基于生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析法的淮河流域用水系統(tǒng)演變特征分析

談 箐

(安徽省郎溪縣水利局，安徽 宣城 242100)

0 引 言

水資源不僅關(guān)乎著自然生態(tài)環(huán)境，也關(guān)乎著社會經(jīng)濟的發(fā)展，構(gòu)成了用水系統(tǒng)的復(fù)雜性。隨著城鎮(zhèn)建設(shè)、工業(yè)化進(jìn)程的快速發(fā)展，水資源短缺、惡化及地下水超采等問題日益突出，用水與供水問題將逐漸成為制約社會經(jīng)濟發(fā)展的主要絆腳石之一[1-2]。流域作為水資源集中區(qū)，也是社會、經(jīng)濟、工業(yè)發(fā)展的核心區(qū)域，水資源問題更加突出。在不同歷史時期和不同社會環(huán)境下，做好流域水資源研究，及時掌握流域用水系統(tǒng)內(nèi)部和整體的關(guān)聯(lián)性，對于本區(qū)域的水生態(tài)安全具有重要意義[3-4]。

張曉宇等采用系統(tǒng)動力學(xué)方法，對阿拉善“三生”用水系統(tǒng)演化進(jìn)行了模擬和調(diào)控，對該地區(qū)水資源的合理利用提出了建議[5]。彭焜等以湖北省為例，基于系統(tǒng)投入產(chǎn)出和生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析對能源和水資源之間的綜合管理進(jìn)行了研究，確定了兩者的耦合發(fā)展關(guān)系[6]。宋玉玲等從網(wǎng)絡(luò)分析法的角度出發(fā)，對武漢市的景觀生態(tài)網(wǎng)絡(luò)格局進(jìn)行了分析，獲得了總體、分區(qū)以及分等級情況下的網(wǎng)絡(luò)格局特征[7]。生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析法作為生態(tài)學(xué)中應(yīng)用最為廣泛的系統(tǒng)分析法，在礦山、化工等領(lǐng)域效果顯著，近年來也被逐漸引入到流域水資源的研究當(dāng)中，并取得了不錯的應(yīng)用效果[8-9]。

淮河作為中國七大水系之一，水資源的利用和用水結(jié)構(gòu)情況的變化關(guān)系著流域也關(guān)系著數(shù)以千萬人的生產(chǎn)生活[10-11]，故本文擬利用生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析法中的結(jié)構(gòu)分析理論，構(gòu)建淮河流域用水系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分析模型，對淮河流域用水系統(tǒng)2003-2018年的演變特征進(jìn)行分析，以期能為流域引水調(diào)水、閘壩及其它水利工程的建設(shè)與管理提供幫助。

1 淮河流域水資源概況

淮河起源于嵩縣車村鎮(zhèn)境內(nèi)，流經(jīng)河南、湖北、安徽及江蘇4省，總長1 252 km，流域面積約為27.5×104km2?；春恿饔蛞员睂倥瘻貛^(qū)、以南屬北亞熱帶區(qū)，年平均氣溫11℃～16℃，多年平均降雨量為920 mm，多年平均蒸發(fā)量900～1 500 mm；流域內(nèi)冬春干旱少雨，夏秋悶熱多雨，冷暖和早澇轉(zhuǎn)變急??；流域多年平均徑流量約為621×108m3，多年平均徑流深231 mm。根據(jù)流域行政區(qū)特點，將淮河流域分為4個二級水資源區(qū)，各區(qū)近年來的水資源情況統(tǒng)計見表1。

表1 淮河流域各分區(qū)水資源情況 /108 m3·a-1

2 流域用水系統(tǒng)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型的建立

2.1 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析

生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析包括系統(tǒng)總通量(TST，Total System Throughflow，反映物質(zhì)能量在各組分之間相互傳遞的總流量)分析、優(yōu)勢度(A，Ascendency，衡量物質(zhì)能量傳遞時的效率值大小)分析、冗余(R，Redundancy)分析和開銷(O，Overhead)分析，冗余和開銷分析均用來表示遭到外界干擾時的自穩(wěn)定能力，也成為系統(tǒng)的自恢復(fù)能力。各指標(biāo)的計算公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：n為生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型節(jié)點數(shù)；n+1為輸出源；Tij為由節(jié)點i傳輸至j的流量值；Tj、Ti分別為節(jié)點j和i的流量之和。

生態(tài)結(jié)構(gòu)平衡認(rèn)為：系統(tǒng)的物質(zhì)能量傳遞在受到外界干擾后，恢復(fù)力之間應(yīng)該存在某種平衡關(guān)系，使得系統(tǒng)調(diào)整至可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)，該平衡狀態(tài)可用指標(biāo)a和φ來表示，即有：

(5)

(6)

2.2 流域用水系統(tǒng)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型的建立

根據(jù)當(dāng)前流域水資源結(jié)構(gòu)成分，將流域生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型劃分為10個節(jié)點，即河流節(jié)點、配水系統(tǒng)節(jié)點、生活用水節(jié)點、農(nóng)業(yè)用水節(jié)點、景觀用水節(jié)點、工業(yè)用水節(jié)點、生態(tài)用水節(jié)點、污水凈化系統(tǒng)節(jié)點I、污水凈化系統(tǒng)節(jié)點II以及廢水回用系統(tǒng)節(jié)點。各節(jié)點之間通過對應(yīng)的關(guān)系fij來進(jìn)行物質(zhì)能量的傳遞，z1表示從環(huán)境進(jìn)入系統(tǒng)的水資源總量 ，y1表示系統(tǒng)輸出總量，y3、y4、y5、y6則表示輸出路徑，見圖1。

圖1 流域用水系統(tǒng)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型示意

3 用水系統(tǒng)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)演變特征研究

3.1 TST分析

將流域2003-2018年的用水系統(tǒng)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)流值以及流域水資源各類別數(shù)值代入式(1)，計算得到4個二級分區(qū)TST隨年份的變化關(guān)系，見圖2。從圖2中可以看到，淮河流域的TST隨時間呈3階段變化特征：第一階段為快速降低階段(2003-2006年)、第二階段為動態(tài)緩慢降低階段(2006-2012年)、第三階段為平穩(wěn)穩(wěn)定階段(2012-2018年)。從總體上來講，淮河流域系統(tǒng)內(nèi)的水資源總量均在逐漸減少，表明流域用水系統(tǒng)規(guī)模在不斷減?。挥捎谠?003年流域出現(xiàn)了較大降水，因此2003年的系統(tǒng)進(jìn)出水總通量最大，并從而產(chǎn)生第一階段的突降現(xiàn)象；對比4個二級分區(qū)的TST值可知，河南、湖北、安徽的水資源總量基本相當(dāng)，且變化趨勢也基本相似，而江蘇的水資源總量相比其它地區(qū)而言較小，僅為其它地區(qū)的50%左右。

圖2 流域TST隨年份變化特征

3.2 A、R、O分析

A、R、O這3個參數(shù)隨時間的變化趨勢與TST表現(xiàn)基本一致，均隨著時間呈動態(tài)波動減小，最近幾年逐漸趨于穩(wěn)定，見圖3。A值由大到小的變化趨勢表明，淮河流域用水系統(tǒng)的規(guī)模在不斷縮減的同時，其系統(tǒng)的發(fā)展程度也隨著不斷降低，流域用水系統(tǒng)的自組織性正在不斷弱化；從R和O兩個指標(biāo)的變化特征來看，當(dāng)系統(tǒng)受到外界環(huán)境干擾或者系統(tǒng)自身內(nèi)部各組成部分的開銷均在不斷降低，說明流域用水系統(tǒng)所受到外界環(huán)境的壓力隨著時間增長在逐漸減弱，這與政府采取的調(diào)水工程以及節(jié)水工程等措施有關(guān)。同樣，河南、湖北、安徽3地區(qū)的A、R、O值明顯大于江蘇地區(qū)，江蘇地區(qū)指標(biāo)的變化幅度和減小趨勢更加明顯。

圖3 流域A、R、O隨年份變化特征

3.3 a和φ分析

計算分析得到的淮河流域a和φ值的變化特征見圖4。從圖4中可以對比看到，a和φ值的變化特征基本相反，不同地區(qū)的a和φ值變化情況不同，總體而言a值大于φ值，表明流域用水系統(tǒng)的物質(zhì)能量進(jìn)行傳遞和轉(zhuǎn)換的能力要明顯強于用水系統(tǒng)抵抗外界環(huán)境干擾的能力，流域用水系統(tǒng)具有更高的物質(zhì)能量傳輸能力。隨著時間的推移(近年來)，安徽、江蘇的物質(zhì)能量傳輸能力正在逐漸增強，抵抗外界環(huán)境干擾的能力在逐漸減弱；河南、湖北物質(zhì)能量傳輸能力在逐漸減弱，而抵抗外界干擾的能力在逐漸增強。

圖4 流域 a和φ值隨年份變化特征

單從各分區(qū)a值變化過程來講，河南和湖北地區(qū)的變化幅度較小，基本呈先增后減特征，變化區(qū)間為0.59～0.61；安徽和江蘇地區(qū)的a值變化幅度較大，呈先增后減再增的總體特征，分別從2003年的0.597和0.616上升至2018年的0.652和0.670，相應(yīng)增加9.2%和8.8%，表明兩地區(qū)的物質(zhì)能量傳輸能力上漲約10%。單就各分區(qū)φ值變化情況而言，仍是河南、湖北地區(qū)的變化較為穩(wěn)定，介于0.37～0.4之間，表明流域中上游地區(qū)的整個自恢復(fù)和穩(wěn)定的能力強于中下游地區(qū)；安徽、江蘇地區(qū)的φ值分別從2003年的0.402和0.385下降至2018年的0.345和0.314，相應(yīng)降低14.2%和18.4%，平均下降16.3%。

4 結(jié) 論

基于生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析法中的結(jié)構(gòu)分析，對淮河流域的用水系統(tǒng)演變特征進(jìn)行了對比分析，主要結(jié)論如下：

1) 流域各分區(qū)的TST值隨時間呈“快速減小-緩慢波動減小-基本平衡穩(wěn)定”3個階段變化特征，江蘇地區(qū)的TST值僅為其它3個地區(qū)的50%左右。

2) 淮河流域的用水系統(tǒng)規(guī)模和發(fā)展程度均在不斷減小，系統(tǒng)受到外界環(huán)境干擾的壓力隨時間正在逐漸減弱。

3) 流域目前的物質(zhì)能量傳輸能力要大于抵抗外界干擾的能力。中上游地區(qū)的變化幅度較小，相對較穩(wěn)定；中下游地區(qū)的變化幅度較大，相對波動較大。