內蒙古荒漠草原灌區(qū)水資源承載力評價研究

盧方園，賈德彬*，高瑞忠，蘇文旭，趙航

內蒙古荒漠草原灌區(qū)水資源承載力評價研究

盧方園1, 2，賈德彬1, 2*，高瑞忠1, 2，蘇文旭1, 2，趙航1, 2

（1.內蒙古農業(yè)大學 水利與土木建筑工程學院，呼和浩特 010018；2.內蒙古自治區(qū)水資源保護與利用重點實驗室，呼和浩特 010010）

【目的】揭示內蒙古荒漠草原灌區(qū)水資源承載力狀態(tài)，為灌區(qū)水資源系統(tǒng)結構優(yōu)化提供理論依據(jù)。【方法】以阿拉善左旗境內的5個典型區(qū)域（腰壩灘、格林灘、通古淖爾灘、查哈爾灘、新井灘）為研究對象，綜合考慮水資源、生態(tài)、社會經濟3個因素，建立區(qū)域水資源承載力評價指標體系，利用熵權-TOPSIS模型對典型灌區(qū)的水資源承載力進行綜合評價。【結果】2018年，腰壩、查哈爾、通古淖爾、格林、新井的水資源承載力評價指數(shù)分別為：0.682、0.576、0.213、0.392、0.247，處于Ⅲ、Ⅳ等級；以腰壩為例，基于多情景預測得出，在提高退耕還林程度、減緩經濟增長速度和降低灌溉面積增長速度的條件下，2050年的水資源承載力評價指數(shù)將會顯著提升。【結論】研究區(qū)應以可持續(xù)發(fā)展為理念，針對當?shù)匾赞r業(yè)為主的發(fā)展需求，推廣節(jié)水灌溉及加大退耕還林力度；遵循“以水定產”的政策要求，實施嚴格的水資源管理制度，以實現(xiàn)區(qū)域水資源承載力的提升。

水資源承載力；熵權-TOPSIS模型；沙漠綠洲；內蒙古荒漠草原灌區(qū)

0 引 言

【研究意義】水資源緊缺已經成為區(qū)域經濟發(fā)展和人民生活水平提高的重要制約因素，同時也是導致生態(tài)環(huán)境逐漸惡化的主要因素之一。鑒于區(qū)域水資源匱乏和生態(tài)退化等現(xiàn)狀，正確評價區(qū)域水資源承載力尤為重要[1]。水資源承載力是指某一區(qū)域的水資源在一定社會經濟和科學技術發(fā)展階段，在不破壞社會和生態(tài)系統(tǒng)時，最大可承載的工業(yè)、農業(yè)、城市規(guī)模和人口的能力[2]。合理評價研究區(qū)的水資源承載力，預測區(qū)域未來的社會經濟-水資源-生態(tài)系統(tǒng)走向，可為合理的區(qū)域水資源配置政策制定、區(qū)域水資源承載力優(yōu)化提供依據(jù)。【研究進展】近年來，我國在研究水資源承載力方面取得了較大的進展，已有水資源承載力評價方法眾多，如模糊評價方法、主成分分析法、神經網絡算法、生態(tài)足跡法、TOPSIS算法等[3]。其中，TOPSIS算法是一種適用于多指標、多方案比較選擇的方法，能夠充分發(fā)揮原始數(shù)據(jù)的真實、直觀、可靠的優(yōu)勢。鑒于此，TOPSIS算法已廣泛應用于水資源承載力評價研究當中。余灝哲等[4]利用TOPSIS算法結合AHP、熵權法對京津冀2006—2016年水資源承載力進行了綜合評價；鄭欣等[5]通過熵權TOPSIS算法對2008—2015年鄂爾多斯水資源承載力進行了分析。權重評價法包含模糊綜合評價法、層次分析法、指數(shù)加權法、灰色關聯(lián)分析法、熵值法等。其中，模糊綜合評價法屬于主觀評價法，受主觀人為因素的干擾極強，因此在選取評價指標較多時很難得出精準的評價結果[6]。熵權法、灰色關聯(lián)分析法等屬于客觀賦權評價法，此類方法在研究過程中通常會綜合考慮各指標之間的聯(lián)系，根據(jù)各指標數(shù)據(jù)的初始信息量來確定權重，可以精確評價研究內容[7]。

【切入點】阿拉善左旗位于西北干旱地區(qū)，該區(qū)域水資源時空分布不均、生態(tài)十分脆弱。隨著區(qū)域經濟的不斷發(fā)展，水資源供需矛盾也愈加突出，近些年面臨水資源總量匱乏，區(qū)域荒漠化嚴重等問題。因此，亟需揭示該地區(qū)水資源承載力狀態(tài)，以期優(yōu)化該地區(qū)的水資源系統(tǒng)結構。【擬解決的關鍵問題】鑒于此，本研究選取阿拉善左旗境內的5個區(qū)域（腰壩灘、格林灘、通古淖爾灘、查哈爾灘、新井灘）為研究對象，綜合考慮水資源、生態(tài)、社會經濟3個因素，建立區(qū)域水資源承載力評價指標體系，利用熵權-TOPSIS模型對典型灌區(qū)的水資源承載力進行綜合評價，以期為西北荒漠草原灌區(qū)水資源優(yōu)化配置、提升水資源承載力提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內蒙古自治區(qū)阿拉善左旗境內，屬于典型的西北干旱荒漠草原地區(qū)。該區(qū)東鄰賀蘭山西麓，西鄰騰格里沙漠。主要研究子區(qū)域包括阿拉善左旗內的5個草原灌區(qū)，分別為腰壩灘、格林灘、通古淖爾灘、查哈爾灘及新井灘。各區(qū)域降水時空分布不均，多年平均降水量為180 mm，蒸發(fā)量自東向西遞增，主要分布在1 400～2 000 mm范圍內，約為年降水量的4～12倍。由于蒸發(fā)量遠大于降水量，該地區(qū)地表水和地下水資源匱乏，干旱十分普遍。該地區(qū)水資源消耗途徑主要以灌溉用水為主，總用水量約為10 530萬m3，其中農業(yè)灌溉用水量為10 254萬m3，約占總用水量的97.38%。

1.2 研究方法

1.2.1 水資源承載力系統(tǒng)概念

水資源承載力系統(tǒng)分別由水資源、社會經濟和生態(tài)環(huán)境3個子系統(tǒng)共同構成，各子系統(tǒng)彼此間相互聯(lián)系、協(xié)同發(fā)展。水資源子系統(tǒng)是保障社會生產、生活正常運行的承載體，滿足水環(huán)境、生態(tài)環(huán)境、水資源等各方面需求；社會經濟子系統(tǒng)在不斷地發(fā)展和改善過程中也會對水資源子系統(tǒng)產生影響；此外，生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)會間接對水資源子系統(tǒng)產生影響。因此，各系統(tǒng)之間相互作用、互相制約，形成具有動態(tài)反饋特征的整體系統(tǒng)。

1.2.2 水資源承載力評價指標構建

構建合理的水資源承載力評價指標體系是對研究區(qū)內水資源、社會經濟和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)之間的協(xié)調發(fā)展狀況進行綜合評價和深入研究的依據(jù)與標準[8]。現(xiàn)階段，各地區(qū)均存在社會經濟快速發(fā)展與有限的資源儲備量之間供需不平衡的矛盾，如過度開發(fā)有限的水資源量、工農業(yè)擠占生態(tài)用水量等問題[9]。因此，評價指標體系應能夠較為全面地反映區(qū)域水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀及各子系統(tǒng)間的發(fā)展狀況與區(qū)域實際問題所在。評價指標的選取應遵循以下幾個原則：科學性、整體性、獨立性、可行性[10]。

鑒于5個子區(qū)域的地理位置獨特性和區(qū)域水資源量匱乏等特性，在“水資源—經濟社會—生態(tài)環(huán)境”系統(tǒng)中選取了農業(yè)用水量、森林草地覆蓋率、牲畜用水量等9個指標構建了水資源承載力評價指標體系，具體見表1。

表1 水資源承載力評價指標體系

注 指標類型中“+（-）”代表指標值隨評價等級的增加而增大（減小）。

1.2.3 水資源承載力評價模型

熵權法是基于指標數(shù)據(jù)樣點的離散程度利用熵來確定指標權重[11]。根據(jù)前人研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的權重研究方法中，相較于AHP、模糊綜合評判法等評價方法，TOPSIS-熵權法對于干旱缺水地區(qū)更加適用[12-13]。TOPSIS-熵權法屬于多準則決策分析方法當中的一種有效方法，可用于對備選方案進行排序并向決策者提出解決方案[14]，又稱為“逼近理想解排序法”，能夠有效評價區(qū)域水資源承載力水平。基本思路是依據(jù)評價指標與最優(yōu)理想方案的接近程度，對所有選取的評價指標整體排序進而確定相對優(yōu)劣的評價方法，具有計算靈活性強且評價結果準確性高等優(yōu)點[15]。若評價對象靠近最優(yōu)解的同時又最遠離最劣解，則為最優(yōu)。評價模型的步驟具體可見參考文獻[16-17]。計算得出的水資源承載力評價指數(shù)處于（0，1）之間，越接近于1，則表明承載力水平越高，評價等級標準如表2所示。

表2 評價等級標準

1.3 數(shù)據(jù)來源

耕地面積、農田灌溉面積、區(qū)域總面積、人均GDP、人口數(shù)量、城鎮(zhèn)人口數(shù)量等指標主要來源于《2000—2018年阿拉善地區(qū)統(tǒng)計年鑒》；水資源總量、蒸發(fā)量、降水量、地表徑流量、水資源可利用量等指標來源于《2000—2018年阿拉善盟水資源公報》。

2 結果與分析

由于5個子區(qū)域的計算過程完全相同，因此僅以腰壩灘為例進行詳細的結果和步驟分析，其他灘不再贅述。

2.1 權重計算

對所選取的9個評價指標進行正向標準化處理后，經熵權法得到評價指標權重及各指標與其理想解之間的距離，結果如表3所示。灌溉用水量、生活用水量的權重系數(shù)相對較大，說明二者在該區(qū)域水資源承載力評價體系中占有相對最大的重要性。生活用水量正理想解為0.024，負理想解為0.010，該指標與其優(yōu)化理想方案、負理想方案的距離較為適中，說明該地區(qū)生活用水狀況雖未達到最優(yōu)但也表現(xiàn)為正常狀態(tài)。灌溉用水量正理想解為12.473，負理想解為6.826，該指標更加接近負理想解，與最優(yōu)化方案距離相差較大，說明當?shù)毓喔扔盟瘦^差，應進一步加大農業(yè)用水管控力度、調整灌溉方案，盡可能避免不必要的水資源浪費，拉近與最優(yōu)解之間的距離。腰壩灘經濟發(fā)展主要依靠種植業(yè)，因此，在用水結構上以灌溉用水和生活用水消耗為主，以上權重計算結果符合該地區(qū)以農業(yè)主導發(fā)展型區(qū)域的現(xiàn)狀規(guī)律，說明該權重計算方法適用于該地區(qū)水資源承載力評價。

2.2 水資源承載力綜合評價結果

基于TOPSIS算法對腰壩灌區(qū)的水資源承載力進行綜合評價，結果如表4所示。2000—2018年，腰壩水資源承載力評價指數(shù)整體呈“先增后減再增”的變化趨勢。2000—2010年水資源承載力指數(shù)持續(xù)上升，主要是由于該時期農田作物種植比例發(fā)生了大范圍調整，灌溉用水量顯著降低；2010—2015年水資源承載力指數(shù)有所下降，主要是由伴隨著經濟發(fā)展需求的增加，地下水的過度開采和水資源不合理配置所致；通過調整水資源配置，2018年指數(shù)上升至0.682，此時水資源承載力狀況相對良好。

表3 指標權重計算結果與理想解距離

表4 水資源承載力評價指數(shù)結果

2.3 腰壩水資源承載力多目標情景預測分析

根據(jù)國家“西部大開發(fā)”政策并參考當?shù)赜盟畼藴试O定了不同情景組合方案[18]，分析在不同社會經濟發(fā)展程度、灌溉面積變化和生態(tài)建設條件下的水資源承載力指數(shù)變化。將腰壩灌區(qū)GDP增長速度的快慢（A1、A2）、退耕還林的強度高低（B1、B2）、灌溉面積增長速度的快慢（C1、C2）作為3個關鍵情景條件，模擬不同情景條件下水資源承載力指數(shù)變化。

多目標情景設定的前提是將腰壩灌區(qū)農田灌溉方式由漫灌和管灌改為滴灌，以提高灌溉水利用率；取0.80作為地下水安全開采系數(shù)，以保證腰壩灌區(qū)的地下水合理開采量在3 200萬m3/a以下。基于上述前提條件設定不同情景方案。退耕還林強度即區(qū)域內的人工林和防護林等防風固沙林的面積覆蓋率由當前的2.3%恢復增長到2.8%～3.3%，B1條件設定為2050年恢復至2.8%，B2條件設定為2050年恢復至3.3%。GDP增長速度根據(jù)歷年數(shù)據(jù)進行趨勢分析，計算增長速度范圍為3%～6%，情景條件中設定高、低2種增長速率，具體數(shù)值見表5。依據(jù)歷年統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析該灌區(qū)灌溉面積呈持續(xù)增長狀態(tài)，計算年增長率范圍后取高、低2種增長率計算未來灌溉面積，具體見表5。

表5 經濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護情景方案設定

對不同情景組合方案下的腰壩灌區(qū)未來10、20、30年的水資源承載力進行了綜合評價，結果如表6所示。2030年，A1+B2+C2方案和A2+B1+C2方案的水資源承載力指數(shù)為0.05，趨近于0，可見在這2種情景模式下，水資源開發(fā)利用狀況已超出當?shù)厮Y源總量可利用水平，水資源開發(fā)利用效率水平已經不能滿足人口不斷增長條件下的區(qū)域經濟發(fā)展狀態(tài)。因此，提高用水效率和控制人口增長數(shù)量是提高水資源承載力水平的必要措施。A1+B2+C1、A2+B1+C1、A2+B1+C1情景方案分別達到了2030、2040、2050年水資源承載力評價指數(shù)的最高值。因此，腰壩灌區(qū)未來的GDP增長速度應由高轉低、退耕還林程度應適當提高并合理控制區(qū)域內灌溉面積的增長速度。

表6 不同情景方案的水資源承載力評價指數(shù)

2.4 各灌區(qū)水資源承載力綜合評分

基于TOPSIS算法對其他4個灌區(qū)的水資源承載力進行了同樣的綜合評價分析。2018年5個灌區(qū)水資源承載力評價指數(shù)計算結果如表7所示。腰壩、查哈爾、通古淖爾、格林、新井的水資源承載力評價指數(shù)分別為：0.68、0.57、0.21、0.39、0.25，由大到小排序依次為：腰壩＞查哈爾＞格林＞新井＞通古淖爾。5個區(qū)域中，腰壩和查哈爾的評價指數(shù)在0.5以上，表明這2個區(qū)域的水資源承載力狀況良好，同時相比其他3個區(qū)域的水資源開發(fā)利用效率、水資源配置也更加合理。通古淖爾和新井的評價指數(shù)均在0.3以下，處于水資源承載力的臨界狀態(tài)，說明這2個區(qū)域的水資源承載水平不足以支撐整個灌區(qū)的用水需求，水資源分配不合理。

表7 2018年各研究區(qū)水資源承載力評價指數(shù)

3 討 論

阿拉善左旗的5個灌區(qū)既是生態(tài)脆弱區(qū)又是以農業(yè)灌溉為主導的資源發(fā)展型灌區(qū)。在這些灌區(qū)，人口增長、社會經濟發(fā)展和生活水平的提高都是通過不斷消耗當?shù)赜邢薜淖匀毁Y源和以生態(tài)環(huán)境惡化為代價實現(xiàn)的，而生態(tài)環(huán)境是人類生存與社會發(fā)展的重要判別條件，保護和改善生態(tài)環(huán)境是區(qū)域經濟可持續(xù)發(fā)展的基本保障，因此應在經濟發(fā)展的同時優(yōu)化區(qū)域水資源配置、加強生態(tài)環(huán)境建設和調整產業(yè)結構[19]。對5個區(qū)域的水資源承載力評價結果發(fā)現(xiàn)，由于農田灌溉用水在5個灌區(qū)用水結構上占有極大比例，為緩解供需矛盾，應嚴格控制可用耕地面積及灌溉用水定額，在追求高產的同時發(fā)展區(qū)域節(jié)水灌溉技術，緩解水資源壓力，未來應發(fā)展經濟效益高、耗水量少的作物[20]。水資源總量上，應該在維持現(xiàn)狀前提下合理開發(fā)新能源，提高區(qū)域內水資源利用率，降低用水總量。生態(tài)建設依舊是荒漠草原灌區(qū)的重要任務，提高綠化覆蓋率，加大力度進行污染治理，推進節(jié)能減排，發(fā)展低碳生產；社會人口方面，應合理控制人口數(shù)量，減緩人口增長對資源環(huán)境的壓力；經濟方面，在保持穩(wěn)定增長的同時，追求經濟質量均衡的產業(yè)發(fā)展模式，提倡高質量經濟發(fā)展路線，提高資源的利用效率，減少人類需求對環(huán)境造成的壓力。綜上所述，建議在現(xiàn)狀基礎上對區(qū)域用水、產業(yè)結構等進行一定的調整，降低水資源短缺問題所帶來的不良影響，提高荒漠草原灌區(qū)水資源承載力水平[21]。

4 結 論

1）腰壩灌區(qū)2000—2018年水資源承載力評價指數(shù)呈“先升后降再升”的趨勢，由0.509上升至0.682，水資源承載力逐步提高，主要得益于該灌區(qū)種植結構的調整與用水量的縮減。

2）阿拉善左旗5個灌區(qū)2018年的評價指數(shù)均在0.2～0.7之間，腰壩和查哈爾灘的評價指數(shù)在0.5以上，表明水資源承載力良好，其他3個灌區(qū)的評價指數(shù)均處于0.2～0.3之間，屬于承載力臨界狀態(tài)，亟待調整當?shù)厮Y源配置以及農業(yè)灌溉方式，健全用水總量控制指標體系。

3）通過評價多情景條件下的水資源承載力，在2050A2+B1+C1模擬方案下，腰壩的水資源承載力評價指數(shù)最高，即提高退耕還林程度，減緩經濟增長速度。說明加大力度建設生態(tài)環(huán)境、降低人口需求增長速度對提高水資源承載力有顯著效果。

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Evaluating the Carrying Capacity of Water Resources in the Desert Steppe Irrigation District in Inner Mongolia

LU Fangyuan1,2, JIA Debin1,2*, GAO Ruizhong1,2, SU Wenxu1,2, ZHAO Hang1,2

(1. School of Water Conservancy and Civil Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China; 2. Key Laboratory of Water Resources Protection and Utilization of Inner Mongolia Autonomous Region, Hohhot 010010, China)

【Objective】The purpose of this study was to evaluate the carrying capacity of water resources in the desert steppe irrigation area in Inner Mongolia, in attempts to help optimize water resource while in the meantime sustaining economic and social development in this region. 【Method】 We studied five typical areas including Yaoba Beach, Green Beach, Tonggu Nao'er Beach, Chahar Beach, Xinjing, all in Alxa Zuoqi. For each area, we considered its water resources, ecology and social economy, and established an evaluation index system. The entropy weight-TOPSIS model was used to comprehensively evaluate and calculate the carrying capacity of water resources in each area. 【Result】In 2018, the water resources carrying capacity of Yaoba, Chahar, Tonggunaoer, Gelin and Xinjing was 0.682, 0.576, 0.213, 0.392, and 0.247, respectively, which was between Grade III and IV. Scenario prediction found that the evaluation index of water resources carrying capacity will peak in 2050 if more farmland is to return forest, combined with slowing down economic growth and reducing irrigated areas.【Conclusion】Our results show that the studied areas should consider sustainable development, promoting drip irrigation and other water-saving irrigation technologies, sparing farmlands for forests. Implementing strict water resource management and improving water resources carrying capacity are important to meet the demand for water in these areas.

water resources carrying capacity; entropy weight-TOPSIS model; desert oasis; desert steppe irrigation area in Inner Mongolia

盧方園, 賈德彬, 高瑞忠, 等. 內蒙古荒漠草原灌區(qū)水資源承載力評價研究[J]. 灌溉排水學報, 2022, 41(8): 39-44.

LU Fangyuan, JIA Debin, GAO Ruizhong, et al. Evaluating the Carrying Capacity of Water Resources in the Desert Steppe Irrigation District in Inner Mongolia[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2022, 41(8): 39-44.

1672 - 3317（2022）08 - 0039 - 06

S565

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021578

2021-11-22

內蒙古自治區(qū)科技重大專項項目（2019ZD002）；國家自然科學基金項目（52169003）

盧方園（1996-），女。碩士研究生，主要從事水資源承載力及合理配置研究。E-mail: 892714610@qq.com

賈德彬（1968-），男。教授，主要從事水文學及水資源方向研究。E-mail: jiadb@263.net

責任編輯：韓 洋