楊振峰，田軍倉,2,3※，馮克鵬,2,3，龔 雪

基于多源數(shù)據(jù)的寧夏賀蘭縣現(xiàn)代化生態(tài)灌區(qū)健康評價

楊振峰1，田軍倉1,2,3※，馮克鵬1,2,3，龔 雪1

（1. 寧夏大學土木與水利工程學院，銀川 750021；2. 寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心，銀川 750021；3. 旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心，銀川 750021）

現(xiàn)代化生態(tài)灌區(qū)是灌區(qū)發(fā)展方向，因此，灌區(qū)健康水平評價具有重要意義。該研究根據(jù)現(xiàn)代化生態(tài)灌區(qū)的概念、內(nèi)涵要求，應用知識圖譜可視化工具VOSviewer對國內(nèi)外灌區(qū)綜合評價研究的指標體系進行系統(tǒng)梳理，篩選共現(xiàn)頻率高的關(guān)鍵指標，在結(jié)合實際、廣泛調(diào)研的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了包括生態(tài)環(huán)境、輸配水現(xiàn)代化、田間工程現(xiàn)代化、生產(chǎn)及管理現(xiàn)代化、生產(chǎn)效益5類一級指標，共計18個二級指標的寧夏賀蘭縣現(xiàn)代化生態(tài)灌區(qū)綜合評價指標體系，并以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為尺度劃分評價單元，結(jié)合遙感數(shù)據(jù)、調(diào)研統(tǒng)計、田間試驗數(shù)據(jù)實現(xiàn)指標定量化，利用層次-模糊綜合評價方法，對寧夏賀蘭縣現(xiàn)代化生態(tài)灌區(qū)健康水平進行綜合評價。結(jié)果表明：1）對于權(quán)重較大的二級指標信息化管理水平（權(quán)重為0.100）、主要排水溝水質(zhì)（權(quán)重為0.091）、灌溉保證能力（權(quán)重為0.090），各評價單元健康水平較好且單元之間差異性??；2）各評價單元綜合評價結(jié)果顯示，南梁臺子及京星農(nóng)牧場健康水平等級值最高（0.81），最低為洪廣鎮(zhèn)（0.69），所有評價單元均處于二至三級健康水平之間；3）賀蘭縣灌區(qū)整體處于一級健康水平的測度值（0.325）最大，表明灌區(qū)整體處于一級健康水平，但一至四級健康水平的測度值差別較小，存在健康水平惡化的風險較大，可從發(fā)展節(jié)水灌溉措施、提高規(guī)?；a(chǎn)程度、完善管理制度、增大水域面積等方面優(yōu)化灌區(qū)結(jié)構(gòu)。該研究可為寧夏乃至西北現(xiàn)代化生態(tài)灌區(qū)建設(shè)提供參考。

遙感；生態(tài)；灌區(qū)；指標體系；健康評價；寧夏賀蘭縣

0 引 言

灌區(qū)是糧食生產(chǎn)的基本保障，是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，對社會經(jīng)濟發(fā)展起重要作用[1]。中國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，為現(xiàn)代化生態(tài)灌區(qū)的建設(shè)提供了有利條件[2]，建設(shè)現(xiàn)代化、生態(tài)型灌區(qū)成為灌區(qū)發(fā)展的主要方向。Rapport等[3]對生態(tài)系統(tǒng)健康的定義是：隨著時間推移，外界條件改變時，生態(tài)系統(tǒng)自身結(jié)構(gòu)及功能依然能夠保持穩(wěn)定，并具有可恢復的能力。生態(tài)灌區(qū)是生態(tài)系統(tǒng)健康概念的延伸，其目的是維持灌區(qū)系統(tǒng)各要素之間相對平衡，使整體發(fā)展具有可持續(xù)性。在生態(tài)灌區(qū)及其評價研究領(lǐng)域，茆智院士是國內(nèi)最早提倡建立節(jié)水、防污生態(tài)型灌區(qū)的學者，他提出節(jié)水灌溉措施可以提高單位面積產(chǎn)量；田間節(jié)水+小型濕地+生態(tài)溝的工程形式能夠有效抑制灌區(qū)污染，防止灌區(qū)生態(tài)環(huán)境惡化[4]。除嚴峻的生態(tài)環(huán)境狀況之外，生產(chǎn)力水平及現(xiàn)代化程度低也是制約灌區(qū)發(fā)展的重要因素，建設(shè)現(xiàn)代化生態(tài)灌區(qū)是提升灌區(qū)生產(chǎn)能力的關(guān)鍵。國內(nèi)有關(guān)現(xiàn)代化生態(tài)灌區(qū)的研究起步較晚，目前關(guān)于現(xiàn)代化生態(tài)灌區(qū)的嚴格定義尚不統(tǒng)一。綜合來說，實現(xiàn)“自然-社會-經(jīng)濟”可持續(xù)和諧發(fā)展、達到水利-農(nóng)業(yè)-農(nóng)村協(xié)調(diào)發(fā)展、生產(chǎn)力水平高、水資源配置合理、生物多樣性高是現(xiàn)代化生態(tài)灌區(qū)的核心內(nèi)容，也是現(xiàn)代化生態(tài)灌區(qū)健康的內(nèi)涵要求[4-7]。依據(jù)現(xiàn)代化生態(tài)灌區(qū)內(nèi)涵要求，針對灌區(qū)實際生產(chǎn)中突出的生態(tài)環(huán)境惡化、生產(chǎn)力水平低等問題，進行灌區(qū)健康評價有助于掌握灌區(qū)運行狀況，及時優(yōu)化灌區(qū)建設(shè)方案，從而實現(xiàn)灌區(qū)可持續(xù)發(fā)展。國內(nèi)外學者依據(jù)特定區(qū)域的實際問題做了一些研究。Balasubramani等[8]在GIS支持下，評估了安迪帕蒂流域（印度）土地和水資源的潛力、利用水平及土地對農(nóng)業(yè)的適宜性，制定了優(yōu)化后的管理措施。Oad等[9]針對美國西部人口用水、生態(tài)環(huán)境用水及農(nóng)業(yè)用水之間的突出矛盾，利用決策支持系統(tǒng)為奧格蘭德保護區(qū)提供最優(yōu)的供配水制度。Sun等[10]建立了灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水管理評價指標體系，包括技術(shù)指標、工程指標、管理指標、環(huán)境指標和經(jīng)濟指標，通過改進的層次分析法確定各指標的權(quán)重，采用灰色關(guān)聯(lián)法和模糊綜合評價法評估了黃淮海流域汾河、石津和人民勝利渠灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水管理等級。

在綜合評價方法方面，模糊評價法[11-12]、灰色關(guān)聯(lián)法[13-15]、數(shù)據(jù)包絡(luò)法及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法[16-17]等廣泛應用于灌區(qū)綜合評價研究。其中，模糊評價法是利用模糊數(shù)學對受到多種因素制約的事物或?qū)ο笞龀隹傮w評價，適合各種非確定性問題的解決。在指標體系方面，文獻[18-20]探討了衡量灌區(qū)水利設(shè)施現(xiàn)代化程度的評價指標，也有學者提出了寧夏節(jié)水型灌區(qū)建設(shè)及運行狀況的評價標準[21-22]。通過層次分析（Analytic Hierarchy Process，AHP）確定指標權(quán)重的方法具有靈活、易于實現(xiàn)及多維客觀決策的優(yōu)勢，使復雜問題層次化、系統(tǒng)化，被廣泛應用于綜合評價研究[10,23]。方延旭等[12]基于層次結(jié)合模糊的綜合評價模型對北京市北野廠灌區(qū)進行綜合評價，結(jié)果顯示該模型能較好地評價灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康狀況。

然而，灌區(qū)現(xiàn)代化程度及生態(tài)狀況處于動態(tài)變化中，及時更新灌區(qū)健康水平信息對于制定管理計劃、調(diào)整管理措施具有重要意義。以往有關(guān)灌區(qū)綜合評價的研究以統(tǒng)計資料為主，且以灌區(qū)整體為評價單元，忽略了灌區(qū)內(nèi)各行政單元之間的差異性。遙感技術(shù)具有時效性高、空間特征明顯的特點，成為灌區(qū)管理及快速決策的首選工具。但利用遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品構(gòu)建灌區(qū)現(xiàn)代化程度及生態(tài)環(huán)境狀況評價的具體指標有待深入?；诖?，本文應用VOSviewer可視化工具分析灌區(qū)評價相關(guān)文獻常用的評價指標，結(jié)合現(xiàn)代化生態(tài)灌區(qū)概念、內(nèi)涵及實際調(diào)研構(gòu)建評價指標體系；通過遙感技術(shù)定量化指標體系，依據(jù)灌區(qū)建設(shè)規(guī)劃要求制定健康水平等級；劃分以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為單位的評價單元，應用層次-模糊評價模型評價灌區(qū)現(xiàn)代化程度及生態(tài)健康水平。旨在探討利用遙感數(shù)據(jù)融合統(tǒng)計、田間試驗等數(shù)據(jù)定量化評價指標，在灌區(qū)綜合評價中的應用效果，以期為寧夏現(xiàn)代化生態(tài)灌區(qū)建設(shè)提供參考。

1 研究區(qū)概況及評價體系構(gòu)建

1.1 研究區(qū)概況

賀蘭縣地處銀川平原河西灌區(qū)中部（東經(jīng)105°57′～106°36′、北緯38°27′～38°52′（圖1），屬中溫帶大陸性氣候，干旱少雨，蒸發(fā)強烈，光照時間長，晝夜溫差大。東臨黃河，西倚賀蘭山。轄區(qū)總面積1 201.7 km2。地勢西高東低，自東向西3種地貌形態(tài)，即黃河沖積平原、山前洪積平原及賀蘭山山脈。瀕臨黃河，獨特的地理及氣候條件使賀蘭縣農(nóng)業(yè)主要依靠灌溉系統(tǒng)，因此，賀蘭縣有著悠久的灌溉歷史。西干渠、唐徠渠、漢延渠、惠農(nóng)區(qū)四大干渠自西向東流經(jīng)賀蘭縣，總長為112.3 km，灌溉控制面積可達3 900 hm2。支斗渠縱橫交錯，干渠直開口支斗渠總計189條。賀蘭縣是寧夏回族自治區(qū)現(xiàn)代化生態(tài)灌區(qū)建設(shè)的示范區(qū)域，評估現(xiàn)代化灌區(qū)建設(shè)成效，將有助于灌區(qū)管理政策的制定。

1.2 評價指標體系構(gòu)建

為明確灌區(qū)綜合評價研究的重點問題，本文利用VOSviewer文獻可視化工具進行文獻知識圖譜共現(xiàn)分析。在Web of Science核心數(shù)據(jù)庫以“Irrigation District + Evaluation”為主題進行文獻檢索，檢索時間是2020年12月20號，時間范圍是1958—2020年，共得到448條記錄。圖2a是檢索結(jié)果關(guān)鍵詞知識圖譜，從圖中可以看出，“Irrigation”“management”“quality”“impact”“groundwater quality”“salinity”“water”“suitability”“system”“agriculture”等關(guān)鍵詞占比較大，且彼此之間的關(guān)聯(lián)性較好，說明灌區(qū)評價關(guān)注灌溉、水質(zhì)量、環(huán)境質(zhì)量及系統(tǒng)性管理等問題。在CNKI數(shù)據(jù)庫以“灌區(qū)+評價”為主題進行檢索，共得到643條檢索記錄，對其進行可視化分析，如圖2b所示。從圖中可以看出，灌區(qū)評價大致可以分為灌區(qū)綜合評價和灌區(qū)污染評價兩大模塊，灌區(qū)綜合評價包含的范圍更廣泛一些，其中“水資源”“節(jié)水改造”“層次分析法”“指標體系”“灌溉”“水質(zhì)”“地下水”等關(guān)鍵詞是重要組成部分，灌區(qū)污染模塊主要包括“重金屬污染”“污染灌區(qū)”“土壤重金屬”“健康風險”等關(guān)鍵詞。通過文獻關(guān)鍵詞知識圖譜分析，本研究從灌區(qū)管理、灌溉、鹽漬化水平、節(jié)水、水質(zhì)等方面構(gòu)建指標體系。

依據(jù)VOSviewer文獻關(guān)鍵詞可視化分析結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)代化生態(tài)灌區(qū)概念[4-7,24]、灌區(qū)評價研究綜述[25]及寧夏現(xiàn)代化生態(tài)灌區(qū)指標考核標準[26-27]，本研究針對灌區(qū)健康評價（目標層）所取指標體系如表1所示。

表1 現(xiàn)代化生態(tài)灌區(qū)健康評價指標體系及表征意義

2 數(shù)據(jù)處理與方法

2.1 指標數(shù)據(jù)來源及處理

2.1.1 生態(tài)環(huán)境

1）土壤肥力

土壤肥力包括有機質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀含量4項內(nèi)容，構(gòu)建評價準則如表2所示，采用包長征等[28]關(guān)于賀蘭縣土壤質(zhì)地調(diào)查的樣點平均值數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)采用隨機等距、分層的采樣方法，共布置樣點4 587個，數(shù)據(jù)具有良好的可靠性。

2）鹽漬化水平

研究證明，基于遙感數(shù)據(jù)進行土壤鹽漬化水平評價具有可靠性[29-31]，本研究參考陳實等[32]基于鹽度指數(shù)（Salinity Index，SI）、歸一化植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）構(gòu)建土壤鹽分狀態(tài)模型評價寧夏賀蘭縣土壤鹽漬化水平，該方法是基于植被生長狀況與土壤含鹽量具有高度的相關(guān)性，NDVI與土壤鹽分呈現(xiàn)負相關(guān)趨勢，鹽度指數(shù)能較好地區(qū)分土壤鹽漬化程度。計算如下：

式中1、2分別為藍光與紅光波段反射率。

式中3、4分別代表近紅光和紅光波段反射率。

表2 土壤肥力等級

通過計算NDVI和SI指數(shù)，構(gòu)成二維特征空間，從而建立土壤鹽漬化的遙感監(jiān)測模型（Salinization Remote Sensing Index，SRSI），計算公式如下：

選用Landsat8遙感影像數(shù)據(jù)（中國遙感數(shù)據(jù)網(wǎng)http://ids.ceode.ac.cn），空間分辨率30 m，數(shù)據(jù)獲取時間為2020年7月19日、2020年8月13日，此時間避免了灌溉高峰期對土壤鹽漬化評價帶來的誤差。

3）水域面積確定

利用遙感影像提取水體面積、幾何形態(tài)、水質(zhì)狀況和水體生態(tài)環(huán)境等信息取得廣泛應用[33]。水體指數(shù)法通過光譜知識構(gòu)建分類模型進行水體信息的提取，具有簡單可行的特點，國內(nèi)外學者構(gòu)建了大量的水體指數(shù)，可參考文獻[34]。依據(jù)各水體指數(shù)特點結(jié)合賀蘭縣實際情況，本文選擇歸一化水體指數(shù)（Normalized Difference Water Index，NDWI）來提取水體信息。采用Landsat8遙感影像數(shù)據(jù)（中國遙感數(shù)據(jù)網(wǎng)http://ids.ceode.ac.cn），數(shù)據(jù)獲取時間為2020年8月13日，此時間水稻覆蓋度較大，從而降低了水田對提取結(jié)果的影響，經(jīng)過輻射校正、大氣校正之后，計算NDWI指數(shù)提取水體信息。水體信息主要為賀蘭縣小型湖泊面積，利用無人機影像目視解譯面積對計算結(jié)果進行校正。無人機影像來源于2018年課題組對賀蘭縣小型湖泊的航測數(shù)據(jù)。

4）主要排水溝水質(zhì)

主要排水溝水質(zhì)根據(jù)銀川市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心對轄區(qū)內(nèi)黃河、湖泊濕地、排水溝水質(zhì)監(jiān)測的年平均數(shù)據(jù)。主要排水溝水質(zhì)是灌區(qū)生態(tài)環(huán)境污染程度的重要組成部分，影響排水溝水質(zhì)的原因除了不同種植作物的施肥量，田間用藥等不同之外，還與排水溝結(jié)構(gòu)有關(guān)，對于跨度在多個評價單元之間的排水溝，排水溝之間的疊加作用也無法消除。因此，為了量化同一排水溝在各評價單元水質(zhì)情況，利用進入和出評價單元時的水質(zhì)情況變化顯示評價單元排水溝受污染及去污染能力（表3）。

表3 排水溝水質(zhì)健康水平等級準則

5）植被干旱指數(shù)確定

干旱給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來嚴重威脅，建立快速響應的干旱評價是現(xiàn)代化生態(tài)灌區(qū)健康評價的重要組成部分。國內(nèi)外學者對于干旱指數(shù)已開展廣泛的研究，大致可以分為4類：氣象干旱指數(shù)、水文干旱指數(shù)、農(nóng)業(yè)干旱指數(shù)以及基于遙感技術(shù)的植被指數(shù)[35]。本文選擇基于遙感技術(shù)的植被供水指數(shù)（Vegetation Supply Water Index，VSWI）作為干旱程度評價的指數(shù)，VSWI是由NDVI與地表溫度（Land Surface Temperature，LST）的比值計算得到。數(shù)據(jù)來源于NASA網(wǎng)站（http://reverb.echo.nasa.gov/reverb/）2020年5—8月份的MODIS13A3植被指數(shù)數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集包括16 d合成的NDVI數(shù)據(jù)，LST數(shù)據(jù)采用8 d合成MODIS11A2數(shù)據(jù)集，空間分辨率為500 m。VSWI值越大代表土壤含水率越高，植物受水分脅迫程度越小。

2.1.2 輸配水現(xiàn)代化

1）骨干渠砌護率、排水溝整治率及量水設(shè)備配比數(shù)據(jù)均來自于2019年1月—2021年3月實際調(diào)研結(jié)果。

2）灌溉保證能力計算過程參考文獻[36]。遙感數(shù)據(jù)利用2020年5—8月的MODIS16A2數(shù)據(jù)集，包括蒸散發(fā)、潛在蒸散發(fā)、潛熱通量、潛在熱通量數(shù)據(jù)，空間分辨率為1 km，經(jīng)過裁剪之后得到研究區(qū)的月合成數(shù)據(jù)集。5 —8月為灌溉高峰期，也是蒸散發(fā)最大的時間段。同時，利用同一時期研究區(qū)氣象數(shù)據(jù)（銀川氣象站（站點號53614））計算參考蒸散量（ET0）。為了量化主要種植結(jié)構(gòu)信息，實際采樣時間是2020年9月10—12日，共采集樣本85個，均勻布滿整個研究區(qū)。采集樣本時，單個樣方大小為80 m×80 m，用RTK記錄樣方點的位置信息，坐標系統(tǒng)采用WGS84坐標系。

3）灌溉水利用系數(shù)計算采用“灌區(qū)首尾”比較的綜合方法，計算公式如下：

2.1.3 田間工程現(xiàn)代化

高效節(jié)水灌溉面積占比（高效節(jié)水灌溉面積/總面積）、高標準農(nóng)田整治率（整治農(nóng)田面積/總面積）數(shù)據(jù)來自于2019年1月—2021年3月實際調(diào)研及統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

2.1.4 生產(chǎn)及管理現(xiàn)代化

機械化使用率、規(guī)模化生產(chǎn)率、水利人才配比（水利專業(yè)人數(shù)/667 hm2）、管理制度完善度、信息化管理水平數(shù)據(jù)均來自于2019年1月—2021年3月實際調(diào)研及統(tǒng)計數(shù)據(jù)，其中，管理制度完善度及信息化管理水平由專家評審。

2.1.5 生產(chǎn)效益

水分生產(chǎn)效率（Water Production Efficiency，WPE）采用課題組2017年1月—2020年12月在賀蘭縣針對主要作物（糧食作物：水稻、玉米、小麥；蔬菜、葡萄及枸杞）進行的大田試驗觀測數(shù)據(jù)，其計算如下:

WPE=/（5）

式中WPE為水分生產(chǎn)效率，kg/m3；為產(chǎn)量，kg；為灌溉定額，m3。

農(nóng)民人均收入數(shù)據(jù)來自于縣統(tǒng)計局。

2.2 評價單元劃分

綜合分析調(diào)研、訪談、監(jiān)測數(shù)據(jù)資料發(fā)現(xiàn)，土地質(zhì)量、農(nóng)田水利設(shè)施、農(nóng)作物種植種類、特色農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)等在鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度上表現(xiàn)出差異，土地流轉(zhuǎn)的規(guī)?；N植大多集中于鄉(xiāng)鎮(zhèn)及村級尺度，高標準農(nóng)田建設(shè)及農(nóng)田水利建設(shè)項目單元在鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度上。結(jié)合現(xiàn)代化生態(tài)灌區(qū)“自然-社會-經(jīng)濟”的綜合效應，本研究評價單元的最優(yōu)選取為在鄉(xiāng)鎮(zhèn)級尺度，共建立習崗鎮(zhèn)、金貴鎮(zhèn)、立崗鎮(zhèn)、洪廣鎮(zhèn)、常信鄉(xiāng)、京星農(nóng)牧場、暖泉農(nóng)場及南梁臺子8個評價單元。

2.3 指標權(quán)重計算

現(xiàn)代化生態(tài)灌區(qū)建設(shè)是按照人的意愿對灌區(qū)進行升級改造，灌區(qū)健康評價即對灌區(qū)各項指標達標情況進行分析。因此，選擇AHP法計算指標權(quán)重[37-38]。通過專家對各指標的評價打分，計算得到指標權(quán)重如表4所示。

2.4 綜合評價模型構(gòu)建

表4 指標權(quán)重

3 結(jié)果與分析

3.1 單元評價結(jié)果

3.1.1 生態(tài)環(huán)境評價

土壤肥力方面：除地勢較高的洪廣鎮(zhèn)、暖泉農(nóng)場及南梁臺子之外，其余地區(qū)有機質(zhì)（D111）均屬于I級肥力水平，南梁臺子土壤有機質(zhì)含量水平最低；各評價單元全氮含量（D112）均較低，洪廣鎮(zhèn)、暖泉農(nóng)場及南梁臺子屬于IV級肥力水平，其余為III級肥力水平；各評價單元有效磷含量（D113）具有較高水平，除南梁臺子屬于III級肥力水平之外，其余評價單元均為II級肥力水平；除習崗鎮(zhèn)、金貴鎮(zhèn)及立崗鎮(zhèn)速效鉀含量（D114）屬于II級肥力水平之外，其余評價單元均低于II級肥力水平。依據(jù)表2土壤肥力C11構(gòu)成要素，得出各評價單元土壤肥力情況，除南梁臺子土壤肥力水平低于其他評價單元之外，其余各評價單元土壤肥力較為一致，但均低于二級健康水平，因此，改善土壤肥力狀況、防止營養(yǎng)元素流失依然是各評價單元需要關(guān)注的問題，尤其是對于南梁臺子，較低的土壤肥力制約生產(chǎn)力水平。

利用LandSat 8遙感影像，計算鹽漬化水平模型SRSI，結(jié)果如圖3所示。陳實等[32]對北疆鹽漬化的研究中，認為SRSI在0.40～0.05之間為中度鹽漬，在>0.50～0.70之間為重度鹽漬，>0.70為鹽土。從圖3可以看出，洪廣鎮(zhèn)SRSI普遍較高，且集中在賀蘭山前的洪水沖積區(qū)，這與實際調(diào)查相符，證明構(gòu)建的SRSI鹽度模型能夠反映灌區(qū)內(nèi)鹽漬化情況。同時，圖3也顯示習崗鎮(zhèn)SRSI較大，多集中在0.70～1.00之間，習崗鎮(zhèn)位于賀蘭縣城區(qū)，轄區(qū)內(nèi)多為建筑物，表明鹽度指數(shù)SRSI在裸土與建筑物的區(qū)分上存在一定的交集。立崗鎮(zhèn)SRSI多集中在0.35～0.55之間，常信鄉(xiāng)SRSI多集中在0.45～0.70之間?？傮w來說，各評價單元SRSI整體較高，鹽漬化狀況均低于三級健康水平，有效控制土壤鹽漬化程度是所有評價單元都面臨的生態(tài)環(huán)境問題。

通過計算水體指數(shù)NDWI，削弱植被、建筑等信息的影響，增強水體信息，進而提取水域面積（C13）。從圖 4提取的水體信息可以看出，常信鄉(xiāng)包含最多的水體信息。立崗鎮(zhèn)、洪廣鎮(zhèn)、南梁臺子水體信息較少，這主要與地勢高低有關(guān)?？傮w來說，各評價單元水域面積占比均較小，水域面積均低于三級健康水平。現(xiàn)代化生態(tài)灌區(qū)提倡“山、水、田、林、路、湖”交錯的布局形式，水系與湖泊是生物多樣性的保障，這也是水域面積指標權(quán)重較大的重要依據(jù)，但水域面積受限于地理等因素。近年來，各評價單元通過“稻漁空間”生態(tài)種植、農(nóng)村宜居環(huán)境改善、修建人工湖泊等多種方式增加水域面積，改善生態(tài)環(huán)境。

水質(zhì)是衡量灌區(qū)污染的重要手段，這使得排水溝水質(zhì)指標權(quán)重高于其他指標權(quán)重。各評價單元主要排水溝水質(zhì)（C14）健康水平如表5。京星農(nóng)牧場主要排水溝水質(zhì)為一級健康水平，這與京星農(nóng)牧場距離黃河較近，排水溝易于排泄，且排水溝在評價單元之間的累積疊加程度較小有關(guān)。習崗鎮(zhèn)、金貴鎮(zhèn)、暖泉農(nóng)場及南梁臺子為二級健康水平。暖泉農(nóng)場和南梁臺子由于地勢較高，使得排水溝排水較易，另外，從種植結(jié)構(gòu)上看，玉米為主要的種植作物，而種植玉米的田間管理帶來的污染較?。ㄈ缡┓省⑹┧幍龋?。常信鄉(xiāng)和洪廣鎮(zhèn)主要排水溝水質(zhì)為四級健康水平，常信鄉(xiāng)和洪廣鎮(zhèn)是面積最大的評價單元，也是排水溝較密集的評價單元，從所處的地理位置及排水溝結(jié)構(gòu)特點上來看，評價單元之間的疊加作用比其他單元明顯，種植面積大，單元內(nèi)排水溝長度較長，滯排明顯使得水質(zhì)惡化加劇，水質(zhì)情況較其他評價單元差。

表5 各評價單元指標健康水平等級

注：構(gòu)造健康等級評分向量，一級健康為1，二級健康為0.8，三級健康為0.6，四級健康為0.4；介于兩級之間均按高一級計算。

Note: The health level scale vectors are constructed for levels 1, 2, 3 and 4, corresponding to 1, 0.8, 0.6 and 0.4 respectively, and any level between any two health levels is calculated as the higher level.

圖5為VSWI指數(shù)（C15）空間分布圖，從圖中可以看出，洪廣鎮(zhèn)、習崗鎮(zhèn)VSWI值較小，表明所受的水分脅迫較大，而這兩個評價單元作物覆蓋面積小，因此，干旱對于洪廣鎮(zhèn)及習崗鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響相對較小。計算各評價單元VSWI指數(shù)的平均值可知，京星農(nóng)牧場、常信鄉(xiāng)及南梁臺子3個評價單元的VSWI值最高，表明干旱程度低，京星農(nóng)牧場緊鄰黃河，地勢較低，補水容易，干旱程度最低；常信鄉(xiāng)水稻種植面積大，而水稻灌溉以大水漫灌為主，使得田間蓄水量大，干旱程度較低?？傮w來說，各評價單元干旱程度較小，表明灌區(qū)灌溉用水保證程度高。

3.1.2 輸配水現(xiàn)代化評價

所有評價單元干、支渠砌護率為100%，而在主要排水溝整治水平上表現(xiàn)出差異。因此，指標C21主要受排水溝整治情況影響。常信鄉(xiāng)主要排水溝整治情況較好，處于一級健康水平，其余評價單元存在部分排水溝未整治的情況，處于三、四級健康水平（如表5）。各評價單元在灌溉高峰期（5—8月）的灌溉保證能力空間分布如圖6所示。

從圖中可以看出，除洪廣鎮(zhèn)，其余評價單元有效灌溉量等于或大于灌溉需水量，表明各評價單元灌溉保證能力較好，一定程度上也反映了賀蘭縣具有節(jié)水灌溉的潛力和空間。灌溉水利用系數(shù)（C23）主要受各評價單元節(jié)水灌溉措施（如噴灌、滴灌）種植面積的影響，且與種植結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。各評價單元種植結(jié)構(gòu)統(tǒng)計及田間試驗結(jié)果顯示，洪廣鎮(zhèn)、暖泉農(nóng)場及南梁臺子灌溉水利用系數(shù)處于一級健康水平，其余評價單元為三級健康水平。各評價單元內(nèi)各支渠口、用戶取水口均配有量水設(shè)備，各評價單元渠道輸水計量設(shè)施現(xiàn)代化程度高，各評價單元量水設(shè)備配比（C24）差異性主要體現(xiàn)在使用地下水灌溉的用戶，灌溉用水無法有效計量，這也反映了各評價單元應加強地下水的開采管理。

3.1.3 田間工程現(xiàn)代化水平評價

各評價單元高效節(jié)水面積占比（C31）存在較大差異，其中，京星農(nóng)牧場高效節(jié)水實施面積占比最大，處于一級健康水平，洪廣鎮(zhèn)及暖泉農(nóng)場處于二級健康水平，其余評價單元均處于四級健康水平。所有評價單元農(nóng)田整治率（C32）均處于一級健康水平，表明農(nóng)田整治建設(shè)情況較好。

3.1.4 生產(chǎn)及管理現(xiàn)代化評價

生產(chǎn)及管理現(xiàn)代化指標評價結(jié)果如表5所示。對于機械化使用率（C41）和管理制度完善度（C45），各評價單元均處于一級和二級健康水平，體現(xiàn)了各評價單元灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)的同步性。規(guī)?；a(chǎn)率（C42）主要受土地流轉(zhuǎn)面積的影響，因此，各評價單元具有較大的差異性，立崗鎮(zhèn)土地流轉(zhuǎn)面積比例最高，規(guī)?；a(chǎn)水平處于一級健康水平。灌區(qū)信息化管理水平（C43）主要體現(xiàn)在農(nóng)業(yè)用水的信息化管理水平，而其管理程度與種植結(jié)構(gòu)及灌溉方式緊密相關(guān)，通過實際調(diào)研及統(tǒng)計計算，各評價單元信息化管理水平處于一至三級健康水平。水利人才配比（C44）主要受評價單元行政管理制度的影響，除習崗鎮(zhèn)、京星農(nóng)牧場及南梁臺子處于一級健康水平外，其余評價單元均處于四級健康水平，這顯示了各評價單元水利人才配比情況受行政管理的政策及措施影響。

3.1.5 生產(chǎn)效益

田間試驗及調(diào)研結(jié)果顯示，洪廣鎮(zhèn)、暖泉農(nóng)場、京星農(nóng)牧場及南梁臺子4個評價單元的水分生產(chǎn)效率（C51）處于一級健康水平，其余評價單元處于二、三級健康水平，主要原因是受地勢影響，洪廣鎮(zhèn)、暖泉農(nóng)場、京星農(nóng)牧場及南梁臺子位于揚黃灌溉區(qū)域，水分生產(chǎn)效率相對較高，這也表明其余評價單元具有很大的節(jié)水潛力。居民人均收入（C52）各評價單元差異較小，整體處于二、三級健康水平。

3.2 綜合評價

3.2.1 各單元健康水平綜合評價

為了定量化各評價單元健康水平差異，以健康水平等級評分與具體指標權(quán)重的乘積累加和作為總體健康水平程度，計算結(jié)果如圖7所示。所有評價單元均高于三級健康水平，京星農(nóng)牧場及南梁臺子總體健康水平最高（0.81），洪廣鎮(zhèn)綜合健康水平最低（0.69）其余評價單元在二、三級建康水平之間（0.71～0.76）。

3.2.2 賀蘭縣代現(xiàn)化生態(tài)灌區(qū)綜合評價結(jié)果

將指標權(quán)重集合與隸屬度矩陣代入模糊綜合評價模型中，得到健康等級的測度值。賀蘭縣現(xiàn)代化生態(tài)灌區(qū)屬于一級健康的測度值最大，為0.325，即灌區(qū)整體建設(shè)情況趨于一級健康水平，但各評價單元在自然等因素影響下，依然存在差異。而隸屬于二級健康的測度值（0.272）僅次于一級健康的測度值，且相差較小，說明灌區(qū)處于一二級健康水平的趨勢較明顯。一至四級健康水平的測度值依次減小（三級和四級分別為0.212和0.191），各級之間的測度值相差不大，說明灌區(qū)健康水平存在明顯的下降風險，依然要加強灌區(qū)建設(shè)的一些短板，維護建設(shè)成果。

4 討 論

關(guān)于評價指標的選取及評價指標值的確定是灌區(qū)綜合評價的難點，評價指標太多、指標值太高或太低，不利于指導實際生產(chǎn)，評價指標少又不能全面反映灌區(qū)現(xiàn)狀。因此，本研究在確定灌區(qū)評價指標時，采用了文獻分析熱點問題、實際調(diào)研、參考已有研究及寧夏現(xiàn)代化生態(tài)灌區(qū)建設(shè)的有關(guān)標準，優(yōu)化指標體系的同時具有簡單易行的特點。盡管如此，本文構(gòu)建的評價指標依然最優(yōu)適用于評價灌區(qū)短期運行狀況，這主要是由于灌區(qū)自身條件決定適用于本身的評價指標體系及指標值，當灌區(qū)本身結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，評價指標體系及指標值也應做出改變，因此，灌區(qū)綜合評價處于動態(tài)變化中。如史海濱等[41]研究表明，沈烏灌區(qū)節(jié)水改造工程對土壤鹽漬化時空分布產(chǎn)生影響。進行灌區(qū)健康水平評價及時發(fā)現(xiàn)這種動態(tài)變化，利用遙感技術(shù)是最有效的方法，本文探討了將遙感影像融入灌區(qū)綜合評價之中，這種方法不僅具有較高的準確性，還具有空間可視化優(yōu)勢，有利于明確評價單元之間的差異。另外，本研究將評價指標值劃分為一至四級健康水平，一級健康水平值為灌區(qū)長遠期規(guī)劃設(shè)計值，二、三級健康水平值為短期規(guī)劃設(shè)計值，四級健康水平值表示現(xiàn)狀值低于短期規(guī)劃設(shè)計值，這一劃分標準參考《全國現(xiàn)代灌溉發(fā)展規(guī)劃》及有關(guān)寧夏引黃灌區(qū)對具體指標規(guī)劃年設(shè)計值。例如，杜軍等[26]認為到規(guī)劃年（2025年）灌溉水利用系數(shù)≥0.57，本文確定灌溉水利用系數(shù)一級健康水平為0.60。

應用構(gòu)建的評價體系和評價方法，對寧夏賀蘭縣現(xiàn)代化生態(tài)灌區(qū)進行評價，結(jié)果顯示賀蘭縣整體處于一級健康水平，主要原因是權(quán)重較大的指標如生態(tài)環(huán)境B1（排水溝水質(zhì)C14）、輸配水現(xiàn)代化B2（灌溉保證能力C22）、生產(chǎn)及管理現(xiàn)代化B4（灌區(qū)信息化管理水平C43）在灌區(qū)整體尺度上具有較好的健康水平，從而使得整體處于一級健康水平。但對于各評價單元，各項指標的健康水平存在差異（表5）。同時，也表明了將灌區(qū)視為一個整體給評價結(jié)果帶來的誤差，即權(quán)重較大指標的健康水平很大程度上決定灌區(qū)整體健康水平?；谶@一考慮，本研究將灌區(qū)劃分為行政管理上相對獨立的若干評價單元，各評價單元健康水平的衡量相互獨立，使得評價結(jié)果能真實地反映灌區(qū)現(xiàn)狀，易于決策者制定優(yōu)化措施。

5 結(jié) 論

本研究在總結(jié)前人關(guān)于灌區(qū)評價研究的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了現(xiàn)代化生態(tài)灌區(qū)健康水平評價體系，對寧夏賀蘭縣現(xiàn)代化生態(tài)灌區(qū)建設(shè)健康水平進行評價，得到如下結(jié)論：

1）在生態(tài)環(huán)境方面，受地理條件等因素影響，各評價單元表現(xiàn)出較大的差異，特別是對于權(quán)重較大的水域面積、主要排水溝水質(zhì)指標，而干旱程度指標計算結(jié)果顯示賀蘭縣有一定的節(jié)水空間，因此，大力發(fā)展節(jié)水灌溉措施依然是提高水分生產(chǎn)效益的有效途徑；在田間工程現(xiàn)代化、生產(chǎn)及管理現(xiàn)代化、水利設(shè)施現(xiàn)代化方面，各評價單元表現(xiàn)出較小差異。

2）各評價單元綜合評價結(jié)果處于三級健康水平以上，健康等級值最高為京星農(nóng)牧場及南梁臺子（0.81），最低為洪廣鎮(zhèn)（0.69），其余評價單元健康等級在0.71～0.76之間，這表明賀蘭縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)現(xiàn)代化生態(tài)灌區(qū)建設(shè)保持一致性，建設(shè)具有同步性。對于具體指標，各評價單元也存在差異，基于這些差異可以為各評價單元現(xiàn)代化及生態(tài)建設(shè)提供指導。

3）按照隸屬度最大原則，模糊綜合評價結(jié)果顯示賀蘭縣灌區(qū)整體處于一級健康水平（測度值為0.325），但依然存在健康水平惡化的風險，這主要是因為一至四級健康水平的測度值相差較小，應加強并保持灌區(qū)現(xiàn)代化及生態(tài)建設(shè)取得的成果。

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Health evaluation of the modern ecological irrigation district using multisource data in Helan County, Ningxia, China

Yang Zhenfeng1, Tian Juncang1,2,3※, Feng Kepeng1,2,3, Gong Xue1

(1.,,750021,;2.-,750021,.3.,,750021,)

An ecological irrigation district has emerged as the modern management with healthy ecosystems in precision agriculture. A health assessment of irrigation districts has been one of the most important operations for the decision-making on agricultural water management and pollution. In this study, a novel health evaluation was made on the ecological irrigation district using multisource data. A study area was selected as a part of the Yellow River basin, located at Helan County in Ningxia, China. A knowledge mapping was also applied to systematically sort out the index systems of comprehensive evaluation on the irrigation districts using a VOSviewer platform. The key indicators were then screened with a high co-occurrence frequency. An indicator system was constructed for the comprehensive evaluation of the ecological irrigation districts. Five categories of the primary indicators were divided in the indicator system, including the ecological environment (B1), the modernization of water transmission and distribution (B2), and the modernization of field engineering (B3), the modernization of production and management (B4), and production efficiency (B5). There was also 18 second-grade indicators in total. All indicators were classified into one to four levels of health. With the support of GIS, these indicators were quantified by combining the remote sensing data (LandSat8, MODIS) with research statistics and field trial data. The weight of each indicator was confirmed through Analytic Hierarchy Process (AHP). The evaluation data was divided by the scale of townships, where each administrative division was used as an evaluation unit. Finally, a fuzzy evaluation model was used to implement the comprehensive evaluation on the health level of the ecological irrigation district in the study area. The results show that there were large differences in the indicator B1 among the evaluation units, especially from the indicator of watershed area (C13) and the indicator of water quality in the main drainage ditches (C14), indicating a higher weight. At the same time, the degree of aridity (vegetation index VSWI) (C16) indicated a great potential to save water in the study area. Therefore, it was still encouraged to develop water-saving irrigation. More importantly, there were small differences in the indicators of B2, B3, B4, and B5 among the evaluation units, indicating the consistent upgrading of irrigation districts. Consequently, the highest value of health level (0.81) was found in Nanliangtaizi and Jingxing Farm, whereas, the lowest value was in Hongguang Town (0.69), where all evaluation units were in the range of health level 3 to 2. In addition, 0.325 of the irrigation districts were presented at the first level of health, whereas, 0.272 of the irrigation districts were at the second level, indicating an excellent operating condition. This study can provide a strong reference to efficiently construct the ecological irrigation districts in Northwest China.

remote sensing; ecology; irrigation districts; indicator system; health evaluation, Helan County of Ningxia

2021-07-02

2021-12-09

寧夏回族自治區(qū)重點研發(fā)計劃重大項目（2018BBF02022）；寧夏高等學校一流學科建設(shè)項目（NXYLXK2017A03；NXYLXK2021A03)）

楊振峰，博士，研究方向為節(jié)水灌溉理論與技術(shù)。Email：yzf112082@163.com

田軍倉，教授，博士生導師，研究方向為節(jié)水灌溉與水資源高效利用。Email：slxtjc@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.24.034

S274

A

1002-6819(2021)-24-0307-10

楊振峰，田軍倉，馮克鵬，等. 基于多源數(shù)據(jù)的寧夏賀蘭縣現(xiàn)代化生態(tài)灌區(qū)健康評價[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2021，37(24)：307-316. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.24.034 http://www.tcsae.org

Yang Zhenfeng, Tian Juncang, Feng Kepeng, et al. Health evaluation of the modern ecological irrigation district using multisource data in Helan County, Ningxia, China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(24): 307-316. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.24.034 http://www.tcsae.org