海河流域農業節水分區研究工作的若干思考

丁志宏，徐向廣，宋秋波

（1.天津市中水科技咨詢有限責任公司，天津　300170；2.水利部海河水利委員會，天津　300170）

海河流域農業節水分區研究工作的若干思考

丁志宏1，徐向廣2，宋秋波1

（1.天津市中水科技咨詢有限責任公司，天津300170；2.水利部海河水利委員會，天津300170）

摘 要：結合農業節水灌溉管理工作的現實需求，總結了在流域層面開展農業節水分區研究工作的目的和意義，提出了分區劃分工作的基本原則和技術路線，剖析了分區研究工作的主要內容和技術要點，以期為有關方面開展農業節水分區研究提供技術參考。

關鍵詞：海河流域；節水區劃；分區劃分；分區原則；技術路線；工作內容；技術要點

海河流域水資源貧乏，多年平均水資源總量370億m3，人均水資源量270 m3，僅為全國人均水資源量的12.8%，是全國七大江河流域中人均水資源量最少的流域。與此同時，海河流域又是我國經濟社會發達地區，也是主要的糧棉油產區，社會生活與經濟生產用水量巨大（現狀總用水量371.87億m3，現狀年為2012年，下同），農業灌溉用水量占總用水量的比重較大（現狀占比59.66%）且用水效率不高（現狀綜合灌溉定額3 360 m3/hm2，灌溉水有效利用系數0.64），地下水超采嚴重（現狀嚴重超采區面積6.12萬km2，年超采水量80億m3）。

隨著各類國家級、區域級和省級等不同級別經濟社會發展規劃的陸續部署和推進實施，海河流域的工業和城市生活用水量在未來將會有較明顯的增加，“工、農、生”爭水問題將日趨嚴重。因此，在今后一個時期內，大力發展農業節水灌溉將是確保海河流域糧食安全和農業可持續發展的重要途徑，是實現以水資源的可持續利用支撐經濟社會可持續發展的重要戰略措施和實踐抓手。

但在農業節水灌溉工作實踐過程中，海河流域的地形地貌、耕作制度、作物種類、作物需水量、水資源條件、農業生產條件以及社會經濟發展水平等方面具有明顯的空間差異性，為了貫徹落實最嚴格水資源管理制度，提高流域管理機構對農業節水灌溉工作指導的針對性，亟需根據海河流域各地的自然地理條件、社會發展狀況、經濟能力和水資源條件等制約因素劃分制訂出不同類型的節水灌溉分區體系，進而根據各分區的水資源狀況和特點提出分區管理意見和適宜技術模式，為流域層面的農業灌溉規劃與管理工作提供技術參考和基礎支撐。

1　工作目的和研究意義

為了實現以水資源的可持續利用支撐流域社會、經濟、生態系統的協調發展，規模化發展節水灌溉、全面提高農業用水效率是海河流域農業灌溉事業發展的必由之路，是發展現代農業的一項重大戰略和根本性措施，而海河流域各區域在發展節水灌溉的自然、社會、經濟和技術條件以及農業發展布局和各種農業技術措施適用性等方面均存在著明顯的地域差異性，這些差異性相互聯系、相互影響且并存于同一區域內，從而形成各區域發展節水灌溉的不同特點。為此，亟需在系統分析流域水資源狀況、全面掌握農田灌溉發展情況、綜合考慮各種影響因素的基礎上，開展農業節水分區研究工作，以揭示海河流域各區域農業節水灌溉發展條件的區間差異性和區內一致性，科學合理地劃分出海河流域不同的農業節水灌溉分區，按照自然和經濟規律以及水資源開發利用條件擬定各區域農業水資源高效利用的方向、措施以及管理意見，為農業節水發展的宏觀決策、分類指導以及制定和審查節水灌溉發展規劃提供科學依據。

海河流域農業節水分區研究工作可以為流域管理機構有效履行流域農業節水灌溉管理工作職責提供基礎性支撐和方向性參考，是貫徹落實“節水優先、空間均衡、系統治理、兩手發力”新時期治水思路的重要基礎工作，是推進實施《國家農業節水綱要（2012—2020年）》的必要技術工作，是流域管理機構履行對流域農業節水灌溉工作進行宏觀指導和組織工作職責的重要抓手。

2　分區原則和技術路線

2.1分區原則

農業節水灌溉區劃的分區必須根據調查收集的資料和研究分析的成果，參考有關的區劃和規劃以及長期生產實踐中所形成的區劃概念來進行。分區的方法要遵循“區別差異性、歸納相似性”的原則，即將分區指標相同或相似的基本分區單元納入同一個區，各分區之間在某些指標或某個指標上有顯著的差別。

節水灌溉區劃是水利區劃的組成部分，而水利區劃又是綜合農業區劃的組成部分。因此，節水灌溉區劃必須遵循水利區劃的一些基本原則，要與整個水利建設發展方向相一致，同時又要反映農業區劃中對水利工作的要求。

根據研究目的和工作要求，海河流域農業節水分區研究工作的指導原則可以歸納如下:

（1）自然要素的一致性，即氣候、地形、地貌、土壤等自然地理條件要有一定的相似性，水資源的開發利用條件也應基本相似。

（2）節水灌溉發展方向和目標的一致性，即在同一區域內主要灌溉作物對象及節水灌溉措施要基本一致。

（3）行政區劃的完整性，即適當照顧現有行政區劃，盡可能保持分區的區界與行政區域界限相一致，破地市而不破縣區。

（4）相對的獨立性，即要反映節水灌溉區劃的特點。節水灌溉區劃雖然是農業水利區劃的一個組成部分，在總體上應服從農業水利區劃，但節水灌溉又與其他水利措施有顯著不同的特點，保持其相對獨立性有助于指導節水灌溉的發展。

2.2技術路線

海河流域農業節水分區研究工作可采用實證研究與理論分析相結合的工作思路，通過資料收集、文獻調研和數據分析，綜合考慮自然、社會、經濟、技術等影響因素的約束和保障作用，將農業灌溉發展需求與現實可能影響條件這兩方面因素進行對比分析并緊密結合起來，提出科學、合理、實用的節水分區區劃。

海河流域農業節水分區研究工作的技術路線，如圖1所示。

圖1　海河流域農業節水分區研究技術路線

3　工作內容和技術要點

3.1工作內容

農業節水分區研究是指導農業水資源合理開發與高效利用的基礎性工作，其工作內容可以劃分為選取基本評價單元、構建分區指標體系、劃分分區體系類型和提出分區對策措施4項研究任務，具體分述如下:

（1）基本評價單元選取是要確定海河流域農業節水分區研究工作的空間對象，是分類指標體系和指標取值所要依附的地理單元的選擇過程，也是流域管理機構實施農業節水管理工作的基本著眼點和評價單元。

（2）分區指標體系構建是要在充分了解和掌握海河流域自然地理、社會經濟和農業灌溉發展水平等現實狀況的基礎上，結合工作目的和資料收集情況，統籌考慮各項影響因素，抓住主要矛盾，以服務于流域管理機構的農業節水灌溉管理工作為出發點和落腳點，構建農業節水分區的評價指標體系，明確各項指標含義，量化各項指標數值。

（3）分區體系類型劃分是要綜合考慮所建立的分區評價指標體系中的各項指標值的內在聯系，按照類間差異度最大、類內相似度最大的原則，采用定性和定量相結合的分類方法，在結合實踐經驗和專家意見的基礎上，運用聚類分析方法將待分類的基本評價單元進行歸類，形成層次化的海河流域農業節水分區區劃體系。

（4）分區對策措施建議是在取得海河流域農業節水灌溉分區的基礎上，結合各分區的自然、社會、經濟和技術等影響因素，有針對性地提出各分區發展農業節水灌溉的對策措施，因地制宜地探討各分區節水灌溉發展方向和適用技術模式，為有關部門提供決策參考。

3.2技術要點

在開展上述4項研究任務的過程中，有一些需要注意的問題，現對各技術要點闡述如下:

3.2.1基本評價單元選取

單元的空間尺度或級別要以適應分區所要服務的有關水行政主管部門的管理需求為目的，同時還要結合所能收集到的該尺度或級別的單元所具有的分區評價指標體系需要表征的數據與資料情況來確定。一般而言，省級層面上的農業節水分區可以縣級行政區為基本評價單元，縣市級層面上的農業節水分區可以鄉鎮級行政區為基本評價單元，各類基本評價單元的選取可以同時考慮行政區劃和水資源分區來進行，也可以只考慮行政區劃情況來進行。為了便于與海河流域水資源綜合規劃等有關規劃成果相協調、便于農業節水日常管理工作的開展、便于流域機構按照最嚴格水資源管理制度確定的“三條紅線”“四項制度”來開展農業節水灌溉的水資源管理工作并結合基礎資料收集與掌握情況，在海河流域農業節水分區研究工作中，選擇海河流域水資源三級區套地級市單元為本次分區工作的基本評價單元。海河流域劃分為15個水資源三級區，其中7個山區分區、8個平原分區，水資源三級分區與地級行政區相結合，形成81個三級區套地級市單元，其中“子牙河山區大同”“子牙河山區朔州”“灤河山區赤峰”和“徒駭馬頰河安陽”這4個分區的面積僅為幾十平方公里，加之與其相關的自然地理、社會經濟、農業灌溉等統計數據缺乏，從實際管理工作考慮，本次分區評價可暫不考慮這4個單元。因此，本次農業節水分區劃分工作實際使用的基本評價單元共計77個。

3.2.2分區指標體系構建

首先要根據節水灌溉區劃的特點和要求，通過系統研究，結合實際確定分區的評價指標體系，所確定的指標體系應有明確的概念和量化的標準，而且所需要的數據可以通過資料收集、文獻調研、實地調查或分析計算等途徑和手段方便地取得，各項指標必須要明確附著于特定的基本評價單元。一般而言，農業節水分區指標體系所要考慮的影響因素包括地形地貌、氣候特征、水文特性、水資源條件、灌溉發展水平、工程設施類型、社會經濟能力、農業生產水平、作物需水狀況、灌溉發展需求等若干類，具體選取時要因地制宜、綜合考慮。

根據2.1節所述的農業節水分區基本原則，考慮節水灌溉的特點，結合既有數據資料收集情況，按照全面性、概括性、易于取得的指標選取要求，篩選出對海河流域農業節水分區劃分工作影響較大的地貌類型、灌溉水源、水資源開發利用程度、氣候條件、社會經濟條件、灌溉用水需求狀況、農業灌溉發展水平7大類、15個指標組成海河流域農業節水分區的評價指標體系，具體采用兩級分類指標體系，一級分區指標體系主要體現的是地形地貌、灌溉水源和水資源現狀開發利用程度，具體包括山丘區、平原區和引黃水3項定性指標以及水資源開發利用率和地下水開發利用率2項定量指標；二級分區指標體系主要體現的是氣候特征、社會經濟發展水平、灌溉用水需求狀況、農業灌溉發展水平等，具體包括干旱指數、人均GDP、小麥灌溉定額、玉米灌溉定額、耕地灌溉率、糧田占有效灌溉面積比例、節水灌溉比、高效節灌比、現狀灌溉水利用系數、總用水量中的灌溉用水占比10項定量指標。

3.2.3分區體系類型劃分

要充分認識到農業節水分區工作的實質就是按照分區指標體系所確定的各項指標對選取的若干基本評價單元進行聚類的過程和結果，即“分區”就是“聚類”，無論采用的分區劃分方法是哪一種。

目前，農業節水分區方法可以概括為定性分析分區方法、定量分析分區方法以及定性分析與定量分析相結合的分區方法三大類型，各類方法分述如下:

（1）農業節水分區劃分的定性分析方法有多種，常用的有經驗法、類型法、指標法、重疊法等。

經驗法是在所收集整理到的既有成果資料基礎上，將分區研究人員的專業知識和實踐經驗相融合來對評價單元進行相似性歸類，以得出分區成果的分區劃分方法。經驗法需要占有大量的既有資料和成果，分區成果的可靠性與分區工作劃分人員的水平和經驗有直接關系，因而具有一定的主觀性，但是該方法的優點是簡單、直接，無需數值計算。經驗法可以從宏觀方向上進行分區，對所得分區的進一步深化可以起到方向性的指導作用。

類型法是根據區域內客觀存在的具有不同特征的不同評價單元，選擇一定的指標，通過定性分析，找出具有一定類型代表性的基本特征，將基本特征相似的區域分別進行分類和組合而劃分出不同類別分區的區劃方法。如，可按照水資源緊缺程度劃分為極度缺水型、輕度缺水型、一般缺水型、豐水型等；可根據地貌類型，又可分為山區極度缺水型、平原輕度缺水型、河谷一般缺水型等；可根據作物類型，又可分為經濟作物山區極度缺水型、糧食作物平原輕度缺水型等；然后，根據缺水原因，又可分為經濟作物山區工程極度缺水型、糧食作物平原水質輕度缺水型等。最后，將歸納出的各大類型分區在空間上進行定位制圖。

指標法是通過對有關自然地理條件、社會經濟條件、農業生產特征、作物種植結構和灌溉發展水平等成果的分析和計算，確定出能反映各區域特征的主要指標，如干燥度指標、缺水程度指標、人均耕地指標、人均水資源量指標、單位面積水資源量指標、單位面積產值指標、人均收入指標等，最后再分配各指標的層次和權重進行分區劃分的方法。

重疊法，亦稱套圖法，是將所收集到的與農業節水分區工作密切相關的行政區劃圖、地形地貌圖、氣候區劃圖、農業區劃圖、水利區劃圖、土地利用圖以及農業種植結構圖等重疊在一起，根據重疊的情況來確定區劃分區的邊界，現在一般采用ArcGIS等地理信息系統軟件來進行。重疊法應用的關鍵問題是選好各類對農業節水分區起主要影響作用的因素圖，主要包括地形地貌圖、行政區劃圖與水利區劃圖等圖件。

（2）農業節水分區劃分的定量分析方法是運用高等數學或者數理統計的方法來進行區劃分區工作，主要有聚類分析法、主成分分析法、層次分析法和判別分析法等。

聚類分析法是對某一研究對象進行客觀的定量分類，其需要根據各個樣本所具有的自然屬性、社會屬性以及其他屬性，運用數學方法定量地確定各評價單元之間的親疏關系，即根據各評價單元屬性的相似性和差異性，把相似性較大的單元聚成一類，每一小類之間的各單元屬性差異最小，各大類單元之間的屬性則有明顯的差異性。該方法無需事先知道分類單元可以分為多少類，而是通過數理統計方法的計算來最后客觀地形成一個分類體系。常用的聚類分析法有動態聚類法、分解聚類法、共區優選法、系統聚類法和模糊聚類法等。其中，模糊聚類法是聚類分析方法與模糊集合理論相結合的產物，具有嚴格的數理基礎，能夠揭示各指標之間的內在本質差別和有機聯系，消除了定性分析的主觀任意性，具有所得分類結果可靠、無需事先知道分類單元可分多少類等優點，是研究和實踐工作中應用較多的一種方法。

主成分分析法是運用降低數據維數的方法來使用較少的幾個綜合指標代替原來較多的變量指標，用較少的因子考慮多個因子的影響。其優點是理論性和抽象性較強，不一定從原始指標出發，而是可以通過數學變換來直接處理各自的函數；缺點是不能直接得到分區結果而是必須借助其他的分類方法才能確定科學可靠的分區體系，通常用在其他方法的數據前處理程序中。

層次分析法首先是把復雜的系統分解為若干子系統，并按照它們之間的從屬關系進行分組，形成有序的遞階的層次化結構，然后通過將某種特性兩兩對比的方式來確定各個子系統的相對重要性，最后，綜合決策者的主觀判斷以確定各個子系統相對重要性的總順序。其優點是方法簡單、計算簡便，更容易符合現狀；缺點是在權重的確定過程中，受主觀因素影響較大。

判別分析法是根據分類單元之間的區間差異性和區內相似性原理建立的，雖然可以定量考慮多因子的綜合作用，可操作性也較強，但是經常會出現“跳區”，即有個別樣本跨越區界的現象。

（3）為了使得分區結果更符合實際情況，在實際工作中，還可以采用定性分析與定量分析相結合的方法來進行農業節水分區研究工作，主要有逐步判別分析與經驗聯合分區法、主成分分析與模糊聚類相結合分區法、層次分析與星座聚類聯合分區法以及其他各類定性與定量相組合的分區方法等。

逐步判別分析與經驗聯合分區法是首先運用判別法進行分區，然后根據經驗對分區結果進行人工修正。

主成分分析與模糊聚類相結合分區法是首先運用主成分分析法對指標進行降維處理，化繁為簡，得到主成分指標，這樣就抓住了主要矛盾，既減少了計算的工作量又保留了原始指標的主要信息，再用新的綜合指標代替原來的指標進行模糊聚類分區，這是分區工作中經常采用的一種方法。

層次分析與星座聚類聯合分區法是首先運用層次分析法解決各指標權重的確定問題，然后對各項指標進行極差變換，將坐標參數轉換為直角坐標，計算各點的指標綜合值，最后再繪制星座圖來進行分區劃分工作的方法，缺點是計算工作量較大、可操作性較差。

另外，也可以采用其他定性與定量相組合的分區方法。如，可以首先選取地形地貌、灌溉水源等定性因素運用類型法劃分幾類大的一級分區，再采用模糊聚類分析法對其余的定量指標進行分析計算得到二級分區，最后結合專家意見和實踐經驗進行調整，確定最終的分區體系。

在農業節水分區實踐工作中，具體采用哪種方法要根據工作目的和掌握資料情況，本著簡便、適用、科學、可行的原則來選取。

考慮到海河流域農業節水分區的對象單元具有模糊特征以及無法事先預知待分區對象單元的可分類別數目，本次分區研究確定采用定性和定量相結合的分區方法，其中定性分析法采用類型法、定量分析法采用模糊聚類分析法。具體而言，定性分析法是依據地貌類型和灌溉水源這2類指標來進行的，是根據實踐經驗從大的地理格局的角度來劃分農業節水分區，具有字符型的指標值；之后，其余5類指標具有數值型的指標值，用于通過使用模糊聚類方法來劃分二級分區，在得到二級分區體系數值計算結果的基礎上，再結合專家經驗和管理部門的意見作必要的人工調整，通過這一定性與定量相結合的分區方法來開展海河流域農業節水分區研究工作。

3.2.4分區對策措施建議

可以采用的工作思路是將農業節水灌溉的技術特點及其影響因素與各分區客觀現實條件及其發展需求之間實現相互對接，分門別類，列表分析，充分調查所要施行的技術客體與受納分區的環境主體之間的相容性，包括技術、社會、經濟、生態等各方面的環境相容性，尤其要注意分析和考慮經濟因素在農業節水技術的規劃、實施、管理工作中所起的驅動和約束作用。

4　結語

在綜合考慮海河流域現狀農業節水工作各項影響因素和制約條件的基礎上，構建分區評價指標體系，運用模糊聚類模型方法，開展海河流域農業節水分區研究是為流域層面上的農業灌溉規劃與管理工作提供技術參考和基礎支撐的一項重要技術工作。

在取得海河流域農業節水分區體系成果之后，還可以繼續結合最嚴格水資源管理制度中的不同水平年的“總量控制”指標在水資源三級區套地市單元的分解結果，提出不同規劃水平年各級分區、各單元適宜的灌溉水量控制指標以及不同節水灌溉模式下的適宜灌溉面積，以便于流域管理機構更好地實施農業節水灌溉方面的水行政管理工作。

中圖分類號：TV213.2；S-03

文獻標識碼：A

文章編號：1004-7328（2016）02-0042-05

DOI:10.3969/j.issn.1004-7328.2016.02.015

收稿日期：2015—12—25

基金項目：國家自然科學基金項目（51309202）；水利部公益性行業科研專項經費項目（201101016）

作者簡介：丁志宏（1979—），男，博士，主要從事水文學及水資源問題的研究與咨詢工作。