江汉平原钉螺螺情的时空变化及其精准防控分区探讨

崔 颖，邱 娟，徐兴建，王海芳，邵奇慧，韩东枫，李仁东*

(1.中国科学院测量与地球物理研究所，武汉 430077；2.中国科学院大学，北京 100049；3.湖北省疾病预防控制中心血吸虫病防治研究所，武汉 430079；4.湖北省林业调查规划院，武汉 430079)

血吸虫病是一种严重威胁我国公众健康，影响社会经济发展的寄生虫病.作为血吸虫的唯一中间宿主，钉螺生存的地区也是血吸虫病的主要流行区域[1].钉螺的防控一直是血防工作的重点之一.江汉平原作为血吸虫病的重疫区，近年来随着血吸虫病防控工作的逐步推进，区域钉螺面积呈下降趋势，疫情处于低度流行的状态，但钉螺的孳生环境仍然存在，局部地区仍有疫情反弹的风险，防控工作仍然不能松懈[2-4].随着国家向消除血吸虫病的目标迈进，亟需因地制宜的精准防控方案.

精准钉螺防控是阻断血吸虫病传播的重要措施.长期以来，江汉平原钉螺的防控措施主要分为药物灭螺和工程灭螺.药物灭螺是指对有螺环境通过喷洒化学药物进行灭螺；工程灭螺是指对适宜钉螺孳生的环境，结合农业、水利、林业工程，以改造有螺孳生环境来消灭钉螺[1，5].已有众多文献报道了上述措施的防控效果[6-8].目前，江汉平原以药物灭螺为主，重点对垸内沟渠环境的钉螺进行了灭杀，取得了良好的效果，但也存在着钉螺面积下降幅度有限，局部区域钉螺防控效果欠佳的问题[9].另外，钉螺防控工作的部署主要依据血防工作人员的灭螺经验和现有钉螺面积开展，忽略了钉螺螺情动态变化及其生态环境特点.因此，为了优化钉螺防控布局，因地制宜精准控螺，进一步巩固与提升血防成效，结合区域地理环境差异和钉螺螺情变化制定针对性的钉螺防控区划方案显得尤为必要.

地理区划研究[10]是从区域角度出发，揭示地域分异性规律，以达到保护、改良和合理利用生态环境，目前已广泛应用于水土保持、生态安全、自然灾害风险评估和疫情风险评估等多个领域[11-14].血吸虫病流行区被分为湖沼、山丘、水网3种类型亦体现地理区划的思想[1].本研究将地理区划的思想进一步引入到钉螺防控措施布局优化研究中，以江汉平原为研究区域，在综合分析钉螺螺情、钉螺孳生环境和人为控螺措施等要素的基础上，对钉螺防控区划进行了初步探讨，提出了分区分类的控螺建议，其分区分类方法可为制定因地制宜的控螺防治措施提供新思路.

1 研究区域与数据来源

1.1 研究区域概况

本文选择江汉平原为研究区.该区域位于长江中游、汉江中下游，湖北省中南部.研究区的全境面积2.5万km2，主要包括荆州市的洪湖市、江陵县、荆州区、沙市区、松滋市、公安县、监利县和石首市8个县市区，孝感市的汉川市和应城市2个县市区，宜昌市的枝江市1个县市区，以及潜江市、天门市和仙桃市三个省直辖县，共14个血吸虫病流行县市区(图1).本研究重点关注江汉平原近五年中有钉螺孳生的区域，以江汉平原上2013年-2017年2 013个历史有螺村为研究对象，各数据指标均以行政村为统计单元.

江汉平原地势低平，湖沼众多，土壤肥沃，河港垸堤密集纵横，垸外江湖洲滩面积广大，垸内水网交错.江汉平原独特的自然环境有利于血吸虫的中间宿主钉螺生存繁衍，垸内钉螺面积占全国的70%以上，是我国血吸虫病重疫区之一.

图1 研究区分布Fig.1 Location of the study area

1.2 数据源及处理

本文螺情数据来自湖北省血吸虫病防治研究所的血吸虫病防治工作年报表，以行政村为单位统计，包括2013年至2017年每年钉螺面积(hm2)、活螺平均密度(只/框，1框=0.11 m2)、灭螺面积(hm2)及钉螺环境类型等数据.相关指标采用多年均值来描述；其中活螺平均密度的2016年数据缺失，以多年平均值补充.沟渠数据来源于湖北省林业调查规划院林业小班调查湿地数据.高程数据来自地理空间数据云(http://www.gscloud.cn)的ASTER GDEM V2数据，空间分辨率为30 m.

以湖北省江汉平原地区的行政区划图作为基本制图单元，将村级矢量数据的村单元与螺情数据表中的流行村进行唯一地理编码，通过使用ArcGIS 10.1软件，将二者关联，形成包含14个县市的江汉平原村级螺情时空数据库.

2 研究方法

本文首先分析相关研究成果，选取合适的指标构建钉螺防控分区指标体系，通过数据可视化掌握各指标的空间分布情况.其中，连续变量依据自然间断点分级法分级呈现，分类变量按照不同类别呈现空间分布的差异性.下一步采用二阶聚类法对有螺村进行聚类分析，并筛选出聚类质量最优的钉螺防控分区结果.最后对各防控分区的螺情现状、孳生环境特点及控螺措施现状等特征进行分析归纳，并提出了优化钉螺防控的建议.

2.1 钉螺防控分区指标体系及分区方法

钉螺的防控布局受自然环境和社会经济等诸多因素的影响.本文在已有研究工作的基础上，通过分析相关文献及报告[6，15-17]，选择反映螺情时空动态、自然环境适宜性及钉螺防控措施实施效果等三方面重要特征的7个指标，构建钉螺防控分区指标体系(表1).钉螺作为水陆两栖的螺类，其本身的栖息习性和所处的地理条件决定了分布的规律性.钉螺防控措施的选择与区域划分，要遵循钉螺孳生的客观规律.现有钉螺防控中，江汉平原钉螺环境类型被分为垸内型、垸外型和山丘型[18]，考虑到不同级别分区尺度的差异性和不同指标的作用范围，采用钉螺环境类型划分钉螺防控一级分区，在一级分区的基础上，依据指标体系(除钉螺环境类型外)采用二阶聚类方法聚类得到一个或多个二级分区.

反映螺情时空动态指标中，主要选取钉螺面积、活螺平均密度和钉螺面积消长作为描述钉螺螺情严重性的评价指标.钉螺面积是描述螺情及血吸虫病疫情范围的重要指标.活螺平均密度是描述钉螺密集程度的关键指标.钉螺面积消长用来描述多年螺情增减的变化情况.本文将消长情况分为6类，分别为“持续增加”、“增加或不变”、“持续减少”、“减少或不变”、“反反复复”、“无变化”.

现有研究表明，气温、水文、土壤、植被(NDVI)、沟渠密度、高程、钉螺孳生环境类型等与钉螺的生存与繁衍有密切的关系[1，19-20].由于本文基于行政村级的螺情动态开展大范围钉螺防控区划研究，上述因素中，气温、水文、土壤、植被等数据存在时-空间分辨率太低以及动态变化数据难以获取等不足，本文在已有工作的基础上，结合区域实际，选取了沟渠密度、高程、钉螺环境类型等数据作为反映钉螺孳生环境差异的指标.沟渠是江汉平原钉螺主要的生长繁衍环境，同时也是渠网地区钉螺防控工作中的重点对象，因此选择沟渠密度反应钉螺孳生环境的密集程度.高程数据对钉螺的影响主要通过不同高程年水淹天数和暴露天数的不同，影响植被的种类和分布进而影响钉螺的分布.江汉平原钉螺环境类型分为垸内型、垸外型和山丘型等类型.

在反映钉螺防控措施实施效果方面，选择控螺覆盖率作为钉螺防控的评价指标.控螺覆盖率是灭螺面积占区域总钉螺面积的比重，描述了钉螺防控措施的力度.大多数情况下，控螺覆盖率小于等于100%，但实际上，有少数行政村一年内会开展二次灭螺，使得该村的控螺覆盖率大于100%.

表1 钉螺防控分区指标体系Tab.1 Index system of snail control regionalization

2.2 聚类分析

聚类分析就是按照指标属性的相似性运用统计学的理论将研究对象分类，满足类别内尽可能的具有较高的相似性，类别间尽可能具有较大的差异性.常用的聚类算法有系统聚类、快速聚类、二阶聚类等.根据本研究的数据特点，采用二阶聚类方法对研究对象进行分类.

二阶聚类[21-22]是一种分层聚类方法，算法采用BIRCH算法，适用于大样本聚类，主观性和随机性较低.相比其他的聚类方法，二阶聚类方法的优点如下：它采用对数似然值作为距离测量指标，适用于不同尺度类型的变量，可同时支持连续变量和分类变量的聚类；它可根据施瓦兹贝叶斯准则BIC结合BIC变化量、距离测量比率等统计指标自动确定最佳聚类数目，并在没有标定分类的样本中对样本进行归类.整个聚类过程分为两步：第一步预聚类，调查所有对象按聚类特征(CF)构建分类特征树，同一节点中个案具有高度相似性；第二步聚类，基于特征树在第一步基础上采用层次方法平衡迭代再次聚类，从而得出最终聚类结果.当施瓦兹贝叶斯准则BIC数值越小，同时BIC变化量的绝对值越大、距离测量比率数值越大时，该聚类结果的聚类效果越好.该分析可以通过SPSS25实现.

3 结果与分析

3.1 江汉平原钉螺防控指标的区域差异

3.1.1 江汉平原螺情的动态变化及其分布 反映螺情的钉螺面积、活螺平均密度和钉螺面积消长3个指标具有显著的空间差异，如图2所示采用自然间断法分级显示.钉螺面积在92.35 hm2以上的高值区主要集中在河流两岸，如东荆河、汉北河、石首市境内的长江及公安县境内的河流沿岸；松滋市和江陵县境内的部分地区钉螺面积同样相对较大，面积在18.27 hm2以上.

活螺平均密度在0.66只/框以上的高值区主要集中在江汉平原中西部的江陵县、沙市区和公安县，分布特征较为集中与连续.

近5年江汉平原钉螺面积消长数据整理结果显示，没有“持续增加”和“持续减少”的行政村；“增加或不变”的村有392个，占总村数的19.47%，其分布较为零散；“减少或不变”类型的村有464个，占总村数的23.05%，该类型在各县市都有分布，其中在沙市区和江陵县北部、洪湖市东部有较大的聚集区；“反反复复”类型的村有150个，占总村数的7.45%，主要在公安县地区集中分布；“无变化”类型的村有1 007个，占总村数的50.03%，主要在江陵县和潜江市连片分布(表2).

表2 钉螺面积消长变化类型分类表Tab.2 Classification of snails area change in Jianghan Plain

3.1.2 江汉平原钉螺孳生地理环境特征 反映钉螺孳生环境的沟渠密度、地势高程和钉螺环境类型3个指标的空间分布也具有明显差异(图3).江汉平原的沟渠分布以江陵县和沙市区为中心，密度约在23.34 m·hm-2以上，沟渠密度高且集中.同时，沟渠密度与活螺平均密度的高值区分布相对重叠，空间分布较为一致.

整个研究区的地势高程呈阶梯状，由西向东逐渐降低，大部分地区起伏不大，平均高程为30 m.46 m以上地区主要分布的是山丘型钉螺，46 m以下地区主要为垸内和垸外型钉螺.

江汉平原钉螺孳生不同地理类型的空间分布有明显地域性；垸内型钉螺分布较广，其钉螺面积占总钉螺面积的35.35%.尽管每个村钉螺面积小，但村庄周围环境均有钉螺分布，导致居民生产、生活接触疫水频繁，感染血吸虫的机会较多.垸外型钉螺主要沿河流水系的江湖洲滩分布，其钉螺面积占总钉螺面积的63.07%，如流经天门市的汉北河、仙桃市的东荆河、监利县和石首市的长江等等.由于钉螺主要分布在河流两岸的滩地，受河流水位影响钉螺易扩散，呈面状分布且面积较大.山丘型钉螺分布在江汉平原西部山地丘陵区域，占钉螺总面积的1.58%，主要位于松滋市境内，钉螺沿山丘水系自上而下分布.

3.1.3 江汉平原控螺措施的分布特征 控螺覆盖率的空间分布可以分析不同地区的实施钉螺防控措施的力度.图4为村级控螺覆盖率空间分布情况，整体来看，江汉平原大部分县市采取的钉螺防控措施覆盖水平达到了90%以上，部分地区还进行了重复灭螺；50%～90%控螺覆盖率的地区除了沿河流分布外，在江陵县和潜江市中部也有分布；50%以下控螺覆盖率的行政村较为聚集，且集中分布于河流沿岸，如仙桃市和洪湖市东荆河附近，公安县和石首市皆有零散分布；50%以下控螺覆盖率地区和钉螺面积在92.35 hm2以上区域的空间分布较为一致，主要为垸外江湖洲滩地区，钉螺面积分布广.

(a) 钉螺面积(ha)；(b) 活螺平均密度/(只·框-1)；(c) 钉螺面积消长类型(a) The area of snail habitat;(b) The density of snail;(c) Growth and decline of snails area图2 江汉平原螺情现状空间分布图Fig.2 Spatial distribution of snail situation in Jianghan Plain

(a)沟渠密度/(m·hm-2)；(b)高程/m；(c)钉螺环境类型(a) The density of ditches;(b) Altitude elevation;(c) Geographic environment types of snail图3 不同地理环境钉螺空间分布图Fig.3 Snail habitat in different geographical environment

图4 江汉平原村级控螺覆盖率空间分布图Fig.4 Spatial distribution of snail control coverage in Jianghan Plain

3.2 江汉平原钉螺防控分区

钉螺防控一级区按照钉螺环境类型分为垸内型区、垸外型区和山丘型区.钉螺防控二级分区在一级的基础上依据钉螺防控分区指标体系(除钉螺环境类型外)进一步划分；由于垸外型与山丘型有螺村数量较少、分布特征相似且聚集，不再进行二级分区.因此仅根据螺情特征、钉螺孳生地理环境差异以及防控措施实施力度，利用二阶聚类的方法将江汉平原垸内型区进一步聚类为不同特征的二级分区，并根据指标所体现的防控迫切程度由一类(一般)到五类(严重)排序.依据自动聚类结果(图5)，垸内型钉螺分为五类时施瓦兹贝叶斯准则BIC等统计指标显示聚类效果最佳.江汉平原钉螺防控各分区的指标均值如表3所示.

垸内型一类防控区，主要分布在江汉平原中东部的潜江市、仙桃市和监利县，该分区村数占总村数的38.40%，相较于其他区域该地势最低，为26.85 m，沟渠密度较低，为17.02 m·hm-2；主要特征为钉螺面积消长变化以“无变化”为主，各村庄钉螺面积和密度普遍低于其它分区.由于控螺覆盖率高，钉螺面积5年间维持稳定.表明该地区钉螺防控措施和力度效果较好，应继续坚持有效地防控措施，巩固防治成果.

垸内型二类防控区，该区域分布较为零散，在荆州区、公安县、监利县和洪湖市等区域的水系附近，村个数占比15.95%.平均高程为28.4 m，沟渠密度为17.46 m·hm-2.主要特征为钉螺面积消长变化以“增加或不变”居多，钉螺面积6.4 hm2、活螺平均密度0.27只/框，与其他分区相比处于中等或偏下水平，平均控螺覆盖率为96.4%；表明该地区尽管螺情较低，但存在螺情不稳定且有增加的趋势，应加强钉螺防控措施，应提高控螺覆盖率，降低钉螺面积.

垸内型三类防控区，在沙市区和江陵县北部、洪湖市东部有较大的聚集区，村个数占比18.93%，地形地势较为平缓，沟渠密度为中等水平.主要面积消长特征是“减少或不变”，钉螺面积和密度处于中等水平，控螺覆盖率高.该区域在垸内分布较为零散，与水系分布关系不够密切，表明该地区螺情受环境因素影响较小，控螺措施效果较好，应继续维持现有的控螺措施和力度.

表3 江汉平原钉螺防控分区聚类特征Tab.3 The characteristics of each snail control regionalization

图5 江汉平原钉螺防控区划Fig.5 Snail control regionalization in Jianghan Plain

垸内型四类防控区，主要分布在汉北河流域、松滋市和枝江市部分地区，村个数占比3.08%；该分区既有垸外型钉螺面积较大的特征，又有垸内型钉螺密度较高的特征，控螺覆盖率在100%以上，不同行政村钉螺面积消长趋势各有差异.由于该区域钉螺多分布在水系沿线的洲滩，钉螺孳生环境与垸外相似.尽管该地区钉螺防控力度大，但由于灭螺难度较大，各村庄钉螺面积消长变化差异较大.应继续优化防控措施，重点加强人畜常到的易感地带药物灭螺，以减少人畜感染机会.

垸内型五类防控区，主要在江陵县和公安县内聚集分布，村个数占比11.53%；地面高程为30.48 m；沟渠密度24.03 m·hm-2，明显高于其他防控区；活螺平均密度为1.09只/框，居首位；钉螺面积较大，钉螺面积消长类型主要以“反反复复”为主，平均控螺覆盖率为95.6%；说明此类防控区的主要特征是钉螺孽生环境较多，控螺措施力度较差，螺情风险较高，应作为重点防控地区加强血防投入，整改沟渠环境，彻底改变钉螺孳生环境，通过反复查灭螺加强防控力度.

垸外型一类防控区，主要分布在公安县、石首市、监利县和仙桃市的沿江滩地地区，村个数占比为9.79%.平均高程为30.53 m，相较于其他区域该沟渠密度最低，为12.72 m·hm-2.该区域钉螺面积占比达到了63.07%，控螺覆盖率低，钉螺面积大，活螺平均密度低，各村中主要钉螺面积消长类型不突出.说明此区域受环境条件限制河流水位难以控制，易造成钉螺迁移扩散，钉螺面积大导致全面控螺措施难以实施，应通过综合开发改变钉螺孳生环境，并加强螺情监测，防止钉螺向垸内扩散.

山丘型一类防控区，主要位于松滋市的山丘地区，其村数占总村数的2.33%.在所有分区中海拔最高，平均为84.51 m；沟渠密度较低，为12.74 m·hm-2，钉螺往往沿水系从上至下分布；钉螺面积消长以“无变化”为主，各村具有面积小、密度低、控螺覆盖率高的特点.钉螺的孳生离不开水环境，应继续优化防控措施，灭螺坚持先上游后下游的原则，彻底降低钉螺扩散风险.

4 结论与讨论

经过多年的钉螺防控和血吸虫病防治工作，江汉平原的血吸虫病疫情总体已得到有效控制，但各地区防控效果有所差异.钉螺防控区划有利于对不同区域按照因地制宜的原则实施精准防控，提出针对性的对策.

本文以血吸虫病的主要流行区域之一江汉平原作为研究区域，在螺情动态及现状、自然环境及控螺措施三方面通过数据可视化初步了解有螺村各评价指标的空间分布情况.研究结果显示，螺情现状方面，钉螺面积较大区域沿河流分布；活螺平均密度较高区域主要聚集于江汉平原中西部的江陵县、沙市区和公安县；各村钉螺面积消长类型中以“无变化”为主，较为严重的“增加或不变”型分布较为零散，“反反复复”型主要聚集在公安县境内.在自然环境方面，沟渠密度高值区以沙市区和江陵县为中心，与钉螺密度的高值区分布较为一致；地势高程自西向东递减，46 m以上地区主要分布的是山丘型钉螺，垸外型钉螺沿河流水系分布，其他区域主要是垸内型钉螺；在控螺措施方面，江汉平原整体控螺覆盖率较高，低控螺覆盖率地区集中在河流附近.

本文以钉螺环境特征为钉螺防控一级分区指标，螺情现状(钉螺面积、活螺平均密度、钉螺面积消长变化)、孳生环境(沟渠密度、高程)和控螺措施现状(控螺覆盖率)为二级分区指标，构建了江汉平原防控分区体系，应用二阶聚类法筛选出聚类质量最优的钉螺防控分区结果.与传统的聚类方法相比，二阶聚类具有自动分类，可以同时分析连续变量和分类变量的优势，聚类结果较为客观.

本研究以现有钉螺类型分区(垸内型、垸外型和山丘型)为三个一级防控区；在垸内型一级防控区中划分一至五级的二级防控区.通过对各类防控区的分析，掌握了各分区的钉螺分布特点，指出了钉螺扩散的潜在风险，评价了控制钉螺的成效以及提出了优化防控措施及防治目标等.为了有助于将本研究的结果服务于实际防治工作，我们将各区域的钉螺分级分类行政村名列表出来，以便为有关部门和机构编制当地控制钉螺规划提供科学依据(附表1).在探讨采用区域差异和螺情变化制定精准化钉螺防控区方面，认为利用二级聚类的方法对江汉平原钉螺防控区域进行分区分类，有利于指导疫情监测精准化，可解决传统防控措施对疫情敏感性不足的缺憾，是对精准血防工作的大胆尝试，可为制定精准防控钉螺提供新的思路.

附表1 江汉平原钉螺防控分区村级明细表 Attached tab.1 Zoning of snail control at the village-level in Jianghan Plain

续附表1