黄河下游引黄灌区水安全评价方法及应用
2020-10-28张修宇杨淇翔杜雪芳杨礼波刘雪梅
张修宇,秦 天,杨淇翔,杜雪芳,杨礼波,刘雪梅*
(1.华北水利水电大学,郑州 450046;2.河南省水利勘测设计研究有限公司,郑州 450016)
0 引 言
【研究意义】水资源是人类生活及生态环境所必需的资源因子,人口的不断增加以及社会经济的快速发展,导致人类对水资源的需求量持续加大,导致水资源危机加重[1],为了解决水资源供需矛盾,实现水资源与社会、经济、生态环境协调发展[2],正确评价区域水安全等级将对区域水资源合理开发利用具有重大意义。我国是农业大国,灌区支撑着我国农业经济发展,同时也保障着我国农业健康可持续发展,在我国资源条件越来越受约束、环境污染日趋严重、生态系统逐步退化背景下,建设可持续发展的生态灌区、合理高效利用水资源是未来灌区发展的必经之路。【研究进展】作为发展黄河流域农业经济、建设生态环境的必要基本设施,引黄灌区同时还保护着黄河下游两岸的区域供水和粮食安全。由于黄河流域的水资源供需不平衡矛盾日益凸显,受水资源供需不平衡、部分地区出现地下水漏斗扩张影响,引黄灌区生态可持续发展逐渐被抑制[3]。此前有许多学者对灌区进行过不同的研究,周维博等[4]曾针对干旱半干旱地区的灌区建立了一套涵盖经济、社会和生态效益等44 个具体评价指标的水资源综合效益评价指标体系,并应用于陕西宝鸡峡灌区;乔鹏帅等[5]探讨了将集对分析法应用于灌区综合评价的可行性;Zhang 等[6]应用模糊集对分析对大功灌区水资源承载力进行评价;方延旭等[7]认为生态灌区是现代化灌区的高阶阶段,现代化灌区应向生态型灌区转型。【切入点】以往学者的评价研究中,涉及城市、区域的水安全评价较多,针对黄河流域引黄灌区的水安全评价研究较少。2019年习近平总书记在郑州考察时强调要推进黄河流域生态保护和高质量发展,如今黄河流域的生态环境较为脆弱,流域水资源问题突出,已经影响到黄河流域经济发展质量[8]。【拟解决的关键问题】本文开展灌区水安全评价,以实现灌区的协调健康发展作为目标,将“经济社会-水资源-生态环境”复合系统相互作用机理作为切入点展开研究,深入研判水资源系统和经济社会系统、水资源系统和生态环境系统之间的相互作用机理,剖析影响灌区水安全评估的要素,建立数学模型,定量分析灌区水安全等级,科学研判水安全演变趋势。
1 引黄灌区水安全问题及评价方法
1.1 引黄灌区水安全问题及评价体系
引黄灌区是我国重要的农业规模化生产和粮产基地,是我国农业农村乃至国民经济发展的重要基础设施。引黄灌区不合理的水资源掠夺,会产生人为的环境问题,导致流域生态环境恶化。灌区水资源的开发利用还会对灌区农作物种植结构和方式、灌区植被、生物、地貌景观等自然环境以及群众生活方式、生活条件、人畜用水等社会环境产生影响[9]。引黄灌区引用的黄河水作为灌区重要的客水水源,主要用作农业灌溉。黄河流域社会经济不断发展,各部门用水需求的增加,黄河水资源供需矛盾不断加剧,黄河在确保维持自身生命水量的前提下,能够用于下游灌溉的水量越来越有限[10]。随着黄河流域各地区降水均发生不同程度的降低,改变黄河径流的同时也在一定程度上减少了可利用水资源量,河底受调水调沙工程影响开始下切,对引水工作造成了困难。水的问题始终是灌区面临的重大问题,因此,构建科学严谨的水安全评价指标体系、选择合理的评价方法对灌区水安全状况进行评价,解决灌区水安全问题具有重大现实意义。
系统的水安全评价包括构建评价指标体系、确定评价标准、对数据进行处理、计算指标权重和选择评价方法5 部分。选取评价指标需系统全面,不仅要能反映研究区域的水资源现状,还要兼顾到区域的经济社会发展状况和生态环境安全等方面;评价标准也并非一成不变,研究区域不同,相应的评价标准也不尽相同,因此,不同区域的评价标准应依照当地的发展现状制定;确定指标权重常用层次分析法、主成分分析法和熵值法,方法的选择通常综合考虑每个确权方法的优劣,再结合具体研究区域选取的指标性质来决定;水安全评价方法相关研究较多,典型的方法有数理统计法(如主成分分析法)、运筹决策法(如层次分析法)、灰色系统理论(如灰色关联度评价)、模糊数学(如模糊综合评价法)等,建立的评价指标体系不同,各评价方法的应用效果也有所不同。
1.2 水安全评价指标体系构建
水安全核心是使人与自然和谐发展,水安全评价指标体系需要以水安全核心为基础构建。水安全模糊、系统复杂、涉及面广泛,因此需要构建一个综合评价指标体系对水安全进行评价;指标体系是由组成水安全系统中的各方面因素所构成的有机统一的体系,其构建需遵循科学性原则、可操作性原则、完备性原则、动态静态相结合原则、定量分析与定性分析相结合原则和可比性原则。以构建水安全评价指标体系需遵循的原则为前提,在探究水资源系统与经济社会系统、生态环境系统三者之间相互作用机理基础上,以经济社会安全、水资源安全、生态环境安全3 个层面作为构建指标体系的准则层,统筹考虑构建水安全综合评价体系的完整性与简洁性,参考借鉴各学者的研究成果,结合研究区具体情况,最终构建适用于评价生态灌区水安全的一套评价指标体系。在经济社会安全层面,选取了平均城镇化率(%)、人均GDP(元/人)和有效灌溉面积率(%);在水资源安全层面,选取了灌溉水有效利用系数、人均水资源可利用量(m3/人)、水资源开发利用率(%);在生态环境安全层面,选取了缺水率(%)、浅层地下水超采率(%)和生态环境用水率(%)。将这些因素归为3 个准则层,建立指标体系,指标在评价中所反映的含义具体见表1。
表1 灌区水安全综合评价指标体系 Table1 Comprehensive evaluation index system for water safety in irrigation districts
1.3 水安全评价方法
对水安全进行评价就是利用数学方法量化描述水安全状况。评价模型目前尚在探索,现阶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]、灰色关联度模型[17-18]、模糊综合评价模型[19]等被众多学者广泛应用。水安全级别具有模糊性和连续性,而模糊综合评价法可相对客观反映这2 种性质,更加合理地计算出综合评价的具体结果。为了评价生态灌区的水安全等级,本文选用模糊综合评价模型,构造出合适灌区的隶属度函数,对灌区水安全进行评价,以期为黄河下游引黄灌区水安全综合评价提供思路。
模糊综合评价模型的主要计算步骤如下:
1)建立因素论域、确定评语等级论域
将评价对象的因素论域U 和评语等级论域V 分别设为:U={U1,U2,…,Un};V={V1,V2,…,Vm}。
2)确定权重及单指标隶属度
由 各 评 价 指 标 权 重 组 成 的 集 合K={k1,k2,…,kn}为权重集(同一级各元素权重需满足:ki=1,1≥ki≥0,i=1,2,…,n)。隶属度指各个评价因素Un属于每个评语等级Vm程度多少的数量化,用A 表示,对照各因素指标的分级标准,可推求各因素指标A 的数值。为了避免等级数值两两相差很小但评价等级可能出现相差一级的情况发生,可将其模糊化处理,以保证隶属度函数能平滑过渡于各评价等级之间。计算指标隶属度是模糊综合评价法的主要计算环节,目前已有的研究成果中,模糊分步法、模糊统计法和待定系数法较为常用[20]。根据明确的评价标准,本文决定使用三角形隶属度函数依次推求各个评价指标的隶属函数。根据各指标属性与灌区水安全的关系将指标分成效益型指标(+)和成本性指标(-)二类进行处理,隶属度函数公式构造如下:
①效益型指标:
非常安全隶属度: 式中:A 为评价指标的隶属度;x 为评价指标的实际数据;s 为评价指标的第m 级标准值。
3)模糊综合评判。
对某个评价因素u 进行评判,确定出对于评语等级V 的隶属度An,m,则n 个评价因素在m 个评价等级区间的评价集可构成判断矩阵A,A 可表示为:
水安全评价值WS 由模糊变换得到,计算式为:
式中:K 为权重集;A 为评价指标隶属度矩阵。则对第m 个评价等级标准水安全评价值可表示为:
式中:ki为第i 个评价指标权重;an,m为第n 个元素在第m 个评价等级中的隶属度。
2 应用实例
2.1 灌区概况及指标分级情况
大功灌区是跨行政区域跨流域的大型灌区,大功引黄灌区灌溉面积为18.9万hm2,灌区跨越内黄县(安阳市)、浚县(鹤壁市)、省直管县滑县、长垣市和封丘县(新乡市)的部分区域,南北跨黄河、海河两大流域,灌区南接黄河大堤,东以金堤河支流黄庄河为界,西以大功总干渠回灌边缘为界,北接卫河。灌区位置如图1所示。
灌区评价指标数据来自河南省水资源公报、河南水利统计年鉴及各行政区的水资源公报,其中涵盖灌溉水有效利用系数、水资源开发利用率(%)、生态环境用水率(%)、人均GDP(元/人)等基本数据信息。结合灌区生态环境、经济社会发展现状,统筹考虑灌区的水资源状况和当前经济发展的水平,结合我国用水水平和相关国家部门规划要求,参考借鉴相关文献[21-22]、其他学者的研究经验及相似灌区划分评价等级的标准,将指标分成1~5个等级,分别为非常安全、较安全、基本安全、较不安全与不安全。根据上述内容确定了灌区评价指标的分级标准和指标类型,详见表2。
图1 大功引黄灌区地理位置图 Fig.1 Location map of Yellow River irrigation district
表2 水安全评价分级标准 Table 2 Water safety assessment grading standards
2.2 灌区水安全评价结果
根据灌区实际数据,以滑县2013 年各指标实际数据为例,指标权重均由AHP 法确定,运用式(1)—式(10)计算评价指标的隶属度,具体结果详见表3。
运用式(11)—式(13)计算得出滑县2013 年水安全评价值为(0.039,0.257,0.263,0.217,0.225),同理可得滑县2014 年水安全评价值(0.043,0.258,0.210,0.257,0.230)、2015 年水安全评价值(0.109,0.389,0.349,0.138,0.016)、2016 年水安全评价值(0.258,0.311,0.352,0.077,0.003)以及2017 年水安全评价值(0.248,0.105,0.324,0.308,0.014)。内黄、浚县、长垣和封丘地区的水安全评价值计算方法与滑县地区相同。经计算得到2013—2017 年河南省大功引黄灌区水安全评价值,详见图2。
2.3 结果分析与讨论
根据最大隶属度原则,大功灌区涵盖的各县2013―2017 年水安全综合评价结果为:2013―2017年,长垣和封丘地区地处上游,水资源条件较好,水安全状态处于基本安全状态向非常安全状态转变,属于非常安全状态的隶属度不断提高;滑县地区水安全状态大致保持在基本安全状态;浚县地区水安全处于较不安全向不安全过渡的状态;内黄地区水安全状态不理想,处于不安全状态。总的来说,大功灌区所涉及的各县水安全状态中除长垣、封丘和滑县地区外,其余各县距离水安全的差距依然存在。计算结果与大功灌区水安全现状基本一致。
评价结果显示,由于近年来在水资源开发利用、规划调度及管理等方面的不断改进,使得大功灌区水安全总体呈基本安全状态,但仍有部分地区(浚县、内黄)处于不安全状态,为大力发展经济社会,确保粮食能够安全可持续增产,滑县、浚县和内黄主要的灌溉方式是开采地下水,常年的地下水超采致使地下水漏斗扩张并未得到有效遏制,地下水持续下降,地下水埋深由2005 年的20 m 增加至2018 年的30 m,且每年还以0.5~0.8 m 的速度下降,并出现地下水漏斗不断向周边扩展、水质急速恶化以及局部地面沉降等问题,导致三地生态环境发展逐渐恶化,进而影响水安全状态。此外浚县、内黄一带地处大功灌区渠系下游末端,上游供水指标无法满足下游用水需求,中下游用水困难,特别是下游的内黄县,如需用水,就要先向新乡市大功管理处申请,然后协调上游水利局之后,方可向内黄县引水,中间环节多,致使中下游用水困难,且人均水资源占有量未达到全省人均水资源占有量的1/2,当地经济的发展由于水资源短缺明显受限,也是阻碍两地水安全状态好转的原因之一。
表3 2013 年滑县水安全评价指标权重及隶属度 Table 3 Weights and membership of water safety evaluation indicators in Hua County in 2013
图2 2013―2017 年大功引黄灌区水安全综合评价结果 Fig.2 Results of comprehensive water safety evaluation for the Yellow River Irrigation District from 2013 to 2017
保障灌区正常运转,引水补源尤为重要,管理部门应考虑将大功灌区水资源统一调配工作重视起来,利用大功灌区总干渠引用黄河水以改善水安全状态薄弱地区的水资源短缺现状,合理分配水资源,更好地解决上下游用水问题,修复水生态环境,促进当地经济的发展。大功灌区地处河南北部,作为河南省大型粮产地区,大功灌区缺水现象严重,水资源短缺进一步影响粮食产量,最终限制城乡生态经济社会的发展,制约城市可持续协调发展。灌区生态状况向好发展可带动灌区生态发展与经济社会发展逐步趋于协调,进而推动大功灌区逐步转变为健康可持续的新型生态灌区。
3 结 论
本文采用模糊综合评价方法对河南省典型引黄灌区大功灌区的水安全进行评价,对使大功灌区达到生态型灌区建设标准,合理调配生产生活用水,有效分配生态环境用水,加大生态建设力度,确保“经济社会-水资源-生态环境”复合系统良性运转具有实践意义。此外,在今后的研究中,应该着重考虑计算评价指标权重和模型优化方面的研究工作,更好地权衡计算时主观性与客观性对评价指标权重的影响,采用主客观相结合的权重确定方式,尽可能利用评价模型集来对研究区域的水安全状态进行评价计算,多结果对比分析讨论,提高评价结果的可靠性,以期提出一套适用度更高的水安全评价体系。