基于模糊聚類的海河流域農(nóng)業(yè)節(jié)水分區(qū)研究

丁志宏 郭兵托 楊朝瀚

摘要：結(jié)合流域機(jī)構(gòu)對(duì)海河流域農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉管理工作的現(xiàn)實(shí)需求，在綜合考慮海河流域現(xiàn)狀農(nóng)業(yè)節(jié)水工作各項(xiàng)影響因素和制約條件的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了海河流域農(nóng)業(yè)節(jié)水分區(qū)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，運(yùn)用模糊聚類方法將海河流域劃分為6個(gè)農(nóng)業(yè)節(jié)水一級(jí)分區(qū)、19個(gè)農(nóng)業(yè)節(jié)水二級(jí)分區(qū)，討論了分區(qū)合理性，并結(jié)合最嚴(yán)格水資源管理制度的實(shí)施提出了下一步的工作方向。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)節(jié)水；節(jié)水分區(qū)；指標(biāo)體系；模糊聚類；海河流域

中圖分類號(hào)：TV213.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/ j.issn.1000-1379.2018.03.011

海河流域水資源匱乏，多年平均水資源總量為370億m3，人均水資源量為270m3，僅為全國(guó)人均水資源量的12.8%，是全國(guó)七大江河流域中人均水資源量最少的流域。海河流域是我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)達(dá)地區(qū)，也是糧食主產(chǎn)區(qū)之一，社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生產(chǎn)生活用水量巨大，農(nóng)業(yè)灌溉用水量占總用水量的比重較大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，海河流域2012年農(nóng)業(yè)用水量為252億m3（占總用水量的67.77%O），其中農(nóng)田灌溉用水量221.85億m3，占農(nóng)業(yè)用水量的88.03%。

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展規(guī)劃的部署和實(shí)施，海河流域的工業(yè)和城市生活用水量將會(huì)有較明顯的增加，工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生態(tài)爭(zhēng)水的問題將日趨嚴(yán)重。因此，在今后一個(gè)時(shí)期內(nèi)，大力發(fā)展農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉是確保海河流域糧食安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑，是落實(shí)“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”的新時(shí)期治水思路，實(shí)現(xiàn)以水資源的可持續(xù)利用支撐社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略措施和實(shí)踐抓手。

在農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉工作開展的實(shí)踐過程中，海河流域各區(qū)域在地形地貌、耕作制度、作物種類、作物需水量、水資源條件、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等方面具有明顯的空間差異性。為了貫徹落實(shí)最嚴(yán)格水資源管理制度，提高流域管理機(jī)構(gòu)對(duì)農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉工作指導(dǎo)的針對(duì)性，亟需根據(jù)海河流域各地的自然地理?xiàng)l件、社會(huì)發(fā)展?fàn)顩r、經(jīng)濟(jì)承受能力和水資源條件等制約因素劃分出不同類型的節(jié)水灌溉分區(qū)體系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)分區(qū)管理。

農(nóng)業(yè)節(jié)水分區(qū)方法較多，主要有經(jīng)驗(yàn)法、指標(biāo)法、重疊法、聚類法等[1]，其中以模糊聚類法應(yīng)用最為廣泛[2-7]。模糊聚類法有較為完善的理論基礎(chǔ)和計(jì)算方法，能夠解釋因素之間的內(nèi)在聯(lián)系和差別，消除定性分析的主觀性和任意性，適用性較強(qiáng)。當(dāng)獲取的資料較為充分時(shí)，分析結(jié)果準(zhǔn)確、可靠，能反映客觀實(shí)際情況[8]。

筆者在綜合考慮海河流域現(xiàn)狀農(nóng)業(yè)節(jié)水工作各項(xiàng)影響因素和制約條件的基礎(chǔ)上.構(gòu)建分區(qū)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，運(yùn)用模糊聚類方法，開展海河流域農(nóng)業(yè)節(jié)水分區(qū)研究工作.以期為流域?qū)用嫔系霓r(nóng)業(yè)灌溉規(guī)劃與管理工作提供技術(shù)參考和基礎(chǔ)支撐。

1 模糊聚類方法

模糊聚類方法是一種多元數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法.基于待分類對(duì)象所具有的模糊性特征。通過建立模糊相似矩陣，運(yùn)用模糊等價(jià)關(guān)系進(jìn)行聚類分析。

模糊聚類方法的一般步驟包括數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、標(biāo)定（即構(gòu)建模糊相似矩陣）、聚類、確定最佳模糊截集λ值4個(gè)步驟。

1.4 確定最佳閾值

根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和專家意見確定適當(dāng)?shù)腁值，選擇待分類對(duì)象的一個(gè)具體分類，以得到符合流域農(nóng)業(yè)灌溉發(fā)展?fàn)顩r的分區(qū)結(jié)果。

2 實(shí)際應(yīng)用

2.1 評(píng)價(jià)單元

選取海河流域綜合規(guī)劃中確定的80個(gè)水資源三級(jí)區(qū)套地市單元作為本研究的基本評(píng)價(jià)單元。其中子牙河山區(qū)大同、子牙河山區(qū)朔州和徒駭馬頰河安陽這3個(gè)分區(qū)的面積僅分別為10、90、68km2，且其相關(guān)的自然地理、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、農(nóng)業(yè)灌溉等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)缺乏，從實(shí)際管理工作考慮，本次分區(qū)評(píng)價(jià)暫不考慮這3個(gè)單元，故本文計(jì)算使用的基本評(píng)價(jià)單元共計(jì)77個(gè)。

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

評(píng)價(jià)指標(biāo)體系由兩級(jí)分區(qū)指標(biāo)構(gòu)成：一級(jí)分區(qū)指標(biāo)主要體現(xiàn)地形地貌、灌溉水源和水資源現(xiàn)狀開發(fā)利用程度，包括地貌類型和灌溉水源2項(xiàng)定性指標(biāo)、水資源開發(fā)利用率和地下水開發(fā)利用率2項(xiàng)定量指標(biāo)；二級(jí)分區(qū)指標(biāo)主要體現(xiàn)氣候特征、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、灌溉用水需求狀況、農(nóng)業(yè)灌溉發(fā)展水平等，包括干旱指數(shù)、人均GDP、小麥灌溉定額、玉米灌溉定額、耕地灌溉率、種植結(jié)構(gòu)、節(jié)水灌溉比、高效節(jié)灌比、現(xiàn)狀灌溉水利用系數(shù)、用水結(jié)構(gòu)等10項(xiàng)定量指標(biāo)。具體指標(biāo)的意義和作用闡述如下。

（1）地貌類型。地貌類型是一個(gè)區(qū)域地表起伏程度的宏觀形態(tài)，海河流域地貌類型按山丘區(qū)（含山間盆地區(qū)）和平原區(qū)分類，用于節(jié)水區(qū)劃分類及其命名。

（2）灌溉水源。灌溉水源是指灌溉水的來源，通常分為當(dāng)?shù)厮春屯庹{(diào)水源，當(dāng)?shù)厮粗饕堑乇硭偷叵滤?，外調(diào)水源在海河流域農(nóng)業(yè)灌溉中主要是引黃水。本文的灌溉水源特指引黃水。

（3）水資源開發(fā)利用率和地下水開發(fā)利用率。水資源開發(fā)利用率是反映一個(gè)區(qū)域已開發(fā)利用的水資源量占水資源總量的比例，是與社會(huì)經(jīng)濟(jì)供用水量、節(jié)水水平、用水總量控制指標(biāo)、用水效率指標(biāo)等密切相關(guān)的代表性指標(biāo)?？紤]到海河流域地表水水質(zhì)狀況和以地下水為主的供水水源結(jié)構(gòu)，本文采用水資源開發(fā)利用率和地下水開發(fā)利用率這2項(xiàng)指標(biāo)來反映水資源開發(fā)利用程度，為了更全面地反映一個(gè)地區(qū)的水資源供需矛盾尖銳程度，本文計(jì)入跨流域調(diào)水量。

（4）干旱指數(shù)。氣候?qū)τ谵r(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響極大，一般來說，水分狀況是決定農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要因素。蒸發(fā)量和降水量是水分狀況的兩個(gè)主要表征指標(biāo)，二者的比值可以反映一個(gè)地區(qū)水資源的天然收支情況，間接反映該地區(qū)的干濕程度，稱之為干旱指數(shù)。干旱指數(shù)相似的地區(qū)，其潛在的農(nóng)業(yè)水資源供需情況大致上是相近的。因此，本文采用干旱指數(shù)表征氣候特征。

（5）人均GDP。一個(gè)區(qū)域整體的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平是影響區(qū)域農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉發(fā)展水平和需求的重要因素。本文采用人均GDP來表征社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平。

（6）小麥灌溉定額和玉米灌溉定額。灌溉定額是一個(gè)區(qū)域在不同降水條件下農(nóng)作物單位面積的灌溉需水量，可以反映一個(gè)區(qū)域基本灌溉需求狀況。本文采用小麥和玉米這兩類海河流域的主要糧食作物的50%頻率下的灌溉需水量，來表征灌溉定額這一節(jié)水分區(qū)劃分影響因素。

（7）耕地灌溉率。耕地灌溉率是有效灌溉面積占耕地面積的比例，可以反映當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)的水利化程度、可供灌溉用水量的多少以及水資源利用的難易程度，是一項(xiàng)綜合性指標(biāo)。

（8）種植結(jié)構(gòu)。種植結(jié)構(gòu)是影響農(nóng)業(yè)需水量和節(jié)水灌溉發(fā)展的內(nèi)生變量。本文采用糧田灌溉面積占有效灌溉面積的比例來表征種植結(jié)構(gòu)。

（9）節(jié)水灌溉比。節(jié)水灌溉比是節(jié)水灌溉面積占有效灌溉面積的比例，表征灌溉發(fā)展的基本水平。

（10）高效節(jié)灌比。高效節(jié)灌比是高效節(jié)水灌溉面積占有效灌溉面積的比例。以微灌、噴灌、滴灌等為代表的高效節(jié)水灌溉方式是農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉發(fā)展的主要方向，高效節(jié)灌比是農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉發(fā)展水平高低的主要表征指標(biāo)。

（11）現(xiàn)狀灌溉水利用系數(shù)。它是反映現(xiàn)狀農(nóng)業(yè)水資源有效利用程度的綜合性指標(biāo)。

（12）用水結(jié)構(gòu)。用水結(jié)構(gòu)是反映農(nóng)業(yè)水資源豐富程度的定量指標(biāo)。本文采用灌溉用水量占總用水量的比例來表征用水結(jié)構(gòu)。

2.3 分區(qū)劃分結(jié)果

選取2012年為評(píng)價(jià)現(xiàn)狀水平年，77個(gè)基本評(píng)價(jià)單元的12項(xiàng)定量評(píng)價(jià)指標(biāo)值見表1，其中的水資源開發(fā)利用率是2005-2012年各評(píng)價(jià)單元的多年平均供水總量與其水資源總量的比值，地下水開發(fā)利用率是2005-2012年各評(píng)價(jià)單元的多年平均地下水供水量與其地下水資源量的比值。

我國(guó)北方地區(qū)水資源短缺，依據(jù)地表水資源合理開發(fā)利用率應(yīng)維持在60%～70%范圍之內(nèi)[9]以及國(guó)際公認(rèn)的水資源開發(fā)利用率極限閾值為40%的研究結(jié)論，結(jié)合海河流域現(xiàn)狀水資源開發(fā)利用實(shí)際情況，筆者對(duì)各評(píng)價(jià)單元水資源開發(fā)利用程度指標(biāo)分類提出如下標(biāo)準(zhǔn)：①水資源高強(qiáng)度開發(fā)利用區(qū)，水資源開發(fā)利用率或者地下水開發(fā)利用率大于等于0.6；②水資源中強(qiáng)度開發(fā)利用區(qū)，水資源開發(fā)利用率或者地下水開發(fā)利用率大于等于 0.4、小于0.6；③水資源低強(qiáng)度開發(fā)利用區(qū)，水資源開發(fā)利用率或者地下水開發(fā)利用率小于0.4。

根據(jù)表1，運(yùn)用模糊聚類分析法劃分得到海河流域農(nóng)業(yè)節(jié)水分區(qū)體系，見表2。由表2可知：①海河流域可劃分為山前平原區(qū)、中部及濱海平原區(qū)、南部引黃平原區(qū)、北部燕山區(qū)、西北部太行山區(qū)、西部太行山區(qū)6個(gè)農(nóng)業(yè)節(jié)水一級(jí)分區(qū)。②在77個(gè)分類單元中，屬于高強(qiáng)度開發(fā)利用區(qū)的單元有36個(gè)，屬于中強(qiáng)度開發(fā)利用區(qū)的單元有9個(gè)，屬于低強(qiáng)度開發(fā)利用區(qū)的單元有32個(gè)。③在6個(gè)農(nóng)業(yè)節(jié)水一級(jí)分區(qū)中，就水資源開發(fā)利用程度而言，中部及東部濱海平原區(qū)、南部引黃平原區(qū)的各評(píng)價(jià)單元均為高；山前平原區(qū)的各評(píng)價(jià)單元僅大清河淀西平原北京為中，其余均為高；北部燕山區(qū)的各評(píng)價(jià)單元普遍為中和低；西北部太行山區(qū)均為中；西部太行山區(qū)僅漳衛(wèi)河山區(qū)焦作為高，其余均為低。④海河流域可劃分為19個(gè)農(nóng)業(yè)節(jié)水二級(jí)分區(qū)。

2.4 分區(qū)合理性分析

（1）評(píng)價(jià)單元?jiǎng)澐趾侠硇苑治?。采用水資源三級(jí)區(qū)套地市分區(qū)作為基本評(píng)價(jià)單元，使得單元的空間尺度適應(yīng)流域管理機(jī)構(gòu)的管理需求，便于與海河流域水資源綜合規(guī)劃等有關(guān)規(guī)劃成果相協(xié)調(diào)，便于農(nóng)業(yè)節(jié)水日常管理工作的開展，便于流域機(jī)構(gòu)按照最嚴(yán)格水資源管理制度確定的“三條紅線”“四項(xiàng)制度”來開展農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉的管理工作。

（2）分區(qū)成果合理性分析。所劃分的6個(gè)一級(jí)節(jié)水分區(qū)，既體現(xiàn)了與地形地貌特征有關(guān)的氣候條件、作物熟制、種植結(jié)構(gòu)等農(nóng)業(yè)節(jié)水分區(qū)影響因素分布的空間差異性，又反映了現(xiàn)狀海河流域水資源開發(fā)利用程度這一水資源管理主導(dǎo)影響因素的空間差異性，符合流域?qū)嶋H情況；所劃分的19個(gè)二級(jí)節(jié)水分區(qū)與海河流域現(xiàn)狀大中型灌區(qū)空間位置基本一致，與相關(guān)?。ㄖ陛犑校┑默F(xiàn)有農(nóng)業(yè)節(jié)水分區(qū)基本一致，既體現(xiàn)了區(qū)域農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉發(fā)展現(xiàn)狀，又體現(xiàn)了社會(huì)經(jīng)濟(jì)和行政區(qū)劃對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉發(fā)展的影響，符合流域?qū)嶋H情況。3結(jié)語

運(yùn)用模糊聚類方法將海河流域劃分為6個(gè)農(nóng)業(yè)節(jié)水一級(jí)分區(qū)、19個(gè)二級(jí)分區(qū)，可為海河流域農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉的分區(qū)管理工作提供參考。

在下一步的工作中，應(yīng)結(jié)合不同水平年的總量控制指標(biāo)和用水效率指標(biāo)在水資源三級(jí)區(qū)套地市單元的分解結(jié)果，提出不同規(guī)劃水平年各單元適宜的灌溉水量控制指標(biāo)以及不同節(jié)水灌溉模式下的適宜灌溉面積，以便于更好地實(shí)施農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉方面的水行政管理工作。

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