人民勝利渠灌區農業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

隨著人口與社會經濟的飛速增長，農業發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，社會發展與水資源之間產生了相當嚴重的供需矛盾，農業水資源的合理利用與科學配置問題亟待解決。有研究表明，灌區是我國經濟作物的主要栽培地區，灌區的可持續發展保障著區域內經濟與社會穩定［1］。然而，不斷加劇的水資源供需矛盾使部分灌區地下水漏斗現象嚴重，限制了灌區農業的可持續發展［2］。為進一步探究農業水資源承載狀況，優化灌區水資源開發利用條件，許多學者有針對性地開展了相關研究，研究方向主要集中于農業水資源與城市發展間的供需平衡［3-5］，對水資源短缺及水生態修復的研究相對較少。但隨著城市化的快速推進，行業用水比例逐漸失調，農業用水空間被不斷擠壓，同時農業水污染和水資源短缺問題日益嚴重。為實現黃河流域生態保護和高質量發展，對灌區農業水資源承載力進行科學評價至關重要，可厘清區域內水資源生態狀況及其對經濟發展的支撐能力，對更好地協調區域內生態保護、農業發展和水資源合理配置之間的平衡關系具有重大意義。

1 灌區農業水資源承載力研究理論基礎

1.1 水資源承載力研究內涵

水資源承載力是指在保障水環境生態功能良好的基礎上，能支持區域經濟發展或人類活動的最大水資源可開發規模，其主要受當地自然環境、水資源量、產業結構等因素影響［6］。水資源承載力主要包括可持續性、生態性、時空性、社會經濟性4 個內涵。可持續性主要體現為承載界限應滿足水資源可持續支持人類社會活動；生態性體現為承載界限應滿足水資源可維持自身良性生態功能；時空性體現為水資源承載力受降水等自然環境、社會需求及社會環境共同影響；社會經濟性則主要體現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濟發展。

1.2 農業水資源承載力評價內涵

由水資源承載力定義延伸可知，農業水資源承載力為在現有水權分配模式下，滿足自然環境良性生態功能的基礎上，特定區域內水資源支持農業生產發展的最大水資源可開發規模。其中，承載主體為可利用的農業水資源，承載客體為農業生產系統。

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

2 材料與方法

2.1 研究區概況

人民勝利渠是黃河下游地區首建的大型引黃灌區之一，承擔著非常重要的糧食生產責任。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居民正常的生產生活用水需要。

人民勝利渠灌區位于豫北平原，灌區主要涉及新鄉縣、獲嘉縣、原陽縣、延津縣、封丘縣、衛輝市，屬溫帶大陸性季風氣候區。該灌區年平均蒸發量1 250 mm，年平均降水量618 mm，降水主要集中于夏季，是典型的灌溉農業區，多年農業用水率平均值高達58%，灌區農業水資源承載力面臨巨大挑戰。

2.2 數據來源

筆者所收集的數據主要來源于歷年《河南省統計年鑒》《河南省水資源公報》《中國城市統計年鑒》及人民勝利渠管理局，主要調查項目包括研究區域內耕地面積、節水灌溉面積、糧食單產、水資源總量、供水量及用水量等。

2.3 研究方法

農業水資源承載力評價常用的研究方法有模糊綜合評價法、系統動力學法、多目標決策法及人工神經網絡法等。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。合理綜合的農業水資源承載力評價將為社會可持續發展提供決策支持，幫助區域推動農業種植結構的優化調整。另外，模糊綜合評價法還能夠優化等級邊界的模糊信息，得到更為精準客觀的結果［11］。

基于對立統一與普遍聯系的集對分析理論是較為經典的模糊綜合評價方法之一，該方法有效解決了系統中確定與不確定性問題。其主要是對某一不確定性系統中多個有關聯的評價指標進行集對構建，并根據構建得到的集合特性進行同一性、差異性和對立性分析，最終得到同異聯系度。該模糊綜合評價法主要包括以下5 步。

①灌區農業承載力評價指標體系構建。根據特定選取原則，采用專家經驗法、文獻搜索法、因子分析法、線性擬合法等選取影響灌區內農業水資源發展的因子作為評價指標，并構建灌區農業承載力評價指標體系Ai（i=1，2，3，…，n，其中n為評價指標個數）。

②評價指標的等級標準評定。根據標準法和專家經驗法，并結合灌區內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）。

③構造集對集合指標H（Ai，Bk），并計算五元聯系度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）的聯系度計算。

⑤灌區農業水資源承載力綜合評價。研究采用置信度準則判斷灌區農業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個指標后的數值超過置信度，則表示灌區農業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（通常為-1 ≤I≤1）；J為對立度系數（通常J=-1）。

評價樣本集合指標H（Ai，Bk）聯系度的計算公式為式（3）。

式（3）中：ωi為第i個評價指標的權重；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 灌區農業水資源承載力評價指標體系構建

在灌區農業水資源承載力評價指標體系的構建過程中，應綜合考慮灌區特有的自然條件、社會條件。綜上所述，研究遵循系統性、可操作性、通用性、可定量性、獨立性等基本原則，擬定灌區農業水資源承載力評價指標體系下轄4 個子系統，分別為社會需求系統、社會經濟系統、水資源利用系統、水資源生態系統［12］；而后根據灌區內社會需求、社會經濟、水資源利用和水資源生態實際情況，參考相似灌區等級劃分，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 灌區農業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生活對灌區農業水資源的需求程度，主要包括耕地灌溉率和工農業用水保障率。在社會生產中，工農業是需水要求最高的行業，尤其是農業耕地。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，灌區農業水資源承載力越大。

社會經濟指標主要反映社會生產水平及優化水資源承載狀態的能力，主要包括人均GDP 和單位面積糧食產量。對于農業而言，人均GDP 越高，社會承受農業虧損的能力也越強，對農業水資源的需求程度也越低。同樣，單位面積糧食產量越高，農業生產帶來的經濟收入越高，社會對農業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利用程度，主要包括水資源開發利用率和地下水資源利用率。對于某一區域或某一灌區而言，水資源的最大開發利用量是有限的，社會對水資源的超出開發利用會加大該地區的農業水資源承載力，尤其是地下水資源的開發利用，過多的地下水資源利用除了會破壞該地區水資源的供需平衡，還會帶來嚴重的生態破壞。

水資源生態指標主要反映當前灌區內水資源的生態保護措施實施情況和水資源生態功能狀況。水資源生態指標越高，說明該地區水資源生態環境受到的擾動越小，水資源的生態功能越完善，水資源的承載狀況越樂觀。

3 結果與分析

3.1 權重計算結果

由于層次分析法具有分析客觀、操作簡便和誤差較小的優點，故研究選擇該法，以此確定各評價指標所占權重。權重的判斷矩陣由專家經驗法得到，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 灌區農業水資源承載力評價指標權重判斷矩陣

根據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重，具體見表3。由表3可知，各評價指標對灌區農業水資源承載力的影響力為耕地灌溉率（0.36）＞節水灌溉面積比例（0.18）＞水資源開發利用率（0.12）＞地下水資源利用率（0.09）＞人均GDP（0.08）＞工農業用水保障率（0.06）=生態需水比（0.06）＞單位面積糧食產量（0.05）。

表3 灌區農業水資源承載力評價指標權重

3.2 基于模糊集對分析法的空間評價結果

研究選取2012—2019年作為評價時段，并根據構建的評價指標體系，通過現場調研與分析的方式，收集了人民勝利渠灌區內6 縣（市）的相關數據進行灌區農業水資源承載力評價。

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，并與灌區農業承載力評價指標體系Ai共同構成集對集合H（Ai，Bk），各集對集合的五元聯系度計算結果見表4（以2018年為例）。

表4 2018年人民勝利渠灌區內6 縣（市）五元聯系度計算結果

依據置信度準則，對灌區農業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農業水資源承載力的4 種狀態，若某一柱條超過置信度（0.75），則表示該年該區域農業水資源承載力處于當前狀態。由圖1（a）可知，2016年新鄉縣、獲嘉縣、原陽縣、延津縣、封丘縣、衛輝市的農業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）農業水資源承載力均處于嚴重超載狀態。由圖1（b）可知，2017年6 縣（市）的農業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，其余4 個縣（市）均處于超載狀態；由圖1（c）、圖1（d）可知，2018年和2019年延津縣和封丘縣農業水資源承載力仍處于嚴重超載狀態，而其余4 個縣（市）承載力均有所提高，原陽縣和衛輝市處于超載狀態，新鄉縣和獲嘉縣則處于臨界超載狀態。經過現場調研和現存數據對比可知，研究評價結果與灌區農業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，通過水資源優化配置新政策的提出和全面水生態治理措施的實施，整個灌區內農業水資源承載能力有了較好的轉變。除延津縣和封丘縣以外，其余4 個縣（市）農業水資源承載能力均得到極大的提高，其中以新鄉縣和獲嘉縣的改良效果最佳。

圖1 2016—2019年人民勝利渠灌區各地區農業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果

為進一步分析灌區農業水資源承載力的變化趨勢，將收集到的2012—2019年新鄉縣相關統計數據代入公式，計算得到2012—2019年新鄉縣灌區農業水資源承載力值，具體見表5。

表5 2012—2019年新鄉縣灌區農業水資源承載力評價值

由表5可知，2015年、2016年新鄉縣灌區農業水資源承載力的評價數值最高，所處承載力狀態最差。這主要是由于2014年河南省發生了較為嚴重的干旱，在2016年該地區又發生了特大暴雨，連續的旱澇使得當地農業受災嚴重，灌區水資源管理情況較為復雜，生態屬性嚴重減弱。后續隨著各縣（市）最嚴格水資源管理制度的實施，灌區水資源管理及調度均得到優化改進，因而2017—2019年農業水資源承載力狀況又有了較好的轉變。

4 結論

綜合以上6 縣（市）農業水資源承載力最大值可知，2012—2019年人民勝利渠灌區農業水資源承載力的變化趨勢大致為先增后減，承載力狀態也先逐漸變差后來逐漸向好，但仍處于臨界承載狀況，部分地區甚至處于嚴重超載狀況。因此，當地政府和社會各界應繼續加強對灌區農業水資源承載力的關注，提高對灌區農業水資源承載力生態屬性的重視程度。

研究依據評價指標選取準則，結合人民勝利渠水資源利用特點及社會發展情況，從社會需求、社會經濟、水資源利用、水資源生態4 個角度選取8 項評價指標，建立灌區農業水資源承載力評價指標體系，并結合層次分析法計算指標權重，得到人民勝利渠灌區農業水資源承載力評價等級結果。分析評價結果可知，人民勝利渠灌區農業水資源承載力在時序變化上基本呈現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，經過水資源合理優化配置，灌區農業水資源承載力得到不斷的改良，承載狀況逐漸好轉，但延津縣和封丘縣仍處于嚴重超載狀況。因此，有關部門應重點關注水資源的生態功能，有針對性地對灌區農業水資源進行合理分配。