从风险到韧性：基于仿真-优化框架的可靠性-鲁棒性分析量化台湾六大都市水安全

《Journal of Hydrology: Regional Studies》：From risk to resilience: Quantifying water security through reliability and robustness analysis with simulation–optimization framework

本研究针对台湾地区湿润-干旱季节对比鲜明、水资源时空分布不均的挑战，开发了一种情境敏感的分析框架，以量化区域水安全。研究构建了基于特定行业耐受阈值的年可靠性（aRel）和最大年缺水量百分比-天数（ADPDmax）两项指标，并建立了集成的仿真-优化模型来量化这些指标，明确表征了政策驱动的分配优先级。结果表明，台湾北部水资源系统安全，中部可靠但不鲁棒，南部则面临频繁且严重的缺水事件。该框架能识别最优管理失效的条件，并量化依赖水库区域实现抗旱韧性所需的备用水量，为区域水资源规划和干旱管理提供了可操作的评估工具。

　　

在台湾，尽管年均降水量是全球平均水平的两倍以上，但降雨在时间和空间上的分布极不均匀。每年60%至90%的降雨集中在5月中旬至10月底的季风季节，而漫长的旱季则面临水资源短缺的严峻考验。这种鲜明的干湿对比，加上主要水库蓄水能力有限以及农业用水占比巨大，使得台湾，特别是其六大都市区， recurrent 面临干旱风险。2020年至2021年发生的严重干旱，导致部分区域休耕和公共供水配给，更是凸显了重新评估和加强水安全策略的紧迫性。然而，如何将宏观的水安全概念转化为区域尺度的、可操作的干旱管理实践，仍是一个挑战。

为了应对这一挑战，发表在《Journal of Hydrology: Regional Studies》上的这项研究，旨在开发一个情境敏感的分析框架，以量化区域水安全。研究聚焦于水资源充足供应这一水安全的基本面，借鉴了Hashimoto（1982）的经典概念，但进行了重要的改进。研究团队提出了两个核心指标：一是基于部门特定耐受阈值的年可靠性（aRel），用于衡量系统无不可容忍缺水年份的概率；二是最大年缺水量百分比-天数（ADPD_max），用于衡量最极端干旱条件下缺水的严重程度。这两个指标共同构成了概率-后果的风险评估逻辑。

为了量化这些指标，研究建立了一个集成的仿真-优化框架。该框架首先通过一个基于最小费用网络流编程的仿真模型，模拟在历史水文记录下，按照既定规则进行每日水资源分配的情况，这被称为基线情景。然后，引入集成情景，即在仿真过程中，一旦识别出公共需求可能出现不可容忍的短缺，便启动动态优化模块。该优化模块基于网络流算法，在特定的水文年内，以成本系数体现分配优先级，寻求最优的时空水资源调配策略（如农业用水转移），以缓解短缺，并将优化结果覆盖原始仿真结果。

研究选取台湾六大都市区（台北-新北-桃园、台中、台南-高雄）作为案例，这些区域代表了从北到南干湿季降水比例逐渐增大（从6:4到9:1）的干旱压力梯度。分析设置了四种情景（Case A-D），综合考虑了2019年和2036年的需水量，以及现有和计划中的水利设施（如跨流域调水TBD、废水回收厂WRP、海水淡化厂SDP、半咸水处理厂BTP等气候无关水源CFW）。

关键技术方法概述

研究采用的关键技术方法包括：（1）构建基于最小费用网络流的水资源分配仿真模型，将物理系统（水库、河道、处理厂、需求点等）概念化为网络节点和弧；（2）建立动态优化模型，将单日网络结构在时间维度上复制并通过水库蓄水弧连接，形成立方体结构，并对需求进行分段并赋予递增的成本系数以模拟分配优先级；（3）定义并计算年可靠性（aRel）和最大年缺水量百分比-天数（ADPD_max）两项水安全评价指标；（4）应用模拟-优化交替流程，对比基线情景（无管理措施）和集成情景（有优化调配措施）下的系统性能。

研究结果

3.1. 北部系统（石门、翡翠水库等）

结果显示，台北和新北地区的公共供水在当前和未来条件下均高度安全。桃园地区当前可靠但不鲁棒。纳入所有新设施（Case D）后，可提升至高度安全状态。计划中的跨流域调水（TBD）项目能将桃园的年可靠性（aRel）从Case B的41%提升至Case C的61%。在集成情景下，农业需求的aRel也能从68%提升至83%，表明干旱期间农业用水的转移量减少。气候无关水源（CFW）进一步将桃园在最严重干旱年的ADPD_max从1739降低到可接受的1420。

3.2. 中部系统（德基、鲤鱼潭水库等）

台中地区的公共供水在当前和未来条件下可靠，但不鲁棒。TBD项目在基线情景下能将台中的aRel从60%提升至72%。但在集成情景下，相应的农业用水转移在干旱年并未显著减少，表明TBD主要增加正常年份的供水量，在极端干旱时因大甲溪流量骤减而无法提供额外水源。CFW作为备用水源，能将台中的ADPD_max从12004降低至10339，但仍远高于1500的阈值。

3.3. 南部系统（曾文、南化水库等）

台南的公共供水当前勉强可靠但不鲁棒，未来可达到安全状态。高雄当前不可靠也不鲁棒，未来状况依然严峻。TBD项目在集成情景下能将高雄的aRel从44%显著提升至73%，说明其主要起抗旱备份作用。CFW设施需要持续满负荷运行以减少正常供水量与需求之间的差距。高雄缺乏独立水库也对台南的水安全状况产生不利影响，这些地区需要常规的农业用水转移。

结论与讨论

该研究成功地将水安全概念操作化，通过年可靠性（aRel）和最大年缺水量（ADPD_max）两项指标，清晰刻画了台湾不同区域的水安全状态谱系：北部安全、中部可靠但不鲁棒、南部脆弱。这一空间格局与干湿季降水对比的剧烈程度高度相关。

研究表明，实现水安全（即同时具备高可靠性和强鲁棒性）需要综合运用工程和管理措施。跨流域调水（TBD）等常规水利设施有助于提高系统正常年份的可靠性，而气候无关水源（CFW）则在极端干旱时作为关键备份，提升系统鲁棒性。动态优化模型揭示，即使在最优管理下，某些区域（如台中、高雄）仍面临严重的残余缺水风险，这指明了需要额外投资备份水源或调整管理策略的方向。

研究框架将水安全与韧性概念紧密联系。其定义的鲁棒性（抵御极端事件能力）与生态系统的韧性定义相通。同时，研究中基于前瞻性水文预报和模型预测控制的实时优化调度思路，体现了社会技术系统所强调的预见、响应和恢复的适应能力。该研究强调，水安全并非静态目标，而是需要通过持续的规划、管理、运营和监管策略嵌入系统的一种能力。所提出的指标和仿真-优化框架为干旱审计、情景评估和韧性规划提供了透明且可转移的诊断工具，有助于连接水安全评估与水-能源-粮食纽带关系、气候韧性和可持续资源规划等更广泛的议程。未来研究可进一步整合预报不确定性、灵活的CFW运营与能源-碳排放考量，以及更明确的生态指标，以迈向更全面的水安全观。