干旱地區生態環境需水評價研究——以民勤縣為例

姜田亮, 張恒嘉, 石媛媛, 王雅云

干旱地區生態環境需水評價研究——以民勤縣為例

姜田亮, 張恒嘉*, 石媛媛, 王雅云

甘肅農業大學水利水電工程學院, 蘭州 730070

為科學準確的評價半干旱地區生態環境需水狀況, 對生態環境需水評價概念進行概括, 以“自然—水資源—社會經濟—生態”復合系統為研究角度, 建立1目標、4準則, 29指標的半干旱地區生態環境需水評價體系, 將熵值理論引入層次分析法結合計算指標權重以消除主觀經驗對結果的影響, 以半干旱地區民勤縣為例, 使用模糊綜合評價法對該地區2006—2015年的生態環境需水及其子系統狀況進行評價分析。結果表明: ①對半干旱地區生態需水評價指數影響最大的是“水資源”子系統與“生態”子系統; 缺水量、年平均水資源量、生態用水量占比、地均水資源量及人均水資源量為影響力最大指標。②近十年民勤縣的生態環境需水處于“較差”轉向“一般”的階段, 與各子系統的協調度逐年變好, 說明該地生態治理取得了成效。該方法可應用于類似半干旱地區的生態環境需水評價, 為半干旱地區制定水資源調控戰略及生態需水研究奠定一定的理論基礎。

半干旱地區; 生態環境需水; 層次分析; 熵權法; 模糊綜合評價; 民勤縣

0 前言

水作為維系自然界一切生態過程和生命活動的基礎性自然資源, 是生命的載體和源泉, 特別在干旱地區, 有限的水資源是維系生態系統和諧的決定因素, 是社會經濟發展的桎梏[1]。由于水資源短缺及不合理利用使生態環境日益惡化, 出現了嚴重的水資源危機, 特別在我國部分干旱地區, 工農業以及生活用水的增加擠占了生態用水, 使各類生態系統的生態功能不斷下降, 遭受到不同程度的破壞。因此生態環境需水問題引起國內外學者的廣泛關注, 并從以下三個方向進行了大量研究: 一是生態環境需水的內涵及其驅動機制研究[2-5], 二是生態環境需水的量化及其機理研究[6-9], 三是生態環境用水的安全保障策略和保護模式研究[10-13]。對生態環境需水進行綜合意義上的評價是水資源管理配置與生態保護建設中的關鍵問題,也是生態需水各項研究工作開展的前提。生態環境需水狀況評價可理解為區域某一歷史發展階段, 將自然條件、水資源、社會經濟及生態條件復合系統中的重要信息進行量化, 定量描述生態環境需水狀況的優良程度和存在問題。本文以民勤縣為例, 建立干旱地區生態環境需水評價指標體系, 在層次分析法的基礎上, 引入熵值概念對指標權重的確定進行改進, 并使用模糊評價法對該地2006—2015年生態環境需水變化趨勢進行評價, 以期為類似地區生態環境需水狀況的計算提供參考, 為干旱地區生態需水的研究奠定基礎, 以實現水資源的良性循環和可持續發展。

1 材料與方法

1.1 區域概況

民勤縣位于103°03′—104°03′E, 38°05′—39° 06′N, 縣內多年平均年降雨量115 mm, 蒸發量2643.9 mm。該縣水資源主要由地表水及地下水構成, 水資源總量3.96×108m3, 綠洲面積僅為2.4×103km2, 占總面積的15%, 為典型的干旱地區[14]。過去幾十年, 由于石羊河上游修建水庫, 有限的水資源被攔截在上游地區, 導致下游無水可用, 為維持生計, 當地居民過度開采地下水資源,引發嚴重的生態環境用水問題, 嚴重威脅到當地居民的生命財產安全[15]。近年來, 國家相關方針政策對民勤縣生態的治理, 如生態移民、植樹造林、節水灌溉等措施, 使該地區生態環境需水狀況有了一定程度的好轉[16]。

1.2 研究方法

美國運籌學家薩蒂1970年提出層次分析法(AHP), 通過對所劃分層次的各要素進行簡單計算和比較, 確定各量化要素的重要程度, 具有靈活、系統的優點, 但實際判斷中, 信息的不完備往往產生模糊的主觀判斷, 致使結果的經驗化。為有效解決該問題, 將熵的思想引入AHP, 用熵值代替專家對各指標進行打分并利用模糊綜合法得到評價結果。主要步驟如下:

1)評價體系的建立干旱地區生態環境需水綜合評價是就不同系統中的信息對生態環境需水產生的綜合影響進行量化。既能反映出半旱區水資源的高效利用及合理配置程度, 也是半旱區人類活動對水資源干擾程度及生態環境需水狀況的表達。借鑒國內外生態環境及水資源承載力評價的研究成果作為指標選擇和評級區間劃分的依據[17-22], 并咨詢甘肅省治沙所專家對指標合理性進行評價, 最終以“自然—水資源—社會經濟—生態”復合系統為研究角度, 建立干旱地區生態環境需水評價體系(表1)。其中準則層是目標層的整體體現, 反映了各子系統對干旱區生態環境需水的影響; 指標層表達了子系統內各要素對其所屬系統的影響程度, 選取29個能夠影響生態環境需水狀況的評價因子為指標。

本文選取民勤縣2006—2015年的指標進行生態環境需水評價, 各數據均來源于《民勤縣國民經濟和社會經濟統計資料匯編》[23]。

設子系統中有 m 個評價指標, 構成向量A=(a,a,…,a), 歸一化后得向量B=(b,b,…,b), 計算公式為:

表1 干旱區生態環境需水評價指標及評級區間

式中:max、min為同一指標中的最優值和最劣值。正向指標中, 最優值max為同一指標中的最大值; 逆向指標中, 最優者max為同一指標中的最小值。

第i個評價指標的熵值計算公式為:

3)子系統指標權重確定各指標相對子系統的權重值W使用平均值法來計算。

4)干旱區生態環境需水模糊評價根據干旱地區的特點, 建立評價向量1,2,…,v和模糊關系矩陣()m×p。

矩陣中r(ij)表示評價指標i在j級標準的隸屬度, 即評價指標i位于j級評價標準的可能性大小, 通過具體隸屬函數計算。根據表1中數據分布特點, 選取梯形半梯形分布的隸屬度函數。具體模型如下:

一級:

二級:

三級:

四級:

五級:

在上述數學模型中, 正向指標取前者, 逆向指標取后者。x, x, x, x分別是v和v,v和v,v和v以及v和v的等級臨界值,x,x,x分別是v,v,v等級數值區間的中間值。

最后用加權平均算子進行運算對W、R、V進行合成, 得到各指標評價結果, 即:

該算法將所有因素納入評價結果向量之中, 體現了“綜合”評價的特點。

3 結果與分析

基于上述思路對各指標進行單層次及總層次排序處理, 即對干旱地區生態環境評價指標權重進行計算, 結果列于表2。

從表中可以看出, 對干旱區生態環境需水評價影響較高的是水資源條件和生態條件, 自然條件相對較小。而從指標層的角度, 對生態環境需水評價值影響最大的前五位分別是缺水量、年平均水資源量、生態用水量占比、地均水資源量及人均水資源量, 其權值分別為0.0744, 0.0624, 0.0535, 0.0508; 對評價值影響最小的五個指標分別是土壤狀況、人口自然增長率、年平均蒸發量、人均GDP及年平均溫度, 其權值分別為0.0065, 0.0091, 0.0115, 0.0126, 0.0166。因此, 干旱區生態環境需水綜合治理方面要加強水資源的合理利用與規劃管理, 并注重生態條件的改善, 才能實現生態環境的健康發展及水資源合理配置, 保障干旱區水資源可持續利用與生態安全, 最終達到提高水資源利用的經濟和生態效益的目的。

民勤縣2006—2015年各子系統模糊評價及綜合評價結果如(表3)所列

為直觀反映各系統模糊評判結果, 將表中結果整理成折線圖(圖1—5)

表2 各指標對目標層的權值N

表3 2006-2015年民勤縣各指標評價結果

圖1 自然條件指數變化趨勢

Figure1 Trend of natural condition index

圖2 水資源條件指數變化趨勢

Figure2 Trend of water resources condition Index

圖1可以看出, 民勤縣的自然條件處于“較差”水平, 評價指數呈微弱的上升趨勢。從具體年份看,受蒸發量影響, 2011年自然條件評分最低, 該年蒸發量為2623mm, 為近十年來的最高水平。由于土壤狀況的不斷改良以及地下水的開采量的減少, 土壤鹽漬化程度降低, 地下水埋深變淺。雖然2011年的低值拉低整體的上升幅度, 但其它指標因素的轉好仍使民勤縣自然條件逐年好轉。

圖3 社會經濟指數變化趨勢

Figure3 Trend in socioeconomic index

圖4 生態條件指數變化趨勢

Figure4 Trend of ecological condition index

圖5 生態環境需水綜合指數變化趨勢

Figure5 trend of comprehensive index of eco-environmental water demand

圖2中民勤縣水資源條件變化不大, 評分均值為2.3698, 處于“較差”的水平。對水資源條件評分影響較大的指標是地均水資源量和人均水資源量, 由于民勤地處干旱區, 年降雨量少, 蒸發量大, 主要依靠地下水和石羊河中上游來水。2008年和2014年的低值2.29、2.24, 使其呈現雙低谷形態, 從已有數據中可以看出, 這兩年的降水量分別為117 mm, 119 mm, 同時徑流量也低于平均值2.65×108m3, 拉低地區徑流系數, 各指標皆為十年來最低值。水資源數量是決定干旱區生態環境需水良好與否的最主要因素, 無法通過人為改變, 只有通過合理利用水資源, 提高水資源利用效率來實現水資源子系統狀況的好轉。

從社會經濟條件的層面來看(圖3), 屬于“一般”的水平, 與生態環境需水的協調度較差, 說明該地區社會經濟用水超過應有的可支撐水平。2006年至2015年整體處于微弱的下滑階段, 與生態環境需水的協調度顯現出好轉趨勢。對社會經濟條件影響較大的指標為耕地灌溉率和單位GDP耗水, 民勤縣統計資料顯示, 該地歷年灌溉率均在75%以上, 2014年、2015年的灌溉率達到88%。而近十年該地單位GDP耗水總體呈上升趨勢, 2012年起才呈現下滑狀態, 這是以農業為主的民勤縣社會經濟條件綜合指數較高、且總體下滑的主要原因, 也說明該地區農業用水效率較低, 有一定的浪費, 在今后發展中應注重提升農業用水效率。

從生態層面來看(圖4), 民勤縣的生態條件指數在波動中上升, 從具體年份來看, 2010年以前評分呈下降趨勢, 2010年后開始上升, 2014、2015年上升較為明顯, 2015年生態條件狀況從“差”變為“較差”。主要是由于2010年以前對地下水的開采依舊逐年加劇, 對生態用水的擠占也比較嚴重, 綠洲植被退化嚴重, 覆蓋率較低, 2010年后對民勤的治理力度加大, 由于生態移民、退耕還林、人工造林等政策的實施, 緩解了生態壓力, 使民勤綠洲的生態得到一定程度的恢復, 該地區生態條件會繼續朝好的方向發展。

總體來看(圖5), 民勤的生態環境需水呈現出穩步上升的狀態, 綜合指數十年間由2.5451增加至2.7132, 正處于由“較差”轉向“一般”的階段, 近年來國家對民勤在政策和經濟上的扶持起到一定的成效。

4 討論與結論

為科學、客觀、準確評價干旱地區生態環境需水狀況, 以“自然—水資源—社會經濟—生態”復合系統的研究角度, 建立干旱區生態環境需水評價體系, 用處理過的熵值替代專家打分構建判斷矩陣計算指標權重, 并利用模糊評價模型進行打分, 以典型干旱區民勤縣為例, 對該地區2006—2015年的生態環境需水狀況進行評價分析。得到以下結論:

(1)參照已有研究并結合本文研究內容, 對生態環境需水狀況評價的概念進行界定: 區域某一歷史發展階段, 將自然條件、水資源、社會經濟及生態條件復合系統中的重要信息進行量化, 定量描述生態環境需水狀況的優良程度和存在問題, 它是生態需水各項研究工作開展的前提, 也是水資源分配成果的反映。

(2)參考國內為生態環境和水資源承載評價標準, 對生態環境需水進行五個模糊等級劃分, “差”、“較差”、“一般”、“較好”、“好”分別對應“1”、“2”、“3”、“4”、“5”的分值, 從自然條件子系統、水資源子系統、社會經濟子系統和生態子系統4個方面選取29個指標進行評價。基于熵權法, 對層次分析法中判斷矩陣的構建進行改進, 降低評判過程中主觀經驗的影響, 推導評價系統中各指標權重的占比。

(3)運用綜合模糊評價法評價甘肅省民勤縣生態環境需水, 評價結果顯示: 近十年民勤縣生態環境需水綜合指數的平均值為2.5858, 生態環境需水處于“較差”轉向“一般”的階段, 且處于增長趨勢, 說明該地生態環境需水還具有較大潛力。生態環境需水與社會經濟子系統的協調度較差, 反映出該地經濟用水較多, 超出其可支撐水平。對民勤縣2006—2015年的縱向評價可以得出, 除經濟社會子系統屬于“一般”水平, 自然、水資源、生態子系統都屬于“較差”水平, 隨時間變化各子系統與生態環境需水的協調度逐漸提升。評價結果符合民勤縣的實際情況, 可為類似干旱地區的生態環境需水評價研究提供參考。

(4)改善水資源條件與生態環境條件是提升干旱區生態環境需水的關鍵。對于水資源條件, 要堅持“減耕、退耕、節水”戰略。對企業機關事業單位征用的土地、確權開發的土地和無序開荒的土地適度退耕; 定期對輸水管道進行維護, 減少蒸發滲漏等無效損耗; 大力發展噴灌滴灌等節水技術, 積極開展雨洪利用, 減少地下水開采量, 提高地表水利用效率。對于生態環境條件, 要推行生物改良、水利工程改良、化學改良和農業改良等技術以修復土壤鹽漬化; 通過草地封育、草地改良、人工草地建植等改善草場退化; 建設沙障, 遏制土地沙化蔓延, 同時對風沙危害嚴重的區域, 積極退耕還林還草, 推廣免耕法, 除了上述措施, 還要注重從水文、氣象、土壤及環境等方面研究, 處理好干旱地區發展與保護的關系。

(5)由于本文未對生態環境需水所涉及其他相關問題進行探究, 所建立生態環境需水綜合評價指標體系的不足之處仍然存在。如需要繼續豐富指標內容, 降低體系中的重復信息, 建立一套能全面反映干旱地區生態環境需水狀況的指標; 本文中指標的標準值選取是借鑒國內學者及相關專家的結果, 不同區域、不同時段的等級劃分標準有待進一步補充研究; 干旱地區雨季、旱季對生態環境需水的作用如何, 尚需作細致、深入的討論。

[1] 陳亞寧, 李稚, 范煜婷, 等. 西北干旱區氣候變化對水文水資源影響研究進展[J]. 地理學報, 2014, 69(9): 1295– 1304.

[2] 陳敏建, 王浩. 中國分區域生態需水研究[J]. 中國水利, 2007, (9): 31–37.

[3] 湯潔, 佘孝云, 林年豐, 等. 生態環境需水的理論和方法研究進展[J]. 地理科學, 2005, 25(3): 3367–3373.

[4] 馬樂寬, 李天宏. 關于生態環境需水概念與定義的探討[J].中國人口. 資源與環境, 2008, 105(5): 168–173.

[5] 豐華麗. 河流生態環境需水理論方法及應用研究[D]: 南京: 河海大學, 2002.

[6] 苗鴻, 魏彥昌, 姜立軍, 等. 生態用水及其核算方法[J]. 生態學報, 2003, 23(6): 1156–1164.

[7] 胡廣錄, 趙文智. 干旱半干旱區植被生態需水量計算方法評述[J]. 生態學報, 2008, 28(12): 6282–6291.

[8] 姜田亮, 張恒嘉, 馬國軍. 旱區植被生態需水量間接法計算公式參數的探究[J]. 水資源與水工程學報, 2019, 30(1): 254–260.

[9] 劉新華, 徐海量, 凌紅波, 等. 塔里木河下游生態需水估算[J]. 中國沙漠, 2013, 33(4): 1198–1205.

[10] 李云玲. 基于水資源合理配置的黑河下游生態恢復研究[D]: 南京: 河海大學, 2005.

[11] 粟曉玲. 石羊河流域面向生態的水資源合理配置理論與模型研究[D]: 楊凌: 西北農林科技大學, 2007.

[12] 鄧潔. 威海市生態用水及水資源合理配置研究[D]: 北京:北京林業大學, 2009.

[13]李強坤, 李懷恩, 張會敏, 等. 基于生態需水配置的額濟納綠洲恢復方案[J]. 干旱區研究, 2008, 25(4): 457–463.

[14] 郝博, 粟曉玲, 馬孝義. 甘肅省民勤縣天然植被生態需水研究[J]. 西北農林科技大學學報(自然科學版), 2010, 233(2): 158–164.

[15] 孫濤, 王繼和, 劉虎俊, 等. 民勤綠洲生態環境現狀及恢復對策[J]. 中國農學通報, 2010, 26(7): 245–251.

[16] 張書涵. 淺析甘肅民勤生態問題[J]. 知識文庫, 2018, 426(3): 200.

[17]韓琦, 姜紀沂, 李瑛, 等. 西北干旱半干旱區水資源承載力研究現狀與發展趨勢[J]. 節水灌溉, 2017(6): 59–62, 67.

[18] 曹麗娟, 張小平. 基于主成分分析的甘肅省水資源承載力評價[J]. 干旱區地理, 2017, 40(4): 906–912.

[19] HE Renwei, LIU Zhaoquan, LI Lina, LIANG Lan, LI Tingting.Application of System Dynamics in Analyzing the Cultivated Land-Water Resources Carrying Capacity in Bijie Prefecture, China[J]. Journal of Donghua University (English Edition), 2013, 30(03): 228–238.

[20] CHEN Yue, CUI Yali, RONG Rao, et al. Evaluation on water resources carrying capacity of Changchun-Jilin Region[J]. Journal of Groundwater Science and Engineering, 2015(2): 164–169.

[21] WANG Kuifeng. Evaluation of the water resources carrying capacity of Shandong peninsula, China[J]. Journal of Groundwater Science and Engineering, 2016, (2): 120–130.

[22] 任杰宇, 邴建平, 張翔. 天門市水資源承載力評價與適應性分析[J]. 長江科學院院報, 2018, 35(05):27–31.

[23] 民勤縣統計局, 國家統計局. 民勤縣國民經濟和社會經濟統計資料匯編[G]. 武威:統計出版社, 2006–2015.

[24] 程啟月. 評測指標權重確定的結構熵權法[J]. 系統工程理論與實踐, 2010, 30(7): 1225–1228.

Evaluation of ecological environment water demand in arid area——taking Minqin County as an example

JIANG Tianliang, ZHANG Hengjia*, SHIYuanyuan, WANGYayun

Institute of Water Resources and Hydro-electric Engineering, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China

In order to evaluate the eco-environmental water requirement scientific and accurately in semi-arid areas, this paper summarized the concept of eco-environmental water demand assessment and set up the evaluation system of eco-environmental water demand in semi-arid area with 1 target, 4 criteria and 29 indexes based on the complex system of "natural-water resource-economic-ecology". The entropy value theory and the analytic hierarchy process were combined to calculate the index weight, which eliminated the influence of subjective experience on the result. Taking Minqin County in semi-arid area as an example, this paper evaluated and analyzed the condition of ecological environment water demand and its subsystem in this area for 2006-2015 year by using fuzzy comprehensive evaluation method. The results showed that the most important influence of ecological water demand Evaluation index was "water resource" subsystem and "ecological" subsystem, the most influential index was the quantity of water shortage, average annual amount of aquatic resources, ecological water consumption ratio, the amount of ground water resources and the amount per capita. In the last ten years, the water demand of ecological environment in Minqin County has been in the stage of "poor" to "general", and the coordination degree of each subsystem becomes better every year. The evaluation result is consistent with the actual situation. This method can be applied to the assessment of eco-environmental water demand in semi-arid area, which lays a theoretical foundation for the development of water Resources control strategy and ecological water demand research in semi-arid area.

semiarid region; ecological environment water demand; analytic hierarchy process; entropy weight method; fuzzy comprehensive evaluation; Minqin County

10.14108/j.cnki.1008-8873.2019.04.010

TV213.9

A

1008-8873(2019)04-063-08

2018-06-07;

2018-06-25

國家自然科學基金項目(51669001)

姜田亮(1993—), 男, 碩士研究生, 主要從事生態需水及其機理研究, E-mail: 1691693639@qq.com

張恒嘉(1974—), 男, 教授, 博士生導師, 主要從事農業水土資源高效利用研究, E-mail: zhanghj@gsau.edu.cn

姜田亮, 張恒嘉, 石媛媛,等. 干旱地區生態環境需水評價研究——以民勤縣為例[J]. 生態科學, 2019, 38(4): 63-70.

JIANG Tianliang, ZHANG Hengjia, SHI Yuanyuan, et al. Evaluation of ecological environment water demand in arid area——taking Minqin County as an example[J]. Ecological Science, 2019, 38(4): 63-70.