河套灌区灌溉水资源承载力评价及其主导变异模式识别

《Agronomy》：Evaluation of Irrigation Water Resources Carrying Capacity and Identification of Its Dominant Patterns of Variation in the Hetao Irrigation District

　　

河套灌区是黄河流域重要的干旱—绿洲农业系统，水资源短缺已成为区域高质量发展与灌溉用水的主要约束，且灌溉用水在该区用水结构中占主导。灌溉水资源承载力（Irrigation Water Resources Carrying Capacity，IWRCC）是广义水资源承载力（Water Resources Carrying Capacity，WRCC）在灌溉系统中的具体应用。已有研究多忽视灌区尺度下IWRCC的长期评估及其主导变异模式识别。本研究旨在评估2001—2023年河套灌区IWRCC并识别其主导变异模式。研究人员构建了评价指标体系，采用融合主客观组合赋权的TOPSIS（Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution）模型评估承载力状态的长期变化，并应用主成分分析（Principal Component Analysis，PCA）识别主导变异模式。结果表明，灌溉用水效率子系统（irrigation water-use efficiency subsystem）的改善部分抵消了水资源可用性子系统（water availability subsystem）下降的不利影响，使整体承载状态呈改善趋势。临河区在县级单元中排名最高，磴口县最低。承载力变异可归纳为三维：水资源可用性与用水规模的联合变异；灌溉用水强度、水资源利用程度与地下水条件的混合变异；有效灌溉覆盖率的变异。通过长期承载状态评估与主导变异模式识别的融合，本研究揭示了灌溉用水效率提升与水可用性下降间的补偿关系，为灌区尺度承载状态演化提供了新视角。

研究背景方面，气候变化加剧了全球水循环变率，粮食需求增长使农业对稳定供水依赖加深，而灌溉农业既是粮食稳产关键又是最主要淡水消耗者，黄河流域水约束紧、生态优先，河套灌区作为亚洲最大独赖黄河水灌区面临供水、生产与生态三重压力。已有水资源承载力研究多停留在市省级行政尺度，方法以指标评价与系统动力学为主，灌区作为精细功能单元被忽视；即便涉及灌区的研究也多将灌区当作广义承载力载体，缺乏针对灌溉水资源承载力的理论框架与长期时空演化分析。因此，研究人员在《Agronomy》发表该研究，以内蒙古巴彦淖尔市河套灌区五个县级单元（磴口县、临河区、杭锦后旗、五原县、乌拉特前旗）为对象，填补灌区尺度IWRCC长期评估与主导变异模式识别空白。

关键技术方法上，研究人员基于2001—2023年《巴彦淖尔水资源公报》《巴彦淖尔统计年鉴》?《中国县域统计年鉴》构建含13项指标的三维体系（水资源可用性、水资源利用、灌溉用水效率）；权重确定采用AHP（Analytic Hierarchy Process）主观赋权与熵权法客观赋权组合；承载状态用TOPSIS相对贴近度表征，并对最高权重子系统做±20%、±50%扰动以Spearman秩相关检验稳健性；主导变异模式用PCA基于KMO与Bartlett检验提取特征值>1且累积方差>80%的前3主成分，依载荷正负与大小判定。

研究结果部分，3.1节IWRCC评价结果显示，五县整体相对贴近度均值由2001年升至2023年（0.599，增10.31%），临河区多数年份最高（2021年0.701），磴口县最低但增幅最大（0.412至0.515，增25.00%），杭锦后旗先降后升；3.1.2子系统分析表明水资源可用性（B₁）下降、水资源利用（B₂）平稳、灌溉用水效率（B₃）显著提升，效率改善抵消可用性下滑；3.1.3敏感性分析显示B₃权重扰动下Spearman系数±20%时>0.98、±50%时>0.90（p<0.01），排序稳健；3.2节指标时间趋势上黄河引水量下降，地表水、地下水、总水资源量减少，地下水平均埋深增加，灌溉用水效率类指标（单位面积灌溉用水量、单位粮食产量灌溉用水量、单位农业GDP耗水量）持续下降；3.3节PCA提取三主成分累积解释80.839%方差，PC1高载荷于黄河引水（C₁）、地表水（C₂）、总水资源（C₄）、农业灌溉用水量（C₆）、耗水量（C₇），表水资源可用性与用水规模联合变异；PC2高载荷于单位面积灌溉用水量（C₁₀）、单位粮食产量灌溉用水量（C₁₁）、单位农业GDP耗水量（C₁₂）、地下水（C₃），负载荷于水资源利用率（C₉）、地下水平均埋深（C₅），表用水强度—利用程度—地下水条件混合变异；PC3高载荷于有效灌溉面积比例（C₁₃），表有效灌溉覆盖率变异；磴口县沿PC3明显分离，乌拉特前旗PC3负向聚集且置信椭圆大。

讨论部分指出，IWRCC整体改善源于效率对可用性的补偿，与Daman、Dagong灌区趋势可比但阶段轨迹因水文与管理而异；2013与2021年峰值关联干旱年调度增引黄河水；PC1反映旱区蒸发强、引黄依赖下供水与用水规模共变；PC2关联渠灌淹灌渗漏补地下、节水措施改补给与埋深的耦合；PC3体现基础设施覆盖对生产空间支撑。管理上应优化引黄调度与渠系配水、推滴灌与水肥一体化，磴口县需加强地下水动态监测与地表—地下联调。局限在于缺独立观测验证、AHP含主观、PCA非因果、未纳土壤盐渍化与生态用水。

结论翻译浓缩为：（1）2001—2023年河套灌区IWRCC整体改善，效率子系统部分抵消可用性子系统下降；（2）县级单元中临河最高、磴口最低但改善显著，杭锦后旗先降后升，磴口近年地下水条件恶化需关注；（3）主导变异模式归为水资源可用性与用水规模联合变异、灌溉强度—利用程度—地下水条件混合变异、有效灌溉覆盖率变异三维。