干旱地区生态环境需水评价研究——以民勤县为例

姜田亮, 张恒嘉, 石媛媛, 王雅云

干旱地区生态环境需水评价研究——以民勤县为例

姜田亮, 张恒嘉*, 石媛媛, 王雅云

甘肃农业大学水利水电工程学院, 兰州 730070

为科学准确的评价半干旱地区生态环境需水状况, 对生态环境需水评价概念进行概括, 以“自然—水资源—社会经济—生态”复合系统为研究角度, 建立1目标、4准则, 29指标的半干旱地区生态环境需水评价体系, 将熵值理论引入层次分析法结合计算指标权重以消除主观经验对结果的影响, 以半干旱地区民勤县为例, 使用模糊综合评价法对该地区2006—2015年的生态环境需水及其子系统状况进行评价分析。结果表明: ①对半干旱地区生态需水评价指数影响最大的是“水资源”子系统与“生态”子系统; 缺水量、年平均水资源量、生态用水量占比、地均水资源量及人均水资源量为影响力最大指标。②近十年民勤县的生态环境需水处于“较差”转向“一般”的阶段, 与各子系统的协调度逐年变好, 说明该地生态治理取得了成效。该方法可应用于类似半干旱地区的生态环境需水评价, 为半干旱地区制定水资源调控战略及生态需水研究奠定一定的理论基础。

半干旱地区; 生态环境需水; 层次分析; 熵权法; 模糊综合评价; 民勤县

0 前言

水作为维系自然界一切生态过程和生命活动的基础性自然资源, 是生命的载体和源泉, 特别在干旱地区, 有限的水资源是维系生态系统和谐的决定因素, 是社会经济发展的桎梏[1]。由于水资源短缺及不合理利用使生态环境日益恶化, 出现了严重的水资源危机, 特别在我国部分干旱地区, 工农业以及生活用水的增加挤占了生态用水, 使各类生态系统的生态功能不断下降, 遭受到不同程度的破坏。因此生态环境需水问题引起国内外学者的广泛关注, 并从以下三个方向进行了大量研究: 一是生态环境需水的内涵及其驱动机制研究[2-5], 二是生态环境需水的量化及其机理研究[6-9], 三是生态环境用水的安全保障策略和保护模式研究[10-13]。对生态环境需水进行综合意义上的评价是水资源管理配置与生态保护建设中的关键问题,也是生态需水各项研究工作开展的前提。生态环境需水状况评价可理解为区域某一历史发展阶段, 将自然条件、水资源、社会经济及生态条件复合系统中的重要信息进行量化, 定量描述生态环境需水状况的优良程度和存在问题。本文以民勤县为例, 建立干旱地区生态环境需水评价指标体系, 在层次分析法的基础上, 引入熵值概念对指标权重的确定进行改进, 并使用模糊评价法对该地2006—2015年生态环境需水变化趋势进行评价, 以期为类似地区生态环境需水状况的计算提供参考, 为干旱地区生态需水的研究奠定基础, 以实现水资源的良性循环和可持续发展。

1 材料与方法

1.1 区域概况

民勤县位于103°03′—104°03′E, 38°05′—39° 06′N, 县内多年平均年降雨量115 mm, 蒸发量2643.9 mm。该县水资源主要由地表水及地下水构成, 水资源总量3.96×108m3, 绿洲面积仅为2.4×103km2, 占总面积的15%, 为典型的干旱地区[14]。过去几十年, 由于石羊河上游修建水库, 有限的水资源被拦截在上游地区, 导致下游无水可用, 为维持生计, 当地居民过度开采地下水资源,引发严重的生态环境用水问题, 严重威胁到当地居民的生命财产安全[15]。近年来, 国家相关方针政策对民勤县生态的治理, 如生态移民、植树造林、节水灌溉等措施, 使该地区生态环境需水状况有了一定程度的好转[16]。

1.2 研究方法

美国运筹学家萨蒂1970年提出层次分析法(AHP), 通过对所划分层次的各要素进行简单计算和比较, 确定各量化要素的重要程度, 具有灵活、系统的优点, 但实际判断中, 信息的不完备往往产生模糊的主观判断, 致使结果的经验化。为有效解决该问题, 将熵的思想引入AHP, 用熵值代替专家对各指标进行打分并利用模糊综合法得到评价结果。主要步骤如下:

1)评价体系的建立干旱地区生态环境需水综合评价是就不同系统中的信息对生态环境需水产生的综合影响进行量化。既能反映出半旱区水资源的高效利用及合理配置程度, 也是半旱区人类活动对水资源干扰程度及生态环境需水状况的表达。借鉴国内外生态环境及水资源承载力评价的研究成果作为指标选择和评级区间划分的依据[17-22], 并咨询甘肃省治沙所专家对指标合理性进行评价, 最终以“自然—水资源—社会经济—生态”复合系统为研究角度, 建立干旱地区生态环境需水评价体系(表1)。其中准则层是目标层的整体体现, 反映了各子系统对干旱区生态环境需水的影响; 指标层表达了子系统内各要素对其所属系统的影响程度, 选取29个能够影响生态环境需水状况的评价因子为指标。

本文选取民勤县2006—2015年的指标进行生态环境需水评价, 各数据均来源于《民勤县国民经济和社会经济统计资料汇编》[23]。

设子系统中有 m 个评价指标, 构成向量A=(a,a,…,a), 归一化后得向量B=(b,b,…,b), 计算公式为:

表1 干旱区生态环境需水评价指标及评级区间

式中:max、min为同一指标中的最优值和最劣值。正向指标中, 最优值max为同一指标中的最大值; 逆向指标中, 最优者max为同一指标中的最小值。

第i个评价指标的熵值计算公式为:

3)子系统指标权重确定各指标相对子系统的权重值W使用平均值法来计算。

4)干旱区生态环境需水模糊评价根据干旱地区的特点, 建立评价向量1,2,…,v和模糊关系矩阵()m×p。

矩阵中r(ij)表示评价指标i在j级标准的隶属度, 即评价指标i位于j级评价标准的可能性大小, 通过具体隶属函数计算。根据表1中数据分布特点, 选取梯形半梯形分布的隶属度函数。具体模型如下:

一级:

二级:

三级:

四级:

五级:

在上述数学模型中, 正向指标取前者, 逆向指标取后者。x, x, x, x分别是v和v,v和v,v和v以及v和v的等级临界值,x,x,x分别是v,v,v等级数值区间的中间值。

最后用加权平均算子进行运算对W、R、V进行合成, 得到各指标评价结果, 即:

该算法将所有因素纳入评价结果向量之中, 体现了“综合”评价的特点。

3 结果与分析

基于上述思路对各指标进行单层次及总层次排序处理, 即对干旱地区生态环境评价指标权重进行计算, 结果列于表2。

从表中可以看出, 对干旱区生态环境需水评价影响较高的是水资源条件和生态条件, 自然条件相对较小。而从指标层的角度, 对生态环境需水评价值影响最大的前五位分别是缺水量、年平均水资源量、生态用水量占比、地均水资源量及人均水资源量, 其权值分别为0.0744, 0.0624, 0.0535, 0.0508; 对评价值影响最小的五个指标分别是土壤状况、人口自然增长率、年平均蒸发量、人均GDP及年平均温度, 其权值分别为0.0065, 0.0091, 0.0115, 0.0126, 0.0166。因此, 干旱区生态环境需水综合治理方面要加强水资源的合理利用与规划管理, 并注重生态条件的改善, 才能实现生态环境的健康发展及水资源合理配置, 保障干旱区水资源可持续利用与生态安全, 最终达到提高水资源利用的经济和生态效益的目的。

民勤县2006—2015年各子系统模糊评价及综合评价结果如(表3)所列

为直观反映各系统模糊评判结果, 将表中结果整理成折线图(图1—5)

表2 各指标对目标层的权值N

表3 2006-2015年民勤县各指标评价结果

图1 自然条件指数变化趋势

Figure1 Trend of natural condition index

图2 水资源条件指数变化趋势

Figure2 Trend of water resources condition Index

图1可以看出, 民勤县的自然条件处于“较差”水平, 评价指数呈微弱的上升趋势。从具体年份看,受蒸发量影响, 2011年自然条件评分最低, 该年蒸发量为2623mm, 为近十年来的最高水平。由于土壤状况的不断改良以及地下水的开采量的减少, 土壤盐渍化程度降低, 地下水埋深变浅。虽然2011年的低值拉低整体的上升幅度, 但其它指标因素的转好仍使民勤县自然条件逐年好转。

图3 社会经济指数变化趋势

Figure3 Trend in socioeconomic index

图4 生态条件指数变化趋势

Figure4 Trend of ecological condition index

图5 生态环境需水综合指数变化趋势

Figure5 trend of comprehensive index of eco-environmental water demand

图2中民勤县水资源条件变化不大, 评分均值为2.3698, 处于“较差”的水平。对水资源条件评分影响较大的指标是地均水资源量和人均水资源量, 由于民勤地处干旱区, 年降雨量少, 蒸发量大, 主要依靠地下水和石羊河中上游来水。2008年和2014年的低值2.29、2.24, 使其呈现双低谷形态, 从已有数据中可以看出, 这两年的降水量分别为117 mm, 119 mm, 同时径流量也低于平均值2.65×108m3, 拉低地区径流系数, 各指标皆为十年来最低值。水资源数量是决定干旱区生态环境需水良好与否的最主要因素, 无法通过人为改变, 只有通过合理利用水资源, 提高水资源利用效率来实现水资源子系统状况的好转。

从社会经济条件的层面来看(图3), 属于“一般”的水平, 与生态环境需水的协调度较差, 说明该地区社会经济用水超过应有的可支撑水平。2006年至2015年整体处于微弱的下滑阶段, 与生态环境需水的协调度显现出好转趋势。对社会经济条件影响较大的指标为耕地灌溉率和单位GDP耗水, 民勤县统计资料显示, 该地历年灌溉率均在75%以上, 2014年、2015年的灌溉率达到88%。而近十年该地单位GDP耗水总体呈上升趋势, 2012年起才呈现下滑状态, 这是以农业为主的民勤县社会经济条件综合指数较高、且总体下滑的主要原因, 也说明该地区农业用水效率较低, 有一定的浪费, 在今后发展中应注重提升农业用水效率。

从生态层面来看(图4), 民勤县的生态条件指数在波动中上升, 从具体年份来看, 2010年以前评分呈下降趋势, 2010年后开始上升, 2014、2015年上升较为明显, 2015年生态条件状况从“差”变为“较差”。主要是由于2010年以前对地下水的开采依旧逐年加剧, 对生态用水的挤占也比较严重, 绿洲植被退化严重, 覆盖率较低, 2010年后对民勤的治理力度加大, 由于生态移民、退耕还林、人工造林等政策的实施, 缓解了生态压力, 使民勤绿洲的生态得到一定程度的恢复, 该地区生态条件会继续朝好的方向发展。

总体来看(图5), 民勤的生态环境需水呈现出稳步上升的状态, 综合指数十年间由2.5451增加至2.7132, 正处于由“较差”转向“一般”的阶段, 近年来国家对民勤在政策和经济上的扶持起到一定的成效。

4 讨论与结论

为科学、客观、准确评价干旱地区生态环境需水状况, 以“自然—水资源—社会经济—生态”复合系统的研究角度, 建立干旱区生态环境需水评价体系, 用处理过的熵值替代专家打分构建判断矩阵计算指标权重, 并利用模糊评价模型进行打分, 以典型干旱区民勤县为例, 对该地区2006—2015年的生态环境需水状况进行评价分析。得到以下结论:

(1)参照已有研究并结合本文研究内容, 对生态环境需水状况评价的概念进行界定: 区域某一历史发展阶段, 将自然条件、水资源、社会经济及生态条件复合系统中的重要信息进行量化, 定量描述生态环境需水状况的优良程度和存在问题, 它是生态需水各项研究工作开展的前提, 也是水资源分配成果的反映。

(2)参考国内为生态环境和水资源承载评价标准, 对生态环境需水进行五个模糊等级划分, “差”、“较差”、“一般”、“较好”、“好”分别对应“1”、“2”、“3”、“4”、“5”的分值, 从自然条件子系统、水资源子系统、社会经济子系统和生态子系统4个方面选取29个指标进行评价。基于熵权法, 对层次分析法中判断矩阵的构建进行改进, 降低评判过程中主观经验的影响, 推导评价系统中各指标权重的占比。

(3)运用综合模糊评价法评价甘肃省民勤县生态环境需水, 评价结果显示: 近十年民勤县生态环境需水综合指数的平均值为2.5858, 生态环境需水处于“较差”转向“一般”的阶段, 且处于增长趋势, 说明该地生态环境需水还具有较大潜力。生态环境需水与社会经济子系统的协调度较差, 反映出该地经济用水较多, 超出其可支撑水平。对民勤县2006—2015年的纵向评价可以得出, 除经济社会子系统属于“一般”水平, 自然、水资源、生态子系统都属于“较差”水平, 随时间变化各子系统与生态环境需水的协调度逐渐提升。评价结果符合民勤县的实际情况, 可为类似干旱地区的生态环境需水评价研究提供参考。

(4)改善水资源条件与生态环境条件是提升干旱区生态环境需水的关键。对于水资源条件, 要坚持“减耕、退耕、节水”战略。对企业机关事业单位征用的土地、确权开发的土地和无序开荒的土地适度退耕; 定期对输水管道进行维护, 减少蒸发渗漏等无效损耗; 大力发展喷灌滴灌等节水技术, 积极开展雨洪利用, 减少地下水开采量, 提高地表水利用效率。对于生态环境条件, 要推行生物改良、水利工程改良、化学改良和农业改良等技术以修复土壤盐渍化; 通过草地封育、草地改良、人工草地建植等改善草场退化; 建设沙障, 遏制土地沙化蔓延, 同时对风沙危害严重的区域, 积极退耕还林还草, 推广免耕法, 除了上述措施, 还要注重从水文、气象、土壤及环境等方面研究, 处理好干旱地区发展与保护的关系。

(5)由于本文未对生态环境需水所涉及其他相关问题进行探究, 所建立生态环境需水综合评价指标体系的不足之处仍然存在。如需要继续丰富指标内容, 降低体系中的重复信息, 建立一套能全面反映干旱地区生态环境需水状况的指标; 本文中指标的标准值选取是借鉴国内学者及相关专家的结果, 不同区域、不同时段的等级划分标准有待进一步补充研究; 干旱地区雨季、旱季对生态环境需水的作用如何, 尚需作细致、深入的讨论。

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Evaluation of ecological environment water demand in arid area——taking Minqin County as an example

JIANG Tianliang, ZHANG Hengjia*, SHIYuanyuan, WANGYayun

Institute of Water Resources and Hydro-electric Engineering, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China

In order to evaluate the eco-environmental water requirement scientific and accurately in semi-arid areas, this paper summarized the concept of eco-environmental water demand assessment and set up the evaluation system of eco-environmental water demand in semi-arid area with 1 target, 4 criteria and 29 indexes based on the complex system of "natural-water resource-economic-ecology". The entropy value theory and the analytic hierarchy process were combined to calculate the index weight, which eliminated the influence of subjective experience on the result. Taking Minqin County in semi-arid area as an example, this paper evaluated and analyzed the condition of ecological environment water demand and its subsystem in this area for 2006-2015 year by using fuzzy comprehensive evaluation method. The results showed that the most important influence of ecological water demand Evaluation index was "water resource" subsystem and "ecological" subsystem, the most influential index was the quantity of water shortage, average annual amount of aquatic resources, ecological water consumption ratio, the amount of ground water resources and the amount per capita. In the last ten years, the water demand of ecological environment in Minqin County has been in the stage of "poor" to "general", and the coordination degree of each subsystem becomes better every year. The evaluation result is consistent with the actual situation. This method can be applied to the assessment of eco-environmental water demand in semi-arid area, which lays a theoretical foundation for the development of water Resources control strategy and ecological water demand research in semi-arid area.

semiarid region; ecological environment water demand; analytic hierarchy process; entropy weight method; fuzzy comprehensive evaluation; Minqin County

10.14108/j.cnki.1008-8873.2019.04.010

TV213.9

A

1008-8873(2019)04-063-08

2018-06-07;

2018-06-25

国家自然科学基金项目(51669001)

姜田亮(1993—), 男, 硕士研究生, 主要从事生态需水及其机理研究, E-mail: 1691693639@qq.com

张恒嘉(1974—), 男, 教授, 博士生导师, 主要从事农业水土资源高效利用研究, E-mail: zhanghj@gsau.edu.cn

姜田亮, 张恒嘉, 石媛媛,等. 干旱地区生态环境需水评价研究——以民勤县为例[J]. 生态科学, 2019, 38(4): 63-70.

JIANG Tianliang, ZHANG Hengjia, SHI Yuanyuan, et al. Evaluation of ecological environment water demand in arid area——taking Minqin County as an example[J]. Ecological Science, 2019, 38(4): 63-70.