辽河流域水资源可持续性评价方法研究

2019-01-16李昕

水利规划与设计 2018年12期

李昕

(辽宁省辽阳水文局，辽宁辽阳 111000)

人类社会对水资源的需求随着社会经济发展及人口迅速增长而急剧增加，并且河流的生态环境随着水资源的过度开采而逐渐恶化，大多数地区的生态自然环境和社会经济的可持续发展往往因地下水的超采、缺水以及水质污染等问题受到严重的制约[1]。所以，开展流域水资源可持续利用评价研究，对于促进社会经济持续健康发展及流域生态环境保护具有重要意义[2]。水资源的开采和利用涉及到环境、经济和社会等多个领域，所以需从多个属性和特征对用水资源的可持续性进行综合度量，并且已有多个指标体系法可用于水资源的可持续评价研究[3]。然而这些方法往往是通过利用数学变换理论将多个指标转换成可定量对比分析的一个指标，在评价过程中造成有效信息的缺失，并可能引起评价结果的偏差[4]。ENA法即生态网络分析法是以路径和节点构成生态系统的网络结构，依据整体性系统特征对生态系统功能、结构、演化发展规律进行自上而下的研究分析，该方法是一种整体系统角度评价水资源可持续利用的有效方法和新的思路。据此，本文以辽河流域为研究对象，依据网络传输效率平衡关系和结构恢复力特征构建了评价指标体系，然后利用ENA度量法建立了流域生态网络评价模型并对辽河流域的水资源可持续性进行了科学、客观的评价分析[5]。

1 研究区域概况

辽河流域位于我国东北地区西南部，属于温带、寒温带大陆性季风气候，冬冷干燥漫长，夏季多雨炎热，全年降雨量和流经量分布不均匀，其中西部径流面积较大。流域内工业发展充分，畜牧业和农林业发展迅速，不仅是我国的粮食基地也是工业发展中心[6]。辽河流域生产活动较为频繁，人口分布比较集中，对水资源的需求剧大，城市供水紧张以及生活污水排放等问题进一步恶化，已无法保证人们正常生活水平的需要，严重制约了东北部地区农业和经济发展。依据行政区划和地理位置可将辽河流域划分为4个二级水资源分区，即Ⅰ区(辽宁)、Ⅱ区(吉林)、Ⅲ区(内蒙古)、Ⅳ区(河北)，占地面积约为22.11万km2，地表水资源约为139.57亿m3，地下水资源总量约为139.57m3，水资源有效利用率51.8%，辽河流域长1345km，水资源开采利用潜力巨大，本研究选取2010—2016年时段进行水资源可持续评价研究。

2 研究方法

2.1 构建ENA模型

ENA模型是利用系统网络节点之间的关系代表系统能量、信息、物质的传输特征，主要是针对系统各组分介质之间以及外界环境与系统之间的流动性能，对生态系统功能、结构以及演变发展规律利用矩阵计算和投入产出理论进行全面、系统分析的方法[7]，其基本过程如图1所示。对ENA网络结构的研究分析可利用输入Z、交流F及输出Y矩

图1 生态网络模型三组分示意图

阵进行计算求解，相应的公式分别如下：

(1)

(2)

(3)

式中，fij—i节点流向j节点的流量；yi—i节点向环境中排放的流量；zi—环境向节点i节点输入的流量。

2.2 生态系统可持续评价

在ENA势分析中的三个重要结构特性指标为网络系统发展容量、结构恢复力指数和效率，其中信息熵理论是其发展的前提和基础。引入A、Φ、C分别代表网络结构效率、恢复力和系统发展容量，其计算公式分别如下：

(4)

(5)

(6)

式中，n—系统中组分的数量，组分分别为1，2，…，n，其中第0和n+1组分分别代表系统的输入和有效输出，第n+2个组分为系统结构的耗散；fi—i组分的所有输出量；fj—输入至i组分的所有输入量；F—系统结构内部的总通量。

依据生态网络基本理论，相对于系统的可持续性而言，其网络结构的恢复力和效率缺一不可，系统结构只有在网络恢复力和结构效率达到平衡时，方可实现可持续发展。通常，生态系统满足可持续发展时的网络恢复力和结构效率平衡点a值为0.4582。

2.3 建立辽河流域水资源利用系统生态网络模型

对流域生态系统内的组分按照生态网络模型的构建方法进行归类，并作为节点进行生态网络描述，系统与环境之间的输入和输出途径可利用各节点与环境之间的水流交换作用进行构建，而各节点间的内部水流传输路径可通过节点间水流的转化与传递过程进行表征，在详细分析了生态系统内部以及量化系统的传输途径、路径及循环流量、水流传递等信息基础上构建生态网络评价模型[8]。

依据辽河流域所划分的4个二级水资源分区和各用水主体之间的关系，可构建一个包含23个路径、10个结点的水资源生态网络评价模型，如图2所示。

图2 水资源利用系统生态网络模型

上述网络模型中，水体可利用节点1表示，z1、y1可分别代表上游降水量与水的蒸散发变化量。考虑到上游来水量数据的缺失，将降水量作为z1值，可利用节点的输出输入平衡原则对y1进行求解。通过配水系统可将水体再分配分别输入农业、工业、景观、家庭以及公共设施等各个节水点，并分别采用相应数字代表各节点的耗水量。分别选取Ⅰ系统和Ⅱ系统作为废水净化处理系统，可对工业和生活产生的污水废水进行回收处理并在达标后重新排入水体中。选取节点作为水资源系统的存量，为了考虑生态环境需水因素对生态网络分析的影响作用，本文构建了虚拟路径和虚拟节点7,以期更加科学、全面地探讨水资源的可持续利用现状。

2.4 水资源利用系统的可持续评价

依据图3，水资源利用的途径和基本特征，从满足生产生活以及社会经济发展的角度出发，水资源应充分符合生产生活用水需求，并达到最大化的社会经济发展[9- 11]。因此，首先考虑生产生活在该用水工程中的需求，从而将生态环境需水放在次要地位，并由此造成的水环境恶化和生态系统的退化，所以该种方法不利于水资源的可持续利用发展。

图3 水资源网络用水示意图

同样，如果忽视社会经济发展对用水的需求而仅仅考虑生态用水则可形成如图3(b)所示的进包含一条生态用水网络路径，同样该方法也不利于经济的可持续发展。由此可知，仅仅追求社会经济的最大利益而不考虑生态与环境系统现状，对用水行业的发展不加限制，则势必造成水资源的不可持续利用；同样，如果过分限制社会经济发展的用水量，过多满足生态环境的用水量，则可造成水资源的供应量不足引起社会经济的不可持续发展。图3中生态用水量在虚拟路径上部产生消耗，所以水量传输效率最高的一条路径为该虚拟生态用水路径。因此，当用水网络发展目标为生态用水最大时，可认为网络结构效率是主导结发展的主要因素。水资源系统中的多个用水单元是决定用水网络结构恢复力的决定性因素，各个用水单元的和谐共存和良好发展有利于促进用水网络的长久发展潜力。利用网络效率和恢复力特征对生态环境与社会经济需水之间的竞争关系进行表征，水资源网络结构效率和恢复力与可持续性利用之间的平衡具有密切的关系[12]。

指标E1可利用度量网络结构平衡点进行计算和表征，水资源系统的可持续发展水平可利用平衡点与用水现状水平之间的差距进行度量，计算公式如下：

E1=|aopt-a0|

(7)

式中，aopt—网络结构在可持续发展条件下的平衡点；a0—系统现状网络结构水平。

考虑到系统的非自然属性，故aopt值无法直接利用与其他系统的对比进行获取，因此可根据其所表现出的自然和社会经济特征，假定一个可持续发展模式，并其平衡点进行求解获得。由于辽河流域为严重缺水区域，所以可定义为当满足最小生态需水、确保社会经济发展用水以及废水得到回收处理和重复利用时的水平状态，即为网络结构平衡用水。

3 结果与分析

3.1 辽河流域水资源利用数据

结合2010—2016年辽河流域实际网络流量值和相关数据，对网络流值利用可持续网络法进行求解计算。参照城市生态文明建设指标中的相关用水标准确定废水回收和废水净化系统的可持续状态指标。

3.2 可持续性评价

对2010—2016年辽河流域水资源利用系统的现状与最优网络结构可利用相关数据和网络结构计算公式进行求解，计算结果见表2，可持续性评价结果如图4所示。由图4可知：辽河流域2010—2016年各分区的水资源平衡值与网络结构均表现出一定的差异，且并未达到可持续利用状态。与平衡点的差距整体呈降低趋势，由此表明，辽河流域在2010—2016年期间通过采取有效的可持续利用措施提高了其可持续利用水平；对各分区的可持续性进行对比分析可以看出，辽河流域在2010—2016年四个分区的水资源可持续利用水平由大到小依次为Ⅲ分区高于Ⅳ分区高于Ⅱ分区高于Ⅰ分区，由此表明，Ⅲ分区相对于其他分区用水网络最贴近用水平衡状态，并表现出良好的可持续性，其他区域的可持续利用水平相对较差。因为相对于其他三个分区Ⅲ分区的生态环境用水量和需水量之差最小，并由此降低了无法满足生态环境需水量时所引起网络结构值Φ的减少程度，从而促进了恢复力，更加接近于平衡点，此规律与aopt值和生态流量大小呈显著负相关性保持良好的一致性。而且，在Ⅲ分区具有较高的废水回收处理和回用率，并以此缩短了网络结构效率与达平衡点之间的距离。Ⅰ、Ⅱ和Ⅳ分区的可持续水平较差，E1值变化区间为0.002～0.003，并在2012年快速增大，在此期间的工业高耗水量可能是造成该现象的主要因素。综上所述，辽河流域在2010—2016年水资源可持续利用整体呈上升趋势。Ⅰ、Ⅱ和Ⅳ水资源分区的可持续性增长程度较为明显，由此说明该分区的恢复力和网络结构效率逐渐贴近用水平衡点，对水资源的调控措施发挥了显著的成效。