基于系統聚類方法的黃河流域地表水利用程度評析

尹瀚民+賈文毓

摘要：指出了隨著社會經濟的不斷發展，黃河流域水資源可持續問題越來越凸顯出來，不同省區，對黃河流域地表耗水狀況不同，但同時各省區對水資源利用又有一定的相似性。應用系統聚類分析方法，通過選取6類指標，對黃河流域9省區地表耗水程度的距離相似性情況進行了評價。結果表明：青海和四川的距離相似歸為第一聚類；甘肅、寧夏、陜西、內蒙古、山西為第二聚類；河南和山東為第三聚類。提出了要處理好生態系統和社會經濟發展之間的關系，需要對二者進行協調，走可持續發展之路。

關鍵詞：黃河流域；地表耗水；系統聚類分析

中圖分類號：TV213.9 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2017）2-0091-04

1 引言

黃河流域是我國重要的能源化工基地和糧棉基地，在我國經濟建設中起著重要的作用，如何處理好黃河流域地表水資源的利用問題，一直是國家政府所關切的問題之一，也是不同領域的專家學者研究的重點問題。目前國內對于黃河流域水資源問題和利用問題的研究很多。從行政管理和法律層面，黃蕊[1]運用經濟學、生態學、環境學和法學基本理論，研究了黃河流域水資源管理體制問題、水權問題、水價問題、生態補償與法律管理問題，李珂[2]在現有的關于黃河流域水資源管理法律法規的基礎上，結合我國實際提出了完善的管理措施，范瑤[3]也從法律角度對黃河流域水資源保護與利用進行了相關研究。從黃河流域水資源可再生能力出發，沈珍瑤等[4]利用定性分析建立了黃河流域水資源可再生指標，得出了黃河流域水資源可再生能力弱的結論，賈琦等[5]建立了基于云理論的水資源可再生能力綜合評價體系，也同樣得出黃河流域可再生能力總體上較弱的結論。從建立黃河流域水資源模型出發，吳澤寧等[6]建立了調控方案水資源利用效果評價模型，提出了流域水資源調控方案的準則和量化評價方案，賈抑文等[7]建立二元演化模型，對客觀評價水土保持、生態建設、農田基本建設以及黃河治理規劃等提出了重要參考價值，彭少明等[8]建立了黃河流域水資源利用的多目標規劃模型，為分階段提出黃河流域水資源利用對策提供了依據。另外國內學者還有從黃河流域承載能力、氣候變化、水資源可持續利用以及對綜合規劃等方面進行研究。就目前研究來看，對黃河流域各省地表耗水量（各省直接從黃河干流和支流提水扣除其回歸到黃河干支流河道的水量）的研究較少，其中張慧等[9]采用熵權模型的方法，對各省評估指標加權得到綜合指數，對黃河流域及其各省（區）的綜合農業水資源利用效率進行對比分析，現在，對黃河流域各省區地表水利用程度還未見報道，鑒于黃河流域地表水的重要性和特殊性，筆者欲完善這部分研究。

2 研究區概況

黃河為我國第二大河，發源于青海省巴顏喀拉山北麓的約古列宗盆地，流經青海、四川、甘肅、寧夏、內蒙古、山西、陜西、河南、山東9個省級行政區涉及68個地級行政單位[10]，在山東省的墾利縣注入渤海，其位于北緯32～42°、東經96～119°。黃河流域地跨干旱、半干旱、半濕潤地區，是典型的季風氣候區，降水季節性強，變率大，多暴雨，最大降雨量出現在6～9月，占年降雨量70%～80%。流域面積約79.5萬km2（包括內流區面積3.2萬km2），干流全長5464 km，流域人口9781萬人。

黃河流域多年平均河川徑流534.8×108 m3，僅占全國河川徑流量的2.2%，居全國七大江河第五位。流域內人均水資源量不到全國人均總量的30%，卻承擔著全國12%的人口、15%的耕地面積和沿河50多座大中城市的供水任務 [11]，這使得水資源供需矛盾更加突出。2005～2014年黃河地表耗水量如圖1所示。

3 數據來源與研究方法

3.1 研究方法

聚類分析又稱群分析或點群分析，它是一種研究多要素事物分類問題的數量方法。其基本原理是根據樣本自身的屬性，用數學方法按照某種相似性和差異性指標，距離近的先聚成類，距離遠的后聚成類，最后每個樣本都能聚到適當的類中，定量確定樣本之間的親疏關系的一種研究方法[12]，本文采用歐氏距離計算方法。

歐式距離為：

dij=∑nk=1（xik-xjk）2

令dij=d（xi，xj），D=（dij）n×n形成一個距離矩陣：

0d12…d1n

d210…d2n

d1nd2n…0，

令dij=dji；dij為變量i和j間的距離。

根據最近距離矩陣將距離最近的兩個樣品合成一類，根據歐式距離法的要求用離差平方和（WARD）進行聚類，當Gp和Gq合并為Gr后，與其他Gk距離的遞推公式為[13，14]：

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

式中np、nk、nr、nq分別為Gp、Gk、Gr、Gq各類的樣品數。

3.2 數據來源與處理

依據指標選取原則，即包括：①目的性：選取的這幾類指標能夠對黃河流域各省對地表水利用程度進行評價，并找出利用程度相似的區域。②針對性：指標能夠反映流域地區的用水情況，從側面也能反映一定的生態危機。③科學性：指標概念明確，具有一定的實際價值。④可操作性：指標的選取利用了現有的年刊中的相關指標，主要包括農田灌溉用水（X1）、林木魚畜用水（X2）、工業用水（X3）、城鎮公共用水（X4）、居民生活用水（X5）、生態環境用水（X6）這6類。統計結果見表1，指標數據來源于為2014年黃河水資源公報。指標數據應用了SPSS Statistics 19統計軟件進行聚類分析，因指標單位雖相同，但量綱不同，需要對數據進行標準化，標準化方法比較多，本文采用Z-score標準化方法，也叫標準差標準化。經過處理的數據符合標準正態分布，即均值為0，標準差為1，其中轉化函數為：

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是原數據；j為所有樣本數據的均值；Sj為所有數據的標準差。

4 數據計算結果與分析

將數據導入到相關軟件，首先進行標準化處理，得到距離矩陣D為：

從各地區之間的距離（dij）來看，四川和青海的相似度最大（d12值最小），其值為1.509；四川和山東相似度最小（d29值最大），其距離值為38.172，其它的相似性根據dij來類推。另外，用離差平方和（WARD）將9類樣本分成8類距離矩陣D8×8，然后在8類中再次將根據WARD分成7類樣本，形成距離樣本D7×7，直到所有樣本根據WARD距離計算方法一步步計算形成距離譜系圖（圖2）。

圖2中橫軸表示距離，縱軸表示樣本，即黃河流域9個省級行政區。不難看出，青海和四川先歸為一類，然后甘肅、寧夏、內蒙古、陜西、山西歸為另一類，同樣對其他省區進行分類，從該譜系聚類可以看出，并類的距離為10的前提下，黃河流域各省可以分為三類：青海、四川在上述6個指標綜合結果屬于相對較低的一類；甘肅、寧夏、內蒙古、陜西、山西歸為較高的第二類；河南、山東歸為最高的第三類。通過圖3可以看出，在第一類的兩個省中，黃河流經青海省面積雖大但經濟落后、工業基礎薄弱，地處青藏高原，海拔高，農業主要集中在河流谷地，灌溉面積有限。流域內多天然草場，灌溉草地較少，該地區人口較少對黃河地表水利用程度低，黃河流經四川省西北部，為四川與青海的交界，流經四川的地區仍位于青藏高原區，與四川盆地工農業發達和優越的氣候條件形成鮮明對比，該地區經濟相對落后，工業化水平低，人口較少，所以對黃河水資源利用低。在第二類中，黃河流經的這5個省大體位于黃土高原地區，該地區處于半濕潤和半干旱、季風區和非季風區的過渡地帶，降水變率大，春季降水少，而春季是農業需水量大的季節。其中寧夏平原和河套平原是大型灌區且黃土高原大部分地區是暖溫帶氣候作物兩年三熟，農業用水量較大。流域地區礦產資源豐富，工業用水量較大，沿河城市多，人口稠密可以將他們歸為利用較高的第二類。山東河南（除河南一小部分外）大部分處于華北平原地區，該地區位于暖溫帶季風氣候區是我國糧食作物的主產區，作物兩年三熟，且季風氣候降水集中，春旱嚴重，該地區地勢地平，可以大面積的引水灌溉，2015年山東河南人口位居全國第二和第三，經濟發展位居全國前五，工業發展需水量大，城市化和生活用水量大可將其歸為利用最高的第三類。

5 結論與建議

根據系統聚類對2014年黃河流域各省區地表耗水利用狀況的分析，可以將黃河流域地表水利用分為三個區域，第一個區域為青藏高原區，省份為青海、四川兩個省份，利用程度最小；第二個區域為黃土高原區，省份為甘肅、寧夏、陜西、內蒙古、山西，利用程度較大；第三個區域為華北平原區，省份為河南省、山東省，利用程度為最大。分成的這三大區域符合我國的三級階梯的分布，也從側面說明地形對流域地表水的利用程度有重要影響。

在系統聚類中四川和山東的利用狀況相似性最小，山東利用大，而四川利用小，但是從黃河流域行政面積上來看山東僅占1.36×104 km2，為9個省份最低，其次就是四川占1.70×104 km2，可見一個省地表水的利用狀況不僅取決于它行政區所在的流域面積，還受很多因素的影響諸如工業、農業、人口、地形、氣候等。

所以從黃河流域9個省區地表水資源的耗水狀況對生態系統造成影響程度方面，尤其是在經濟發展進程中應該學習發達國家對流域開發的先進經驗，要避免先破壞后治理的思路。因地制宜的原則下及時制定相關保護政策，對同類聚類地區可以制定類似的相關政策，但不同聚類地區需采取不同的水資源保護和利用措施，如第一類和第三類地區需要區別對待，青海地區生態環境脆弱要強于其他地區且位于黃河源頭，其開發與保護對黃河流域的生態安全起到關鍵性作用。

流域內的各省經濟發展離不開對黃河水的利用，但是過分開發或盲目開采地表水資源，不利于當地可持續發展，也不利于全流域的可持續發展。為此，應該在重視生態保護的情況下，還要堅持有效開發、合理開發，保障黃河流域生態系統的安全與穩定。

參考文獻：

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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