基于能值生態(tài)足跡的調(diào)水工程供水區(qū)可持續(xù)性評價

汪定盼，李繼清，謝開杰

(華北電力大學可再生能源學院，北京102206)

0 引 言

調(diào)水工程是解決水資源空間分布不均、緩解缺水地區(qū)水資源供需矛盾、實現(xiàn)水資源合理配置的有效措施，是促進缺水地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展與水資源綜合開發(fā)利用的重要途徑。據(jù)現(xiàn)有文獻記載[1]，目前全球至少已經(jīng)有40多個國家和地區(qū)建成了350余項規(guī)模不一的調(diào)水工程。1949年以來，特別是改革開放以后，我國相繼建成了一些調(diào)水工程，如南水北調(diào)工程、東深調(diào)水工程、引灤入津工程、引黃濟青工程、引黃入衛(wèi)工程等。但這些調(diào)水工程在促進經(jīng)濟和社會繁榮的同時，也對生態(tài)環(huán)境所產(chǎn)生了負面影響。比如，某些大規(guī)模調(diào)水工程引發(fā)的海水入侵、河流水質(zhì)下降、輸水系統(tǒng)泥沙淤積、水生生物系統(tǒng)破壞、大面積土地淹沒以及非自愿性移民。上述問題的出現(xiàn)促使人類不得不關注生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展問題，對調(diào)水工程供水區(qū)做出合理的可持續(xù)性評價也就很有必要。

目前，國內(nèi)外已有一些關于調(diào)水工程對生態(tài)環(huán)境影響評價的研究。Mampiti[2]等應用生態(tài)經(jīng)濟核算矩陣評價了Lesotho和SA的生態(tài)經(jīng)濟影響，判定了調(diào)水工程對生態(tài)經(jīng)濟的影響程度。國內(nèi)調(diào)水工程對生態(tài)環(huán)境影響評價方法主要有矩陣法、綜合評價指數(shù)法 、模糊綜合評價法和 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡法等。常玉苗[3]等建立跨流域調(diào)水工程對生態(tài)環(huán)境影響的綜合評價指標。常本春[4]等從生態(tài)角度，構(gòu)建了水利水電工程生態(tài)效應狀態(tài)壓力效應評價指標體系框架模型。這些方法在使用的同時也存在著不足，如矩陣法會帶來主觀偏差，影響估計的結(jié)果；綜合評價指數(shù)法受人為因素影響太大；模糊綜合評價法不能消除評價指標的相關性，各因素權重也帶有主觀性且過程過于繁瑣，實用性不強；BP 神經(jīng)網(wǎng)絡法尚未有理論計算公式。近年來，運用能值生態(tài)足跡模型評價區(qū)域可持續(xù)發(fā)展狀況，是一種新的思路和方法。

能值分析理論為可持續(xù)發(fā)展模式與策略的制定提供了一個量化的方法[5]。能值理論是由美國著名生態(tài)學家H T Odum為首的科學家于20世紀80年代后期提出和發(fā)展起來的科學體系。生態(tài)足跡理論是由加拿大生態(tài)經(jīng)濟學家E William及其學生M Wackernagel于1992年提出的，并廣泛應用于全球、國家、城市和區(qū)域等層面上。1999年，徐中民等將生態(tài)足跡理論引入我國，許多學者應用能值分析理論對生態(tài)足跡的計算進行了改進。

本文采用能值理論，建立能值生態(tài)足跡分析模型，通過計算調(diào)水工程供水區(qū)的水資源能值生態(tài)承載力和能值生態(tài)足跡等基礎參數(shù)，分析可持續(xù)性指數(shù)，了解調(diào)水工程的影響強度，繼而對調(diào)水工程供水區(qū)的可持續(xù)發(fā)展狀況做出系統(tǒng)的分析與評價。

1 理論基礎和研究方法

1.1 能值理論及相關概念

能值分析從一個更為系統(tǒng)化的角度給出了可持續(xù)發(fā)展水平的衡量標準，即以能值為基準，可以把生態(tài)系統(tǒng)中不同種類、不可比較的能量轉(zhuǎn)化成同一標準的能值來衡量和分析[6]。主要涉及能值和能值轉(zhuǎn)換率兩個概念。

能值(emergy)：一種流動或儲存的能量所包含另一種類別能量的數(shù)量，稱為該能量的能值。在實際應用中，以“太陽能值”衡量某一種能量的能值，任何流動和儲存的能量所包含的太陽能的量，即為該能量的太陽能能值。能值轉(zhuǎn)換率(emergy transformity)：形成每單位物質(zhì)或者能量所含有的另一種能量的量，稱為能值轉(zhuǎn)換率。常用的太陽能值轉(zhuǎn)換率，是指形成每單位物質(zhì)或能量所含有的太陽能的量，單位為sej/j或者sej/g。Odum和各國研究人員經(jīng)過大量研究實踐，換算出了自然界和人類是經(jīng)濟社會生活主要能量類型的太陽能值轉(zhuǎn)換率[6]。

1.2 生態(tài)足跡理論

生態(tài)足跡理論是將區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展所需的資源和能源消費轉(zhuǎn)化為提供這種物質(zhì)流所必需的各種生物生產(chǎn)土地的面積，并同區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)所能提供的生物生產(chǎn)土地面積進行比較，定量判斷一個區(qū)域的發(fā)展是否處于生態(tài)承載力范圍內(nèi)[7]。

當一個地區(qū)的生態(tài)承載力小于生態(tài)足跡時，即出現(xiàn)生態(tài)赤字，表明該區(qū)域?qū)ψ匀毁Y源的消耗超過了生態(tài)環(huán)境所能承載的范圍，發(fā)展處于相對不可持續(xù)狀態(tài)；當其生態(tài)承載力大于生態(tài)足跡時，則產(chǎn)生生態(tài)盈余，表明該區(qū)域自然資源可以滿足人類消費需求，區(qū)域發(fā)展具有可持續(xù)性。

1.3 基于能值理論的生態(tài)足跡模型基本方法

能值生態(tài)足跡模型分析的基礎是將生物生產(chǎn)性土地上的消費項目對應關系梳理清楚，再按照能值理論和生態(tài)足跡理論的關系進行測算。首先，把不同等級、不同類型的能量根據(jù)具體的公式和指標數(shù)據(jù)換算成太陽能值，作為計算能值生態(tài)承載力的基礎[8]；其次，把各個消費的具體項目換算成為和該項目對應的生產(chǎn)性土地面積，作為能值生態(tài)足跡；最后，將研究區(qū)域的能值生態(tài)承載力和能值生態(tài)足跡數(shù)據(jù)進行比較，就可以分析出該區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展狀況[9-11]，其基本計算公式和方法如表1所示。

表1 能值生態(tài)承載力和能值生態(tài)足跡計算公式Tab.1 The formulas of emerge ecological carrying capacity and emerge ecological footprint

注：EM為能值；τ為能值轉(zhuǎn)換率；B為有效能(原始數(shù)據(jù))；Ec為人均生態(tài)承載力；e為可更新資源的人均太陽能值；ρ1為全球平均能值密度， 3.104×1010sej/m2；ρ2為區(qū)域能值密度；E為區(qū)域總能值；S為區(qū)域土地面積；Ef為表示人均生態(tài)足跡；i表示資源類型；ai表示第i種資源的人均生態(tài)足跡；ci表示第i種資源的人均能值；若SEI=0.5，區(qū)域處于可持續(xù)發(fā)展邊緣狀態(tài)；若SEI>0.5，區(qū)域可持續(xù)性較差；若SEI<0.5時，區(qū)域可持續(xù)性較好。

2 實例分析

2.1 研究區(qū)域概況

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國西北某地區(qū)的缺水問題日益嚴重，地下水位大幅下降，水質(zhì)惡化，天然荒漠植被嚴重退化，沙漠南侵，通過調(diào)水來解決經(jīng)濟與環(huán)境發(fā)展是必然的選擇。該地區(qū)的調(diào)水工程第一期項目于2000年8月建成通水，調(diào)水距離全長460 km，工程設計年調(diào)水量8.4億m3；2005年9月第二期項目建成，調(diào)水距離全長375.6 km，設計年調(diào)水量5.6億m3；后期工程仍在建設中，設計規(guī)模工程建成后，屆時年調(diào)水量將達到25億m3。截止2012年底，該工程已累計供水62.9億m3，充分發(fā)揮了供水、發(fā)電和防洪減災等綜合經(jīng)濟效益和社會效益。本文主要研究2012年該調(diào)水工程供水區(qū)生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)性情況，相關原始數(shù)據(jù)來源于新疆維吾爾自治區(qū)科技計劃項目《基于循環(huán)經(jīng)濟理念的額爾齊斯河供水區(qū)水資源可持續(xù)利用研究》報告和《新疆統(tǒng)計年鑒-2012》。

該調(diào)水工程的供水區(qū)地處亞歐大陸腹地，遠離海洋，年平均降水量154.5 mm，整個供水區(qū)降水空間分布很不均衡，西多東少，山區(qū)多平原少。由于地處內(nèi)陸地區(qū)，其生態(tài)系統(tǒng)相對封閉，生態(tài)環(huán)境脆弱，有害物質(zhì)易于積聚，污染恢復難的水質(zhì)性矛盾突出。隨著水資源調(diào)出，當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟發(fā)生了一定的變化。供水的部分經(jīng)濟帶和礦產(chǎn)資源開發(fā)區(qū)位于內(nèi)陸河流域，產(chǎn)生的有害物質(zhì)幾乎都進入缺乏水文大循環(huán)能力的內(nèi)陸河，容易引發(fā)環(huán)境質(zhì)量劣變，故該供水區(qū)的可持續(xù)發(fā)展狀況值得研究。根據(jù)行政劃分，該調(diào)水工程供水區(qū)可劃為7個分區(qū)，其基本情況如下：區(qū)域一水資源總量為125.90億m3，生態(tài)環(huán)境按其結(jié)構(gòu)、功能、生態(tài)過程以及對自然和人為的抗干擾能力分為山地生態(tài)系統(tǒng)、平原荒漠生態(tài)系統(tǒng)、河谷平原生態(tài)系統(tǒng)、人工綠洲生態(tài)系統(tǒng)、沙漠生態(tài)系統(tǒng)和河流生態(tài)系統(tǒng)等類型；區(qū)域二水資源總量為6.38億m3，地處沙漠的沖積扇，境內(nèi)全屬內(nèi)流河與內(nèi)流湖，自然水系主要是河流水源和地下水，植被稀少地區(qū)生長著梭梭、沙棗樹等藜科類植被，植被較好地區(qū)生長著大片胡楊林，紅柳和云杉林等；區(qū)域三水資源總量為19.3億m3，有以蒿草、苔草為主的高山草甸植被，以羊茅、狐茅為主的亞高山草甸植被，以云杉為主的森林草甸植被，以針茅、早熟禾為主的山地草甸草原植被和以紅柳為主的荒漠植被等；區(qū)域四水資源總量約為4 億m3，地勢北高南低，北部多為低山、丘陵，南部為沙漠，中部是山前沖積平原；區(qū)域五水資源總量約為14.63 億m3，主要分為南部涵養(yǎng)水源生態(tài)區(qū)、中部平原綠洲生態(tài)區(qū)和北部荒漠生態(tài)區(qū)；區(qū)域六水資源總量約為16.86億m3，地區(qū)植被較為復雜，未被利用的戈壁、沙漠、高山約占總面積的70.65%；區(qū)域七水資源總量約為12.6億m3，處于封閉性的山間盆地內(nèi)，生態(tài)環(huán)境脆弱、荒漠植被稀少，綠洲周邊基本為戈壁礫石區(qū)。

2.2 供水區(qū)的能值生態(tài)承載力和能值生態(tài)足跡計算

根據(jù)研究區(qū)域的具體情況，計算能值生態(tài)承載力時選取水資源為供水區(qū)的可更新資源，分為地表水化學能，地下水化學能和雨水勢能；選取小麥、水稻、棉花、玉米、油料、甜菜、蔬菜、瓜果、肉類、禽蛋和奶類等11種與水資源相關的消費項目作為計算能值生態(tài)足跡的指標。其相關關系如圖1所示。

圖1 可更新資源和消費指標的關系Fig.1 The relationship between renewable resources and consumption indicators

2.2.1供水區(qū)能值生態(tài)承載力的計算

地表水化學能，地下水化學能和雨水勢能的各項能值轉(zhuǎn)換率依次為1.54×104，8.89×103和8.89×103sej/j。由公式(1)求得各個分區(qū)的可更新資源的總能值，引入人口數(shù)據(jù)，并扣除12%的生物多樣性保護面積，根據(jù)公式(2)可求得各個區(qū)域的人均能值生態(tài)承載力Ec，見表2，表中的原始數(shù)據(jù)來源于區(qū)域統(tǒng)計年鑒，工程概況報告和相關文獻。

2.2.2供水區(qū)能值生態(tài)足跡的計算

引入?yún)^(qū)域土地面積和人口數(shù)據(jù)，根據(jù)公式(3)，求得供水區(qū)各個分區(qū)的區(qū)域能值密度ρ2，根據(jù)公式(1)和(4)求得各個分區(qū)各項指標的人均能值生態(tài)足跡Ef，見表3。

表2 調(diào)水工程供水區(qū)能值生態(tài)承載力 Tab.2 The emerge ecological carrying capacity in water supply areas of water diversion project

表3 供水區(qū)各項消費指標的能值生態(tài)足跡計算Tab.3 The emerge ecological footprint of consumption indicators in water supply areas

2.3 計算分析

將各個分區(qū)的人均能值生態(tài)承載力Ec和人均能值生態(tài)足跡Ef進行比較，如圖2條形圖所示，可以直觀地看出兩者的大小，區(qū)域二和區(qū)域三的人均能值生態(tài)承載力Ec大于人均能值生態(tài)足跡Ef，出現(xiàn)了生態(tài)盈余，表明這兩個區(qū)域生態(tài)環(huán)境發(fā)展良好，有利于區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展；區(qū)域一、區(qū)域四、區(qū)域五、區(qū)域六和區(qū)域七的人均能值生態(tài)承載力Ec小于人均能值生態(tài)足跡Ef，出現(xiàn)了明顯的生態(tài)赤字，表明區(qū)域不滿足可持續(xù)性發(fā)展，生態(tài)環(huán)境需要改善。

圖2 調(diào)水工程供水區(qū)可持續(xù)性分析Fig.2 The analysis of water supply areas of water diversion project

根據(jù)公式(5)，計算各個分區(qū)的可持續(xù)性指數(shù)SEI，結(jié)果如圖2折線節(jié)點所示。圖中水平黑直線表示可持續(xù)性指數(shù)SEI為0.5的臨界線，由公式(5)知，當SEI=0.5時，人均能值生態(tài)承載力Ec等于人均能值生態(tài)足跡Ef，可持續(xù)性處于臨界狀態(tài)；當可持續(xù)性指數(shù)SEI<0.5，即折線位于虛線下方，表明該分區(qū)滿足生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展；當可持續(xù)性指數(shù)SEI>0.5，即折線位于虛線上方，表明該分區(qū)不滿足生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。顯然，除區(qū)域二和區(qū)域三外，其他分區(qū)均不滿足可持續(xù)性要求。對比供水區(qū)各個分區(qū)具體的生態(tài)環(huán)境情況，區(qū)域二和區(qū)域三植被種類比較豐富，覆蓋率比較大，滿足生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展；區(qū)域一水資源總量比較充沛，但生態(tài)系統(tǒng)比較復雜，且該區(qū)域人口基數(shù)大，城市化程度高，工業(yè)發(fā)展過快，需水量增加幅度大，很難滿足區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的需求；區(qū)域四、區(qū)域五、區(qū)域六和區(qū)域七水資源總量不夠豐富，大部分地貌是未被利用的戈壁、沙漠和高山，植被稀少，生態(tài)環(huán)境脆弱，因此，也不滿足生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

3 結(jié)論和建議

(1)整體而言，該調(diào)水工程供水區(qū)的生態(tài)環(huán)境不滿足可持續(xù)性發(fā)展的要求，計算結(jié)果與實際情況是一致的。根據(jù)工程供水區(qū)的具體情況提出以下建議：①加大水資源在時間、空間和使用對象上的合理優(yōu)化配置，促使該區(qū)域水資源可持續(xù)利用，提高生態(tài)環(huán)境的恢復能力；②節(jié)約用水、減少耗水，注重節(jié)流，確保該區(qū)域生態(tài)環(huán)境能夠綜合好轉(zhuǎn)；③延長水的使用周期、降低水需求，提高水資源利用效率，為生態(tài)環(huán)境的逐步改善提供保障；④加大污水處理力度、提高水循環(huán)利用率，做到生態(tài)環(huán)境不再惡化；⑤加大水市場調(diào)配力度、增加水資源利用效益，并對生態(tài)環(huán)境加以修復。另外，鑒于該工程存在跨流域、跨區(qū)域配置水資源，相關政府應加快并實施水權交易政策和生態(tài)補償政策，為生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展提供政策支持。

(2)基于能值生態(tài)足跡模型的可持續(xù)性評價計算過程簡單，結(jié)果也比較直觀，實用性強。本文計算的結(jié)果可以很好地為該調(diào)水工程供水區(qū)域制定以可持續(xù)發(fā)展為目標的水資源合理配置和調(diào)水工程的合理管理提供參考。但是作為一種較新的方法，在運用過程中，由于數(shù)據(jù)資料的局限和消費項目選取的主觀性，可能會對結(jié)果產(chǎn)生細微的偏差，需要做更進一步的研究。

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