王紅瑞, 楊亞鋒,2, 楊榮雪, 鄧彩云, 鞏書鑫

(1.北京師范大學(xué) 水科學(xué)研究院 城市水循環(huán)與海綿城市技術(shù)北京市重點實驗室,北京 100875; 2.華北理工大學(xué) 理學(xué)院,河北 唐山 063210)

在全球氣候變化加劇和人類活動高強度作用的雙重影響下,水資源短缺、水環(huán)境污染、水生態(tài)破壞、洪澇災(zāi)害和供需水關(guān)系嚴(yán)峻等一系列水問題頻頻發(fā)生且相互交織,給水資源系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定帶來了越來越多的潛在不確定性[1-2]。水資源的可持續(xù)開發(fā)與利用面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，水資源風(fēng)險分析則是應(yīng)對這個挑戰(zhàn)的重要手段,已為水資源安全問題防范和不確定性診斷提供了科學(xué)依據(jù)[3-4]。

水資源系統(tǒng)風(fēng)險研究往往依賴于統(tǒng)計數(shù)據(jù),利用數(shù)學(xué)模型對以往風(fēng)險事件進行分析,對未來風(fēng)險事件進行預(yù)測,而想做到有效的預(yù)測,需要大量的樣本,但有關(guān)水資源問題的研究恰恰面臨資料不完備的問題[5]。此外,水資源風(fēng)險分析強調(diào)風(fēng)險事件發(fā)生的概率和損失程度,而忽視了風(fēng)險事件發(fā)生后系統(tǒng)本身的應(yīng)對問題。隨著研究的深入和認(rèn)知的提升,一種新的水資源不確定性思維——韌性逐漸形成并受到重視,即當(dāng)系統(tǒng)受到不利事件的作用時,如何以有準(zhǔn)備、有策略的方式主動并迅速采取應(yīng)對措施、降低不利事件的沖擊,復(fù)原或基本恢復(fù)到原先的結(jié)構(gòu)和功能,并形成新的抵御風(fēng)險的模式。

韌性思維在面對突如其來的各類災(zāi)害后所暴露出的脆弱性問題上提供了新的思路與視角。由于水資源系統(tǒng)本身的復(fù)雜性和對人類的重要性,從“反脆弱”轉(zhuǎn)向?qū)Α绊g性”問題的思考尤為重要。鑒于此,本文主要對水資源風(fēng)險的內(nèi)涵與分析方法進行論述,探討韌性理念的產(chǎn)生、發(fā)展以及基本內(nèi)涵,并對二者的關(guān)系進行討論,旨在為相關(guān)研究和管理提供理論支持。

1 水資源系統(tǒng)風(fēng)險分析

1)風(fēng)險的內(nèi)涵。風(fēng)險的定義是水資源風(fēng)險研究的基礎(chǔ),許多學(xué)者從多種角度進行了解讀。TOBIN G等[6]、DEYLE R E等[7]認(rèn)為風(fēng)險是某一災(zāi)害發(fā)生的概率和災(zāi)害發(fā)生結(jié)果或期望損失的乘積。CRICHTON D[8]認(rèn)為風(fēng)險是關(guān)于損失的可能性,由危險性、脆弱性與暴露性3個因素決定。黃崇福[9]認(rèn)為風(fēng)險是具有非利性、不確定性與復(fù)雜性的三維概念。ZHONG Ping等[10]、韓宇平等[11]認(rèn)為水資源風(fēng)險是“水資源系統(tǒng)發(fā)生的非期望事件,并且導(dǎo)致了有害結(jié)果”。從以上定義可知,水資源風(fēng)險包含水資源系統(tǒng)、非期望事件和有害結(jié)果3個要素。從風(fēng)險分析的角度,水資源風(fēng)險可以從風(fēng)險受體、風(fēng)險來源和風(fēng)險表征等三大要素方面進行分析[12]。水資源風(fēng)險來源包括自然和人為兩方面。根據(jù)來源的特征,又可將水資源風(fēng)險分為隨機風(fēng)險、模糊風(fēng)險、灰色風(fēng)險和多種不確定性耦合風(fēng)險等。隨機風(fēng)險分析基于概率方法,但需要以大樣本數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。針對已有樣本或信息不足的問題,模糊風(fēng)險[13]、灰色風(fēng)險[14-15]先后被提出；此后,在風(fēng)險評估中,經(jīng)常綜合考慮兩種不確定性風(fēng)險,如隨機模糊風(fēng)險[16-18]、隨機灰色風(fēng)險[19]等。水資源風(fēng)險內(nèi)涵如圖1所示。

圖1 水資源風(fēng)險內(nèi)涵

2)風(fēng)險的評估。經(jīng)典風(fēng)險理論認(rèn)為,風(fēng)險是某個客體遭受某種傷害、損失、毀滅或不利影響的可能性以及造成的可能損失。RENFORE N A等[20]認(rèn)為風(fēng)險評估應(yīng)該包括兩個主要方面:危險性評估和脆弱性評估;MILETI D S等[21]認(rèn)為自然災(zāi)害風(fēng)險評價指標(biāo)為:危險的發(fā)生概率、暴露性和脆弱性。目前普遍認(rèn)可的是：水資源風(fēng)險由危險性、脆弱性與暴露性3個因素綜合決定。危險性指某種危險發(fā)生的可能性或概率;脆弱性指某種危險所帶來的潛在損失；暴露性指承險體對某種危險表現(xiàn)出的易于受到傷害和損失的性質(zhì),是風(fēng)險發(fā)生的必要條件。

水資源風(fēng)險評估方法研究主要圍繞危險性、脆弱性和風(fēng)險損失等因素展開，從理論角度出發(fā),探究風(fēng)險與各因素之間的函數(shù)關(guān)系。水資源風(fēng)險的綜合評價方法總體上可分為線性和非線性兩種,多采用長系列逐月調(diào)算方法進行水資源供需平衡分析,獲得評估年份的風(fēng)險性能指標(biāo),然后選擇一種數(shù)學(xué)模型進行風(fēng)險評估[22]。危險性評價主要通過概率方法預(yù)測不利事件發(fā)生的概率及其損失[5]。脆弱性評價問題也可分為線性[23]和非線性[24]兩種,主要是構(gòu)建多維指標(biāo)評估模型的問題。風(fēng)險損失評估則可分為直接評估和間接評估兩種。直接評估即用缺水量的相關(guān)指數(shù)來度量水資源系統(tǒng)失事帶來的直接損失；間接評估則用來計算水資源系統(tǒng)失事造成的潛在經(jīng)濟損失,常用缺水量乘以水資源價格表示風(fēng)險損失[25-28]。

在數(shù)學(xué)模型方面,Bollin C等[29]將風(fēng)險表示成危險性和脆弱性之和；UN/ISDR[30]將風(fēng)險表示成概率與脆弱性的乘積；錢龍霞等提出了危險性、敏感性和脆弱性的函數(shù)模型,并建立了風(fēng)險等級的判別函數(shù)模型[31]；將風(fēng)險定義為危險性和脆弱性相互作用而產(chǎn)生的潛在損失,提出水資源短缺風(fēng)險的多重積分模型,將危險性和脆弱性相互作用的過程用多重積分表示[32]；將風(fēng)險的形成看成是一個“生產(chǎn)過程”,通過投入一定數(shù)量的生產(chǎn)要素(危險性和脆弱性),生產(chǎn)出一定數(shù)量的“產(chǎn)品”(損失)，認(rèn)為風(fēng)險是一種產(chǎn)出與投入比,并建立了水資源供需風(fēng)險的數(shù)據(jù)包絡(luò)分析模型[33]。

從系統(tǒng)論的角度更容易理解。定義風(fēng)險系統(tǒng)為“描述未來可能出現(xiàn)災(zāi)害或不利狀態(tài)的系統(tǒng)”,其基本組成要素包括以下3個方面：①用危險性來描述的風(fēng)險源。風(fēng)險源不僅在根本上決定某種風(fēng)險是否存在,而且還決定著該種風(fēng)險的大小[34]。風(fēng)險源是指促使損失頻率和損失幅度增加的要素,是導(dǎo)致事故發(fā)生的潛在原因,是造成損失的直接或間接原因。②用脆弱性描述承險體的特征。脆弱性定義為一種狀態(tài),這種狀態(tài)決定于一系列能夠?qū)е律鐣后w對災(zāi)害影響敏感性增加的自然、社會、經(jīng)濟和環(huán)境因素或過程[30]。③風(fēng)險防范能力是人類社會尤其是承險者應(yīng)對風(fēng)險所采取的方針、政策、技術(shù)、方法和行動的總稱,一般分為工程性防范措施和非工程性防范措施兩類。防范能力也是某類風(fēng)險能否產(chǎn)生以及產(chǎn)生程度的重要影響因素。

由于水資源系統(tǒng)是一個多屬性的復(fù)雜系統(tǒng),涉及到水文因子、水資源量因子、可供水量因子、需水量因子和水環(huán)境因子等諸多方面,因此建立風(fēng)險評估模型時需要科學(xué)合理地識別主要影響因子和篩選關(guān)鍵特征信息,以避免將全部因子引進可能帶來的維數(shù)災(zāi)難。此外,水文水資源風(fēng)險分析領(lǐng)域存在數(shù)據(jù)或信息稀少、零散或缺損等現(xiàn)象,因此，基于大樣本的常規(guī)統(tǒng)計分析方法的適用性及小樣本條件下的水資源風(fēng)險模型仍然需要進一步探索和研究。

2 水資源系統(tǒng)韌性研究

鑒于水資源系統(tǒng)的循環(huán)性、有限性及分布的不均勻性等特征,加之其易受不合理開發(fā)的影響,世界各地均面臨著日益嚴(yán)峻的水資源短缺、洪旱災(zāi)害和水環(huán)境惡化等問題,嚴(yán)重影響了經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展。2012年,聯(lián)合國世界水發(fā)展報告[35]指出,受氣候變化的影響,多個地區(qū)的可利用水資源量將會減少,水資源供需失衡和短缺等問題將會加劇。水資源問題頻發(fā)促使人類尋找更加合理的水資源可持續(xù)利用及安全保障策略,在此背景下,韌性理念逐漸受到關(guān)注。韌性較承載力、抵抗力等策略具有更多的靈活性,能夠適應(yīng)各類不確定的變化[36]。

2.1 韌性概念的提出與發(fā)展

韌性來自拉丁語中的“resilio”,是“復(fù)位到原始狀態(tài)”的意思。1973年,美國學(xué)者HOLLING C S首次將韌性引入生態(tài)學(xué)視角,認(rèn)為韌性可用來維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性和相關(guān)功能,可吸收擾動從而維持系統(tǒng)內(nèi)部變量之間的能力[37]。隨著多學(xué)科的融合發(fā)展,韌性概念逐漸拓展至人類生態(tài)學(xué)、社會生態(tài)學(xué)和水科學(xué)等領(lǐng)域?？傮w看,韌性概念經(jīng)歷了工程韌性、生態(tài)韌性與社會-生態(tài)韌性3個發(fā)展階段,分別映射出抵抗、恢復(fù)、重構(gòu)與自組織思維,內(nèi)涵特征不斷深化。通過總結(jié)文獻[38-41],對韌性概念的演變進行了歸納，如圖2所示。

圖2 韌性概念的演變

隨著韌性研究的深化與發(fā)展,韌性在社會生態(tài)領(lǐng)域逐漸發(fā)展成為韌性理論。ADGER W N[42]認(rèn)為韌性是指人群應(yīng)對社會、環(huán)境、經(jīng)濟等外部壓力時,表現(xiàn)出的抗壓能力；韌性研究協(xié)會[43]則傾向于將其定義為系統(tǒng)維持其自身結(jié)構(gòu)、功能屬性、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)等狀態(tài)所能承受的干擾大小。

在韌性應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴展的過程中,其核心概念從注重“單一穩(wěn)態(tài)”的工程韌性到強調(diào)“構(gòu)建新穩(wěn)態(tài)”的生態(tài)韌性,而后逐漸弱化對穩(wěn)態(tài)的強調(diào),而重點關(guān)注韌性中的學(xué)習(xí)適應(yīng)過程,即韌性的提升。

隨著研究的深入,不同學(xué)科領(lǐng)域的多個學(xué)者對韌性進行了定義、量化和評價[44-50，37],如圖3所示。不同學(xué)科對韌性的理解存在一定差異,但其內(nèi)在思想則具有一致性。分析韌性的不同定義,筆者認(rèn)為韌性應(yīng)具有3個本質(zhì)特征：系統(tǒng)能夠承受一系列改變并且仍然保持功能和結(jié)構(gòu)的控制力；具有自組織能力；具有建立和促進自適應(yīng)學(xué)習(xí)的能力。因此,韌性具有多尺度特征,是對特定干擾或不確定性時間的反應(yīng),是抵抗力、恢復(fù)力和適應(yīng)力的有機組合,在時間尺度上具有敏感度,是一種限制脆弱性和促進長期可持續(xù)性的手段。

圖3 不同學(xué)科領(lǐng)域的韌性定義

2.2 水資源系統(tǒng)的韌性

水資源系統(tǒng)韌性主要源于生態(tài)學(xué)與社會生態(tài)學(xué)中的概念,是指當(dāng)外界壓力消失時,系統(tǒng)恢復(fù)到原來的結(jié)構(gòu)、功能或相似狀態(tài)的能力,與系統(tǒng)自身的復(fù)雜性、外界的壓力相關(guān)。YU Cuisong等[51]基于內(nèi)、外影響因子建立了城市尺度的水資源韌性評價指標(biāo),并采取均方差法、模糊聚類法對山西省的11個城市進行了水資源系統(tǒng)韌性評價。TANNER T等[52]基于社會政策的角度,從地方分權(quán)與自治、透明度與問責(zé)制、反應(yīng)能力與靈活性、參與度和包容性、治理經(jīng)驗5個方面評價了曼谷、晨奈、大連等10個亞洲城市的水資源系統(tǒng)韌性。LIU Dedi等[53]根據(jù)HOLLING C S韌性思維,以變化程度與水資源系統(tǒng)特征為參數(shù),從旱、澇、水污染3個方面建立了水資源系統(tǒng)韌性的定量評價模型。ALESSA L等[54]在已有的水資源評價指數(shù)的基礎(chǔ)上建立了北極水資源脆弱性指數(shù),通過脆弱性指數(shù)來表達水資源系統(tǒng)韌性。HUANG Wenjie等[55]利用GIS空間分析和Agent-Based模型對城市水資源系統(tǒng)韌性開展了研究。

在韌性理論的基礎(chǔ)上,本文認(rèn)為水資源系統(tǒng)韌性指水資源系統(tǒng)所具備的在受到干擾的狀態(tài)中維持平穩(wěn)運作,受到?jīng)_擊時能快速恢復(fù)原有機能,并在一次沖擊過程后習(xí)得一定適應(yīng)能力的性質(zhì)。

2.3 水資源系統(tǒng)韌性過程解析

韌性可以看作系統(tǒng)提升適應(yīng)性并不斷適應(yīng)風(fēng)險與擾動的循環(huán)過程。在這一過程中,系統(tǒng)在干擾中提高了適應(yīng)和學(xué)習(xí)能力,經(jīng)歷了創(chuàng)新發(fā)展和韌性提升等多個階段。結(jié)合以往水資源系統(tǒng)分析和水系統(tǒng)韌性研究及韌性過程原理,將水資源系統(tǒng)韌性過程分為干擾前、干擾中和干擾后3個子過程,分別對應(yīng)抵抗性、恢復(fù)性和適應(yīng)性3個目標(biāo)：受到干擾前,水資源系統(tǒng)能夠抵御干擾的能力；受到干擾時,水資源系統(tǒng)恢復(fù)快慢的反應(yīng)能力；受到干擾后,水資源系統(tǒng)能夠在此次干擾中習(xí)得的適應(yīng)能力。水資源系統(tǒng)的韌性過程如圖4所示。

圖4 水資源系統(tǒng)韌性過程

水資源系統(tǒng)韌性的影響因素識別，首先需要對水資源系統(tǒng)韌性的階段過程進行解析。水資源系統(tǒng)韌性可以視為系統(tǒng)在受到干擾時提升適應(yīng)能力并不斷適應(yīng)干擾的循環(huán)過程。在這一過程中,水資源系統(tǒng)分別經(jīng)歷了抵抗干擾及風(fēng)險(抵抗性)、受干擾后恢復(fù)自身穩(wěn)定(恢復(fù)性)、受干擾后進行系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)節(jié)并不斷提升系統(tǒng)穩(wěn)定性(適應(yīng)性)3個過程。因此,水資源系統(tǒng)韌性的主要影響因素可從抵抗性、恢復(fù)性和適應(yīng)性3個過程中尋找。

2.3.1 抵抗性過程影響因素

在災(zāi)害學(xué)中,災(zāi)害過程受到的沖擊主要由兩部分構(gòu)成[56]：外部壓力和內(nèi)生壓力。外部壓力主要包括氣候變化背景下的自然災(zāi)害發(fā)生頻次的增加,以及由此引發(fā)的次生災(zāi)害。內(nèi)生壓力指因自然界或人類活動區(qū)域系統(tǒng)自身的不穩(wěn)定與效應(yīng)累積產(chǎn)生的包括人口、資源、環(huán)境等方面的內(nèi)生問題。同樣,在水資源系統(tǒng)中,影響區(qū)域水資源系統(tǒng)韌性的主要因素取決于外部自然災(zāi)害頻率以及區(qū)域自身水資源相關(guān)的內(nèi)生性因素。

因此,水資源系統(tǒng)面臨的潛在風(fēng)險越大,受到的干擾就會越多,其抵抗性就會越弱。當(dāng)區(qū)域內(nèi)洪澇、干旱等外生性因素越多,水資源系統(tǒng)遭受的沖擊就越大,系統(tǒng)抵抗風(fēng)險的能力越弱,韌性在抵抗性過程中的表現(xiàn)就會越差。同樣地,區(qū)域內(nèi)水資源壓力、人口壓力等內(nèi)生性因素也會使水資源系統(tǒng)遭受巨大沖擊,導(dǎo)致系統(tǒng)抵抗風(fēng)險能力變?nèi)酢?/p>

2.3.2 恢復(fù)性過程影響因素

系統(tǒng)在受到破壞或干擾后,會經(jīng)歷一個恢復(fù)過程,該過程中的影響因素受系統(tǒng)內(nèi)部因素穩(wěn)定性的影響。在水資源系統(tǒng)韌性中,恢復(fù)過程受到水環(huán)境、經(jīng)濟以及用水結(jié)構(gòu)等內(nèi)部因素的影響,這些區(qū)域內(nèi)部因素決定了系統(tǒng)恢復(fù)的快慢?；謴?fù)性受影響的主體主要體現(xiàn)在環(huán)境、生態(tài)、經(jīng)濟和社會等方面：例如污水的處理決定了水環(huán)境的承載能力；經(jīng)濟結(jié)構(gòu)會影響用水量,工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水量會遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于第三產(chǎn)業(yè)用水量；不同的用水效率也會影響水資源系統(tǒng)的韌性水平。通過分析上述內(nèi)部環(huán)境、經(jīng)濟、用水結(jié)構(gòu)等因素,可用來評價系統(tǒng)從干擾中恢復(fù)的能力,進而采取對應(yīng)措施以保障水資源系統(tǒng)正常運行。

2.3.3 適應(yīng)性過程影響因素

當(dāng)系統(tǒng)的恢復(fù)過程結(jié)束后,系統(tǒng)會因這次擾動而進行學(xué)習(xí)適應(yīng),以應(yīng)對下一次擾動,該適應(yīng)過程就是系統(tǒng)韌性中的適應(yīng)性。水資源系統(tǒng)韌性的適應(yīng)過程主要受區(qū)域內(nèi)創(chuàng)新因素、保障因素等的影響,其適應(yīng)性水平?jīng)Q定了系統(tǒng)在下一次受沖擊時能夠遷移到的韌性新水平。

系統(tǒng)對適應(yīng)性的影響主要集中在區(qū)域可持續(xù)發(fā)展以及水資源可持續(xù)利用等方面。例如,環(huán)保方面的投入成本會大大影響水環(huán)境的適應(yīng)水平；高科技研發(fā)平臺會促進水資源高效利用；區(qū)域自身的建設(shè)水平能夠輔助城市水系統(tǒng)的流暢運行，促進海綿城市建設(shè)等。這些影響因素既不屬于水資源稟賦,也不在經(jīng)濟結(jié)構(gòu)、生態(tài)環(huán)境范圍之中,但卻深刻地影響著水資源系統(tǒng),促使其向著更好的方向轉(zhuǎn)變。

3 結(jié)語

風(fēng)險與韌性是水資源系統(tǒng)安全分析的兩個重要途徑。風(fēng)險分析是提升水資源系統(tǒng)韌性、維護水資源系統(tǒng)安全的重要方面。韌性是風(fēng)險管理的重要組成部分,也是其主要目標(biāo)之一。通過風(fēng)險告知可促進系統(tǒng)呈現(xiàn)更好的韌性形態(tài),而韌性的提升可促進水資源系統(tǒng)以更好的狀態(tài)應(yīng)對風(fēng)險。

風(fēng)險分析更多地用于事前管理,而韌性則可用于事前評估或事后回溯分析,這正是二者的一個重要差別。對于給定的水資源系統(tǒng),風(fēng)險和韌性的主要差異在于對評估準(zhǔn)則或決策目標(biāo)的導(dǎo)向,即韌性強調(diào)系統(tǒng)經(jīng)歷不利事件的全過程表現(xiàn)。風(fēng)險分析著眼于不確定性風(fēng)險事件,常以危險性、脆弱性和防范能力為衡量指標(biāo)；而韌性分析則將重點放在水資源系統(tǒng)本身,考慮抵抗性、恢復(fù)性和適應(yīng)性等系統(tǒng)本身具有的應(yīng)對風(fēng)險的能力。風(fēng)險與韌性的關(guān)系如圖5所示。

圖5 風(fēng)險與韌性的關(guān)系

風(fēng)險來源于不利事件,可分為自然和人為兩種。不利事件發(fā)生的概率以及由此造成的損失是衡量水資源系統(tǒng)風(fēng)險的重要表征,其影響大小取決于系統(tǒng)的靜態(tài)屬性或稟賦。在傳統(tǒng)的風(fēng)險分析中,應(yīng)對不利事件只能在事后對事件進行信息追溯、分析,予以彌補；對未來不利事件進行評估、預(yù)測,予以提防。相比來講,韌性是系統(tǒng)自身具備的應(yīng)對不利事件的能力,同樣受到自然和人為因素的雙重影響,但不同的是，可從多維度、多角度對系統(tǒng)韌性進行定性和定量分析,進而從抵抗性、恢復(fù)性和適應(yīng)性的相關(guān)指標(biāo)出發(fā),主動調(diào)控,實時提升水資源系統(tǒng)的韌性水平,使其在面臨未來不利事件時具有更高的主動應(yīng)對和自適應(yīng)能力,以便更加迅速地恢復(fù)到原有結(jié)構(gòu)和機能,或得到結(jié)構(gòu)和機能優(yōu)化。

從風(fēng)險到韌性,水資源系統(tǒng)安全分析的不確定性思維模式逐漸從關(guān)注風(fēng)險事件轉(zhuǎn)向關(guān)注水資源系統(tǒng)本身,分析對象則從外來干擾事件的危害性及其程度轉(zhuǎn)向水資源系統(tǒng)自身抵抗干擾的能力,這種轉(zhuǎn)變意義非凡,是主動思維對傳統(tǒng)被動思維的一種潛移默化式的顛覆,將為水資源系統(tǒng)狀態(tài)分析及其安全評估帶來新的研究視角和保障途徑。