性时却表现较好。该研究还表明，当总体的50%或50%以上采用需水端管理方案时，提高效率的措施和创新的方案(如雨水收集)与一些供水端管理方案相比一样出色，甚至比后者还好。该文概略地解释了基于信息差理论的方法如何全面反映潜在的供水端/需水端的未来，并提供了丰富的信息来支持严重不确定性下供水系统的适应性管理。

马特洛索夫等人将上述EBSD经济学优化法与“稳健决策法”(RDM)进行了对比分析。稳健决策法是一种像信息差搜寻法一样通过对一组有限的未来状态进行详细的模拟来帮助在不确定性下进行决策的方法。作者发表了“不确定性下供水与需水管理策略的选择——经济优化法与稳健决策法之对比研究”一文，该文将这两种方法在泰晤士河地区(包括伦敦)供水系统中的应用情况进行了介绍。EBSD经济学优化法考虑了数百种单个的供水/需水方案及其相互之间的关系，得出了能够满足预测年需水要求的成本最低的投资计划。将各方案的供水量误差总计纳入安全系数中，亦即对未来多个方案的稳健性不用再作评估。RDM从整体模拟(有或没有概率分布)开始，可以为未来多种条件下各种系统设计(方案)的系统性能的多个标准进行跟踪。“情况发现”阶段采用群集发现算法来揭示将导致规划失效的各种不确定因子，因此允许通过迭代计算加以改善。RDM的优势在于，可根据几个矩阵进行详细的规划评估，同时抽取多种样本，然后评估其对拟定规划的影响;不足之处在于计算工作量很大，限制了可以考虑的规划次数和不确定性因子的个数。该文得出的结论是，经济学优化法和RDM法可以互补，只是得出的答案不同，实现的目标不同而已。文章建议，在未找到一种能够将这两种方法的优势融为一体的新方法之前，可将两种方法联合使用以提高水资源规划水平。