基于模糊聚类的海河流域农业节水分区研究

丁志宏 郭兵托 杨朝瀚

摘要：结合流域机构对海河流域农业节水灌溉管理工作的现实需求，在综合考虑海河流域现状农业节水工作各项影响因素和制约条件的基础上，构建了海河流域农业节水分区评价指标体系，运用模糊聚类方法将海河流域划分为6个农业节水一级分区、19个农业节水二级分区，讨论了分区合理性，并结合最严格水资源管理制度的实施提出了下一步的工作方向。

关键词：农业节水；节水分区；指标体系；模糊聚类；海河流域

中图分类号：TV213.4 文献标志码：A doi：10.3969/ j.issn.1000-1379.2018.03.011

海河流域水资源匮乏，多年平均水资源总量为370亿m3，人均水资源量为270m3，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。海河流域是我国经济社会发达地区，也是粮食主产区之一，社会经济与生产生活用水量巨大，农业灌溉用水量占总用水量的比重较大。据统计，海河流域2012年农业用水量为252亿m3（占总用水量的67.77%O），其中农田灌溉用水量221.85亿m3，占农业用水量的88.03%。

随着经济社会发展规划的部署和实施，海河流域的工业和城市生活用水量将会有较明显的增加，工业、农业、生态争水的问题将日趋严重。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，是落实“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的新时期治水思路，实现以水资源的可持续利用支撑社会经济可持续发展的重要战略措施和实践抓手。

在农业节水灌溉工作开展的实践过程中，海河流域各区域在地形地貌、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、经济承受能力和水资源条件等制约因素划分出不同类型的节水灌溉分区体系，进而实现分区管理。

农业节水分区方法较多，主要有经验法、指标法、重叠法、聚类法等[1]，其中以模糊聚类法应用最为广泛[2-7]。模糊聚类法有较为完善的理论基础和计算方法，能够解释因素之间的内在联系和差别，消除定性分析的主观性和任意性，适用性较强。当获取的资料较为充分时，分析结果准确、可靠，能反映客观实际情况[8]。

笔者在综合考虑海河流域现状农业节水工作各项影响因素和制约条件的基础上.构建分区评价指标体系，运用模糊聚类方法，开展海河流域农业节水分区研究工作.以期为流域层面上的农业灌溉规划与管理工作提供技术参考和基础支撑。

1 模糊聚类方法

模糊聚类方法是一种多元数据统计分析方法.基于待分类对象所具有的模糊性特征。通过建立模糊相似矩阵，运用模糊等价关系进行聚类分析。

模糊聚类方法的一般步骤包括数据标准化、标定（即构建模糊相似矩阵）、聚类、确定最佳模糊截集λ值4个步骤。

1.4 確定最佳阈值

根据实践经验和专家意见确定适当的A值，选择待分类对象的一个具体分类，以得到符合流域农业灌溉发展状况的分区结果。

2 实际应用

2.1 评价单元

选取海河流域综合规划中确定的80个水资源三级区套地市单元作为本研究的基本评价单元。其中子牙河山区大同、子牙河山区朔州和徒骇马颊河安阳这3个分区的面积仅分别为10、90、68km2，且其相关的自然地理、社会经济、农业灌溉等统计数据缺乏，从实际管理工作考虑，本次分区评价暂不考虑这3个单元，故本文计算使用的基本评价单元共计77个。

2.2 评价指标体系

评价指标体系由两级分区指标构成：一级分区指标主要体现地形地貌、灌溉水源和水资源现状开发利用程度，包括地貌类型和灌溉水源2项定性指标、水资源开发利用率和地下水开发利用率2项定量指标；二级分区指标主要体现气候特征、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，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、种植结构、节水灌溉比、高效节灌比、现状灌溉水利用系数、用水结构等10项定量指标。具体指标的意义和作用阐述如下。

（1）地貌类型。地貌类型是一个区域地表起伏程度的宏观形态，海河流域地貌类型按山丘区（含山间盆地区）和平原区分类，用于节水区划分类及其命名。

（2）灌溉水源。灌溉水源是指灌溉水的来源，通常分为当地水源和外调水源，当地水源主要是地表水和地下水，外调水源在海河流域农业灌溉中主要是引黄水。本文的灌溉水源特指引黄水。

（3）水资源开发利用率和地下水开发利用率。水资源开发利用率是反映一个区域已开发利用的水资源量占水资源总量的比例，是与社会经济供用水量、节水水平、用水总量控制指标、用水效率指标等密切相关的代表性指标。考虑到海河流域地表水水质状况和以地下水为主的供水水源结构，本文采用水资源开发利用率和地下水开发利用率这2项指标来反映水资源开发利用程度，为了更全面地反映一个地区的水资源供需矛盾尖锐程度，本文计入跨流域调水量。

（4）干旱指数。气候对于农业生产影响极大，一般来说，水分状况是决定农业生产的主要因素。蒸发量和降水量是水分状况的两个主要表征指标，二者的比值可以反映一个地区水资源的天然收支情况，间接反映该地区的干湿程度，称之为干旱指数。干旱指数相似的地区，其潜在的农业水资源供需情况大致上是相近的。因此，本文采用干旱指数表征气候特征。

（5）人均GDP。一个区域整体的社会经济发展水平是影响区域农业节水灌溉发展水平和需求的重要因素。本文采用人均GDP来表征社会经济发展水平。

（6）小麦灌溉定额和玉米灌溉定额。灌溉定额是一个区域在不同降水条件下农作物单位面积的灌溉需水量，可以反映一个区域基本灌溉需求状况。本文采用小麦和玉米这两类海河流域的主要粮食作物的50%频率下的灌溉需水量，来表征灌溉定额这一节水分区划分影响因素。

（7）耕地灌溉率。耕地灌溉率是有效灌溉面积占耕地面积的比例，可以反映当地农业生产的水利化程度、可供灌溉用水量的多少以及水资源利用的难易程度，是一项综合性指标。

（8）种植结构。种植结构是影响农业需水量和节水灌溉发展的内生变量。本文采用粮田灌溉面积占有效灌溉面积的比例来表征种植结构。

（9）节水灌溉比。节水灌溉比是节水灌溉面积占有效灌溉面积的比例，表征灌溉发展的基本水平。

（10）高效节灌比。高效节灌比是高效节水灌溉面积占有效灌溉面积的比例。以微灌、喷灌、滴灌等为代表的高效节水灌溉方式是农业节水灌溉发展的主要方向，高效节灌比是农业节水灌溉发展水平高低的主要表征指标。

（11）现状灌溉水利用系数。它是反映现状农业水资源有效利用程度的综合性指标。

（12）用水结构。用水结构是反映农业水资源丰富程度的定量指标。本文采用灌溉用水量占总用水量的比例来表征用水结构。

2.3 分区划分结果

选取2012年为评价现状水平年，77个基本评价单元的12项定量评价指标值见表1，其中的水资源开发利用率是2005-2012年各评价单元的多年平均供水总量与其水资源总量的比值，地下水开发利用率是2005-2012年各评价单元的多年平均地下水供水量与其地下水资源量的比值。

我国北方地区水资源短缺，依据地表水资源合理开发利用率应维持在60%～70%范围之内[9]以及国际公认的水资源开发利用率极限阈值为40%的研究结论，结合海河流域现状水资源开发利用实际情况，笔者对各评价单元水资源开发利用程度指标分类提出如下标准：①水资源高强度开发利用区，水资源开发利用率或者地下水开发利用率大于等于0.6；②水资源中强度开发利用区，水资源开发利用率或者地下水开发利用率大于等于 0.4、小于0.6；③水资源低强度开发利用区，水资源开发利用率或者地下水開发利用率小于0.4。

根据表1，运用模糊聚类分析法划分得到海河流域农业节水分区体系，见表2。由表2可知：①海河流域可划分为山前平原区、中部及滨海平原区、南部引黄平原区、北部燕山区、西北部太行山区、西部太行山区6个农业节水一级分区。②在77个分类单元中，属于高强度开发利用区的单元有36个，属于中强度开发利用区的单元有9个，属于低强度开发利用区的单元有32个。③在6个农业节水一级分区中，就水资源开发利用程度而言，中部及东部滨海平原区、南部引黄平原区的各评价单元均为高；山前平原区的各评价单元仅大清河淀西平原北京为中，其余均为高；北部燕山区的各评价单元普遍为中和低；西北部太行山区均为中；西部太行山区仅漳卫河山区焦作为高，其余均为低。④海河流域可划分为19个农业节水二级分区。

2.4 分区合理性分析

（1）评价单元划分合理性分析。采用水资源三级区套地市分区作为基本评价单元，使得单元的空间尺度适应流域管理机构的管理需求，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管理工作。

（2）分区成果合理性分析。所划分的6个一级节水分区，既体现了与地形地貌特征有关的气候条件、作物熟制、种植结构等农业节水分区影响因素分布的空间差异性，又反映了现状海河流域水资源开发利用程度这一水资源管理主导影响因素的空间差异性，符合流域实际情况；所划分的19个二级节水分区与海河流域现状大中型灌区空间位置基本一致，与相关省（直辖市）的现有农业节水分区基本一致，既体现了区域农业节水灌溉发展现状，又体现了社会经济和行政区划对农业灌溉发展的影响，符合流域实际情况。3结语

运用模糊聚类方法将海河流域划分为6个农业节水一级分区、19个二级分区，可为海河流域农业节水灌溉的分区管理工作提供参考。

在下一步的工作中，应结合不同水平年的总量控制指标和用水效率指标在水资源三级区套地市单元的分解结果，提出不同规划水平年各单元适宜的灌溉水量控制指标以及不同节水灌溉模式下的适宜灌溉面积，以便于更好地实施农业节水灌溉方面的水行政管理工作。

参考文献：

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