基于農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的錦西灌區(qū)灌溉水資源配置研究

許耀文 王一涵 梁冬玲 付 強(qiáng) 周 延 陳曉華

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院， 哈爾濱 150030； 2.哈爾濱理工大學(xué)管理學(xué)院， 哈爾濱 150030)

0 引言

《全國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃(2015—2030)》指出，生態(tài)環(huán)境惡化已成為制約我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素，提高農(nóng)業(yè)用水效率、保障農(nóng)業(yè)用水安全及改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境是保障農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要手段[1]。農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的可持續(xù)效益是生態(tài)效益、社會效益及經(jīng)濟(jì)效益的綜合體現(xiàn)[2]。眾多學(xué)者對農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的相關(guān)問題展開了研究[3-9]，付強(qiáng)團(tuán)隊[10-16]針對寒地大型灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源管理和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展等問題進(jìn)行了深入研究，指出農(nóng)業(yè)水資源管理是影響農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵要素，科學(xué)、合理地優(yōu)化農(nóng)業(yè)水資源配置結(jié)構(gòu)是改善灌區(qū)生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)灌區(qū)農(nóng)業(yè)-生態(tài)-經(jīng)濟(jì)-社會協(xié)調(diào)發(fā)展的有效途徑。

農(nóng)業(yè)水資源優(yōu)化配置系統(tǒng)是開放性的復(fù)雜系統(tǒng)，其系統(tǒng)運(yùn)行受到眾多不確定性因素的影響，如自然環(huán)境要素和社會經(jīng)濟(jì)要素[17]。因此，將不確定要素量化并引入灌區(qū)水資源高效配置的相關(guān)研究中，可以有效地提高水資源規(guī)劃的科學(xué)性，降低灌區(qū)水資源管理的風(fēng)險。

黑龍江省錦西灌區(qū)是我國重要糧食生產(chǎn)基地，多年來為保障我國糧食安全做出了重要貢獻(xiàn)。在灌區(qū)大規(guī)模農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，由于水資源配置結(jié)構(gòu)不合理、水資源利用效率低下所導(dǎo)致的灌區(qū)環(huán)境污染、林草地面積萎縮等生態(tài)問題嚴(yán)重制約了灌區(qū)農(nóng)業(yè)、社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。同時，由于降雨量、地表徑流量等因素的干擾，灌區(qū)水資源供給量存在明顯的不確定性。在不確定性環(huán)境下優(yōu)化灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源配置結(jié)構(gòu)、提高灌區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展程度已成為當(dāng)?shù)刎酱鉀Q的問題，相關(guān)研究對提高錦西灌區(qū)生態(tài)建設(shè)水平、保障灌區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本研究運(yùn)用不確定性隨機(jī)規(guī)劃等方法，以黑龍江省錦西灌區(qū)為研究區(qū)，從推進(jìn)灌區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的角度，研究不確定環(huán)境下灌區(qū)灌溉水資源的高效配置，旨在為大型灌區(qū)灌溉水資源管理和灌區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的相關(guān)研究做有益補(bǔ)充，以確保農(nóng)業(yè)用水安全，推動灌區(qū)農(nóng)業(yè)-經(jīng)濟(jì)-社會-生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展。

1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于黑龍江省錦西灌區(qū)(東經(jīng)131°25′～133°26′，北緯46°45′～47°45′)，按灌溉區(qū)域劃分包括松花江、錦山、花馬、頭林4個分區(qū)，其水田面積約為34 666 hm2，旱田面積約為66 400 hm2。灌區(qū)平均年降水量約為542 mm，蒸發(fā)量約為720 mm，蒸發(fā)顯著高于降水，該地區(qū)水資源嚴(yán)重匱乏。

錦西灌區(qū)面臨的主要問題如下：

(1)灌溉水資源配置結(jié)構(gòu)不合理，地下水超采。錦西灌區(qū)地下水可開采量為1.39×108m3/a，隨著灌區(qū)農(nóng)業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大，農(nóng)業(yè)需水量不斷增加，而灌溉大量利用地下水，導(dǎo)致全區(qū)地下水超采58%，并引發(fā)地下水環(huán)境惡化。

(2)灌區(qū)生態(tài)問題突出。主要表現(xiàn)在以下兩方面：①隨著灌區(qū)農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)用水比例不斷增加，截止至現(xiàn)狀年農(nóng)業(yè)灌溉用水總量已占全區(qū)耗水總量的90%以上，導(dǎo)致灌區(qū)內(nèi)生態(tài)用水嚴(yán)重短缺。②隨著灌區(qū)農(nóng)業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大，農(nóng)藥、化肥的使用量不斷增加，灌區(qū)農(nóng)業(yè)排水中污染物(氮、磷、氨氮、CODcr等)年排放總量已突破4.4萬t，導(dǎo)致灌區(qū)水體污染和水體富養(yǎng)化現(xiàn)象加劇，極大地破壞了灌區(qū)的可持續(xù)發(fā)展程度。

(3)農(nóng)業(yè)水資源利用效率低。灌區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)用水占灌區(qū)總耗水量的90%以上，經(jīng)測算錦西灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉水資源生產(chǎn)力卻僅為0.9 kg/m3，農(nóng)業(yè)水資源利用效率偏低，同時，隨著市政、工業(yè)等部門用水需求的增加，部門間的水資源競爭程度不斷加劇，提升農(nóng)業(yè)水資源利用效率，緩解水資源短缺成為灌區(qū)亟待解決的問題。

(4)不確定性要素對水資源配置的干擾。灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源規(guī)劃配置過程受到大量的不確定性要素的干擾，如降雨、徑流變化等，同時，灌區(qū)的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益、社會效益以及環(huán)境效益之間的相互作用關(guān)系也存在著模糊不確定性[18]。研究不確定性環(huán)境下灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源規(guī)劃配置的方法，是灌區(qū)面臨的難點(diǎn)之一。

2 模型構(gòu)建

以灌區(qū)農(nóng)業(yè)-社會-經(jīng)濟(jì)-生態(tài)環(huán)境復(fù)合系統(tǒng)為基礎(chǔ)，構(gòu)建灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源不確定規(guī)劃模型，對灌區(qū)面臨的主要問題展開研究。

2.1 灌溉水資源優(yōu)化配置目標(biāo)

(1)水分生產(chǎn)力目標(biāo)函數(shù)

灌區(qū)農(nóng)業(yè)水分生產(chǎn)力即單位灌溉水資源下的農(nóng)業(yè)產(chǎn)量，提高灌區(qū)的農(nóng)業(yè)水分生產(chǎn)力是保障水資源可持續(xù)利用和緩解水資源短缺的有效手段[19]。農(nóng)業(yè)水分生產(chǎn)力函數(shù)為

(1)

式中fIWUE——灌區(qū)水分生產(chǎn)力，kg/m3

i——錦西灌區(qū)內(nèi)的分區(qū)域，i為1、2、3、4時，分別表示松花江、錦江、花馬、頭林

j——農(nóng)作物種類，j為1、2、3時，分別表示水稻、玉米、大豆

Yij——單位耕地面積下的農(nóng)業(yè)產(chǎn)量，kg/hm2

Aij——種植面積，hm2

(2)糧食安全目標(biāo)函數(shù)

錦西灌區(qū)是我國重要的糧食產(chǎn)區(qū)，保障灌區(qū)糧食供給安全對維護(hù)社會穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義，即糧食安全目標(biāo)函數(shù)是在追求最大限度地減少農(nóng)業(yè)灌溉用水量對農(nóng)業(yè)產(chǎn)量的影響。糧食安全目標(biāo)函數(shù)為

(2)

fyield——農(nóng)作物灌溉缺水總量，萬m3

(3)農(nóng)業(yè)排污控制目標(biāo)函數(shù)

有效控制農(nóng)業(yè)污染物排放量是改善灌區(qū)生態(tài)環(huán)境和促進(jìn)灌區(qū)可持續(xù)發(fā)展的有力舉措。農(nóng)業(yè)排污控制目標(biāo)函數(shù)為

(3)

式中εCODcr——農(nóng)業(yè)排水中污染物CODcr質(zhì)量濃度，kg/萬m3

εNH3-N——農(nóng)業(yè)排水中氨氮質(zhì)量濃度，kg/萬m3

εTN——農(nóng)業(yè)排水中總氮質(zhì)量濃度，kg/萬m3

εTP——農(nóng)業(yè)排水中總磷質(zhì)量濃度，kg/萬m3

fp——灌區(qū)主要污染物總排放強(qiáng)度，kg

(4)生態(tài)配水目標(biāo)函數(shù)

生態(tài)配水量是衡量生態(tài)子系統(tǒng)健康程度和灌區(qū)可持續(xù)發(fā)展程度的重要標(biāo)志之一，其函數(shù)為

(4)

式中fE——生態(tài)配水總量，萬m3

k——研究區(qū)域內(nèi)生態(tài)植被種類，k=1表示林地，k=2表示草地

2.2 灌溉水資源優(yōu)化約束

(1)地表水約束

地表水配水總量應(yīng)低于地表水可供給量，同時，灌區(qū)地表水供給量受自然降雨、徑流等不確定性要素影響，本文引入機(jī)會約束規(guī)劃方法，反映灌溉水資源系統(tǒng)的不確定性。計算式為

(5)

式中s——地表水灌溉利用系數(shù)，取0.55

Pd——違規(guī)風(fēng)險概率

Pr{·}——概率分布函數(shù)

(2)地下水約束

與地表水約束類似，地下水配置總量應(yīng)低于地下水可利用量，錦西灌區(qū)地下水被用于生態(tài)配水和農(nóng)業(yè)灌溉。計算式為

(6)

式中g(shù)——地下水灌溉利用系數(shù)，取0.85

(3)農(nóng)作物配水約束

農(nóng)作物配水總量不應(yīng)低于作物最小需水量，同時不應(yīng)高于目標(biāo)配水量(灌溉定額)。計算式為

(7)

(4)生態(tài)配水約束

生態(tài)植被的配水量不應(yīng)低于生態(tài)最小需水量，同時不應(yīng)高于生態(tài)植被的目標(biāo)配水量。計算式為

(8)

(5)非負(fù)約束

灌溉水量應(yīng)為非負(fù)，即

(9)

2.3 數(shù)據(jù)來源及模型求解

研究數(shù)據(jù)主要以佳木斯水文站1956年至今的長系列年徑流量數(shù)據(jù)和灌區(qū)地下水位長觀井的監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過引入機(jī)會約束規(guī)劃方法擬定3種違規(guī)風(fēng)險概率(Pd=0.1、0.15、0.2)，每種違規(guī)風(fēng)險概率下擬定3種供水水平(分別為高、中、低流量)，其出現(xiàn)的概率依次為0.25、0.5、0.25，共計9種供水情景。模型中相關(guān)參量數(shù)據(jù)見表1～4。

表1 灌溉水定額和單位面積產(chǎn)量

表2 農(nóng)作物灌溉目標(biāo)配水量和最小需水量 萬m3

表3 植被灌溉目標(biāo)配水量和最小需水量 萬m3

表4 地表水和地下水可利用總量 萬m3

采用模糊規(guī)劃(Fuzzy mathematical programming)反映目標(biāo)系統(tǒng)中存在的模糊不確定性，模糊隸屬度函數(shù)并不唯一，其中曲線、非線性和指數(shù)隸屬度函數(shù)是3種典型的模糊隸屬度函數(shù)[20-21]。本研究分別基于上述3種模糊隸屬度函數(shù)對模型進(jìn)行求解。

3 結(jié)果與分析

3.1 水資源優(yōu)化配置結(jié)果

基于非線性、曲線、指數(shù)3種模糊隸屬度函數(shù)的錦西灌區(qū)水資源優(yōu)化配置方案如圖1所示。

圖1 灌溉水資源優(yōu)化配置方案Fig.1 Irrigation water allocation scheme

由圖1可知，優(yōu)化后錦西灌區(qū)農(nóng)作物配水量與灌區(qū)內(nèi)可供水量呈正比變化，且各優(yōu)化方案的灌溉總耗水量均在5億m3以下，較優(yōu)化前灌溉總耗水量節(jié)約1.3～3.9億m3，有效改善了灌溉耗水量過高的問題。優(yōu)化前灌溉用水主要利用地下水，導(dǎo)致灌區(qū)地下水超采嚴(yán)重，由圖1可知，優(yōu)化后各種供水情景下，地下水灌溉占總灌溉用水量比例均控制在36%以內(nèi)，有效緩解了灌區(qū)地下水超采的現(xiàn)狀。在不同供水情景下的灌區(qū)水資源優(yōu)化配置方案中，生態(tài)配水量均控制在0.4億m3以上，且生態(tài)配水總量與灌區(qū)可用水總量呈正相關(guān)變化，有效緩解了生態(tài)配水無法得到保障的現(xiàn)狀。

優(yōu)化后的灌區(qū)水資源配置方案有效地解決了灌區(qū)面臨的多個主要問題，但就現(xiàn)階段的優(yōu)化結(jié)果而言，在各假設(shè)情景下，均存在3種水資源優(yōu)化配置方案，如何確定每種情景下的最優(yōu)方案，需對配水方案的綜合可持續(xù)性進(jìn)行分析。

3.2 優(yōu)化方案綜合可持續(xù)性分析

主要從灌區(qū)水資源優(yōu)化配置的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和生態(tài)環(huán)境效益3方面對方案的綜合可持續(xù)性進(jìn)行分析。

3.2.1農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益分析

錦西灌區(qū)水資源優(yōu)化配置方案的灌溉經(jīng)濟(jì)效益

f1計算式為

(10)

式中Pij——區(qū)域i農(nóng)作物j的售價，元/kg

Cij——區(qū)域i農(nóng)作物j的種植成本，元/hm2

錦西灌區(qū)相關(guān)指標(biāo)如表5所示。

表5 經(jīng)濟(jì)參數(shù)Tab.5 Values of economic parameters

優(yōu)化后獲得的不同情景下的錦西灌區(qū)水資源優(yōu)化配置方案的經(jīng)濟(jì)效益如圖2所示。由圖可知，現(xiàn)狀年為平水年(中流量水平)，其農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)收益與優(yōu)化后得到的枯水年(低流量水平)農(nóng)業(yè)收益相當(dāng)，而優(yōu)化后平水年(中流量水平)和豐水年(高流量水平)所對應(yīng)的農(nóng)業(yè)收益增量均在1.5億元以上。總體而言，優(yōu)化后配水方案所對應(yīng)的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益為6.1～13.2億元，促進(jìn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益平均增長0.18～6.90億元，其中，水稻種植所占的經(jīng)濟(jì)效益比例最高，而大豆種植的經(jīng)濟(jì)效益增幅最為顯著。此外，由圖2可知，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益與灌溉可用水量水平呈正相關(guān)變化，且在低流量水平情況下，各優(yōu)化方案的經(jīng)濟(jì)效益差別并不顯著，但在中、高流量水平方案中，基于曲線模糊隸屬度函數(shù)的水資源優(yōu)化配置方案的經(jīng)濟(jì)效益更優(yōu)。

圖2 水資源配置經(jīng)濟(jì)效益 Fig.2 Economic benefits of water allocation

圖3 灌溉水分生產(chǎn)力Fig.3 Irrigation water productivity

3.2.2社會效益分析

灌區(qū)水資源優(yōu)化配置的社會效益強(qiáng)調(diào)保持灌區(qū)水資源配置均衡、維護(hù)農(nóng)業(yè)高效持續(xù)生產(chǎn)狀態(tài)的水資源配置效益，主要從灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源的水分生產(chǎn)力和水資源配置的均衡性兩方面進(jìn)行分析。

灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源的水分生產(chǎn)力(f2)可通過式(1)計算(f2=fIWUE)，灌溉水優(yōu)化配置后的灌區(qū)糧食總產(chǎn)量、農(nóng)業(yè)灌溉水分生產(chǎn)力和現(xiàn)狀年上述兩項(xiàng)指標(biāo)如圖3所示。現(xiàn)狀年為平水年(中流量水平)，由圖可知，優(yōu)化后灌區(qū)的灌溉水分生產(chǎn)力為1.5～1.7 kg/m3，促進(jìn)灌溉水資源生產(chǎn)力提高0.85～1.01 kg/m3，有效改善了灌溉水資源利用效率、保證了灌區(qū)農(nóng)業(yè)高效生產(chǎn)狀態(tài)。同時，圖中綠色標(biāo)記點(diǎn)代表各供水情景下的最優(yōu)水分生產(chǎn)力，分析可知，各情景下，最優(yōu)水分生產(chǎn)力均未與最高糧食總產(chǎn)量方案相對應(yīng)，表明各情景下的次優(yōu)或最低糧食總產(chǎn)量方案對應(yīng)的農(nóng)業(yè)水分生產(chǎn)力優(yōu)于最高糧食總產(chǎn)量方案，且高流量情景下的最優(yōu)水分生產(chǎn)力顯著低于中、低流量水平下的最優(yōu)水分生產(chǎn)力。由上述分析可知，隨著供水量的增加，糧食總產(chǎn)量會顯著提升，但灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源高效生產(chǎn)狀態(tài)并不與供水量呈正相關(guān)。

水資源在農(nóng)業(yè)灌區(qū)系統(tǒng)中分配的均衡程度是影響灌區(qū)社會可持續(xù)發(fā)展的重要指標(biāo)，其量化方法可根據(jù)Gini系數(shù)進(jìn)行測算，灌區(qū)水資源配置均衡性指數(shù)[22]計算式為

(11)

式中Alj、Akj——區(qū)域l、k第j個作物的種植面積，l、k∈i，hm2

Gini系數(shù)范圍為[0,1]，國際慣例把0.2以下視為絕對均衡，0.2～0.3視為均衡，0.3～0.4視為相對合理；0.4～0.5視為差距較大，當(dāng)Gini系數(shù)達(dá)到0.5以上時，則表示分配懸殊。

優(yōu)化獲得的不同情景下的錦西灌區(qū)水資源優(yōu)化配置方案的均衡性指數(shù)如圖4所示，整體而言，不同情景下的錦西灌區(qū)水資源優(yōu)化配置方案的均衡性指數(shù)的最終結(jié)果整體位于0.2～0.4之間，說明灌區(qū)水資源優(yōu)化配置的均衡性良好，這將成為灌區(qū)可持續(xù)發(fā)展的重要保障。

圖4 Gini系數(shù)及農(nóng)業(yè)水資源利用比率 Fig.4 Values of Gini and AWUR

3.2.3生態(tài)環(huán)境效益分析

灌區(qū)的生態(tài)環(huán)境效益主要從區(qū)域農(nóng)業(yè)水資源利用比率、農(nóng)業(yè)排水中污染物排放強(qiáng)度以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程溫室氣體排放量3方面進(jìn)行綜合分析。

(1)區(qū)域農(nóng)業(yè)水資源利用比率

區(qū)域農(nóng)業(yè)水資源利用比率(Agricultural water utilization ratio，AWUR)是指區(qū)域農(nóng)業(yè)水資源使用量和可利用量之比，可以反映區(qū)域農(nóng)業(yè)水資源綜合使用狀況、開發(fā)程度和可持續(xù)程度，其計算公式為

(12)

優(yōu)化前后，各方案所對應(yīng)的區(qū)域農(nóng)業(yè)水資源利用比率如圖4所示，現(xiàn)狀期比率為0.75，優(yōu)化后，區(qū)域農(nóng)業(yè)水資源利用比率為0.56～0.69，且隨供水水平的增加而下降，表明水資源可持續(xù)利用程度顯著提升。由圖4可知，在低、中流量水平時，基于曲線隸屬度函數(shù)的水資源配置方案更優(yōu)，而在高流量水平時，基于非線性隸屬度函數(shù)的優(yōu)化方案更優(yōu)。

(2)農(nóng)業(yè)排水中污染物排放強(qiáng)度

農(nóng)業(yè)排水中污染物排放強(qiáng)度(f5)是衡量生態(tài)灌區(qū)健康程度的重要衡量指標(biāo)，可通過式(3)計算(f5=fp)，其結(jié)果如圖5所示。對灌區(qū)農(nóng)業(yè)排水中的主要污染物氮、磷、氨氮和CODcr的排放強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)計。由圖可知，優(yōu)化后各情景下的灌區(qū)水資源配置方案所對應(yīng)的污染物年排放量均低于3.2萬t，較與現(xiàn)狀年排放量(4.46萬t)相比，降低值為1.28～3.13萬t。污染物排放量由高到低依次為氮、磷、CODcr、氨氮，且污染物排放強(qiáng)度與供水量呈正相關(guān)，在各情景下，基于指數(shù)模糊隸屬度函數(shù)的水資源配置方案對農(nóng)業(yè)排水污染物排放量控制的更為有效。

(3)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程溫室氣體排放量

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程溫室氣體排放量是衡量生態(tài)灌區(qū)健康程度的重要衡量指標(biāo)，其計算公式為[14]

(13)

式中Rn——碳源，包括化肥(n=1)、農(nóng)藥(n=2)、農(nóng)膜(n=3)、柴油以及灌溉用電(n=4)，kg/hm2

δn——第n種碳源碳排放系數(shù)，kg/kg

αi——單位面積CH4排放量，kg/hm2

βj——作物本底排放N2O系數(shù)，kg/hm2

Nk——肥料用量，kg/hm2

Xk——第k種肥料N2O排放系數(shù)，kg/kg

圖5 污染物及GWP排放量Fig.5 Pollutants and GWP

如圖5所示，溫室氣體排放量與供水量呈正相關(guān)，其中，雖然大豆種植面積顯著低于水稻種植面積，但其溫室氣體排放量卻高于水稻，溫室氣體排放量由高到低依次為大豆、水稻、玉米。同時，在不同流量水平下，不同隸屬度函數(shù)所得到的灌溉方案其產(chǎn)生的溫室氣體量也存在顯著差異，低流量水平時，基于非線性隸屬度函數(shù)的灌溉方案較優(yōu)，但在中流量、高流量水平下，基于曲線隸屬度函數(shù)對應(yīng)的灌溉方案溫室氣體排放量控制較好。

3.2.4灌區(qū)水資源配置方案可持續(xù)性分析

圖6 可持續(xù)性指數(shù)變化曲線Fig.6 Changing curve of sustainability indexes

灌區(qū)水資源配置方案的可持續(xù)性是一個耦合經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)境等要素的綜合性指標(biāo)[23-24]。采用可持續(xù)指數(shù)法，從經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)境3方面對各配水方案所對應(yīng)的灌區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展程度進(jìn)行綜合性分析，并選取不同流量情景下的最優(yōu)方案。灌區(qū)綜合可持續(xù)性指數(shù)fS計算式為

(14)

其中

(15)

式中f′m——fm的無量綱值

fS>0.6表示灌區(qū)綜合可持續(xù)性良好；0.4

計算可得不同流量情景下各個配水方案所對應(yīng)的錦西灌區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)性指數(shù)，如圖6所示。由圖可知，同一流量情景下基于不同隸屬度關(guān)系的灌區(qū)水資源優(yōu)化配置方案的綜合可持續(xù)性存在顯著差異，圖中綠色標(biāo)記點(diǎn)表示某一具體流量情景下灌區(qū)水資源優(yōu)化配置方案綜合可持續(xù)性指數(shù)的最優(yōu)值，即為該情景下的灌區(qū)水資源優(yōu)化配置最優(yōu)方案。由此，可得不同供水情景下，錦西灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源配置最優(yōu)方案如圖7所示。同時，灌溉水資源優(yōu)化配置最優(yōu)方案的可持續(xù)指數(shù)均高于0.4，表明優(yōu)化后灌溉農(nóng)業(yè)可持續(xù)性良好。

4 結(jié)論

(1)將不確定性要素通過9種供水情景和3種模糊隸屬度函數(shù)關(guān)系引入灌區(qū)水資源優(yōu)化配置分析中，結(jié)果表明，基于不同供水情景、不同模糊隸屬度函數(shù)所得到的灌區(qū)水資源配置方案及農(nóng)業(yè)可持續(xù)水平存在明顯差異，表明不確定性要素對農(nóng)業(yè)水資源高效配置和灌區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有顯著影響。

(2)通過對灌區(qū)灌溉水資源的優(yōu)化配置可以有效提高灌區(qū)農(nóng)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。經(jīng)優(yōu)化，各配水方案所對應(yīng)的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益為6.1～13.2億元，促進(jìn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益增長0.18～6.90億元，灌區(qū)的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益顯著提高。

(3)通過對灌區(qū)灌溉水資源的優(yōu)化配置可以有效改善灌區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展程度。經(jīng)優(yōu)化，各配水方案所對應(yīng)的農(nóng)業(yè)水分生產(chǎn)力為1.5～1.7 kg/m3，提高了0.85～1.01 kg/m3，提高了灌溉水資源利用效率，保證了灌區(qū)糧食產(chǎn)量的穩(wěn)定。同時，優(yōu)化后灌區(qū)水資源優(yōu)化配置方案的Gini系數(shù)整體位于0.2～0.4，表明灌區(qū)水資源優(yōu)化配置的均衡性良好，灌區(qū)水資源優(yōu)化配置的社會效益和灌區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展程度顯著提高。

(4)通過對灌區(qū)灌溉水資源的優(yōu)化配置可以有效改善灌區(qū)農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)環(huán)境。優(yōu)化后的錦西灌區(qū)灌溉總配水量、地表水配水量均與供水水平呈正相關(guān)變化，灌區(qū)灌溉總耗水量可節(jié)約1.3～3.9億m3，且優(yōu)化后，各情景下區(qū)域農(nóng)業(yè)水資源利用比率為0.56～0.69，顯著低于現(xiàn)狀期比率(0.75)，農(nóng)業(yè)污染物年排放總量降低了1.28～3.13萬t。

(5)灌區(qū)水資源配置的農(nóng)業(yè)可持續(xù)效益是水資源配置的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益、社會效益以及生態(tài)環(huán)境效益的綜合性體現(xiàn)，研究表明，在相同供水情景下，基于不同的模糊隸屬度函數(shù)所得到的灌區(qū)水資源配置方案的可持續(xù)性存在顯著差異，該差異性可作為各供水情景下最優(yōu)配水方案評定的重要依據(jù)。在不同供水情景下，灌溉水資源優(yōu)化配置最優(yōu)方案的可持續(xù)性指數(shù)均高于0.4，表明優(yōu)化后的灌溉水資源配置方案可以有效保障灌區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。