基于生態網絡分析法的淮河流域用水系統演變特征分析

談 箐

(安徽省郎溪縣水利局，安徽 宣城 242100)

0 引 言

水資源不僅關乎著自然生態環境，也關乎著社會經濟的發展，構成了用水系統的復雜性。隨著城鎮建設、工業化進程的快速發展，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濟發展的主要絆腳石之一[1-2]。流域作為水資源集中區，也是社會、經濟、工業發展的核心區域，水資源問題更加突出。在不同歷史時期和不同社會環境下，做好流域水資源研究，及時掌握流域用水系統內部和整體的關聯性，對于本區域的水生態安全具有重要意義[3-4]。

張曉宇等采用系統動力學方法，對阿拉善“三生”用水系統演化進行了模擬和調控，對該地區水資源的合理利用提出了建議[5]。彭焜等以湖北省為例，基于系統投入產出和生態網絡分析對能源和水資源之間的綜合管理進行了研究，確定了兩者的耦合發展關系[6]。宋玉玲等從網絡分析法的角度出發，對武漢市的景觀生態網絡格局進行了分析，獲得了總體、分區以及分等級情況下的網絡格局特征[7]。生態網絡分析法作為生態學中應用最為廣泛的系統分析法，在礦山、化工等領域效果顯著，近年來也被逐漸引入到流域水資源的研究當中，并取得了不錯的應用效果[8-9]。

淮河作為中國七大水系之一，水資源的利用和用水結構情況的變化關系著流域也關系著數以千萬人的生產生活[10-11]，故本文擬利用生態網絡分析法中的結構分析理論，構建淮河流域用水系統網絡分析模型，對淮河流域用水系統2003-2018年的演變特征進行分析，以期能為流域引水調水、閘壩及其它水利工程的建設與管理提供幫助。

1 淮河流域水資源概況

淮河起源于嵩縣車村鎮境內，流經河南、湖北、安徽及江蘇4省，總長1 252 km，流域面積約為27.5×104km2。淮河流域以北屬暖溫帶區、以南屬北亞熱帶區，年平均氣溫11℃～16℃，多年平均降雨量為920 mm，多年平均蒸發量900～1 500 mm；流域內冬春干旱少雨，夏秋悶熱多雨，冷暖和早澇轉變急劇；流域多年平均徑流量約為621×108m3，多年平均徑流深231 mm。根據流域行政區特點，將淮河流域分為4個二級水資源區，各區近年來的水資源情況統計見表1。

表1 淮河流域各分區水資源情況 /108 m3·a-1

2 流域用水系統生態網絡模型的建立

2.1 生態網絡結構分析

生態網絡結構分析包括系統總通量(TST，Total System Throughflow，反映物質能量在各組分之間相互傳遞的總流量)分析、優勢度(A，Ascendency，衡量物質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定能力，也成為系統的自恢復能力。各指標的計算公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：n為生態網絡模型節點數；n+1為輸出源；Tij為由節點i傳輸至j的流量值；Tj、Ti分別為節點j和i的流量之和。

生態結構平衡認為：系統的物質能量傳遞在受到外界干擾后，恢復力之間應該存在某種平衡關系，使得系統調整至可持續發展狀態，該平衡狀態可用指標a和φ來表示，即有：

(5)

(6)

2.2 流域用水系統生態網絡模型的建立

根據當前流域水資源結構成分，將流域生態網絡模型劃分為10個節點，即河流節點、配水系統節點、生活用水節點、農業用水節點、景觀用水節點、工業用水節點、生態用水節點、污水凈化系統節點I、污水凈化系統節點II以及廢水回用系統節點。各節點之間通過對應的關系fij來進行物質能量的傳遞，z1表示從環境進入系統的水資源總量 ，y1表示系統輸出總量，y3、y4、y5、y6則表示輸出路徑，見圖1。

圖1 流域用水系統生態網絡模型示意

3 用水系統生態網絡演變特征研究

3.1 TST分析

將流域2003-2018年的用水系統生態網絡流值以及流域水資源各類別數值代入式(1)，計算得到4個二級分區TST隨年份的變化關系，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)、第二階段為動態緩慢降低階段(2006-2012年)、第三階段為平穩穩定階段(2012-2018年)。從總體上來講，淮河流域系統內的水資源總量均在逐漸減少，表明流域用水系統規模在不斷減小；由于在2003年流域出現了較大降水，因此2003年的系統進出水總通量最大，并從而產生第一階段的突降現象；對比4個二級分區的TST值可知，河南、湖北、安徽的水資源總量基本相當，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而言較小，僅為其它地區的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個參數隨時間的變化趨勢與TST表現基本一致，均隨著時間呈動態波動減小，最近幾年逐漸趨于穩定，見圖3。A值由大到小的變化趨勢表明，淮河流域用水系統的規模在不斷縮減的同時，其系統的發展程度也隨著不斷降低，流域用水系統的自組織性正在不斷弱化；從R和O兩個指標的變化特征來看，當系統受到外界環境干擾或者系統自身內部各組成部分的開銷均在不斷降低，說明流域用水系統所受到外界環境的壓力隨著時間增長在逐漸減弱，這與政府采取的調水工程以及節水工程等措施有關。同樣，河南、湖北、安徽3地區的A、R、O值明顯大于江蘇地區，江蘇地區指標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，表明流域用水系統的物質能量進行傳遞和轉換的能力要明顯強于用水系統抵抗外界環境干擾的能力，流域用水系統具有更高的物質能量傳輸能力。隨著時間的推移(近年來)，安徽、江蘇的物質能量傳輸能力正在逐漸增強，抵抗外界環境干擾的能力在逐漸減弱；河南、湖北物質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a值變化過程來講，河南和湖北地區的變化幅度較小，基本呈先增后減特征，變化區間為0.59～0.61；安徽和江蘇地區的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，相應增加9.2%和8.8%，表明兩地區的物質能量傳輸能力上漲約10%。單就各分區φ值變化情況而言，仍是河南、湖北地區的變化較為穩定，介于0.37～0.4之間，表明流域中上游地區的整個自恢復和穩定的能力強于中下游地區；安徽、江蘇地區的φ值分別從2003年的0.402和0.385下降至2018年的0.345和0.314，相應降低14.2%和18.4%，平均下降16.3%。

4 結 論

基于生態網絡分析法中的結構分析，對淮河流域的用水系統演變特征進行了對比分析，主要結論如下：

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

2) 淮河流域的用水系統規模和發展程度均在不斷減小，系統受到外界環境干擾的壓力隨時間正在逐漸減弱。

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