基于農業標準化的山東省節水灌溉分區研究

韋梅，劉福勝*，趙井輝，劉棟梁，劉波，喬田玲

1.山東農業大學水利土木工程學院，山東泰安2710182.山東省泰安市岱岳區水務局，山東泰安271000

基于農業標準化的山東省節水灌溉分區研究

韋梅1，劉福勝1*，趙井輝1，劉棟梁1，劉波1，喬田玲2

1.山東農業大學水利土木工程學院，山東泰安271018
2.山東省泰安市岱岳區水務局，山東泰安271000

山東省是嚴重缺水的農業大省，為了貫徹農業標準化政策的實施，保證農產品的產量和質量，探究如何減少農業用水浪費，以提高山東省各地市灌溉保證率，滿足農作物用水需求十分重要。以山東省17地市作為分區基本單元，選取了缺水程度、干燥度等13項分區指標，收集了山東省各地市最近7年的數據，運用DPS數據處理系統對指標數據進行了分析處理，采用主成分分析法與系統聚類法，把山東省分為5個節水灌區，并結合各分區特點探討了適宜的節水灌溉模式，以期為山東省節水灌溉規劃提供依據。

農業標準化；節水灌溉；分區

農業標準化是指以農業為對象的對農業經濟、技術、科學、管理活動中需要統一、協調的對象制訂標準使之實現合理統一的標準化活動［1，2］，主要包括農林牧副漁及水利、機械等行業，其目的是生產出質優、量多的農產品。自從進入21世紀，農業國際化日益增強，農業標準化在提高農產品產量和質量及市場競爭力方面的作用越來越突出［3］。

農業標準化涵蓋農業生產的產前、產中、產后全過程，包括化工、水利、機械、環保和農村能源等各方面的標準。由于農田水利工程是農業生產的命脈，因此農田水利標準化是農業標準化的重要組成部分。農田水利標準化建設以發展高標準旱澇保收農田和高效節水灌溉為核心，通過建立和推行科學、統一的建設標準，來規范農田水利建設工作，有利于推進農田水利建設現代化進程，對于全面提升農田水利設施建設質量和管理水平、增強農業生產能力具有重要的意義，為現代農業發展和糧食穩產、高產提供有力的水利支撐和保障。

山東省是水資源嚴重缺乏的農業大省，全省多年平均淡水資源總量為303億m3，僅占全國的1.1%，人均占有量甚至不到全國人均占有量的1/6［4］。山東省不僅水資源匱乏，而且各地市可利用的水資源量也很不平衡，人多水少、水資源時空分布不均、經濟社會發展與水資源分布不協調［5，6］。為了發展高效節水灌溉，第一步就是要根據各地區的不同特點把山東省分為不同的灌溉區域，然后根據各個區域的具體情況，分別制定合理的節水灌溉措施，從而達到發展高效節水灌溉的要求。

山東省灌溉分區方面的工作有前輩已經做過，如李龍昌等曾把山東省分為八個三級區，但是由于分區采用的是經驗法分區，容易受主觀因素影響；張艷妮等曾把山東省分為六個區，但沒有針對各分區提出適宜的節水灌溉措施。本次分區采用主成分分析與系統聚類法把山東省分為五個區，并深入探討了各分區適宜的節水灌溉措施，為山東省節水灌溉提供了科學依據。

1　分區基本單元的選取

山東省轄濟南（1）、青島（2）、淄博（3）、棗莊（4）、東營（5）、煙臺（6）、濰坊（7）、濟寧（8）、泰安（9）、威海（10）、日照（11）、萊蕪（12）、臨沂（13）、德州（14）、聊城（15）、濱州（16）和菏澤（17）共17個地市。在本次節水灌溉分區中，以山東省十七地市作為分區基本單元，這樣不僅減少了工作量，還照顧了行政邊界，為以后的管理工作提供了便利。

圖1　分區指標體系Fig.1The index system in dividing areas

2　分區指標體系的建立

分區指標的設置須滿足全面性、概括性和易于獲取的要求［7］。通過大量文獻閱讀和對比分析，制定出了適合山東省的節水灌溉分區指標體系。包括地貌形態、氣候特征、缺水程度、灌區類型、用水現狀、農業結構和經濟指標7大模塊共13項指標。這13項指標為：山地百分比（x1）、丘陵百分比（x2）、平原百分比（x3）、干燥度（x4）、缺水程度（x5）、蓄水灌區比例（x6）、引水灌區比例（x7）、井灌區比例（x8）、提水灌區比例（x9）、耕地灌溉率（x10）、小麥種植比例（x11）、玉米種植比例（x12）和農民人均純收入（x13）。通過查閱資料、實地調研、相關單位咨詢及網上查閱等方式獲取了13項指標2008～2014 年7年的數據，并進行了分類整理，用于灌溉分區分析計算。

3　分區方法及基本原理

聚類分析是一種重要的數據分析工具，在很多領域都得到重要應用［8］。聚類分析中以系統聚類分析應用最為廣泛，只要有數值特征的變量都可以通過選擇不同的距離和系統聚類方法而獲得滿意的分類效果［9-12］。本文選用13項分區指標近7年的數據，采用系統聚類法對指標數據進行分析計算，避免了傳統經驗法分區缺少數據支撐、容易受主觀因素影響等問題，增加了灌溉分區的可信程度。

由于此次灌溉分區選取的指標數據較多，工作量較大，而指標間又有一定的相關性，因此有可能影響數據的精度與范圍。而主成分分析法可以將原來多個指標變為少數幾個綜合指標，可很好地解決這一問題［13，14］。因此此次灌溉分區采用主成分分析和系統聚類法相結合的分區方法，這種做法不僅可有效地減輕了工作量，且指標彼此間的相關性也得以弱化［15］。

主成分分析法的基本原理為，假設有N個樣品，且每個樣品有p個指標，經過主成分分析的過程，將原有指標變成p個綜合指標，即：

經過變換而得到的綜合指標y1，y2，…，yp被稱為原指標的主分量。

4　分區過程及結果

4.1主成分分析

（1）首先對13個分區指標進行規格化處理，以消除各指標量綱不同和量級差異的影響。（2）計算相關系數矩陣R，通過計算可以看出13個指標之間有一定的相關性，因此這13項指標反映的信息有部分重疊。（3）根據特征方程計算特征值和特征向量。（4）計算貢獻率和累計貢獻率（如表1），從表1可以看出前5個主分量的累計貢獻率為88%，例接近于1，這5個主分量保留了原來指標因子85%以上的信息，完全滿足分區需要，因此選取前5個因子作為主分量進行節水灌溉分區計算。其中主分量1主要包含了x1、x2、x3、x6、x7及x10等指標的信息；主分量2主要包含了x4、x8、x9、x12四個指標的信息；主分量3主要由x5、x8、x9三個指標決定；主分量4主要由x5、x13決定；主分量5主要由x1、x11決定。

表1　各主分量的特征值、貢獻率及累計貢獻率Table 1 The characteristic value，contribution rate and accumulative contribution rate of each principal com ponent

4.2系統聚類分析

選擇一個不正確的聚類方法和距離系數可能會顯著影響分析結果［16］。此次節水灌溉分區采用規格化變換對數據進行變換處理。樣本間親疏程度的數量指標有兩種，一種是相似系數［17］，一種是距離。節水灌溉分區過程中，分別采用六種距離系數對數據進行聚類分析，結果表明卡方距離聚類效果最好（如圖2）。

圖2　系統聚類圖Fig.2 The figure of system ic clustering

聚類結果如圖2，圖中豎坐標1～17分別代表山東省17個地市，橫坐標表示各地市之間的距離系數。此次分區采用的是離差平和法，較為合理的分區結果應該表現為同一個區內的地市之間離差平方和較小，不同的區之間離差平方和較大。

當閾值0.4＜λ＜0.5時，也就是上圖中直線l所表示的一種情況，可將山東省分為6個區，即：｛濟南、聊城、菏澤、德州、濱州｝、｛東營｝、｛青島、濰坊、威海｝、｛淄博、煙臺、萊蕪｝、｛棗莊、泰安、濟寧｝、｛日照、臨沂｝；

當閾值0.5＜λ＜0.65時，也就是上圖中直線m所表示的一種情況，可將山東省分為5個區，即：｛濟南、聊城、菏澤、德州、濱州、東營｝、｛青島、濰坊、威海｝、｛淄博、煙臺、萊蕪｝、｛棗莊、泰安、濟寧｝、｛日照、臨沂｝；

當閾值0.7＜λ＜0.75時，也就是上圖中直線n所表示的一種情況，可將山東省分為3個區，即：｛濟南、聊城、菏澤、德州、濱州、東營｝、｛青島、濰坊、威海、淄博、煙臺、萊蕪｝、｛棗莊、泰安、濟寧、日照、臨沂｝；

當閾值λ＞0.95時，全省合并為一個區。

由于當閾值0.7＜λ＜0.75時，同一個區內的地市之間離差平方和較大，且分區結果較為粗略，不利于各分區節水灌溉措施的制定；而當閾值0.4＜λ＜0.5時，個別分區之間的離差平方和較小，且東營被單獨列了出來，這給各分區的統一管理帶來了不便，且與山東省的實際情況不符。因此選取當閾值取0.5＜λ＜0.65時的結果作為最后的分區結果，將山東省分為5個區，見表2。

表2　山東省節水灌溉分區Table 2Water saving irrigation districts in Shandong Province

4.3各分區節水灌溉適宜模式探討

水是生活、生產、生態的必需品，并且已經成為我國經濟發展的重要制約因素［18］。為了節約灌溉用水，有必要對山東省各個分區進行分析討論，找出各分區適宜的節水灌溉措施。選擇節水灌溉的主要途徑必須充分考慮各分區的自然條件、經濟條件、灌溉方式以及水資源狀況等各項因素［19］。

（1）黃泛區地形以平原為主，以引黃河水灌溉為主，大部分地市引水比例超50%，有些地區甚至接近80%，也有少量的井灌區。經過調研發現大部分地區仍是沿用的土渠引水，沿途損失嚴重，灌溉水利用系數低。節水措施應從輸水渠道入手，對引水渠道進行襯砌，減少滲漏損失，同時經濟條件允許的地區可以發展管道輸水，進一步提高灌溉用水的利用率。由于黃河近些年時有斷流情況發生，建議該區適當建設調蓄水利工程，以保證灌溉用水。

（2）膠東丘陵區，該區以水庫塘壩蓄水灌溉為主，有少量的井灌區。但該區的經濟基礎較好，農民人均收入較高，有條件發展良好的節水措施。輸水渠道應注意修繕和維護，水工建筑物應繼續完善配套，大力推行低壓管道輸水灌溉，田間輸水可以采用小型混凝土渠道，提高灌溉水的利用率。水庫灌區如今還面臨部分水庫由農業供水轉為工業供水、城市供水，使農業供水吃緊的問題，部分農田因此得不到灌溉，在這個問題上需要國家出臺相應的政策保證農業灌溉用水。

（3）魯中魯東丘陵區，主要包括淄博、煙臺、萊蕪三地市。該區地形多為山地和丘陵，以提水灌溉為主，提灌比例都在60%以上。應大面積推廣低壓管道灌溉，管材可采用砼管、水泥石屑管，近郊經濟條件好的地段可采用PVC管材，適當發展噴灌。同時，由于提水灌溉消耗能源較高，使該區的灌溉成本增加，農民收入降低。應注重清潔能源節水灌溉模式探索，如風能提水、太陽能提水等，利用自然資源進行提水灌溉，降低提灌成本且減少因能源燃燒帶來的環境污染。

（4）魯西南山區，主要包括棗莊、泰安、濟寧三地市。該區位于山東西南部，多年平均降雨量在630～750mm之間，屬濕潤氣候區，灌溉以提灌為主。應加強渠道管理，包括渠道配套完善、養護、維修，管道代替小型渠道或井灌，以減少輸水損失，提高水的利用率［20］。由于灌溉以井灌為主，灌溉水利用系數較高，但缺乏對地下水的集中統一管理，地下水超采嚴重，應加強對地下水的監管。

（5）魯東南山區，該區大部分為蓄水灌區，水庫蓄水，渠道輸水，同時有部分井灌區。由于部分水庫塘壩年久失修，滲漏嚴重，應對其進行檢修維護，并做好管理工作，科學用水。節水灌溉措施應對輸水渠道進行襯砌，適當發展低壓管道輸水。同時，在田間灌水技術上，應改進溝灌、畦灌技術，在精細、平整土地的基礎上大畦改小畦，長溝改短溝，使溝畦規格合理化，在灌溉方式上采用隔溝灌溉、波涌流灌溉等先進灌溉技術，通過減少田間水的滲漏達到節水灌溉的效果。

5　結論

本次灌溉分區以農業標準化為前提，為山東省節水灌溉分區提出了目標，提供了政策依據；收集了13項指標7年的數據，避免了傳統經驗法分區的主觀性，提高了分區精度；把分區指標簡化為幾個綜合指標，減少了工作量及指標間的相關性；分區結果精確合理，并針對每個分區做了深入總結和分析，為每個分區量身定做了各自適宜的節水灌溉方式，為全省灌溉評價和灌區管理提供了科學依據，也為山東省未來節水灌溉道路指明了方向。

［1］鄭鋒，程建勛.論農產品信息檔案在農業標準化體系中的作用［J］.農村經濟與科技，2013，24（7）：96-97

［2］李岳峰，劉汶.論我國農業現代化與農業機械化的內涵及基本特征［J］.農業現代化研究，2008，29（5）：518-521

［3］姚於康.淺析中國農業標準化體系建設現狀、關鍵控制點及對策［J］.江蘇農業學報，2010，26（4）：865-869

［4］李忠梅，張軍.山東省水資源合理配置方案研究［J］.人民黃河，2009，31（8）：46-47，49

［5］王薇，馮永軍，李其光，等.山東省農業灌溉發展態勢及分區節水模式探析［J］.中國農村水利水電，2012（12）：1-4，8

［6］左其亭，李可任.最嚴格水資源管理制度理論體系探討［J］.南水北調與水利科技，2013（1）：34-38，65

［7］許一，王振龍，徐得潛.安徽節水灌溉分區研究［J］.中國農村水利水電，2013（9）：44-47

［8］王駿，王士同，鄧趙紅.聚類分析研究中的若干問題［J］.控制與決策，2012，27（3）：321-328

［9］李婧.一種基于概率的快速聚類算法［J］.重慶工商大學學報：自然科學版，2014，31（2）：61-65

［10］要尉鵬.支持視頻直播與點播統一建模的Coop Stream ing系統設計與實現［D］.杭州：浙江大學，2006

［11］曹敏格，楊海玲，張文，等.蘋果砧木矮化性評價指標的研究［J］.中國農業大學學報，2008，13（5）：11-18

［12］張燕，張振華，姚付啟，等.主成分分析與系統聚類法在農業用地優先度評價中的應用［J］.農業系統科學與綜合研究，2009，25（1）：23-26

［13］李靜.東北國有森工企業改制分析與評價研究［D］.哈爾濱：東北林業大學，2012

［14］劉海斌.黃土高原已治理小流域土地利用現狀解析與評價［D］.西安：西北農林科技大學，2007

［15］吳景社，康紹忠，王景雷，等.基于主成分分析和模糊聚類方法的全國節水灌溉分區研究［J］.農業工程學報，2004，20（4）：64-68

［16］Sara?li S.Performance of Rand's C Statistics in Clustering Analysis：an Application to Clustering the Regions of Turkey［J/OL］.Journalof Inequalitiesand Applications，2013：142.Doi：10.1186/1029-242X-2013-142

［17］呂全偉，王東，何鵬，等.寶珠寺水電站壩基析出物的聚類分析［J］.中國農村水利水電，2013（8）：155-157，165

［18］郭唯，左其亭，靳潤芳，等.鄭州市最嚴格水資源管理績效評估體系及應用［J］.南水北調與水利科技，2014，12（4）：86-91

［19］李龍昌，呂寧江，于國平，等.山東省節水灌溉分區與節水途徑淺見［J］.灌溉排水，1997，16（3）：18-22

［20］張淑云，張洪玉.淺議節水灌溉的方法及主要技術措施［J］.水利科技與經濟，2008，14（3）：241-242

Research on the Dividing Areas of Water Saving Irrigation in Shandong Province Based on Agricultural Standardization

WEIMei1，LIU Fu-sheng1*，ZHAO Jing-hui1，LIU Dong-liang1，LIU Bo1，QIAO Tian-ling2
1.College ofWater Conservancy and CivilEngineering/Shandong AgriculturalUniversity，Tai'an 271018，China
2.Water Affairs Bureau ofDaiyue District Tai'an City Shandong Province，Tai'an 271000，China

Shandong Province is a major agricultural province with serious water shortage.In order to carry out the agricultural standardization policy and ensure the yield and quality of agricultural products，it's quite important to explore the way of reducing the waterwaste in agriculture to improve the irrigation guarantee rate of Shandong various prefectures and meet the crop'swater demand.Itmade the Shandong 17 prefectures as partition basic units，selected the 13 partition indexes such as thewater shortage degree and aridity index，collected the last7 years'data of Shandong various prefectures，analyzed the index data using the Data Processing System（DPS）.It divided the Shandong Province into 5 water-saving irrigation districts by using the principal component analysis（PCA）and systemic clustering method，and explored the suitable water-saving irrigationmode combining w ith the characteristics of each district in order to provide the basis forwater-saving irrigation plan of Shandong Province.

Agriculturalstandardization；water-saving irrigation；dividing areas

S274

A

1000-2324（2016）04-0560-05

2016-04-06

2016-04-19

山東省2014年度農業重大應用技術創新課題；山東省省級水利科研與技術推廣項目（SDSLKY201401）

韋梅（1990-），女，碩士研究生，研究方向為水利水電工程設計理論與管理運行.E-mail：347817745@qq.com

Author for correspondence.E-mail：liufsh@sdau.edu.cn