吳 波，趙 越，陳 巖，曾維華，趙琰鑫，白 輝，秦順興，李中華

(1.生態(tài)環(huán)境部環(huán)境規(guī)劃院，北京 100012； 2.長江經濟帶生態(tài)環(huán)境聯(lián)合研究中心，北京 100012；3.北京師范大學環(huán)境學院，北京 100875)

昆明市是長江經濟帶的重要支點城市和長江上游生態(tài)保護屏障，隨著城市化進程的推進，地區(qū)的水環(huán)境問題變得十分突出?！笆濉焙汀笆濉逼陂g，雖然采取了許多有效的措施來治理污染，但昆明市內滇池等主要河流湖庫的水質仍然大范圍超標。為了實現(xiàn)水生態(tài)環(huán)境的根本改善，需要評估采取治理措施后，昆明市水代謝系統(tǒng)的水質代謝過程是否能夠“健康運轉”，是否有利于水質恢復。

對于城市水代謝系統(tǒng)(urban water metabolism system)，前人多將其內部各個組分以流的分析形式進行研究[1-2]，并表征出邊界輸入輸出量和內部的結構關系[3-5]，其中生態(tài)網絡分析(ecological network analysis)法由于可以定量分析組分間生態(tài)流的方向和作用效果[6-8]，使用較廣泛。目前對城市水代謝系統(tǒng)的研究大多考慮了水量代謝，對水質代謝的研究較少[9]。為此，本文采用灰水足跡方法量化城市水代謝系統(tǒng)中各種水質代謝過程，在此基礎上，采用生態(tài)網絡分析法建立城市水代謝系統(tǒng)中的水質代謝過程生態(tài)網絡模型，評估昆明市2017年在供水、用水、廢水排放和水處理回用等過程中的水質變化情況，確定水代謝系統(tǒng)內參與水質代謝過程的各組分相互作用關系和水質代謝過程的健康狀況，為昆明市水污染治理等規(guī)劃方案的制定提供參考。

表1 城市水代謝系統(tǒng)中的水質代謝過程

注：z和f分別代表圖1生態(tài)網絡模型中外界對各個節(jié)點和各節(jié)點之間的作用流；公共服務業(yè)指洗車、道路噴灑等行業(yè)。

1 研究區(qū)概況

昆明市位于云貴高原中部，面積2.101萬km2，2017年末常住人口為678.3萬人，有滇池和陽宗海兩個主要湖泊。滇池流域面積 2 920 km2，具有城市供水、農業(yè)灌溉、旅游、水產養(yǎng)殖和工業(yè)用水等功能，水質較差，總體水質為Ⅴ類，處于中度富營養(yǎng)化狀態(tài)，COD、TN、TP、NH3-N和高錳酸鹽指數(shù)均超標，在流入滇池的35條河流中，約80.6%的河流水質超過地表水Ⅲ類標準。陽宗海流域面積252.7 km2，總蓄水量6.04億m3，水質較好，近5年水質均為Ⅲ類。2017年，全市工業(yè)污染源、農業(yè)污染源和城市生活污水的COD排放量分別為3 961.97 t、64.27 t和 7 754.26 t，NH3-N排放量分別為288.87 t、1.12 t和 2 214.67 t；大氣沉降TN為654 t，內源污染TN為825 t；昆明市內23座污水處理廠總的處理量為5.42億t，污水處理廠進出口的最大COD質量濃度分別為 295.82 mg/L和 17.20 mg/L[10-12]。工業(yè)廢水全部經過自處理后排入到集中污水處理廠，但是仍有來自農業(yè)的畜禽養(yǎng)殖廢水和居民的日常生活污水直排入河。此外，農業(yè)非點源污染(TN排放量為 3 317 t)和城市降雨徑流非點源污染(TN排放量為679 t)對昆明市的水體也產生很大影響。

2 研究方法

2.1 水質代謝過程的量化

在城市水代謝系統(tǒng)中包含有各種水質代謝過程(表1)，本文采用灰水足跡方法對這些過程進行量化?；宜阚E是一個量化水污染程度的指標，定義為在自然背景濃度或現(xiàn)有的環(huán)境水質標準下，稀釋污染負荷需要的水資源量，它并不是實際的水資源消耗量，而是以稀釋污染物需要的水量來表達水污染等級，值越高代表污染程度越嚴重?；贖oekstra等提出的灰水足跡基礎公式[13-15]，根據(jù)各水質代謝過程的特征，提出以下對應于水質代謝過程的量化公式。

a. 一般過程的灰水足跡計算公式為

(1)

式中：W1為一般過程的灰水足跡，m3/a；L為污染負荷，kg/a；ρmax為選用的水質標準中規(guī)定的最大可接受質量濃度，mg/L；ρn為受納水體的自然背景質量濃度，mg/L。式(1)適用于計算表1中的過程G1、G3、G4、G6、G7、G8、G9、G17、G18、G21。例如：計算過程G6時，L為工業(yè)生產中產生的總污染物量；當計算過程G17時，L為工業(yè)自身污水處理設施處理后減少的總污染物量。根據(jù)Hoekstra等[13]的建議，ρn可視為0;ρmax以GB3838—2002《地表水環(huán)境質量標準》中Ⅲ類水體的水環(huán)境質量標準作為衡量基準。因為低于Ⅲ類的水體視為低水質的水體，研究灰水足跡時都是基于排污量約束為前提的，因此選擇較高的水質標準來約束排污量。

b. 質量濃度變化過程的灰水足跡計算公式為

(2)

式中：W2為有質量濃度變化過程的灰水足跡，m3/a；Ve為流出污水的體積，m3/a；Va為受納水的體積，m3/a；ρe為污水中污染物的質量濃度，mg/L；ρa為受納水的實際質量濃度，mg/L。式(1)中的污染負荷L可以用Ve與ρe乘積減去Va與ρa乘積求得。式(2)適用于污染物質量濃度變化過程的計算，一般計算污染物進入受納水體后帶給受納水體的灰水足跡值，可用于計算表1中的過程G2、G11、G12、G13、G14、G15、G16、G19、G22。例如：計算過程G2時，Ve為總徑流量，ρe為地表徑流中污染物的平均質量濃度(Ve和ρe取決于降雨時長、監(jiān)測點的水體質量濃度、徑流量和取樣條件)，ρa由于雨水降落到地面而為0；計算過程G11時，Ve為工業(yè)生產的廢水直排入受納水體的水量，ρe為直排入受納水體的工業(yè)廢水中污染物的平均質量濃度，ρa為受納水體的背景質量濃度。式(1)和式(2)主要用于計算點源污染物的灰水足跡。

c. 非點源污染過程的灰水足跡計算公式為

(3)

式中：W3為非點源污染過程的灰水足跡，m3/a；α為徑流浸出百分比，表示化學物質能夠浸入到自然水體的質量分數(shù)，可取α=1.85%[16]；A為進入土壤的污染物質量，kg/a。式(3)適于計算過程G5和G10。

以上各水質代謝過程在計算時需要注意：

a. 由于各產業(yè)和生活排放的主要污染物并不相同，需要計算多個污染物灰水足跡，取最大的污染物灰水足跡值來反映污染物危害程度。

b. 計算產業(yè)和生活水質代謝過程的灰水足跡時，廢污水和污染物排放的數(shù)據(jù)不是整體獲得的，如工業(yè)污染物排放量是分別統(tǒng)計的，其灰水足跡是每個工業(yè)企業(yè)灰水足跡計算后累加求得。

c. 計算表1中過程G19a～G19g時，ρe是工業(yè)廢水、污水、雨水和滲入水的最初質量濃度。由于污水處理設施中污水的質量濃度無法得知，且污水在處理過程中的滲漏和污染物吸附所造成的質量濃度變化的影響比較小，可忽略，因而ρa值取0。

d. 在計算受納水體通過自然降解而減少污染物這一過程的灰水足跡時(過程G3的一部分)，L值取決于水體的水環(huán)境容量，因為水環(huán)境容量是水體容納污染物的量或自身凈化并保持生態(tài)平衡的能力。

e. 計算過程G16時，Ve可以通過過程G2與G19b的Ve相減得出，G19b的Ve是進入污水處理廠的雨水量。

f. 計算過程G20時，其灰水足跡值是過程G5的30%,因為進入植物和滲入土壤中的污染物量是農業(yè)污染物總量的30%[17]。

g. 由于公共服務業(yè)污水量較小，且環(huán)保部門沒有相關統(tǒng)計，故本文計算時忽略過程G19g、G21和G22。

2.2 水質代謝網絡模型的構建

采用生態(tài)網絡分析法構建城市水代謝系統(tǒng)中水質代謝流(水質代謝過程)的概念性網絡結構模型如圖1所示。水質代謝流中共有8個組分(等同于網絡模型中8個節(jié)點)：自然環(huán)境水系統(tǒng)(組分1)、工業(yè)污染源(組分2)、農業(yè)污染源(組分3)、服務業(yè)污染源(組分4)、城市生活污染源(組分5)、農村生活污染源(組分6)、城市降雨徑流非點源(組分7)和集中廢水處理系統(tǒng)(組分8)。以生態(tài)學中生產者、消費者和分解者3個類別來看，組分2、3、4、5、6、7是產生污染物的組分，處于生產者的角色；組分1是受納污染物的水體，是消費者的角色；組分8比較特別，可以將其暫考慮為分解者的角色，這個分解者主要承擔一部分消費者的責任，同時相對于消費者(組分1)來講，其所排出水中的污染物質量濃度如果較高，會對消費者產生影響，所以又扮演生產者的角色。目前我國城市集中污水處理設施排水中的污染物濃度要求均低于Ⅲ類水質標準，因此，在整個水質代謝過程中組分8普遍扮演著生產者的角色。網絡模型中共定義了20個代謝路徑反映水代謝系統(tǒng)中8個組分之間的水質代謝過程。

圖1 城市水代謝系統(tǒng)中水質代謝網絡結構模型

2.3 網絡通量分析和利用分析

研究城市水代謝系統(tǒng)中水質代謝過程的網絡結構狀況時，需要用生態(tài)網絡分析法中的網絡通量分析方法來量化網絡結構，得出網絡結構中每個節(jié)點對于整個網絡的貢獻；并用網絡利用分析方法評估節(jié)點之間的關系，得出整個網絡是否存在促進關系。

采用網絡通量分析方法來量化網絡結構中每個節(jié)點對于整個網絡的貢獻，主要步驟如下：列出表示網絡狀況的直接流矩陣F(節(jié)點數(shù)為8的八階矩陣)，根據(jù)每個節(jié)點的輸入、輸出流情況計算每個節(jié)點的流總和；利用所有節(jié)點各自的流總和構成整個網絡通量；以節(jié)點之間的相互作用流除以網絡通量得到任意節(jié)點之間作用的無量綱流，并構成無量綱流矩陣；利用無量綱流矩陣和網絡通量得到有量綱矩陣，從而計算出每個節(jié)點對其他節(jié)點的貢獻以及該節(jié)點在網絡中的占比。具體計算公式為

(4)

式中：Tj為所有進入節(jié)點j的流總和；fij、fji分別為從節(jié)點j、i到節(jié)點i、j的水質代謝過程，也是網絡模型中兩節(jié)點之間的作用流；zj為輸入值；xj為輸出值[18]；n為節(jié)點數(shù)。如果外界對節(jié)點沒有輸入，或者節(jié)點對外界無輸出，則zj和xj的值為0。

整個網絡的通量T使用對角矩陣表示：

T=diag(T1，T2，…，Tn)

(5)

來自節(jié)點j到節(jié)點i的相互節(jié)點之間的無量綱流可以采用gij表示：

gij=fij/Tj

(6)

無量綱綜合流矩陣N的計算公式為

N=(nij)=G0+G1+G2+G3+

…+Gm=(I-G)-1

(7)

其中

G=(gij)G0=I

式中I為單位矩陣。G0意味著流從某一節(jié)點出又回到相同的節(jié)點中，G1意味著網絡中的任何節(jié)點之間都是直接流，Gm(m≥2)意味著節(jié)點之間存在m長度的間接流。本文網絡結構無間接流，N可直接由(I-G)-1計算得出。

有量綱綜合流矩陣Y可以采用無量綱綜合流矩陣N右乘對角化的通量矢量T求得。

通過以下公式計算矩陣的每個縱向量總數(shù)和：

(8)

式中:yj為節(jié)點j對其他節(jié)點的貢獻;yij為有量綱綜合流矩陣Y的元素。

對于矩陣Y的占比可通過以下公式計算得到：

(9)

式中w為節(jié)點j對整個系統(tǒng)的貢獻情況。

通過網絡利用分析中的綜合利用矩陣來反映網絡中所有節(jié)點構造之間的關系[19-20]：

D=(dij)

(10)

U=(uij)=D0+D1+D2+D3+

…+Dm=(I-D)-1

(11)

其中

dij=(fij-fji)/Tj

式中：D為直接利用矩陣;U為無量綱綜合利用矩陣；dij為從節(jié)點j到節(jié)點i的節(jié)點流間的利用情況。矩陣D0意味著通過每個節(jié)點的流是自反饋的，矩陣D1意味著網絡中任意兩個節(jié)點之間是直接關系，Dm(m≥2)意味著任意節(jié)點之間是間接關系。

無量綱綜合利用矩陣U的一對配對跡象元素可以用來確定兩個節(jié)點之間的關系。設定矩陣U的任何元素的利用關系表示為sij，則一對節(jié)點之間的直接關系可通過一個直接利用矩陣給出。如：(s21，s12)=(+，-)表示節(jié)點2利用節(jié)點1；(s21，s12)=(-，+)表示節(jié)點2被節(jié)點1利用；(s21，s12)=(0，0)表示兩個相對的流是平等的；(s21，s12)=(-，-)表示節(jié)點1與節(jié)點2是競爭關系，兩個節(jié)點之間存在消極影響；(s21，s12)=(+，+)表示節(jié)點1與節(jié)點2是共生關系，兩個節(jié)點彼此之間都是獲益的。因此，節(jié)點之間存在競爭、利用、中立和共生4類生態(tài)關系。

網格利用分析中采用共生指數(shù)M來定量表示系統(tǒng)的整個共生情況[19,21]：

M=J(U)=S+/S

(12)

其中

式中J(U)為積極關系數(shù)量與消極關系數(shù)量的比率。如果M>1，則矩陣內正號數(shù)目大于負號數(shù)目，說明系統(tǒng)的節(jié)點之間存在更多積極的關系，共生互利關系較多，網絡協(xié)作性較好。相反，如果負號多于正號，則系統(tǒng)存在更多消極的關系，存在問題需要解決和處理。

3 結果和討論

3.1 水質代謝量化結果

表2為用4種污染物計算得到的2017年昆明市灰水足跡，每個過程以4個計算結果的最大值作為昆明市水代謝系統(tǒng)中各水質代謝過程的灰水足跡最終值。

表2 昆明市水質代謝過程的灰水足跡

利用圖1中水質代謝網絡結構模型中各節(jié)點之間的關系(兩節(jié)點之間無關系則為0)，構建2017年昆明市水代謝系統(tǒng)中參與水質代謝的各組分之間的直接流矩陣F。

3.2 水質代謝結構

根據(jù)直接流的情況，按照公式(4)～(9)采用通量分析方法計算了無量綱綜合流矩陣N和有量綱綜合流矩陣Y，以及各節(jié)點在整個水質代謝網絡結構中的占比w。根據(jù)各節(jié)點w值畫出圖2，每個節(jié)點的占比代表著該組分對整個水質代謝過程帶來的貢獻或者影響。

圖2 昆明市水代謝系統(tǒng)中參與水質代謝的各組分占比

從圖2可以看出，生產者組分中，組分5城市生活污染源的灰水足跡占比最大(35.33%)，表明昆明市居民日常生活污染對水質變化(即水污染)產生了最大的影響，是需要加大力度控制的污染源；其次是組分7城市降雨徑流非點源的灰水足跡，占比23.12%，表明昆明市的管網配套設施和雨水收集系統(tǒng)不完善，水土流失問題需要加大力度治理。

組分8集中廢水處理系統(tǒng)的灰水足跡占比8.66%，表明昆明市雖然在2017年增設了2座污水處理廠，但是工業(yè)、城鎮(zhèn)生活的污染負荷比較大，加上污水收集系統(tǒng)的能力不足(試運行的8個廠總處理規(guī)模不足總設計規(guī)模的20%)，尚未實現(xiàn)截污和處理的有效聯(lián)合調控。特別在降水量偏多的時期(汛期23座污水處理廠平均負荷率一度達到103%)，雨污混流進入污水處理廠后無法處理直接外排，對昆明市水體已造成一定的影響。組分6農村生活污染源的灰水足跡占比5.64%，表明農村居民生活地區(qū)的分散型污水處理設施和垃圾處理設施需要加緊建設。代表消費者的自然環(huán)境水系統(tǒng)(組分1)的灰水足跡占比為21.31%，說明自然環(huán)境水系統(tǒng)自身存在的大氣沉降和內源污染問題較嚴重，同時接收來自其他組分的廢水和污染物比較多，致使自然環(huán)境水系統(tǒng)污染較嚴重。

3.3 水質代謝關系

基于圖1中分析的各組分間水質代謝流的相互作用情況，采用網絡利用分析方法計算了2017年昆明市水代謝系統(tǒng)中水質代謝的直接利用矩陣D和綜合利用矩陣U，并繪制出2017年綜合利用矩陣中任意節(jié)點之間的模式關系如圖3所示。圖3顯示了該生態(tài)網絡模型中存在利用、競爭和共生3類生態(tài)關系，可用于分析水質代謝過程中各組分之間的代謝作用。

圖3 水質代謝網絡結構模型中各節(jié)點間的關系

由圖3可見，各節(jié)點中存在的利用關系最多。(s21,s12)、(s31,s13)、(s41,s14)、(s51,s15)、(s61,s16)和(s71,s17)都與節(jié)點1相關，其中(s21,s12)是(+，-)的關系，其他5個是(-，+)的關系，表明節(jié)點1利用節(jié)點3、4、5、6、7，即自然環(huán)境水系統(tǒng)承擔著來自農業(yè)、服務業(yè)、城市生活、農村生活和城市降雨徑流非點源的污染(即灰水足跡值)。而節(jié)點1被節(jié)點2利用，表明自然環(huán)境水系統(tǒng)并沒有得到來自工業(yè)污染源的污染，這是因為昆明市自2009年起注重解決工業(yè)廢水直排的問題，已嚴禁未經處理的工業(yè)廢水直排入自然水環(huán)境中。(s82,s28)、(s83,s38)、(s84,s48)、(s85,s58)、(s86,s68)和(s87,s78)與節(jié)點8相關，其中(s83,s38)是(-，+)，與其他5個(+，-)的關系相反，表明節(jié)點8利用節(jié)點2、4、5、6、7，即集中廢水處理系統(tǒng)承擔了來自工業(yè)、服務業(yè)、城市生活、農村生活和城市降雨徑流非點源的污染。節(jié)點8被節(jié)點3利用，說明集中廢水處理系統(tǒng)并沒有得到來自農業(yè)的污染。

節(jié)點2、3、4、5、6、7都是網絡模型中的生產者排放源，彼此之間屬于競爭關系(-，-)。另外，比較特別的是(s81,s18)是(-，-)，說明節(jié)點1和節(jié)點8是競爭關系，即自然環(huán)境水系統(tǒng)和集中污水處理系統(tǒng)都承受來自生產者的污染物，因此二者存在競爭關系。

節(jié)點2和3為互利共生關系，這是因為工業(yè)污染源和農業(yè)污染源都是這個網絡中的生產者，但是前者不直排污染物進入自然水體，而是將污染物自處理后排入集中污水處理廠，減少了對自然環(huán)境水系統(tǒng)直接排污這個環(huán)節(jié)；后者產生的污染物沒有通過集中污水處理系統(tǒng)進行處理，而是進入自然環(huán)境水系統(tǒng)，等同于減少了從集中污水處理廠向自然環(huán)境水系統(tǒng)排污這一環(huán)節(jié)，因此在減少排污上情況類似。此外，相比于其他的污染源貢獻組分，工業(yè)污染源和農業(yè)污染源排放的污染物遠少于其他排污較大的組分，因此水質代謝關系分析中會出現(xiàn)互利共生關系。

共生指數(shù)M=22/42=0.523 8<1，表明在2017年昆明市水代謝系統(tǒng)的水質代謝過程中，扮演生產者、消費者和分解者的8個組分之間協(xié)作性較差。雖然2017年昆明市在污染治理上采取了更多的措施，但仍不能有效促使水質代謝過程轉好，水質代謝過程是紊亂的。

4 結 論

a. 在2017年昆明市水代謝系統(tǒng)的水質代謝過程中，城市生活污染源對昆明市水體造成的污染貢獻最大，貢獻較大的有城市降雨徑流非點源、農村生活污染源和集中廢水處理系統(tǒng)的排水。因此，昆明市仍要加大對生活污染的治理，提高污水處理設施的處理規(guī)模，加大管網設施的鋪設和改建，增加農村污水、垃圾收集和處理設施的建設，注重水土流失治理。

b. 2017年昆明市水代謝系統(tǒng)的水質代謝過程是紊亂的，說明“十三五”時期的水污染控制和水環(huán)境治理措施的作用仍不顯著，污染治理措施建設規(guī)模和數(shù)量還需要進一步擴大，同時需要加大水土保持措施的制定和實施。