基于系统聚类方法的黄河流域地表水利用程度评析

尹瀚民+贾文毓

摘要：指出了随着社会经济的不断发展，黄河流域水资源可持续问题越来越凸显出来，不同省区，对黄河流域地表耗水状况不同，但同时各省区对水资源利用又有一定的相似性。应用系统聚类分析方法，通过选取6类指标，对黄河流域9省区地表耗水程度的距离相似性情况进行了评价。结果表明：青海和四川的距离相似归为第一聚类；甘肃、宁夏、陕西、内蒙古、山西为第二聚类；河南和山东为第三聚类。提出了要处理好生态系统和社会经济发展之间的关系，需要对二者进行协调，走可持续发展之路。

关键词：黄河流域；地表耗水；系统聚类分析

中图分类号：TV213.9 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2017）2-0091-04

1 引言

黄河流域是我国重要的能源化工基地和粮棉基地，在我国经济建设中起着重要的作用，如何处理好黄河流域地表水资源的利用问题，一直是国家政府所关切的问题之一，也是不同领域的专家学者研究的重点问题。目前国内对于黄河流域水资源问题和利用问题的研究很多。从行政管理和法律层面，黄蕊[1]运用经济学、生态学、环境学和法学基本理论，研究了黄河流域水资源管理体制问题、水权问题、水价问题、生态补偿与法律管理问题，李珂[2]在现有的关于黄河流域水资源管理法律法规的基础上，结合我国实际提出了完善的管理措施，范瑶[3]也从法律角度对黄河流域水资源保护与利用进行了相关研究。从黄河流域水资源可再生能力出发，沈珍瑶等[4]利用定性分析建立了黄河流域水资源可再生指标，得出了黄河流域水资源可再生能力弱的结论，贾琦等[5]建立了基于云理论的水资源可再生能力综合评价体系，也同样得出黄河流域可再生能力总体上较弱的结论。从建立黄河流域水资源模型出发，吴泽宁等[6]建立了调控方案水资源利用效果评价模型，提出了流域水资源调控方案的准则和量化评价方案，贾抑文等[7]建立二元演化模型，对客观评价水土保持、生态建设、农田基本建设以及黄河治理规划等提出了重要参考价值，彭少明等[8]建立了黄河流域水资源利用的多目标规划模型，为分阶段提出黄河流域水资源利用对策提供了依据。另外国内学者还有从黄河流域承载能力、气候变化、水资源可持续利用以及对综合规划等方面进行研究。就目前研究来看，对黄河流域各省地表耗水量（各省直接从黄河干流和支流提水扣除其回归到黄河干支流河道的水量）的研究较少，其中张慧等[9]采用熵权模型的方法，对各省评估指标加权得到综合指数，对黄河流域及其各省（区）的综合农业水资源利用效率进行对比分析，现在，对黄河流域各省区地表水利用程度还未见报道，鉴于黄河流域地表水的重要性和特殊性，笔者欲完善这部分研究。

2 研究区概况

黄河为我国第二大河，发源于青海省巴颜喀拉山北麓的约古列宗盆地，流经青海、四川、甘肃、宁夏、内蒙古、山西、陕西、河南、山东9个省级行政区涉及68个地级行政单位[10]，在山东省的垦利县注入渤海，其位于北纬32～42°、东经96～119°。黄河流域地跨干旱、半干旱、半湿润地区，是典型的季风气候区，降水季节性强，变率大，多暴雨，最大降雨量出现在6～9月，占年降雨量70%～80%。流域面积约79.5万km2（包括内流区面积3.2万km2），干流全长5464 km，流域人口9781万人。

黄河流域多年平均河川径流534.8×108 m3，仅占全国河川径流量的2.2%，居全国七大江河第五位。流域内人均水资源量不到全国人均总量的30%，却承担着全国12%的人口、15%的耕地面积和沿河50多座大中城市的供水任务 [11]，这使得水资源供需矛盾更加突出。2005～2014年黄河地表耗水量如图1所示。

3 数据来源与研究方法

3.1 研究方法

聚类分析又称群分析或点群分析，它是一种研究多要素事物分类问题的数量方法。其基本原理是根据样本自身的属性，用数学方法按照某种相似性和差异性指标，距离近的先聚成类，距离远的后聚成类，最后每个样本都能聚到适当的类中，定量确定样本之间的亲疏关系的一种研究方法[12]，本文采用欧氏距离计算方法。

欧式距离为：

dij=∑nk=1（xik-xjk）2

令dij=d（xi，xj），D=（dij）n×n形成一个距离矩阵：

0d12…d1n

d210…d2n

d1nd2n…0，

令dij=dji；dij为变量i和j间的距离。

根据最近距离矩阵将距离最近的两个样品合成一类，根据欧式距离法的要求用离差平方和（WARD）进行聚类，当Gp和Gq合并为Gr后，与其他Gk距离的递推公式为[13，14]：

D2rk=nk+npnr+nkD2pk+nk+nqnr+nkD2qk-nknr+nkD2pq

式中np、nk、nr、nq分別为Gp、Gk、Gr、Gq各类的样品数。

3.2 数据来源与处理

依据指标选取原则，即包括：①目的性：选取的这几类指标能够对黄河流域各省对地表水利用程度进行评价，并找出利用程度相似的区域。②针对性：指标能够反映流域地区的用水情况，从侧面也能反映一定的生态危机。③科学性：指标概念明确，具有一定的实际价值。④可操作性：指标的选取利用了现有的年刊中的相关指标，主要包括农田灌溉用水（X1）、林木鱼畜用水（X2）、工业用水（X3）、城镇公共用水（X4）、居民生活用水（X5）、生态环境用水（X6）这6类。统计结果见表1，指标数据来源于为2014年黄河水资源公报。指标数据应用了SPSS Statistics 19统计软件进行聚类分析，因指标单位虽相同，但量纲不同，需要对数据进行标准化，标准化方法比较多，本文采用Z-score标准化方法，也叫标准差标准化。经过处理的数据符合标准正态分布，即均值为0，标准差为1，其中转化函数为：

x′ij=xij-jSj（i=1，2，…，n；j=1，2，…，m）

j=1n∑ni=1xij，Sj=∑ni=1（xij-j）2n，

式中：xij是原数据；j为所有样本数据的均值；Sj为所有数据的标准差。

4 数据计算结果与分析

将数据导入到相关软件，首先进行标准化处理，得到距离矩阵D为：

从各地区之间的距离（dij）来看，四川和青海的相似度最大（d12值最小），其值为1.509；四川和山东相似度最小（d29值最大），其距离值为38.172，其它的相似性根据dij来类推。另外，用离差平方和（WARD）将9类样本分成8类距离矩阵D8×8，然后在8类中再次将根据WARD分成7类样本，形成距离样本D7×7，直到所有样本根据WARD距离计算方法一步步计算形成距离谱系图（图2）。

图2中横轴表示距离，纵轴表示样本，即黄河流域9个省级行政区。不难看出，青海和四川先归为一类，然后甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、山西归为另一类，同样对其他省区进行分类，从该谱系聚类可以看出，并类的距离为10的前提下，黄河流域各省可以分为三类：青海、四川在上述6个指标综合结果属于相对较低的一类；甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、山西归为较高的第二类；河南、山东归为最高的第三类。通过图3可以看出，在第一类的两个省中，黄河流经青海省面积虽大但经济落后、工业基础薄弱，地处青藏高原，海拔高，农业主要集中在河流谷地，灌溉面积有限。流域内多天然草场，灌溉草地较少，该地区人口较少对黄河地表水利用程度低，黄河流经四川省西北部，为四川与青海的交界，流经四川的地区仍位于青藏高原区，与四川盆地工农业发达和优越的气候条件形成鲜明对比，该地区经济相对落后，工业化水平低，人口较少，所以对黄河水资源利用低。在第二类中，黄河流经的这5个省大体位于黄土高原地区，该地区处于半湿润和半干旱、季风区和非季风区的过渡地带，降水变率大，春季降水少，而春季是农业需水量大的季节。其中宁夏平原和河套平原是大型灌区且黄土高原大部分地区是暖温带气候作物两年三熟，农业用水量较大。流域地区矿产资源丰富，工业用水量较大，沿河城市多，人口稠密可以将他们归为利用较高的第二类。山东河南（除河南一小部分外）大部分处于华北平原地区，该地区位于暖温带季风气候区是我国粮食作物的主产区，作物两年三熟，且季风气候降水集中，春旱严重，该地区地势地平，可以大面积的引水灌溉，2015年山东河南人口位居全国第二和第三，经济发展位居全国前五，工业发展需水量大，城市化和生活用水量大可将其归为利用最高的第三类。

5 结论与建议

根据系统聚类对2014年黄河流域各省区地表耗水利用状况的分析，可以将黄河流域地表水利用分为三个区域，第一个区域为青藏高原区，省份为青海、四川两个省份，利用程度最小；第二个区域为黄土高原区，省份为甘肃、宁夏、陕西、内蒙古、山西，利用程度较大；第三个区域为华北平原区，省份为河南省、山东省，利用程度为最大。分成的这三大区域符合我国的三级阶梯的分布，也从侧面说明地形对流域地表水的利用程度有重要影响。

在系统聚类中四川和山东的利用状况相似性最小，山东利用大，而四川利用小，但是从黄河流域行政面积上来看山东仅占1.36×104 km2，为9个省份最低，其次就是四川占1.70×104 km2，可见一个省地表水的利用状况不仅取决于它行政区所在的流域面积，还受很多因素的影响诸如工业、农业、人口、地形、气候等。

所以从黄河流域9个省区地表水资源的耗水状况对生态系统造成影响程度方面，尤其是在经济发展进程中应该学习发达国家对流域开发的先进经验，要避免先破坏后治理的思路。因地制宜的原则下及时制定相关保护政策，对同类聚类地区可以制定类似的相关政策，但不同聚类地区需采取不同的水资源保护和利用措施，如第一类和第三类地区需要区别对待，青海地区生态环境脆弱要强于其他地区且位于黄河源头，其开发与保护对黄河流域的生态安全起到关键性作用。

流域内的各省经济发展离不开对黄河水的利用，但是过分开发或盲目开采地表水资源，不利于当地可持续发展，也不利于全流域的可持续发展。为此，应该在重视生态保护的情况下，还要坚持有效开发、合理开发，保障黄河流域生态系统的安全与稳定。

参考文献：

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[2]李 柯.论黄河流域水资源管理的法制完善[D].济南：山东师范大学，2014：1～42.

[3]范 瑶.黄河流域水资源保护与利用法律问题研究[D].哈尔滨：东北林业大学，2014：1～42.

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[5]賈 琦，段春青，陈晓楠.黄河流域可再生能力评价的云模型[J].中国人口·资源与环境，2010，20（9）：48～52.

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[10]张晓涛，于法稳.黄河流域经济发展与水资源匹配状况分析[J].中国人口·资源与环境，2012，22（10）：1～2.

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[12]徐建华.计量地理学[M].北京：高等教育出版社，2014：123～134.

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Evaluation of Surface Water Use in the Yellow River Basin

Based on Systematic Clustering Method

Yin Hanmin， Jia Wenyu

（College of Geographical Sciences， Shanxi Normal University， Linfen，Shanxi 041004，China）

Abstract： With the continuous development of social economy， problems of sustainable water resources in the the Yellow River Basin become more prominent.Different provincesand districts in the Yellow River basinhave different surface water consumption. Meanwhile， there are some similarities on the use of water resources in differentplaces. We adopted the cluster analysis methodto evaluate thedistance-based similarityof the surface water consumptionin 9provinces and districts， selecting 6 indexes of the Yellow River Basin. The results showed that： the distance-based similarity of Qinghai and Sichuanwas classified as the first cluster， that ofGansu， Ningxia， Shaanxi， Inner Mongolia and Shanxi as the second； Henan and Shandongas the third one. To deal with the relationship between ecological system and social economic development， we need to coordinate the two aspects， processing on the road of sustainable development.

Key words： the Yellow River Basin；surface water consumption；system cluster analysis