杜雪芳，李彥彬，張修宇

(華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450046)

農(nóng)業(yè)作為國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，支撐著國民經(jīng)濟(jì)社會(huì)的穩(wěn)定發(fā)展。近年來，隨著我國新興農(nóng)產(chǎn)業(yè)不斷壯大，農(nóng)村經(jīng)濟(jì)得到了飛速發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國高效經(jīng)濟(jì)作物三分之一以上產(chǎn)于大中型灌區(qū)，出口農(nóng)產(chǎn)品更多依賴于灌區(qū)。灌區(qū)發(fā)展模式應(yīng)遵循自然生態(tài)演變規(guī)律和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的方向，朝著現(xiàn)代化生態(tài)型灌區(qū)邁進(jìn)。引黃灌區(qū)是黃河下游農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)建設(shè)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)保障下游兩岸供水及糧食安全具有重要作用。目前，黃河下游共建有引黃灌區(qū)86處，其中大型灌區(qū)有48處，設(shè)計(jì)灌溉面積6 269萬畝（約4.18×104km2）。近年來，黃河水資源供需矛盾不斷加劇，部分灌區(qū)的地下水漏斗仍有擴(kuò)大的趨勢(shì)，抑制了引黃灌區(qū)的可持續(xù)發(fā)展[1]。許多學(xué)者針對(duì)灌區(qū)水資源承載力、水資源高效配置、水安全評(píng)價(jià)等方面已經(jīng)開展了大量研究[2-3]，但對(duì)黃河流域生態(tài)型灌區(qū)的研究相對(duì)較少。目前，黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展已上升為國家戰(zhàn)略，為了實(shí)現(xiàn)美麗鄉(xiāng)村的建設(shè)目標(biāo)，使灌區(qū)水資源得到合理高效利用，建設(shè)生態(tài)型灌區(qū)勢(shì)在必行。

1 生態(tài)型灌區(qū)水資源承載力基礎(chǔ)理論

1.1 生態(tài)型灌區(qū)內(nèi)涵

生態(tài)型灌區(qū)是以生態(tài)文明建設(shè)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)協(xié)調(diào)發(fā)展為基礎(chǔ)的復(fù)合型生態(tài)系統(tǒng)，灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健全、功能完善、效益顯著、資源利用率高，具有先進(jìn)的生產(chǎn)力水平。生態(tài)型灌區(qū)建設(shè)的目的是為了優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)、改善人居環(huán)境質(zhì)量、修復(fù)脆弱的生態(tài)系統(tǒng)，使整個(gè)灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定地發(fā)展，并形成良性循環(huán)[4]。生態(tài)型灌區(qū)水資源承載力是基于變化環(huán)境和人類活動(dòng)的影響，在特定發(fā)展階段，以可持續(xù)發(fā)展為原則，以促進(jìn)生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)為前提，把經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展與現(xiàn)代技術(shù)相融合，在滿足水資源合理配置和高效利用的條件下，水資源支撐社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的能力[5-6]。

1.2 灌區(qū)特點(diǎn)

生態(tài)型灌區(qū)水資源系統(tǒng)以農(nóng)業(yè)增產(chǎn)為主，同時(shí)承擔(dān)灌區(qū)內(nèi)水安全、水生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的任務(wù)。灌區(qū)基本特點(diǎn)表現(xiàn)在：①現(xiàn)代性，灌區(qū)建設(shè)過程中將社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與現(xiàn)代技術(shù)相融合，強(qiáng)化灌區(qū)信息化建設(shè)，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)的綜合管理規(guī)劃；②發(fā)展性，灌區(qū)的建設(shè)和發(fā)展是一個(gè)動(dòng)態(tài)演變過程，管理機(jī)制和管理能力逐步實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化，各方面的發(fā)展能夠與時(shí)俱進(jìn)，具備先進(jìn)的社會(huì)生產(chǎn)力；③協(xié)調(diào)性，生態(tài)型灌區(qū)建設(shè)可以很好地促進(jìn)資源開發(fā)利用與生態(tài)環(huán)境保護(hù)之間的關(guān)系，使生態(tài)型灌區(qū)優(yōu)勢(shì)得到最大化體現(xiàn)[7]。

1.3 灌區(qū)水資源承載力影響因素

社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對(duì)水資源系統(tǒng)的影響逐漸增強(qiáng)，原有的自然水資源系統(tǒng)循環(huán)被破壞，水循環(huán)過程已經(jīng)從“自然”一元驅(qū)動(dòng)過渡到“自然-人工”二元水循環(huán)[8]。水資源形成和時(shí)空分布受社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展影響顯著，當(dāng)人水矛盾產(chǎn)生時(shí)，可以通過采取技術(shù)手段干預(yù)，使水資源問題得到有效解決，并使水資源系統(tǒng)的循環(huán)再次適應(yīng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

過去在灌區(qū)建設(shè)和運(yùn)行方面，各地對(duì)水資源的開發(fā)利用和管理不夠重視，灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)功能惡化，致使我國農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展受到影響。對(duì)水資源承載力影響較大的因素，大致可以分為三類：一是水資源系統(tǒng)本質(zhì)特征；二是人類活動(dòng)能力及意識(shí)形態(tài)；三是定義“是否可承載”的目標(biāo)差異。生態(tài)型灌區(qū)建設(shè)沒有統(tǒng)一化的標(biāo)準(zhǔn)，在建設(shè)時(shí)需要考慮當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況、灌區(qū)工程建設(shè)、灌溉制度及管理水平、生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀、引調(diào)水來源等影響因素[7]。主要考慮的影響因素有以下4種。①生態(tài)環(huán)境因素：全球氣候變暖導(dǎo)致植株蒸散發(fā)量增加，作物需水量也隨之增大，加之農(nóng)田中化肥等養(yǎng)料的使用對(duì)地下水體和灌區(qū)河湖水造成不同程度的污染。生態(tài)型灌區(qū)的建設(shè)與可持續(xù)發(fā)展，生態(tài)環(huán)境因素起到?jīng)Q定性作用[9]。②社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素：灌區(qū)生產(chǎn)力水平影響著灌區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)效益，同時(shí)關(guān)系到灌區(qū)內(nèi)人民生活水平和幸福感。③灌區(qū)工程建設(shè)和管理因素：工程設(shè)施的建設(shè)和管理影響著灌區(qū)水資源利用效率，是建設(shè)生態(tài)型灌區(qū)的基礎(chǔ)工作。完備的灌區(qū)工程設(shè)施和高質(zhì)量的灌溉管理可在提高灌區(qū)糧食生產(chǎn)的同時(shí)有效排除灌區(qū)安全隱患[10]。④可持續(xù)發(fā)展因素：生態(tài)型灌區(qū)生產(chǎn)和發(fā)展的可持續(xù)性是灌區(qū)建設(shè)的初心，生態(tài)型灌區(qū)的建設(shè)有效促進(jìn)“社會(huì)經(jīng)濟(jì)-水資源-生態(tài)環(huán)境”復(fù)合大系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)良性的循環(huán)發(fā)展。

2 生態(tài)型灌區(qū)水資源承載力評(píng)價(jià)方法和評(píng)價(jià)模型

水資源承載力主要評(píng)價(jià)方法有：經(jīng)驗(yàn)公式法[11]、綜合評(píng)判法[12-13]和系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)法[14-15]三大類。灌區(qū)水資源承載能力綜合評(píng)價(jià)就是定量描述灌區(qū)所在區(qū)域的水資源開發(fā)利用狀況[16]。本文選用綜合評(píng)判法中的模糊集對(duì)分析評(píng)價(jià)法對(duì)大功引黃灌區(qū)進(jìn)行生態(tài)水資源承載力評(píng)價(jià)。

2.1 模糊集對(duì)分析法

1989年，我國學(xué)者趙克勤基于哲學(xué)中的對(duì)立統(tǒng)一和普遍聯(lián)系的觀點(diǎn)提出了集對(duì)分析理論。該理論的核心思想是對(duì)不確定性系統(tǒng)的兩個(gè)有關(guān)聯(lián)的集合構(gòu)建集對(duì)，再對(duì)集對(duì)的特性做同一性、差異性和對(duì)立性分析，然后建立集對(duì)的同異反聯(lián)系度[15-17]。

評(píng)價(jià)生態(tài)型灌區(qū)水資源承載力，實(shí)際上是具有確定性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與不確定性的評(píng)價(jià)因子權(quán)重相結(jié)合的決策過程，在處理水循環(huán)系統(tǒng)中確定與不確定性問題時(shí)可以采用模糊集對(duì)分析評(píng)價(jià)模型。為充分考慮等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)邊界的模糊性和各評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響力，對(duì)一般集對(duì)分析改進(jìn)后提出模糊集對(duì)分析法（fuzzy set pair analysis assessment method，簡稱FSPAAM法）[18-20]。較一般集對(duì)分析而言，模糊集對(duì)分析法綜合考慮了等級(jí)邊界的模糊性，對(duì)所選特征性指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重計(jì)算，使得計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確，客觀性更強(qiáng)。

2.2 模糊集對(duì)評(píng)價(jià)模型

從系統(tǒng)性和代表性的角度選擇水文水資源系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系并確定等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，具體評(píng)價(jià)過程如下：

（1）構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。分析影響灌區(qū)發(fā)展的因素，建立生態(tài)型灌區(qū)水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系xi（i=1，2，3， · ··，m；m 為評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)）。

（2）建立評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。確定評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)有標(biāo)準(zhǔn)法、參考法、專家判斷法，根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況，綜合考慮確定生態(tài)型灌區(qū)水資源承載力評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)sk（k=1，2，3， · ··，K；K為評(píng)價(jià)等級(jí)數(shù)）。

（3）構(gòu)造集對(duì)計(jì)算聯(lián)系度。將評(píng)價(jià)樣本第i指標(biāo)值xi(i=1，2，3， · ··，m)看成一個(gè)集合，第k級(jí)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)看成集合Bk，則Ai和Bk構(gòu)成一個(gè)集對(duì)H(Ai，Bk)。為了提高評(píng)價(jià)結(jié)果的分辨率，評(píng)價(jià)時(shí)將Bk視為1級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成的集合B1，由式(1)和(2)計(jì)算模糊聯(lián)系度。

模糊聯(lián)系度計(jì)算式如下：

①反向指標(biāo)（越小越優(yōu)指標(biāo)），當(dāng)K＞2時(shí)集對(duì)的K元聯(lián)系度為）：

②正向指標(biāo)（越大越優(yōu)指標(biāo)），當(dāng)K＞2時(shí)集對(duì)的K元聯(lián)系度為）：

式中：I為差異度系數(shù)，I∈[-1,1]；J為對(duì)立度系數(shù)，一般情況下J=-1。

（4）評(píng)價(jià)樣本集合指標(biāo)聯(lián)系度的計(jì)算：

式中：ωi為指標(biāo)i的權(quán)重；ai為指標(biāo)xi與該指標(biāo)第k級(jí)標(biāo)準(zhǔn)sk的同一度；為指標(biāo)xi與該指標(biāo)第k級(jí)標(biāo)準(zhǔn)sk相差一級(jí)的差異度為指標(biāo)xi與該指標(biāo)第k級(jí)標(biāo)準(zhǔn)sk相差兩級(jí)的差異度，其余類推；ci為指標(biāo)xi與該指標(biāo)第k級(jí)標(biāo)準(zhǔn)sk相差k-1級(jí)的對(duì)立度。

式中：f1為評(píng)價(jià)樣本隸屬于1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的可能性；fk為評(píng)價(jià)樣本隸屬于k級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的可能性。

（5）水資源承載力綜合評(píng)價(jià)。為避免聯(lián)系度差異不確定分量系數(shù)）確定時(shí)的主觀性影響評(píng)價(jià)結(jié)果，采用置信度準(zhǔn)則判斷評(píng)價(jià)樣本所屬等級(jí)：

式中：λ為置信度，取值不宜過大或過小，一般建議為[0.50，0.70][18]。

3 應(yīng)用實(shí)例

大功引黃灌區(qū)位于黃河下游豫北平原區(qū)，灌區(qū)主要涉及安陽市內(nèi)黃縣、鶴壁市?？h、省直管縣滑縣、新鄉(xiāng)市長垣縣和封丘縣，共3市5縣的部分地區(qū)（見圖1），總設(shè)計(jì)灌溉面積18.9萬hm2。灌區(qū)渠首設(shè)計(jì)引水流量70 m3/s，同時(shí)設(shè)有12個(gè)應(yīng)急取水口，可以在枯水期保障灌區(qū)的正常供水。本文評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)來源于河南省水資源公報(bào)、河南省第3次全國水資源調(diào)查評(píng)價(jià)開發(fā)利用階段性成果及各行政區(qū)（區(qū)）水資源數(shù)據(jù)資料，其中包含灌區(qū)有效水利用系數(shù)、水資源開發(fā)利用率、淺層地下水超采率、生態(tài)環(huán)境用水率、平均城鎮(zhèn)化率、人均GDP等相關(guān)的數(shù)據(jù)信息。

圖 1 河南省大功引黃灌區(qū)概化圖Fig. 1 General map of Dagong Yellow River diversion irrigation area in Henan Province

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)

本文遵循系統(tǒng)性、動(dòng)態(tài)性、典型性、綜合性等原則，結(jié)合相應(yīng)的衡量標(biāo)準(zhǔn)和研究區(qū)實(shí)際情況，最終確定適于生態(tài)型灌區(qū)水資源承載力的評(píng)價(jià)指標(biāo)（見表1）。

表 1 評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Tab. 1 Grading standard of evaluation index

根據(jù)灌區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)、水資源、生態(tài)環(huán)境發(fā)展現(xiàn)狀，參考相似灌區(qū)指標(biāo)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，將指標(biāo)分為4個(gè)等級(jí)，其中1級(jí)為承載、2級(jí)為臨界承載、3級(jí)為超載、4級(jí)為嚴(yán)重超載；采用層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重，并根據(jù)9項(xiàng)指標(biāo)屬性與水資源承載力的關(guān)系確定指標(biāo)類型。評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)、指標(biāo)權(quán)重及指標(biāo)類型見表1。

3.2 評(píng)價(jià)結(jié)果

設(shè)大功引黃灌區(qū)水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)值構(gòu)成集合A，9個(gè)指標(biāo)的1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成集合B，各集對(duì)聯(lián)系度計(jì)算結(jié)果見表2（以2015年為例）。根據(jù)置信度準(zhǔn)則評(píng)判灌區(qū)水資源承載力所屬等級(jí)，即由式(4)～(5)計(jì)算hk值，取 λ=0.55。得到?？h 2015 年水資源承載力 h1=0.085＜0.55，h2=0.504＜0.55，h3=0.650＞0.55，由置信度準(zhǔn)則可判斷出?？h2015年水資源承載力評(píng)價(jià)結(jié)果為超載。

表 2 2015年各集對(duì)H(Ai, B1)的聯(lián)系度計(jì)算Tab. 2 Calculation of association degree of each set pair H (Ai, B1) in 2015

依據(jù)前述方法，可以得出大功引黃灌區(qū)近八年水資源承載力綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，詳見圖2。圖中4個(gè)柱狀條分別代表水資源承載力4種狀態(tài)，若4種狀態(tài)中某一狀態(tài)值達(dá)到或超過置信度（0.55），則該年當(dāng)?shù)厮Y源承載力為這一狀態(tài)。由圖2可知，2010—2013年大功引黃灌區(qū)水資源承載力整體狀態(tài)為嚴(yán)重超載，說明在此期間對(duì)水資源沒有足夠重視，灌區(qū)水資源開發(fā)已經(jīng)遠(yuǎn)超灌區(qū)可利用水資源量，導(dǎo)致水資源可持續(xù)性差，承載能力很弱；河南省開始實(shí)施最嚴(yán)格水資源管理制度后，2014年灌區(qū)內(nèi)長垣和封丘地區(qū)水資源承載力情況開始有較好的轉(zhuǎn)變，到2015年灌區(qū)整體擺脫了嚴(yán)重超載的窘境，2017年除內(nèi)黃、?？h外，灌區(qū)水資源承載力有所好轉(zhuǎn)，水資源形勢(shì)較為穩(wěn)定。

圖 2 2010—2017年大功引黃灌區(qū)水資源承載力綜合評(píng)價(jià)結(jié)果Fig. 2 Results of comprehensive assessment of water resources carrying capacity in Dagong irrigation area from 2010 to 2017

經(jīng)過近幾年對(duì)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)，灌區(qū)整體水資源承載狀況得到改善?；h從2007年開始引黃水量約7 000萬m3，除滿足正常供水外，將多余水量儲(chǔ)蓄到引黃調(diào)蓄水庫中（庫容480萬m3），解決了十幾萬畝農(nóng)田灌溉問題，改善了40多萬畝農(nóng)田用水條件，并為縣城大工業(yè)提供充足水源，改善了縣城生態(tài)環(huán)境，同時(shí)對(duì)縣域經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展起到重要的支撐作用。但內(nèi)黃、?？h兩地仍處于水資源超載區(qū)，分析其原因可能是當(dāng)?shù)貫闈M足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，多年的地下水超采使地下水漏斗的擴(kuò)張沒有得到有效遏制，加之兩縣處于大功灌區(qū)渠系下游末端，上游供水指標(biāo)無法滿足下游用水需求，導(dǎo)致當(dāng)?shù)厮Y源承載力無法得到顯著增長。按照生態(tài)型灌區(qū)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)以及國家對(duì)生態(tài)文明建設(shè)的重視，管理部門應(yīng)進(jìn)一步完善大功引黃灌區(qū)內(nèi)水資源調(diào)度和水資源調(diào)配等相關(guān)工作，確保生活用水和工業(yè)用水的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)汛期有水補(bǔ)源、非汛期有水灌溉。本文評(píng)價(jià)結(jié)果與灌區(qū)現(xiàn)狀水資源承載力狀況相符。

4 結(jié) 語

按水資源承載力評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，選取能夠代表生態(tài)型灌區(qū)水資源承載力的評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用模糊集對(duì)分析理論對(duì)灌區(qū)進(jìn)行水資源承載力綜合評(píng)價(jià)，結(jié)果表明2015—2017年灌區(qū)水資源承載力相比2013年之前有大幅提升。為了達(dá)到生態(tài)型灌區(qū)的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，大功引黃灌區(qū)作為黃河下游重要的大型灌區(qū)應(yīng)以水資源可持續(xù)利用為中心，加強(qiáng)生產(chǎn)、生活、生態(tài)用水之間的合理調(diào)配，加大生態(tài)建設(shè)力度，以確保“社會(huì)經(jīng)濟(jì)-水資源-生態(tài)環(huán)境”復(fù)合大系統(tǒng)良性運(yùn)轉(zhuǎn)。此外，在今后的研究中，應(yīng)該著重考慮計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重和模型優(yōu)化方面的研究工作，以便更好地權(quán)衡計(jì)算時(shí)主觀性與客觀性對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的影響，從而提高評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性，使研究結(jié)論更具有指導(dǎo)意義。