基于能值生态足迹的调水工程供水区可持续性评价

汪定盼，李继清，谢开杰

(华北电力大学可再生能源学院，北京102206)

0 引 言

调水工程是解决水资源空间分布不均、缓解缺水地区水资源供需矛盾、实现水资源合理配置的有效措施，是促进缺水地区经济发展与水资源综合开发利用的重要途径。据现有文献记载[1]，目前全球至少已经有40多个国家和地区建成了350余项规模不一的调水工程。1949年以来，特别是改革开放以后，我国相继建成了一些调水工程，如南水北调工程、东深调水工程、引滦入津工程、引黄济青工程、引黄入卫工程等。但这些调水工程在促进经济和社会繁荣的同时，也对生态环境所产生了负面影响。比如，某些大规模调水工程引发的海水入侵、河流水质下降、输水系统泥沙淤积、水生生物系统破坏、大面积土地淹没以及非自愿性移民。上述问题的出现促使人类不得不关注生态环境的可持续发展问题，对调水工程供水区做出合理的可持续性评价也就很有必要。

目前，国内外已有一些关于调水工程对生态环境影响评价的研究。Mampiti[2]等应用生态经济核算矩阵评价了Lesotho和SA的生态经济影响，判定了调水工程对生态经济的影响程度。国内调水工程对生态环境影响评价方法主要有矩阵法、综合评价指数法 、模糊综合评价法和 BP 神经网络法等。常玉苗[3]等建立跨流域调水工程对生态环境影响的综合评价指标。常本春[4]等从生态角度，构建了水利水电工程生态效应状态压力效应评价指标体系框架模型。这些方法在使用的同时也存在着不足，如矩阵法会带来主观偏差，影响估计的结果；综合评价指数法受人为因素影响太大；模糊综合评价法不能消除评价指标的相关性，各因素权重也带有主观性且过程过于繁琐，实用性不强；BP 神经网络法尚未有理论计算公式。近年来，运用能值生态足迹模型评价区域可持续发展状况，是一种新的思路和方法。

能值分析理论为可持续发展模式与策略的制定提供了一个量化的方法[5]。能值理论是由美国著名生态学家H T Odum为首的科学家于20世纪80年代后期提出和发展起来的科学体系。生态足迹理论是由加拿大生态经济学家E William及其学生M Wackernagel于1992年提出的，并广泛应用于全球、国家、城市和区域等层面上。1999年，徐中民等将生态足迹理论引入我国，许多学者应用能值分析理论对生态足迹的计算进行了改进。

本文采用能值理论，建立能值生态足迹分析模型，通过计算调水工程供水区的水资源能值生态承载力和能值生态足迹等基础参数，分析可持续性指数，了解调水工程的影响强度，继而对调水工程供水区的可持续发展状况做出系统的分析与评价。

1 理论基础和研究方法

1.1 能值理论及相关概念

能值分析从一个更为系统化的角度给出了可持续发展水平的衡量标准，即以能值为基准，可以把生态系统中不同种类、不可比较的能量转化成同一标准的能值来衡量和分析[6]。主要涉及能值和能值转换率两个概念。

能值(emergy)：一种流动或储存的能量所包含另一种类别能量的数量，称为该能量的能值。在实际应用中，以“太阳能值”衡量某一种能量的能值，任何流动和储存的能量所包含的太阳能的量，即为该能量的太阳能能值。能值转换率(emergy transformity)：形成每单位物质或者能量所含有的另一种能量的量，称为能值转换率。常用的太阳能值转换率，是指形成每单位物质或能量所含有的太阳能的量，单位为sej/j或者sej/g。Odum和各国研究人员经过大量研究实践，换算出了自然界和人类是经济社会生活主要能量类型的太阳能值转换率[6]。

1.2 生态足迹理论

生态足迹理论是将区域经济发展所需的资源和能源消费转化为提供这种物质流所必需的各种生物生产土地的面积，并同区域内生态系统所能提供的生物生产土地面积进行比较，定量判断一个区域的发展是否处于生态承载力范围内[7]。

当一个地区的生态承载力小于生态足迹时，即出现生态赤字，表明该区域对自然资源的消耗超过了生态环境所能承载的范围，发展处于相对不可持续状态；当其生态承载力大于生态足迹时，则产生生态盈余，表明该区域自然资源可以满足人类消费需求，区域发展具有可持续性。

1.3 基于能值理论的生态足迹模型基本方法

能值生态足迹模型分析的基础是将生物生产性土地上的消费项目对应关系梳理清楚，再按照能值理论和生态足迹理论的关系进行测算。首先，把不同等级、不同类型的能量根据具体的公式和指标数据换算成太阳能值，作为计算能值生态承载力的基础[8]；其次，把各个消费的具体项目换算成为和该项目对应的生产性土地面积，作为能值生态足迹；最后，将研究区域的能值生态承载力和能值生态足迹数据进行比较，就可以分析出该区域的可持续发展状况[9-11]，其基本计算公式和方法如表1所示。

表1 能值生态承载力和能值生态足迹计算公式Tab.1 The formulas of emerge ecological carrying capacity and emerge ecological footprint

注：EM为能值；τ为能值转换率；B为有效能(原始数据)；Ec为人均生态承载力；e为可更新资源的人均太阳能值；ρ1为全球平均能值密度， 3.104×1010sej/m2；ρ2为区域能值密度；E为区域总能值；S为区域土地面积；Ef为表示人均生态足迹；i表示资源类型；ai表示第i种资源的人均生态足迹；ci表示第i种资源的人均能值；若SEI=0.5，区域处于可持续发展边缘状态；若SEI>0.5，区域可持续性较差；若SEI<0.5时，区域可持续性较好。

2 实例分析

2.1 研究区域概况

随着经济的快速发展，我国西北某地区的缺水问题日益严重，地下水位大幅下降，水质恶化，天然荒漠植被严重退化，沙漠南侵，通过调水来解决经济与环境发展是必然的选择。该地区的调水工程第一期项目于2000年8月建成通水，调水距离全长460 km，工程设计年调水量8.4亿m3；2005年9月第二期项目建成，调水距离全长375.6 km，设计年调水量5.6亿m3；后期工程仍在建设中，设计规模工程建成后，届时年调水量将达到25亿m3。截止2012年底，该工程已累计供水62.9亿m3，充分发挥了供水、发电和防洪减灾等综合经济效益和社会效益。本文主要研究2012年该调水工程供水区生态环境的可持续性情况，相关原始数据来源于新疆维吾尔自治区科技计划项目《基于循环经济理念的额尔齐斯河供水区水资源可持续利用研究》报告和《新疆统计年鉴-2012》。

该调水工程的供水区地处亚欧大陆腹地，远离海洋，年平均降水量154.5 mm，整个供水区降水空间分布很不均衡，西多东少，山区多平原少。由于地处内陆地区，其生态系统相对封闭，生态环境脆弱，有害物质易于积聚，污染恢复难的水质性矛盾突出。随着水资源调出，当地生态环境和社会经济发生了一定的变化。供水的部分经济带和矿产资源开发区位于内陆河流域，产生的有害物质几乎都进入缺乏水文大循环能力的内陆河，容易引发环境质量劣变，故该供水区的可持续发展状况值得研究。根据行政划分，该调水工程供水区可划为7个分区，其基本情况如下：区域一水资源总量为125.90亿m3，生态环境按其结构、功能、生态过程以及对自然和人为的抗干扰能力分为山地生态系统、平原荒漠生态系统、河谷平原生态系统、人工绿洲生态系统、沙漠生态系统和河流生态系统等类型；区域二水资源总量为6.38亿m3，地处沙漠的冲积扇，境内全属内流河与内流湖，自然水系主要是河流水源和地下水，植被稀少地区生长着梭梭、沙枣树等藜科类植被，植被较好地区生长着大片胡杨林，红柳和云杉林等；区域三水资源总量为19.3亿m3，有以蒿草、苔草为主的高山草甸植被，以羊茅、狐茅为主的亚高山草甸植被，以云杉为主的森林草甸植被，以针茅、早熟禾为主的山地草甸草原植被和以红柳为主的荒漠植被等；区域四水资源总量约为4 亿m3，地势北高南低，北部多为低山、丘陵，南部为沙漠，中部是山前冲积平原；区域五水资源总量约为14.63 亿m3，主要分为南部涵养水源生态区、中部平原绿洲生态区和北部荒漠生态区；区域六水资源总量约为16.86亿m3，地区植被较为复杂，未被利用的戈壁、沙漠、高山约占总面积的70.65%；区域七水资源总量约为12.6亿m3，处于封闭性的山间盆地内，生态环境脆弱、荒漠植被稀少，绿洲周边基本为戈壁砾石区。

2.2 供水区的能值生态承载力和能值生态足迹计算

根据研究区域的具体情况，计算能值生态承载力时选取水资源为供水区的可更新资源，分为地表水化学能，地下水化学能和雨水势能；选取小麦、水稻、棉花、玉米、油料、甜菜、蔬菜、瓜果、肉类、禽蛋和奶类等11种与水资源相关的消费项目作为计算能值生态足迹的指标。其相关关系如图1所示。

图1 可更新资源和消费指标的关系Fig.1 The relationship between renewable resources and consumption indicators

2.2.1供水区能值生态承载力的计算

地表水化学能，地下水化学能和雨水势能的各项能值转换率依次为1.54×104，8.89×103和8.89×103sej/j。由公式(1)求得各个分区的可更新资源的总能值，引入人口数据，并扣除12%的生物多样性保护面积，根据公式(2)可求得各个区域的人均能值生态承载力Ec，见表2，表中的原始数据来源于区域统计年鉴，工程概况报告和相关文献。

2.2.2供水区能值生态足迹的计算

引入区域土地面积和人口数据，根据公式(3)，求得供水区各个分区的区域能值密度ρ2，根据公式(1)和(4)求得各个分区各项指标的人均能值生态足迹Ef，见表3。

表2 调水工程供水区能值生态承载力 Tab.2 The emerge ecological carrying capacity in water supply areas of water diversion project

表3 供水区各项消费指标的能值生态足迹计算Tab.3 The emerge ecological footprint of consumption indicators in water supply areas

2.3 计算分析

将各个分区的人均能值生态承载力Ec和人均能值生态足迹Ef进行比较，如图2条形图所示，可以直观地看出两者的大小，区域二和区域三的人均能值生态承载力Ec大于人均能值生态足迹Ef，出现了生态盈余，表明这两个区域生态环境发展良好，有利于区域的可持续发展；区域一、区域四、区域五、区域六和区域七的人均能值生态承载力Ec小于人均能值生态足迹Ef，出现了明显的生态赤字，表明区域不满足可持续性发展，生态环境需要改善。

图2 调水工程供水区可持续性分析Fig.2 The analysis of water supply areas of water diversion project

根据公式(5)，计算各个分区的可持续性指数SEI，结果如图2折线节点所示。图中水平黑直线表示可持续性指数SEI为0.5的临界线，由公式(5)知，当SEI=0.5时，人均能值生态承载力Ec等于人均能值生态足迹Ef，可持续性处于临界状态；当可持续性指数SEI<0.5，即折线位于虚线下方，表明该分区满足生态环境的可持续发展；当可持续性指数SEI>0.5，即折线位于虚线上方，表明该分区不满足生态环境的可持续发展。显然，除区域二和区域三外，其他分区均不满足可持续性要求。对比供水区各个分区具体的生态环境情况，区域二和区域三植被种类比较丰富，覆盖率比较大，满足生态环境的可持续发展；区域一水资源总量比较充沛，但生态系统比较复杂，且该区域人口基数大，城市化程度高，工业发展过快，需水量增加幅度大，很难满足区域可持续发展的需求；区域四、区域五、区域六和区域七水资源总量不够丰富，大部分地貌是未被利用的戈壁、沙漠和高山，植被稀少，生态环境脆弱，因此，也不满足生态环境的可持续发展。

3 结论和建议

(1)整体而言，该调水工程供水区的生态环境不满足可持续性发展的要求，计算结果与实际情况是一致的。根据工程供水区的具体情况提出以下建议：①加大水资源在时间、空间和使用对象上的合理优化配置，促使该区域水资源可持续利用，提高生态环境的恢复能力；②节约用水、减少耗水，注重节流，确保该区域生态环境能够综合好转；③延长水的使用周期、降低水需求，提高水资源利用效率，为生态环境的逐步改善提供保障；④加大污水处理力度、提高水循环利用率，做到生态环境不再恶化；⑤加大水市场调配力度、增加水资源利用效益，并对生态环境加以修复。另外，鉴于该工程存在跨流域、跨区域配置水资源，相关政府应加快并实施水权交易政策和生态补偿政策，为生态环境的可持续发展提供政策支持。

(2)基于能值生态足迹模型的可持续性评价计算过程简单，结果也比较直观，实用性强。本文计算的结果可以很好地为该调水工程供水区域制定以可持续发展为目标的水资源合理配置和调水工程的合理管理提供参考。但是作为一种较新的方法，在运用过程中，由于数据资料的局限和消费项目选取的主观性，可能会对结果产生细微的偏差，需要做更进一步的研究。

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