基于多流域生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型的用水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征演化分析

王悅斌,林常青,李 媛*,王曉慧 (1.北京化工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院,北京 100029；2.北京市水處理材料工程技術(shù)研究中心,北京 100029)

隨著人口與社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展,我國的用水需求逐年遞增,日益突出的水資源匱乏問題已經(jīng)嚴(yán)重影響到國民經(jīng)濟的發(fā)展與居民生活水平的提高.以2015年為例,我國用水總量為6180億m3,達(dá)到水資源可利用量的21.83%,大于國際經(jīng)驗所提出的20%這一“水危機”標(biāo)準(zhǔn).因此,如何更有效利用水資源和實現(xiàn)水資源的可持續(xù)發(fā)展,成為了我國水資源規(guī)劃與管理中急需解決的問題之一.

近年來,針對流域水資源系統(tǒng)這樣一個綜合了水資源的自然、環(huán)境、生態(tài)、社會和經(jīng)濟等5種基本屬性,且各屬性關(guān)聯(lián)伴生相互影響的復(fù)雜系統(tǒng)[1-2],系統(tǒng)的復(fù)雜性受到了越來越多研究學(xué)者的重視,因此系統(tǒng)學(xué)的研究方法相繼出現(xiàn)并逐漸成為近些年的研究趨勢[3-8].其中,生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析(Ecological Network Analysis, ENA)方法由于其具備從系統(tǒng)整體角度出發(fā)、且能“自上而下”對系統(tǒng)進(jìn)行建模并以此來對系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行描述的特點,和提出涵蓋系統(tǒng)各種屬性的系統(tǒng)性度量指標(biāo)的優(yōu)勢而在水資源領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用和研究[9-15].研究學(xué)者們利用生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法從水資源管理、水資源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、水體代謝系統(tǒng)等多個方面對黑河、黃河流域、滇池流域、海河流域和淮河流域等水域進(jìn)行系統(tǒng)分析,最終目的是實現(xiàn)該水域的可持續(xù)性發(fā)展.但是,這些研究目前尚局限于單一流域,沒有考慮多流域之間的相互關(guān)系與影響.鑒于我國自五十年代以來已開展多項跨流域調(diào)水工程,在各個流域之間建立了緊密的輸配水關(guān)系,因此,將多流域的水資源系統(tǒng)作為研究對象,進(jìn)行水資源系統(tǒng)的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析研究亟待開展.

基于此,本研究將資源性嚴(yán)重缺水和水資源承載力與經(jīng)濟社會發(fā)展不相符的黃淮海流域(2003～2014年)為研究對象,采用生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法,構(gòu)建多流域生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型,從系統(tǒng)整體角度分析和研究多流域水資源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征的發(fā)展與演變規(guī)律,并提出相應(yīng)的管理措施,促進(jìn)黃淮海流域水資源的可持續(xù)利用.

1 研究區(qū)域概況

黃淮海流域位于中國東北部地區(qū)(東經(jīng)31～42°,北緯114～121°),流域總面積為144萬km2,包括13個省市和2個直轄市,分別為青海、四川、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、山西、陜西、河南、河北、山東、安徽、江蘇、北京和天津(圖1).

黃、淮、海三大流域緊密相連,是我國社會經(jīng)濟最大的集中區(qū)域.盡管黃淮海流域人口、GDP和糧食產(chǎn)量均占全國的1/3以上,但自20世紀(jì)80年代以來,黃淮海流域就已經(jīng)成為我國最嚴(yán)重缺水地區(qū)[16],水資源的短缺問題嚴(yán)重限制了其社會經(jīng)濟的發(fā)展[17].為解決嚴(yán)重的水資源匱乏及水資源分布不均的現(xiàn)象,我國自五十年代提出“南水北調(diào)”工程后相繼提出了“引灤入津”“引黃濟青”等20多項大型跨流域調(diào)水工程,其中,“引黃工程”將黃河、淮河、海河三大流域相互聯(lián)結(jié),實現(xiàn)了水資源在流域之間的調(diào)配,從一定程度上緩解了該地區(qū)水資源的短缺問題.

黃淮海流域2003～2014年的社會經(jīng)濟情況如下表1所示.

表1 黃淮海流域2003～2014年社會經(jīng)濟和水資源情況Table 1 Socioeconomic and water resources situations of the HHH basins during 2003～2014

圖1 黃淮海河流域區(qū)位及邊界Fig.1 Mapof HHHbasinsand its location in China

2 研究方法

生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析是廣泛應(yīng)用于生態(tài)系統(tǒng)研究中的一種系統(tǒng)學(xué)分析方法,它將復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)表示成由節(jié)點和節(jié)點之間物質(zhì)、能量、信息傳輸所構(gòu)成的一個網(wǎng)絡(luò),關(guān)注于系統(tǒng)元素之間介質(zhì)的流動,基于投入產(chǎn)出分析[18-21],通過矩陣計算研究生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能以及發(fā)展與演變規(guī)律[22-27].在對復(fù)雜系統(tǒng)研究的應(yīng)用中,該方法可以從系統(tǒng)的整體角度出發(fā),通過研究系統(tǒng)內(nèi)部組分的直接與間接聯(lián)系,從而可以對系統(tǒng)內(nèi)部某組分對其他組分的影響作用進(jìn)行量化.并且,通過情景模擬的方法,生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析還可以預(yù)測系統(tǒng)內(nèi)部某組分或某連接的變化對系統(tǒng)其他組分或整體產(chǎn)生的影響,以及通過表征系統(tǒng)整體特性的網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)對比同一系統(tǒng)在不同時間或不同系統(tǒng)在同一時間內(nèi)的變化.近年來,隨著生態(tài)網(wǎng)絡(luò)理論的不斷完善與發(fā)展,該方法不僅在生態(tài)系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用[28-31],同時也引入到了水資源領(lǐng)域[32-34].

以三組分的系統(tǒng)為例,所構(gòu)建的三組分生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型如圖2(a)所示;在此基礎(chǔ)上,建立網(wǎng)絡(luò)組分間流量矩陣F、系統(tǒng)邊界輸入流矩陣z和系統(tǒng)邊界輸出流矩陣y,如圖2(b)所示.基于構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)模型,對各路徑流量進(jìn)行賦值,通過對生態(tài)網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)進(jìn)行計算開展分析.

圖2 三組分生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型圖及組分間流量矩陣、系統(tǒng)邊界輸入流矩陣和系統(tǒng)邊界輸出流矩陣示意Fig.2 Athree-compartmentsecologicalnetwork model and flow adjacent matrix, input adjacentmatrix and output adjacent matrix

2.1 系統(tǒng)整體分析法

在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析中,由MacArthur首次將Shannon信息理論應(yīng)用到生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中[35],形成了系統(tǒng)整體分析法,相繼提出了TST(Total System Throughflow)、A(Ascendency)、Φ(Resilience)、O(Overhead)、R(Redundancy)、C(Development capacity)等評價系統(tǒng)整體特性的指標(biāo)[25].

式中:n為生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型中的節(jié)點數(shù)(即組分?jǐn)?shù)),節(jié)點0表征物質(zhì)能量由環(huán)境輸入系統(tǒng)各組分的輸入源;n+1表征系統(tǒng)中的物質(zhì)能量由各組分向環(huán)境進(jìn)行輸出的輸出源;節(jié)點n+2表征系統(tǒng)中的物質(zhì)能量在各組分上被消耗的消耗源;Ti,j為從節(jié)點i流到節(jié)點j的流量(即圖2中的組分間流fij);Ti為流入節(jié)點i的流量之和(即圖2中的輸入流zi之和);Tj為從節(jié)點j流出的流量之和(即圖2中的輸出流yi之和).系統(tǒng)總通量TST(式1)表征在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中物質(zhì)能量在各組分間傳輸以及與環(huán)境進(jìn)行輸入輸出的總流量.在水資源系統(tǒng)中應(yīng)用時,通過TST指標(biāo)的計算,可以準(zhǔn)確量化水資源系統(tǒng)中進(jìn)行傳輸轉(zhuǎn)化利用的所有水量,進(jìn)而表征系統(tǒng)的規(guī)模大小.對于A和Φ兩個指標(biāo),在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)理論中,作為兩個重要的結(jié)構(gòu)指標(biāo)被用來進(jìn)行系統(tǒng)可持續(xù)性的度量[23].其中,指標(biāo)A(式2)度量的是系統(tǒng)發(fā)展過程中正向反饋的大小[20,34],代表系統(tǒng)中可以維持系統(tǒng)長期完整性的有序組織部分,用以衡量系統(tǒng)在進(jìn)行物質(zhì)能量傳輸時的效率[36].指標(biāo)Φ(式3)描述的是系統(tǒng)的冗余R(Redundancy)和開銷O(Overhead),二者之和用以表征系統(tǒng)遇到外界干擾時恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)的能力,即系統(tǒng)恢復(fù)力的大小[39].指標(biāo)A與?的和表征系統(tǒng)的發(fā)展容量大小,即系統(tǒng)中所有正向反饋與冗余及開銷的和,用指標(biāo)C(式4)來表示.在基于A和Φ所進(jìn)行的生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)度量研究中,Ulanowicz提出了關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)平衡理論.該理論認(rèn)為在一個自然生態(tài)系統(tǒng)中,系統(tǒng)中物質(zhì)能量的傳輸效率與系統(tǒng)受到外界干擾后的恢復(fù)力之間應(yīng)該存在著一個平衡的關(guān)系才能保證系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展,即A或?在系統(tǒng)發(fā)展容量C中所占的比例過高與過低都不利于系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展,只有當(dāng)二者處于一個平衡狀態(tài)時,系統(tǒng)的發(fā)展才是可持續(xù)的[24,26].據(jù)此,研究者提出了指標(biāo)a和φ來分別表示A與C的比值和Φ與C的比值,如公式(7)(8)所示.

2.2 多流域水資源利用系統(tǒng)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建

根據(jù)黃淮海3個流域之間的相互聯(lián)系以及各流域內(nèi)各用水部門之間的水量傳輸轉(zhuǎn)化關(guān)系,本研究構(gòu)建了具有18個節(jié)點(表2)、37條路徑的多流域生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型.其中,為了將流域中生態(tài)用水在模型中的存量形式轉(zhuǎn)化為模型中的流量形式以參與系統(tǒng)整體指標(biāo)的計算,根據(jù)研究者所提出的虛擬節(jié)點和路徑的構(gòu)建方法[40],設(shè)置了4、8、12三個虛擬節(jié)點和f2,4、f4,1、f6,8、f8,5、f10,12、f12,9六條虛擬路徑.模型如圖3所示,zi表示從環(huán)境輸入系統(tǒng)節(jié)點i的流量;yj表示節(jié)點j消耗的流量或向環(huán)境輸出的流量;fi,j表示由節(jié)點i到節(jié)點j的流量.其中,z1、z5、z9為3個流域當(dāng)年的降水量;z14、z15為通過“引江工程”跨流域調(diào)水進(jìn)入淮河、海河的水資源量.將來自于流域水體的水量通過f1,2、f5,6、f9,103條路徑輸入到配水系統(tǒng)中,進(jìn)入配水系統(tǒng)的水量通過f2,3、f6,7和f10,113條路徑分別分配到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活等生產(chǎn)生活用水中,生態(tài)用水通過f2,4、f6,8和f10,123條路徑分配到4、8、123個節(jié)點中,生產(chǎn)生活用水中未處理的水量通過f3,1、f7,5和f11,93條路徑直接排放到河流中,其余生產(chǎn)生活用水通過f3,16、f7,17和f11,183條路徑排入污水處理廠進(jìn)行處理,經(jīng)處理達(dá)標(biāo)后的生活、工業(yè)廢水排入河流,用f16,1、f17,5和f18,93條路徑表示.f13,15、f13,14分別是通過“引黃工程”將黃河流域的水資源跨流域引入到海河流域和淮河流域的水量.

基于以上構(gòu)建的多流域生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型,根據(jù)2003～2014年黃淮海流域水資源基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對其路徑流量進(jìn)行賦值,結(jié)果如表4所示.計算所需數(shù)據(jù)來自《黃河水資源公報》、《淮河水資源公報》、《海河水資源公報》、《中國環(huán)境年鑒》、《國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》和《環(huán)境狀況公報》.其中,生態(tài)用水是指在特定的時空范圍內(nèi),生態(tài)系統(tǒng)維持一定的穩(wěn)定狀態(tài)所消耗的、不作為社會和經(jīng)濟用水的水資源量[41-42].由于缺少該區(qū)域詳細(xì)的生態(tài)用水量數(shù)據(jù),根據(jù)生態(tài)用水定義及參考Li等[13]對生態(tài)用水量計算的研究方法,本研究利用總水資源量和水資源利用量的差值來進(jìn)行簡化計算,其中在本研究水資源利用系統(tǒng)模型中生態(tài)用水量包含景觀用水量,所以需要加上景觀用水量,即生態(tài)用水量=水資源總量+景觀用水量-水資源利用量,如表3所示.對于超采的情況,生態(tài)用水量取值0.

圖3 黃淮海流域水資源利用系統(tǒng)的多流域生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型Fig.3 Multi-basin ecological network model of water use systems for HHH basins

表2 多流域生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型節(jié)點描述Table 2 Description of the compartments in the multi-basin ecological network model

表3 2003～2014年海河、淮河、黃河流域生態(tài)用水量(億m3/a)Table 3 Environmental water consumption for the HHH River Basin during 2003～2014 (108m3/a)

表4 2003～2014年黃淮海流域水資源利用系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)流量值(億m3/a)Table 4 Ecological network flows of HHH basins during 2003～2014 (108m3/a)

續(xù)表4

3 結(jié)果與討論

3.1 TST變化趨勢及分析

圖4 黃淮海流域水資源利用系統(tǒng)TST變化趨勢Fig.4 Changes of TST during 2003～2014 for HHH basins

圖4顯示了黃淮海流域水資源利用系統(tǒng)總通量的變化趨勢.在2003～2014年期間黃淮海流域的TST呈現(xiàn)先直線下降而后在一定波動中逐漸趨于穩(wěn)定的變化特點.總體分為3個階段:第一階段為2003～2004年,TST減少了9065.09 億m3,降低33%;第二階段是2004～2007年期間,TST值存在較大的波動,在2007年達(dá)到22129.81 億m3;最后直到2014年,TST浮動于20000 億m3左右,趨于平穩(wěn).

根據(jù)TST的計算方法,在網(wǎng)絡(luò)路徑不變的前提下,影響TST變化的主要因素是系統(tǒng)輸入量.在該模型中系統(tǒng)的輸入量包括降水量和“引江工程”跨流域調(diào)入的水量.通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),調(diào)水量在2003～2014年間變化不明顯,所以降水量成為影響TST變化的主要因素.以2003年、2004年和2006年降水量為例,2003年是降水量最豐沛的一年,降水量為9742.81億m3,2004年和2006年是相對最少的2年,分別為7221.56億m3和6992.23億m3,這與TST在2003年、2004年和2006年出現(xiàn)最高值和最低值的變化一致.

在本研究中,由于數(shù)據(jù)的缺乏,生態(tài)用水量的計算主要是基于水資源總量和社會經(jīng)濟用水的開發(fā)程度之間的差值.由于黃淮海流域社會經(jīng)濟用水開發(fā)程度在2003～2014年間逐年增加,所以水資源總量的變化成為了主導(dǎo)其生態(tài)用水量大小的主要因素,也因此,在本研究中,降水量變化趨勢和生態(tài)用水量的變化趨勢相一致:在2003～2004年大幅度下降,之后在2004～2014年間在一定波動中趨于平穩(wěn).因此,本研究中,TST的變化不僅一方面和降水量變化趨勢一致,另一方面也反映了黃淮海流域在2003～2014年間生態(tài)用水被不斷擠占的現(xiàn)狀.

圖5 黃淮海流域萬元GDP用水量變化趨勢Fig.5 Changes of water consumption amount per 10000 Yuan GDP during 2003～2014 for HHH basins

為了緩解生態(tài)用水被不斷擠占的現(xiàn)狀以改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量,提高其社會經(jīng)濟用水效率可以有效改善生產(chǎn)用水的增加對生態(tài)環(huán)境所產(chǎn)生的壓力.本研究計算了2003～2014年期間黃淮海流域的萬元GDP耗水量指標(biāo),結(jié)果如圖5所示.由結(jié)果可見,在2003～2014年間黃淮海流域用水效率不斷提升,從172.16m3/萬元提高到42.56m3/萬元.雖然這在一定程度上減緩了生產(chǎn)生活用水量的增加,但實際的生態(tài)環(huán)境用水仍得不到滿足.從表3中F(2,4)、F(6,8)和F(10,12)數(shù)據(jù)可見,其生態(tài)用水量仍呈現(xiàn)逐年遞減的變化特征,其中尤以淮河和黃河流域生態(tài)用水量的減小情況最為明顯,表明了該流域的生態(tài)環(huán)境用水問題較為嚴(yán)峻.因此,針對該區(qū)域生態(tài)需水不能得到滿足的現(xiàn)狀,在后續(xù)的水資源管理中,需要繼續(xù)通過調(diào)節(jié)水價、開展農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉、增加工業(yè)循環(huán)水利用等方式來提高用水效率,減少生產(chǎn)生活用水量,降低水資源的開發(fā)利用程度,緩解生產(chǎn)生活與生態(tài)環(huán)境間的用水競爭,以保證流域中具有足夠的生態(tài)用水量以滿足生態(tài)環(huán)境健康發(fā)展的需求.

3.2 A(Ascendency)、R(Redundancy)和O(Overhead)變化趨勢及分析

圖6 黃淮海流域水資源利用系統(tǒng)A、R、O變化趨勢Fig. 6 Changes of A、R、O during 2003～2014 for HHH basins

通過圖6可以看出黃淮海流域水資源利用系統(tǒng)的A、R和O具有相似的變化趨勢.2014年A、R和O的值相比2003年分別降低了31.02%、53.96%和37.24%,在2003～2004年間大幅度降低,之后在2004～2007年存在較大的波動,直至2014年3個指標(biāo)在一定波動中趨于平緩.

將TST(圖4)和A[圖6(a)]的變化趨勢圖進(jìn)行對比,發(fā)現(xiàn)TST與A具有相同的變化趨勢,經(jīng)計算,二者相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.997.這并不難解釋,因為根據(jù)A的計算公式可知A綜合了TST和AMI兩方面的共同作用[43-44].并且,這一結(jié)論也與Latham所提出A與TST具有很強的相關(guān)性,且TST是影響A變化的主導(dǎo)因素[45]的研究結(jié)論相符.由此可以得出,在2003～2014年間黃淮海流域水資源利用系統(tǒng)中TST是A變化的主要影響因素,同時隨著系統(tǒng)總通量的減小,網(wǎng)絡(luò)組織中的有序部分也會隨之不斷減少.

根據(jù)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)理論,當(dāng)外界環(huán)境對系統(tǒng)的干擾減小時,R會隨之減小[45].因此,R的計算結(jié)果[圖6(b)]反映了黃淮海流域在2003～2014年間系統(tǒng)所受到的外界環(huán)境壓力在逐漸減小.在黃淮海流域水資源利用系統(tǒng)中,外界環(huán)境對系統(tǒng)的干擾強弱主要由各節(jié)點消耗量和輸入量兩方面構(gòu)成.由系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)流量值,表3中F(3,0)、F(7,0)、F(11,0)的變化情況可知,黃淮海流域的總耗水量在2003～2004年間大幅度下降,由9769.71億m3降至7256.88億m3,總體減少25.72%;而在2004～2014年期間又在一定波動中小幅度上升了8.2%.可見,從總體上來說,在2003～2014年間外界環(huán)境對系統(tǒng)的干擾逐漸減弱.

根據(jù)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)理論,O反應(yīng)了網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點與環(huán)境間所產(chǎn)生的開銷大小,當(dāng)該值減小時,說明系統(tǒng)受到外界環(huán)境的壓力減小,當(dāng)該值增加時,則相反[47].因此,如圖6(c)所示,O在波動中逐漸減小的這一結(jié)果說明了在2003～2014年期間,黃淮海流域水資源利用系統(tǒng)的開銷在一定波動中逐漸減小,系統(tǒng)受到來自于環(huán)境的壓力在一定波動中不斷減小,這和上述R的分析結(jié)果中所提到的外界環(huán)境對系統(tǒng)干擾減小的結(jié)論相一致.

結(jié)合R和O的分析結(jié)果可知,在2003～2014年期間,黃淮海流域水資源利用系統(tǒng)受到來自于環(huán)境的壓力減小,而該壓力的減小主要是由于系統(tǒng)中生產(chǎn)生活耗水量的減小造成的.對黃淮海流域在該期間所開展的水資源管理措施進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn),在國家“十一五”、“十二五”規(guī)劃提出建設(shè)節(jié)水型社會的總綱領(lǐng)下,黃淮海流域所屬的各省份圍繞建設(shè)節(jié)水型社會“四大體系”逐步建立并完善了節(jié)水型制度體系,從管理體系、經(jīng)濟結(jié)構(gòu)體系、工程技術(shù)體系和行為規(guī)范體系等方面提出相應(yīng)具體措施,如調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、開展農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)、加強清潔生產(chǎn)、提高城鄉(xiāng)居民生活用水和工業(yè)循環(huán)水利用的效率,由此大幅度提高生產(chǎn)生活的用水效率,有效減少了生產(chǎn)生活中的耗水量,從而使系統(tǒng)受到的環(huán)境壓力減小,更有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定發(fā)展.

3.3 a和φ變化趨勢及分析

圖7顯示了在2003～2014年間a和φ的變化趨勢.a的變化主要分為3個階段:第一階段是2003～2007年,a在2003～2004年間大幅度下降達(dá)到最低值后逐漸升高;第二階段是2007～2012年,a緩慢下降;第三階段則是2012～2014年,a呈現(xiàn)升高的變化趨勢.相應(yīng)的,由于a+φ=1,所以φ呈現(xiàn)了與a完全相反的變化特征.2004年,系統(tǒng)的φ大于a,說明在2004年系統(tǒng)的恢復(fù)力即抵御外界干擾的能力比系統(tǒng)自組織能力強.除去2004年,在其他年份中,系統(tǒng)的a大于φ,說明此時系統(tǒng)的物質(zhì)傳輸及轉(zhuǎn)換能力比系統(tǒng)恢復(fù)力強.總體來說,該系統(tǒng)在此期間呈現(xiàn)出了a大于φ的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征.

圖7 黃淮海流域水資源利用系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)a和φ變化趨勢Fig.7 Changes of a and φ during 2003～2014 for HHH basins

根據(jù)Baird[48]的研究理論,在生態(tài)系統(tǒng)中,系統(tǒng)內(nèi)部即關(guān)于節(jié)點間物質(zhì)傳輸?shù)腁Internal和CInternal的比值aI(即aI=AInternal/CInternal)代表系統(tǒng)的成熟度,aI值越大系統(tǒng)越成熟和穩(wěn)定,具有更好的自組織性能.據(jù)此,本研究計算了2003～2014年黃淮海流域水資源利用系統(tǒng)aI的變化情況,如圖8所示,隨著時間的變化,系統(tǒng)的aI值在2004年達(dá)到最大值,在2005年達(dá)到最低值,而后在一定波動中逐漸增大.如果依據(jù)Baird理論,則2004年、2009年、2013～2014年是黃淮海流域水資源利用系統(tǒng)成熟度相對較高的4a,且成熟度在2005～2014年間不斷增大.但是,通過對比歷年生態(tài)用水量的變化情況可知,在以上所提到的系統(tǒng)相對成熟的年份中,生態(tài)用水量的值均相對較低,說明當(dāng)年該系統(tǒng)的生態(tài)用水量短缺問題嚴(yán)重,由生態(tài)用水短缺帶來的一系列生態(tài)環(huán)境問題會對系統(tǒng)的可持續(xù)性發(fā)展產(chǎn)生較大的影響.可見,這一結(jié)果與Baird的成熟度理論相悖.這是因為,對于水資源利用系統(tǒng)來說,它不僅包含了自然生態(tài)環(huán)境要素,還包含了社會經(jīng)濟等人工要素的共同作用,相比生態(tài)系統(tǒng)來說屬于半自然半人工復(fù)雜系統(tǒng).因此,應(yīng)用于自然生態(tài)系統(tǒng)中的成熟度指標(biāo)并不能完全適用于水資源利用系統(tǒng).從該角度而言,在水資源利用系統(tǒng)的分析中,生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析中所提到的系統(tǒng)成熟度與系統(tǒng)的可持續(xù)性并不具有相關(guān)性.所以,在未來的研究中,需要進(jìn)一步研究提出適用于水資源利用系統(tǒng)的可持續(xù)度量指標(biāo)和研究方法.

圖8 黃淮海流域水資源利用系統(tǒng)aI變化趨勢Fig.8 Changes of aI during 2003～2014 for HHH basins

綜上所述,自2003年以來,黃淮海流域水資源利用系統(tǒng)受到的外界壓力越來越小,但生態(tài)用水短缺的問題仍十分嚴(yán)峻,可持續(xù)性有待提高.在未來的發(fā)展過程中,可以進(jìn)一步通過提高水價、加強農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉、提高循環(huán)水利用等措施來提高黃淮海流域的用水效率,并通過調(diào)水引流、閘壩控制等方式來提高生態(tài)補水量,以持續(xù)減小系統(tǒng)所受到的外界壓力和干擾,促進(jìn)黃淮海流域水資源利用系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展.

4 結(jié)論

4.1 在2003～2014年期間,系統(tǒng)TST在一定波動中不斷減小,主要受自然環(huán)境(降雨量)的影響;同時也反應(yīng)了在該期間,其生態(tài)用水量受到擠占,生態(tài)環(huán)境脆弱性加大的現(xiàn)狀.盡管當(dāng)?shù)赝ㄟ^提高城鄉(xiāng)生活用水水價、改善農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉、增強工業(yè)水循環(huán)利用等措施很大程度上提高了用水效率,在一定程度上抑制了生產(chǎn)生活用水量的增加,但未能有效改善生態(tài)需水無法得到滿足、依然短缺的現(xiàn)狀.

4.2 系統(tǒng)的A、R和O在2003～2014年期間具有相同的變化趨勢,均在一定波動中逐漸減小.由該結(jié)果可知,在此期間,黃淮海流域通過建立并完善節(jié)水型社會制度體系,促進(jìn)了生活、農(nóng)業(yè)、工業(yè)等多方面用水效率的提高,使得耗水量逐漸減小,從而減小了其受到來自外界環(huán)境的壓力和干擾.

4.3 通過a和φ分析,黃淮海流域水資源利用系統(tǒng)在2003～2014年期間,在總體上呈現(xiàn)出了a大于φ的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征.同時,通過對aI進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),應(yīng)用于自然生態(tài)系統(tǒng)中的成熟度指標(biāo)并不能完全適用于水資源利用系統(tǒng).在水資源利用系統(tǒng)的分析中,生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析中所提到的系統(tǒng)成熟度與系統(tǒng)的可持續(xù)性并不具有相關(guān)性,對水資源利用系統(tǒng)的成熟度與可持續(xù)性仍需進(jìn)一步研究.

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