深入研究水资源安全预警的最新进展

预警思想古已有之,但预警一词却是在20世纪50年代冷战时期提出的。“预警”一词在《辞海》上有警告的意思,事先警告、提醒被告知人注意和警惕。应用较早、较为成熟的是在军事领域中的战略预警概念。战略预警是一个国家或国家集团的武装力量,为了防御敌方战略兵器的突然袭击,运用预警技术提早发现并监视敌方战略武器活动态势的综合性警戒手段。现代战略预警系统由各种预警技术装备、通信系统和指挥中心组成。战略预警系统中所采用的空间、空中预警,地面雷达警戒,空间探测预跟踪,无线电技术侦察和电子对抗等预警技术,广泛涉及空间技术、遥感技术、电子技术等各个领域,是各种先进技术的综合运用。

受预警在军事领域应用的启示,预警概念开始在许多领域应用,如经济领域中的宏观经济预警、企业预警管理、金融风险预警、农产品市场预警、房地产市场预警、产业预警等；社会领域中常用的疾病预警,健康预警、留学预警、移民预警、劳务预警、交通环境风险预警、人口预警等；环境领域中的灾害预警(气象灾害预警、地质灾害预警、海洋灾害预警等)、环境应急预警、环境污染预警、生态环境预警等；其他领域中如信息安全预警、税收监控预警等。预警在各个领域中都有各自不同的具体应用含义,并成为各级政府重要的对外发布信息类型,如我国发布的大风警报预警、沙尘暴预警、地质灾害预警等为我国经济建设、人民健康提供了有效的科学防范依据。20世纪90年代,联合国将1990～2000年确定为减灾十年计划,在这10年间不同国家、不同文化和不同学科之间的知识汇聚到灾害预防上,使所有国家认识到在制订应对减灾防灾计划的同时,要初步建立全球、区域、国家和地方的预警系统,并将预警系统作为地学研究的一大主题来制订气象、地震、火山喷发、环境污染等自然灾害的应对措施。

目前,人类对预警的理解已远远超出对其最初概念的界定,已逐渐形成一种控制、掌握自然环境和经济社会等的思想和愿望。

对于水资源安全预警国内外并不多见,但是对于与水资源安全相关的安全预警很多。20世纪70年代德国提出的预警原则概念,主要用于处理一系列大尺度的环境问题,如酸雨、欧洲北海污染、全球气候变化等,并成为德国环境法的一个基本原则,此处的预警原则主要指“即使没有科学的证据,只要假设某些人为活动有可能对生命资源产生某些危险或危害的效应,就应采取适用的技术或措施减缓或取消这些影响”。1984年预警原则被引入第1届北海 (欧洲)保护国际会议,并写入1987年第2届和1990年第3届北海保护国际会议的《部长宣言》中,使预警原则在欧洲付诸实施；该原则在1992年巴西里约热内卢举行的联合国环境与发展大会得以确认,并将预警方法写入 《里约宣言》的第十五条:“为了保护环境,各国应根据本国的能力广泛应用预警方法。当存在严重或不可逆危害的威胁时,不得以缺乏充分的科学证据为理由,延迟采取符合成本效益的措施以防止环境退化。”至此,预警原则已成为国际环境政策的一个中心原则,连WTO 也确认此观点以连接国际贸易与环境保护的关系。2000年欧盟委员会发布了《委员会关于预警原则的公报》,以指导各成员国和国际社会应用预警原则。由此可见,预警原则是维护自然资源系统与生态系统健康和自然资源系统和生态安全的重要原则,近十年来受到各国政府、学术界和非政府组织的重视,成为国际资源环境政策的基础和中心原则。

自国际上建立全球资源环境监测、比较、排序和预警系统以来,许多学者对资源环境与生态预警开展了大量的研究工作。例如,以英国科学家齐舒姆为首的区域学派,通过出版《区域预测》一书,较好地总结了全英国的人口、资源、城市、经济和生态环境等方面的成果,为预警的开展奠定了基础；以美国学者怀特为首的灾害学派,在洪水泛滥的风险决策中,发展了单项预警体系,取得了显著的经济效益和生态效益；以罗马俱乐部为代表的未来学派,对全球发展进行预测和综合研究,试图以综合预警的方式,达到整体识别的目的；以美国内布扎斯加大学为代表的系统学派,于1982 年研制成功的 《AGNET》系统,把美国十四部6个州的区域管理问题,在预警的基础上实施全面的优化调控和智能决策,并成为联邦政府决策体系的基本组成部分,受到广泛的关注。此外,美国和加拿大的许多学者近几年开展了水供应中危险事件发生的早期预警研究以及利用藻类作为环境变化的指示物预警等。近十几年来,国外资源环境与生态预警的理论不断完善,方法和手段不断更新,从单项预警发展到综合预警,从专题预警到区域预警。

从国内看,目前预警研究在国内也是热门的领域。从相关研究看,傅伯杰于1991年提出区域生态环境预警的概念；张大任在1991年开展了洞庭湖生态环境预警研究；陈国阶于1992年、1999年提出生态环境预警的概念；许学工于1996年对黄河三角洲生态环境进行了评价和预警研究；邢东国等1999年开展的内陆河流域生态环境预警方法研究等。王慧敏2000年提出流域可持续发展预警系统,给出流域可持续发展预警的概念、功能以及预警系统的设计,提出了万元产值耗水量、工业重复用水率、经济增长速度、单位灌溉面积用水量、人均用水定额、万元产值废水排放量、污水处理投资量、污水回灌、水资源开发、投资费9个预警监测指标,与单位固定资产产出率、单位水资源工业产值、单位水资源农灌面积、可开采水资源量/用水量、可供水量/用水量、水资源利用率、单位工业废水排放量的工业产值、标准 (COD)浓度/污染(COD)浓度8 个预警指标,运用自回归条件异方差 (ARCH)、神经网络(ANN)、系统动力学(SD)等预警方法,对流域可持续发展系统进行了预警研究与分析,并在淮河流域进行应用。

再看看干旱预警。干旱气象灾害具有持续时间长、发生范围广、灾害损失重等特点,对我国农业生产、能源需求、生态与环境保护和经济建设的影响日趋增加。干旱是我国特别是北方地区农业最主要的自然灾害之一。因此,加强跨学科干旱基础理论、干旱预警应急等级、预警标准、预警区划、预警系统建设内容等研究,对提高我国干旱监测预警和防灾减灾能力建设,维护国家公共安全,增强可持续发展具有重要的现实意义。

早在新中国成立之初,党中央就决定成立中央防汛指挥部,后改为国家防汛抗旱总指挥部,组织领导全国抗旱防汛、防灾减灾和救灾工作。气象部门根据为农业生产服务的需要,从1958年起发布长期气候预报并逐步开展了干旱监测、预报预警、卫星遥感监测等工作。2001 年 “中国气候大会”通过了《中国国家气候计划纲要 (2001～2010 年)》和 《中国气候系统观测计划(2001～2010年)》,确定了未来十年我国气候与气候变化工作的发展目标。特别是国家短期气候预测业务系统一期工程建设,极大地提升了我国短期气候预测、气候影响评价、气候资源应用水平。为发展我国干旱气候预测模式,提高早期干旱预报预警能力,提供了良好的科学技术平台。

对于干旱预警系统,目前主要是积极开展跨学科研究,制定国家干旱划分指标、干旱预警和旱灾评估标准体系；以我国气象基本业务平台为基础,以中国气候观测系统(CCOS)、兰州区域干旱气候观测系统 (ACOS)为基础,以国家干旱气候监测预警中心等为依托,联合农牧业、水利等部门,建立国家级干旱监测预警和研究中心；研究建立我国干旱预警模型、数值预报模式、灾害评估体系和决策管理系统。最终形成统一指挥、功能齐全、反应灵敏、运转高效的干旱预警系统,最大限度地减轻灾害损失,促进我国社会经济协调和可持续发展。鉴于国家有关规定和实际情况,将我国干旱预警应急等级按照灾害严重性和紧急程度,分为特大干旱(Ⅰ级)、重旱(Ⅱ级)、中旱(Ⅲ级)和轻旱(Ⅳ级)四级,分别用红色、橙色、黄色和蓝色表示。

干旱预警由国家、省 (自治区、直辖市)、市、县人民政府防汛抗旱指挥部负责管理。根据国家有关法律法规,气象、农牧业、水利等部门向同级人民政府提供干旱监测、预测预警决策信息,政府部门根据干旱灾害严重程度启动预警应急预案。各部门开展的常规干旱监测、预警评估业务信息,供内部业务使用或在授权的新闻媒体、政府办公网、公众传媒上发布,科学指导我国开展干旱预警,最大限度地减轻干旱对农业、工业生产、城市供水等影响,为群众提供良好的生活保障。(www.xing528.com)

大量的研究表明,干旱致灾强度与水资源状况、灌溉设施、区域经济、作物品种和技术有关。所以说干旱预警说到底是一个 “水资源”供求预警问题,当自然降水、地表径流、土壤含水量、河流和高山融雪 (冰)来水持续锐减,必然会造成农作物生长、城市供水、工业生产和人类生活用水发生危机,甚至形成直接灾害。一般干旱灾害强度越强、范围越大、维持时间越长,干旱灾害的损失就越重。

按照我国自然环境、气候区划、经济状况、抗灾能力等将全国划分为三类干旱预警区。在东北—西南向“川”字形干旱预警区划分类中,我国西部年降水量400mm 以下地区为特旱区(Ⅰ类),中部为重旱区 (Ⅱ类),东部沿海地区为干旱区(Ⅲ类)。特旱区(Ⅰ类)受青藏高原地形的热力、动力作用以及远离海洋和盛行西北气流是形成北方 “十年九旱,三年两头旱”的主要因子。由于该区年降雨量小于400mm,水资源的承载力较低,自然生态脆弱,农业和其他经济活动主要依靠高山融雪、径流和降雨。干旱、沙漠化、沙尘和沙尘暴,已经严重威胁到该区粮食安全、水资源安全和生态安全。正如2005年7月温家宝总理的一份批示指示的那样:“决不能让民勤成为第二个罗布泊。这不仅是个决心,是一定要实现的目标。这也不仅是一个地区的问题,而是关系国家发展和民族生存的长远大计”。所以说,防御和减轻干旱灾害损失,是促进特旱区社会经济发展的长期目标。重旱区 (Ⅱ类)位于年降雨量大于400mm、小于800mm 的黄河中下游流域、淮河流域、海河流域 (除淮南、苏北外)半湿润地区,受降雨的随机性波动,气候型干旱的概率很高。干旱区(Ⅲ类)为亚热带季风气候区,年降雨量大于800mm,虽然总体上水资源较为丰富,由于降水时空分布不均,地区性、季节性干旱频繁发生,给工农业生产和人民群众生活带来了严重影响,2006年7、8月四川、重庆等区域的持续干旱就是很好的例子。从应用技术看五大系统作用于干旱预警,根据社会系统工程学理论,综合干旱灾害形成时间、孕灾环境、致灾因子、承灾体的特征,以及减灾技术和救灾方式等要求,干旱预警工作包括干旱监测预警站网建设、预测预警技术、通信网络设备、防灾减灾科技投入、预警指挥管理、预警指标体系、紧急保障与响应、公共应急法制建设等内容。中国干旱预警系统主要由五大系统构成:

(1)预警指挥管理子系统。作用为加强国际交流与合作；统一领导和指挥全国干旱预警,加强预警行业与法规管理,促进信息资源共享；组建国家干旱预警决策系统,保证干旱信息的快速采集、汇总、传递、评估、检索和科学预警决策；协调预警保障和应急响应,组织减灾救灾和培训等；负责预警效益评估、重大预警科技项目建设、减灾知识宣传、干旱减灾技术推广等。

(2)干旱监测与预测预警子系统。建立干旱监测子系统,大力发展高科技监测技术,统一改进或增加现有观测站网和设备,加强自动化、卫星遥感监测和飞机遥感探测投入,扩大干旱监测的范畴和内容,来实现连续监测、动态监测、空间无缝隙监测；建立干旱监测信息共享平台；建立国家级干旱立体综合监测网,加快中国气候观测系统 (CCOS)与干旱气候观测系统 (A-COS)建设；预测预警子系统,建立干旱灾害综合数据库,提高干旱信息采集和快速处理水平；根据气象、农业、水利等部门预警特点,完善我国干旱预警指标；建立干旱预测预警平台,开发全球及中国区域高精度、细网格干旱预测预警数值模式,加强大气-荒漠化、海洋、冰雪、生态植被等耦合模型研究,实现物理统计和动态应用相结合、卫星遥感综合性干旱监测模型相配套,科学预测评价干旱严重程度和所处阶段,制作发布干旱监测、干旱评估、预测预警、旱灾评估等各类干旱预测产品。

(3)信息网络子系统。作用为建立国家干旱预警通信网络系统,包括基本信息库、干旱灾害信息、政府预警指挥信息、地理信息 (GIS)、救灾应急信息、气象监测预警信息、水文资料、土壤墒情、卫星遥感信息、防灾减灾知识、预警效益评估信息、减灾技术等综合信息的收集交换与储存等；以高速宽带网络、基于分布式数据库技术等,构建数据检索智能化、信息展示可视化、产品分发网络化共享服务平台。

(4)预警研究子系统。作用为加强国家干旱监测技术方法、监测仪器、预测预警理论研究；加快国家干旱预警综合指标体系研究及建设；建立干旱减灾能力评价体系,开展干旱对农牧业、城市供水和生态与环境等影响程度的科学评价体系。进行各类干旱生物和非生物类减灾工程科学试验；建立国家级干旱减灾试验示范基地、科技园区等,研究干旱区优势气候、农业、畜牧业、风能、太阳能等资源开发利用；广泛开展学术交流、综合考察、技术培训和科研成功推广应用工作。

(5)综合服务子系统。作用为建立干旱预警综合服务平台,保障各类预警指挥用服务产品的加工处理；制作政府部门干旱预警决策服务产品、行业预警产品、干旱监测信息、动态评估信息、减灾技术信息等；及时准确向社会公众、新闻媒体、网站、手机短信用户等提供干旱预警服务信息、预警减灾知识等。

对纯粹论述水资源安全预警或水安全预警文献,目前国内很少,代表性的有郭安军的“水资源安全预警机制探讨”；郑汉通的 “论水资源安全与水资源安全预警”；陈绍金的“对水安全系统预警的探讨”。郭安军在水资源安全概念的基础上,把水资源分为3个模块,即水供给、水需求和水储备,把水资源的3个模块和预警的逻辑过程等3个方面结合起来,提出了水资源安全预警机制原理的分析框架。郑汉通提出“所谓的水资源安全预警,是指对由于自然和人类社会的因素引起的重大水资源不安全(或水资源危机)进行预期性评价,以提前发现未来有关水资源可能出现的不安全问题及其成因,为制定消除或缓解水资源不安全的措施提供依据。如由于持续的贫水年或重大的水污染事故可能造成严重干旱和缺水,水污染、地下水超采和河流断流可能给水生态系统造成不可恢复的破坏等,都是水资源安全预警的重要内容”。陈绍金从明确水安全系统的定义出发,提出了水安全系统预警的概念和预警系统的结构设计原理,采用与王慧敏几乎一致的方法,研究了水安全系统仿真流程；预警指标体系；警限界定等系统动力学 (SD)预警方法的基本内容,建立了对湘江流域水安全系统预警模型,并进行了模型仿真及其结果分析。

总的来讲,从国内外研究的现状及进展来看,水资源安全预警还有许多方面尚待深入探讨。目前存在的主要问题:①没有成熟的理论体系,特别是没有明确的定义和系统评价指标体系；②缺乏完善的定量计算方法。因此,从理论和实践两个方面深入探讨水资源安全预警将是今后研究的重点和趋势。