华北平原典型灌区农田水循环健康评价

　　摘要：为了“诊断”华北平原典型灌区农田水循环的“病症”和“病状”，在解析灌区农田水循环结构的基础上，提出了农田健康水循环的概念，选用层次分析-熵权组合法计算权重，构建了灌区尺度农田水循环健康评价体系;分别采用综合指数法和改进的灰色关联分析对比评价了军留灌区 2010~2019 年农田水循环健康状况。指标评价结果显示，军留灌区在灌溉水质、化肥及农药非点源污染、灌溉水利用系数等方面多呈现“病态”，结果为“一般” 及以上的指标总个数由 2010 年的 4 个增长至 2019 年的 9 个;维度评价结果显示，退排水子过程的健康状况最差，基本处于“病态”，水源、取输水子过程、用耗水子过程的水循环健康状况得到逐年提升;总体而言，军留灌区水循环状态近 10 年得到了逐年改善，并且两种方法的维度或综合评价结果的变化趋势基本一致。研究结果可为华北平原灌区精细化管理和绿色高质量发展提供科学依据和决策参考。

　　本文源自栾清华; 王旖; 张海; 刘田伟; 董森; 何帅， 南水北调与水利科技(中英文) 发表时间：2021-07-19

　　关键词：农田健康水循环;灌区;层次分析-熵权组合法;综合指数法;灰色关联分析

　　在我国华北平原等粮食主产区，由于农业用水需求增大，农田水利工程的不断修建，使得灌区迅速发展，灌区农田水循环的“自然-社会”二元属性愈加凸显。灌区作为人工取用水较为频繁的单元，大多被关注的是水资源的经济效益，区域水循环自然规律及其可持续性却没有被重视，引发了诸如井灌区地下水超采及生态环境恶化等“病状”，影响了灌区农业高质量生产。在这种背景下，亟需“把脉”灌区农田水循环状态的“症候”，并“诊断”其变化趋势。

　　水循环健康与否的概念由我国学者于 21 世纪初提出[1,2]，但对健康水循环的定义并未统一。如张杰[2] 认为健康的水循环为上游用水不影响下游水体功能，且社会水循环不违背自然水循环的客观规律;刘俊良等[3]认为健康的水循环即循环过程的完整性、流畅性、稳定性和可持续性;许向君等[4]指出健康的城市水循环包括健全循环和良性循环。尽管众专家学者对于健康水循环的概念表述不尽相同，但其核心观点较为一致，均强调了社会水循环与自然水循环的协调性与可持续性。

　　在健康水循环概念研究的基础上，不少专家学者纷纷展开了水循环健康评价研究。Pal 等[5]探讨了城市水循环路径，并评估了各污染物对水循环健康的影响;张士政[6]以南四湖流域作为研究区域构建了自然条件、城市化水平、河流水循环及综合水安全格局四维度的流域水循环健康评价指标体系。京津冀是国内水问题最为突出的区域，因此，许多学者对该区域开展了水循环健康评价：王富强等[7]构建了基于水资源、水环境、水生态、水效用和水灾害的水循环指标体系并展开了健康评价;Zhang 等[8]从生态系统完整性、水质、水资源丰度、水资源利用四个维度构建了水循环健康评价体系;栾清华等[9]构建了基于水质、水量、生态及极端事件的城市水循环健康评价体系;此后段娜[10]、裴梦桐[11]分别从城市水循环过程的子环节及城市降水产汇流过程出发，解析了健康水循环相关概念，构建了相应的评价体系，并以河北邯郸主城区为例进行了评价。就灌区的相关评价研究而言，有相关专家学者从灌区的某个方面，如现代化程度[12]、生态功能[13]或节水[14]等，进行了一些区域的评价研究，但极少从整个水循环过程的角度系统开展评价。

　　综上可知，从健康水循环系统研究角度来看，目前研究主要集中在城市区域，鲜有涉及灌区这一人工取用水同样较为频繁的区域的，仅有学者[15-16]剖析了农田水循环的二元属性及其驱动力和路径。从路径来看，灌区与城市的水循环具有一定的相似性，同具显著的“自然-社会”属性。基于此，借鉴城市健康水循环概念及相关成果[15,16]，在系统分析灌区农田水循环结构特征的基础上，解析农田健康水循环的概念，构建农田水循环健康评价指标体系，并对华北平原典型灌区——河北魏县军留灌区近 10 年水循环健康状态进行评价，以期对灌区水资源管理和高质量发展提供依据。

　　1 农田健康水循环内涵

　　1.1 农田水循环结构及路径分析

　　农田水循环涉及地表水循环、地下水循环以及土壤水循环等多个子循环过程[16]。在无人工灌溉的天然状态下，农田水循环主要包括降水、蒸散发及土壤水分三大因素。降水是农田水分的主要补给来源，而蒸散发则是农田水分消耗的主要形式。降水在太阳辐射及重力势能等的驱动下，经由冠层截留、地表洼地蓄留、地表径流、蒸散发、入渗、壤中流和地下径流等一系列过程[15]，部分重新回到大气，部分排入水域，并再次通过蒸发等过程重新进入农田水循环，如此循环往复。天然农田水循环路径见图 1。

　　而在灌区，人工灌溉补给水分成为农田水分的一个重要来源，并引发了蓄引水、取提水、用耗水、退排水等一系列子过程，严重扰动并改变了自然状态下的农田水循环的特征，而逐渐呈现出“自然-社会”二元性(图 2)，两者相互交错，协调作用，共同支撑农作物的生长。

　　由图 2 可知，灌溉水源主要包括地表水及地下水，其相应的灌溉体系分为井灌与渠灌，通过农田水利工程引水或提水来克服水的重力，干预农田自然水循环，将灌溉水源引入农田水循环过程，使得降水及人工灌溉成为灌区农田作物的主要水分来源。此外，土壤深层水分通过以潜水蒸发的形式向上运动也可以在一定程度上补充作物所需水分;部分水分被作物吸收再以腾发方式进入大气而循环，部分水分直接蒸发进入大气，还有一部分水分入渗至土壤，参与地下水循环;多余水分进入农田排水系统，保障农田水分处于适宜状态。

　　尽管灌区农田水循环的蒸发蒸腾、入渗、产汇流等仍遵循自然水循环路径及规律，但由于高强度灌溉引发新增了“取-用-排”等子过程而加大了蒸散发、下渗等原有的自然子过程的通量大小，加快了农田水循环速度，并逐渐影响了区域(流域)水循环的结构、路径和特征。此外，农田水循环除了受人工驱动影响外，还受到相关政策以及经济方面的社会因素影响，如我国为缓解水资源短缺以及水环境恶化等问题采取的强制性农业节水政策以及推进建立水权制度等，均会通过对水量、用水效率进行约束从而影响灌区的农田水循环过程。

　　1.2 农田健康水循环概念

　　对比分析不同类型农田水循环的结构及路径(图 1、图 2)，参考城市健康水循环内涵，本文提出健康的农田水循环为自然水循环与社会水循环相互协调、共同作用，水循环各子过程均呈现健康且系统达到和谐的状态，即水源多样且配置合理、灌溉用水保质保量、取输水高效节水、用耗水高效高产、退排水过程快速且少污染，具体解析如下。

　　水源：既不过分干扰河流、地下水等天然水源的本底状态，又能满足对农田对水质水量的用水要求，即水源多样且配置合理，地下水埋深适宜，水质及水量满足农田用水要求。

　　取输水子过程：灌区提水、取水、输水工程设施完善，并尽可能减少这些过程的水量损失，保障输水高效节水。

　　用耗水子过程：在灌溉水量一定的条件下，尽可能提高灌溉水利用效率，保障灌区内粮食产量，提高灌区经济效益，即用水高效率高效益。

　　退排水子过程：退排水人工过程与自然过程相互协调，共同作用于灌区退排水，保障退排水过程迅速不影响作物生长，且农药化肥施用合理，尽量减少面源污染。

　　2 农田水循环健康评价体系

　　2.1 指标体系

　　依据层次分析法原理，将灌区农田水循环健康状态作为目标层;基于灌区农田水循环结构(图 2)的解析，划分维度层为水源、取输水子过程、用耗水子过程、退排水子过程;依据指标筛选科学性、全面性与代表性、定性与定量相结合的原则，重点从水质、水量、输配水能力、水资源效率及效益几个方面考虑，同时兼顾指标的独立性及其基础数据资料的获取性，最终选取了 15 个指标，与上述维度层、指标层一并构建了华北平原灌区尺度农田水循环健康评价体系(图 3)。

　　2.2 指标权重

　　指标权重的确定主要分主观赋权法及客观赋权法[17]。层次分析法是主观赋权法最具代表性的方法，其赋权主要依赖决策者对评价对象的了解程度，具有一定的主观性[7]。客观赋权法，如熵权法则完全依赖客观数据，忽视数据的物理意义，其结果有可能与实际并不完全相符[18]。为降低层次分析法在人为确定指标相对重要性方面的主观性，并减少熵权法极值赋权而造成评价结果与实际的不一致性，采用层次分析-熵权组合赋权法进行权重的确定，提高权重的客观性和准确性。各指标权重计算结果见表 1，详细计算公式见参考文献[7]，在此不再赘述。

　　2.3 阈值体系

　　农田水循环健康评价体系阈值即为该体系的评价标准，是农田水循环健康评价的重要依据。阈值体系的确定首先考虑参考国家相关部门发布的国家标准及行业标准;若无相关标准，则重点参考已有研究成果的基础上，通过现场充分调研踏勘以及咨询当地相关专家，结合不同水平区域的统计年鉴相关数据，参照国际先进水平、国家先进水平、国家平均水平的顺序进行等级划分。农田水循环健康评价体系阈值见表 2。

　　参考有关水循环健康评价的研究成果[10]，将农田水循环健康划分为五个等级，分别为：健康、亚健康、一般、病态、严重病态，对应的分值或取值范围分别为：5、[4,5)、[3,4)、[2,3)、[1,2)，并参考气象部门预警等级的划分确定各等级对应颜色(表 3)。

　　2.4 评价方法

　　开展评价相关的方法较多，常用方法有综合指数法和灰色关联分析等。综合指数法将指标得分加权求和，即可得到维度及综合评价结果，方法简单易行，且能体现评价的综合性、整体性及层次性[28]。灰色关联分析将数据模型化、抽象化、简便化，通过分析比较参考数列与比较数列的关联程度进行等级评价，对数据的数量以及样本规律性无较多要求，但结果的递进性和层次性欠佳[29]。在此选择两种方法进行对比分析，相互印证，以提高评价结果的客观性。

　　综合指数法计算公式如下： 1 ( 1,2, , ) n i i i H h w i n     (1)式中：H 表示评价总得分;hi 表示各评价指标分值;wi 表示评价指标权重。选用改进的灰色关联分析法，评价阈值由区间进行关联计算[30]，具体步骤如下：(1)参考数列(母数列)确定 X x k k n 0 0 = | 1,2,3, ,      (2)(2)比较数列(子数列)确定： X x k k n i m i i      | 1,2, , ,( 1,2, , )  (3)(3)关联系数求解  ( ) ( ) ( ) ( ) 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)若定义 ( ) ( ), ( ) i i i x k a k b k  ，ai(k)与 bi(k)分别为指标 k 第 i 个级别的下限与上限，则 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)关联度求解 1 ( ) n i k i k V k    (6)式中，ωk为指标权重。(5)关联度大小排序对计算的关联度由大到小进行排序，根据相关原理[30]，关联度越大，说明参考数列与比较数列越接近，最大关联度对应的等级即为评价对象的健康等级。

　　3 典型灌区案例分析

　　3.1 研究区概况与数据来源

　　军留灌区位于河北省邯郸市魏县东南部，位于华北平原粮食主产区的腹地，设计灌溉面积 35 万亩，是具有地表、井灌和外调水源的大型灌区。其中，地表灌溉水源是以军留扬水站以及留固扬水站提取卫河水，井灌水源即当地地下水，2010 年引黄入邯以来增加了外调水作为灌溉水源。

　　灌区南部以卫河为界，北面以漳河为界，东风渠贯穿其中，东部与邯郸大名县及河南省南乐县相连。灌区位于北纬 36°03'06"~36°17'38"、东经 114°50'28"~115°07'24"之间，属于大陆性季风气候，四季分明，冬季寒冷干燥，夏季炎热多雨，整体气候比较适宜农作物的生长。年平均气温为 13.7 ℃，全年无霜期约为 210 天，年降水量为 333.8~746.2 mm，多年平均降水量为 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。灌区地处黄河与漳河的冲积平原，地势平坦开阔，呈现西南高东北低的特点，地面坡降在 1/1000 到 1/4000 之间。其具体位置见图 4。

　　在 2006 年实施了灌区续建配套与节水改造项目及 2014 年实施地下水超采综合治理地表水灌溉项目以来，结合近年来的其他工程建设，军留灌区已初步形成了具有一定规模的灌排工程体系，为保障灌区内农业增产、农民增收和农村经济的可持续发展奠定了基础。

　　数据是开展评价分析的前提，依据指标体系(图 3、表 2)，将计算所需数据进行归纳分类进行搜集，其中水源种类、水质数据、灌溉用水量、灌溉水有效利用系数等数据来源于《邯郸市水资源公报》《魏县水资源公报》，计量设施、作物产量、渠道及输水管道、设计灌溉保证率、化肥农药施用量、农田渍涝及降水等相关数据主要来源于《邯郸统计年鉴》《魏县统计年鉴》，高效节水面积、地下水埋深、种植结构等相关数据主要来源于邯郸市水利局农村水利水电处有关地下水超采综合治理的相关报告。最终，搜集了军留灌区 2010~2019 年共 10 年的相关数据，开展典型灌区农田水循环健康评价。

　　3.2 评价结果与分析

　　3.2.1 指标评价结果

　　在对数据进行归一化、标准化处理的基础上，参照表 2 阈值体系，即可得出农田水循环各指标逐年健康状况，详见图 5。整体来看，近十年健康状况未发生变化的指标主要包括农田防渍排涝达标率、设计灌溉保证率、地下水埋深相对值、计量设施配套率、农药面源污染风险 5 个指标。其中，农田防渍排涝达标率一直处于“亚健康”状态，评价结果较好，究其原因主要是因为在华北平原，地下水超采严重，导致包气带增厚，土壤入渗存蓄能力增加，加之区域降水量相对较少，发生农田渍涝问题的风险较低;地下水埋深相对值、计量设施配套率、农药面源污染风险一直处于“严重病态”，设计灌溉保证率一直处于“病态”，反映了近十年灌区地下水超采形势依旧严峻，农户井灌计量还未跟进以及喷药过量等问题。

　　近十年间状况逐年向好的水循环指标主要有水源多样性、灌溉水质达标率、渠道灌溉水渗漏率、田间输水管道化水平、高效节水灌溉面积比、农田灌溉水有效利用系数及种植结构合理性这 7 个指标。其中，水源多样性、灌溉水质达标率、渠道灌溉水渗漏率、田间输水管道化水平、高效节水灌溉面积比以及种植结构合理性指标达标率 6 个指标自 2017 年以来均处于“一般”及以上状态，农田灌溉水有效利用系数也由 2010 年的“严重病态”好转为 2017 年的“病态”，这些变化间接反映了河北省地下水超采综合治理和灌区节水改造的工程效果;种植结构的逐年改善，反映了地下水超采综合治理有关农业项目的效果，也体现了地下水压采的政策背景下，倒逼灌区逐渐实施“以水定地”，逐步优化种植结构。

　　军留灌区是地表、地下水混合水源灌区，由于地表水受区域降雨丰枯影响较大，水分生产率指标的健康状况在“亚健康”及“一般”中波动。同样受降水丰枯影响，2014 年以前，地表水占比的健康状况也呈现波动，但随着地下水压采水源置换工程的实施，该指标自 2014 年后呈现逐年上升趋势，并于 2016 年以后达到“健康状态”。与其他指标状况的变化趋势不同，化肥面源污染风险的健康状况在近十年间呈现恶化趋势，由最初的“病态”降为 2018 年和 2019 年的“严重病态”，不仅反映出农户过量施用化肥的行为，也间接反映出灌区土壤肥力近两年有所下降。

　　综合各指标来看，近年来，健康状况处于“一般”及以上的指标个数逐渐增多：2010 年仅 4 个指标健康状况为一般及以上，分别为渠道灌溉水渗漏率、水分生产率、种植结构合理性及农田防渍排涝达标率;至 2019 年健康状况为“一般”及以上的指标增至 9 个，其中新增加的指标为水源多样性、灌溉水质达标率、地表水占比、田间输水管道化水平和高效节水灌溉面积比 5 个指标，这也说明了军留灌区农田水循环的健康状况整体上在往好的方向发展。

　　3.2.2 维度评价结果

　　根据 2.5 所述，分别利用综合指数法及灰色关联分析，评价了军留灌区农田水循环维度健康状况，结果如表 4 所示。

　　由表 4 可知，两种方法对各维度的评价结果基本呈现相同的变化趋势，仅有少部分等级判定结果存在一些差异。具体来看，水源维度逐年健康等级均由 2010 年的“严重病态”好转为 2016 年及以后的“一般”，但与灰色关联分析的阶梯式上升不同，综合指数法的评价结果是由“严重病态”到“病态”再好转为“一般”的缓慢上升状态。

　　取输水子过程的健康状况也均呈现逐渐上升趋势，综合指数法的结果为由 2010 年的“病态”逐渐上升为 2016 年及以后的“一般”;而灰色关联分析的阶梯状上升结果则更加显著，由 2010 年的“严重病态” 跳跃到 2017 年及以后的“亚健康”状态。

　　就用耗水评价逐年变化趋势来看，两类结果都呈现逐年递增趋势，但最终的等级评价略有不同;其中，综合指数法的结果呈现由 2010 年的“病态”好转为 2015 年及以后的“一般”的逐渐递增趋势;而灰色关联分析结果则经历“严重病态”、“病态”、“一般”，并最终于 2017 年达到“亚健康”状态。需要指出的是，尽管 2017 年综合指数法的评价等级为一般，但其评分均在 3.90 左右，已非常趋近“亚健康”等级。

　　退排水过程评价结果近十年来无较大变化，大多数处于“病态”，其中综合指数法的评价结果在 2018 年开始出现轻微恶化趋势;而灰色关联分析结果则无趋势，一直呈现“病态”。

　　基于上述内容，结合 3.2.1 的结果可知，维度评价与指标评价结果息息相关。其中，水源维度中，除地下水埋深相对值的健康状况近年来无变化，其余指标均呈现出逐年向好的趋势，因而该维度整体呈现逐年好转的趋势;取输水维度中设计灌溉保证率、计量设施配套率的健康状况近年来无变化，而其余两指标的健康状况逐年改善并最终达到健康状态，对于该维度健康的逐年向好具有较大的贡献;用耗水维度的水分生产率评价结果虽然出现波动，但整体评价较好，其余三个指标健康状况近年来均有不同程度的改善，因而该维度健康状况逐年改善;化肥面源污染风险和农药面源污染风险两个指标一直处于病态影响了整个退排水维度的评价结果，成为农田水循环健康的薄弱环节。对比维度健康的变化趋势，近年来魏县及灌区采取的一系列措施对水源、取输水子过程、用耗水子过程三个维度的健康改善较为显著，此后加强农业面源污染的治理、改善退排水过程的健康状况是灌区乃至未来邯郸市农田绿色高质量发展的提升改进重点。

　　3.2.3 综合评价结果

　　分别利用综合指数法及灰色关联分析，评价军留灌区农田水循环 2010~2019 年逐年健康综合状况，其评价结果见图 6。

　　可知，近十年来，军留灌区农田水循环健康状况有所好转，两种方法的总体变化趋势相似。其中，灰色关联分析评价结果变化稍大，其评价结果显示，2010~2015 年间该灌区农田水循环健康状况均为“严重病态”，此后开始逐渐得到改善，2016 年健康状态提升为“一般”，2017 年及以后达到稳定状态，健康状况为“亚健康”;综合指数法评价结果的变化幅度较小，分值范围在 2.36~3.58 之间，对应的健康等级为由 2010 年的“病态”逐渐好转为 2016 年及以后的“一般”，但 2017 年及以后的评分相对较高，均超过了 3.50。

　　对比综合指数法与灰色关联分析的等级评定差异可知，综合指数法由于等级界定规则，即便评分已经趋好并逼近临界值，但状态评价仍然不能升级;在这一方面，灰色关联分析的等级评价结果相比更加合理。然而在趋势走向上，由于灰色关联分析仅以数据判定，所以变化趋势上或呈现跳跃性、或呈现同一性，相比之下，综合指数法在整个趋势走向的表征上与实际更加相符。

　　4 结论

　　通过解析灌区农田水循环结构，剖析了农田健康水循环的概念，选用层次分析-熵权组合法计算权重，构建了基于水源-取输水-用耗水-退排水循环过程的灌区农田水循环健康评价指标体系，分别采用综合指数法及灰色关联分析法评价了军留灌区 2010~2019 年农田水循环健康状况，主要得出以下结论：

　　(1)本文提出健康的农田水循环为水源多样且配置合理、灌溉用水保质保量、取输水高效节水、用耗水高效高产、退排水过程快速且少污染的水循环。

　　(2)近十年来，军留灌区农田水循环健康状态逐年向好，评价结果为“一般”及以上的指标总个数由 2010 年的 4 个增长至 2019 年的 9 个;水源、取输水子过程、用耗水子过程的水循环健康状况得到逐年显著提升，退排水子过程的健康状况最差，大部分时间处于“病态”。

　　(3)无论维度或综合评价，两种方法的变化趋势基本一致，在等级评定上略有差异。对比而言，灰色关联分析在评分逼近临界值时的等级评定较为合理，而综合指数法在整个趋势走向的表征上相对客观。

　　目前农田水循环健康评价研究仍然处于发展探究阶段，指标体系还需要进一步完善和不断优化。此外，灌区农田水循环涉及因素繁杂，数据收集难度较大，若推广到多个灌区具有较大的挑战;未来，可采用基础资料搜集和水文模型模拟输出相结合的办法，为大尺度区域开展农田水循环健康评价提供数据支撑。