人民胜利渠灌区农业水资源承载力评价研究

李彦彬 张泽选 王跃雄

（1.华北水利水电大学，河南 郑州 450046；2.河海大学，江苏 南京 210024）

0 引言

随着人口与社会经济的飞速增长，农业发展对水资源的需求量急剧上升。然而由于我国人口众多，水资源时空分布不均衡等，社会发展与水资源之间产生了相当严重的供需矛盾，农业水资源的合理利用与科学配置问题亟待解决。有研究表明，灌区是我国经济作物的主要栽培地区，灌区的可持续发展保障着区域内经济与社会稳定［1］。然而，不断加剧的水资源供需矛盾使部分灌区地下水漏斗现象严重，限制了灌区农业的可持续发展［2］。为进一步探究农业水资源承载状况，优化灌区水资源开发利用条件，许多学者有针对性地开展了相关研究，研究方向主要集中于农业水资源与城市发展间的供需平衡［3-5］，对水资源短缺及水生态修复的研究相对较少。但随着城市化的快速推进，行业用水比例逐渐失调，农业用水空间被不断挤压，同时农业水污染和水资源短缺问题日益严重。为实现黄河流域生态保护和高质量发展，对灌区农业水资源承载力进行科学评价至关重要，可厘清区域内水资源生态状况及其对经济发展的支撑能力，对更好地协调区域内生态保护、农业发展和水资源合理配置之间的平衡关系具有重大意义。

1 灌区农业水资源承载力研究理论基础

1.1 水资源承载力研究内涵

水资源承载力是指在保障水环境生态功能良好的基础上，能支持区域经济发展或人类活动的最大水资源可开发规模，其主要受当地自然环境、水资源量、产业结构等因素影响［6］。水资源承载力主要包括可持续性、生态性、时空性、社会经济性4 个内涵。可持续性主要体现为承载界限应满足水资源可持续支持人类社会活动；生态性体现为承载界限应满足水资源可维持自身良性生态功能；时空性体现为水资源承载力受降水等自然环境、社会需求及社会环境共同影响；社会经济性则主要体现在水资源承载力客体方面，水资源的作用主要是促进人类社会经济发展。

1.2 农业水资源承载力评价内涵

由水资源承载力定义延伸可知，农业水资源承载力为在现有水权分配模式下，满足自然环境良性生态功能的基础上，特定区域内水资源支持农业生产发展的最大水资源可开发规模。其中，承载主体为可利用的农业水资源，承载客体为农业生产系统。

农业水资源承载力评价是指通过定性或定量方法，根据特定承载力界限判断区域当前农业水资源在生产过程中所处的承载状态。农业水资源承载力的评价尺度有流域、行政区和灌区，当前研究主要集中在流域和行政区内农业水资源承载力评价。刘杰等［7］基于水足迹理论构建了农业水资源承载力DEA 模型，评价了山西省沁源县农业水资源承载状态的动态变化。杜煜［8］选取耕地灌溉率、水资源开发利用率、渠系水利用系数等构建了模糊综合评价指标体系，评价了洋河流域农业水资源承载状态。赵玉田等［9］则基于系统动力学模型评价了甘肃省生态脆弱区农业水资源承载力。张靖琳［10］则利用水资源承载力平衡指数和地下水开采潜力指数，分析了临泽绿洲不同来水规划下的灌溉模式及承载力状况。

2 材料与方法

2.1 研究区概况

人民胜利渠是黄河下游地区首建的大型引黄灌区之一，承担着非常重要的粮食生产责任。该渠主要由1 条总干渠（长53.0 km）和5 条支渠（长82.5 km）组成，设计灌溉面积为9.92 万hm2，灌区涵盖5.91 万hm2的自流灌溉田地，渠首设计引水流量60 m3/s，可有效保障枯水期灌区居民正常的生产生活用水需要。

人民胜利渠灌区位于豫北平原，灌区主要涉及新乡县、获嘉县、原阳县、延津县、封丘县、卫辉市，属温带大陆性季风气候区。该灌区年平均蒸发量1 250 mm，年平均降水量618 mm，降水主要集中于夏季，是典型的灌溉农业区，多年农业用水率平均值高达58%，灌区农业水资源承载力面临巨大挑战。

2.2 数据来源

笔者所收集的数据主要来源于历年《河南省统计年鉴》《河南省水资源公报》《中国城市统计年鉴》及人民胜利渠管理局，主要调查项目包括研究区域内耕地面积、节水灌溉面积、粮食单产、水资源总量、供水量及用水量等。

2.3 研究方法

农业水资源承载力评价常用的研究方法有模糊综合评价法、系统动力学法、多目标决策法及人工神经网络法等。其中，模糊综合评价法能更全面综合地分析资源承载力的影响因素。合理综合的农业水资源承载力评价将为社会可持续发展提供决策支持，帮助区域推动农业种植结构的优化调整。另外，模糊综合评价法还能够优化等级边界的模糊信息，得到更为精准客观的结果［11］。

基于对立统一与普遍联系的集对分析理论是较为经典的模糊综合评价方法之一，该方法有效解决了系统中确定与不确定性问题。其主要是对某一不确定性系统中多个有关联的评价指标进行集对构建，并根据构建得到的集合特性进行同一性、差异性和对立性分析，最终得到同异联系度。该模糊综合评价法主要包括以下5 步。

①灌区农业承载力评价指标体系构建。根据特定选取原则，采用专家经验法、文献搜索法、因子分析法、线性拟合法等选取影响灌区内农业水资源发展的因子作为评价指标，并构建灌区农业承载力评价指标体系Ai（i=1，2，3，…，n，其中n为评价指标个数）。

②评价指标的等级标准评定。根据标准法和专家经验法，并结合灌区内实际情况划定各评价指标的等级界限Sk（k=1，2，3，…，n，其中n为评价等级数）。

③构造集对集合指标H（Ai，Bk），并计算五元联系度µA～B。其中，设评价指标的第i个值为Ai，设评价等级的第k个级别为Bk。

④集合指标H（Ai，Bk）的联系度计算。

⑤灌区农业水资源承载力综合评价。研究采用置信度准则判断灌区农业水资源承载力评价指标所属评价等级，设置信度λ为0.75。令过程④中计算得到的同一度、差异度和对立度逐级叠加，若相加m个指标后的数值超过置信度，则表示灌区农业水资源承载力隶属第m个等级。

对于反向指标（即s1≤s2≤s3≤sk-1），当k＞2时，集对H（Ai，Bk）的五元联系度为式（1）。

对于正向指标（s1≥s2≥s3≥sk-1），当k＞2 时，集对H（Ai，Bk）的五元联系度为式（2）。

式（1）（2）中：s1、s2、…、sk-1为某评价指标的等级界限；I为差异度系数（通常为-1 ≤I≤1）；J为对立度系数（通常J=-1）。

评价样本集合指标H（Ai，Bk）联系度的计算公式为式（3）。

式（3）中：ωi为第i个评价指标的权重；ai为某评价指标Ai与其第k个评价等级Sk的同一度；bi，k为第i个评价指标与其第k个评价等级Sk相差k级的差异度，其中k=1，2，3，…，n；ci为第i个评价指标与其第k个评价等级Sk的对立度。

2.4 灌区农业水资源承载力评价指标体系构建

在灌区农业水资源承载力评价指标体系的构建过程中，应综合考虑灌区特有的自然条件、社会条件。综上所述，研究遵循系统性、可操作性、通用性、可定量性、独立性等基本原则，拟定灌区农业水资源承载力评价指标体系下辖4 个子系统，分别为社会需求系统、社会经济系统、水资源利用系统、水资源生态系统［12］；而后根据灌区内社会需求、社会经济、水资源利用和水资源生态实际情况，参考相似灌区等级划分，将指标分为5 个等级，其中Ⅰ级为承载、Ⅱ级为临界承载、Ⅲ级为临界超载、Ⅳ级为超载、Ⅴ级为严重超载（见表1）。

表1 灌区农业水资源承载力综合评价指标体系

社会需求指标主要反映社会生产生活对灌区农业水资源的需求程度，主要包括耕地灌溉率和工农业用水保障率。在社会生产中，工农业是需水要求最高的行业，尤其是农业耕地。选取这两项指标基本可反映社会对水资源的需求程度，社会需求指标越高说明社会需水越迫切，灌区农业水资源承载力越大。

社会经济指标主要反映社会生产水平及优化水资源承载状态的能力，主要包括人均GDP 和单位面积粮食产量。对于农业而言，人均GDP 越高，社会承受农业亏损的能力也越强，对农业水资源的需求程度也越低。同样，单位面积粮食产量越高，农业生产带来的经济收入越高，社会对农业水资源的需求程度也越低。

水资源利用指标主要反映当前社会对水资源的开发利用程度，主要包括水资源开发利用率和地下水资源利用率。对于某一区域或某一灌区而言，水资源的最大开发利用量是有限的，社会对水资源的超出开发利用会加大该地区的农业水资源承载力，尤其是地下水资源的开发利用，过多的地下水资源利用除了会破坏该地区水资源的供需平衡，还会带来严重的生态破坏。

水资源生态指标主要反映当前灌区内水资源的生态保护措施实施情况和水资源生态功能状况。水资源生态指标越高，说明该地区水资源生态环境受到的扰动越小，水资源的生态功能越完善，水资源的承载状况越乐观。

3 结果与分析

3.1 权重计算结果

由于层次分析法具有分析客观、操作简便和误差较小的优点，故研究选择该法，以此确定各评价指标所占权重。权重的判断矩阵由专家经验法得到，判断矩阵具体见表2。而后利用Matlab 软件计算得到判断矩阵的最大特征值λmax和一致性比例CR，分别为8.13、0.01。其中，CR＜1，由此证明该判断矩阵建立合理。

表2 灌区农业水资源承载力评价指标权重判断矩阵

根据判断矩阵的最大特征值及其对应特征向量，计算得到各评价指标所占的权重，具体见表3。由表3可知，各评价指标对灌区农业水资源承载力的影响力为耕地灌溉率（0.36）＞节水灌溉面积比例（0.18）＞水资源开发利用率（0.12）＞地下水资源利用率（0.09）＞人均GDP（0.08）＞工农业用水保障率（0.06）=生态需水比（0.06）＞单位面积粮食产量（0.05）。

表3 灌区农业水资源承载力评价指标权重

3.2 基于模糊集对分析法的空间评价结果

研究选取2012—2019年作为评价时段，并根据构建的评价指标体系，通过现场调研与分析的方式，收集了人民胜利渠灌区内6 县（市）的相关数据进行灌区农业水资源承载力评价。

为消除各指标的量纲，首先采用极大值法对8 项评价指标进行了标准化；而后将8 项评价指标的不同标准设为集合Bk，并与灌区农业承载力评价指标体系Ai共同构成集对集合H（Ai，Bk），各集对集合的五元联系度计算结果见表4（以2018年为例）。

表4 2018年人民胜利渠灌区内6 县（市）五元联系度计算结果

依据置信度准则，对灌区农业水资源承载力评价值进行等级划分，具体见图1，其中取λ=0.75。图中4 个柱条分别代表灌区农业水资源承载力的4 种状态，若某一柱条超过置信度（0.75），则表示该年该区域农业水资源承载力处于当前状态。由图1（a）可知，2016年新乡县、获嘉县、原阳县、延津县、封丘县、卫辉市的农业水资源承载力评价值均处于严重超载，部分超过界限值，即该6 县（市）农业水资源承载力均处于严重超载状态。由图1（b）可知，2017年6 县（市）的农业水资源承载力评价值均有所下降，只有延津县和封丘县处于严重超载状态，其余4 个县（市）均处于超载状态；由图1（c）、图1（d）可知，2018年和2019年延津县和封丘县农业水资源承载力仍处于严重超载状态，而其余4 个县（市）承载力均有所提高，原阳县和卫辉市处于超载状态，新乡县和获嘉县则处于临界超载状态。经过现场调研和现存数据对比可知，研究评价结果与灌区农业水资源承载力实际状况基本相符，模糊综合评价模型的评价精度良好。由此推测，2016年后，通过水资源优化配置新政策的提出和全面水生态治理措施的实施，整个灌区内农业水资源承载能力有了较好的转变。除延津县和封丘县以外，其余4 个县（市）农业水资源承载能力均得到极大的提高，其中以新乡县和获嘉县的改良效果最佳。

图1 2016—2019年人民胜利渠灌区各地区农业水资源承载力评价值

3.3 基于模糊集对分析法的时序评价结果

为进一步分析灌区农业水资源承载力的变化趋势，将收集到的2012—2019年新乡县相关统计数据代入公式，计算得到2012—2019年新乡县灌区农业水资源承载力值，具体见表5。

表5 2012—2019年新乡县灌区农业水资源承载力评价值

由表5可知，2015年、2016年新乡县灌区农业水资源承载力的评价数值最高，所处承载力状态最差。这主要是由于2014年河南省发生了较为严重的干旱，在2016年该地区又发生了特大暴雨，连续的旱涝使得当地农业受灾严重，灌区水资源管理情况较为复杂，生态属性严重减弱。后续随着各县（市）最严格水资源管理制度的实施，灌区水资源管理及调度均得到优化改进，因而2017—2019年农业水资源承载力状况又有了较好的转变。

4 结论

综合以上6 县（市）农业水资源承载力最大值可知，2012—2019年人民胜利渠灌区农业水资源承载力的变化趋势大致为先增后减，承载力状态也先逐渐变差后来逐渐向好，但仍处于临界承载状况，部分地区甚至处于严重超载状况。因此，当地政府和社会各界应继续加强对灌区农业水资源承载力的关注，提高对灌区农业水资源承载力生态属性的重视程度。

研究依据评价指标选取准则，结合人民胜利渠水资源利用特点及社会发展情况，从社会需求、社会经济、水资源利用、水资源生态4 个角度选取8 项评价指标，建立灌区农业水资源承载力评价指标体系，并结合层次分析法计算指标权重，得到人民胜利渠灌区农业水资源承载力评价等级结果。分析评价结果可知，人民胜利渠灌区农业水资源承载力在时序变化上基本呈现出先变差后逐渐良好的变化趋势。尤其是在最严格水资源管理制度实施之后，经过水资源合理优化配置，灌区农业水资源承载力得到不断的改良，承载状况逐渐好转，但延津县和封丘县仍处于严重超载状况。因此，有关部门应重点关注水资源的生态功能，有针对性地对灌区农业水资源进行合理分配。