黃河下游引黃灌區水安全評價方法及應用

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，鄭州 450046；2.河南省水利勘測設計研究有限公司，鄭州 450016）

0 引 言

【研究意義】水資源是人類生活及生態環境所必需的資源因子，人口的不斷增加以及社會經濟的快速發展，導致人類對水資源的需求量持續加大，導致水資源危機加重[1]，為了解決水資源供需矛盾，實現水資源與社會、經濟、生態環境協調發展[2]，正確評價區域水安全等級將對區域水資源合理開發利用具有重大意義。我國是農業大國，灌區支撐著我國農業經濟發展，同時也保障著我國農業健康可持續發展，在我國資源條件越來越受約束、環境污染日趨嚴重、生態系統逐步退化背景下，建設可持續發展的生態灌區、合理高效利用水資源是未來灌區發展的必經之路。【研究進展】作為發展黃河流域農業經濟、建設生態環境的必要基本設施，引黃灌區同時還保護著黃河下游兩岸的區域供水和糧食安全。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、部分地區出現地下水漏斗擴張影響，引黃灌區生態可持續發展逐漸被抑制[3]。此前有許多學者對灌區進行過不同的研究，周維博等[4]曾針對干旱半干旱地區的灌區建立了一套涵蓋經濟、社會和生態效益等44 個具體評價指標的水資源綜合效益評價指標體系，并應用于陜西寶雞峽灌區；喬鵬帥等[5]探討了將集對分析法應用于灌區綜合評價的可行性；Zhang 等[6]應用模糊集對分析對大功灌區水資源承載力進行評價；方延旭等[7]認為生態灌區是現代化灌區的高階階段，現代化灌區應向生態型灌區轉型。【切入點】以往學者的評價研究中，涉及城市、區域的水安全評價較多，針對黃河流域引黃灌區的水安全評價研究較少。2019年習近平總書記在鄭州考察時強調要推進黃河流域生態保護和高質量發展，如今黃河流域的生態環境較為脆弱，流域水資源問題突出，已經影響到黃河流域經濟發展質量[8]。【擬解決的關鍵問題】本文開展灌區水安全評價，以實現灌區的協調健康發展作為目標，將“經濟社會-水資源-生態環境”復合系統相互作用機理作為切入點展開研究，深入研判水資源系統和經濟社會系統、水資源系統和生態環境系統之間的相互作用機理，剖析影響灌區水安全評估的要素，建立數學模型，定量分析灌區水安全等級，科學研判水安全演變趨勢。

1 引黃灌區水安全問題及評價方法

1.1 引黃灌區水安全問題及評價體系

引黃灌區是我國重要的農業規模化生產和糧產基地，是我國農業農村乃至國民經濟發展的重要基礎設施。引黃灌區不合理的水資源掠奪,會產生人為的環境問題,導致流域生態環境惡化。灌區水資源的開發利用還會對灌區農作物種植結構和方式、灌區植被、生物、地貌景觀等自然環境以及群眾生活方式、生活條件、人畜用水等社會環境產生影響[9]。引黃灌區引用的黃河水作為灌區重要的客水水源，主要用作農業灌溉。黃河流域社會經濟不斷發展,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降水均發生不同程度的降低，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，河底受調水調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面臨的重大問題，因此，構建科學嚴謹的水安全評價指標體系、選擇合理的評價方法對灌區水安全狀況進行評價，解決灌區水安全問題具有重大現實意義。

系統的水安全評價包括構建評價指標體系、確定評價標準、對數據進行處理、計算指標權重和選擇評價方法5 部分。選取評價指標需系統全面，不僅要能反映研究區域的水資源現狀，還要兼顧到區域的經濟社會發展狀況和生態環境安全等方面；評價標準也并非一成不變，研究區域不同，相應的評價標準也不盡相同，因此，不同區域的評價標準應依照當地的發展現狀制定；確定指標權重常用層次分析法、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方法的優劣，再結合具體研究區域選取的指標性質來決定；水安全評價方法相關研究較多，典型的方法有數理統計法（如主成分分析法）、運籌決策法（如層次分析法）、灰色系統理論（如灰色關聯度評價）、模糊數學（如模糊綜合評價法）等，建立的評價指標體系不同，各評價方法的應用效果也有所不同。

1.2 水安全評價指標體系構建

水安全核心是使人與自然和諧發展，水安全評價指標體系需要以水安全核心為基礎構建。水安全模糊、系統復雜、涉及面廣泛，因此需要構建一個綜合評價指標體系對水安全進行評價；指標體系是由組成水安全系統中的各方面因素所構成的有機統一的體系，其構建需遵循科學性原則、可操作性原則、完備性原則、動態靜態相結合原則、定量分析與定性分析相結合原則和可比性原則。以構建水安全評價指標體系需遵循的原則為前提，在探究水資源系統與經濟社會系統、生態環境系統三者之間相互作用機理基礎上，以經濟社會安全、水資源安全、生態環境安全3 個層面作為構建指標體系的準則層，統籌考慮構建水安全綜合評價體系的完整性與簡潔性，參考借鑒各學者的研究成果，結合研究區具體情況，最終構建適用于評價生態灌區水安全的一套評價指標體系。在經濟社會安全層面，選取了平均城鎮化率（%）、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、人均水資源可利用量（m3/人）、水資源開發利用率（%）；在生態環境安全層面，選取了缺水率（%）、淺層地下水超采率（%）和生態環境用水率（%）。將這些因素歸為3 個準則層，建立指標體系，指標在評價中所反映的含義具體見表1。

表1 灌區水安全綜合評價指標體系 Table1 Comprehensive evaluation index system for water safety in irrigation districts

1.3 水安全評價方法

對水安全進行評價就是利用數學方法量化描述水安全狀況。評價模型目前尚在探索，現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]、灰色關聯度模型[17-18]、模糊綜合評價模型[19]等被眾多學者廣泛應用。水安全級別具有模糊性和連續性，而模糊綜合評價法可相對客觀反映這2 種性質，更加合理地計算出綜合評價的具體結果。為了評價生態灌區的水安全等級，本文選用模糊綜合評價模型，構造出合適灌區的隸屬度函數，對灌區水安全進行評價，以期為黃河下游引黃灌區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 分別設為：U={U1，U2，…，Un}；V={V1，V2，…，Vm}。

2）確定權重及單指標隸屬度

由 各 評 價 指 標 權 重 組 成 的 集 合K={k1，k2，…，kn}為權重集（同一級各元素權重需滿足：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程度多少的數量化，用A 表示，對照各因素指標的分級標準，可推求各因素指標A 的數值。為了避免等級數值兩兩相差很小但評價等級可能出現相差一級的情況發生，可將其模糊化處理，以保證隸屬度函數能平滑過渡于各評價等級之間。計算指標隸屬度是模糊綜合評價法的主要計算環節，目前已有的研究成果中，模糊分步法、模糊統計法和待定系數法較為常用[20]。根據明確的評價標準，本文決定使用三角形隸屬度函數依次推求各個評價指標的隸屬函數。根據各指標屬性與灌區水安全的關系將指標分成效益型指標（+）和成本性指標（-）二類進行處理，隸屬度函數公式構造如下：

①效益型指標：

非常安全隸屬度： 式中：A 為評價指標的隸屬度；x 為評價指標的實際數據；s 為評價指標的第m 級標準值。

3）模糊綜合評判。

對某個評價因素u 進行評判，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 個評價等級區間的評價集可構成判斷矩陣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 為權重集；A 為評價指標隸屬度矩陣。則對第m 個評價等級標準水安全評價值可表示為：

式中：ki為第i 個評價指標權重；an,m為第n 個元素在第m 個評價等級中的隸屬度。

2 應用實例

2.1 灌區概況及指標分級情況

大功灌區是跨行政區域跨流域的大型灌區，大功引黃灌區灌溉面積為18.9萬hm2，灌區跨越內黃縣（安陽市）、浚縣（鶴壁市）、省直管縣滑縣、長垣市和封丘縣（新鄉市）的部分區域，南北跨黃河、海河兩大流域，灌區南接黃河大堤，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，北接衛河。灌區位置如圖1所示。

灌區評價指標數據來自河南省水資源公報、河南水利統計年鑒及各行政區的水資源公報，其中涵蓋灌溉水有效利用系數、水資源開發利用率（%）、生態環境用水率（%）、人均GDP（元/人）等基本數據信息。結合灌區生態環境、經濟社會發展現狀，統籌考慮灌區的水資源狀況和當前經濟發展的水平，結合我國用水水平和相關國家部門規劃要求，參考借鑒相關文獻[21-22]、其他學者的研究經驗及相似灌區劃分評價等級的標準，將指標分成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。根據上述內容確定了灌區評價指標的分級標準和指標類型，詳見表2。

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

表2 水安全評價分級標準 Table 2 Water safety assessment grading standards

2.2 灌區水安全評價結果

根據灌區實際數據，以滑縣2013 年各指標實際數據為例，指標權重均由AHP 法確定，運用式（1）—式（10）計算評價指標的隸屬度，具體結果詳見表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）。內黃、浚縣、長垣和封丘地區的水安全評價值計算方法與滑縣地區相同。經計算得到2013—2017 年河南省大功引黃灌區水安全評價值，詳見圖2。

2.3 結果分析與討論

根據最大隸屬度原則，大功灌區涵蓋的各縣2013―2017 年水安全綜合評價結果為：2013―2017年，長垣和封丘地區地處上游，水資源條件較好，水安全狀態處于基本安全狀態向非常安全狀態轉變，屬于非常安全狀態的隸屬度不斷提高；滑縣地區水安全狀態大致保持在基本安全狀態；浚縣地區水安全處于較不安全向不安全過渡的狀態；內黃地區水安全狀態不理想，處于不安全狀態。總的來說，大功灌區所涉及的各縣水安全狀態中除長垣、封丘和滑縣地區外，其余各縣距離水安全的差距依然存在。計算結果與大功灌區水安全現狀基本一致。

評價結果顯示，由于近年來在水資源開發利用、規劃調度及管理等方面的不斷改進，使得大功灌區水安全總體呈基本安全狀態，但仍有部分地區（浚縣、內黃）處于不安全狀態，為大力發展經濟社會，確保糧食能夠安全可持續增產，滑縣、浚縣和內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張并未得到有效遏制，地下水持續下降，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，并出現地下水漏斗不斷向周邊擴展、水質急速惡化以及局部地面沉降等問題，導致三地生態環境發展逐漸惡化，進而影響水安全狀態。此外浚縣、內黃一帶地處大功灌區渠系下游末端，上游供水指標無法滿足下游用水需求，中下游用水困難，特別是下游的內黃縣，如需用水，就要先向新鄉市大功管理處申請，然后協調上游水利局之后，方可向內黃縣引水，中間環節多，致使中下游用水困難，且人均水資源占有量未達到全省人均水資源占有量的1/2，當地經濟的發展由于水資源短缺明顯受限，也是阻礙兩地水安全狀態好轉的原因之一。

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

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

保障灌區正常運轉，引水補源尤為重要，管理部門應考慮將大功灌區水資源統一調配工作重視起來，利用大功灌區總干渠引用黃河水以改善水安全狀態薄弱地區的水資源短缺現狀，合理分配水資源，更好地解決上下游用水問題，修復水生態環境，促進當地經濟的發展。大功灌區地處河南北部，作為河南省大型糧產地區，大功灌區缺水現象嚴重，水資源短缺進一步影響糧食產量，最終限制城鄉生態經濟社會的發展，制約城市可持續協調發展。灌區生態狀況向好發展可帶動灌區生態發展與經濟社會發展逐步趨于協調，進而推動大功灌區逐步轉變為健康可持續的新型生態灌區。

3 結 論

本文采用模糊綜合評價方法對河南省典型引黃灌區大功灌區的水安全進行評價，對使大功灌區達到生態型灌區建設標準，合理調配生產生活用水，有效分配生態環境用水，加大生態建設力度，確保“經濟社會-水資源-生態環境”復合系統良性運轉具有實踐意義。此外，在今后的研究中，應該著重考慮計算評價指標權重和模型優化方面的研究工作，更好地權衡計算時主觀性與客觀性對評價指標權重的影響，采用主客觀相結合的權重確定方式，盡可能利用評價模型集來對研究區域的水安全狀態進行評價計算，多結果對比分析討論，提高評價結果的可靠性，以期提出一套適用度更高的水安全評價體系。