李 昕

(遼寧省遼陽水文局，遼寧 遼陽 111000)

人類社會對水資源的需求隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展及人口迅速增長而急劇增加，并且河流的生態(tài)環(huán)境隨著水資源的過度開采而逐漸惡化，大多數(shù)地區(qū)的生態(tài)自然環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展往往因地下水的超采、缺水以及水質(zhì)污染等問題受到嚴(yán)重的制約[1]。所以，開展流域水資源可持續(xù)利用評價研究，對于促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)持續(xù)健康發(fā)展及流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要意義[2]。水資源的開采和利用涉及到環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會等多個領(lǐng)域，所以需從多個屬性和特征對用水資源的可持續(xù)性進(jìn)行綜合度量，并且已有多個指標(biāo)體系法可用于水資源的可持續(xù)評價研究[3]。然而這些方法往往是通過利用數(shù)學(xué)變換理論將多個指標(biāo)轉(zhuǎn)換成可定量對比分析的一個指標(biāo)，在評價過程中造成有效信息的缺失，并可能引起評價結(jié)果的偏差[4]。ENA法即生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析法是以路徑和節(jié)點(diǎn)構(gòu)成生態(tài)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，依據(jù)整體性系統(tǒng)特征對生態(tài)系統(tǒng)功能、結(jié)構(gòu)、演化發(fā)展規(guī)律進(jìn)行自上而下的研究分析，該方法是一種整體系統(tǒng)角度評價水資源可持續(xù)利用的有效方法和新的思路。據(jù)此，本文以遼河流域為研究對象，依據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸效率平衡關(guān)系和結(jié)構(gòu)恢復(fù)力特征構(gòu)建了評價指標(biāo)體系，然后利用ENA度量法建立了流域生態(tài)網(wǎng)絡(luò)評價模型并對遼河流域的水資源可持續(xù)性進(jìn)行了科學(xué)、客觀的評價分析[5]。

1 研究區(qū)域概況

遼河流域位于我國東北地區(qū)西南部，屬于溫帶、寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬冷干燥漫長，夏季多雨炎熱，全年降雨量和流經(jīng)量分布不均勻，其中西部徑流面積較大。流域內(nèi)工業(yè)發(fā)展充分，畜牧業(yè)和農(nóng)林業(yè)發(fā)展迅速，不僅是我國的糧食基地也是工業(yè)發(fā)展中心[6]。遼河流域生產(chǎn)活動較為頻繁，人口分布比較集中，對水資源的需求劇大，城市供水緊張以及生活污水排放等問題進(jìn)一步惡化，已無法保證人們正常生活水平的需要，嚴(yán)重制約了東北部地區(qū)農(nóng)業(yè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。依據(jù)行政區(qū)劃和地理位置可將遼河流域劃分為4個二級水資源分區(qū)，即Ⅰ區(qū)(遼寧)、Ⅱ區(qū)(吉林)、Ⅲ區(qū)(內(nèi)蒙古)、Ⅳ區(qū)(河北)，占地面積約為22.11萬km2，地表水資源約為139.57億m3，地下水資源總量約為139.57m3，水資源有效利用率51.8%，遼河流域長1345km，水資源開采利用潛力巨大，本研究選取2010—2016年時段進(jìn)行水資源可持續(xù)評價研究。

2 研究方法

2.1 構(gòu)建ENA模型

ENA模型是利用系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系代表系統(tǒng)能量、信息、物質(zhì)的傳輸特征，主要是針對系統(tǒng)各組分介質(zhì)之間以及外界環(huán)境與系統(tǒng)之間的流動性能，對生態(tài)系統(tǒng)功能、結(jié)構(gòu)以及演變發(fā)展規(guī)律利用矩陣計算和投入產(chǎn)出理論進(jìn)行全面、系統(tǒng)分析的方法[7]，其基本過程如圖1所示。對ENA網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的研究分析可利用輸入Z、交流F及輸出Y矩

圖1 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型三組分示意圖

陣進(jìn)行計算求解，相應(yīng)的公式分別如下：

(1)

(2)

(3)

式中，fij—i節(jié)點(diǎn)流向j節(jié)點(diǎn)的流量；yi—i節(jié)點(diǎn)向環(huán)境中排放的流量；zi—環(huán)境向節(jié)點(diǎn)i節(jié)點(diǎn)輸入的流量。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)評價

在ENA勢分析中的三個重要結(jié)構(gòu)特性指標(biāo)為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)展容量、結(jié)構(gòu)恢復(fù)力指數(shù)和效率，其中信息熵理論是其發(fā)展的前提和基礎(chǔ)。引入A、Φ、C分別代表網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)效率、恢復(fù)力和系統(tǒng)發(fā)展容量，其計算公式分別如下：

(4)

(5)

(6)

式中，n—系統(tǒng)中組分的數(shù)量，組分分別為1，2，…，n，其中第0和n+1組分分別代表系統(tǒng)的輸入和有效輸出，第n+2個組分為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的耗散；fi—i組分的所有輸出量；fj—輸入至i組分的所有輸入量；F—系統(tǒng)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的總通量。

依據(jù)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)基本理論，相對于系統(tǒng)的可持續(xù)性而言，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的恢復(fù)力和效率缺一不可，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)只有在網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)力和結(jié)構(gòu)效率達(dá)到平衡時，方可實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。通常，生態(tài)系統(tǒng)滿足可持續(xù)發(fā)展時的網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)力和結(jié)構(gòu)效率平衡點(diǎn)a值為0.4582。

2.3 建立遼河流域水資源利用系統(tǒng)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型

對流域生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的組分按照生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建方法進(jìn)行歸類，并作為節(jié)點(diǎn)進(jìn)行生態(tài)網(wǎng)絡(luò)描述，系統(tǒng)與環(huán)境之間的輸入和輸出途徑可利用各節(jié)點(diǎn)與環(huán)境之間的水流交換作用進(jìn)行構(gòu)建，而各節(jié)點(diǎn)間的內(nèi)部水流傳輸路徑可通過節(jié)點(diǎn)間水流的轉(zhuǎn)化與傳遞過程進(jìn)行表征，在詳細(xì)分析了生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部以及量化系統(tǒng)的傳輸途徑、路徑及循環(huán)流量、水流傳遞等信息基礎(chǔ)上構(gòu)建生態(tài)網(wǎng)絡(luò)評價模型[8]。

依據(jù)遼河流域所劃分的4個二級水資源分區(qū)和各用水主體之間的關(guān)系，可構(gòu)建一個包含23個路徑、10個結(jié)點(diǎn)的水資源生態(tài)網(wǎng)絡(luò)評價模型，如圖2所示。

圖2 水資源利用系統(tǒng)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型

上述網(wǎng)絡(luò)模型中，水體可利用節(jié)點(diǎn)1表示，z1、y1可分別代表上游降水量與水的蒸散發(fā)變化量?？紤]到上游來水量數(shù)據(jù)的缺失，將降水量作為z1值，可利用節(jié)點(diǎn)的輸出輸入平衡原則對y1進(jìn)行求解。通過配水系統(tǒng)可將水體再分配分別輸入農(nóng)業(yè)、工業(yè)、景觀、家庭以及公共設(shè)施等各個節(jié)水點(diǎn)，并分別采用相應(yīng)數(shù)字代表各節(jié)點(diǎn)的耗水量。分別選取Ⅰ系統(tǒng)和Ⅱ系統(tǒng)作為廢水凈化處理系統(tǒng)，可對工業(yè)和生活產(chǎn)生的污水廢水進(jìn)行回收處理并在達(dá)標(biāo)后重新排入水體中。選取節(jié)點(diǎn)作為水資源系統(tǒng)的存量，為了考慮生態(tài)環(huán)境需水因素對生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析的影響作用，本文構(gòu)建了虛擬路徑和虛擬節(jié)點(diǎn)7,以期更加科學(xué)、全面地探討水資源的可持續(xù)利用現(xiàn)狀。

2.4 水資源利用系統(tǒng)的可持續(xù)評價

依據(jù)圖3，水資源利用的途徑和基本特征，從滿足生產(chǎn)生活以及社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的角度出發(fā)，水資源應(yīng)充分符合生產(chǎn)生活用水需求，并達(dá)到最大化的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展[9- 11]。因此，首先考慮生產(chǎn)生活在該用水工程中的需求，從而將生態(tài)環(huán)境需水放在次要地位，并由此造成的水環(huán)境惡化和生態(tài)系統(tǒng)的退化，所以該種方法不利于水資源的可持續(xù)利用發(fā)展。

圖3 水資源網(wǎng)絡(luò)用水示意圖

同樣，如果忽視社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展對用水的需求而僅僅考慮生態(tài)用水則可形成如圖3(b)所示的進(jìn)包含一條生態(tài)用水網(wǎng)絡(luò)路徑，同樣該方法也不利于經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。由此可知，僅僅追求社會經(jīng)濟(jì)的最大利益而不考慮生態(tài)與環(huán)境系統(tǒng)現(xiàn)狀，對用水行業(yè)的發(fā)展不加限制，則勢必造成水資源的不可持續(xù)利用；同樣，如果過分限制社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的用水量，過多滿足生態(tài)環(huán)境的用水量，則可造成水資源的供應(yīng)量不足引起社會經(jīng)濟(jì)的不可持續(xù)發(fā)展。圖3中生態(tài)用水量在虛擬路徑上部產(chǎn)生消耗，所以水量傳輸效率最高的一條路徑為該虛擬生態(tài)用水路徑。因此，當(dāng)用水網(wǎng)絡(luò)發(fā)展目標(biāo)為生態(tài)用水最大時，可認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)效率是主導(dǎo)結(jié)發(fā)展的主要因素。水資源系統(tǒng)中的多個用水單元是決定用水網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)恢復(fù)力的決定性因素，各個用水單元的和諧共存和良好發(fā)展有利于促進(jìn)用水網(wǎng)絡(luò)的長久發(fā)展?jié)摿?。利用網(wǎng)絡(luò)效率和恢復(fù)力特征對生態(tài)環(huán)境與社會經(jīng)濟(jì)需水之間的競爭關(guān)系進(jìn)行表征，水資源網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)效率和恢復(fù)力與可持續(xù)性利用之間的平衡具有密切的關(guān)系[12]。

指標(biāo)E1可利用度量網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)平衡點(diǎn)進(jìn)行計算和表征，水資源系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展水平可利用平衡點(diǎn)與用水現(xiàn)狀水平之間的差距進(jìn)行度量，計算公式如下：

E1=|aopt-a0|

(7)

式中，aopt—網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在可持續(xù)發(fā)展條件下的平衡點(diǎn)；a0—系統(tǒng)現(xiàn)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)水平。

考慮到系統(tǒng)的非自然屬性，故aopt值無法直接利用與其他系統(tǒng)的對比進(jìn)行獲取，因此可根據(jù)其所表現(xiàn)出的自然和社會經(jīng)濟(jì)特征，假定一個可持續(xù)發(fā)展模式，并其平衡點(diǎn)進(jìn)行求解獲得。由于遼河流域為嚴(yán)重缺水區(qū)域，所以可定義為當(dāng)滿足最小生態(tài)需水、確保社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展用水以及廢水得到回收處理和重復(fù)利用時的水平狀態(tài)，即為網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)平衡用水。

3 結(jié)果與分析

3.1 遼河流域水資源利用數(shù)據(jù)

結(jié)合2010—2016年遼河流域?qū)嶋H網(wǎng)絡(luò)流量值和相關(guān)數(shù)據(jù)，對網(wǎng)絡(luò)流值利用可持續(xù)網(wǎng)絡(luò)法進(jìn)行求解計算。參照城市生態(tài)文明建設(shè)指標(biāo)中的相關(guān)用水標(biāo)準(zhǔn)確定廢水回收和廢水凈化系統(tǒng)的可持續(xù)狀態(tài)指標(biāo)。

3.2 可持續(xù)性評價

對2010—2016年遼河流域水資源利用系統(tǒng)的現(xiàn)狀與最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可利用相關(guān)數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)計算公式進(jìn)行求解，計算結(jié)果見表2，可持續(xù)性評價結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：遼河流域2010—2016年各分區(qū)的水資源平衡值與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)均表現(xiàn)出一定的差異，且并未達(dá)到可持續(xù)利用狀態(tài)。與平衡點(diǎn)的差距整體呈降低趨勢，由此表明，遼河流域在2010—2016年期間通過采取有效的可持續(xù)利用措施提高了其可持續(xù)利用水平；對各分區(qū)的可持續(xù)性進(jìn)行對比分析可以看出，遼河流域在2010—2016年四個分區(qū)的水資源可持續(xù)利用水平由大到小依次為Ⅲ分區(qū)高于Ⅳ分區(qū)高于Ⅱ分區(qū)高于Ⅰ分區(qū)，由此表明，Ⅲ分區(qū)相對于其他分區(qū)用水網(wǎng)絡(luò)最貼近用水平衡狀態(tài)，并表現(xiàn)出良好的可持續(xù)性，其他區(qū)域的可持續(xù)利用水平相對較差。因為相對于其他三個分區(qū)Ⅲ分區(qū)的生態(tài)環(huán)境用水量和需水量之差最小，并由此降低了無法滿足生態(tài)環(huán)境需水量時所引起網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)值Φ的減少程度，從而促進(jìn)了恢復(fù)力，更加接近于平衡點(diǎn)，此規(guī)律與aopt值和生態(tài)流量大小呈顯著負(fù)相關(guān)性保持良好的一致性。而且，在Ⅲ分區(qū)具有較高的廢水回收處理和回用率，并以此縮短了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)效率與達(dá)平衡點(diǎn)之間的距離。Ⅰ、Ⅱ和Ⅳ分區(qū)的可持續(xù)水平較差，E1值變化區(qū)間為0.002～0.003，并在2012年快速增大，在此期間的工業(yè)高耗水量可能是造成該現(xiàn)象的主要因素。綜上所述，遼河流域在2010—2016年水資源可持續(xù)利用整體呈上升趨勢。Ⅰ、Ⅱ和Ⅳ水資源分區(qū)的可持續(xù)性增長程度較為明顯，由此說明該分區(qū)的恢復(fù)力和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)效率逐漸貼近用水平衡點(diǎn)，對水資源的調(diào)控措施發(fā)揮了顯著的成效。

表2 遼河流域2010—2016年可持續(xù)與現(xiàn)狀用水情境下的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖4 遼河流域各區(qū)域2010—2016年E1值

4 結(jié)論

本文以遼河流域為研究對象，依據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸效率平衡關(guān)系和結(jié)構(gòu)恢復(fù)力特征構(gòu)建了評價指標(biāo)體系，然后利用ENA度量法建立了流域生態(tài)網(wǎng)絡(luò)評價模型，并對遼河流域的水資源可持續(xù)性進(jìn)行了科學(xué)、客觀的評價分析。得出的主要結(jié)論如下：

(1)遼河流域2010—2016年通過采取有效的可

持續(xù)利用措施提高了可持續(xù)利用水平；Ⅲ分區(qū)相對于其他分區(qū)其用水網(wǎng)絡(luò)最貼近用水平衡狀態(tài)并表現(xiàn)出良好的可持續(xù)性，而其他區(qū)域的可持續(xù)利用水平相對較差。

(2)遼河流域2010—2016年水資源可持續(xù)利用整體呈上升趨勢；Ⅰ、Ⅱ和Ⅳ水資源分區(qū)的可持續(xù)性增長程度較為明顯，水資源恢復(fù)力和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)效率逐漸貼近用水平衡點(diǎn)，水資源調(diào)控措施發(fā)揮了顯著的成效。