基于水質適宜性的河套灌區夏灌期農田排水資源灌溉利用評價

田志強，王 霞，徐紅梅，李 忠

（1.河套學院 土木工程系，內蒙古自治區 巴彥淖爾 015000；2.河套灌區水利發展中心總干渠分中心一閘管理所，內蒙古自治區 巴彥淖爾 015000）

水資源匱乏是制約經濟社會發展的重要因素之一。我國是一個缺水國家，農業是用水大戶，非常規水資源化利用是保證農業灌溉可持續發展的重要手段。農田排水被視為一種非常規水資源，適宜地利用農田排水進行灌溉，可避免作物減產，提高農業用水效率，緩解水資源緊張矛盾，改善生態環境，符合水資源高效利用的要求。

農田排水資源灌溉利用作為一種挖掘水資源利用潛力的有效措施，早已被人們重視。特別是20 世紀90 年代以來，國內外專家學者在相關基礎理論和應用實踐方面進行了大量研究，為農田排水資源灌溉利用研究打下了良好的基礎[1]。基礎理論研究方面，主要開展了農田排水水量水質變化規律、對水土環境及作物的影響研究，目前雖然對農田排水水量變化規律的認識較為成熟，但對農田排水水質變化規律中鹽分及其組成變化規律還不是十分清楚，以及長期利用農田排水尤其是堿性排水進行灌溉對土壤、地下水、作物產量與品質的影響有待進一步研究[2]。應用實踐方面，美國從1971年開始在加利福尼亞進行農業排水回收利用試驗研究[3]，澳大利亞較成功地用農田排水資源進行了小麥和稻谷灌溉[4]，Giveson Zulu 等利用農田排水在日本水稻種植區進行灌溉實踐[5]，Singh 和Kumar 以印度哈里亞納邦地區中南部一所大學農場為試驗區進行了工程模式研究[6]；我國對農田排水資源灌溉利用的實踐晚于國外，且僅在局部灌區進行了試驗，如：新疆塔里木河、寧夏銀北、甘肅景電、山東簸箕李等灌區開展了這方面的試驗研宄[7-9]。

農田排水資源灌溉利用的關鍵科學問題是適宜性問題，因此在進行農田排水資源灌溉利用前必須給出適宜性評價結果。農田排水資源灌溉利用適宜性評價指標體系一般分為目標層、準則層和指標層，準則層主要分為排水水質、作物特性、土壤特性、水文氣象、灌排措施5項[10]，排水水質作為評估農田排水資源灌溉利用適宜性的基礎，不同地區農田排水的水質不同，對其進行適宜性評價尤為重要。黃河流域水資源嚴重短缺，位于黃河流域的內蒙古河套灌區年引黃水量巨大，且引黃水主要用于農業灌溉，排水主要排入烏梁素海。開展農田排水資源灌溉利用研究不但可以提高水資源利用率、緩解黃河流域水資源短缺問題，而且可減少灌區入烏梁素海的農業污染物排放量。根據實際監測數據，采用模糊數學評價法對河套灌區典型區農田排水水質進行適宜性評價，為了解地區農田排水水質特征、選擇農田排水資源灌溉利用模式、評判排水水質對土壤、作物等潛在影響提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

農田排水主要是指灌溉回歸水，即“在農田灌溉中，流經渠系和田間的地表水和地下水滲流、回流到下游溝渠或河道中的灌溉余水”［《節水灌溉技術規范》（SL 207—98）］。由于河套灌區排水溝中仍有少量來自生活、工業污廢水，為了消除這些因素對研究結果的影響，本研究選取了位于巴彥淖爾市臨河區城關鎮境內試驗基地作為試驗區，該試驗基地西界緊臨黃濟分干渠，東界為合濟分干渠，南界為軍區三社，北界為遠景九社渠，基地內有10.67 hm2四面環渠的農田和一條獨立的排水溝和兩個容泄區，農田經渠道水灌溉后排水滲入排水溝后流入容泄區，保證了排水溝和容泄區內水只有農田排水。

1.2 樣品的采集與分析

于2018 年5 月5 日在試驗區的排水溝和容泄區共設置5采樣點，用聚乙烯瓶從5 個樣點各采集1 個表層水樣，并委托巴彥淖爾市水利科學研究所檢測中心對樣品進行測試分析，分析項目包括pH、氫氧根（OH-）、碳酸鹽（CO32-）、重碳酸鹽（HCO3-）、氯化物（Cl-）、硫酸鹽（SO42-）、鈣（Ca2+）、鎂（Mg2+）、鉀（K+）、鈉（Na+）、總硬度（以CaCO3計）、總堿度（以CaCO3計）、全鹽量、化學需氧量（COD）、五日生化需氧量（BOD5）、懸浮物（SS）、陰離子表面活性劑、硫化物（S）、總汞（Hg）、鎘（Cd）、總砷（As）、六價鉻（Cr6+）、鉛（Pb）共23 項，分析方法參考《水和廢水監測分析方法》（第四版）。

1.3 評價指標、標準與方法

1.3.1 評價指標

本文按照指標體系構建的科學性、系統性、目的性、簡潔性、可操作性、動態性原則，依據農田排水資源特性，重點反映灌溉利用可能產生較大影響的關鍵指標，參考《農田灌溉水質標準》（GB 5084—2005）和劉大剛所構建的寧夏銀北灌區農田排水水質指標，在水質分析項目基礎上選取或計算本次評價的排水水質指標，具體為pH、鈉吸附比、礦化度、化學需氧量、硫酸根、氯化物、鉛、總砷、六價鉻9項。

1.3.2 評價標準

指標標準值確定的合理與否對評價結果及后續分析也會產生很大的影響。根據所選取的評價指標，通過查閱相關研究文獻、參照一些國家標準，反復分析比較前人的研宄結果，最終以劉大剛對寧夏銀北灌區農田排水資源灌溉利用適宜性評價研究中水質指標標準作為河套灌區農田排水資源灌溉利用適宜性的水質指標評價標準，見表1。

表1 農田排水水質指標分級標準Tab.1 Classification standard of farmland drainage water quality index

1.3.3 評價方法

目前，國內外常用的灌溉水質評價方法有鹽度、堿度、礦化度、鈉吸附比、綜合危害系數法、灌溉系數法等[11]，這些方法總體上可歸納為兩大類，一類為單指標評價法，另一類為綜合評價法，各類方法各有優缺點，如單指標法的優點是運算簡單、缺點是片面，綜合評價法的優點是全面客觀、缺點是運算復雜。由于灌溉水質評價方法尚未統一，因此本文利用近年來廣泛應用于水質評價的綜合評價方法—模糊數學評價法[12-14]對研究區農田排水資源灌溉利用的水質進行評價，并通過其他方法對評價結果進行驗證。

模糊數學評價法主要步驟為5 步，分別為建立評價因子集、建立評價集、計算評價因子隸屬度、計算評價因子權重、建立綜合評價矩陣。具體計算過程如下。

（1）建立評價因子集。評價因子集用U表示，即U={u1，u2，u3，…，um}，其中u1，u2，u3，…，um為參與評價的m 個評價因子。本文U={pH，鈉吸附比，礦化度，化學需氧量，硫酸根，氯化物，鉛，總砷，鉻}。

（2）建立評價集。評價集用V表示，即V={v1，v2，v3，…，vn}，其中v1，v2，v3，…，vn為n個評價等價。根據上述排水水質指標評價標準，本文V={極適宜，適宜，較適宜，較不宜，極不宜}。

（3）計算隸屬度和建立模糊關系矩陣。隸屬度是各評價因子屬于某標準的百分數，通過隸屬函數計算得到。隸屬函數用rij表示，本次9個評價因子的隸屬函數形式如下。

①當j=1時，評價因子i對第j級標準的隸屬函數為：

②當1＜j＜n時，評價因子i對第j級標準的隸屬函數為：

③當j=n時，評價因子i對第j級標準的隸屬函數為：

式中：ci為第i個評價因子的實測值；Sj-1、Sj、Sj+1為相鄰評價等級的標準值；rij表示第i個評價因子對第j級評價等級的隸屬度；i=1，…，m；j=1，…，n。

由隸屬函數計算得到的隸屬度后建立模糊關系矩陣，即：

（4）確定評價因子權重和建立權重矩陣

每個評價因子對水質影響的貢獻率不同，需要對每個參與評價的因子賦予不同的權重。計算權重的方法很多，這里采用加權法。該計算權重的方法在一定程度上可以反映污染超標的因子權重的影響。方法如下：

式中：wi——第i個評價因子的歸一化權重值；——第i個評價因子各級標準值的算術平均值；W——權重矩陣。

（5）建立綜合評價矩陣

依據模糊數學原理，對B、R進行復合運算，模型如下：

式中：B——模糊綜合評價矩陣，bn——對應各級水質的隸屬度。

對bn進行歸一化處理后，按最大隸屬度原則確定農田排水水質適宜性程度，如果隸屬度出現兩個最大值，則考慮與次大值貼近的結果所對應的水質級別。

1.4 數據處理

數據用Excel 2010 軟件進行整理，用SPSS19.0 軟件進行數理統計分析。

2 農田排水水質特征及灌溉利用適宜性評價結果

2.1 u1，u2，u3，…，um農田排水水質特征分析

由表2 可知，研究區農田排水pH、鈉吸附比、礦化度、化學需氧量、硫酸根、氯化物、鉛、總砷、鎘平均大小或含量分別為8.48 g/L、3.96 g/L、1.184 g/L、25 mg/L、394 mg/L、227 mg/L、未檢出、0.001 1 mg/L、未檢出。pH、礦化度表明研究區農田排水水質呈弱堿性、微咸水。對比表1 可知，基于化學需氧量、鉛、總砷、鉻的農田排水灌溉利用是極適宜的，基于鈉吸附比、礦化度的農田排水灌溉利用是適宜的，基于pH、硫酸根、氯化物的農田排水灌溉利用是較適宜的。

2.2 農田排水水質適宜性評價

2.2.1 不同樣點的隸屬度模糊評價矩陣

根據5 個樣點的水質檢測結果和評價指標的分級標準，通過隸屬函數計算獲得隸屬度，5個樣點的隸屬度矩陣為：

2.2.2 不同樣點的權重矩陣

按權重計算方法，建立5個樣點的權重矩陣如下：

W1=[0.286 0.119 0.119 0.029 0.281 0.162 0.000 0.004 0.000]

W2=[0.267 0.120 0.118 0.036 0.292 0.162 0.000 0.004 0.000]

W3=[0.290 0.120 0.119 0.041 0.251 0.177 0.000 0.002 0.000]

W4=[0.288 0.123 0.120 0.047 0.247 0.174 0.000 0.001 0.000)]

W5=[0.282 0.124 0.119 0.044 0.258 0.170 0.000 0.002 0.000]

2.2.3 水質適宜性的模糊評價結果

根據模糊運算法則，得到5個樣點的模糊綜合評價矩陣：

B1=[0.119 0.286 0.286 0.040 0.000]

B2=[0.120 0.267 0.292 0.280 0.000)]

B3=[0.120 0.290 0.290 0.000 0.000)]

B4=[0.123 0.270 0.288 0.000 0.000)]

B5=[0.124 0.240 0.282 0.000 0).000]

對以上模糊綜合評價矩陣的隸屬度進行歸一化處理后，按最大隸屬度原則確定河套灌區農田排水資源灌溉利用的水質適宜性評價結果，見表3，本次5 個采樣點水質均為較適宜進行灌溉再利用。

表3 河套灌區農田排水資源灌溉利用的水質適宜性評價結果Tab.3 Water quality suitability evaluation results of irrigation and utilization of farmland drainage resources in Hetao Irrigation Area

模糊數學評價法表明河套灌區夏灌區農田排水水質較適宜進行灌溉利用。為確保評價結果的可靠性，本文通過鹽度、堿度、礦化度法以及綜合危害系數法、灌溉系數法對其進行驗證。鹽度、堿度、礦化度法評價結果顯示灌溉水對農作物和土壤的危害屬于堿害，水質類型為中等水，灌溉不當會對土壤和主要作物有影響，應合理灌溉能避免土壤發生鹽堿化；綜合危害系數法計算得到的綜合危害系數平均值為18.65，水質評價結果為一級水，灌溉效果好；灌溉系數法計算得到的灌溉系數平均值為8.25，水質評價結果為可以灌溉、但要采取措施、防止積鹽。

3 結論與建議

水質評價是合理利用農田排水資源進行灌溉利用的前提，采用模糊數學評價法對河套灌區夏灌期農田排水進行灌溉利用水質評價，并通過鹽度、堿度、礦化度法以及綜合危害系數法、灌溉系數法對模糊數學評價結果進行驗證，最終得出河套灌區夏灌期農田排水水質對灌溉利用較適宜，但有必要采取一定措施防止土壤發生鹽堿化。

本研究只對夏灌后農田排水資源灌溉的水質適宜性進行了評價，但河套灌區的農田排水除了夏灌期外，還有秋灌、秋澆后的農田排水，這些時期的農田排水由于受灌溉水量、作物生長、農藥化肥用量、水文氣象等因素影響其水質組分和含量可能有別于夏灌期的水質特征，所以今后還需對其他時期的農田排水進行水質特征分析和灌溉利用適宜性評價。同時，河套灌區不同區域的農田排水水質也可能不同，未來需加強不同區域農田排水資源灌溉利用的水質適宜性研究以全面評估河套灌區農田排水資源灌溉的水質適宜性，為河套灌區農田排水資源灌溉利用適宜性提供有力支撐。