陳文龍，馬志鵬，袁 菲，王 強(qiáng)，賈文豪，張 印

(1.珠江水利委員會(huì)珠江水利科學(xué)研究院，廣東 廣州 510611；2.水利部珠江河口治理與保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510611)

水安全是指面對(duì)水資源短缺、水環(huán)境污染、水生態(tài)破壞和水災(zāi)害加劇風(fēng)險(xiǎn)時(shí)水系統(tǒng)能夠維系安全的狀態(tài)，是水資源安全、水環(huán)境安全、水生態(tài)安全和水災(zāi)害防治等關(guān)鍵要素的有機(jī)整合和協(xié)調(diào)統(tǒng)一[1]。近年來(lái)隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，水資源短缺、水環(huán)境污染、水生態(tài)破壞、水災(zāi)害加劇等“四水”問(wèn)題日益嚴(yán)重，水安全面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[2]。對(duì)水安全系統(tǒng)關(guān)鍵要素進(jìn)行人為干預(yù)，統(tǒng)籌推進(jìn)“四水”系統(tǒng)治理，全面提升水安全保障能力，已成為流域治理工作的重中之重。

目前，水安全保障多以點(diǎn)(水庫(kù)、閘壩)、線(河道、渠系)連接為核心的工程措施為主，雖然能在一定程度上解決水安全問(wèn)題，但水利工程建設(shè)耗費(fèi)大量人力、物力、財(cái)力，且會(huì)對(duì)水文情勢(shì)和河流生境產(chǎn)生一定影響，破壞流域生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。水安全調(diào)控綜合運(yùn)用水庫(kù)、閘壩等工程措施與水工程調(diào)度、水資源管理等非工程措施，既可充分發(fā)揮自然要素對(duì)水循環(huán)及其伴生過(guò)程的多層次調(diào)節(jié)作用，又可充分挖潛現(xiàn)有水工程體系對(duì)流域水文過(guò)程和水動(dòng)力條件的調(diào)控作用，從而實(shí)現(xiàn)水工程體系多能高效運(yùn)轉(zhuǎn)，全面提升流域水安全保障能力。目前，水安全調(diào)控已成為流域水問(wèn)題的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域[3-5]，水工程多目標(biāo)調(diào)度、水安全多維協(xié)同調(diào)控等理念和方法相繼提出，進(jìn)一步豐富了水安全調(diào)控的內(nèi)涵[6-8]。針對(duì)不同流域或區(qū)域水問(wèn)題特征，有關(guān)學(xué)者也提出了不同的水安全協(xié)同調(diào)控模式，如吳志廣等[9]針對(duì)長(zhǎng)江流域水資源開發(fā)保護(hù)的整體性與系統(tǒng)性水問(wèn)題治理目標(biāo)，提出了“四水”問(wèn)題多維系統(tǒng)治理與保護(hù)技術(shù)體系；張金良等[10]針對(duì)黃河流域巨系統(tǒng)，統(tǒng)籌考慮了河流基本功能維持、區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展、流域生態(tài)環(huán)境有效保護(hù)3個(gè)維度，研究了不同治理措施之間協(xié)同博弈效應(yīng)；張弛等[11]指出開展松遼流域水資源綜合調(diào)控需深入認(rèn)知“水量要素-水質(zhì)要素-生態(tài)要素”的系統(tǒng)耦合機(jī)理，提出了“水量-水質(zhì)-生態(tài)”兼顧的水資源綜合調(diào)控理論方法；周斌等[12]針對(duì)京津冀地區(qū)水利工程阻斷水循環(huán)、地下水超采嚴(yán)重、河湖污染加劇等突出水問(wèn)題，提出了自然水循環(huán)的循環(huán)通暢和社會(huì)水循環(huán)協(xié)同均衡的整體調(diào)控思路及應(yīng)對(duì)策略。由此可見，水安全調(diào)控需針對(duì)不同流域特性，辨析主要水問(wèn)題，厘清流域水問(wèn)題背后錯(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)系與機(jī)理，因地制宜構(gòu)建協(xié)同調(diào)控技術(shù)體系，為流域水安全協(xié)同調(diào)控提供支撐。

粵港澳大灣區(qū)(以下簡(jiǎn)稱“大灣區(qū)”)是全球四大灣區(qū)之一，也是我國(guó)開放程度最高、經(jīng)濟(jì)活力最強(qiáng)的區(qū)域之一，具有重要戰(zhàn)略地位。大灣區(qū)地處珠江流域下游，上承西、北、東三江，下經(jīng)八大口門與南海相通，上游水資源豐富，下游潮汐動(dòng)力強(qiáng)勁，東、西、北三面環(huán)山，南面臨海，中部以沖積平原為主，呈現(xiàn)出“山-城-?！备窬郑胁科皆蛋l(fā)達(dá)，包括近100條骨干汊道組成的外江水系、1.2萬(wàn)多條內(nèi)涌與數(shù)以千計(jì)的湖塘水庫(kù)構(gòu)成的內(nèi)河水系兩部分，是“上中下游連通、江涌?；?jì)”的復(fù)雜巨系統(tǒng)。大灣區(qū)特殊的地理位置、地形地貌和水文情勢(shì)等自然條件導(dǎo)致水安全問(wèn)題復(fù)雜多樣。為應(yīng)對(duì)大灣區(qū)水安全問(wèn)題，流域、區(qū)域不斷加強(qiáng)工程建設(shè)，流域骨干水庫(kù)群和區(qū)域閘泵群的工程體系已初具規(guī)模，隨著大藤峽水利樞紐通過(guò)正常蓄水位驗(yàn)收、珠江三角洲水資源配置工程全線貫通，水安全調(diào)控的基礎(chǔ)日臻完善?！痘浉郯拇鬄硡^(qū)發(fā)展規(guī)劃綱要》與十四五發(fā)展規(guī)劃等一系列重要文件提出了“建設(shè)國(guó)際一流灣區(qū)”的目標(biāo)，大灣區(qū)將持續(xù)推進(jìn)高質(zhì)量發(fā)展，進(jìn)一步提升水安全保障水平。針對(duì)大灣區(qū)當(dāng)前在防洪排澇、供水保障、水生態(tài)環(huán)境保護(hù)等方面存在的問(wèn)題，迫切需要開展水安全調(diào)控研究。

基于此，針對(duì)大灣區(qū)突出的城市暴雨洪澇、流域性洪水、風(fēng)暴潮、咸潮上溯、內(nèi)河水系水環(huán)境污染等水問(wèn)題，本文以水安全調(diào)控為主要研究目標(biāo)，系統(tǒng)梳理水問(wèn)題特性，闡明大灣區(qū)水安全問(wèn)題的核心機(jī)理以及彼此之間復(fù)雜的時(shí)空聯(lián)系、交互作用和協(xié)同原理，提出大灣區(qū)水安全協(xié)同調(diào)控理論框架，為大灣區(qū)水安全保障和高質(zhì)量發(fā)展提供理論支撐。

1 大灣區(qū)水安全問(wèn)題及其特征

近年來(lái)，在氣候變化和人類活動(dòng)強(qiáng)擾動(dòng)的背景下，大灣區(qū)在防洪潮、暴雨內(nèi)澇、區(qū)域供水及水生態(tài)環(huán)境等方面水安全問(wèn)題突出。一是洪潮澇疊加、水災(zāi)頻發(fā)，防災(zāi)形勢(shì)異常嚴(yán)峻[13]，1994年、1998年、2005年和2008年連續(xù)發(fā)生區(qū)域大洪水，2008年“黑格比”、2017年“天鴿”、2018年“山竹”風(fēng)暴潮接連刷新最高潮位歷史記錄；二是當(dāng)?shù)厮Y源不足，依賴河道取水，河道供水占總供水量的70.4%，咸潮嚴(yán)重影響供水安全[14]；三是內(nèi)河水環(huán)境污染嚴(yán)重，河湖水生態(tài)惡化問(wèn)題突出[15-16]，其中珠三角9市廢污水年排放量較20世紀(jì)80年代末增加3倍以上，黑臭河涌水體點(diǎn)多量大，劣Ⅴ類水質(zhì)河長(zhǎng)近40%。

水循環(huán)過(guò)程決定了大灣區(qū)“四水”問(wèn)題相互影響，氣候變化和高強(qiáng)度人類活動(dòng)等因素使“四水”問(wèn)題相互疊加，大灣區(qū)水安全問(wèn)題呈現(xiàn)出空間聯(lián)動(dòng)、“四水”關(guān)聯(lián)、多災(zāi)同源的多維交織特性。

a.空間聯(lián)動(dòng)。外江河網(wǎng)不僅承接上游流域來(lái)水，還面臨下游外海潮汐頂托，內(nèi)河水系中河涌交錯(cuò)、湖塘眾多，外江河網(wǎng)與內(nèi)河水系以水閘相通，使得大灣區(qū)水問(wèn)題呈流域上游-外江-內(nèi)河-外海交互的空間聯(lián)動(dòng)特征。主要體現(xiàn)為城市水災(zāi)害受到上游流域洪水、下游外海潮汐與風(fēng)暴潮、本地暴雨洪澇的共同影響；城市水資源受上游徑流與外海咸潮影響；城市水環(huán)境水生態(tài)與內(nèi)河、外江聯(lián)動(dòng)密切相關(guān)，污染物隨著連通的水系擴(kuò)大到整個(gè)珠江三角洲水系。

b.“四水”關(guān)聯(lián)。水資源短缺、水環(huán)境污染、水生態(tài)破壞、水災(zāi)害加劇等往往不是以單一形式出現(xiàn)，而是相互影響、相伴相生。水生態(tài)問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致水體自凈能力下降，進(jìn)而造成或加劇水環(huán)境問(wèn)題；水環(huán)境惡化會(huì)進(jìn)一步加劇水生態(tài)系統(tǒng)的破壞，并導(dǎo)致水質(zhì)型缺水的問(wèn)題；城市洪澇污染問(wèn)題交織，城市內(nèi)澇會(huì)導(dǎo)致排水管網(wǎng)的污水溢流，造成水環(huán)境進(jìn)一步惡化。

c.多災(zāi)同源。大灣區(qū)水安全問(wèn)題存在明顯的多災(zāi)同源特性，例如河床大規(guī)模不均衡下切是外江水問(wèn)題的關(guān)鍵致災(zāi)要素，水動(dòng)力不足和底泥污染是內(nèi)河水問(wèn)題的關(guān)鍵致災(zāi)要素。21世紀(jì)以來(lái)，西、北、東三江主干河道的平均下切幅度分別為2.5 m、1.2 m、0.4 m，外江河床下切導(dǎo)致整體漲潮動(dòng)力增強(qiáng)、徑潮動(dòng)力格局發(fā)生調(diào)整，致使咸潮上溯加劇，威脅供水安全，也會(huì)引起關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)分流比變化，從而影響大灣區(qū)現(xiàn)有防洪格局。大灣區(qū)內(nèi)河淤積深度平均達(dá)0.5 m，污染底泥不利于生物生存繁衍；底泥在一定條件下向上層水體釋放污染物導(dǎo)致水環(huán)境惡化；底泥淤積導(dǎo)致涌容減小，區(qū)域可調(diào)蓄空間減少，加劇內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)；河涌蓄淡后受底泥釋放影響，可利用周期縮短，制約水資源的可持續(xù)利用。珠江三角洲河網(wǎng)區(qū)目前發(fā)展成為一個(gè)高度閘控的復(fù)雜水系，閘控段水動(dòng)力進(jìn)一步變?nèi)酰情l控段則受到往復(fù)流影響，水流緩滯，導(dǎo)致內(nèi)河污染物沉積，水體自凈能力減弱，水環(huán)境急劇惡化。

2 大灣區(qū)水安全調(diào)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與機(jī)理

水安全調(diào)控是指通過(guò)水工程調(diào)度和水動(dòng)力控導(dǎo)，改變區(qū)域的水文過(guò)程和水動(dòng)力條件，解決或改善防洪排澇、水資源、水環(huán)境和水生態(tài)問(wèn)題。水安全調(diào)控的本質(zhì)是對(duì)水文過(guò)程和水動(dòng)力過(guò)程中的要素或邊界條件進(jìn)行調(diào)控、整治，使自然系統(tǒng)狀態(tài)處于合理的閾值區(qū)間。本文考慮大灣區(qū)“四水”問(wèn)題中較為典型的河勢(shì)穩(wěn)定、外江洪潮、城市暴雨洪澇、咸潮上溯、城市內(nèi)河水環(huán)境水生態(tài)問(wèn)題，對(duì)水安全調(diào)控系統(tǒng)展開研究。

2.1 水安全調(diào)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1.1河勢(shì)調(diào)控子系統(tǒng)

河勢(shì)調(diào)控子系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)水沙的科學(xué)分配，進(jìn)而影響河勢(shì)，實(shí)現(xiàn)河勢(shì)的健康穩(wěn)定。大灣區(qū)健康的河勢(shì)主要表現(xiàn)為3個(gè)方面：關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)及八大口門分流比保持穩(wěn)定；伶仃洋和黃茅海河口灣形態(tài)基本維持、灘槽格局和納潮容積基本穩(wěn)定；岸線不崩岸，主槽不改道。河勢(shì)調(diào)控子系統(tǒng)中的整體河勢(shì)調(diào)控一是通過(guò)思賢滘、天河—南華等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)控導(dǎo)，配合流域骨干水庫(kù)構(gòu)建流域水沙調(diào)控體系，以調(diào)控西江、北江河網(wǎng)片分水分沙，維護(hù)西江、北江三角洲格局相對(duì)穩(wěn)定；二是通過(guò)河口規(guī)劃治導(dǎo)線及岸線灘涂功能區(qū)管控，維持河口灣岸線以及“三灘兩槽”格局基本穩(wěn)定。局部河勢(shì)調(diào)控通過(guò)導(dǎo)堤、丁壩、潛壩等工程控導(dǎo)，束水塑槽、滯流分沙、保灘促淤。

2.1.2內(nèi)河水環(huán)境水生態(tài)調(diào)控子系統(tǒng)

內(nèi)河水環(huán)境水生態(tài)調(diào)控子系統(tǒng)通過(guò)改變水質(zhì)、水溫、流速、光照、溶解氧、河床形態(tài)等，加快內(nèi)河涌的污染物質(zhì)循環(huán)速率或物質(zhì)轉(zhuǎn)化效率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水清、水多、水動(dòng)、水生物多樣化。具體措施包括：聯(lián)圍水量水質(zhì)調(diào)度，通過(guò)群閘聯(lián)調(diào)引水、留水、分水、活水；聯(lián)圍清淤塑床調(diào)度，引入外江中小洪水沖刷聯(lián)圍內(nèi)淤積底泥，降低內(nèi)河涌河底高程，增加水環(huán)境容量；河涌低水位運(yùn)行，通過(guò)閘泵控制降低河涌水位甚至露出局部河床淺灘，增強(qiáng)泥-水界面光照和溶解氧條件，促進(jìn)底泥氧化及植物生長(zhǎng)，提升河涌自我修復(fù)能力。

2.1.3外江咸潮調(diào)控子系統(tǒng)

外江咸潮調(diào)控子系統(tǒng)通過(guò)“上補(bǔ)、中蓄、下阻”等防咸措施[17]，使咸潮不影響取水供水，保障供水安全。其中，“上補(bǔ)”即通過(guò)流域水庫(kù)群枯季水量調(diào)度，增加上游徑流動(dòng)力與水量，為大灣區(qū)重要水源的取水創(chuàng)造條件；“中蓄”即通過(guò)珠江三角洲河網(wǎng)區(qū)水源工程群的調(diào)蓄，提升供水水庫(kù)蓄淡能力，在水體咸化時(shí)采取暫停取水或摻混降低含氯度等措施，保障水源的供應(yīng)；“下阻”即通過(guò)攔門沙治理、河口治導(dǎo)等工程措施或水下拍門等應(yīng)急工程，降低外海咸潮上溯動(dòng)力，從源頭削弱咸潮。

2.1.4城市暴雨洪澇調(diào)控子系統(tǒng)

城市暴雨洪澇調(diào)控子系統(tǒng)通過(guò)對(duì)市政排水系統(tǒng)與江河湖庫(kù)的聯(lián)排聯(lián)調(diào)，改變區(qū)域產(chǎn)匯流條件及管道、河網(wǎng)的水動(dòng)力條件，實(shí)現(xiàn)暴雨不致災(zāi)[18-20]。其中，聯(lián)排聯(lián)調(diào)可分為兩類。一類是雨前-雨中-雨后全過(guò)程精細(xì)化調(diào)控：暴雨前，對(duì)水庫(kù)、河涌等調(diào)蓄設(shè)施進(jìn)行預(yù)騰空或預(yù)降水位；暴雨中，根據(jù)暴雨洪澇全要素監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)情況統(tǒng)籌調(diào)度[21]，對(duì)洪澇水進(jìn)行科學(xué)的排、蓄、截、分、防，降低河涌水位；暴雨后，及時(shí)恢復(fù)河涌水環(huán)境、水生態(tài)及水景觀管控水位。另一類是對(duì)部分市政基礎(chǔ)設(shè)施非常規(guī)調(diào)度，如結(jié)合臨時(shí)交通管制調(diào)度，將部分道路作為行泄通道等。

2.1.5外江洪潮調(diào)控子系統(tǒng)

外江洪潮調(diào)控子系統(tǒng)通過(guò)聯(lián)合調(diào)度流域上、中、下游水工程群，管控外江水位，科學(xué)調(diào)洪，避免或減少洪潮災(zāi)害損失。其中，在流域?qū)用?，通過(guò)充分利用干支流水庫(kù)、蓄滯洪區(qū)聯(lián)合調(diào)度，發(fā)揮攔洪、錯(cuò)峰、削峰作用，調(diào)控西、北、東江流域洪水；在區(qū)域?qū)用?，通過(guò)思賢滘等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)調(diào)控，保障河網(wǎng)泄洪通暢，科學(xué)運(yùn)用大灣區(qū)分洪閘、擋潮閘等工程，分洪擋潮。

2.2 水安全調(diào)控機(jī)理

系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)行機(jī)理是水安全精細(xì)化調(diào)控的重要理論基礎(chǔ)，大灣區(qū)水安全調(diào)控機(jī)理主要包括水動(dòng)力與河勢(shì)演變互饋機(jī)理、不同動(dòng)力條件下的河道底泥污染物遷移轉(zhuǎn)化機(jī)理、復(fù)雜河口多動(dòng)力耦合作用下的咸潮運(yùn)動(dòng)機(jī)理。

2.2.1水動(dòng)力與河勢(shì)演變互饋機(jī)理

挾沙水流是河槽沖淤和形態(tài)塑造的主要驅(qū)動(dòng)力，通過(guò)水動(dòng)力控導(dǎo)可調(diào)整河道水沙關(guān)系，促進(jìn)河道自動(dòng)調(diào)整，改善不利河勢(shì)。近年來(lái)，采砂和航道疏浚等強(qiáng)人類活動(dòng)使外江河床出現(xiàn)大規(guī)模不均衡下切，導(dǎo)致西、北江分流比調(diào)整，破壞了河網(wǎng)局部汊道間、河網(wǎng)與口門區(qū)徑潮動(dòng)力的平衡關(guān)系，進(jìn)而改變防洪(潮)、供水格局[22]，需要通過(guò)水動(dòng)力控導(dǎo)進(jìn)行適當(dāng)干預(yù)，重塑對(duì)水安全有利的河勢(shì)條件。厘清水動(dòng)力與河勢(shì)演變的互饋過(guò)程是系統(tǒng)開展水動(dòng)力控導(dǎo)的基礎(chǔ)，因此亟須開展水動(dòng)力與河勢(shì)演變互饋機(jī)理研究，主要包括：①揭示河口上段思賢滘分流變化機(jī)理，量化河床和潮汐變化對(duì)節(jié)點(diǎn)分流的影響，為思賢滘分流控導(dǎo)提供依據(jù)；②揭示河口下段口門格局演變機(jī)理，闡明口門攔門沙在徑潮波流動(dòng)力作用下的演變規(guī)律，明晰強(qiáng)擾動(dòng)后攔門沙演變趨勢(shì)，為攔門沙整治提供依據(jù)；③研究巨型采砂坑影響下伶仃洋河口灣徑潮動(dòng)力格局變化，闡明河口灣動(dòng)力變化對(duì)河網(wǎng)區(qū)泄洪納潮的影響，預(yù)測(cè)河口灣灘槽演變趨勢(shì)，為河口灣灘槽修復(fù)提供理論依據(jù)。

2.2.2不同動(dòng)力條件下的河道底泥污染物遷移轉(zhuǎn)化機(jī)理

近年來(lái)，大灣區(qū)大部分水域已實(shí)現(xiàn)沿岸截污，但水環(huán)境質(zhì)量并未得到明顯改善，很大程度上是由于水體底泥污染未能得到有效控制[23]。可見，在外源污染得到有效控制的背景下，迫切需要深入開展不同水動(dòng)力條件下底泥污染物遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律的研究，主要包括：①研究城市山區(qū)型河道和感潮河道在底泥及上覆水體中的典型污染物及其特征差異；②量化不同河道內(nèi)溶解氧含量及分布與水動(dòng)力(流速、水深)及水溫條件的關(guān)系；③揭示復(fù)雜水動(dòng)力條件下水體-底泥-污染物動(dòng)態(tài)耦合環(huán)境效應(yīng)，包括不同水流條件下泥-水界面污染物擴(kuò)散釋放特性及其水動(dòng)力影響機(jī)理、底泥物理性質(zhì)對(duì)污染物靜態(tài)釋放的影響、污染底泥起動(dòng)再懸浮釋放機(jī)理等；④研究有氧和厭氧環(huán)境下各種底泥功能微生物生化機(jī)制，為土著功能微生物定向富集和強(qiáng)化修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

2.2.3復(fù)雜河口多動(dòng)力耦合作用下的咸潮運(yùn)動(dòng)機(jī)理

目前河口咸潮防控主要通過(guò)調(diào)控流域上游出庫(kù)流量，增大河道徑流動(dòng)力，將鹽分推向河口，抑制咸潮上溯。但在遭遇特枯或連續(xù)枯水年的極端情況下，上游水庫(kù)蓄水不足，可調(diào)水量有限甚至無(wú)水可調(diào)。旱上加咸的不利局面下，亟須提高上游調(diào)水壓咸的精準(zhǔn)度，同時(shí)輔以下游工程阻咸措施徹底解決咸潮上溯問(wèn)題[24]。可見，在極端氣候條件下迫切需要深入開展復(fù)雜河口多動(dòng)力耦合作用下的咸潮運(yùn)動(dòng)機(jī)理研究[11]，主要包括：①研究珠江河口咸潮運(yùn)動(dòng)時(shí)空變化規(guī)律，包括半月潮周期內(nèi)大、中、小潮期間咸潮運(yùn)動(dòng)規(guī)律的差異性和咸潮上溯的距離變化及垂向分層規(guī)律等；②解析半月潮周期內(nèi)咸潮的輸運(yùn)機(jī)制，揭示潮平均余流、重力環(huán)流及潮汐振蕩作用對(duì)咸潮運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)效應(yīng)；③闡明復(fù)雜徑潮交互作用下河口表、底層鹽分蓄積-混合機(jī)理，識(shí)別咸界變化的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因子，為精準(zhǔn)調(diào)水壓咸和河口阻咸措施提供理論支撐。

3 大灣區(qū)水安全協(xié)同調(diào)控原理、模型與理論框架

水安全協(xié)同調(diào)控是指在水安全(單目標(biāo))調(diào)控的基礎(chǔ)上，充分考慮水安全系統(tǒng)的整體性、均衡性，以上游水庫(kù)群、三角洲閘泵群以及大灣區(qū)河勢(shì)為調(diào)控對(duì)象，以水安全調(diào)控子系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系為協(xié)同調(diào)控原理，通過(guò)水工程調(diào)度及水動(dòng)力控導(dǎo)協(xié)同改變區(qū)域水文過(guò)程和水動(dòng)力條件，產(chǎn)生多系統(tǒng)合作或競(jìng)爭(zhēng)作用下的有序結(jié)構(gòu)，提出多重約束條件下的水問(wèn)題治理最優(yōu)決策，實(shí)現(xiàn)水問(wèn)題的交互式協(xié)同治理。

大灣區(qū)的水安全調(diào)控基于流域系統(tǒng)整體觀，通過(guò)綜合考慮多尺度、多目標(biāo)、多對(duì)象、多手段間的交互作用，對(duì)孤立的子系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合調(diào)控，在傳統(tǒng)調(diào)控功能的基礎(chǔ)上產(chǎn)生宏觀尺度上的調(diào)控結(jié)構(gòu)和調(diào)控功能，實(shí)現(xiàn)兼顧多系統(tǒng)、多方面、多環(huán)節(jié)、多要素的理想狀態(tài)。從調(diào)控尺度來(lái)看，大灣區(qū)水安全協(xié)同調(diào)控能夠綜合考慮流域、區(qū)域不同尺度所關(guān)注的水問(wèn)題與水安全內(nèi)涵的差異，以及不同尺度上水安全調(diào)控的關(guān)聯(lián)性；從調(diào)控目標(biāo)來(lái)看，綜合考慮了“四水”問(wèn)題間的復(fù)雜聯(lián)系，在解決傳統(tǒng)調(diào)控目標(biāo)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步擴(kuò)充了目標(biāo)集的維度；從調(diào)控對(duì)象來(lái)看，大灣區(qū)水利工程眾多，水安全協(xié)同調(diào)控能夠充分挖掘水庫(kù)群、閘泵群等各類水工程的潛力；從調(diào)控手段來(lái)看，實(shí)現(xiàn)水工程調(diào)度與河勢(shì)控導(dǎo)的結(jié)合，充分發(fā)揮不同調(diào)控手段協(xié)同作用時(shí)低成本、高收益的優(yōu)勢(shì)。

3.1 水安全調(diào)控子系統(tǒng)協(xié)同原理

開展水安全協(xié)同調(diào)控須在水問(wèn)題解析、水安全調(diào)控系統(tǒng)梳理及協(xié)同調(diào)控內(nèi)涵明晰的基礎(chǔ)上，厘清子系統(tǒng)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，明確子系統(tǒng)協(xié)同原理(圖1)。

圖1 大灣區(qū)水安全調(diào)控子系統(tǒng)協(xié)同原理Fig.1 Collaborative principle of water security regulation and control subsystems in Guangdong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area

3.1.1河勢(shì)調(diào)控子系統(tǒng)與其他子系統(tǒng)的協(xié)同

無(wú)序采砂造成的外江水系河床大規(guī)模下切，是外江水問(wèn)題的關(guān)鍵致災(zāi)要素，影響大灣區(qū)的防洪、供水格局及水生態(tài)環(huán)境，考慮外江復(fù)雜水問(wèn)題同源于河床下切，河勢(shì)調(diào)控要以“順應(yīng)形勢(shì)、適當(dāng)干預(yù)”為原則，以穩(wěn)定整體河勢(shì)、調(diào)控局部不利河勢(shì)、兼顧河勢(shì)健康和水安全為目標(biāo)，發(fā)揮一舉多得的協(xié)同調(diào)控效應(yīng)。

a.河勢(shì)調(diào)控與外江洪潮調(diào)控協(xié)同。通過(guò)大灣區(qū)水系整體河勢(shì)調(diào)控，科學(xué)調(diào)配水沙，一方面可塑造河網(wǎng)片造床優(yōu)勢(shì)動(dòng)力，穩(wěn)定河口灘槽格局；另一方面可優(yōu)化水系泄洪納潮格局，合理安排洪水出路[25]。

b.河勢(shì)調(diào)控與外江咸潮調(diào)控協(xié)同。針對(duì)口門區(qū)局部不利河勢(shì)，如磨刀門攔門沙采砂區(qū)，通過(guò)水動(dòng)力控導(dǎo)構(gòu)造口門緩流區(qū)，促進(jìn)攔門沙修復(fù)，在促使形成口門主支汊穩(wěn)定格局的同時(shí)，發(fā)揮攔門沙的阻咸功能。

3.1.2城市暴雨洪澇調(diào)控子系統(tǒng)與外江洪潮調(diào)控子系統(tǒng)的協(xié)同

大灣區(qū)快速城市化推進(jìn)導(dǎo)致“熱島效應(yīng)”和“雨島效應(yīng)”增強(qiáng)，城市內(nèi)澇愈加頻繁，加上外江洪潮頂托，極端洪澇災(zāi)害形勢(shì)嚴(yán)峻?？紤]大灣區(qū)水系空間聯(lián)動(dòng)引發(fā)的洪潮澇交織特性，城市暴雨洪澇與外江洪潮調(diào)控系統(tǒng)應(yīng)在流域-區(qū)域空間層面進(jìn)行協(xié)同調(diào)控，從“由外向內(nèi)”“由內(nèi)向外”“內(nèi)外結(jié)合”3個(gè)層次進(jìn)行調(diào)控，實(shí)現(xiàn)洪潮澇共治。其一，當(dāng)外江發(fā)生洪水時(shí)，根據(jù)預(yù)警提前預(yù)降或騰空內(nèi)圍水系水位，洪峰期間開閘“由外向內(nèi)”分洪；其二，當(dāng)城市發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)降雨時(shí)，利用流域上游水庫(kù)攔洪、削峰，降低外江水位，“由內(nèi)向外”排澇；其三，當(dāng)強(qiáng)降雨與外江洪水遭遇時(shí)，在上游水庫(kù)調(diào)蓄的同時(shí)，調(diào)控區(qū)域閘泵群有序向外江排澇，保障外江水位不超過(guò)河道的過(guò)流能力，“內(nèi)外結(jié)合”盡可能降低洪澇災(zāi)害損失。

3.1.3內(nèi)河水環(huán)境水生態(tài)調(diào)控子系統(tǒng)與其他子系統(tǒng)的協(xié)同

大灣區(qū)城市洪澇災(zāi)害頻發(fā)、雨水徑流污染交織，城市內(nèi)河淤積污染嚴(yán)重?？紤]污染底泥淤積和水動(dòng)力不足是內(nèi)河交織水問(wèn)題的兩大關(guān)鍵致災(zāi)要素，通過(guò)內(nèi)河水環(huán)境水生態(tài)調(diào)控、城市暴雨洪澇調(diào)控及外江洪潮調(diào)控間的協(xié)同，可同步改善污染底泥和水動(dòng)力，統(tǒng)籌治理洪澇污問(wèn)題。

a.內(nèi)河水環(huán)境水生態(tài)調(diào)控與城市暴雨洪澇調(diào)控協(xié)同。一方面，調(diào)控內(nèi)河低水位運(yùn)行是兼顧水環(huán)境治理和內(nèi)澇防御的有效措施，不僅可增強(qiáng)水動(dòng)力對(duì)底泥的擾動(dòng)，提高水體溶解氧和水溫，充分利用光降解和光催化作用去除底泥污染物；還可增加內(nèi)澇調(diào)蓄容積，有利于防御城市暴雨洪澇。另一方面，暴雨內(nèi)澇時(shí)盡可能調(diào)蓄澇水進(jìn)入城市湖泊(濕地)，充分利用湖泊(濕地)調(diào)蓄洪澇與水體凈化的雙重功能，同步改善水污染和防治洪澇。

b.內(nèi)河水環(huán)境水生態(tài)調(diào)控與外江洪潮調(diào)控協(xié)同。外江發(fā)生洪水時(shí)，通過(guò)適度開閘引洪水至內(nèi)河水系，可減小下游防洪壓力，同時(shí)利用洪水清淤塑床，一則降低內(nèi)河涌河底高程，增加河道蓄水容積，提高水環(huán)境容量；二則削減河涌淤泥內(nèi)源污染，改善內(nèi)河水環(huán)境水生態(tài)。

3.1.4外江咸潮調(diào)控子系統(tǒng)與外江洪潮調(diào)控子系統(tǒng)的協(xié)同

大灣區(qū)外江咸潮主要發(fā)生在枯水期，洪潮發(fā)生在洪水期，時(shí)間層面二者相互獨(dú)立，但調(diào)控系統(tǒng)彼此間卻存在相互影響甚至負(fù)面效應(yīng)，統(tǒng)籌防洪、阻咸的時(shí)間與目標(biāo)進(jìn)行協(xié)同調(diào)控，可兼顧供水效益和防洪效益。在時(shí)間尺度上，統(tǒng)籌全年進(jìn)行“汛末蓄水”和“前蓄后補(bǔ)”，即上游水庫(kù)在確保防汛安全前提下，在汛末搶抓時(shí)機(jī)存蓄淡水，為枯水期壓咸調(diào)度做好準(zhǔn)備；在目標(biāo)層次上，協(xié)調(diào)河口安全泄洪與咸潮上溯防治，攔門沙阻咸具有生態(tài)友好、抑咸時(shí)效長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也會(huì)抬高侵蝕基面，對(duì)河道尾閭泄洪排沙不利，因此需兼顧泄洪、阻咸多目標(biāo)進(jìn)行攔門沙整治。

3.2 水安全協(xié)同調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)需求

水工程調(diào)度與河勢(shì)控導(dǎo)是水安全協(xié)同調(diào)控的核心技術(shù)手段。大灣區(qū)具有流域-外江-內(nèi)河-外?？臻g聯(lián)動(dòng)特性，并已形成了較為完備的水工程體系，亟待研究耦合多維目標(biāo)，涵蓋多個(gè)尺度，包含多種對(duì)象的調(diào)控技術(shù)手段：①流域-外江-內(nèi)河-外?？臻g聯(lián)動(dòng)與復(fù)雜水工程系統(tǒng)概化的水流-泥沙-污染物多要素輸運(yùn)模擬。在對(duì)水庫(kù)、閘泵等不同類型水工程系統(tǒng)概化的基礎(chǔ)上，利用關(guān)鍵變量實(shí)現(xiàn)流域-區(qū)域的耦合嵌套，并通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)復(fù)雜水工程系統(tǒng)進(jìn)行綜合模擬，揭示水流、泥沙、污染物等多種要素的輸運(yùn)轉(zhuǎn)化規(guī)律。②多目標(biāo)-多尺度-多對(duì)象背景下的需求分析。運(yùn)用邏輯分析方法構(gòu)建系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)圖和目標(biāo)集合，構(gòu)建自上而下的需求識(shí)別模式和自下而上的需求表達(dá)模式，明晰不同情景下的水工程系統(tǒng)調(diào)度的閾值，確定滿足不同水動(dòng)力目標(biāo)的河勢(shì)控導(dǎo)約束條件。③復(fù)雜水工程耦合河勢(shì)協(xié)同調(diào)控系統(tǒng)優(yōu)化。在復(fù)雜水工程系統(tǒng)概化與需求分析的基礎(chǔ)上，構(gòu)建水安全協(xié)同調(diào)控決策模型，基于大灣區(qū)不同時(shí)空條件下水問(wèn)題特征及其演化趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)河勢(shì)與水工程調(diào)控方案的最優(yōu)動(dòng)態(tài)決策，同時(shí)系統(tǒng)解決或緩解多種水問(wèn)題。

3.3 水安全協(xié)同調(diào)控模型

考慮大灣區(qū)水安全調(diào)控子系統(tǒng)之間相互耦合、密切聯(lián)系，各子系統(tǒng)的合作或競(jìng)爭(zhēng)可受相同原理支配，因此可通過(guò)協(xié)同的方法解決子系統(tǒng)間的耦合作用，最終獲得整體的最優(yōu)解。協(xié)同優(yōu)化(collaborative optimization，CO)是解決多學(xué)科綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)的一種算法[26]，本文以CO算法為基礎(chǔ)，構(gòu)建水安全協(xié)同調(diào)控模型，實(shí)現(xiàn)水安全調(diào)控子系統(tǒng)獨(dú)立優(yōu)化，同時(shí)兼顧水安全協(xié)同調(diào)控的經(jīng)濟(jì)性。

3.3.1系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化模型

系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化模型為

(1)

3.3.2子系統(tǒng)優(yōu)化模型

子系統(tǒng)優(yōu)化模型為

(2)

3.3.3大灣區(qū)水安全協(xié)同調(diào)控模型

大灣區(qū)水安全協(xié)同調(diào)控系統(tǒng)分為系統(tǒng)級(jí)模型和調(diào)控子系統(tǒng)模型，以水動(dòng)力(包括水位、流速、流量等因子)作為決策變量sj。系統(tǒng)級(jí)模型考慮水安全協(xié)同調(diào)控總成本達(dá)到最小。大灣區(qū)水安全協(xié)同調(diào)控系統(tǒng)構(gòu)架如圖2所示，協(xié)同過(guò)程為：①系統(tǒng)級(jí)傳遞一個(gè)期望值給子系統(tǒng)，子系統(tǒng)獨(dú)立優(yōu)化，使優(yōu)化的結(jié)果在滿足自身約束條件下，盡可能地接近系統(tǒng)級(jí)分配的期望值；②將各個(gè)子系統(tǒng)優(yōu)化的結(jié)果作為參數(shù)傳遞給系統(tǒng)級(jí)，系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化的方向是盡可能地協(xié)同各個(gè)子系統(tǒng)相互耦合的變量，并使目標(biāo)函數(shù)值最優(yōu)；③經(jīng)過(guò)系統(tǒng)級(jí)和各個(gè)子系統(tǒng)級(jí)之間的多次迭代，得到最優(yōu)結(jié)果。

圖2 大灣區(qū)水安全協(xié)同調(diào)控系統(tǒng)Fig.2 Water security collaborative regulation and control system in Guangdong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area

3.4 大灣區(qū)水安全協(xié)同調(diào)控理論框架

由水安全協(xié)同調(diào)控的概念可知，協(xié)同調(diào)控相較于傳統(tǒng)調(diào)控的特征在于子系統(tǒng)相互協(xié)同運(yùn)行，并產(chǎn)出超越自身單獨(dú)作用而形成整體系統(tǒng)的協(xié)同效應(yīng)?；趯?duì)水安全調(diào)控子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的梳理，構(gòu)建了水安全協(xié)同調(diào)控的理論框架，如圖3所示。

圖3 大灣區(qū)水安全協(xié)同調(diào)控理論總體框架Fig.3 Overall theoretical framework of water security collaborative regulation and control theory in Guangdong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area

4 大灣區(qū)水安全協(xié)同調(diào)控理論應(yīng)用

珠江河口是大灣區(qū)的核心區(qū)域，呈現(xiàn)三江匯流、河網(wǎng)密布、八口入海、兩灣納潮的特點(diǎn)，具有典型的“滘-網(wǎng)-口-灣”多層級(jí)水系結(jié)構(gòu)，如圖4(a)所示。本文以“滘-網(wǎng)-口-灣”為主體，以河勢(shì)調(diào)控和水工程調(diào)度為調(diào)控手段，以水災(zāi)害防御、水資源保護(hù)、水環(huán)境治理和水生態(tài)修復(fù)為調(diào)控目標(biāo)，統(tǒng)籌五大調(diào)控子系統(tǒng)，開展大灣區(qū)水安全協(xié)同調(diào)控。

(a) 珠江河口滘、網(wǎng)、口、灣位置

(b) 中順大圍內(nèi)河水系圖4 大灣區(qū)復(fù)雜水系圖Fig.4 Drainage map of Guangdong-HongKong-Macao Greater Bay Area

a.滘調(diào)。統(tǒng)籌考慮防洪、抑咸、河勢(shì)穩(wěn)定等效益最大化，協(xié)同河勢(shì)調(diào)控與外江洪潮、咸潮調(diào)控子系統(tǒng)，通過(guò)上游水工程聯(lián)合調(diào)度，結(jié)合思賢滘生態(tài)控導(dǎo)工程，科學(xué)調(diào)控思賢滘流量及西、北江分流比。洪水期通過(guò)西、北江水庫(kù)群和潖江滯洪區(qū)聯(lián)合調(diào)度，控制思賢滘流量不超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)洪水，若思賢滘發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水，則通過(guò)思賢滘控導(dǎo)工程調(diào)控西、北江分流比，減緩下游重要防護(hù)區(qū)域的防洪壓力?？菟谕ㄟ^(guò)上游水庫(kù)調(diào)水保障思賢滘生態(tài)流量，在西江滿足壓咸流量的前提下，結(jié)合思賢滘控導(dǎo)工程適度向北江分水，保障北江枯季供水需求。

b.網(wǎng)通。統(tǒng)籌考慮防洪、排澇、水環(huán)境水生態(tài)等效益最大化，協(xié)同內(nèi)河水環(huán)境水生態(tài)調(diào)控與城市暴雨洪澇調(diào)控及外江洪潮調(diào)控子系統(tǒng)，通過(guò)閘泵群聯(lián)控分水活水、清淤塑床，提升河涌、支流與主干河道的水體交換條件，提高水體自凈能力和水生態(tài)系統(tǒng)的聯(lián)通性，增加泄洪和納潮空間。以中順大圍(圖4(b))協(xié)同調(diào)控為例，洪水條件下，開閘分洪、引水沖泥；澇水條件下，開閘排澇，減輕區(qū)域防澇壓力；枯水條件下，結(jié)合天然潮汐動(dòng)力，控制聯(lián)圍內(nèi)水流由往復(fù)流變?yōu)閱蜗蛄?，提高水體置換速度。

c.口控。統(tǒng)籌考慮防洪、阻咸、河勢(shì)穩(wěn)定等效益最大化，協(xié)同河勢(shì)調(diào)控與外江咸潮、洪潮調(diào)控子系統(tǒng)，通過(guò)控導(dǎo)口門河勢(shì)，減緩咸潮上溯強(qiáng)度，保障防洪、供水安全。以磨刀門攔門沙修復(fù)為例，按照“中心攔門沙+兩側(cè)東西汊槽道+近岸淺灘”的磨刀門修復(fù)思路，綜合考慮泄洪安全與阻咸效果，設(shè)計(jì)攔門沙的平面形態(tài)、頂點(diǎn)位置、沙頂高程及攔門沙兩側(cè)汊道泄洪寬度，以達(dá)到穩(wěn)定河勢(shì)、暢泄洪水、抑制咸潮的效果。

d.灣穩(wěn)。統(tǒng)籌考慮河勢(shì)穩(wěn)定、防潮效益最大化，協(xié)同河勢(shì)調(diào)控與外江洪潮調(diào)控子系統(tǒng)，通過(guò)控導(dǎo)河口灣河勢(shì)，穩(wěn)定納潮容積，保障防潮安全。在伶仃洋河口灣，通過(guò)規(guī)劃喇叭形治導(dǎo)線，保障河口灣大進(jìn)大出的納潮能力；對(duì)于局部受損岸線灘涂，結(jié)合城市景觀與水生態(tài)環(huán)境保護(hù)需求，加快推進(jìn)生態(tài)海堤工程建設(shè)的同時(shí)進(jìn)行砂質(zhì)岸線修復(fù)和重點(diǎn)沙灘保護(hù)；對(duì)于伶仃洋中灘出現(xiàn)的巨型采砂坑，探索以自然回淤為主的砂坑修復(fù)技術(shù)，以期減弱風(fēng)暴潮、咸潮等海洋災(zāi)害影響。

5 結(jié) 語(yǔ)

大灣區(qū)水安全問(wèn)題多維交織，水安全協(xié)同調(diào)控具有得天獨(dú)厚的條件。本文梳理總結(jié)了大灣區(qū)水安全調(diào)控五大調(diào)控子系統(tǒng)，構(gòu)建了大灣區(qū)水安全協(xié)同調(diào)控理論框架，通過(guò)探討各子系統(tǒng)的機(jī)理，以期實(shí)現(xiàn)調(diào)控的精細(xì)化和科學(xué)化；通過(guò)探討子系統(tǒng)之間的協(xié)同作用原理，以期實(shí)現(xiàn)水問(wèn)題的交互式協(xié)同治理。進(jìn)一步基于該理論框架，統(tǒng)籌考慮大灣區(qū)“四水”問(wèn)題，協(xié)同五大調(diào)控子系統(tǒng)，提出“滘調(diào)、網(wǎng)通、口控、灣穩(wěn)”的協(xié)同調(diào)控策略。

由于目前流域協(xié)同體制機(jī)制還不成熟，不同部門之間的數(shù)據(jù)共享機(jī)制還不完善，不同學(xué)科的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題及技術(shù)集成有待進(jìn)一步提高，因此協(xié)同調(diào)控理論的應(yīng)用還未完全落地。本文在明晰水安全協(xié)同調(diào)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題、協(xié)同原理、協(xié)同算法架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)需求等基礎(chǔ)上，闡述了大灣區(qū)水安全調(diào)控理論框架，并提出應(yīng)用展望，為在學(xué)術(shù)研究和工程實(shí)際中靈活運(yùn)用水安全協(xié)同調(diào)控理論和方法奠定基礎(chǔ)，為其他流域水安全協(xié)同調(diào)控提供借鑒與參考。