水資源保護利用“四水四定”：基本認知與關鍵技術體系

王 浩，許新發，成靜清，周祖昊，褚俊英，張靜文

(1.中國水利水電科學研究院流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京 100044；2.江西省水利科學院，江西 南昌 330029)

我國的水資源保護利用管理從傳統被動式、粗放式管理，逐步向主動式、精細化管理轉變[1]。2019年9月習近平總書記主持召開黃河流域生態保護和高質量發展座談會，提出“要堅持以水定城、以水定地、以水定人、以水定產”，為新時期水資源保護利用提出了新要求。近些年來，研究者在以水定城、以水定地、以水定人、以水定產(簡稱“四水四定”或“以水四定”)的理論、方法以及應用等方面開展了探索。在理論層面，谷樹忠[2]在分析我國“以水四定”推進態勢與主要癥結基礎上，提出了協同推進策略和政策工具；楊舒媛等[3]認為“以水四定”的基本前提是明確水資源保護及可供水資源量的約束條件，目標為確定人口、建設用地和經濟發展規模及城市發展布局引導方向。研究總體上以思想轉變和認識提升為主，尚未形成系統化的理論體系。在技術方法層面，當前研究主要以水資源保護利用總量控制指標或水資源配置結果為基礎，采用指標法倒推社會經濟發展規模，系統動力學、承載力評價、投入產出分析以及多目標優化等方法也得到應用[4-6]，但如何“量水”并進一步反饋到社會經濟系統尚缺乏統一的方法。在研究對象層面，當前研究主要在北方缺水地區，南方豐水地區研究較少[7-8]?？傮w上，水資源保護利用“四水四定”的理論、技術和管理模式亟須深入探索。本研究系統梳理了我國水資源保護利用管理發展的3個階段，提出了水資源保護利用“四水四定”的基本概念、科學內涵、基本原則和路徑模式，建立了“四水四定”的關鍵技術體系，旨在為我國流域和區域水資源保護利用“四水四定”管理創新提供科技支撐。

1 水資源保護利用管理的發展歷程

我國水資源條件是人均水資源少，時空分布不均，與生產力布局不相匹配，氣候變化條件下水資源系統的脆弱性和不確定性增大。隨著缺水、水污染、水生態破壞以及水災害等問題日益突出和不斷交織，水資源保護利用的管理模式不斷演進和更新。我國水資源保護利用管理從傳統的被動管理階段，逐步發展到主動管理階段，再發展到智慧管理階段，水資源管理的主動化、精細化、智慧化程度不斷提升[9]。按照發展歷程，我國水資源保護利用管理實踐可分為3個階段：

a.被動管理階段：供需平衡、達標控制、災害應急(1949—2001年)。中華人民共和國成立以來我國水資源管理主要以行政計劃為主，基本特點是供給管理、以需定供。隨著我國由計劃經濟體制向中國特色社會主義市場經濟體制過渡，開始實施需水管理，用水效率明顯提升。1988年《中華人民共和國水法》頒布，我國水資源保護利用管理步入法治化軌道，水價、水權、水市場等市場化機制不斷完善。在水污染防治方面，強調點源污染控制，以工業企業達標排放為控制手段，面源污染開始凸顯，水環境質量迅速下降。在水災害應對方面，實行以工程建設、應急搶險為主的被動防御政策，以最大限度地減輕災害損失，確保人民群眾的生命和財產安全。

b.主動管理階段：量強雙控、紅線管理、主動防御(2002—2018年)。隨著缺水、水污染問題的日益突出，我國開始注重依靠科技進步與水資源管理提高用水效率，實現從供水管理向需水管理轉變，從粗放用水向高效用水轉變，從過度開發向主動保護轉變。2002年10月修訂后的《中華人民共和國水法》施行，明確提出國家對用水實行總量控制和定額管理相結合的制度，我國水資源保護利用管理越來越嚴格。2012年1月，國務院發布《關于實行最嚴格水資源管理制度的意見》，建立了用水總量控制紅線、用水效率控制紅線、水功能區限制納污紅線“三條紅線”和用水總量控制制度、用水效率控制制度、水功能區限制納污制度及水資源管理責任和考核制度“四項制度”，水資源保護利用的管理日趨嚴格[10]。2014年，習近平總書記提出了“節水優先、空間均衡、系統治理、兩手發力”的新時期治水方針，2015年國務院發布了《關于印發水污染防治行動計劃的通知》(“水十條”)，出重拳解決復合型污染問題，水環境惡化趨勢得到遏制，流域和區域水環境質量不斷改善。在水災害方面，綜合運用工程措施和非工程措施進行主動防御，降低災害風險。

c.智慧管理階段：量水而行、韌性提升、智慧水利(2019年至今)。隨著人民群眾對水安全的需求日益增長，我國的水資源保護利用管理進入精細化管理階段。該階段注重提升水資源可再生性，實現“以水而定、量水而行”，促進水環境質量實現根本好轉，復蘇河湖生態環境，推動海綿城市建設提升韌性，降低災害風險。2019年9月，習近平總書記在黃河流域生態保護和高質量發展座談會上指出，“把水資源作為最大的剛性約束，合理規劃人口、城市和產業發展”。張晨光等[11]從水資源承載力視角開展水量供需平衡管理研究，以青海省大通縣為例分析了水資源承載狀況。隨著遙感、人工智能技術的快速發展，充分融合物聯感知、量化模擬、自動控制、智能決策分析等技術，基于數字底板建設智慧水利平臺已成為重要發展趨勢[12]。

2 水資源保護利用“四水四定”的基本理論

2.1 “四水四定”的基本概念

“四水四定”是指把水資源作為最大的剛性約束，堅持以水定城、以水定地、以水定人、以水定產，合理規劃人口、城市和產業發展，堅定走綠色、可持續的高質量發展之路。

a.水是“四水四定”的主體。將水資源、水生態、水環境承載能力和水災害防御作為剛性約束，強調的是剛性約束作用，目的是調整、約束人的行為，推動用水方式由粗放型轉向節約集約型，促進經濟社會發展布局與水資源條件相匹配。

b.經濟社會發展是“四水四定”的客體。辨析社會經濟發展和低碳綠色發展下城市、土地、人口、產業等對水資源系統的反饋促進作用，以經濟社會的發展反向促進水資源的高效節約集約利用。其中：①以水定城核心是建立水與城鎮化發展之間的聯系，將水作為城鎮社會經濟發展規劃、國土空間規劃以及生態建設的核心因素，防止城鎮“攤大餅”式無序擴張；②以水定地核心是建立水與土地利用的聯系，尤其是將水作為發展灌溉農業的關鍵限制因子，在保障糧食安全條件下，調整和優化農業用地結構與布局；③以水定人核心是建立水與人口發展之間的聯系，將水作為判別人口規模限制的主要因子，對嚴重缺水地區實行生態移民，引導人口布局優化；④以水定產核心是建立水與產業發展的聯系，將水作為產業項目論證的主導因素，加快淘汰“三高”企業，走產業綠色、低碳的發展之路。

2.2 “四水四定”的基本原則

水資源保護利用“四水四定”實施過程中應堅持如下基本原則：

a.節水優先，量水而行。實施高效節水、深度節水和極限節水，推動用水方式由粗放式向節約集約式的根本轉變，解決經濟社會發展與水資源短缺之間的矛盾。

b.生態優先，綠色環保。堅持生態優良、生產低碳、生活宜居導向，堅決守住生態功能保障基線、環境質量安全底線、自然資源利用紅線，協調經濟社會發展與生態環境保護的關系。

c.因地制宜，分類施策。充分考慮區域水資源稟賦特點以及水生態與環境特征，突出重點，分類施策，加快形成面向“四水四定”的高效空間格局、產業結構、生產方式和消費模式，打造特色鮮明的高質量發展體系。

d.空間均衡，協同推進。注重流域水循環及其伴隨過程的系統性和整體性，統籌實現上下游、干支流、左右岸的空間均衡，促進水資源、水環境、水生態和水災害等多要素的協同共治。

2.3 “四水四定”的基礎理論

水資源保護利用“四水四定”有3個基本理論，即流域“自然-社會”二元水循環理論、資源競爭理論和多目標優化控制理論。其中，流域“自然-社會”二元水循環理論是科學基礎，資源競爭理論是內在動力，多目標優化控制理論是決策依據。

設A、B、C是3個信標節點,P為未知節點,設P的坐標是(xp,yp),A′是直線PA與直線BC的交點、B′是直線AC與直線BP的交點、C′是直線BC與直線PC的交點。3個信標節點到P的測量距離分別是LAP、LBP、LCP。kBC是直線BC的斜率。下列式子中的G1、G2、G3為區域系數,與P點所在區域有關。

a.流域“自然-社會”二元水循環理論。受到全球氣候變化和強人類活動的影響，流域水循環由自然水循環主導，演變為“自然-社會”二元水循環，逐漸形成了“自然-社會”二元水循環學科范式、科學問題、研究內容和研究方法等[13]。其中，“降水-坡面-河道-地下”是自然水循環的基本過程，“取水-供水-用耗水-排水-回用”為社會水循環的基本過程，社會經濟發展和下墊面的改變對水循環各要素產生了深刻影響。當前，流域水循環的通量不斷增大，路徑不斷延伸，且結構更為復雜?？傮w上，流域“自然-社會”二元水循環理論是水資源保護利用“四水四定”的科學基礎。

b.資源競爭理論。由于水資源具有稀缺性、不完全流動性、時空分布差異性等特征，不同水源、不同用戶、不同區域的社會水循環過程具有外部性和關聯性，導致水資源利用存在競爭現象甚至引發矛盾，是水資源保護利用“以水四定”實施的內在動力。李曦等[14]提出了豐水區和缺水區競爭、上下游取水和排水競爭、相鄰區域抽取地下水競爭、缺水年份或季節競爭、不同用途用水競爭、空中取水潛在競爭以及水災害分擔競爭等區域水資源競爭的形式和協調機制。Karimi等[15]考慮水循環和社會經濟特征構建了長期動態水資源分配模型，分析給出了農業用水和工業用水在不同政策下的競爭關系；Celio等[16]分析了城市和農業用水的競爭特征，以及農業用水轉向城市的根本原因；Bernauer等[17]分析了國際跨界流域水資源在不同國家的競爭關系；許爾琪等[18]針對干旱區耕地大規模擴張帶來的水問題，建立了生態退耕空間優化配置及權衡分析模型，分析了干旱區水資源約束下生態退耕方案；郝帥等[19]認為水-能源-糧食系統作為動態開放的復雜系統存在復雜的協同競爭關系，采用水足跡方法研究了區域經濟發展過程中能源、糧食對水資源的競爭關系，并對水資源競爭的時空狀態進行了定量測度，以促進區域能源、糧食生產與水資源的協調發展；翟家齊等[20]綜合考慮驅動增長、剛性需水、用水效益以及缺水程度構建了用水競爭力指數評價模型，并以京津冀地區為例計算分析了其演變特點。

c.多目標優化控制理論。隨著經濟社會發展、生態保護與水資源關系日益密切，水資源保護利用從單一目標開始轉向水資源綜合利用，需要協調與經濟、社會與生態之間的復雜關系[21]。多目標優化控制理論是“四水四定”的決策依據，需要在兩個或多個相互沖突的目標之間進行權衡，并對其進行反饋控制。受到環境復雜性、信息不對稱性、認知局限性等多方面影響，現實中的決策難以遵循最大化或最優化的理性原則，而是遵循滿意度最大的原則，即收獲超過滿意度底線時，人們就會做出選擇和決策。

2.4 “四水四定”的科學內涵

水資源保護利用“四水四定”系統是由“水-經濟社會”組成的復雜大系統，各組成要素和子系統間存在相互聯系和制約關系，“四水四定”的科學內涵可以概括為“4-4-1”：實現主體的“四大約束”(“湯”)、客體的“四位融合”(“饃”)，通過“均衡協同”實現主客體的協同制衡，破解“湯”和“饃”之間的矛盾。

a.“四大約束”?！八乃亩ā钡闹黧w是水。水是事關國計民生的基礎性自然資源和戰略性經濟資源，是生態環境的控制性要素，也是經濟社會發展的基礎性、先導性、控制性要素。水具有4個基本屬性：一是資源屬性，水是生命之源、生產之要，既是基礎性的自然資源，也是戰略性的經濟資源；二是環境屬性，水是自然環境的重要組成部分和控制性要素；三是生態屬性，水是生態之基，是生態系統和生物多樣性的重要控制要素；四是災害屬性，極端條件下水是洪澇與干旱等災害的控制性要素。對應于水的上述基本屬性，形成水的“四大約束”機制，主要包括：①水量約束。水量目標得以滿足，維持水資源的可再生性，實現水資源對社會經濟發展的可持續支撐。②水質約束。水質目標得以滿足，充分利用水環境容量，滿足水功能區水質目標要求，不損害水體的服務功能。③水生態約束。水生態目標得以滿足，生態流量得到保障，水生態系統良性循環。④水災害約束。優化經濟社會合理布局，提升防災救災能力，降低災害帶來的影響和損失，旱澇災害防御目標得以滿足。

圖1 基于計算單元的“城-地-人-產”與水耦合關系示意圖Fig.1 Schematic diagram of coupling relationships between “city-land-human-production” and water based on calculation unit

c.“均衡協同”?！熬鈪f同”體現了主體和客體之間的聯系，應實現多目標的均衡協同，具體包括：①社會公平。實現區域經濟社會發展缺水率最小、人均GDP差異最小，使有限的水量支撐更大產出效益，滿足經濟社會高質量發展要求和群眾對美好生活的向往。②節約高效。在水資源保護利用“取、用、耗、排”各環節，生產、生活、生態各領域，農業、工業、服務等各行業，都應把節約放在首位，通過行政、技術、經濟等綜合手段實現用水全過程管理，推進水資源節約集約利用，提高水資源利用效率。③綠色低碳。經濟社會水資源利用的外部性最小，最大程度實現人類取用耗排過程對水環境、水生態系統的擾動最小化。④韌性安全。降低干旱和洪澇災害的威脅和損失，一旦受災迅速恢復到常態。

2.5 “四水四定”的路徑模式

通常，區域水資源開發利用和社會經濟發展過程都有明顯的階段性特征，在不同的時空尺度，水對區域經濟社會約束力的大小和特征存在差異[23]。按照水對區域經濟社會系統約束強度的大小，“四水四定”的路徑模式主要有以下4種及其不同組合：

a.資源強約束區，量效雙控。對于北方缺水地區以及南方豐水地區的干旱缺水時期，經濟社會水資源保護利用主要受到水資源供給的約束，有限的水資源難以同時滿足生產、生活和生態用水需求，應根據特定的社會經濟發展狀況和用水水平，走內涵式發展道路，實行用水總量和用水效率雙控，強化總量控制和定額管理，提高水資源節約集約利用水平。

b.生態強約束區，耗水管控。對于河流斷流、生態系統敏感地區(如西北內陸區)，經濟社會水資源利用需要和生態用水進行協調，盡量減少經濟社會用水對生態用水的擠占，重點是耗水控制，提升河湖水生態系統的健康水平。

c.環境強約束區，污染管控。對于南方水污染嚴重地區(如珠江流域、太湖流域)，應加強水污染的源頭減排、過程控制和末端治理，重點是退排水量及主要污染物入河量的控制，降低河湖水體的污染風險。

d.災害強約束區，布局管控。對于洪澇災害嚴重的地區(如長江流域中下游的洞庭湖區、鄱陽湖區，淮河流域中下游平原低洼區)，應加強極端條件風險管控，重點是“城-地-人-產”空間布局的管制。

3 面向5個基本環節的“四水四定”關鍵技術體系

根據水不同屬性與經濟社會系統的耦合作用關系，水資源保護利用“四水四定”的實施主要包括5個基本環節，即“是什么”“什么水”“定什么”“怎么定”和“怎么管”。其中，“是什么”重點是識別“四水四定”研究區域的特征，即水各要素與經濟社會的作用關系及其存在的突出問題；“什么水”是水資源保護利用“四水四定”的主體，重點識別水資源、水環境、水生態、水災害等各基本屬性的約束強度，如水資源可利用量、生態系統保護需水要求、水功能區水質要求、旱澇災害大小等；“定什么”是水資源保護利用“四水四定”的客體，重點識別“城-地-人-產”的總量與結構特征，如發展趨勢、需水規模與結構、污染負荷強度與分布等；“怎么定”重點是給出水資源保護利用“四水四定”的量化方法；“怎么管”主要是從管理的視角，提出水資源保護利用“四水四定”長效管理的制度、體制和機制。

面向5個基本環節，水資源保護利用“四水四定”的關鍵技術體系如圖2所示。

圖2 面向5個基本環節的“四水四定”關鍵技術Fig.2 Key technologies of “basing four aspects on water resources” considering five components

a.“是什么”環節。合理辨識流域或區域的水與經濟社會發展的特征，是水資源保護利用“四水四定”實施的前提。針對該環節，亟須研發水與社會經濟復合系統適配性分析技術、區域水資源空間均衡評價技術及水資源-水環境-水生態承載力評價技術等關鍵技術，識別該區域實施水資源保護利用“四水四定”亟須解決的突出問題。

b.“什么水”環節?？茖W核定水資源、水生態、水環境以及水災害的約束強度和約束對象，是水資源保護利用“四水四定”實施的基礎。針對該環節，亟須突破面向水網的水資源開發利用閾值確定技術、基于控制單元的水環境容量核算技術、河湖水體生態需水核算技術[24-25]及高精度城鎮洪澇災害風險識別技術等關鍵技術，對水資源保護利用“四水四定”實施中水的約束特性進行量化識別。

c.“定什么”環節。系統評估經濟社會系統“城-地-人-產”的總量、結構、布局及其相互作用關系，是水資源保護利用“四水四定”實施的重點。針對該環節，亟須發展“城-地-人-產”發展趨勢預測技術、面向節約集約的水資源需求分析技術、污染入河負荷的精細化解析技術及河道外生態需水核算技術等關鍵技術。

d.“怎么定”環節。根據不同時空條件下水對經濟社會系統“城-地-人-產”約束狀況，進行社會經濟系統“城-地-人-產”適應性調整，是水資源保護利用“四水四定”實施的關鍵。針對該環節，亟須研發“多水源-多用戶-多過程”水資源配置技術、水短板約束下社會經濟發展適應性調整技術及水資源保護利用邊際效益分析技術等關鍵技術。

e.“怎么管”環節。根據區域“四水四定”的計算結果，建立“四水四定”的管控體系，是水資源保護利用“四水四定”實施的抓手。針對該環節，重點研發“四水四定”管控指標辨識技術、“四水四定”空-天-地一體化精準監測技術、“四水四定”管理制度與體制機制分析技術及面向“四水四定”的智慧水務建設技術等關鍵技術。

4 結 語

研究分析了我國水資源保護利用管理實踐發展的3個階段，從被動管理階段逐步發展到主動管理階段，再發展到智慧管理階段，水資源管理日趨嚴格化，其精細化、主動化、智慧化程度不斷提升。系統提出了水資源保護利用“四水四定”理論體系，包括基本概念、基本原則、基礎理論、科學內涵和路徑模式，形成了水資源保護利用“四水四定”的基本認知。面向區域水資源保護利用“四水四定”實施的5個基本環節，即“是什么”“什么水”“定什么”“怎么定”和“怎么管”，給出了水資源保護利用“四水四定”的關鍵技術體系，為我國水資源保護利用“四水四定”的技術研發和管理創新指出了發展方向。

從未來的發展趨勢看，隨著科學技術的不斷進步，水資源保護利用“四水四定”重點將從北方缺水地區向南北方差異化管理轉變，從水資源單要素控制向“水資源-水環境-水生態-水災害”統籌轉變，從粗放式管理向精細化管理轉變，從經驗化管理向智能化管理轉變，以便從根本上促進人水和諧和經濟社會的高質量發展。