对复杂水资源系统管理的认知与思考
水资源危机是全球性的战略危机。目前，全球约有36亿人面临水资源短缺、水环境污染等水问题，而这个数字在2050年可能增长至48亿~57亿。水资源问题已经成为影响人类生存和经济社会可持续发展不可回避的问题之一。面对全球水资源供给能力的不断波动以及用水需求的持续增加，通过管理能力的提升来缓解水资源供需矛盾，应对水、经济、社会、生态等不同系统之间的不确定性已经成为全球水资源可持续发展的必然要求。作为联合国《2030年可持续发展议程》17项目标之一，“为所有人提供水和环境卫生并对其进行可持续管理”也已经成为人类社会共同努力的方向。
我国是一个水资源相对紧缺且多种水问题交织的超大人口规模国家，水资源管理始终是国家治理的重要内容，水资源管理目标和模式因各历史时期经济社会状况和水资源开发利用方式的不同而存在显著差异。随着经济社会不断发展，水灾害这一老问题依然存在，而水资源短缺、水生态损害、水环境污染等新问题更加突出。水资源系统在人口规模增加、气候变化、消费需求升级等因素驱动下，与粮食、能源、生态等各要素形成了更为紧密的耦合互馈关系，呈现出更为复杂的资源属性和循环路径。当前，国家水治理的现实需求和水资源系统的复杂化给水资源管理赋予了全新任务，提出了新的挑战。在此背景下，本文立足于对复杂水资源系统结构的解析，提出复杂水资源系统管理的目标、对象和路径，力图构建起复杂水资源系统管理的理论体系，为我国及全球水资源管理的发展提供助力。
1、复杂水资源系统管理内涵解析
我国水资源管理模式发展历程
随着新老水问题不断交织以及不同区域水资源供需矛盾不断转化，新中国成立以来我国水资源管理模式经历了从面向水利工程的以需定供管理（1949—1977年）、面向政策约束的以供定需管理（1978—1987年）、面向可持续发展的资源化管理（1988—2014年）、面向关联要素的水资源系统管理（2015年至今）4个阶段的转变。
▲我国水资源系统管理模式发展历程
新中国成立初期，我国水旱灾害频发，百废待兴，以防洪和灌溉为代表的生存性需求是这一阶段经济社会对水资源系统的主要需求。这一特点决定了此阶段是以单目标开发为主的大规模水利工程建设时期，而与此对应的水资源管理模式则是面向水利工程的以需定供管理。
改革开放以来，随着用水规模不断增加，我国水资源系统快速恶化。面对以黄河断流为标志的水资源严峻形势，我国开始采用行政手段完成一些流域或重要供水工程的水量分配方案。1982年《山西省水资源管理条例》提出实行取水许可制度，以及1987年国务院批准黄河水量分配方案是这一时期的标志性成果。随着管理政策的不断完善，此阶段我国水资源管理模式逐步从以需定供转变为面向政策约束的以供定需。
1988年《中华人民共和国水法》颁布，标志着我国水资源管理开始迈入资源化管理阶段。水的商品属性得到认可是这一时期资源化管理得以形成的基础，而“三条红线”等政策的提出使得资源化管理要求被准确量化，政策、经济、水权交易等多种调控手段的综合运用是这一时期我国水资源管理的显著特点。
近年，随着“山水林田湖草沙”生命共同体理念不断深入人心，以及经济全球化浪潮不断推进，水资源系统与山、林、田、草、沙等生态要素，以及能源、食物等资源要素的纽带关系不断加深，经济、资源、气候、生态等外部系统逐渐成为影响水资源系统的关键因子，基于“自然-经济-生态”完整链条认识水资源系统循环规律，拓展传统水资源系统管理目标、管理任务和管理路径，成为新时期我国乃至全球水资源管理亟须解决的关键问题。均衡统筹不同地区经济社会发展对水资源系统的差异化要求，形成面向自然水系统多属性、社会水系统全过程、水与关联系统多要素的水资源系统管理模式成为现阶段及未来一个时期我国水资源管理的必然选择。
复杂水资源系统管理的基本特征
从本质上来讲，水资源系统的复杂性是由水资源的自然、经济和社会属性共同决定的。
作为自然界物质循环的基本要素，水是连接大气圈、岩石圈和生物圈的纽带，是“山水林田湖草沙”生命共同体的重要组成部分。自然水体受太阳辐射、重力势能等能量驱动，形成了以“降水—径流—蒸发”为特征的自然水循环过程。水分、能量和介质是水资源自然属性的3个基本组成要素，其中水分是自然属性的主体，能量是自然属性的驱动力，介质是自然属性的环境基础。
作为具有商品属性的生产资料，水资源在流通过程中服从价值规律、供求规律和竞争规律的基本原则，在经济生产过程中受到原材料、生产成本、生产效益等多个因素的共同影响。例如我国北方地区水资源短缺，但由于具备土地、劳动力成本等相对优势，北方地区依然是我国粮食、能源等水密集型产品的主要输出区。
作为维持社会正常运转的基本公共产品，水资源还具备保障用水公平和基本发展权、支撑粮食和能源等关键资源生产开发的社会属性。现阶段我国水资源管理的公益性特征还较为明显，部分地区水的流动规律（如调水工程、农村饮水工程等）及粮食安全、能源安全保障依然受到水资源社会属性的显著影响。近年来，随着我国生产生活方式的快速变化，水资源的自然属性、经济属性和社会属性之间相互影响，相互作用程度不断加深，各个属性在不同地区的表现形式发生显著变化。针对不同地区发展特点及水资源本底条件，充分考虑水的自然、经济、社会三重属性是新时期水资源系统管理的关键。现阶段我国复杂水资源系统管理的基本特征可以从多属性、全过程和多要素3个方面表征。
多属性特征
受水资源基本认知、水资源系统监控能力等因素的影响，长期以来我国水资源管理主要侧重水量、水质两个维度，但现阶段人类活动对水资源要素的利用方式和对水资源系统的扰动程度远不止于此。近年，水域空间、水流状态、水体温度等水资源系统基本要素受经济社会活动的扰动日益显著，并开始从不同方面影响水资源系统的可持续发展。例如，1987年以来由于建设用地的扩张，“千湖之城”湖北省武汉市天然湿地面积累计减少了369km2，与此同时人工湿地面积迅速增加，大量的水库、闸坝建设使得上下游之间营养物质传输通道缩窄，导致需要独特生境的水生生物不得不迁徙甚至消亡。此外，大量工厂、火电站的修建导致高温水体排放增加，而水体热污染作为水污染的一种重要类型不仅会影响水生生物的生存，也会使得氰化物、重金属离子等污染物的毒性增强。针对水量、水质、水域空间、水流状态、水温等水资源属性对生态系统影响程度的不断加深，开展复杂水资源系统多属性管理已经成为现阶段水资源及生态环境系统可持续发展的基础。
全过程特征
水资源系统为经济社会发展提供所需的水量和水域空间，反过来涉水经济活动又不断影响着水循环路径与结构。在人类活动的不断参与下，人工取用水强度与频率不断增加，并形成了由取水、输水、用水、排水4个环节构成的人工实体水循环过程。在部分人工干扰强烈的流域，人工实体水循环过程已经引起了资源、生态、环境、社会、经济各系统之间的强烈反馈。此外，在经济全球化和高度市场化的背景下，隐含在商品中的水资源遵循商品流通规律，形成了以“商品流通（虚拟水贸易）—商品消费（虚拟水消费）—回收再生产（虚拟水回用）”为特征的虚拟水流动过程。这种实体水的人工水循环过程与虚拟水的贸易过程紧密耦合、相互交织，共同构成基于内外部性的“取-输-用-排-贸易”社会水循环全过程。基于此，遵循水在经济社会中的转化运动规律，通过优化水资源循环过程来均衡各系统发展目标，开展复杂水资源系统全过程管理已经成为保障自然水体健康和经济社会用水安全的核心。
多要素特征
除了被经济社会直接利用，水资源也是能源、粮食等其他资源生产加工的物质基础。2011年德国波恩会议首次将水、能源、粮食之间的关系总结为“纽带关系”。同年，世界经济论坛将水、能源、食物系统风险并列为全球三大重点关注风险，并指出水、能源、食物与气候变化作为关联体正面临着社会、经济与环境各方面的严峻挑战。自此，水与能源、食物、生态等关联要素的协同安全开始引起各国政府和全球学术界广泛关注。由于我国水、能源和粮食消费规模巨大，以及水与耕地、能源空间分布不相匹配，我国已经成为全球水-能源-粮食纽带关系最显著、联合风险最突出的地区。有效评估水、能源、粮食、生态等关联要素之间的复杂纽带关系，提高不同要素之间的协同配置水平，将水与关联要素作为一个有机体进行综合管理已经成为区域协调发展的基本要求。面对外部环境的快速变化，开展复杂水资源系统多要素管理，尽快形成可持续的水与关联要素优化管理方案已经成为我国水资源系统可持续发展的当务之急。
2、复杂水资源系统管理框架
管理目标
复杂水资源系统管理的系统目标是：最大程度消除水资源系统脆弱性带来的不利影响，均衡水资源系统内部、水资源系统与外部关联要素之间的发展目标，使得有限的水资源得到持续合理的开发利用，并产生最大的环境、经济、社会等综合效益。复杂水资源系统管理目标可以认为是在降低生态环境外部性（Environment）、提高经济效率与效益（Economy）、保障社会用水公平（Equity）和系统风险规避（Elusion）之间寻求平衡。
▲复杂水资源系统管理目标
具体而言，降低生态环境外部性是指充分考虑维护自然水体健康以及衍生生态空间的可持续性，避免取用水活动对水资源系统的破坏。从流域尺度来讲，主要是确定流域适宜的水资源开发利用阈值。提高经济效率与效益指的是在兼顾生态需求和用水公平的条件下，对不同区域、不同行业之间的水资源进行优化配置，最大程度提高单方水的效率与效益，提高水资源节约集约利用水平。社会用水公平是指保障所有人都能获得生存和发展所必须满足的水量要求，这里的社会用水公平不仅指现阶段不同区域之间的公平，也包括当代人与后代人之间的公平。由于水资源系统与其他关联系统的耦合程度不断加深，外部系统逐渐成为影响区域水安全的关键因素，因此降低水资源系统不确定性，避免不同系统之间的联合风险也是水资源系统管理的目标之一。
管理对象
随着不同时期经济社会对水资源属性需求的不断变化，水资源管理对象逐步从早期的自然水体过渡到“自然-人工”二元水体，并进一步发展为现阶段自然水体、人工水体及水与关联要素并存的复杂水资源系统，不同管理对象既自成体系，又彼此密切相关，使得水资源管理对象实际上成为动态性、复杂性和不确定性并存的多目标系统。基于上述分析，为了提高水资源管理的针对性和有效性，复杂水资源系统管理的对象应包含以下3个子对象。
①基于资源要素的自然水系统。自然水系统是水资源管理的基础，一切经济社会用水都来自于自然系统，并最终回归自然系统。地表水和地下水是自然水系统的主体，雨水、土壤水、苦咸水等是自然水系统的重要组成。自然水系统管理的主要任务是：调查水资源的空间分布及组成结构，评估水资源开发利用条件；分析人类活动对自然水体及其关联生态系统的影响机制和影响程度，明确水资源开发利用阈值；预测水资源系统的变化趋势，核算自然水系统对经济社会的承载能力。
②基于内外部性的社会水循环过程。由于人工取用水活动的不断加强，部分流域的水循环结构、路径和参数已由原来的“自然”一元模式占主导逐渐转变为“自然-社会”二元耦合模式，对社会水循环过程进行科学管理是现阶段我国水资源管理的重要内容。社会水循环管理的主要任务是：监测社会水循环各环节通量过程，预测未来用水需求变化趋势；评估社会水循环过程对流域自然水循环、水环境、水生态等涉水系统的影响机制；均衡各行业、各地区发展目标，调控虚拟水流动路径，保障水系统安全稳定。
③基于纽带关系的水与关联要素。随着资源消费需求不断增加，水资源系统与其他关联系统之间互动联系显著加强，以“水-能源-粮食-生态”为代表的耦合系统关联关系识别及协同安全调控已经成为国际研究的热点和国家治理的重点。针对我国发展需求及资源分布特征，水与关联要素管理的主要任务是：开展水与关联要素之间的纽带关系量化解析，预测外部系统对水资源系统可持续发展的影响程度；分析不同地区水与关联要素协调发展所面临的联合风险，提出不同情景下的风险规避方案。
管理路径
经济社会发展对水资源系统自然属性、经济属性和社会属性的多方面要求，是现代环境下水资源在自然、经济、社会及其关联系统中运动的基本特征。近年，水资源短缺、水环境污染、水生态退化等水问题在我国部分地区出现，而国际能源、粮食贸易环境恶化也对国内能源行业和农业的用水保障提出了更高要求。相比于传统的水资源管理模式，水资源系统的内外部变化使得我国水资源管理的目标和对象均发生了不同程度的改变，并对水资源系统的管理路径提出了新的要求。
针对不同管理对象，复杂水资源系统的管理路径如下图所示。对基于资源要素的自然水系统来讲，水量、水质、水域空间、水流状态和水温这5个维度既是自然水系统状态的外在表征，也是自然水系统管理的量化评价依据。其中水量管理的核心是确定地表水和地下水的合理开发阈值，水质管理的核心是确定水生生物正常生长的水体指标浓度阈值，水域空间管理的核心是确定不同条件下适宜的水域面积范围，水流状态管理的核心是确定水系连通状态对生态环境的影响，水温管理的核心则是确定水体温度对水环境的影响阈值。
▲复杂水资源系统管理路径
对基于内外部性的水循环过程来讲，从“取-输-用-排-贸易”全过程进行人工取用水管理是平衡经济社会发展与生态环境健康的必要手段。针对不同环节的循环特点，取水、输水、用水、排水和贸易管理的侧重点有所差别。其中取水过程管理侧重于合理控制水资源开发利用规模，输水过程管理侧重于漏损控制，用水过程管理侧重于降耗减排，排水过程管理侧重于减污回用，贸易过程管理侧重于经济效益与环境效益的平衡。
对基于纽带关系的水与关联要素来讲，生态、经济、粮食和能源是现阶段与水资源系统关联关系最密切、相互影响程度最突出的外部系统，突破传统单个系统的管理边界，形成多系统协同管理模式已经成为我国可持续发展的必然要求。结合我国现阶段实际情况，促进水、土、能源及其他生产要素的空间优化，均衡不同涉水行业发展目标，降低水资源开发利用对生态环境的影响是我国水与关联要素协同安全与优化管理的核心。
总的来看，管理路径的选择与管理对象自身特点密切相关。针对自然水系统，强调“量-质-域-流-温”的多属性管理，有利于从多个方面保障自然水系统安全；针对社会水循环过程，强调“取-输-用-排-贸易”的全过程管理，有利于精确控制人工取用水的强度和模式；针对水与关联要素，强调水与生态、经济、粮食和能源的多要素协同管理，有利于实现多个系统之间的协同安全与可持续发展。
3、复杂水资源系统管理关键支撑
经过多年发展，我国水资源管理已经形成以技术手段、经济手段、法律手段、政策手段和行政手段相结合的综合管理模式，这些管理模式对我国水资源系统健康发展、水资源供需矛盾有效缓解起到了积极作用。然而，随着生产方式的不断变化和人类社会对水资源需求的不断增长，水资源系统内部各要素、水资源系统与外部关联系统之间耦合关系越来越复杂，自然属性、经济属性和社会属性相互影响、相互作用已经成为现代环境下水资源系统呈现出的新变化规律。如何保障自然水系统的健康性、经济社会合理用水的安全性，以及水资源系统与其他关联系统协调发展的可靠性已经成为我国水资源管理所必须回答和解决的问题。基于我国水资源本底条件、现状管理模式以及未来可能面临的问题，本研究认为水资源监测技术、水循环模拟技术、水资源配置与调度技术和水生态环境过程模拟技术是我国复杂水资源系统管理的关键支撑。
水资源监测技术
以往我国水资源监测侧重于水量、水质监测，缺少对水域空间、水体流态和水体温度等影响自然水体状态关键要素的关注。部分地区地下水开采量、农村污染物排放的监测数据依旧不足。此外，我国现阶段水资源要素监测主要以传统的地面监测为主，而随着科技的进步，利用卫星遥感技术、地面摄影测量、地理信息系统等现代测量技术，以及大数据、物联网、云计算等现代信息技术开展水资源多要素“地-天-空”系统监测，将为我国复杂水资源系统管理提供有效的数据基础。
水循环模拟技术
对自然状态下的一元水循环及“自然-社会”二元水循环进行精确模拟是复杂水资源系统管理的重要支撑。面对不同系统之间耦合程度的不断加深，有必要以系统性思维方法充分考虑水分和能量在水循环、水生态和水环境三个系统之间的循环过程，并耦合气候模式、水质模型和流域生态模型评估水资源系统现阶段及未来变化趋势。
水资源配置与调度技术
实施包括水量、水质、水域空间、水流状态等要素在内的水资源配置以及多目标水资源调度是复杂水资源系统管理的基本途径。水资源配置与调度直接连接自然水系统、社会水循环过程、水与关联要素三大管理对象，是水资源精细化管理的技术基础，具体由预测、配置、调度、评价四大技术组成。目前，水资源配置与调度技术的难点在于多目标决策以及水经济政策模拟评价。
水生态环境过程模拟技术
目前人工取用水对水生态、水环境系统的影响已经开始引起政府、学者和社会公众的广泛关注，但现阶段研究成果还难以支撑水生态与水环境系统的有效管理与可持续发展要求。开展水生态、水环境演化过程模拟，评估水生动植物的生存状态，确定水环境要素动态阈值是复杂水资源系统管理的关键内容。
4、结论与展望
面对自然水系统保护难度增加、社会水循环强度加剧、水与关联要素耦合程度加深的新形势，如何协调水资源自然属性、经济属性和社会属性三者的相互关系，保障自然水系统的健康性、经济社会合理用水的安全性，以及水资源系统与其他关联系统协调发展的可靠性，成为新时期我国水资源系统管理面临的新挑战。本文阐述了我国水资源管理模式的发展历程，并总结了我国水资源管理模式从面向水利工程的以需定供管理、面向政策约束的以供定需管理、面向可持续发展的资源化管理，到面向关联要素的水资源系统管理四个阶段的基本特征。从管理目标、管理对象和管理路径三个方面对复杂水资源系统管理基本框架进行了详细阐述。随着不同时期经济社会对水资源属性需求的不断变化，水资源管理对象逐步从早期的自然水体过渡到“自然-人工”二元水体，并进一步发展为现阶段自然水体、人工水体及循环伴生过程、水与关联要素并存的复杂水资源系统。而不同管理对象的特点要求改变传统的水资源系统管理路径：针对自然水系统，强调“量-质-域-流-温”的多属性管理；针对社会水循环过程，强调“取-输-用-排-贸易”的全过程管理；针对水与关联要素，则强调水与生态、经济、粮食和能源的多要素协同管理。
水资源系统内部、水资源系统与外部关联系统各要素相互关系的快速变化已经给我国经济社会发展带来严重影响，以自然水系统、社会水循环过程以及水与关联要素为管理对象，以降低生态环境外部性、提高经济效率与效益、保障社会用水公平和系统风险规避为目标的复杂水资源系统管理，将为我国水资源系统综合有效管理以及协调人类活动与自然生态用水关系提供支撑，并会在更加广阔维度下实现水资源合理开发与优化利用。
