華北平原典型灌區農田水循環健康評價

　　摘要：為了“診斷”華北平原典型灌區農田水循環的“病癥”和“病狀”，在解析灌區農田水循環結構的基礎上，提出了農田健康水循環的概念，選用層次分析-熵權組合法計算權重，構建了灌區尺度農田水循環健康評價體系;分別采用綜合指數法和改進的灰色關聯分析對比評價了軍留灌區 2010~2019 年農田水循環健康狀況。指標評價結果顯示，軍留灌區在灌溉水質、化肥及農藥非點源污染、灌溉水利用系數等方面多呈現“病態”，結果為“一般” 及以上的指標總個數由 2010 年的 4 個增長至 2019 年的 9 個;維度評價結果顯示，退排水子過程的健康狀況最差，基本處于“病態”，水源、取輸水子過程、用耗水子過程的水循環健康狀況得到逐年提升;總體而言，軍留灌區水循環狀態近 10 年得到了逐年改善，并且兩種方法的維度或綜合評價結果的變化趨勢基本一致。研究結果可為華北平原灌區精細化管理和綠色高質量發展提供科學依據和決策參考。

　　本文源自欒清華; 王旖; 張海; 劉田偉; 董森; 何帥， 南水北調與水利科技(中英文) 發表時間：2021-07-19

　　關鍵詞：農田健康水循環;灌區;層次分析-熵權組合法;綜合指數法;灰色關聯分析

　　在我國華北平原等糧食主產區，由于農業用水需求增大，農田水利工程的不斷修建，使得灌區迅速發展，灌區農田水循環的“自然-社會”二元屬性愈加凸顯。灌區作為人工取用水較為頻繁的單元，大多被關注的是水資源的經濟效益，區域水循環自然規律及其可持續性卻沒有被重視，引發了諸如井灌區地下水超采及生態環境惡化等“病狀”，影響了灌區農業高質量生產。在這種背景下，亟需“把脈”灌區農田水循環狀態的“癥候”，并“診斷”其變化趨勢。

　　水循環健康與否的概念由我國學者于 21 世紀初提出[1,2]，但對健康水循環的定義并未統一。如張杰[2] 認為健康的水循環為上游用水不影響下游水體功能，且社會水循環不違背自然水循環的客觀規律;劉俊良等[3]認為健康的水循環即循環過程的完整性、流暢性、穩定性和可持續性;許向君等[4]指出健康的城市水循環包括健全循環和良性循環。盡管眾專家學者對于健康水循環的概念表述不盡相同，但其核心觀點較為一致，均強調了社會水循環與自然水循環的協調性與可持續性。

　　在健康水循環概念研究的基礎上，不少專家學者紛紛展開了水循環健康評價研究。Pal 等[5]探討了城市水循環路徑，并評估了各污染物對水循環健康的影響;張士政[6]以南四湖流域作為研究區域構建了自然條件、城市化水平、河流水循環及綜合水安全格局四維度的流域水循環健康評價指標體系。京津冀是國內水問題最為突出的區域，因此，許多學者對該區域開展了水循環健康評價：王富強等[7]構建了基于水資源、水環境、水生態、水效用和水災害的水循環指標體系并展開了健康評價;Zhang 等[8]從生態系統完整性、水質、水資源豐度、水資源利用四個維度構建了水循環健康評價體系;欒清華等[9]構建了基于水質、水量、生態及極端事件的城市水循環健康評價體系;此后段娜[10]、裴夢桐[11]分別從城市水循環過程的子環節及城市降水產匯流過程出發，解析了健康水循環相關概念，構建了相應的評價體系，并以河北邯鄲主城區為例進行了評價。就灌區的相關評價研究而言，有相關專家學者從灌區的某個方面，如現代化程度[12]、生態功能[13]或節水[14]等，進行了一些區域的評價研究，但極少從整個水循環過程的角度系統開展評價。

　　綜上可知，從健康水循環系統研究角度來看，目前研究主要集中在城市區域，鮮有涉及灌區這一人工取用水同樣較為頻繁的區域的，僅有學者[15-16]剖析了農田水循環的二元屬性及其驅動力和路徑。從路徑來看，灌區與城市的水循環具有一定的相似性，同具顯著的“自然-社會”屬性。基于此，借鑒城市健康水循環概念及相關成果[15,16]，在系統分析灌區農田水循環結構特征的基礎上，解析農田健康水循環的概念，構建農田水循環健康評價指標體系，并對華北平原典型灌區——河北魏縣軍留灌區近 10 年水循環健康狀態進行評價，以期對灌區水資源管理和高質量發展提供依據。

　　1 農田健康水循環內涵

　　1.1 農田水循環結構及路徑分析

　　農田水循環涉及地表水循環、地下水循環以及土壤水循環等多個子循環過程[16]。在無人工灌溉的天然狀態下，農田水循環主要包括降水、蒸散發及土壤水分三大因素。降水是農田水分的主要補給來源，而蒸散發則是農田水分消耗的主要形式。降水在太陽輻射及重力勢能等的驅動下，經由冠層截留、地表洼地蓄留、地表徑流、蒸散發、入滲、壤中流和地下徑流等一系列過程[15]，部分重新回到大氣，部分排入水域，并再次通過蒸發等過程重新進入農田水循環，如此循環往復。天然農田水循環路徑見圖 1。

　　而在灌區，人工灌溉補給水分成為農田水分的一個重要來源，并引發了蓄引水、取提水、用耗水、退排水等一系列子過程，嚴重擾動并改變了自然狀態下的農田水循環的特征，而逐漸呈現出“自然-社會”二元性(圖 2)，兩者相互交錯，協調作用，共同支撐農作物的生長。

　　由圖 2 可知，灌溉水源主要包括地表水及地下水，其相應的灌溉體系分為井灌與渠灌，通過農田水利工程引水或提水來克服水的重力，干預農田自然水循環，將灌溉水源引入農田水循環過程，使得降水及人工灌溉成為灌區農田作物的主要水分來源。此外，土壤深層水分通過以潛水蒸發的形式向上運動也可以在一定程度上補充作物所需水分;部分水分被作物吸收再以騰發方式進入大氣而循環，部分水分直接蒸發進入大氣，還有一部分水分入滲至土壤，參與地下水循環;多余水分進入農田排水系統，保障農田水分處于適宜狀態。

　　盡管灌區農田水循環的蒸發蒸騰、入滲、產匯流等仍遵循自然水循環路徑及規律，但由于高強度灌溉引發新增了“取-用-排”等子過程而加大了蒸散發、下滲等原有的自然子過程的通量大小，加快了農田水循環速度，并逐漸影響了區域(流域)水循環的結構、路徑和特征。此外，農田水循環除了受人工驅動影響外，還受到相關政策以及經濟方面的社會因素影響，如我國為緩解水資源短缺以及水環境惡化等問題采取的強制性農業節水政策以及推進建立水權制度等，均會通過對水量、用水效率進行約束從而影響灌區的農田水循環過程。

　　1.2 農田健康水循環概念

　　對比分析不同類型農田水循環的結構及路徑(圖 1、圖 2)，參考城市健康水循環內涵，本文提出健康的農田水循環為自然水循環與社會水循環相互協調、共同作用，水循環各子過程均呈現健康且系統達到和諧的狀態，即水源多樣且配置合理、灌溉用水保質保量、取輸水高效節水、用耗水高效高產、退排水過程快速且少污染，具體解析如下。

　　水源：既不過分干擾河流、地下水等天然水源的本底狀態，又能滿足對農田對水質水量的用水要求，即水源多樣且配置合理，地下水埋深適宜，水質及水量滿足農田用水要求。

　　取輸水子過程：灌區提水、取水、輸水工程設施完善，并盡可能減少這些過程的水量損失，保障輸水高效節水。

　　用耗水子過程：在灌溉水量一定的條件下，盡可能提高灌溉水利用效率，保障灌區內糧食產量，提高灌區經濟效益，即用水高效率高效益。

　　退排水子過程：退排水人工過程與自然過程相互協調，共同作用于灌區退排水，保障退排水過程迅速不影響作物生長，且農藥化肥施用合理，盡量減少面源污染。

　　2 農田水循環健康評價體系

　　2.1 指標體系

　　依據層次分析法原理，將灌區農田水循環健康狀態作為目標層;基于灌區農田水循環結構(圖 2)的解析，劃分維度層為水源、取輸水子過程、用耗水子過程、退排水子過程;依據指標篩選科學性、全面性與代表性、定性與定量相結合的原則，重點從水質、水量、輸配水能力、水資源效率及效益幾個方面考慮，同時兼顧指標的獨立性及其基礎數據資料的獲取性，最終選取了 15 個指標，與上述維度層、指標層一并構建了華北平原灌區尺度農田水循環健康評價體系(圖 3)。

　　2.2 指標權重

　　指標權重的確定主要分主觀賦權法及客觀賦權法[17]。層次分析法是主觀賦權法最具代表性的方法，其賦權主要依賴決策者對評價對象的了解程度，具有一定的主觀性[7]。客觀賦權法，如熵權法則完全依賴客觀數據，忽視數據的物理意義，其結果有可能與實際并不完全相符[18]。為降低層次分析法在人為確定指標相對重要性方面的主觀性，并減少熵權法極值賦權而造成評價結果與實際的不一致性，采用層次分析-熵權組合賦權法進行權重的確定，提高權重的客觀性和準確性。各指標權重計算結果見表 1，詳細計算公式見參考文獻[7]，在此不再贅述。

　　2.3 閾值體系

　　農田水循環健康評價體系閾值即為該體系的評價標準，是農田水循環健康評價的重要依據。閾值體系的確定首先考慮參考國家相關部門發布的國家標準及行業標準;若無相關標準，則重點參考已有研究成果的基礎上，通過現場充分調研踏勘以及咨詢當地相關專家，結合不同水平區域的統計年鑒相關數據，參照國際先進水平、國家先進水平、國家平均水平的順序進行等級劃分。農田水循環健康評價體系閾值見表 2。

　　參考有關水循環健康評價的研究成果[10]，將農田水循環健康劃分為五個等級，分別為：健康、亞健康、一般、病態、嚴重病態，對應的分值或取值范圍分別為：5、[4,5)、[3,4)、[2,3)、[1,2)，并參考氣象部門預警等級的劃分確定各等級對應顏色(表 3)。

　　2.4 評價方法

　　開展評價相關的方法較多，常用方法有綜合指數法和灰色關聯分析等。綜合指數法將指標得分加權求和，即可得到維度及綜合評價結果，方法簡單易行，且能體現評價的綜合性、整體性及層次性[28]。灰色關聯分析將數據模型化、抽象化、簡便化，通過分析比較參考數列與比較數列的關聯程度進行等級評價，對數據的數量以及樣本規律性無較多要求，但結果的遞進性和層次性欠佳[29]。在此選擇兩種方法進行對比分析，相互印證，以提高評價結果的客觀性。

　　綜合指數法計算公式如下： 1 ( 1,2, , ) n i i i H h w i n ?? ? ? ? (1)式中：H 表示評價總得分;hi 表示各評價指標分值;wi 表示評價指標權重。選用改進的灰色關聯分析法，評價閾值由區間進行關聯計算[30]，具體步驟如下：(1)參考數列(母數列)確定 X x k k n 0 0 = | 1,2,3, , ? ? ? ? ? (2)(2)比較數列(子數列)確定： X x k k n i m i i ? ? ? ? ? ?| 1,2, , ,( 1,2, , ) ? (3)(3)關聯系數求解? ? ( ) ( ) ( ) ( ) i i i k i k i i i i k Min Min k d Max Max k k k d Max Max k ?? ? ??? ? ? (4)若定義 ( ) ( ), ( ) i i i x k a k b k ? ，ai(k)與 bi(k)分別為指標 k 第 i 個級別的下限與上限，則 0 0 0 0 0 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 0 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) i i i i i i i a k x k x k a k k a k x k b k x k b k x k b k ? ??? ? ? ? ??? ? < > (5)(4)關聯度求解 1 ( ) n i k i k V k ? ??? ? (6)式中，ωk為指標權重。(5)關聯度大小排序對計算的關聯度由大到小進行排序，根據相關原理[30]，關聯度越大，說明參考數列與比較數列越接近，最大關聯度對應的等級即為評價對象的健康等級。

　　3 典型灌區案例分析

　　3.1 研究區概況與數據來源

　　軍留灌區位于河北省邯鄲市魏縣東南部，位于華北平原糧食主產區的腹地，設計灌溉面積 35 萬畝，是具有地表、井灌和外調水源的大型灌區。其中，地表灌溉水源是以軍留揚水站以及留固揚水站提取衛河水，井灌水源即當地地下水，2010 年引黃入邯以來增加了外調水作為灌溉水源。

　　灌區南部以衛河為界，北面以漳河為界，東風渠貫穿其中，東部與邯鄲大名縣及河南省南樂縣相連。灌區位于北緯 36°03'06"~36°17'38"、東經 114°50'28"~115°07'24"之間，屬于大陸性季風氣候，四季分明，冬季寒冷干燥，夏季炎熱多雨，整體氣候比較適宜農作物的生長。年平均氣溫為 13.7 ℃，全年無霜期約為 210 天，年降水量為 333.8~746.2 mm，多年平均降水量為 525.2 mm，且降水量分布不均衡，夏季降水占全年降水量的 65%~75%，秋季降水要多于春季，冬季降水最少。灌區地處黃河與漳河的沖積平原，地勢平坦開闊，呈現西南高東北低的特點，地面坡降在 1/1000 到 1/4000 之間。其具體位置見圖 4。

　　在 2006 年實施了灌區續建配套與節水改造項目及 2014 年實施地下水超采綜合治理地表水灌溉項目以來，結合近年來的其他工程建設，軍留灌區已初步形成了具有一定規模的灌排工程體系，為保障灌區內農業增產、農民增收和農村經濟的可持續發展奠定了基礎。

　　數據是開展評價分析的前提，依據指標體系(圖 3、表 2)，將計算所需數據進行歸納分類進行搜集，其中水源種類、水質數據、灌溉用水量、灌溉水有效利用系數等數據來源于《邯鄲市水資源公報》《魏縣水資源公報》，計量設施、作物產量、渠道及輸水管道、設計灌溉保證率、化肥農藥施用量、農田漬澇及降水等相關數據主要來源于《邯鄲統計年鑒》《魏縣統計年鑒》，高效節水面積、地下水埋深、種植結構等相關數據主要來源于邯鄲市水利局農村水利水電處有關地下水超采綜合治理的相關報告。最終，搜集了軍留灌區 2010~2019 年共 10 年的相關數據，開展典型灌區農田水循環健康評價。

　　3.2 評價結果與分析

　　3.2.1 指標評價結果

　　在對數據進行歸一化、標準化處理的基礎上，參照表 2 閾值體系，即可得出農田水循環各指標逐年健康狀況，詳見圖 5。整體來看，近十年健康狀況未發生變化的指標主要包括農田防漬排澇達標率、設計灌溉保證率、地下水埋深相對值、計量設施配套率、農藥面源污染風險 5 個指標。其中，農田防漬排澇達標率一直處于“亞健康”狀態，評價結果較好，究其原因主要是因為在華北平原，地下水超采嚴重，導致包氣帶增厚，土壤入滲存蓄能力增加，加之區域降水量相對較少，發生農田漬澇問題的風險較低;地下水埋深相對值、計量設施配套率、農藥面源污染風險一直處于“嚴重病態”，設計灌溉保證率一直處于“病態”，反映了近十年灌區地下水超采形勢依舊嚴峻，農戶井灌計量還未跟進以及噴藥過量等問題。

　　近十年間狀況逐年向好的水循環指標主要有水源多樣性、灌溉水質達標率、渠道灌溉水滲漏率、田間輸水管道化水平、高效節水灌溉面積比、農田灌溉水有效利用系數及種植結構合理性這 7 個指標。其中，水源多樣性、灌溉水質達標率、渠道灌溉水滲漏率、田間輸水管道化水平、高效節水灌溉面積比以及種植結構合理性指標達標率 6 個指標自 2017 年以來均處于“一般”及以上狀態，農田灌溉水有效利用系數也由 2010 年的“嚴重病態”好轉為 2017 年的“病態”，這些變化間接反映了河北省地下水超采綜合治理和灌區節水改造的工程效果;種植結構的逐年改善，反映了地下水超采綜合治理有關農業項目的效果，也體現了地下水壓采的政策背景下，倒逼灌區逐漸實施“以水定地”，逐步優化種植結構。

　　軍留灌區是地表、地下水混合水源灌區，由于地表水受區域降雨豐枯影響較大，水分生產率指標的健康狀況在“亞健康”及“一般”中波動。同樣受降水豐枯影響，2014 年以前，地表水占比的健康狀況也呈現波動，但隨著地下水壓采水源置換工程的實施，該指標自 2014 年后呈現逐年上升趨勢，并于 2016 年以后達到“健康狀態”。與其他指標狀況的變化趨勢不同，化肥面源污染風險的健康狀況在近十年間呈現惡化趨勢，由最初的“病態”降為 2018 年和 2019 年的“嚴重病態”，不僅反映出農戶過量施用化肥的行為，也間接反映出灌區土壤肥力近兩年有所下降。

　　綜合各指標來看，近年來，健康狀況處于“一般”及以上的指標個數逐漸增多：2010 年僅 4 個指標健康狀況為一般及以上，分別為渠道灌溉水滲漏率、水分生產率、種植結構合理性及農田防漬排澇達標率;至 2019 年健康狀況為“一般”及以上的指標增至 9 個，其中新增加的指標為水源多樣性、灌溉水質達標率、地表水占比、田間輸水管道化水平和高效節水灌溉面積比 5 個指標，這也說明了軍留灌區農田水循環的健康狀況整體上在往好的方向發展。

　　3.2.2 維度評價結果

　　根據 2.5 所述，分別利用綜合指數法及灰色關聯分析，評價了軍留灌區農田水循環維度健康狀況，結果如表 4 所示。

　　由表 4 可知，兩種方法對各維度的評價結果基本呈現相同的變化趨勢，僅有少部分等級判定結果存在一些差異。具體來看，水源維度逐年健康等級均由 2010 年的“嚴重病態”好轉為 2016 年及以后的“一般”，但與灰色關聯分析的階梯式上升不同，綜合指數法的評價結果是由“嚴重病態”到“病態”再好轉為“一般”的緩慢上升狀態。

　　取輸水子過程的健康狀況也均呈現逐漸上升趨勢，綜合指數法的結果為由 2010 年的“病態”逐漸上升為 2016 年及以后的“一般”;而灰色關聯分析的階梯狀上升結果則更加顯著，由 2010 年的“嚴重病態” 跳躍到 2017 年及以后的“亞健康”狀態。

　　就用耗水評價逐年變化趨勢來看，兩類結果都呈現逐年遞增趨勢，但最終的等級評價略有不同;其中，綜合指數法的結果呈現由 2010 年的“病態”好轉為 2015 年及以后的“一般”的逐漸遞增趨勢;而灰色關聯分析結果則經歷“嚴重病態”、“病態”、“一般”，并最終于 2017 年達到“亞健康”狀態。需要指出的是，盡管 2017 年綜合指數法的評價等級為一般，但其評分均在 3.90 左右，已非常趨近“亞健康”等級。

　　退排水過程評價結果近十年來無較大變化，大多數處于“病態”，其中綜合指數法的評價結果在 2018 年開始出現輕微惡化趨勢;而灰色關聯分析結果則無趨勢，一直呈現“病態”。

　　基于上述內容，結合 3.2.1 的結果可知，維度評價與指標評價結果息息相關。其中，水源維度中，除地下水埋深相對值的健康狀況近年來無變化，其余指標均呈現出逐年向好的趨勢，因而該維度整體呈現逐年好轉的趨勢;取輸水維度中設計灌溉保證率、計量設施配套率的健康狀況近年來無變化，而其余兩指標的健康狀況逐年改善并最終達到健康狀態，對于該維度健康的逐年向好具有較大的貢獻;用耗水維度的水分生產率評價結果雖然出現波動，但整體評價較好，其余三個指標健康狀況近年來均有不同程度的改善，因而該維度健康狀況逐年改善;化肥面源污染風險和農藥面源污染風險兩個指標一直處于病態影響了整個退排水維度的評價結果，成為農田水循環健康的薄弱環節。對比維度健康的變化趨勢，近年來魏縣及灌區采取的一系列措施對水源、取輸水子過程、用耗水子過程三個維度的健康改善較為顯著，此后加強農業面源污染的治理、改善退排水過程的健康狀況是灌區乃至未來邯鄲市農田綠色高質量發展的提升改進重點。

　　3.2.3 綜合評價結果

　　分別利用綜合指數法及灰色關聯分析，評價軍留灌區農田水循環 2010~2019 年逐年健康綜合狀況，其評價結果見圖 6。

　　可知，近十年來，軍留灌區農田水循環健康狀況有所好轉，兩種方法的總體變化趨勢相似。其中，灰色關聯分析評價結果變化稍大，其評價結果顯示，2010~2015 年間該灌區農田水循環健康狀況均為“嚴重病態”，此后開始逐漸得到改善，2016 年健康狀態提升為“一般”，2017 年及以后達到穩定狀態，健康狀況為“亞健康”;綜合指數法評價結果的變化幅度較小，分值范圍在 2.36~3.58 之間，對應的健康等級為由 2010 年的“病態”逐漸好轉為 2016 年及以后的“一般”，但 2017 年及以后的評分相對較高，均超過了 3.50。

　　對比綜合指數法與灰色關聯分析的等級評定差異可知，綜合指數法由于等級界定規則，即便評分已經趨好并逼近臨界值，但狀態評價仍然不能升級;在這一方面，灰色關聯分析的等級評價結果相比更加合理。然而在趨勢走向上，由于灰色關聯分析僅以數據判定，所以變化趨勢上或呈現跳躍性、或呈現同一性，相比之下，綜合指數法在整個趨勢走向的表征上與實際更加相符。

　　4 結論

　　通過解析灌區農田水循環結構，剖析了農田健康水循環的概念，選用層次分析-熵權組合法計算權重，構建了基于水源-取輸水-用耗水-退排水循環過程的灌區農田水循環健康評價指標體系，分別采用綜合指數法及灰色關聯分析法評價了軍留灌區 2010~2019 年農田水循環健康狀況，主要得出以下結論：

　　(1)本文提出健康的農田水循環為水源多樣且配置合理、灌溉用水保質保量、取輸水高效節水、用耗水高效高產、退排水過程快速且少污染的水循環。

　　(2)近十年來，軍留灌區農田水循環健康狀態逐年向好，評價結果為“一般”及以上的指標總個數由 2010 年的 4 個增長至 2019 年的 9 個;水源、取輸水子過程、用耗水子過程的水循環健康狀況得到逐年顯著提升，退排水子過程的健康狀況最差，大部分時間處于“病態”。

　　(3)無論維度或綜合評價，兩種方法的變化趨勢基本一致，在等級評定上略有差異。對比而言，灰色關聯分析在評分逼近臨界值時的等級評定較為合理，而綜合指數法在整個趨勢走向的表征上相對客觀。

　　目前農田水循環健康評價研究仍然處于發展探究階段，指標體系還需要進一步完善和不斷優化。此外，灌區農田水循環涉及因素繁雜，數據收集難度較大，若推廣到多個灌區具有較大的挑戰;未來，可采用基礎資料搜集和水文模型模擬輸出相結合的辦法，為大尺度區域開展農田水循環健康評價提供數據支撐。