基于实际用水量和环境约束开发水资源可持续性指数并应用于伊朗阿吉查伊河流域

《Science of The Total Environment》：Development of a water resource sustainability index based on actual water consumption and environmental constraints applied to Aji Chai River Basin, Iran

　　

摘要
本研究在伊朗乌尔米耶湖流域的阿吉恰伊河流域（Aji Chai Watershed）开发了一种新的水资源可持续性指数，该指数基于实际用水消耗（AWC，即总蒸发量和实际蒸散发）和环境流量需求。该指数被定义为流域内AWC与其可再生水资源（RWR）之比。本研究校准并验证了SWAT模型（1987年至2021年）以估算平均AWC和RWR。本研究的创新之处在于开发了一种基于AWC的可持续性指数，该指数整合了环境流量，从而实现了对流域尺度上为实现可持续用水所需的取水减少量的估算。结果显示，在验证期间，相关系数（R）值范围为0.4至0.93，纳什-萨特克利夫效率系数（NSE）值范围为0.01至0.74。基于环境流量分配和地下水消耗速率，估算了地表水和地下水取水所需减少的量。结果表明，平均RWR和AWC分别为582 MCM和398 MCM，可持续指数为0.68，超过了0.40的临界阈值。为贡献阿吉恰伊河流域的份额以满足乌尔米耶湖的环境水量需求并维持地下水资源，年地表水和地下水取水应分别减少32%和38%，主要集中在阿吉恰伊河流域的南部和西部。此外，当AWC超过其允许限值时，仅提高灌溉效率是不够的。可持续管理需要改变作物结构、部分转向雨水灌溉系统、亏缺灌溉或这些策略的组合。地表水取水减少32%将使乌尔米耶湖的年平均入湖径流增加19.5%，完全满足该河流的湖域环境流量需求。该方法对其他干旱和半干旱地区的水资源紧张流域和干涸湖泊具有参考价值。

引言
近几十年来，为满足不断增长的粮食需求而过度扩张灌溉农业用地，导致地表水和地下水资源被过度开采。水资源过度使用造成了含水层退化、流域不稳定以及诸多环境问题。为应对这些挑战，可持续水资源管理对于维持人类活动与环境之间的平衡至关重要（Molden等，2010）。为实现对水资源系统可持续性的现实评估，并为严重承压流域提出有效的管理策略，有必要考虑实际用水消耗（AWC）的概念，特别是在灌溉领域，灌溉用水占用水总量的主要份额（Alcamo等，2007）。AWC具体指输水渠道水面上的直接蒸发量和生长季节中灌溉农业用地的实际蒸散发（ETa），取决于作物类型、土壤、气候和灌溉管理措施。了解流域中的AWC有助于确定维持农业活动所需的可再生水资源（RWR）量并确定允许的实际用水消耗（AAWC）（Immerzeel等，2008）。

因此，将AWC纳入可持续性指数的计算中，可以为流域可持续性提供更加现实的表征。已提出并评估了多种用于分析和开发水资源系统可持续性的指数，如 Falkenmark 指数（FI）（Falkenmark，1989）、联合国可持续发展委员会指数（SDCI）（联合国经济和社会理事会，1997）、水短缺指数（WSCI）（Smakhtin等，2004）和加拿大水资源可持续性指数（CWSI）（Attari等，2014）。诸如 FI 等不计算用水量消耗的可持续性指数，不能用于确定整个水资源系统允许的用水量消耗。SDCI 考虑了总 RWR 和 ETa，涵盖了流域内的整个水循环（Asano 等，2006），而 WSCI 仅根据年径流量确定（Smakhtin 等，2005）。在计算目标水资源可用水量之后，可以通过参考可持续性指数的临界值来确定 AAWC。此外，基于当前用水情况，可以估算从 RWR 中额外消耗的水量。

多项研究评估了全球各地区特别是伊朗的水资源系统可持续性，包括 Shahedi 和 Talebi Hossein Abad（2014）使用 FI，Rahimi 和 Khaledi（2000）使用 SDCI，Raja 等（2019）和 Huang 等（2021）使用 WSCI，以及 Mostafazadeh 等（2019）使用水短缺指数。在文献中，流域水资源可持续性指数通常基于两个变量定义：可用水量和水需求（例如，Wang 等，2022）。为确定不同情景下流域的可持续性状况，研究人员分析了这些变量的波动（Sone 等，2022）。研究表明，实现流域的可持续状态需要可用水量与水需求之间的平衡，表明水资源消耗管理和需求减少情景在这方面可以是有效的策略。Shahbazi 等（2025）研究了农业扩张和雪旱的复合效应，Shirmohammadi 等（2026）为湖泊的生态恢复提供了适应策略和未来关切。Ballarin 等（2023）发现，到 2100 年，由于水资源减少和水需求增加，水资源短缺将加剧。此外，近几十年来，伊朗的许多河流，尤其是乌尔米耶湖流域的河流，经历了径流量的急剧下降（Fathian 等，2016；Karamouz 等，2009），并且含水层显示出地下水位的下降（Vaheddoost 等，2022）。这种情况对水资源和环境的可持续发展构成了严重威胁。气候因素和人类活动（例如建设大坝（Hasanzadeh 等，2011）和灌溉农业用地扩张（Ahmadzadeh 等，2025））是造成乌尔米耶湖流域这一危急状况的主要原因。

以往研究的一个重大缺陷是，计算可持续性指数时使用的是从水资源中提取的总水量，而没有考虑农业回归水的重复利用。另一个局限是，这些研究中没有一项同时将河流、湿地和含水层的生态可持续性纳入可持续性指数的开发中。在计算 SDCI 和 WSCI 等指数时，通常将从水资源中提取的总水量视为消耗的水量。在此假设下，该指数计算中未考虑灌溉水的重复利用部分，即下渗至地下水或作为地表水流回归河流的那部分水。因此，此类指数可能无法提供流域实际可持续状况的准确评估。关于流域可持续性和河流生态系统保护，另一个重要方面是，仅依靠可持续性指数无法确定是否满足环境流量需求。这是因为一个流域根据可持续性指数可能被归类为可持续的，但其环境流量分配并未得到满足，或者反之（Tennant，1976；Tharme，2003）。因此，仅依赖可持续性指数是不够的，综合评估还必须包括所有环境流量需求。本研究对此进行了考察。为应对这些局限并填补空白，我们在计算流域可持续性指数（WSI）时使用了 AWC 而非总取水量，这代表了本研究的方法论创新。在本研究中，我们开发了一种新的基于 AWC 的可持续性指数，该指数整合了环境流量需求，从而实现了对流域尺度上为实现可持续用水所需的取水减少量的估算。

在确定 AAWC 和可持续性指数阈值时，另一个关键的考量是独立子流域和依赖子流域的分类。独立子流域是指其河流直接汇入主河道且不接收上游子流域径流的子流域，而依赖子流域位于主河道沿程并接收所有上游集水区的径流。因此，估算 AAWC 和确定可持续性指数阈值的方法在独立和依赖子流域之间可能有所不同。本研究旨在（i）估算独立和依赖子流域中的 AAWC，（ii）开发基于 AWC 的 WSI，该指数考虑到伊朗干涸的乌尔米耶湖的环境需求，（iii）建立子流域特定的可持续性阈值，以及（iv）应用该框架于阿吉恰伊河流域，即该湖泊第二大流域，使用 SWAT 模型。本研究的创新之处在于开发了一种同时考虑河流和湖泊环境流量需求的水资源可持续性指数，同时基于实际用水消耗明确纳入了地下水可持续性。此外，用于定义水资源可持续性指数阈值的方法以及针对独立和依赖子流域分别评估指数的方法，构成了所提框架的新颖方面。

研究区域
本研究在伊朗西北部乌尔米耶湖流域第二大子流域——阿吉恰伊河流域（以下简称 Aji Chai）进行。该流域面积 10,784 平方公里，位于东阿塞拜疆省，介于东经 46°45′ 至 50°47′ 和北纬 39°37′ 至 28°38′ 之间。图 1 提供了 Aji Chai 的概览，展示了其地理位置、河网、大坝位置以及水文气象站。

Aji Chai 汇入乌尔米耶湖，包含 24 条主要河流

SWAT 模型性能评估
SWAT 模型被用于在 Aji Chai 内划分 73 个子流域，使用了空间精度为 30 米的 DEM 图层。该过程涉及将地形数据（图 2a）与土壤和土地利用地图（图 2b）相结合，共生成 6840 个 HRU。其目的是提高每个子流域内从地表水和地下水资源向不同作物分配水量的准确性，使其尽可能接近实际分配值。此外，模拟灌溉的 ETa

讨论
结果表明模拟值与观测值之间具有良好的一致性，证明了 SWAT 模型在研究区域中模拟径流的令人满意的表现（表 4）。结果与 Immerzeel 等（2008）和 Adjei 等（2022）在类似研究区域报告的发现一致。位于流域下游部分及沿 Aji Chai 主河道分布的子流域在流域内充当用水者，利用由其他区域产生的径流。

结论
在本研究中，我们开发了一种基于实际用水消耗、环境流量需求及其阈值值的流域可持续性指数 WSIT。主要发现总结于下：
•通过对年潜在径流进行趋势分析，研究发现区域自 1996 年起经历了显著的下降趋势。考虑到该时期长度足够且不确定度较低，选择 1996–2021 年期间估算 WSIT 和 AAWC。
•CRediT 作者贡献声明
Hojat Ahmadzadeh：写作–审阅与编辑，写作–原始草稿，验证，方法论，调查，形式分析，数据整理，概念化。Abolfazl Majnooni-Heris：写作–审阅与编辑，验证，监督，资源，项目管理，资金获取，概念化。Ahmad Fakheri Fard：写作–审阅与编辑，监督，资源，项目管理，方法论，概念化。Farshad Fathian：写作–审阅与编辑，写作–

利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢
本研究得到 Tabriz 大学研究基金支持[项目编号 2895]。作者感谢伊朗 Tabriz 大学提供优越的工作环境和所需数据。

Hojat Ahmadzadeh | Abolfazl Majnooni-Heris | Ahmad Fakheri Fard | Farshad Fathian | Kabir Rasouli
伊朗 Tabriz 大学水利工程系