遼河流域水資源可持續(xù)性評價方法研究

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)濟的可持續(xù)發(fā)展往往因地下水的超采、缺水以及水質污染等問題受到嚴重的制約[1]。所以，開展流域水資源可持續(xù)利用評價研究，對于促進社會經(jīng)濟持續(xù)健康發(fā)展及流域生態(tài)環(huán)境保護具有重要意義[2]。水資源的開采和利用涉及到環(huán)境、經(jīng)濟和社會等多個領域，所以需從多個屬性和特征對用水資源的可持續(xù)性進行綜合度量，并且已有多個指標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)學變換理論將多個指標轉換成可定量對比分析的一個指標，在評價過程中造成有效信息的缺失，并可能引起評價結果的偏差[4]。ENA法即生態(tài)網(wǎng)絡分析法是以路徑和節(jié)點構成生態(tài)系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構，依據(jù)整體性系統(tǒng)特征對生態(tài)系統(tǒng)功能、結構、演化發(fā)展規(guī)律進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)絡傳輸效率平衡關系和結構恢復力特征構建了評價指標體系，然后利用ENA度量法建立了流域生態(tài)網(wǎng)絡評價模型并對遼河流域的水資源可持續(xù)性進行了科學、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一步惡化，已無法保證人們正常生活水平的需要，嚴重制約了東北部地區(qū)農(nóng)業(yè)和經(jīng)濟發(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年時段進行水資源可持續(xù)評價研究。

2 研究方法

2.1 構建ENA模型

ENA模型是利用系統(tǒng)網(wǎng)絡節(jié)點之間的關系代表系統(tǒng)能量、信息、物質的傳輸特征，主要是針對系統(tǒng)各組分介質之間以及外界環(huán)境與系統(tǒng)之間的流動性能，對生態(tài)系統(tǒng)功能、結構以及演變發(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)絡結構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)絡模型三組分示意圖

陣進行計算求解，相應的公式分別如下：

(1)

(2)

(3)

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

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構特性指標為網(wǎng)絡系統(tǒng)發(fā)展容量、結構恢復力指數(shù)和效率，其中信息熵理論是其發(fā)展的前提和基礎。引入A、Φ、C分別代表網(wǎng)絡結構效率、恢復力和系統(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)結構的耗散；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)結構內(nèi)部的總通量。

依據(jù)生態(tài)網(wǎng)絡基本理論，相對于系統(tǒng)的可持續(xù)性而言，其網(wǎng)絡結構的恢復力和效率缺一不可，系統(tǒng)結構只有在網(wǎng)絡恢復力和結構效率達到平衡時，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)絡恢復力和結構效率平衡點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)絡模型

對流域生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的組分按照生態(tài)網(wǎng)絡模型的構建方法進行歸類，并作為節(jié)點進行生態(tài)網(wǎng)絡描述，系統(tǒng)與環(huán)境之間的輸入和輸出途徑可利用各節(jié)點與環(huán)境之間的水流交換作用進行構建，而各節(jié)點間的內(nèi)部水流傳輸路徑可通過節(jié)點間水流的轉化與傳遞過程進行表征，在詳細分析了生態(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上構建生態(tài)網(wǎng)絡評價模型[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系，可構建一個包含23個路徑、10個結點的水資源生態(tài)網(wǎng)絡評價模型，如圖2所示。

圖2 水資源利用系統(tǒng)生態(tài)網(wǎng)絡模型

上述網(wǎng)絡模型中，水體可利用節(jié)點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)點的輸出輸入平衡原則對y1進行求解。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、家庭以及公共設施等各個節(jié)水點，并分別采用相應數(shù)字代表各節(jié)點的耗水量。分別選?、裣到y(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)生的污水廢水進行回收處理并在達標后重新排入水體中。選取節(jié)點作為水資源系統(tǒng)的存量，為了考慮生態(tài)環(huán)境需水因素對生態(tài)網(wǎng)絡分析的影響作用，本文構建了虛擬路徑和虛擬節(jié)點7,以期更加科學、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)濟發(fā)展的角度出發(fā)，水資源應充分符合生產(chǎn)生活用水需求，并達到最大化的社會經(jīng)濟發(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)絡用水示意圖

同樣，如果忽視社會經(jīng)濟發(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)所示的進包含一條生態(tài)用水網(wǎng)絡路徑，同樣該方法也不利于經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。由此可知，僅僅追求社會經(jīng)濟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量不足引起社會經(jīng)濟的不可持續(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，當用水網(wǎng)絡發(fā)展目標為生態(tài)用水最大時，可認為網(wǎng)絡結構效率是主導結發(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)絡結構恢復力的決定性因素，各個用水單元的和諧共存和良好發(fā)展有利于促進用水網(wǎng)絡的長久發(fā)展?jié)摿?。利用網(wǎng)絡效率和恢復力特征對生態(tài)環(huán)境與社會經(jīng)濟需水之間的競爭關系進行表征，水資源網(wǎng)絡結構效率和恢復力與可持續(xù)性利用之間的平衡具有密切的關系[12]。

指標E1可利用度量網(wǎng)絡結構平衡點進行計算和表征，水資源系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展水平可利用平衡點與用水現(xiàn)狀水平之間的差距進行度量，計算公式如下：

E1=|aopt-a0|

(7)

式中，aopt—網(wǎng)絡結構在可持續(xù)發(fā)展條件下的平衡點；a0—系統(tǒng)現(xiàn)狀網(wǎng)絡結構水平。

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)的對比進行獲取，因此可根據(jù)其所表現(xiàn)出的自然和社會經(jīng)濟特征，假定一個可持續(xù)發(fā)展模式，并其平衡點進行求解獲得。由于遼河流域為嚴重缺水區(qū)域，所以可定義為當滿足最小生態(tài)需水、確保社會經(jīng)濟發(fā)展用水以及廢水得到回收處理和重復利用時的水平狀態(tài)，即為網(wǎng)絡結構平衡用水。

3 結果與分析

3.1 遼河流域水資源利用數(shù)據(jù)

結合2010—2016年遼河流域實際網(wǎng)絡流量值和相關數(shù)據(jù)，對網(wǎng)絡流值利用可持續(xù)網(wǎng)絡法進行求解計算。參照城市生態(tài)文明建設指標中的相關用水標準確定廢水回收和廢水凈化系統(tǒng)的可持續(xù)狀態(tài)指標。

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)絡結構可利用相關數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡結構計算公式進行求解，計算結果見表2，可持續(xù)性評價結果如圖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)絡結構均表現(xiàn)出一定的差異，且并未達到可持續(xù)利用狀態(tài)。與平衡點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)絡結構值Φ的減少程度，從而促進了恢復力，更加接近于平衡點，此規(guī)律與aopt值和生態(tài)流量大小呈顯著負相關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)絡結構效率與達平衡點之間的距離。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)的恢復力和網(wǎng)絡結構效率逐漸貼近用水平衡點，對水資源的調控措施發(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)絡結構

圖4 遼河流域各區(qū)域2010—2016年E1值

4 結論

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

(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，水資源恢復力和網(wǎng)絡結構效率逐漸貼近用水平衡點，水資源調控措施發(fā)揮了顯著的成效。