黃河下游引黃灌區(qū)水安全評價方法及應(yīng)用

張修宇，秦 天，楊淇翔，杜雪芳，楊禮波，劉雪梅*

（1.華北水利水電大學(xué)，鄭州 450046；2.河南省水利勘測設(shè)計研究有限公司，鄭州 450016）

0 引 言

【研究意義】水資源是人類生活及生態(tài)環(huán)境所必需的資源因子，人口的不斷增加以及社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，導(dǎo)致人類對水資源的需求量持續(xù)加大，導(dǎo)致水資源危機(jī)加重[1]，為了解決水資源供需矛盾，實現(xiàn)水資源與社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展[2]，正確評價區(qū)域水安全等級將對區(qū)域水資源合理開發(fā)利用具有重大意義。我國是農(nóng)業(yè)大國，灌區(qū)支撐著我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，同時也保障著我國農(nóng)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展，在我國資源條件越來越受約束、環(huán)境污染日趨嚴(yán)重、生態(tài)系統(tǒng)逐步退化背景下，建設(shè)可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)灌區(qū)、合理高效利用水資源是未來灌區(qū)發(fā)展的必經(jīng)之路。【研究進(jìn)展】作為發(fā)展黃河流域農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)、建設(shè)生態(tài)環(huán)境的必要基本設(shè)施，引黃灌區(qū)同時還保護(hù)著黃河下游兩岸的區(qū)域供水和糧食安全。由于黃河流域的水資源供需不平衡矛盾日益凸顯，受水資源供需不平衡、部分地區(qū)出現(xiàn)地下水漏斗擴(kuò)張影響，引黃灌區(qū)生態(tài)可持續(xù)發(fā)展逐漸被抑制[3]。此前有許多學(xué)者對灌區(qū)進(jìn)行過不同的研究，周維博等[4]曾針對干旱半干旱地區(qū)的灌區(qū)建立了一套涵蓋經(jīng)濟(jì)、社會和生態(tài)效益等44 個具體評價指標(biāo)的水資源綜合效益評價指標(biāo)體系，并應(yīng)用于陜西寶雞峽灌區(qū)；喬鵬帥等[5]探討了將集對分析法應(yīng)用于灌區(qū)綜合評價的可行性；Zhang 等[6]應(yīng)用模糊集對分析對大功灌區(qū)水資源承載力進(jìn)行評價；方延旭等[7]認(rèn)為生態(tài)灌區(qū)是現(xiàn)代化灌區(qū)的高階階段，現(xiàn)代化灌區(qū)應(yīng)向生態(tài)型灌區(qū)轉(zhuǎn)型?！厩腥朦c】以往學(xué)者的評價研究中，涉及城市、區(qū)域的水安全評價較多，針對黃河流域引黃灌區(qū)的水安全評價研究較少。2019年習(xí)近平總書記在鄭州考察時強(qiáng)調(diào)要推進(jìn)黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展，如今黃河流域的生態(tài)環(huán)境較為脆弱，流域水資源問題突出，已經(jīng)影響到黃河流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展質(zhì)量[8]?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本文開展灌區(qū)水安全評價，以實現(xiàn)灌區(qū)的協(xié)調(diào)健康發(fā)展作為目標(biāo)，將“經(jīng)濟(jì)社會-水資源-生態(tài)環(huán)境”復(fù)合系統(tǒng)相互作用機(jī)理作為切入點展開研究，深入研判水資源系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)社會系統(tǒng)、水資源系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)之間的相互作用機(jī)理，剖析影響灌區(qū)水安全評估的要素，建立數(shù)學(xué)模型，定量分析灌區(qū)水安全等級，科學(xué)研判水安全演變趨勢。

1 引黃灌區(qū)水安全問題及評價方法

1.1 引黃灌區(qū)水安全問題及評價體系

引黃灌區(qū)是我國重要的農(nóng)業(yè)規(guī)模化生產(chǎn)和糧產(chǎn)基地，是我國農(nóng)業(yè)農(nóng)村乃至國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施。引黃灌區(qū)不合理的水資源掠奪,會產(chǎn)生人為的環(huán)境問題,導(dǎo)致流域生態(tài)環(huán)境惡化。灌區(qū)水資源的開發(fā)利用還會對灌區(qū)農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)和方式、灌區(qū)植被、生物、地貌景觀等自然環(huán)境以及群眾生活方式、生活條件、人畜用水等社會環(huán)境產(chǎn)生影響[9]。引黃灌區(qū)引用的黃河水作為灌區(qū)重要的客水水源，主要用作農(nóng)業(yè)灌溉。黃河流域社會經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展,各部門用水需求的增加,黃河水資源供需矛盾不斷加劇,黃河在確保維持自身生命水量的前提下,能夠用于下游灌溉的水量越來越有限[10]。隨著黃河流域各地區(qū)降水均發(fā)生不同程度的降低，改變黃河徑流的同時也在一定程度上減少了可利用水資源量，河底受調(diào)水調(diào)沙工程影響開始下切，對引水工作造成了困難。水的問題始終是灌區(qū)面臨的重大問題，因此，構(gòu)建科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃踩u價指標(biāo)體系、選擇合理的評價方法對灌區(qū)水安全狀況進(jìn)行評價，解決灌區(qū)水安全問題具有重大現(xiàn)實意義。

系統(tǒng)的水安全評價包括構(gòu)建評價指標(biāo)體系、確定評價標(biāo)準(zhǔn)、對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、計算指標(biāo)權(quán)重和選擇評價方法5 部分。選取評價指標(biāo)需系統(tǒng)全面，不僅要能反映研究區(qū)域的水資源現(xiàn)狀，還要兼顧到區(qū)域的經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展?fàn)顩r和生態(tài)環(huán)境安全等方面；評價標(biāo)準(zhǔn)也并非一成不變，研究區(qū)域不同，相應(yīng)的評價標(biāo)準(zhǔn)也不盡相同，因此，不同區(qū)域的評價標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)依照當(dāng)?shù)氐陌l(fā)展現(xiàn)狀制定；確定指標(biāo)權(quán)重常用層次分析法、主成分分析法和熵值法，方法的選擇通常綜合考慮每個確權(quán)方法的優(yōu)劣，再結(jié)合具體研究區(qū)域選取的指標(biāo)性質(zhì)來決定；水安全評價方法相關(guān)研究較多，典型的方法有數(shù)理統(tǒng)計法（如主成分分析法）、運籌決策法（如層次分析法）、灰色系統(tǒng)理論（如灰色關(guān)聯(lián)度評價）、模糊數(shù)學(xué)（如模糊綜合評價法）等，建立的評價指標(biāo)體系不同，各評價方法的應(yīng)用效果也有所不同。

1.2 水安全評價指標(biāo)體系構(gòu)建

水安全核心是使人與自然和諧發(fā)展，水安全評價指標(biāo)體系需要以水安全核心為基礎(chǔ)構(gòu)建。水安全模糊、系統(tǒng)復(fù)雜、涉及面廣泛，因此需要構(gòu)建一個綜合評價指標(biāo)體系對水安全進(jìn)行評價；指標(biāo)體系是由組成水安全系統(tǒng)中的各方面因素所構(gòu)成的有機(jī)統(tǒng)一的體系，其構(gòu)建需遵循科學(xué)性原則、可操作性原則、完備性原則、動態(tài)靜態(tài)相結(jié)合原則、定量分析與定性分析相結(jié)合原則和可比性原則。以構(gòu)建水安全評價指標(biāo)體系需遵循的原則為前提，在探究水資源系統(tǒng)與經(jīng)濟(jì)社會系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)三者之間相互作用機(jī)理基礎(chǔ)上，以經(jīng)濟(jì)社會安全、水資源安全、生態(tài)環(huán)境安全3 個層面作為構(gòu)建指標(biāo)體系的準(zhǔn)則層，統(tǒng)籌考慮構(gòu)建水安全綜合評價體系的完整性與簡潔性，參考借鑒各學(xué)者的研究成果，結(jié)合研究區(qū)具體情況，最終構(gòu)建適用于評價生態(tài)灌區(qū)水安全的一套評價指標(biāo)體系。在經(jīng)濟(jì)社會安全層面，選取了平均城鎮(zhèn)化率（%）、人均GDP（元/人）和有效灌溉面積率（%）；在水資源安全層面，選取了灌溉水有效利用系數(shù)、人均水資源可利用量（m3/人）、水資源開發(fā)利用率（%）；在生態(tài)環(huán)境安全層面，選取了缺水率（%）、淺層地下水超采率（%）和生態(tài)環(huán)境用水率（%）。將這些因素歸為3 個準(zhǔn)則層，建立指標(biāo)體系，指標(biāo)在評價中所反映的含義具體見表1。

表1 灌區(qū)水安全綜合評價指標(biāo)體系 Table1 Comprehensive evaluation index system for water safety in irrigation districts

1.3 水安全評價方法

對水安全進(jìn)行評價就是利用數(shù)學(xué)方法量化描述水安全狀況。評價模型目前尚在探索，現(xiàn)階段的模型研究成果中，主要以模糊物元模型[11-12]、主成分分析模型[13-16]、灰色關(guān)聯(lián)度模型[17-18]、模糊綜合評價模型[19]等被眾多學(xué)者廣泛應(yīng)用。水安全級別具有模糊性和連續(xù)性，而模糊綜合評價法可相對客觀反映這2 種性質(zhì)，更加合理地計算出綜合評價的具體結(jié)果。為了評價生態(tài)灌區(qū)的水安全等級，本文選用模糊綜合評價模型，構(gòu)造出合適灌區(qū)的隸屬度函數(shù)，對灌區(qū)水安全進(jìn)行評價，以期為黃河下游引黃灌區(qū)水安全綜合評價提供思路。

模糊綜合評價模型的主要計算步驟如下：

1）建立因素論域、確定評語等級論域

將評價對象的因素論域U 和評語等級論域V 分別設(shè)為：U={U1，U2，…，Un}；V={V1，V2，…，Vm}。

2）確定權(quán)重及單指標(biāo)隸屬度

由 各 評 價 指 標(biāo) 權(quán) 重 組 成 的 集 合K={k1，k2，…，kn}為權(quán)重集（同一級各元素權(quán)重需滿足：ki=1，1≥ki≥0，i=1，2，…，n）。隸屬度指各個評價因素Un屬于每個評語等級Vm程度多少的數(shù)量化，用A 表示，對照各因素指標(biāo)的分級標(biāo)準(zhǔn)，可推求各因素指標(biāo)A 的數(shù)值。為了避免等級數(shù)值兩兩相差很小但評價等級可能出現(xiàn)相差一級的情況發(fā)生，可將其模糊化處理，以保證隸屬度函數(shù)能平滑過渡于各評價等級之間。計算指標(biāo)隸屬度是模糊綜合評價法的主要計算環(huán)節(jié)，目前已有的研究成果中，模糊分步法、模糊統(tǒng)計法和待定系數(shù)法較為常用[20]。根據(jù)明確的評價標(biāo)準(zhǔn)，本文決定使用三角形隸屬度函數(shù)依次推求各個評價指標(biāo)的隸屬函數(shù)。根據(jù)各指標(biāo)屬性與灌區(qū)水安全的關(guān)系將指標(biāo)分成效益型指標(biāo)（+）和成本性指標(biāo)（-）二類進(jìn)行處理，隸屬度函數(shù)公式構(gòu)造如下：

①效益型指標(biāo)：

非常安全隸屬度： 式中：A 為評價指標(biāo)的隸屬度；x 為評價指標(biāo)的實際數(shù)據(jù)；s 為評價指標(biāo)的第m 級標(biāo)準(zhǔn)值。

3）模糊綜合評判。

對某個評價因素u 進(jìn)行評判，確定出對于評語等級V 的隸屬度An,m，則n 個評價因素在m 個評價等級區(qū)間的評價集可構(gòu)成判斷矩陣A，A 可表示為：

水安全評價值WS 由模糊變換得到，計算式為：

式中：K 為權(quán)重集；A 為評價指標(biāo)隸屬度矩陣。則對第m 個評價等級標(biāo)準(zhǔn)水安全評價值可表示為：

式中：ki為第i 個評價指標(biāo)權(quán)重；an,m為第n 個元素在第m 個評價等級中的隸屬度。

2 應(yīng)用實例

2.1 灌區(qū)概況及指標(biāo)分級情況

大功灌區(qū)是跨行政區(qū)域跨流域的大型灌區(qū)，大功引黃灌區(qū)灌溉面積為18.9萬hm2，灌區(qū)跨越內(nèi)黃縣（安陽市）、?？h（鶴壁市）、省直管縣滑縣、長垣市和封丘縣（新鄉(xiāng)市）的部分區(qū)域，南北跨黃河、海河兩大流域，灌區(qū)南接黃河大堤，東以金堤河支流黃莊河為界，西以大功總干渠回灌邊緣為界，北接衛(wèi)河。灌區(qū)位置如圖1所示。

灌區(qū)評價指標(biāo)數(shù)據(jù)來自河南省水資源公報、河南水利統(tǒng)計年鑒及各行政區(qū)的水資源公報，其中涵蓋灌溉水有效利用系數(shù)、水資源開發(fā)利用率（%）、生態(tài)環(huán)境用水率（%）、人均GDP（元/人）等基本數(shù)據(jù)信息。結(jié)合灌區(qū)生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展現(xiàn)狀，統(tǒng)籌考慮灌區(qū)的水資源狀況和當(dāng)前經(jīng)濟(jì)發(fā)展的水平，結(jié)合我國用水水平和相關(guān)國家部門規(guī)劃要求，參考借鑒相關(guān)文獻(xiàn)[21-22]、其他學(xué)者的研究經(jīng)驗及相似灌區(qū)劃分評價等級的標(biāo)準(zhǔn)，將指標(biāo)分成1～5個等級，分別為非常安全、較安全、基本安全、較不安全與不安全。根據(jù)上述內(nèi)容確定了灌區(qū)評價指標(biāo)的分級標(biāo)準(zhǔn)和指標(biāo)類型，詳見表2。

圖1 大功引黃灌區(qū)地理位置圖 Fig.1 Location map of Yellow River irrigation district

表2 水安全評價分級標(biāo)準(zhǔn) Table 2 Water safety assessment grading standards

2.2 灌區(qū)水安全評價結(jié)果

根據(jù)灌區(qū)實際數(shù)據(jù)，以滑縣2013 年各指標(biāo)實際數(shù)據(jù)為例，指標(biāo)權(quán)重均由AHP 法確定，運用式（1）—式（10）計算評價指標(biāo)的隸屬度，具體結(jié)果詳見表3。

運用式（11）—式（13）計算得出滑縣2013 年水安全評價值為（0.039，0.257，0.263，0.217，0.225），同理可得滑縣2014 年水安全評價值（0.043，0.258，0.210，0.257，0.230）、2015 年水安全評價值（0.109，0.389，0.349，0.138，0.016）、2016 年水安全評價值（0.258，0.311，0.352，0.077，0.003）以及2017 年水安全評價值（0.248，0.105，0.324，0.308，0.014）。內(nèi)黃、?？h、長垣和封丘地區(qū)的水安全評價值計算方法與滑縣地區(qū)相同。經(jīng)計算得到2013—2017 年河南省大功引黃灌區(qū)水安全評價值，詳見圖2。

2.3 結(jié)果分析與討論

根據(jù)最大隸屬度原則，大功灌區(qū)涵蓋的各縣2013―2017 年水安全綜合評價結(jié)果為：2013―2017年，長垣和封丘地區(qū)地處上游，水資源條件較好，水安全狀態(tài)處于基本安全狀態(tài)向非常安全狀態(tài)轉(zhuǎn)變，屬于非常安全狀態(tài)的隸屬度不斷提高；滑縣地區(qū)水安全狀態(tài)大致保持在基本安全狀態(tài)；浚縣地區(qū)水安全處于較不安全向不安全過渡的狀態(tài)；內(nèi)黃地區(qū)水安全狀態(tài)不理想，處于不安全狀態(tài)。總的來說，大功灌區(qū)所涉及的各縣水安全狀態(tài)中除長垣、封丘和滑縣地區(qū)外，其余各縣距離水安全的差距依然存在。計算結(jié)果與大功灌區(qū)水安全現(xiàn)狀基本一致。

評價結(jié)果顯示，由于近年來在水資源開發(fā)利用、規(guī)劃調(diào)度及管理等方面的不斷改進(jìn)，使得大功灌區(qū)水安全總體呈基本安全狀態(tài)，但仍有部分地區(qū)（?？h、內(nèi)黃）處于不安全狀態(tài)，為大力發(fā)展經(jīng)濟(jì)社會，確保糧食能夠安全可持續(xù)增產(chǎn)，滑縣、?？h和內(nèi)黃主要的灌溉方式是開采地下水，常年的地下水超采致使地下水漏斗擴(kuò)張并未得到有效遏制，地下水持續(xù)下降，地下水埋深由2005 年的20 m 增加至2018 年的30 m，且每年還以0.5～0.8 m 的速度下降，并出現(xiàn)地下水漏斗不斷向周邊擴(kuò)展、水質(zhì)急速惡化以及局部地面沉降等問題，導(dǎo)致三地生態(tài)環(huán)境發(fā)展逐漸惡化，進(jìn)而影響水安全狀態(tài)。此外?？h、內(nèi)黃一帶地處大功灌區(qū)渠系下游末端，上游供水指標(biāo)無法滿足下游用水需求，中下游用水困難，特別是下游的內(nèi)黃縣，如需用水，就要先向新鄉(xiāng)市大功管理處申請，然后協(xié)調(diào)上游水利局之后，方可向內(nèi)黃縣引水，中間環(huán)節(jié)多，致使中下游用水困難，且人均水資源占有量未達(dá)到全省人均水資源占有量的1/2，當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展由于水資源短缺明顯受限，也是阻礙兩地水安全狀態(tài)好轉(zhuǎn)的原因之一。

表3 2013 年滑縣水安全評價指標(biāo)權(quán)重及隸屬度 Table 3 Weights and membership of water safety evaluation indicators in Hua County in 2013

圖2 2013―2017 年大功引黃灌區(qū)水安全綜合評價結(jié)果 Fig.2 Results of comprehensive water safety evaluation for the Yellow River Irrigation District from 2013 to 2017

保障灌區(qū)正常運轉(zhuǎn)，引水補源尤為重要，管理部門應(yīng)考慮將大功灌區(qū)水資源統(tǒng)一調(diào)配工作重視起來，利用大功灌區(qū)總干渠引用黃河水以改善水安全狀態(tài)薄弱地區(qū)的水資源短缺現(xiàn)狀，合理分配水資源，更好地解決上下游用水問題，修復(fù)水生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展。大功灌區(qū)地處河南北部，作為河南省大型糧產(chǎn)地區(qū)，大功灌區(qū)缺水現(xiàn)象嚴(yán)重，水資源短缺進(jìn)一步影響糧食產(chǎn)量，最終限制城鄉(xiāng)生態(tài)經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，制約城市可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展。灌區(qū)生態(tài)狀況向好發(fā)展可帶動灌區(qū)生態(tài)發(fā)展與經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展逐步趨于協(xié)調(diào)，進(jìn)而推動大功灌區(qū)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榻】悼沙掷m(xù)的新型生態(tài)灌區(qū)。

3 結(jié) 論

本文采用模糊綜合評價方法對河南省典型引黃灌區(qū)大功灌區(qū)的水安全進(jìn)行評價，對使大功灌區(qū)達(dá)到生態(tài)型灌區(qū)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，合理調(diào)配生產(chǎn)生活用水，有效分配生態(tài)環(huán)境用水，加大生態(tài)建設(shè)力度，確保“經(jīng)濟(jì)社會-水資源-生態(tài)環(huán)境”復(fù)合系統(tǒng)良性運轉(zhuǎn)具有實踐意義。此外，在今后的研究中，應(yīng)該著重考慮計算評價指標(biāo)權(quán)重和模型優(yōu)化方面的研究工作，更好地權(quán)衡計算時主觀性與客觀性對評價指標(biāo)權(quán)重的影響，采用主客觀相結(jié)合的權(quán)重確定方式，盡可能利用評價模型集來對研究區(qū)域的水安全狀態(tài)進(jìn)行評價計算，多結(jié)果對比分析討論，提高評價結(jié)果的可靠性，以期提出一套適用度更高的水安全評價體系。