吳 波，趙 越，陳 巖，曾維華，趙琰鑫，白 輝，秦順興，李中華

(1.生態(tài)環(huán)境部環(huán)境規(guī)劃院，北京 100012； 2.長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)環(huán)境聯(lián)合研究中心，北京 100012；3.北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100875)

昆明市是長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶的重要支點(diǎn)城市和長(zhǎng)江上游生態(tài)保護(hù)屏障，隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)，地區(qū)的水環(huán)境問題變得十分突出?！笆濉焙汀笆濉逼陂g，雖然采取了許多有效的措施來(lái)治理污染，但昆明市內(nèi)滇池等主要河流湖庫(kù)的水質(zhì)仍然大范圍超標(biāo)。為了實(shí)現(xiàn)水生態(tài)環(huán)境的根本改善，需要評(píng)估采取治理措施后，昆明市水代謝系統(tǒng)的水質(zhì)代謝過(guò)程是否能夠“健康運(yùn)轉(zhuǎn)”，是否有利于水質(zhì)恢復(fù)。

對(duì)于城市水代謝系統(tǒng)(urban water metabolism system)，前人多將其內(nèi)部各個(gè)組分以流的分析形式進(jìn)行研究[1-2]，并表征出邊界輸入輸出量和內(nèi)部的結(jié)構(gòu)關(guān)系[3-5]，其中生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析(ecological network analysis)法由于可以定量分析組分間生態(tài)流的方向和作用效果[6-8]，使用較廣泛。目前對(duì)城市水代謝系統(tǒng)的研究大多考慮了水量代謝，對(duì)水質(zhì)代謝的研究較少[9]。為此，本文采用灰水足跡方法量化城市水代謝系統(tǒng)中各種水質(zhì)代謝過(guò)程，在此基礎(chǔ)上，采用生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析法建立城市水代謝系統(tǒng)中的水質(zhì)代謝過(guò)程生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型，評(píng)估昆明市2017年在供水、用水、廢水排放和水處理回用等過(guò)程中的水質(zhì)變化情況，確定水代謝系統(tǒng)內(nèi)參與水質(zhì)代謝過(guò)程的各組分相互作用關(guān)系和水質(zhì)代謝過(guò)程的健康狀況，為昆明市水污染治理等規(guī)劃方案的制定提供參考。

表1 城市水代謝系統(tǒng)中的水質(zhì)代謝過(guò)程

注：z和f分別代表圖1生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型中外界對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)和各節(jié)點(diǎn)之間的作用流；公共服務(wù)業(yè)指洗車、道路噴灑等行業(yè)。

1 研究區(qū)概況

昆明市位于云貴高原中部，面積2.101萬(wàn)km2，2017年末常住人口為678.3萬(wàn)人，有滇池和陽(yáng)宗海兩個(gè)主要湖泊。滇池流域面積 2 920 km2，具有城市供水、農(nóng)業(yè)灌溉、旅游、水產(chǎn)養(yǎng)殖和工業(yè)用水等功能，水質(zhì)較差，總體水質(zhì)為Ⅴ類，處于中度富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，COD、TN、TP、NH3-N和高錳酸鹽指數(shù)均超標(biāo)，在流入滇池的35條河流中，約80.6%的河流水質(zhì)超過(guò)地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。陽(yáng)宗海流域面積252.7 km2，總蓄水量6.04億m3，水質(zhì)較好，近5年水質(zhì)均為Ⅲ類。2017年，全市工業(yè)污染源、農(nóng)業(yè)污染源和城市生活污水的COD排放量分別為3 961.97 t、64.27 t和 7 754.26 t，NH3-N排放量分別為288.87 t、1.12 t和 2 214.67 t；大氣沉降TN為654 t，內(nèi)源污染TN為825 t；昆明市內(nèi)23座污水處理廠總的處理量為5.42億t，污水處理廠進(jìn)出口的最大COD質(zhì)量濃度分別為 295.82 mg/L和 17.20 mg/L[10-12]。工業(yè)廢水全部經(jīng)過(guò)自處理后排入到集中污水處理廠，但是仍有來(lái)自農(nóng)業(yè)的畜禽養(yǎng)殖廢水和居民的日常生活污水直排入河。此外，農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染(TN排放量為 3 317 t)和城市降雨徑流非點(diǎn)源污染(TN排放量為679 t)對(duì)昆明市的水體也產(chǎn)生很大影響。

2 研究方法

2.1 水質(zhì)代謝過(guò)程的量化

在城市水代謝系統(tǒng)中包含有各種水質(zhì)代謝過(guò)程(表1)，本文采用灰水足跡方法對(duì)這些過(guò)程進(jìn)行量化?；宜阚E是一個(gè)量化水污染程度的指標(biāo)，定義為在自然背景濃度或現(xiàn)有的環(huán)境水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)下，稀釋污染負(fù)荷需要的水資源量，它并不是實(shí)際的水資源消耗量，而是以稀釋污染物需要的水量來(lái)表達(dá)水污染等級(jí)，值越高代表污染程度越嚴(yán)重?；贖oekstra等提出的灰水足跡基礎(chǔ)公式[13-15]，根據(jù)各水質(zhì)代謝過(guò)程的特征，提出以下對(duì)應(yīng)于水質(zhì)代謝過(guò)程的量化公式。

a. 一般過(guò)程的灰水足跡計(jì)算公式為

(1)

式中：W1為一般過(guò)程的灰水足跡，m3/a；L為污染負(fù)荷，kg/a；ρmax為選用的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的最大可接受質(zhì)量濃度，mg/L；ρn為受納水體的自然背景質(zhì)量濃度，mg/L。式(1)適用于計(jì)算表1中的過(guò)程G1、G3、G4、G6、G7、G8、G9、G17、G18、G21。例如：計(jì)算過(guò)程G6時(shí)，L為工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的總污染物量；當(dāng)計(jì)算過(guò)程G17時(shí)，L為工業(yè)自身污水處理設(shè)施處理后減少的總污染物量。根據(jù)Hoekstra等[13]的建議，ρn可視為0;ρmax以GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中Ⅲ類水體的水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)作為衡量基準(zhǔn)。因?yàn)榈陀冖箢惖乃w視為低水質(zhì)的水體，研究灰水足跡時(shí)都是基于排污量約束為前提的，因此選擇較高的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)約束排污量。

b. 質(zhì)量濃度變化過(guò)程的灰水足跡計(jì)算公式為

(2)

式中：W2為有質(zhì)量濃度變化過(guò)程的灰水足跡，m3/a；Ve為流出污水的體積，m3/a；Va為受納水的體積，m3/a；ρe為污水中污染物的質(zhì)量濃度，mg/L；ρa(bǔ)為受納水的實(shí)際質(zhì)量濃度，mg/L。式(1)中的污染負(fù)荷L可以用Ve與ρe乘積減去Va與ρa(bǔ)乘積求得。式(2)適用于污染物質(zhì)量濃度變化過(guò)程的計(jì)算，一般計(jì)算污染物進(jìn)入受納水體后帶給受納水體的灰水足跡值，可用于計(jì)算表1中的過(guò)程G2、G11、G12、G13、G14、G15、G16、G19、G22。例如：計(jì)算過(guò)程G2時(shí)，Ve為總徑流量，ρe為地表徑流中污染物的平均質(zhì)量濃度(Ve和ρe取決于降雨時(shí)長(zhǎng)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水體質(zhì)量濃度、徑流量和取樣條件)，ρa(bǔ)由于雨水降落到地面而為0；計(jì)算過(guò)程G11時(shí)，Ve為工業(yè)生產(chǎn)的廢水直排入受納水體的水量，ρe為直排入受納水體的工業(yè)廢水中污染物的平均質(zhì)量濃度，ρa(bǔ)為受納水體的背景質(zhì)量濃度。式(1)和式(2)主要用于計(jì)算點(diǎn)源污染物的灰水足跡。

c. 非點(diǎn)源污染過(guò)程的灰水足跡計(jì)算公式為

(3)

式中：W3為非點(diǎn)源污染過(guò)程的灰水足跡，m3/a；α為徑流浸出百分比，表示化學(xué)物質(zhì)能夠浸入到自然水體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，可取α=1.85%[16]；A為進(jìn)入土壤的污染物質(zhì)量，kg/a。式(3)適于計(jì)算過(guò)程G5和G10。

以上各水質(zhì)代謝過(guò)程在計(jì)算時(shí)需要注意：

a. 由于各產(chǎn)業(yè)和生活排放的主要污染物并不相同，需要計(jì)算多個(gè)污染物灰水足跡，取最大的污染物灰水足跡值來(lái)反映污染物危害程度。

b. 計(jì)算產(chǎn)業(yè)和生活水質(zhì)代謝過(guò)程的灰水足跡時(shí)，廢污水和污染物排放的數(shù)據(jù)不是整體獲得的，如工業(yè)污染物排放量是分別統(tǒng)計(jì)的，其灰水足跡是每個(gè)工業(yè)企業(yè)灰水足跡計(jì)算后累加求得。

c. 計(jì)算表1中過(guò)程G19a～G19g時(shí)，ρe是工業(yè)廢水、污水、雨水和滲入水的最初質(zhì)量濃度。由于污水處理設(shè)施中污水的質(zhì)量濃度無(wú)法得知，且污水在處理過(guò)程中的滲漏和污染物吸附所造成的質(zhì)量濃度變化的影響比較小，可忽略，因而ρa(bǔ)值取0。

d. 在計(jì)算受納水體通過(guò)自然降解而減少污染物這一過(guò)程的灰水足跡時(shí)(過(guò)程G3的一部分)，L值取決于水體的水環(huán)境容量，因?yàn)樗h(huán)境容量是水體容納污染物的量或自身凈化并保持生態(tài)平衡的能力。

e. 計(jì)算過(guò)程G16時(shí)，Ve可以通過(guò)過(guò)程G2與G19b的Ve相減得出，G19b的Ve是進(jìn)入污水處理廠的雨水量。

f. 計(jì)算過(guò)程G20時(shí)，其灰水足跡值是過(guò)程G5的30%,因?yàn)檫M(jìn)入植物和滲入土壤中的污染物量是農(nóng)業(yè)污染物總量的30%[17]。

g. 由于公共服務(wù)業(yè)污水量較小，且環(huán)保部門沒有相關(guān)統(tǒng)計(jì)，故本文計(jì)算時(shí)忽略過(guò)程G19g、G21和G22。

2.2 水質(zhì)代謝網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建

采用生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析法構(gòu)建城市水代謝系統(tǒng)中水質(zhì)代謝流(水質(zhì)代謝過(guò)程)的概念性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。水質(zhì)代謝流中共有8個(gè)組分(等同于網(wǎng)絡(luò)模型中8個(gè)節(jié)點(diǎn))：自然環(huán)境水系統(tǒng)(組分1)、工業(yè)污染源(組分2)、農(nóng)業(yè)污染源(組分3)、服務(wù)業(yè)污染源(組分4)、城市生活污染源(組分5)、農(nóng)村生活污染源(組分6)、城市降雨徑流非點(diǎn)源(組分7)和集中廢水處理系統(tǒng)(組分8)。以生態(tài)學(xué)中生產(chǎn)者、消費(fèi)者和分解者3個(gè)類別來(lái)看，組分2、3、4、5、6、7是產(chǎn)生污染物的組分，處于生產(chǎn)者的角色；組分1是受納污染物的水體，是消費(fèi)者的角色；組分8比較特別，可以將其暫考慮為分解者的角色，這個(gè)分解者主要承擔(dān)一部分消費(fèi)者的責(zé)任，同時(shí)相對(duì)于消費(fèi)者(組分1)來(lái)講，其所排出水中的污染物質(zhì)量濃度如果較高，會(huì)對(duì)消費(fèi)者產(chǎn)生影響，所以又扮演生產(chǎn)者的角色。目前我國(guó)城市集中污水處理設(shè)施排水中的污染物濃度要求均低于Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，因此，在整個(gè)水質(zhì)代謝過(guò)程中組分8普遍扮演著生產(chǎn)者的角色。網(wǎng)絡(luò)模型中共定義了20個(gè)代謝路徑反映水代謝系統(tǒng)中8個(gè)組分之間的水質(zhì)代謝過(guò)程。

圖1 城市水代謝系統(tǒng)中水質(zhì)代謝網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型

2.3 網(wǎng)絡(luò)通量分析和利用分析

研究城市水代謝系統(tǒng)中水質(zhì)代謝過(guò)程的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)狀況時(shí)，需要用生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析法中的網(wǎng)絡(luò)通量分析方法來(lái)量化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，得出網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的貢獻(xiàn)；并用網(wǎng)絡(luò)利用分析方法評(píng)估節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系，得出整個(gè)網(wǎng)絡(luò)是否存在促進(jìn)關(guān)系。

采用網(wǎng)絡(luò)通量分析方法來(lái)量化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的貢獻(xiàn)，主要步驟如下：列出表示網(wǎng)絡(luò)狀況的直接流矩陣F(節(jié)點(diǎn)數(shù)為8的八階矩陣)，根據(jù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸入、輸出流情況計(jì)算每個(gè)節(jié)點(diǎn)的流總和；利用所有節(jié)點(diǎn)各自的流總和構(gòu)成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通量；以節(jié)點(diǎn)之間的相互作用流除以網(wǎng)絡(luò)通量得到任意節(jié)點(diǎn)之間作用的無(wú)量綱流，并構(gòu)成無(wú)量綱流矩陣；利用無(wú)量綱流矩陣和網(wǎng)絡(luò)通量得到有量綱矩陣，從而計(jì)算出每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)其他節(jié)點(diǎn)的貢獻(xiàn)以及該節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的占比。具體計(jì)算公式為

(4)

式中：Tj為所有進(jìn)入節(jié)點(diǎn)j的流總和；fij、fji分別為從節(jié)點(diǎn)j、i到節(jié)點(diǎn)i、j的水質(zhì)代謝過(guò)程，也是網(wǎng)絡(luò)模型中兩節(jié)點(diǎn)之間的作用流；zj為輸入值；xj為輸出值[18]；n為節(jié)點(diǎn)數(shù)。如果外界對(duì)節(jié)點(diǎn)沒有輸入，或者節(jié)點(diǎn)對(duì)外界無(wú)輸出，則zj和xj的值為0。

整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通量T使用對(duì)角矩陣表示：

T=diag(T1，T2，…，Tn)

(5)

來(lái)自節(jié)點(diǎn)j到節(jié)點(diǎn)i的相互節(jié)點(diǎn)之間的無(wú)量綱流可以采用gij表示：

gij=fij/Tj

(6)

無(wú)量綱綜合流矩陣N的計(jì)算公式為

N=(nij)=G0+G1+G2+G3+

…+Gm=(I-G)-1

(7)

其中

G=(gij)G0=I

式中I為單位矩陣。G0意味著流從某一節(jié)點(diǎn)出又回到相同的節(jié)點(diǎn)中，G1意味著網(wǎng)絡(luò)中的任何節(jié)點(diǎn)之間都是直接流，Gm(m≥2)意味著節(jié)點(diǎn)之間存在m長(zhǎng)度的間接流。本文網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)無(wú)間接流，N可直接由(I-G)-1計(jì)算得出。

有量綱綜合流矩陣Y可以采用無(wú)量綱綜合流矩陣N右乘對(duì)角化的通量矢量T求得。

通過(guò)以下公式計(jì)算矩陣的每個(gè)縱向量總數(shù)和：

(8)

式中:yj為節(jié)點(diǎn)j對(duì)其他節(jié)點(diǎn)的貢獻(xiàn);yij為有量綱綜合流矩陣Y的元素。

對(duì)于矩陣Y的占比可通過(guò)以下公式計(jì)算得到：

(9)

式中w為節(jié)點(diǎn)j對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的貢獻(xiàn)情況。

通過(guò)網(wǎng)絡(luò)利用分析中的綜合利用矩陣來(lái)反映網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)構(gòu)造之間的關(guān)系[19-20]：

D=(dij)

(10)

U=(uij)=D0+D1+D2+D3+

…+Dm=(I-D)-1

(11)

其中

dij=(fij-fji)/Tj

式中：D為直接利用矩陣;U為無(wú)量綱綜合利用矩陣；dij為從節(jié)點(diǎn)j到節(jié)點(diǎn)i的節(jié)點(diǎn)流間的利用情況。矩陣D0意味著通過(guò)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的流是自反饋的，矩陣D1意味著網(wǎng)絡(luò)中任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間是直接關(guān)系，Dm(m≥2)意味著任意節(jié)點(diǎn)之間是間接關(guān)系。

無(wú)量綱綜合利用矩陣U的一對(duì)配對(duì)跡象元素可以用來(lái)確定兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系。設(shè)定矩陣U的任何元素的利用關(guān)系表示為sij，則一對(duì)節(jié)點(diǎn)之間的直接關(guān)系可通過(guò)一個(gè)直接利用矩陣給出。如：(s21，s12)=(+，-)表示節(jié)點(diǎn)2利用節(jié)點(diǎn)1；(s21，s12)=(-，+)表示節(jié)點(diǎn)2被節(jié)點(diǎn)1利用；(s21，s12)=(0，0)表示兩個(gè)相對(duì)的流是平等的；(s21，s12)=(-，-)表示節(jié)點(diǎn)1與節(jié)點(diǎn)2是競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間存在消極影響；(s21，s12)=(+，+)表示節(jié)點(diǎn)1與節(jié)點(diǎn)2是共生關(guān)系，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)彼此之間都是獲益的。因此，節(jié)點(diǎn)之間存在競(jìng)爭(zhēng)、利用、中立和共生4類生態(tài)關(guān)系。

網(wǎng)格利用分析中采用共生指數(shù)M來(lái)定量表示系統(tǒng)的整個(gè)共生情況[19,21]：

M=J(U)=S+/S

(12)

其中

式中J(U)為積極關(guān)系數(shù)量與消極關(guān)系數(shù)量的比率。如果M>1，則矩陣內(nèi)正號(hào)數(shù)目大于負(fù)號(hào)數(shù)目，說(shuō)明系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)之間存在更多積極的關(guān)系，共生互利關(guān)系較多，網(wǎng)絡(luò)協(xié)作性較好。相反，如果負(fù)號(hào)多于正號(hào)，則系統(tǒng)存在更多消極的關(guān)系，存在問題需要解決和處理。

3 結(jié)果和討論

3.1 水質(zhì)代謝量化結(jié)果

表2為用4種污染物計(jì)算得到的2017年昆明市灰水足跡，每個(gè)過(guò)程以4個(gè)計(jì)算結(jié)果的最大值作為昆明市水代謝系統(tǒng)中各水質(zhì)代謝過(guò)程的灰水足跡最終值。

表2 昆明市水質(zhì)代謝過(guò)程的灰水足跡

利用圖1中水質(zhì)代謝網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型中各節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系(兩節(jié)點(diǎn)之間無(wú)關(guān)系則為0)，構(gòu)建2017年昆明市水代謝系統(tǒng)中參與水質(zhì)代謝的各組分之間的直接流矩陣F。

3.2 水質(zhì)代謝結(jié)構(gòu)

根據(jù)直接流的情況，按照公式(4)～(9)采用通量分析方法計(jì)算了無(wú)量綱綜合流矩陣N和有量綱綜合流矩陣Y，以及各節(jié)點(diǎn)在整個(gè)水質(zhì)代謝網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的占比w。根據(jù)各節(jié)點(diǎn)w值畫出圖2，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的占比代表著該組分對(duì)整個(gè)水質(zhì)代謝過(guò)程帶來(lái)的貢獻(xiàn)或者影響。

圖2 昆明市水代謝系統(tǒng)中參與水質(zhì)代謝的各組分占比

從圖2可以看出，生產(chǎn)者組分中，組分5城市生活污染源的灰水足跡占比最大(35.33%)，表明昆明市居民日常生活污染對(duì)水質(zhì)變化(即水污染)產(chǎn)生了最大的影響，是需要加大力度控制的污染源；其次是組分7城市降雨徑流非點(diǎn)源的灰水足跡，占比23.12%，表明昆明市的管網(wǎng)配套設(shè)施和雨水收集系統(tǒng)不完善，水土流失問題需要加大力度治理。

組分8集中廢水處理系統(tǒng)的灰水足跡占比8.66%，表明昆明市雖然在2017年增設(shè)了2座污水處理廠，但是工業(yè)、城鎮(zhèn)生活的污染負(fù)荷比較大，加上污水收集系統(tǒng)的能力不足(試運(yùn)行的8個(gè)廠總處理規(guī)模不足總設(shè)計(jì)規(guī)模的20%)，尚未實(shí)現(xiàn)截污和處理的有效聯(lián)合調(diào)控。特別在降水量偏多的時(shí)期(汛期23座污水處理廠平均負(fù)荷率一度達(dá)到103%)，雨污混流進(jìn)入污水處理廠后無(wú)法處理直接外排，對(duì)昆明市水體已造成一定的影響。組分6農(nóng)村生活污染源的灰水足跡占比5.64%，表明農(nóng)村居民生活地區(qū)的分散型污水處理設(shè)施和垃圾處理設(shè)施需要加緊建設(shè)。代表消費(fèi)者的自然環(huán)境水系統(tǒng)(組分1)的灰水足跡占比為21.31%，說(shuō)明自然環(huán)境水系統(tǒng)自身存在的大氣沉降和內(nèi)源污染問題較嚴(yán)重，同時(shí)接收來(lái)自其他組分的廢水和污染物比較多，致使自然環(huán)境水系統(tǒng)污染較嚴(yán)重。

3.3 水質(zhì)代謝關(guān)系

基于圖1中分析的各組分間水質(zhì)代謝流的相互作用情況，采用網(wǎng)絡(luò)利用分析方法計(jì)算了2017年昆明市水代謝系統(tǒng)中水質(zhì)代謝的直接利用矩陣D和綜合利用矩陣U，并繪制出2017年綜合利用矩陣中任意節(jié)點(diǎn)之間的模式關(guān)系如圖3所示。圖3顯示了該生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型中存在利用、競(jìng)爭(zhēng)和共生3類生態(tài)關(guān)系，可用于分析水質(zhì)代謝過(guò)程中各組分之間的代謝作用。

圖3 水質(zhì)代謝網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型中各節(jié)點(diǎn)間的關(guān)系

由圖3可見，各節(jié)點(diǎn)中存在的利用關(guān)系最多。(s21,s12)、(s31,s13)、(s41,s14)、(s51,s15)、(s61,s16)和(s71,s17)都與節(jié)點(diǎn)1相關(guān)，其中(s21,s12)是(+，-)的關(guān)系，其他5個(gè)是(-，+)的關(guān)系，表明節(jié)點(diǎn)1利用節(jié)點(diǎn)3、4、5、6、7，即自然環(huán)境水系統(tǒng)承擔(dān)著來(lái)自農(nóng)業(yè)、服務(wù)業(yè)、城市生活、農(nóng)村生活和城市降雨徑流非點(diǎn)源的污染(即灰水足跡值)。而節(jié)點(diǎn)1被節(jié)點(diǎn)2利用，表明自然環(huán)境水系統(tǒng)并沒有得到來(lái)自工業(yè)污染源的污染，這是因?yàn)槔ッ魇凶?009年起注重解決工業(yè)廢水直排的問題，已嚴(yán)禁未經(jīng)處理的工業(yè)廢水直排入自然水環(huán)境中。(s82,s28)、(s83,s38)、(s84,s48)、(s85,s58)、(s86,s68)和(s87,s78)與節(jié)點(diǎn)8相關(guān)，其中(s83,s38)是(-，+)，與其他5個(gè)(+，-)的關(guān)系相反，表明節(jié)點(diǎn)8利用節(jié)點(diǎn)2、4、5、6、7，即集中廢水處理系統(tǒng)承擔(dān)了來(lái)自工業(yè)、服務(wù)業(yè)、城市生活、農(nóng)村生活和城市降雨徑流非點(diǎn)源的污染。節(jié)點(diǎn)8被節(jié)點(diǎn)3利用，說(shuō)明集中廢水處理系統(tǒng)并沒有得到來(lái)自農(nóng)業(yè)的污染。

節(jié)點(diǎn)2、3、4、5、6、7都是網(wǎng)絡(luò)模型中的生產(chǎn)者排放源，彼此之間屬于競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系(-，-)。另外，比較特別的是(s81,s18)是(-，-)，說(shuō)明節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)8是競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，即自然環(huán)境水系統(tǒng)和集中污水處理系統(tǒng)都承受來(lái)自生產(chǎn)者的污染物，因此二者存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。

節(jié)點(diǎn)2和3為互利共生關(guān)系，這是因?yàn)楣I(yè)污染源和農(nóng)業(yè)污染源都是這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的生產(chǎn)者，但是前者不直排污染物進(jìn)入自然水體，而是將污染物自處理后排入集中污水處理廠，減少了對(duì)自然環(huán)境水系統(tǒng)直接排污這個(gè)環(huán)節(jié)；后者產(chǎn)生的污染物沒有通過(guò)集中污水處理系統(tǒng)進(jìn)行處理，而是進(jìn)入自然環(huán)境水系統(tǒng)，等同于減少了從集中污水處理廠向自然環(huán)境水系統(tǒng)排污這一環(huán)節(jié)，因此在減少排污上情況類似。此外，相比于其他的污染源貢獻(xiàn)組分，工業(yè)污染源和農(nóng)業(yè)污染源排放的污染物遠(yuǎn)少于其他排污較大的組分，因此水質(zhì)代謝關(guān)系分析中會(huì)出現(xiàn)互利共生關(guān)系。

共生指數(shù)M=22/42=0.523 8<1，表明在2017年昆明市水代謝系統(tǒng)的水質(zhì)代謝過(guò)程中，扮演生產(chǎn)者、消費(fèi)者和分解者的8個(gè)組分之間協(xié)作性較差。雖然2017年昆明市在污染治理上采取了更多的措施，但仍不能有效促使水質(zhì)代謝過(guò)程轉(zhuǎn)好，水質(zhì)代謝過(guò)程是紊亂的。

4 結(jié) 論

a. 在2017年昆明市水代謝系統(tǒng)的水質(zhì)代謝過(guò)程中，城市生活污染源對(duì)昆明市水體造成的污染貢獻(xiàn)最大，貢獻(xiàn)較大的有城市降雨徑流非點(diǎn)源、農(nóng)村生活污染源和集中廢水處理系統(tǒng)的排水。因此，昆明市仍要加大對(duì)生活污染的治理，提高污水處理設(shè)施的處理規(guī)模，加大管網(wǎng)設(shè)施的鋪設(shè)和改建，增加農(nóng)村污水、垃圾收集和處理設(shè)施的建設(shè)，注重水土流失治理。

b. 2017年昆明市水代謝系統(tǒng)的水質(zhì)代謝過(guò)程是紊亂的，說(shuō)明“十三五”時(shí)期的水污染控制和水環(huán)境治理措施的作用仍不顯著，污染治理措施建設(shè)規(guī)模和數(shù)量還需要進(jìn)一步擴(kuò)大，同時(shí)需要加大水土保持措施的制定和實(shí)施。