基于空間聚類的省級糧食應急儲備分區研究

韓建軍，侯紀偉，程 玉，郭志濤

（河南工業大學 土木建筑學院，河南 鄭州 450001）

糧食應急儲備作為調節糧食供求的“蓄水池”，不僅能保障受災地區人口的基本生活，還能調節糧食市場價格的波動[1-2]。2008 年汶川發生特大地震，中國儲備糧管理集團有限公司（以下簡稱中儲糧）累計向災區緊急投放糧油儲備64 萬t，保證了災區群眾的基本生活；2010 年，國內糧食價格快速上漲，中儲糧釋放了4 884.14 萬t 政策性糧油儲備，相當于當年消費量的10%，穩定了市場，避免了糧食價格的大幅波動。

目前，我國省級區域（省域）糧食應急儲備多是依據“銷區六個月消費量，產區三個月消費量”的儲備原則，這種“一刀切”儲備模式的不足在于不能有效解決省域內各地區對于糧食儲備需求的差異問題[3-4]。針對不同地區特征因素的差異性來劃分糧食應急儲備區域能夠有效的解決這個問題。

有學者利用建立多級評價指標體系、疊置法、聚類分析、定性分析等方法分別針對不同的功能分區進行了研究，其中，空間聚類方法因其能反映地理位置鄰近的特點[5]，常用于劃分區域。有學者基于此方法，通過設定有關應急物資儲備的目標函數，對應急物資儲備的分區進行研究。如王晶[6]以區域救援效率和儲備成本為目標函數建立了空間聚類的模型，對我國應對自然災害的應急物資儲備區域劃分進行了實證研究；尹洪兵等[7]基于空間聚類模型，以全面覆蓋各類交通目標為基礎，平衡保障效率（聚類的數目）與儲備成本，實現對國防交通保障物資區域的劃分。糧食儲備的目標不僅僅是應對自然災害，同時它也擔負著平抑糧價的功能，但是現有的專門針對糧食的儲備分區研究較少，個別有關糧食分區的研究也只采用了單一要素分析。

本研究以糧食應急儲備的功能目標為導向，引入有關影響糧食應急儲備的特征因素，基于K均值（K-Means）空間聚類算法，建立省級區域糧食應急儲備分區模型，對省域內糧食應急儲備區域進行細分研究，并利用糧食生產重心和人口重心之間的距離來檢驗分區的有效性。根據各聚類特征提出相應的糧食應急儲備策略，以期為我國省級糧食應急儲備布局提供參考。

1 材料和方法

1.1 研究材料

浙江省多面臨海，港口貿易發達。作為我國的經濟強省，其11 個地級市中有8 個進入2018中國城市GDP（經濟總量）百強排名。長期以來浙江省糧食自給率都很低，如杭州市富陽區的自給率僅為35.57%，這意味著當浙江省受到自然災害或者緊急情況的沖擊時，大部分的糧食供給需要動用應急儲備。另一方面浙江地形自西南向東北呈階梯狀分布，西南以山地為主，中部以丘陵為主，東北部是低平的沖積平原，地形因素較為復雜，對于糧食的儲備和調運均有影響。因此選擇以浙江省為研究對象。

相比于單一截面數據，分析面板數據更能體現出區域劃分的準確性，同時考慮到數據的可獲得性，在不破壞行政管理邊界的情況下，選擇2010—2019 年浙江省地級市面板數據來研究浙江省糧食應急儲備的區域劃分。

其中地理坐標經緯度數據來源于百度地圖坐標拾取，受災面積、受災人口、經濟損失、價格指數、人口、城鎮化率、糧食產量和公路里程等指標均來源于2010—2019 年《浙江省統計年鑒》《浙江省自然資源與環境統計年鑒》。

1.2 研究方法

1.2.1 因素選取

糧食儲備的目的不僅是能夠在發生自然災害時保障災民的基本生活，還能調節因供需不平衡導致糧食價格劇烈波動。

針對應急情況，交通便捷的地區對于緊急調運的反應相對更迅速。但糧食與其他應急物資儲備所不同的是，糧食儲備不僅要達到應急目的，還需要考慮到它對人民生活的影響，比如人口越多的地區對于糧食的需求量相對越高，城鎮人口和農村人口對于糧食的需求結構和需求量也不一樣，不同地區糧食種植品種和產量也不完全相同等等。

通過分析地區之間各要素的差異和前人研究[8-9]，篩選出A 災害、B 價格、C 人口、D 經濟、E 產量、F 交通六個影響糧食應急儲備分區的重要因素，選取經緯度T 坐標來表示地理位置特征，用來描述劃分對象在空間上鄰近程度。

其中A. 選取受災面積S、受災人口H、經濟損失L 三個指標表示地區受災情況的輕重；

B. 選取糧食價格指數R 表示不同地區糧食價格的波動差異；

C. 選取人口密度P 指標表示人口空間分布的差異；

D. 選取城鎮化率Q 指標表示地區之間經濟發展情況的差異；

E. 選取谷物產量M 指標表示地區糧食供給差異；

F. 選取路網密度O 指標來衡量地區交通網絡的差異。

1.2.2 K-means 算法

K-means 算法是一種基于劃分的經典空間聚類方法，應用廣泛，收斂速度快[10]。其算法的核心是找出k個聚類中心令每一個樣本點和與其最近聚類中心的平方距離和最小化，最終得到對標準化后數據集的劃分結果。其具體流程如下：

1.2.3 重心模型

重心模型是研究空間變動的重要分析工具，能夠客觀的描述區域發展過程中要素的空間變化特征及規律[11]。本文采用重心模型計算區域糧食生產重心和人口重心位置，以區域糧食生產重心和人口重心距離來反映區域應急的成本和效率，距離越小，代表區域糧食產量和人口數量的重心越靠近，則認為該區域在應急狀況下調運糧食和儲備成本越小、應急反應越快。

2 結果與分析

2.1 聚類結果分析

通過對比結果發現，當k≥5 時，每年的聚類類別中所包含的樣本均不相同，無法根據各年聚類結果總結出有效的劃分結果，并且依據聚類內相似度最小、聚類間相似度最大原則，選擇k=3為最終聚類數和聚類類別，最終得出表1 中聚類結果。

表1 k=3 時的聚類結果Table 1 Clustering results when k=3

基于表1 的結果，以頻率≥80%的數字為該樣本類別，可得寧波、舟山屬于聚類1，紹興、湖州和嘉興屬于聚類2，麗水、衢州和金華屬于聚類3。接下來對三個聚類的聚類中心進行對比分析，如圖1。

圖1 聚類中心變化趨勢對比Fig.1 Comparison of the changing trends of cluster centers

由圖1a～1c，發現三個聚類的每年自然災害造成的損失無明顯規律，且波動較大，但對比浙江省災害類型的分布特征[12]，發現聚類1 多發生臺風災害，聚類2 無明顯的災害特征，聚類3 多是夏季降水量大引發洪澇災（這里的洪澇災害不包括因臺風引起的洪澇災）、冬季寒潮引發低溫冷凍和雨雪災。

由圖1d，發現三個聚類每年的價格指數變化差異不大，均在2011—2012 年價格迅速下跌之后基本無大的波動，故后續不再將價格指數作為區域儲備的分析指標。

由圖1e 可以看出三個聚類的人口密度指標基本處于平穩狀態。聚類1 和聚類2 的人口密度均值遠大于聚類3。

由圖1f 可以看出三個聚類的城鎮化率指標在八年中一直處于上升狀態，其中聚類1 上升相對緩慢，聚類2 和3 上升得相對快一些。

由圖1g 可以看出各聚類的產量指標呈階梯式下降的變化趨勢，尤其是2013—2014 和2016—2017 這兩個階段下降趨勢較為明顯。

由圖1h 看出各聚類的路網密度指標總體呈曲折上升的狀態。

總結出各聚類特征，如表2。并對比表1 中未呈現明顯所屬類別的城市的屬性特征，按照鄰近城市以及屬性相近的原則，將杭州劃分到聚類2 中，溫州和臺州劃分到聚類1 中。由此，最終確定出浙江省糧食應急儲備的三個儲備區域，如圖2，同一符號代表同一區域類型。

表2 聚類特征表Table 2 Clustering feature table

圖2 浙江省三個儲備區域Fig.2 Three reserve areas in Zhejiang province

2.2 重心距離分析

根據最終得出的三個儲備區域，采用公式（3）～（5）計算2017 年浙江省以及劃分出的三個區域的糧食生產重心和人口重心，根據地理坐標通過百度地圖坐標拾取器坐標反查確定坐標位置，如表3。

由表3 可以看出，劃分的三個區域糧食生產重心和人口重心的距離明顯小于浙江省的兩個重心的距離。如果據此進行分區儲備，將會大大縮短各區域糧食生產重心到人口消費重心之間的距離，這說明，利用本文所建立的糧食應急儲備分區模型在一定程度上可以有效減少糧食調運的成本、提高糧食應急供給的效率。

表3 重心距離對比Table. 3 Center of gravity distance comparison

2.3 糧食應急儲備策略分析

依據各地區的屬性特征將浙江省的糧食應急儲備區域劃分為三個區域，同時結合各區域的災害類型及地理位置特征來確定各區域的儲備策略。

區域1 可采取“多處集中”的儲備策略。該區域夏季多發生臺風災害，臺風會破壞當地的基礎設施、交通及其引發的二次洪澇災害，認為應對儲備庫進行加固處理，可以選擇新建儲備庫，也可以選擇和企業合作收儲，若選擇新建儲備庫則應將其建在相對高處的位置。該區域主要受臺風災害影響，人口密度相對較大，應急情況下會增加對糧食的需求量，所以糧食應盡量儲存在人口密集處。區域形狀呈長條狀，南北距離較長，應選擇多處進行儲備，并且為盡量避免從外地調運糧食進行儲備的情況，還應選擇儲存在對外交通聯系較好的位置。

區域2 可采取“合作收儲”的儲備策略。地處平原，沒有表現出某一種特定的災害類型，每年受災程度相對較輕。人口密度相對較大，總體糧食產量較高，路網密度也比較大，說明在應急情況下，供給、調運糧食的能力較強一些，可利用現有的儲備庫，和企業合作收儲，以達到迅速應急的目的。區域經濟情況較好，可適當增加針對糧食輪換的管理成本，以避免由于儲存時間過長、儲備量過多而導致大量糧食腐爛的情況。

區域3 可采取“集中+分散”的儲備策略。人口密度小但市區人口相對集中，農村人口相對分散，可集中多量儲備在人口密集處，分散少量儲備在農戶家里。區域地形大多屬于山地，極易形成洪澇災害，儲備需避開地勢低洼的地區。各城市區劃面積較大但路網密度小，尤其是路網大多密集在市區，所以集中儲備應選擇在對外交通聯系較好的位置。

3 結論

本研究提出的省級糧食應急儲備分區模型，開創性引入災害、人口、經濟、糧食產量、交通等六大屬性特征因素對分區的影響。以糧食生產重心和人口重心距離來檢驗劃分結果的有效性，體現了有關糧食的應急儲備特征。

通過建立省級糧食應急儲備分區K-Means 模型對浙江省的糧食儲備區域進行細分研究發現，由該模型得出的劃分結果更貼合區域的屬性特征分布，并且可以在一定程度上能減少儲備調運成本、提高應急效率。為省級糧食儲備區域劃分、布局優化提供參考，下一步將針對省級區域糧食儲備規模及品種結構等進行研究。