海河流域农业节水分区研究工作的若干思考

2016-07-29丁志宏徐向广宋秋波

海河水利 2016年2期

关键词：工作内容技术路线技术要点

丁志宏，徐向广，宋秋波

（1.天津市中水科技咨询有限责任公司，天津　300170；2.水利部海河水利委员会，天津　300170）

海河流域农业节水分区研究工作的若干思考

丁志宏1，徐向广2，宋秋波1

（1.天津市中水科技咨询有限责任公司，天津300170；2.水利部海河水利委员会，天津300170）

摘要：结合农业节水灌溉管理工作的现实需求，总结了在流域层面开展农业节水分区研究工作的目的和意义，提出了分区划分工作的基本原则和技术路线，剖析了分区研究工作的主要内容和技术要点，以期为有关方面开展农业节水分区研究提供技术参考。

关键词：海河流域；节水区划；分区划分；分区原则；技术路线；工作内容；技术要点

海河流域水资源贫乏，多年平均水资源总量370亿m3，人均水资源量270 m3，仅为全国人均水资源量的12.8%，是全国七大江河流域中人均水资源量最少的流域。与此同时，海河流域又是我国经济社会发达地区，也是主要的粮棉油产区，社会生活与经济生产用水量巨大（现状总用水量371.87亿m3，现状年为2012年，下同），农业灌溉用水量占总用水量的比重较大（现状占比59.66%）且用水效率不高（现状综合灌溉定额3 360 m3/hm2，灌溉水有效利用系数0.64），地下水超采严重（现状严重超采区面积6.12万km2，年超采水量80亿m3）。

随着各类国家级、区域级和省级等不同级别经济社会发展规划的陆续部署和推进实施，海河流域的工业和城市生活用水量在未来将会有较明显的增加，“工、农、生”争水问题将日趋严重。因此，在今后一个时期内，大力发展农业节水灌溉将是确保海河流域粮食安全和农业可持续发展的重要途径，是实现以水资源的可持续利用支撑经济社会可持续发展的重要战略措施和实践抓手。

但在农业节水灌溉工作实践过程中，海河流域的地形地貌、耕作制度、作物种类、作物需水量、水资源条件、农业生产条件以及社会经济发展水平等方面具有明显的空间差异性，为了贯彻落实最严格水资源管理制度，提高流域管理机构对农业节水灌溉工作指导的针对性，亟需根据海河流域各地的自然地理条件、社会发展状况、经济能力和水资源条件等制约因素划分制订出不同类型的节水灌溉分区体系，进而根据各分区的水资源状况和特点提出分区管理意见和适宜技术模式，为流域层面的农业灌溉规划与管理工作提供技术参考和基础支撑。

1　工作目的和研究意义

为了实现以水资源的可持续利用支撑流域社会、经济、生态系统的协调发展，规模化发展节水灌溉、全面提高农业用水效率是海河流域农业灌溉事业发展的必由之路，是发展现代农业的一项重大战略和根本性措施，而海河流域各区域在发展节水灌溉的自然、社会、经济和技术条件以及农业发展布局和各种农业技术措施适用性等方面均存在着明显的地域差异性，这些差异性相互联系、相互影响且并存于同一区域内，从而形成各区域发展节水灌溉的不同特点。为此，亟需在系统分析流域水资源状况、全面掌握农田灌溉发展情况、综合考虑各种影响因素的基础上，开展农业节水分区研究工作，以揭示海河流域各区域农业节水灌溉发展条件的区间差异性和区内一致性，科学合理地划分出海河流域不同的农业节水灌溉分区，按照自然和经济规律以及水资源开发利用条件拟定各区域农业水资源高效利用的方向、措施以及管理意见，为农业节水发展的宏观决策、分类指导以及制定和审查节水灌溉发展规划提供科学依据。

海河流域农业节水分区研究工作可以为流域管理机构有效履行流域农业节水灌溉管理工作职责提供基础性支撑和方向性参考，是贯彻落实“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”新时期治水思路的重要基础工作，是推进实施《国家农业节水纲要（2012—2020年）》的必要技术工作，是流域管理机构履行对流域农业节水灌溉工作进行宏观指导和组织工作职责的重要抓手。

2　分区原则和技术路线

2.1分区原则

农业节水灌溉区划的分区必须根据调查收集的资料和研究分析的成果，参考有关的区划和规划以及长期生产实践中所形成的区划概念来进行。分区的方法要遵循“区别差异性、归纳相似性”的原则，即将分区指标相同或相似的基本分区单元纳入同一个区，各分区之间在某些指标或某个指标上有显著的差别。

节水灌溉区划是水利区划的组成部分，而水利区划又是综合农业区划的组成部分。因此，节水灌溉区划必须遵循水利区划的一些基本原则，要与整个水利建设发展方向相一致，同时又要反映农业区划中对水利工作的要求。

根据研究目的和工作要求，海河流域农业节水分区研究工作的指导原则可以归纳如下:

（1）自然要素的一致性，即气候、地形、地貌、土壤等自然地理条件要有一定的相似性，水资源的开发利用条件也应基本相似。

（2）节水灌溉发展方向和目标的一致性，即在同一区域内主要灌溉作物对象及节水灌溉措施要基本一致。

（3）行政区划的完整性，即适当照顾现有行政区划，尽可能保持分区的区界与行政区域界限相一致，破地市而不破县区。

（4）相对的独立性，即要反映节水灌溉区划的特点。节水灌溉区划虽然是农业水利区划的一个组成部分，在总体上应服从农业水利区划，但节水灌溉又与其他水利措施有显著不同的特点，保持其相对独立性有助于指导节水灌溉的发展。

2.2技术路线

海河流域农业节水分区研究工作可采用实证研究与理论分析相结合的工作思路，通过资料收集、文献调研和数据分析，综合考虑自然、社会、经济、技术等影响因素的约束和保障作用，将农业灌溉发展需求与现实可能影响条件这两方面因素进行对比分析并紧密结合起来，提出科学、合理、实用的节水分区区划。

海河流域农业节水分区研究工作的技术路线，如图1所示。

图1　海河流域农业节水分区研究技术路线

3　工作内容和技术要点

3.1工作内容

农业节水分区研究是指导农业水资源合理开发与高效利用的基础性工作，其工作内容可以划分为选取基本评价单元、构建分区指标体系、划分分区体系类型和提出分区对策措施4项研究任务，具体分述如下:

（1）基本评价单元选取是要确定海河流域农业节水分区研究工作的空间对象，是分类指标体系和指标取值所要依附的地理单元的选择过程，也是流域管理机构实施农业节水管理工作的基本着眼点和评价单元。

（2）分区指标体系构建是要在充分了解和掌握海河流域自然地理、社会经济和农业灌溉发展水平等现实状况的基础上，结合工作目的和资料收集情况，统筹考虑各项影响因素，抓住主要矛盾，以服务于流域管理机构的农业节水灌溉管理工作为出发点和落脚点，构建农业节水分区的评价指标体系，明确各项指标含义，量化各项指标数值。

（3）分区体系类型划分是要综合考虑所建立的分区评价指标体系中的各项指标值的内在联系，按照类间差异度最大、类内相似度最大的原则，采用定性和定量相结合的分类方法，在结合实践经验和专家意见的基础上，运用聚类分析方法将待分类的基本评价单元进行归类，形成层次化的海河流域农业节水分区区划体系。

（4）分区对策措施建议是在取得海河流域农业节水灌溉分区的基础上，结合各分区的自然、社会、经济和技术等影响因素，有针对性地提出各分区发展农业节水灌溉的对策措施，因地制宜地探讨各分区节水灌溉发展方向和适用技术模式，为有关部门提供决策参考。

3.2技术要点

在开展上述4项研究任务的过程中，有一些需要注意的问题，现对各技术要点阐述如下:

3.2.1基本评价单元选取

单元的空间尺度或级别要以适应分区所要服务的有关水行政主管部门的管理需求为目的，同时还要结合所能收集到的该尺度或级别的单元所具有的分区评价指标体系需要表征的数据与资料情况来确定。一般而言，省级层面上的农业节水分区可以县级行政区为基本评价单元，县市级层面上的农业节水分区可以乡镇级行政区为基本评价单元，各类基本评价单元的选取可以同时考虑行政区划和水资源分区来进行，也可以只考虑行政区划情况来进行。为了便于与海河流域水资源综合规划等有关规划成果相协调、便于农业节水日常管理工作的开展、便于流域机构按照最严格水资源管理制度确定的“三条红线”“四项制度”来开展农业节水灌溉的水资源管理工作并结合基础资料收集与掌握情况，在海河流域农业节水分区研究工作中，选择海河流域水资源三级区套地级市单元为本次分区工作的基本评价单元。海河流域划分为15个水资源三级区，其中7个山区分区、8个平原分区，水资源三级分区与地级行政区相结合，形成81个三级区套地级市单元，其中“子牙河山区大同”“子牙河山区朔州”“滦河山区赤峰”和“徒骇马颊河安阳”这4个分区的面积仅为几十平方公里，加之与其相关的自然地理、社会经济、农业灌溉等统计数据缺乏，从实际管理工作考虑，本次分区评价可暂不考虑这4个单元。因此，本次农业节水分区划分工作实际使用的基本评价单元共计77个。

3.2.2分区指标体系构建

首先要根据节水灌溉区划的特点和要求，通过系统研究，结合实际确定分区的评价指标体系，所确定的指标体系应有明确的概念和量化的标准，而且所需要的数据可以通过资料收集、文献调研、实地调查或分析计算等途径和手段方便地取得，各项指标必须要明确附着于特定的基本评价单元。一般而言，农业节水分区指标体系所要考虑的影响因素包括地形地貌、气候特征、水文特性、水资源条件、灌溉发展水平、工程设施类型、社会经济能力、农业生产水平、作物需水状况、灌溉发展需求等若干类，具体选取时要因地制宜、综合考虑。

根据2.1节所述的农业节水分区基本原则，考虑节水灌溉的特点，结合既有数据资料收集情况，按照全面性、概括性、易于取得的指标选取要求，筛选出对海河流域农业节水分区划分工作影响较大的地貌类型、灌溉水源、水资源开发利用程度、气候条件、社会经济条件、灌溉用水需求状况、农业灌溉发展水平7大类、15个指标组成海河流域农业节水分区的评价指标体系，具体采用两级分类指标体系，一级分区指标体系主要体现的是地形地貌、灌溉水源和水资源现状开发利用程度，具体包括山丘区、平原区和引黄水3项定性指标以及水资源开发利用率和地下水开发利用率2项定量指标；二级分区指标体系主要体现的是气候特征、社会经济发展水平、灌溉用水需求状况、农业灌溉发展水平等，具体包括干旱指数、人均GDP、小麦灌溉定额、玉米灌溉定额、耕地灌溉率、粮田占有效灌溉面积比例、节水灌溉比、高效节灌比、现状灌溉水利用系数、总用水量中的灌溉用水占比10项定量指标。

3.2.3分区体系类型划分

要充分认识到农业节水分区工作的实质就是按照分区指标体系所确定的各项指标对选取的若干基本评价单元进行聚类的过程和结果，即“分区”就是“聚类”，无论采用的分区划分方法是哪一种。

目前，农业节水分区方法可以概括为定性分析分区方法、定量分析分区方法以及定性分析与定量分析相结合的分区方法三大类型，各类方法分述如下:

（1）农业节水分区划分的定性分析方法有多种，常用的有经验法、类型法、指标法、重叠法等。

经验法是在所收集整理到的既有成果资料基础上，将分区研究人员的专业知识和实践经验相融合来对评价单元进行相似性归类，以得出分区成果的分区划分方法。经验法需要占有大量的既有资料和成果，分区成果的可靠性与分区工作划分人员的水平和经验有直接关系，因而具有一定的主观性，但是该方法的优点是简单、直接，无需数值计算。经验法可以从宏观方向上进行分区，对所得分区的进一步深化可以起到方向性的指导作用。

类型法是根据区域内客观存在的具有不同特征的不同评价单元，选择一定的指标，通过定性分析，找出具有一定类型代表性的基本特征，将基本特征相似的区域分别进行分类和组合而划分出不同类别分区的区划方法。如，可按照水资源紧缺程度划分为极度缺水型、轻度缺水型、一般缺水型、丰水型等；可根据地貌类型，又可分为山区极度缺水型、平原轻度缺水型、河谷一般缺水型等；可根据作物类型，又可分为经济作物山区极度缺水型、粮食作物平原轻度缺水型等；然后，根据缺水原因，又可分为经济作物山区工程极度缺水型、粮食作物平原水质轻度缺水型等。最后，将归纳出的各大类型分区在空间上进行定位制图。

指标法是通过对有关自然地理条件、社会经济条件、农业生产特征、作物种植结构和灌溉发展水平等成果的分析和计算，确定出能反映各区域特征的主要指标，如干燥度指标、缺水程度指标、人均耕地指标、人均水资源量指标、单位面积水资源量指标、单位面积产值指标、人均收入指标等，最后再分配各指标的层次和权重进行分区划分的方法。

重叠法，亦称套图法，是将所收集到的与农业节水分区工作密切相关的行政区划图、地形地貌图、气候区划图、农业区划图、水利区划图、土地利用图以及农业种植结构图等重叠在一起，根据重叠的情况来确定区划分区的边界，现在一般采用ArcGIS等地理信息系统软件来进行。重叠法应用的关键问题是选好各类对农业节水分区起主要影响作用的因素图，主要包括地形地貌图、行政区划图与水利区划图等图件。

（2）农业节水分区划分的定量分析方法是运用高等数学或者数理统计的方法来进行区划分区工作，主要有聚类分析法、主成分分析法、层次分析法和判别分析法等。

聚类分析法是对某一研究对象进行客观的定量分类，其需要根据各个样本所具有的自然属性、社会属性以及其他属性，运用数学方法定量地确定各评价单元之间的亲疏关系，即根据各评价单元属性的相似性和差异性，把相似性较大的单元聚成一类，每一小类之间的各单元属性差异最小，各大类单元之间的属性则有明显的差异性。该方法无需事先知道分类单元可以分为多少类，而是通过数理统计方法的计算来最后客观地形成一个分类体系。常用的聚类分析法有动态聚类法、分解聚类法、共区优选法、系统聚类法和模糊聚类法等。其中，模糊聚类法是聚类分析方法与模糊集合理论相结合的产物，具有严格的数理基础，能够揭示各指标之间的内在本质差别和有机联系，消除了定性分析的主观任意性，具有所得分类结果可靠、无需事先知道分类单元可分多少类等优点，是研究和实践工作中应用较多的一种方法。

主成分分析法是运用降低数据维数的方法来使用较少的几个综合指标代替原来较多的变量指标，用较少的因子考虑多个因子的影响。其优点是理论性和抽象性较强，不一定从原始指标出发，而是可以通过数学变换来直接处理各自的函数；缺点是不能直接得到分区结果而是必须借助其他的分类方法才能确定科学可靠的分区体系，通常用在其他方法的数据前处理程序中。

层次分析法首先是把复杂的系统分解为若干子系统，并按照它们之间的从属关系进行分组，形成有序的递阶的层次化结构，然后通过将某种特性两两对比的方式来确定各个子系统的相对重要性，最后，综合决策者的主观判断以确定各个子系统相对重要性的总顺序。其优点是方法简单、计算简便，更容易符合现状；缺点是在权重的确定过程中，受主观因素影响较大。

判别分析法是根据分类单元之间的区间差异性和区内相似性原理建立的，虽然可以定量考虑多因子的综合作用，可操作性也较强，但是经常会出现“跳区”，即有个别样本跨越区界的现象。

（3）为了使得分区结果更符合实际情况，在实际工作中，还可以采用定性分析与定量分析相结合的方法来进行农业节水分区研究工作，主要有逐步判别分析与经验联合分区法、主成分分析与模糊聚类相结合分区法、层次分析与星座聚类联合分区法以及其他各类定性与定量相组合的分区方法等。

逐步判别分析与经验联合分区法是首先运用判别法进行分区，然后根据经验对分区结果进行人工修正。

主成分分析与模糊聚类相结合分区法是首先运用主成分分析法对指标进行降维处理，化繁为简，得到主成分指标，这样就抓住了主要矛盾，既减少了计算的工作量又保留了原始指标的主要信息，再用新的综合指标代替原来的指标进行模糊聚类分区，这是分区工作中经常采用的一种方法。

层次分析与星座聚类联合分区法是首先运用层次分析法解决各指标权重的确定问题，然后对各项指标进行极差变换，将坐标参数转换为直角坐标，计算各点的指标综合值，最后再绘制星座图来进行分区划分工作的方法，缺点是计算工作量较大、可操作性较差。

另外，也可以采用其他定性与定量相组合的分区方法。如，可以首先选取地形地貌、灌溉水源等定性因素运用类型法划分几类大的一级分区，再采用模糊聚类分析法对其余的定量指标进行分析计算得到二级分区，最后结合专家意见和实践经验进行调整，确定最终的分区体系。

在农业节水分区实践工作中，具体采用哪种方法要根据工作目的和掌握资料情况，本着简便、适用、科学、可行的原则来选取。

考虑到海河流域农业节水分区的对象单元具有模糊特征以及无法事先预知待分区对象单元的可分类别数目，本次分区研究确定采用定性和定量相结合的分区方法，其中定性分析法采用类型法、定量分析法采用模糊聚类分析法。具体而言，定性分析法是依据地貌类型和灌溉水源这2类指标来进行的，是根据实践经验从大的地理格局的角度来划分农业节水分区，具有字符型的指标值；之后，其余5类指标具有数值型的指标值，用于通过使用模糊聚类方法来划分二级分区，在得到二级分区体系数值计算结果的基础上，再结合专家经验和管理部门的意见作必要的人工调整，通过这一定性与定量相结合的分区方法来开展海河流域农业节水分区研究工作。

3.2.4分区对策措施建议

可以采用的工作思路是将农业节水灌溉的技术特点及其影响因素与各分区客观现实条件及其发展需求之间实现相互对接，分门别类，列表分析，充分调查所要施行的技术客体与受纳分区的环境主体之间的相容性，包括技术、社会、经济、生态等各方面的环境相容性，尤其要注意分析和考虑经济因素在农业节水技术的规划、实施、管理工作中所起的驱动和约束作用。