基于生态网络分析法的淮河流域用水系统演变特征分析

谈 箐

(安徽省郎溪县水利局，安徽 宣城 242100)

0 引 言

水资源不仅关乎着自然生态环境，也关乎着社会经济的发展，构成了用水系统的复杂性。随着城镇建设、工业化进程的快速发展，水资源短缺、恶化及地下水超采等问题日益突出，用水与供水问题将逐渐成为制约社会经济发展的主要绊脚石之一[1-2]。流域作为水资源集中区，也是社会、经济、工业发展的核心区域，水资源问题更加突出。在不同历史时期和不同社会环境下，做好流域水资源研究，及时掌握流域用水系统内部和整体的关联性，对于本区域的水生态安全具有重要意义[3-4]。

张晓宇等采用系统动力学方法，对阿拉善“三生”用水系统演化进行了模拟和调控，对该地区水资源的合理利用提出了建议[5]。彭焜等以湖北省为例，基于系统投入产出和生态网络分析对能源和水资源之间的综合管理进行了研究，确定了两者的耦合发展关系[6]。宋玉玲等从网络分析法的角度出发，对武汉市的景观生态网络格局进行了分析，获得了总体、分区以及分等级情况下的网络格局特征[7]。生态网络分析法作为生态学中应用最为广泛的系统分析法，在矿山、化工等领域效果显著，近年来也被逐渐引入到流域水资源的研究当中，并取得了不错的应用效果[8-9]。

淮河作为中国七大水系之一，水资源的利用和用水结构情况的变化关系着流域也关系着数以千万人的生产生活[10-11]，故本文拟利用生态网络分析法中的结构分析理论，构建淮河流域用水系统网络分析模型，对淮河流域用水系统2003-2018年的演变特征进行分析，以期能为流域引水调水、闸坝及其它水利工程的建设与管理提供帮助。

1 淮河流域水资源概况

淮河起源于嵩县车村镇境内，流经河南、湖北、安徽及江苏4省，总长1 252 km，流域面积约为27.5×104km2。淮河流域以北属暖温带区、以南属北亚热带区，年平均气温11℃～16℃，多年平均降雨量为920 mm，多年平均蒸发量900～1 500 mm；流域内冬春干旱少雨，夏秋闷热多雨，冷暖和早涝转变急剧；流域多年平均径流量约为621×108m3，多年平均径流深231 mm。根据流域行政区特点，将淮河流域分为4个二级水资源区，各区近年来的水资源情况统计见表1。

表1 淮河流域各分区水资源情况 /108 m3·a-1

2 流域用水系统生态网络模型的建立

2.1 生态网络结构分析

生态网络结构分析包括系统总通量(TST，Total System Throughflow，反映物质能量在各组分之间相互传递的总流量)分析、优势度(A，Ascendency，衡量物质能量传递时的效率值大小)分析、冗余(R，Redundancy)分析和开销(O，Overhead)分析，冗余和开销分析均用来表示遭到外界干扰时的自稳定能力，也成为系统的自恢复能力。各指标的计算公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：n为生态网络模型节点数；n+1为输出源；Tij为由节点i传输至j的流量值；Tj、Ti分别为节点j和i的流量之和。

生态结构平衡认为：系统的物质能量传递在受到外界干扰后，恢复力之间应该存在某种平衡关系，使得系统调整至可持续发展状态，该平衡状态可用指标a和φ来表示，即有：

(5)

(6)

2.2 流域用水系统生态网络模型的建立

根据当前流域水资源结构成分，将流域生态网络模型划分为10个节点，即河流节点、配水系统节点、生活用水节点、农业用水节点、景观用水节点、工业用水节点、生态用水节点、污水净化系统节点I、污水净化系统节点II以及废水回用系统节点。各节点之间通过对应的关系fij来进行物质能量的传递，z1表示从环境进入系统的水资源总量 ，y1表示系统输出总量，y3、y4、y5、y6则表示输出路径，见图1。

图1 流域用水系统生态网络模型示意

3 用水系统生态网络演变特征研究

3.1 TST分析

将流域2003-2018年的用水系统生态网络流值以及流域水资源各类别数值代入式(1)，计算得到4个二级分区TST随年份的变化关系，见图2。从图2中可以看到，淮河流域的TST随时间呈3阶段变化特征：第一阶段为快速降低阶段(2003-2006年)、第二阶段为动态缓慢降低阶段(2006-2012年)、第三阶段为平稳稳定阶段(2012-2018年)。从总体上来讲，淮河流域系统内的水资源总量均在逐渐减少，表明流域用水系统规模在不断减小；由于在2003年流域出现了较大降水，因此2003年的系统进出水总通量最大，并从而产生第一阶段的突降现象；对比4个二级分区的TST值可知，河南、湖北、安徽的水资源总量基本相当，且变化趋势也基本相似，而江苏的水资源总量相比其它地区而言较小，仅为其它地区的50%左右。

图2 流域TST随年份变化特征

3.2 A、R、O分析

A、R、O这3个参数随时间的变化趋势与TST表现基本一致，均随着时间呈动态波动减小，最近几年逐渐趋于稳定，见图3。A值由大到小的变化趋势表明，淮河流域用水系统的规模在不断缩减的同时，其系统的发展程度也随着不断降低，流域用水系统的自组织性正在不断弱化；从R和O两个指标的变化特征来看，当系统受到外界环境干扰或者系统自身内部各组成部分的开销均在不断降低，说明流域用水系统所受到外界环境的压力随着时间增长在逐渐减弱，这与政府采取的调水工程以及节水工程等措施有关。同样，河南、湖北、安徽3地区的A、R、O值明显大于江苏地区，江苏地区指标的变化幅度和减小趋势更加明显。

图3 流域A、R、O随年份变化特征

3.3 a和φ分析

计算分析得到的淮河流域a和φ值的变化特征见图4。从图4中可以对比看到，a和φ值的变化特征基本相反，不同地区的a和φ值变化情况不同，总体而言a值大于φ值，表明流域用水系统的物质能量进行传递和转换的能力要明显强于用水系统抵抗外界环境干扰的能力，流域用水系统具有更高的物质能量传输能力。随着时间的推移(近年来)，安徽、江苏的物质能量传输能力正在逐渐增强，抵抗外界环境干扰的能力在逐渐减弱；河南、湖北物质能量传输能力在逐渐减弱，而抵抗外界干扰的能力在逐渐增强。

图4 流域 a和φ值随年份变化特征

单从各分区a值变化过程来讲，河南和湖北地区的变化幅度较小，基本呈先增后减特征，变化区间为0.59～0.61；安徽和江苏地区的a值变化幅度较大，呈先增后减再增的总体特征，分别从2003年的0.597和0.616上升至2018年的0.652和0.670，相应增加9.2%和8.8%，表明两地区的物质能量传输能力上涨约10%。单就各分区φ值变化情况而言，仍是河南、湖北地区的变化较为稳定，介于0.37～0.4之间，表明流域中上游地区的整个自恢复和稳定的能力强于中下游地区；安徽、江苏地区的φ值分别从2003年的0.402和0.385下降至2018年的0.345和0.314，相应降低14.2%和18.4%，平均下降16.3%。

4 结 论

基于生态网络分析法中的结构分析，对淮河流域的用水系统演变特征进行了对比分析，主要结论如下：

1) 流域各分区的TST值随时间呈“快速减小-缓慢波动减小-基本平衡稳定”3个阶段变化特征，江苏地区的TST值仅为其它3个地区的50%左右。

2) 淮河流域的用水系统规模和发展程度均在不断减小，系统受到外界环境干扰的压力随时间正在逐渐减弱。

3) 流域目前的物质能量传输能力要大于抵抗外界干扰的能力。中上游地区的变化幅度较小，相对较稳定；中下游地区的变化幅度较大，相对波动较大。