人民勝利渠灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源承載力評價研究

李彥彬 張澤選 王躍雄

（1.華北水利水電大學，河南 鄭州 450046；2.河海大學，江蘇 南京 210024）

0 引言

隨著人口與社會經(jīng)濟的飛速增長，農(nóng)業(yè)發(fā)展對水資源的需求量急劇上升。然而由于我國人口眾多，水資源時空分布不均衡等，社會發(fā)展與水資源之間產(chǎn)生了相當嚴重的供需矛盾，農(nóng)業(yè)水資源的合理利用與科學配置問題亟待解決。有研究表明，灌區(qū)是我國經(jīng)濟作物的主要栽培地區(qū)，灌區(qū)的可持續(xù)發(fā)展保障著區(qū)域內(nèi)經(jīng)濟與社會穩(wěn)定［1］。然而，不斷加劇的水資源供需矛盾使部分灌區(qū)地下水漏斗現(xiàn)象嚴重，限制了灌區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展［2］。為進一步探究農(nóng)業(yè)水資源承載狀況，優(yōu)化灌區(qū)水資源開發(fā)利用條件，許多學者有針對性地開展了相關(guān)研究，研究方向主要集中于農(nóng)業(yè)水資源與城市發(fā)展間的供需平衡［3-5］，對水資源短缺及水生態(tài)修復的研究相對較少。但隨著城市化的快速推進，行業(yè)用水比例逐漸失調(diào)，農(nóng)業(yè)用水空間被不斷擠壓，同時農(nóng)業(yè)水污染和水資源短缺問題日益嚴重。為實現(xiàn)黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展，對灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源承載力進行科學評價至關(guān)重要，可厘清區(qū)域內(nèi)水資源生態(tài)狀況及其對經(jīng)濟發(fā)展的支撐能力，對更好地協(xié)調(diào)區(qū)域內(nèi)生態(tài)保護、農(nóng)業(yè)發(fā)展和水資源合理配置之間的平衡關(guān)系具有重大意義。

1 灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源承載力研究理論基礎(chǔ)

1.1 水資源承載力研究內(nèi)涵

水資源承載力是指在保障水環(huán)境生態(tài)功能良好的基礎(chǔ)上，能支持區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展或人類活動的最大水資源可開發(fā)規(guī)模，其主要受當?shù)刈匀画h(huán)境、水資源量、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等因素影響［6］。水資源承載力主要包括可持續(xù)性、生態(tài)性、時空性、社會經(jīng)濟性4 個內(nèi)涵?？沙掷m(xù)性主要體現(xiàn)為承載界限應滿足水資源可持續(xù)支持人類社會活動；生態(tài)性體現(xiàn)為承載界限應滿足水資源可維持自身良性生態(tài)功能；時空性體現(xiàn)為水資源承載力受降水等自然環(huán)境、社會需求及社會環(huán)境共同影響；社會經(jīng)濟性則主要體現(xiàn)在水資源承載力客體方面，水資源的作用主要是促進人類社會經(jīng)濟發(fā)展。

1.2 農(nóng)業(yè)水資源承載力評價內(nèi)涵

由水資源承載力定義延伸可知，農(nóng)業(yè)水資源承載力為在現(xiàn)有水權(quán)分配模式下，滿足自然環(huán)境良性生態(tài)功能的基礎(chǔ)上，特定區(qū)域內(nèi)水資源支持農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的最大水資源可開發(fā)規(guī)模。其中，承載主體為可利用的農(nóng)業(yè)水資源，承載客體為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)。

農(nóng)業(yè)水資源承載力評價是指通過定性或定量方法，根據(jù)特定承載力界限判斷區(qū)域當前農(nóng)業(yè)水資源在生產(chǎn)過程中所處的承載狀態(tài)。農(nóng)業(yè)水資源承載力的評價尺度有流域、行政區(qū)和灌區(qū)，當前研究主要集中在流域和行政區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)水資源承載力評價。劉杰等［7］基于水足跡理論構(gòu)建了農(nóng)業(yè)水資源承載力DEA 模型，評價了山西省沁源縣農(nóng)業(yè)水資源承載狀態(tài)的動態(tài)變化。杜煜［8］選取耕地灌溉率、水資源開發(fā)利用率、渠系水利用系數(shù)等構(gòu)建了模糊綜合評價指標體系，評價了洋河流域農(nóng)業(yè)水資源承載狀態(tài)。趙玉田等［9］則基于系統(tǒng)動力學模型評價了甘肅省生態(tài)脆弱區(qū)農(nóng)業(yè)水資源承載力。張靖琳［10］則利用水資源承載力平衡指數(shù)和地下水開采潛力指數(shù)，分析了臨澤綠洲不同來水規(guī)劃下的灌溉模式及承載力狀況。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

人民勝利渠是黃河下游地區(qū)首建的大型引黃灌區(qū)之一，承擔著非常重要的糧食生產(chǎn)責任。該渠主要由1 條總干渠（長53.0 km）和5 條支渠（長82.5 km）組成，設計灌溉面積為9.92 萬hm2，灌區(qū)涵蓋5.91 萬hm2的自流灌溉田地，渠首設計引水流量60 m3/s，可有效保障枯水期灌區(qū)居民正常的生產(chǎn)生活用水需要。

人民勝利渠灌區(qū)位于豫北平原，灌區(qū)主要涉及新鄉(xiāng)縣、獲嘉縣、原陽縣、延津縣、封丘縣、衛(wèi)輝市，屬溫帶大陸性季風氣候區(qū)。該灌區(qū)年平均蒸發(fā)量1 250 mm，年平均降水量618 mm，降水主要集中于夏季，是典型的灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)，多年農(nóng)業(yè)用水率平均值高達58%，灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源承載力面臨巨大挑戰(zhàn)。

2.2 數(shù)據(jù)來源

筆者所收集的數(shù)據(jù)主要來源于歷年《河南省統(tǒng)計年鑒》《河南省水資源公報》《中國城市統(tǒng)計年鑒》及人民勝利渠管理局，主要調(diào)查項目包括研究區(qū)域內(nèi)耕地面積、節(jié)水灌溉面積、糧食單產(chǎn)、水資源總量、供水量及用水量等。

2.3 研究方法

農(nóng)業(yè)水資源承載力評價常用的研究方法有模糊綜合評價法、系統(tǒng)動力學法、多目標決策法及人工神經(jīng)網(wǎng)絡法等。其中，模糊綜合評價法能更全面綜合地分析資源承載力的影響因素。合理綜合的農(nóng)業(yè)水資源承載力評價將為社會可持續(xù)發(fā)展提供決策支持，幫助區(qū)域推動農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整。另外，模糊綜合評價法還能夠優(yōu)化等級邊界的模糊信息，得到更為精準客觀的結(jié)果［11］。

基于對立統(tǒng)一與普遍聯(lián)系的集對分析理論是較為經(jīng)典的模糊綜合評價方法之一，該方法有效解決了系統(tǒng)中確定與不確定性問題。其主要是對某一不確定性系統(tǒng)中多個有關(guān)聯(lián)的評價指標進行集對構(gòu)建，并根據(jù)構(gòu)建得到的集合特性進行同一性、差異性和對立性分析，最終得到同異聯(lián)系度。該模糊綜合評價法主要包括以下5 步。

①灌區(qū)農(nóng)業(yè)承載力評價指標體系構(gòu)建。根據(jù)特定選取原則，采用專家經(jīng)驗法、文獻搜索法、因子分析法、線性擬合法等選取影響灌區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)水資源發(fā)展的因子作為評價指標，并構(gòu)建灌區(qū)農(nóng)業(yè)承載力評價指標體系A(chǔ)i（i=1，2，3，…，n，其中n為評價指標個數(shù)）。

②評價指標的等級標準評定。根據(jù)標準法和專家經(jīng)驗法，并結(jié)合灌區(qū)內(nèi)實際情況劃定各評價指標的等級界限Sk（k=1，2，3，…，n，其中n為評價等級數(shù)）。

③構(gòu)造集對集合指標H（Ai，Bk），并計算五元聯(lián)系度μA～B。其中，設評價指標的第i個值為Ai，設評價等級的第k個級別為Bk。

④集合指標H（Ai，Bk）的聯(lián)系度計算。

⑤灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源承載力綜合評價。研究采用置信度準則判斷灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源承載力評價指標所屬評價等級，設置信度λ為0.75。令過程④中計算得到的同一度、差異度和對立度逐級疊加，若相加m個指標后的數(shù)值超過置信度，則表示灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源承載力隸屬第m個等級。

對于反向指標（即s1≤s2≤s3≤sk-1），當k＞2時，集對H（Ai，Bk）的五元聯(lián)系度為式（1）。

對于正向指標（s1≥s2≥s3≥sk-1），當k＞2 時，集對H（Ai，Bk）的五元聯(lián)系度為式（2）。

式（1）（2）中：s1、s2、…、sk-1為某評價指標的等級界限；I為差異度系數(shù)（通常為-1 ≤I≤1）；J為對立度系數(shù)（通常J=-1）。

評價樣本集合指標H（Ai，Bk）聯(lián)系度的計算公式為式（3）。

式（3）中：ωi為第i個評價指標的權(quán)重；ai為某評價指標Ai與其第k個評價等級Sk的同一度；bi，k為第i個評價指標與其第k個評價等級Sk相差k級的差異度，其中k=1，2，3，…，n；ci為第i個評價指標與其第k個評價等級Sk的對立度。

2.4 灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源承載力評價指標體系構(gòu)建

在灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源承載力評價指標體系的構(gòu)建過程中，應綜合考慮灌區(qū)特有的自然條件、社會條件。綜上所述，研究遵循系統(tǒng)性、可操作性、通用性、可定量性、獨立性等基本原則，擬定灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源承載力評價指標體系下轄4 個子系統(tǒng)，分別為社會需求系統(tǒng)、社會經(jīng)濟系統(tǒng)、水資源利用系統(tǒng)、水資源生態(tài)系統(tǒng)［12］；而后根據(jù)灌區(qū)內(nèi)社會需求、社會經(jīng)濟、水資源利用和水資源生態(tài)實際情況，參考相似灌區(qū)等級劃分，將指標分為5 個等級，其中Ⅰ級為承載、Ⅱ級為臨界承載、Ⅲ級為臨界超載、Ⅳ級為超載、Ⅴ級為嚴重超載（見表1）。

表1 灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源承載力綜合評價指標體系

社會需求指標主要反映社會生產(chǎn)生活對灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源的需求程度，主要包括耕地灌溉率和工農(nóng)業(yè)用水保障率。在社會生產(chǎn)中，工農(nóng)業(yè)是需水要求最高的行業(yè)，尤其是農(nóng)業(yè)耕地。選取這兩項指標基本可反映社會對水資源的需求程度，社會需求指標越高說明社會需水越迫切，灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源承載力越大。

社會經(jīng)濟指標主要反映社會生產(chǎn)水平及優(yōu)化水資源承載狀態(tài)的能力，主要包括人均GDP 和單位面積糧食產(chǎn)量。對于農(nóng)業(yè)而言，人均GDP 越高，社會承受農(nóng)業(yè)虧損的能力也越強，對農(nóng)業(yè)水資源的需求程度也越低。同樣，單位面積糧食產(chǎn)量越高，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來的經(jīng)濟收入越高，社會對農(nóng)業(yè)水資源的需求程度也越低。

水資源利用指標主要反映當前社會對水資源的開發(fā)利用程度，主要包括水資源開發(fā)利用率和地下水資源利用率。對于某一區(qū)域或某一灌區(qū)而言，水資源的最大開發(fā)利用量是有限的，社會對水資源的超出開發(fā)利用會加大該地區(qū)的農(nóng)業(yè)水資源承載力，尤其是地下水資源的開發(fā)利用，過多的地下水資源利用除了會破壞該地區(qū)水資源的供需平衡，還會帶來嚴重的生態(tài)破壞。

水資源生態(tài)指標主要反映當前灌區(qū)內(nèi)水資源的生態(tài)保護措施實施情況和水資源生態(tài)功能狀況。水資源生態(tài)指標越高，說明該地區(qū)水資源生態(tài)環(huán)境受到的擾動越小，水資源的生態(tài)功能越完善，水資源的承載狀況越樂觀。

3 結(jié)果與分析

3.1 權(quán)重計算結(jié)果

由于層次分析法具有分析客觀、操作簡便和誤差較小的優(yōu)點，故研究選擇該法，以此確定各評價指標所占權(quán)重。權(quán)重的判斷矩陣由專家經(jīng)驗法得到，判斷矩陣具體見表2。而后利用Matlab 軟件計算得到判斷矩陣的最大特征值λmax和一致性比例CR，分別為8.13、0.01。其中，CR＜1，由此證明該判斷矩陣建立合理。

表2 灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源承載力評價指標權(quán)重判斷矩陣

根據(jù)判斷矩陣的最大特征值及其對應特征向量，計算得到各評價指標所占的權(quán)重，具體見表3。由表3可知，各評價指標對灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源承載力的影響力為耕地灌溉率（0.36）＞節(jié)水灌溉面積比例（0.18）＞水資源開發(fā)利用率（0.12）＞地下水資源利用率（0.09）＞人均GDP（0.08）＞工農(nóng)業(yè)用水保障率（0.06）=生態(tài)需水比（0.06）＞單位面積糧食產(chǎn)量（0.05）。

表3 灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源承載力評價指標權(quán)重

3.2 基于模糊集對分析法的空間評價結(jié)果

研究選取2012—2019年作為評價時段，并根據(jù)構(gòu)建的評價指標體系，通過現(xiàn)場調(diào)研與分析的方式，收集了人民勝利渠灌區(qū)內(nèi)6 縣（市）的相關(guān)數(shù)據(jù)進行灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源承載力評價。

為消除各指標的量綱，首先采用極大值法對8 項評價指標進行了標準化；而后將8 項評價指標的不同標準設為集合Bk，并與灌區(qū)農(nóng)業(yè)承載力評價指標體系A(chǔ)i共同構(gòu)成集對集合H（Ai，Bk），各集對集合的五元聯(lián)系度計算結(jié)果見表4（以2018年為例）。

表4 2018年人民勝利渠灌區(qū)內(nèi)6 縣（市）五元聯(lián)系度計算結(jié)果

依據(jù)置信度準則，對灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源承載力評價值進行等級劃分，具體見圖1，其中取λ=0.75。圖中4 個柱條分別代表灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源承載力的4 種狀態(tài)，若某一柱條超過置信度（0.75），則表示該年該區(qū)域農(nóng)業(yè)水資源承載力處于當前狀態(tài)。由圖1（a）可知，2016年新鄉(xiāng)縣、獲嘉縣、原陽縣、延津縣、封丘縣、衛(wèi)輝市的農(nóng)業(yè)水資源承載力評價值均處于嚴重超載，部分超過界限值，即該6 縣（市）農(nóng)業(yè)水資源承載力均處于嚴重超載狀態(tài)。由圖1（b）可知，2017年6 縣（市）的農(nóng)業(yè)水資源承載力評價值均有所下降，只有延津縣和封丘縣處于嚴重超載狀態(tài)，其余4 個縣（市）均處于超載狀態(tài)；由圖1（c）、圖1（d）可知，2018年和2019年延津縣和封丘縣農(nóng)業(yè)水資源承載力仍處于嚴重超載狀態(tài)，而其余4 個縣（市）承載力均有所提高，原陽縣和衛(wèi)輝市處于超載狀態(tài)，新鄉(xiāng)縣和獲嘉縣則處于臨界超載狀態(tài)。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研和現(xiàn)存數(shù)據(jù)對比可知，研究評價結(jié)果與灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源承載力實際狀況基本相符，模糊綜合評價模型的評價精度良好。由此推測，2016年后，通過水資源優(yōu)化配置新政策的提出和全面水生態(tài)治理措施的實施，整個灌區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)水資源承載能力有了較好的轉(zhuǎn)變。除延津縣和封丘縣以外，其余4 個縣（市）農(nóng)業(yè)水資源承載能力均得到極大的提高，其中以新鄉(xiāng)縣和獲嘉縣的改良效果最佳。

圖1 2016—2019年人民勝利渠灌區(qū)各地區(qū)農(nóng)業(yè)水資源承載力評價值

3.3 基于模糊集對分析法的時序評價結(jié)果

為進一步分析灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源承載力的變化趨勢，將收集到的2012—2019年新鄉(xiāng)縣相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)代入公式，計算得到2012—2019年新鄉(xiāng)縣灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源承載力值，具體見表5。

表5 2012—2019年新鄉(xiāng)縣灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源承載力評價值

由表5可知，2015年、2016年新鄉(xiāng)縣灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源承載力的評價數(shù)值最高，所處承載力狀態(tài)最差。這主要是由于2014年河南省發(fā)生了較為嚴重的干旱，在2016年該地區(qū)又發(fā)生了特大暴雨，連續(xù)的旱澇使得當?shù)剞r(nóng)業(yè)受災嚴重，灌區(qū)水資源管理情況較為復雜，生態(tài)屬性嚴重減弱。后續(xù)隨著各縣（市）最嚴格水資源管理制度的實施，灌區(qū)水資源管理及調(diào)度均得到優(yōu)化改進，因而2017—2019年農(nóng)業(yè)水資源承載力狀況又有了較好的轉(zhuǎn)變。

4 結(jié)論

綜合以上6 縣（市）農(nóng)業(yè)水資源承載力最大值可知，2012—2019年人民勝利渠灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源承載力的變化趨勢大致為先增后減，承載力狀態(tài)也先逐漸變差后來逐漸向好，但仍處于臨界承載狀況，部分地區(qū)甚至處于嚴重超載狀況。因此，當?shù)卣蜕鐣鹘鐟^續(xù)加強對灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源承載力的關(guān)注，提高對灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源承載力生態(tài)屬性的重視程度。

研究依據(jù)評價指標選取準則，結(jié)合人民勝利渠水資源利用特點及社會發(fā)展情況，從社會需求、社會經(jīng)濟、水資源利用、水資源生態(tài)4 個角度選取8 項評價指標，建立灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源承載力評價指標體系，并結(jié)合層次分析法計算指標權(quán)重，得到人民勝利渠灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源承載力評價等級結(jié)果。分析評價結(jié)果可知，人民勝利渠灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源承載力在時序變化上基本呈現(xiàn)出先變差后逐漸良好的變化趨勢。尤其是在最嚴格水資源管理制度實施之后，經(jīng)過水資源合理優(yōu)化配置，灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源承載力得到不斷的改良，承載狀況逐漸好轉(zhuǎn)，但延津縣和封丘縣仍處于嚴重超載狀況。因此，有關(guān)部門應重點關(guān)注水資源的生態(tài)功能，有針對性地對灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源進行合理分配。