國家水網工程可持續運行風險研究進展

仇越 柳長順 蔣曉輝 張希健

摘 要：為對國家水網工程可持續運行風險未來研究提供思路與可行性建議，綜述了國家水網工程及相關水利工程的可持續性及運行風險研究進展。在文獻閱讀的基礎上，初步解釋了國家水網可持續性的概念，基于工程、社會、經濟、生態和管理五項主要風險因子構建了國家水網工程可持續運行風險評價指標體系，認為工程風險和生態風險是影響國家水網工程可持續運行的主要風險因子。針對當前國家水網工程可持續運行風險研究存在的不足，提出了目前國家水網工程可持續運行風險評價面臨的關鍵技術問題，指出未來需要基于國家水網工程可持續運行風險評價指標體系，識別風險因子及其發生概率，開展工程實證分析，提出風險管控模式和促進國家水網可持續運行的實施建議。

關鍵詞：國家水網；水利工程；可持續性；可持續運行；風險研究

中圖分類號：ＴＶ５４ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０３．０２７

引用格式：仇越，柳長順，蔣曉輝，等．國家水網工程可持續運行風險研究進展［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（３）：１４８－１５５．

０ 引言

水資源作為人類社會重要的自然和經濟資源，兼具基礎性和戰略性，既是影響生態變化的主要因素之一，也是一個國家經濟綜合體系的有機組成部分［１－２］ 。我國水資源問題十分突出［３］ ，長期以來，水資源的時空分布一直處于不平衡的狀態，不符合當前社會的經濟發展模式［４－５］ 。

為解決這一矛盾，我國修建了三峽水庫、南水北調［６］ 等現代大型水利工程，這些水利工程與我國眾多的自然河湖水系［７－８］ 協同構成了我國的水資源網絡，但各流域間連通作用不強，存在諸多不足，因此國家在“十四五” 規劃中明確決定實施國家水網重大工程。國家水網工程是對已經存在的控制性樞紐工程和河湖水系連通工程的系統整合［９］ 。綜合現有研究，其概念可以解釋為：國家水網是以天然河湖水系為基礎、引調排水工程為渠道、調蓄工程為節點、智能調控為手段、體制機制法制管理為支撐，集水資源調配、流域防洪減災、水生態保護等功能為一體，在空間上呈現顯著網絡形態的綜合性國家水資源配置系統［１０－１３］ 。依據“確有需要、生態安全、可以持續” 的重大水利工程論證原則，國家水網工程可持續性及運行風險的相關研究至關重要，但當前我國對于國家水網工程可持續性及運行風險的研究相對薄弱。因此，本文結合ＣｉｔｅＳｐａｃｅ 軟件對國家水網及相關水利工程可持續有關研究進行了綜述，在此基礎上初步解釋了國家水網可持續性的科學內涵，對國家水網運行的主要風險因子進行了探討，闡述了目前國家水網可持續性研究面臨的問題并展望了未來的研究重點。

１ 國家水網可持續性的概念解析

１．１ 國家水網可持續性的概念框架

國家水網可持續性的概念可以結合公共建設項目可持續性的概念來進行解釋。ＰＲＹＮ 等［１４］ 和ＫＡＲＡＣＡ等［１５］ 認為基礎設施可持續性包含經濟、社會和環境３個方面，易弘蕾等［１６］ 提出大型公共項目的可持續性應該包含經濟效應、環境狀況、社會影響、資源利用、衛生安全以及項目管理６ 個方面，郎啟貴等［１７］ 指出建設項目可持續性包括建設項目本身的可持續性和建設項目所在地區的可持續性兩個方面，陳巖［１８］ 將建設項目可持續性定義為“建設項目在其整個生命周期中不斷地發揮社會、經濟和環境效益，協調和維持三者之間相互適應且動態平衡的能力”，朱嬿等［１９］ 認為建設項目可持續性可以從研究范圍、內核、本質特征、內涵及影響因素５ 個層面來解讀。

可見，國家水網可持續性是一個綜合的概念，應當從整體性的角度出發，基于系統學的研究理論，對國家水網可持續性的研究尺度、本質特征和科學內涵進行全方位的分析。筆者建立了國家水網可持續性的概念框架，如圖１ 所示。

１．２ 國家水網可持續性的研究尺度

時間尺度方面，國家水網重大工程是黨中央從中華民族永續發展的戰略高度提出的戰略性決策部署，因此國家水網可持續性應該具備永續發展的特點，也就是其生命周期是無限的?？臻g尺度方面，國家水網工程可持續性與我國的經濟、環境、社會３ 個領域密切相關，因此要保證國家水網工程的可持續性，必須保證它與我國經濟、社會、環境之間的和諧度與協調性。

１．３ 國家水網可持續性的本質特征

可持續性的概念由可持續發展理論衍生而來，牛文元［２０］ 提出可持續發展的核心要素是“發展、協調和持續”，因此國家水網可持續性的本質特征與可持續發展一脈相承，即發展度、協調度和持續度。其中：發展度是衡量國家水網工程能否實現工程目標的數量維特征，協調度是衡量國家水網工程內在和外在影響因素的質量維特征，持續度是衡量其生命周期的時間維特征。

１．４ 國家水網可持續性的科學內涵

國家水網工程可持續性的科學內涵體現在工程技術先進性、經濟效益合理性、社會影響協調性、生態環境友好性和管理體系完整性。本文對國家水網可持續性定義為：國家水網工程在其無限的生命周期當中，穩定發揮水資源調配、流域防洪減災、水環境保護等功能，保持與經濟、社會、環境之間的協調性并持續發揮社會、經濟、環境效益，優化我國水資源配置、全面提升我國水安全保障水平的可持續能力。

２ 基于ＣｉｔｅＳｐａｃｅ 的水網研究文獻計量分析

以中國學術期刊全文數據庫（中國知網）為數據源，以主題或關鍵詞“水網”為篩選條件，文獻類型為學術期刊，得到文獻３ ２０２ 篇。對得到的文獻進行二次篩選，剔除訪談、新聞報道、會議活動通知、讀者反饋等非學術型文章以及相關性欠缺的文章，最終得到有效文獻１ ０５８ 篇，使用軟件ＣｉｔｅＳｐａｃｅ．６．１．Ｒ６ 對所選１ ０５８篇文獻進行計量分析。

２．１ 發文趨勢

對選取的１ ０５８ 篇文獻按照發表時間進行統計，結果見圖２。從１９８４ 年起國內開始出現針對水網的研究，此后發文數量總體呈現穩定上升趨勢，其中２００９—f1２０１１ 年水網研究相關發文量有較大幅度上升，從２９ 篇上升到了６５ 篇，２０１１—２０２０ 年呈現下降趨勢，２０２０—２０２２ 年再次呈現大幅上升趨勢，于２０２２ 年達８９ 篇。在１ ０５８ 篇文獻中，直接研究國家水網的文獻僅為７６ 篇，但發文數量在近兩年處于大幅上升趨勢，這說明國家水網研究尚處于起步階段，且有望成為未來的研究熱點。

２．２ 關鍵詞共現分析

關鍵詞對于文獻的研究核心主題起到了高度的概括作用，因此某一特定研究領域可以使用關鍵詞進行共現分析，以了解其研究熱點及發展趨勢。對選取的１ ０５８ 篇文獻進行關鍵詞共現分析，頻次≥１０ 的關鍵詞見表１?？梢钥闯?，目前針對水網的研究以局部地區為主流，研究熱點集中于現代水網、生態水網、水網建設等方面，針對國家水網的研究已經初具規模。

２．３ 關鍵詞突現分析

關鍵詞突現分析是通過對頻次變化率高、增長速度快的關鍵詞進行檢測，進而形象展示該領域內某研究熱點隨時間的變化情況。對水網研究領域的關鍵詞進行突現分析，共檢測到１２ 個突現詞，分別為施工、生態水網、規則、現代水網、水資源、智能水網、水網工程、大水網、智慧水網、國家水網、水網建設、水系連通?？梢缘贸?，２００７—２０１６ 年突現詞為生態水網，主要研究水網工程與生態環境之間的協調與兼容程度。

從２０１２ 年開始，現代水網、智能水網等［２１］ 研究開始出現，國家編制“十四五”規劃時，將國家智能水網的研究劃定為國家水網智能化部分的研究，因此國家智能水網研究可以歸結為國家水網研究的前身。在智能水網研究領域，中國水利水電科學研究院有關學者從概念解析、建設思路、結構組成、核心技術等方面進行了深入研究?？锷懈坏龋郏玻玻?首次提出了我國智能水網的概念和系統結構。尚毅梓等［２３］ 闡釋了水網智能化的概念，積極探索了我國智能水網工程的建設思路。王建華等［２４］ 提出智能水網是由水物理網、水信息網和水管理網耦合組成的復合網絡系統。蔣云鐘等［２５］ 從技術維度提出了智慧水利的賦能體系與核心技術，包括水利工程智能體、業務管理智慧體以及數字孿生［２６］ 、物聯網、大數據等。于翔等［２７］ 將數字水網應用于京津冀地區的水功能區考核管理，實現了可視化的數字水網與業務融合應用。智能化是國家水網的主要特征之一，國家水網工程建設不只是物理水網如河湖水系與調水工程的連通，也是水利技術、水利業務與實體水網的孿生與融合。因此，物理、信息、管理三網合一及數字孿生、業務融合等是未來智能水網研究的重點，也是智慧水利發展的趨勢和落腳點。

從２０２１ 年起，針對國家水網的研究開始涌現，且研究主題集中于水網建設、水系連通等方面，說明針對國家水網可持續性及其運行風險方面的研究較為薄弱。

３ 水利工程可持續性及運行風險研究進展

當前直接針對國家水網工程可持續性及其運行風險的研究尚處于萌芽階段，因此了解我國現有水利工程可持續性及其運行風險的研究進展對于國家水網工程可持續性及運行風險研究具有重要意義。

３．１ 國家水網相關水利工程可持續性研究進展

我國跨流域調水工程與經濟、生態和社會發展之間關系密切，實現跨流域調水工程產生最大效益與最小負效應的關鍵是跨流域調水工程影響區域經濟、生態和社會的可持續性［２８］ 。當前針對水利工程可持續性的研究主要從水利工程對生態環境可持續能力的影響及水利工程造成的經濟、生態和社會效益等方面開展。表２ 匯總了目前針對水利工程可持續性研究的主要研究內容、研究方法和研究對象。

在水利工程對生態環境可持續能力的影響研究中，生態足跡模型［２９－３３］ 應用較廣，主要用于工程水源地生態足跡、生態承載力和生態盈虧的計算分析以及水源地可持續發展現狀的實證分析。河流一維水動力學模型與水體富營養化模型［３４］ 適用于分析水利工程對河流水環境容量和水華發生概率的影響。王志杰等［３５］ 采用壓力－狀態－響應（ＰＳＲ）模型框架對南水北調中線漢中市水源地進行了生態脆弱性評價。秦歡歡等［３６］ 采用ＭＩＫＥ ＳＨＥ 模型和ＳＤ 模型耦合的方式，模擬了２０１４—２０２８ 年農業節水和南水北調對華北平原可持續水管理的影響。穆貴玲等［３７］ 建立了湖北三峽庫區水資源可持續評價指標體系，并運用融入ＴＯＰＳＩＳ法思想的改進投影尋蹤模型進行了水資源可持續評價。

在水利工程的經濟、生態和社會效益研究中，直接市場法、缺水損失法、分攤系數法、影子水價法等［３８－３９］可以計算工程對受水區產生的各種效益，但這些方法相對傳統，計算精度有待提高。當前，各種改進模型在水利工程效益分析計算中的應用較為廣泛，與傳統方法相比，其分析靈活性較大且計算準確度較高。楊愛民等［４０］ 基于生態系統服務功能理論對南水北調東線一期工程受水區的生態環境效益進行了評估。楊子桐等［４１］ 基于組合權重和改進云模型的綜合評價方法對南水北調東線工程效益進行了綜合評價。盧亞麗等［４２］ 通過構建ｓｔａｃｋｅｌｂｅｒｇ 分散決策模型和集中決策模型對南水北調工程可持續供應鏈進行了利益協調分析。趙晶等［４３］ 采用動態可計算一般均衡模型（ＣＧＥ），定量評估了河南省南水北調中線工程供水的社會效益與經濟價值。胡江霞等［４４］ 基于中介效應模型和調節效應模型，提出保證貧困農民生計可持續性的關鍵是生計資本和生計風險管理。在實際應用中，采用何種方法進行水利工程的經濟、生態和社會效益評估計算，應結合受水區的環境特征和社會狀況綜合分析后確定。

３．２ 水利工程可持續運行風險研究進展

國外在水利工程風險評價研究方面，ＭＡＹＳ 等［４５］首次將風險評價管理理論應用于水利工程當中。ＲＯＢＥＲＴ［４６］ 基于水利工程風險分析研究提出了水利工程安全管理模型。ＨＲＥＩＮＳＳＯＮ 等［４７］ 將蒙特卡羅法應用于各類水利工程改擴建方案的風險評價當中。

ＢＡＬＫＨＡＩＲ 等［４８］ 對小型水利水電工程運營條件及成本進行分析，認為將發電系統成本確定為激勵要素有助于控制成本風險。

表３ 列出了水利工程可持續運行風險研究的主要內容、方法與對象。根據匯總結果可知，我國現有針對水利工程可持續運行風險的研究對象主要集中在南水北調和三峽水庫兩個重點水利工程，研究重點集中于工程風險評價，研究內容包含工程風險、經濟風險、社會風險、生態風險和管理風險等方面。

在水利工程經濟風險研究中，可拓評估模型［４９］ 與熵權法［５０］ 有所應用，但缺乏相關水利工程實證分析。社會風險研究方面，黃德春等［５１］ 建立了重大水利工程社會系統脆弱性評估模型及評價指標體系。呂周洋等采用改進的ＨＨＭ 建模識別方法［５２］ 和基于Ａｇｅｎｔ 的社會風險管理政策制定模型［５３］ ，識別了南水北調東線工程的社會風險因子。在管理風險研究當中，工程風險管理方法［５４－５５］ 應用普遍，ＪＵＮ 等［５６］ 針對南水北調東線工程建立了經營管理風險指標體系。

在工程風險研究中，基于傳統失效模式與影響分析（ＦＭＥＡ）［５７－５８］ 方法的風險評估模型在南水北調工程運行安全風險研究中應用十分廣泛。汪倫焰等創新性引入ＶＩＫＯＲ 構建了基于模糊ＶＩＫＯＲ－ＦＭＥＡ［５９］ 的南水北調運行管理安全風險分析模型， 相比傳統ＦＥＭＡ 法分析準確度有所提高， 并運用結合ＦｉｎｅＫｉｎｎｅｙ 評價方法和模糊推理系統的風險評價模型［６０］ ，對南水北調中線總干渠運行風險進行了評價。聶相田等基于決策實驗室分析法、解釋結構模型［６１］ 以及ＩＯＷＡ－云模型等［６２］ 對長距離引水工程運行安全風險進行了一系列的研究。ＺＨＯＵ 等［６３］ 基于實體關系圖的方法建立了一個完整的工程風險數據庫。馬婷婷等［６４］ 采用風險指數矩陣法對南水北調進京南干渠盾構隧洞工程風險進行了評價和分級。胡丹等［６５］ 引入基于直覺模糊集理論的多屬性評價模型對南水北調中線明渠工程運行風險進行了綜合評價。

在生態風險研究領域，基于ＲＳ 和ＧＩＳ 空間信息技術結合各類基礎學科方法建立模型［６６－６９］ 在水利工程生態風險時空變化研究中應用廣泛?？破绽瘮?、貝葉斯網絡［７０］ 以及經驗正交分析［７１］ 等方法常用于南水北調工程水源區與受水區干旱遭遇分析。物種敏感性分布（ＳＳＤ）法、地累積指數法和沉積物質量基準法等［７２－７４］ 適用于與重金屬污染相關的水利工程生態風險評價。壓力－狀態－響應模型與正態云模型［７５－７６］ 在水環境污染和土地利用風險中有所應用。其他方面，封麗等［７７］ 根據歐盟環境風險評價方法對三峽庫區主要水域典型抗生素進行了生態風險評價。王復生等［７８］ 用蒙特卡羅法輔助層次分析法，通過ＡｒｃＧＩＳ 得到了南水北調東線山東段區域的洪水災害風險區劃圖。

綜合上文分析，當前研究重心集中于工程風險和生態風險兩方面?；趥鹘y研究方法融合各種新型技術的改進型研究方法在水利工程風險研究中為主流，其彌補了傳統方法分析精度差、分析流程單一、分析對象局限等不足，可以處理離散和非線性的大規模風險分析問題，使得研究結果更加合理、精確。此外，水利工程不確定性形式比較多樣化，各類風險研究方法均有其優點與局限性，因此應根據實際情況，針對具體的水利工程與研究內容選擇合適的研究方法。

４ 國家水網工程可持續運行風險研究

４．１ 國家水網工程可持續運行風險的概念

項目管理知識體系指南對項目風險定義為［７９］ ：當一個具有未知性或不確定性的事件發生時，會對至少一個項目目標產生影響。ＷＩＤＥＭＡＮ［８０］ 對項目風險定義為：某一個事件的發生對于實現項目的既定目標產生不利影響的可能性。本文將國家水網可持續運行風險定義為：國家水網工程在其無限的生命周期內發生的導致工程效益受到損失的可能性與危害性因素，或對穩定發揮其工程功能，實現國家水網建設目標可能產生干擾的不確定性影響。

４．２ 國家水網工程可持續運行風險評價指標體系

基于文獻研究與上文對于水利工程可持續性運行風險研究進展的綜述，結合建立全過程風險管理體系的構想，把國家水網工程可持續運行風險因素劃分為工程風險、社會風險、經濟風險、生態風險和管理風險５ 個方面，初步構建了國家水網工程可持續運行風險評價指標體系，見表４（總計包含５ 個一級指標和１７個二級指標）。

國家水網工程是一個由綱、目、結多節點、多通道組成的龐大水資源配置系統，結合上文對于水利工程可持續運行風險研究進展的綜述，本文認為工程風險和生態風險是影響國家水網工程可持續性的主要風險指標，應重視國家水網工程風險和生態風險的研究。后續可以選取合適的評價方法進一步對各項風險指標及對應二級指標的權重進行計算，從而精確有效地對影響國家水網工程可持續運行的各項風險因子進行防范與控制。

４．３ 國家水網工程可持續運行風險評價關鍵技術問題

結合國家水網工程的性質與特點，從工程、社會、經濟、生態和管理５ 個方面提出國家水網工程可持續運行風險評價可能存在的技術難點。國家水網具有工程種類多、數量多、跨度大、分布廣等特點，如何科學合理地分析各類工程風險因子組合的可能性，從而準確評價和預測工程風險十分重要。在進行社會風險評價時應該做到定量分析與定性分析相結合，采用正確合適的評價方法，才能準確評價國家水網工程的社會風險，從而最大限度預防和減少社會風險帶來的損失。如何確定關鍵經濟因子并針對各級水網子工程所在區域經濟發展水平、產業結構和水價承受能力等建立動態高精度經濟風險模擬模型是一個亟須解決的難題。研究國家水網與區域氣象、水文、生態之間的互饋機制，揭示國家水網建設條件下區域氣象、水文、生態系統演化規律，最終準確評價水網格局變化導致的區域水文氣象與生態系統風險是生態風險評價的重點。綜合評估國家水網工程的管理體系，形成綜合性調度運行預案，選取適合管理風險的評價方法，是管理風險評價的重難點。

５ 結論與展望

國家水網工程研究領域目前主要集中于區域水網、生態水網、智能水網等方面。國家水網可持續運行風險研究仍處于初步階段，其運行主要受工程風險和生態風險的綜合影響，與經濟、社會、管理等風險因子也息息相關。我國區域眾多且發展需求、規劃各不相同，需要根據不同地區風險要素分類分階段進行風險研究。水網不只是河湖水系與水利工程的聯通，也是水利技術、水利業務與實體水網的孿生融合。國家水網工程可持續運行風險評價存在眾多研究難點，借鑒現有水利工程如南水北調工程和三峽水庫可持續運行風險研究經驗成果，提出以下４ 點展望：

１）綜合考慮工程、社會、經濟、生態、管理等因素，構建國家水網可持續運行風險評價指標體系，識別主要風險因子及其發生概率。

２）以具體流域為研究區，基于當前已經建成的水利工程開展實例應用，以驗證國家水網可持續運行風險評價指標體系的可靠性。

３）基于構建的國家水網工程可持續運行風險評價指標體系，綜合評價國家水網工程可持續性，提出工程風險管控模式，為國家水網工程規劃建設提供定量支撐。

４）研究提出國家水網可持續運行風險管控措施和促進國家水網可持續運行的實施建議，為已開展和即將開展的南水北調等重大水網工程可持續運行管理提供科學方案，全面增強我國水資源統籌調控能力、供水保障能力、戰略儲備能力，為全面建設社會主義現代化國家提供有力的水安全保障。

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【責任編輯 張華巖】