基于農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化的山東省節(jié)水灌溉分區(qū)研究

韋梅，劉福勝*，趙井輝，劉棟梁，劉波，喬田玲

1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院，山東泰安2710182.山東省泰安市岱岳區(qū)水務(wù)局，山東泰安271000

基于農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化的山東省節(jié)水灌溉分區(qū)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(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院，山東泰安271018
2.山東省泰安市岱岳區(qū)水務(wù)局，山東泰安271000

山東省是嚴(yán)重缺水的農(nóng)業(yè)大省，為了貫徹農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化政策的實施，保證農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，探究如何減少農(nóng)業(yè)用水浪費(fèi)，以提高山東省各地市灌溉保證率，滿足農(nóng)作物用水需求十分重要。以山東省17地市作為分區(qū)基本單元，選取了缺水程度、干燥度等13項分區(qū)指標(biāo)，收集了山東省各地市最近7年的數(shù)據(jù)，運(yùn)用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析處理，采用主成分分析法與系統(tǒng)聚類法，把山東省分為5個節(jié)水灌區(qū)，并結(jié)合各分區(qū)特點(diǎn)探討了適宜的節(jié)水灌溉模式，以期為山東省節(jié)水灌溉規(guī)劃提供依據(jù)。

農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化；節(jié)水灌溉；分區(qū)

農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化是指以農(nóng)業(yè)為對象的對農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、科學(xué)、管理活動中需要統(tǒng)一、協(xié)調(diào)的對象制訂標(biāo)準(zhǔn)使之實現(xiàn)合理統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化活動［1，2］，主要包括農(nóng)林牧副漁及水利、機(jī)械等行業(yè)，其目的是生產(chǎn)出質(zhì)優(yōu)、量多的農(nóng)產(chǎn)品。自從進(jìn)入21世紀(jì)，農(nóng)業(yè)國際化日益增強(qiáng)，農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化在提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量及市場競爭力方面的作用越來越突出［3］。

農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化涵蓋農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)前、產(chǎn)中、產(chǎn)后全過程，包括化工、水利、機(jī)械、環(huán)保和農(nóng)村能源等各方面的標(biāo)準(zhǔn)。由于農(nóng)田水利工程是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的命脈，因此農(nóng)田水利標(biāo)準(zhǔn)化是農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化的重要組成部分。農(nóng)田水利標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)以發(fā)展高標(biāo)準(zhǔn)旱澇保收農(nóng)田和高效節(jié)水灌溉為核心，通過建立和推行科學(xué)、統(tǒng)一的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，來規(guī)范農(nóng)田水利建設(shè)工作，有利于推進(jìn)農(nóng)田水利建設(shè)現(xiàn)代化進(jìn)程，對于全面提升農(nóng)田水利設(shè)施建設(shè)質(zhì)量和管理水平、增強(qiáng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力具有重要的意義，為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展和糧食穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)提供有力的水利支撐和保障。

山東省是水資源嚴(yán)重缺乏的農(nóng)業(yè)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(jīng)濟(jì)社會發(fā)展與水資源分布不協(xié)調(diào)［5，6］。為了發(fā)展高效節(jié)水灌溉，第一步就是要根據(jù)各地區(qū)的不同特點(diǎn)把山東省分為不同的灌溉區(qū)域，然后根據(jù)各個區(qū)域的具體情況，分別制定合理的節(jié)水灌溉措施，從而達(dá)到發(fā)展高效節(jié)水灌溉的要求。

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

1　分區(qū)基本單元的選取

山東省轄濟(jì)南（1）、青島（2）、淄博（3）、棗莊（4）、東營（5）、煙臺（6）、濰坊（7）、濟(jì)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(jié)水灌溉分區(qū)中，以山東省十七地市作為分區(qū)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(qū)指標(biāo)體系Fig.1The index system in dividing areas

2　分區(qū)指標(biāo)體系的建立

分區(qū)指標(biāo)的設(shè)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(xiàn)閱讀和對比分析，制定出了適合山東省的節(jié)水灌溉分區(qū)指標(biāo)體系。包括地貌形態(tài)、氣候特征、缺水程度、灌區(qū)類型、用水現(xiàn)狀、農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)7大模塊共13項指標(biāo)。這13項指標(biāo)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(qū)比例（x6）、引水灌區(qū)比例（x7）、井灌區(qū)比例（x8）、提水灌區(qū)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(nóng)民人均純收入（x13）。通過查閱資料、實地調(diào)研、相關(guān)單位咨詢及網(wǎng)上查閱等方式獲取了13項指標(biāo)2008～2014 年7年的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行了分類整理，用于灌溉分區(qū)分析計算。

3　分區(qū)方法及基本原理

聚類分析是一種重要的數(shù)據(jù)分析工具，在很多領(lǐng)域都得到重要應(yīng)用［8］。聚類分析中以系統(tǒng)聚類分析應(yīng)用最為廣泛，只要有數(shù)值特征的變量都可以通過選擇不同的距離和系統(tǒng)聚類方法而獲得滿意的分類效果［9-12］。本文選用13項分區(qū)指標(biāo)近7年的數(shù)據(jù)，采用系統(tǒng)聚類法對指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計算，避免了傳統(tǒng)經(jīng)驗法分區(qū)缺少數(shù)據(jù)支撐、容易受主觀因素影響等問題，增加了灌溉分區(qū)的可信程度。

由于此次灌溉分區(qū)選取的指標(biāo)數(shù)據(jù)較多，工作量較大，而指標(biāo)間又有一定的相關(guān)性，因此有可能影響數(shù)據(jù)的精度與范圍。而主成分分析法可以將原來多個指標(biāo)變?yōu)樯贁?shù)幾個綜合指標(biāo)，可很好地解決這一問題［13，14］。因此此次灌溉分區(qū)采用主成分分析和系統(tǒng)聚類法相結(jié)合的分區(qū)方法，這種做法不僅可有效地減輕了工作量，且指標(biāo)彼此間的相關(guān)性也得以弱化［15］。

主成分分析法的基本原理為，假設(shè)有N個樣品，且每個樣品有p個指標(biāo)，經(jīng)過主成分分析的過程，將原有指標(biāo)變成p個綜合指標(biāo)，即：

經(jīng)過變換而得到的綜合指標(biāo)y1，y2，…，yp被稱為原指標(biāo)的主分量。

4　分區(qū)過程及結(jié)果

4.1主成分分析

（1）首先對13個分區(qū)指標(biāo)進(jìn)行規(guī)格化處理，以消除各指標(biāo)量綱不同和量級差異的影響。（2）計算相關(guān)系數(shù)矩陣R，通過計算可以看出13個指標(biāo)之間有一定的相關(guān)性，因此這13項指標(biāo)反映的信息有部分重疊。（3）根據(jù)特征方程計算特征值和特征向量。（4）計算貢獻(xiàn)率和累計貢獻(xiàn)率（如表1），從表1可以看出前5個主分量的累計貢獻(xiàn)率為88%，例接近于1，這5個主分量保留了原來指標(biāo)因子85%以上的信息，完全滿足分區(qū)需要，因此選取前5個因子作為主分量進(jìn)行節(jié)水灌溉分區(qū)計算。其中主分量1主要包含了x1、x2、x3、x6、x7及x10等指標(biāo)的信息；主分量2主要包含了x4、x8、x9、x12四個指標(biāo)的信息；主分量3主要由x5、x8、x9三個指標(biāo)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(xiàn)率及累計貢獻(xiàn)率Table 1 The characteristic value，contribution rate and accumulative contribution rate of each principal com ponent

4.2系統(tǒng)聚類分析

選擇一個不正確的聚類方法和距離系數(shù)可能會顯著影響分析結(jié)果［16］。此次節(jié)水灌溉分區(qū)采用規(guī)格化變換對數(shù)據(jù)進(jìn)行變換處理。樣本間親疏程度的數(shù)量指標(biāo)有兩種，一種是相似系數(shù)［17］，一種是距離。節(jié)水灌溉分區(qū)過程中，分別采用六種距離系數(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析，結(jié)果表明卡方距離聚類效果最好（如圖2）。

圖2　系統(tǒng)聚類圖Fig.2 The figure of system ic clustering

聚類結(jié)果如圖2，圖中豎坐標(biāo)1～17分別代表山東省17個地市，橫坐標(biāo)表示各地市之間的距離系數(shù)。此次分區(qū)采用的是離差平和法，較為合理的分區(qū)結(jié)果應(yīng)該表現(xiàn)為同一個區(qū)內(nèi)的地市之間離差平方和較小，不同的區(qū)之間離差平方和較大。

當(dāng)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(qū)，即：｛濟(jì)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(jì)寧｝、｛日照、臨沂｝；

當(dāng)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(qū)，即：｛濟(jì)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(jì)寧｝、｛日照、臨沂｝；

當(dāng)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(qū)，即：｛濟(jì)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(jì)寧、日照、臨沂｝；

當(dāng)閾值λ＞0.95時，全省合并為一個區(qū)。

由于當(dāng)閾值0.7＜λ＜0.75時，同一個區(qū)內(nèi)的地市之間離差平方和較大，且分區(qū)結(jié)果較為粗略，不利于各分區(qū)節(jié)水灌溉措施的制定；而當(dāng)閾值0.4＜λ＜0.5時，個別分區(qū)之間的離差平方和較小，且東營被單獨(dú)列了出來，這給各分區(qū)的統(tǒng)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(dāng)閾值取0.5＜λ＜0.65時的結(jié)果作為最后的分區(qū)結(jié)果，將山東省分為5個區(qū)，見表2。

表2　山東省節(jié)水灌溉分區(qū)Table 2Water saving irrigation districts in Shandong Province

4.3各分區(qū)節(jié)水灌溉適宜模式探討

水是生活、生產(chǎn)、生態(tài)的必需品，并且已經(jīng)成為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要制約因素［18］。為了節(jié)約灌溉用水，有必要對山東省各個分區(qū)進(jìn)行分析討論，找出各分區(qū)適宜的節(jié)水灌溉措施。選擇節(jié)水灌溉的主要途徑必須充分考慮各分區(qū)的自然條件、經(jīng)濟(jì)條件、灌溉方式以及水資源狀況等各項因素［19］。

（1）黃泛區(qū)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(qū)甚至接近80%，也有少量的井灌區(qū)。經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)大部分地區(qū)仍是沿用的土渠引水，沿途損失嚴(yán)重，灌溉水利用系數(shù)低。節(jié)水措施應(yīng)從輸水渠道入手，對引水渠道進(jìn)行襯砌，減少滲漏損失，同時經(jīng)濟(jì)條件允許的地區(qū)可以發(fā)展管道輸水，進(jìn)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(fā)生，建議該區(qū)適當(dāng)建設(shè)調(diào)蓄水利工程，以保證灌溉用水。

（2）膠東丘陵區(qū)，該區(qū)以水庫塘壩蓄水灌溉為主，有少量的井灌區(qū)。但該區(qū)的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)較好，農(nóng)民人均收入較高，有條件發(fā)展良好的節(jié)水措施。輸水渠道應(yīng)注意修繕和維護(hù)，水工建筑物應(yīng)繼續(xù)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(qū)如今還面臨部分水庫由農(nóng)業(yè)供水轉(zhuǎn)為工業(yè)供水、城市供水，使農(nóng)業(yè)供水吃緊的問題，部分農(nóng)田因此得不到灌溉，在這個問題上需要國家出臺相應(yīng)的政策保證農(nóng)業(yè)灌溉用水。

（3）魯中魯東丘陵區(qū)，主要包括淄博、煙臺、萊蕪三地市。該區(qū)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(yīng)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(jīng)濟(jì)條件好的地段可采用PVC管材，適當(dāng)發(fā)展噴灌。同時，由于提水灌溉消耗能源較高，使該區(qū)的灌溉成本增加，農(nóng)民收入降低。應(yīng)注重清潔能源節(jié)水灌溉模式探索，如風(fēng)能提水、太陽能提水等，利用自然資源進(jìn)行提水灌溉，降低提灌成本且減少因能源燃燒帶來的環(huán)境污染。

（4）魯西南山區(qū)，主要包括棗莊、泰安、濟(jì)寧三地市。該區(qū)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(qū)，灌溉以提灌為主。應(yīng)加強(qiáng)渠道管理，包括渠道配套完善、養(yǎng)護(hù)、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(shù)較高，但缺乏對地下水的集中統(tǒng)一管理，地下水超采嚴(yán)重，應(yīng)加強(qiáng)對地下水的監(jiān)管。

（5）魯東南山區(qū)，該區(qū)大部分為蓄水灌區(qū)，水庫蓄水，渠道輸水，同時有部分井灌區(qū)。由于部分水庫塘壩年久失修，滲漏嚴(yán)重，應(yīng)對其進(jìn)行檢修維護(hù)，并做好管理工作，科學(xué)用水。節(jié)水灌溉措施應(yīng)對輸水渠道進(jìn)行襯砌，適當(dāng)發(fā)展低壓管道輸水。同時，在田間灌水技術(shù)上，應(yīng)改進(jìn)溝灌、畦灌技術(shù)，在精細(xì)、平整土地的基礎(chǔ)上大畦改小畦，長溝改短溝，使溝畦規(guī)格合理化，在灌溉方式上采用隔溝灌溉、波涌流灌溉等先進(jìn)灌溉技術(shù)，通過減少田間水的滲漏達(dá)到節(jié)水灌溉的效果。

5　結(jié)論

本次灌溉分區(qū)以農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化為前提，為山東省節(jié)水灌溉分區(qū)提出了目標(biāo)，提供了政策依據(jù)；收集了13項指標(biāo)7年的數(shù)據(jù)，避免了傳統(tǒng)經(jīng)驗法分區(qū)的主觀性，提高了分區(qū)精度；把分區(qū)指標(biāo)簡化為幾個綜合指標(biāo)，減少了工作量及指標(biāo)間的相關(guān)性；分區(qū)結(jié)果精確合理，并針對每個分區(qū)做了深入總結(jié)和分析，為每個分區(qū)量身定做了各自適宜的節(jié)水灌溉方式，為全省灌溉評價和灌區(qū)管理提供了科學(xué)依據(jù)，也為山東省未來節(jié)水灌溉道路指明了方向。

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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(nóng)業(yè)重大應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新課題；山東省省級水利科研與技術(shù)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(shè)計理論與管理運(yùn)行.E-mail：347817745@qq.com

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