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        遼寧省節(jié)水農(nóng)業(yè)分區(qū)研究

        2016-03-22 11:10:57姜森嚴(yán)王鐵良
        中國(guó)農(nóng)村水利水電 2016年2期
        關(guān)鍵詞:缺水分區(qū)遼寧省

        姜森嚴(yán),王鐵良,李 波,李 雷

        (1.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院,沈陽(yáng) 110866;2.沈陽(yáng)天易通工程咨詢有限公司,沈陽(yáng)110000)

        0 引 言

        遼寧省是水資源嚴(yán)重短缺的省份之一,為了改變農(nóng)業(yè)“靠天吃飯”的局面,遼寧省在2011年開(kāi)展了“千萬(wàn)畝節(jié)水灌溉工程”,在全省范圍內(nèi)全面推廣節(jié)水灌溉技術(shù)。但是,當(dāng)前某些地區(qū)在發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)上帶有一定的盲目性,沒(méi)有因地制宜地推廣,部分地區(qū)盲目投入或重復(fù)投入,造成大面積的節(jié)水灌溉設(shè)施荒廢,導(dǎo)致節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展事倍功半。

        為了避免盲目地發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè),現(xiàn)在有必要針對(duì)遼寧省各地區(qū)的農(nóng)業(yè)氣象、農(nóng)業(yè)水資源條件、農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)、水利設(shè)施現(xiàn)狀和地貌形態(tài)等因素劃分出不同的區(qū)域,以便根據(jù)各分區(qū)的特點(diǎn),選擇適宜的節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展模式[1]。李英能等在1998年提出了通過(guò)建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系對(duì)農(nóng)業(yè)分區(qū)的概念;隨后吳景社等在2004年利用主成分分析與聚類分析相結(jié)合的方法對(duì)全國(guó)節(jié)水灌溉分區(qū),相比傳統(tǒng)只用聚類分析一種方法的分區(qū),結(jié)合主成分分析之后會(huì)使分區(qū)更準(zhǔn)確;2013年許一等分別運(yùn)用模糊聚類法和灰色聚類法建立了安徽省節(jié)水灌溉分區(qū),以比較兩種方法在分區(qū)應(yīng)用中的準(zhǔn)確性、合理性;2014年褚琳琳等利用數(shù)學(xué)方法得出了江蘇省節(jié)水農(nóng)業(yè)分區(qū)。目前還沒(méi)有學(xué)者對(duì)遼寧省的節(jié)水農(nóng)業(yè)分區(qū)進(jìn)行研究。

        因此,通過(guò)總結(jié)前人研究成果并結(jié)合遼寧省實(shí)際情況,本研究采用遼寧省自然條件、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件、社會(huì)情況等數(shù)據(jù),利用因子分析,先將原來(lái)多個(gè)變量進(jìn)行降維處理,提取少數(shù)幾個(gè)關(guān)鍵指標(biāo),再通過(guò)聚類分析法對(duì)遼寧省進(jìn)行節(jié)水農(nóng)業(yè)分區(qū),以期為遼寧省節(jié)水農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)決策依據(jù)[2]。

        1 分區(qū)原則

        節(jié)水農(nóng)業(yè)區(qū)劃必須建立在符合客觀規(guī)律與現(xiàn)實(shí)條件的基礎(chǔ)上,按照“歸納相似性,區(qū)別差異性,照顧行政區(qū)界”的原則進(jìn)行分區(qū)[3]。主要考慮:①氣候、地形、地貌等自然地理?xiàng)l件的相似性;②地表水和地下水資源量以及水資源的開(kāi)發(fā)利用條件大體相同;③同一區(qū)域內(nèi)主要灌溉作物對(duì)象及節(jié)水灌溉措施要基本一致;④適當(dāng)照顧現(xiàn)有行政區(qū)劃、水資源區(qū)劃的完整性[4]。

        2 分區(qū)指標(biāo)確定

        分區(qū)指標(biāo)的設(shè)置必須滿足全面性、概括性、易于取得的要求,考慮到節(jié)水灌溉的特點(diǎn),采用地貌形態(tài)、氣候特征、缺水程度、農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)、灌區(qū)類型、地貌形態(tài)5個(gè)類型、共8項(xiàng)指標(biāo)組成節(jié)水灌溉分區(qū)的指標(biāo)體系[5]。

        (1)氣候特征指標(biāo)。氣候特征中與灌溉關(guān)系最大的就是降水和蒸發(fā),直接決定農(nóng)作物對(duì)灌溉的需求。目前,氣候干濕劃分的指標(biāo)多采用干旱指數(shù),是年蒸發(fā)能力和年降水量的比值??刹捎谩哆|寧省水資源》書(shū)中推薦的公式計(jì)算:

        r=E0/P

        (1)

        即r=kE601/P=kKEφ20/P

        (2)

        式中:K為EΦ20與E601換算系數(shù);k為E0與E601換算系數(shù),遼寧省k值近似取值為1。

        當(dāng)r<1.0時(shí),表示該區(qū)域蒸發(fā)能力小于降水量,該地區(qū)為濕潤(rùn)氣候。當(dāng)r>1.0時(shí),即蒸發(fā)能力超過(guò)降水量,說(shuō)明該地區(qū)偏于干燥,r越大,即蒸發(fā)能力超過(guò)降水量越多,干燥程度就越嚴(yán)重。

        (2)缺水程度指標(biāo)。缺水程度指標(biāo)可用缺水指數(shù)來(lái)表示,農(nóng)業(yè)水資源可利用量與綜合作物需水量的比值即是缺水指數(shù),公式為:

        β=Wy/Ws

        (3)

        式中:Wy為農(nóng)業(yè)水資源可利用量;Ws為綜合作物需水量,

        式中:xij與x'ij分別表示第i個(gè)樣本、第j項(xiàng)指標(biāo)的原始數(shù)值和標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)值;珋x與sj分別表示原始數(shù)據(jù)中第j項(xiàng)指標(biāo)的平均值和方差。

        缺水指數(shù)是直接反應(yīng)某地區(qū)灌溉缺水程度的指標(biāo),是影響選擇節(jié)水灌溉措施最主要的因素。β值小的地區(qū),灌溉水資源緊缺,為了保證農(nóng)作物穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn),就需要采用高效的節(jié)水灌溉措施;β值大的地區(qū),說(shuō)明灌溉水資源充沛,農(nóng)民對(duì)節(jié)水灌溉措施接受程度較差,即便是發(fā)展也應(yīng)該選擇投入低,容易使用的節(jié)水灌溉措施。

        (3)農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)指標(biāo)。農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)是各地區(qū)某種作物所占總種植面積比。這里選取水稻種植比和以玉米、花生為代表的旱作物種植比兩個(gè)指標(biāo)作為參考。

        (4)灌區(qū)類型指標(biāo)。灌區(qū)分為蓄引水灌區(qū)、井灌區(qū)2種類型,根據(jù)不同的灌區(qū)類型所占總有效灌溉面積比,可反映出各地區(qū)對(duì)發(fā)展節(jié)水灌溉的需求。

        (5)地貌形態(tài)指標(biāo)。地勢(shì)起伏會(huì)影響灌溉系統(tǒng)布局,也會(huì)影響農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)和發(fā)展方向。地勢(shì)起伏小則適宜集中連片發(fā)展節(jié)水灌溉。地勢(shì)起伏大,耕地不集中,則適宜發(fā)展可應(yīng)用于小面積的節(jié)水灌溉措施。

        綜上所述,本次節(jié)水農(nóng)業(yè)區(qū)劃選取的指標(biāo)見(jiàn)表1。

        3 分區(qū)方法

        3.1 因子分析

        借助IBM SPSS Statistics數(shù)據(jù)處理軟件,對(duì)遼寧省所轄78個(gè)涉農(nóng)縣(區(qū)、縣級(jí)市)的8項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行因子分析。通過(guò)計(jì)算,得出特征值和貢獻(xiàn)率,見(jiàn)表2。利用特征值(λ1,λ2,…,λ8)分別求出各指標(biāo)(x1,x2,…,x8)在各因子上的載荷,得到成分矩陣。

        表1 節(jié)水農(nóng)業(yè)分區(qū)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Tab.1 The evaluation index system of water-saving agriculture division

        注:數(shù)據(jù)來(lái)源《遼寧省水資源》、《遼寧省水資源公報(bào)》(2009-2014年)、《遼寧省統(tǒng)計(jì)年鑒》(2009-2014年)。

        表2 特征值及貢獻(xiàn)率Tab.2 Eigen values and contribution ratio

        為了使因子間差異更明顯,通過(guò)最大方差法旋轉(zhuǎn),得到旋轉(zhuǎn)成分矩陣,見(jiàn)表3。

        表3 旋轉(zhuǎn)成分矩陣Tab.3 Rotated component matrix

        由表2可看出第一、第二因子的(y1、y2)的特征值均大于1,貢獻(xiàn)率分別是44.807%和40.469%,說(shuō)明y1描述了原數(shù)據(jù)中44.807%的信息量,y2描述了原數(shù)據(jù)中40.469%的信息量,且y1、y2的累計(jì)貢獻(xiàn)率為85.276%。從表3可看出y1中載荷不低于0.6的指標(biāo)有x3、x4、x7、x8,可見(jiàn)y1是代表了農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)、地貌形態(tài)的公共因子;y2中載荷不低于0.6的指標(biāo)有x1、x2、x5、x6,是反映各地區(qū)的氣候特征、缺水程度和灌區(qū)類型的公共因子[6]。綜上所述y1、y2這兩個(gè)公共因子基本上可以代表原始數(shù)據(jù)的全部信息,從而取y1、y2兩個(gè)公共因子就可以反映遼寧省各地區(qū)的基本特征。

        因此將遼寧省節(jié)水農(nóng)業(yè)分區(qū)中原有的8項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)用2個(gè)公共因子代表,并利用這2個(gè)公共因子通過(guò)聚類分析算法進(jìn)行節(jié)水農(nóng)業(yè)分區(qū)。

        3.2 聚類分析

        利用聚類分析法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類。IBM SPSS Statistics數(shù)據(jù)處理軟件中,聚類分析共有7種方法,分別是類間平均法、類內(nèi)平均法、最短距離法、最長(zhǎng)距離法、重心法、中間距離法和離差平方法。分別利用這7種方法進(jìn)行聚類,其中類內(nèi)平均法、最長(zhǎng)距離法、重心法、中間距離法和離差平方法5種法結(jié)果相似[7]。因此,根據(jù)聚類分析結(jié)果,結(jié)合分區(qū)原則與遼寧省實(shí)際情況及各區(qū)域的指標(biāo)特點(diǎn)將遼寧省節(jié)水農(nóng)業(yè)分為6大區(qū)域,見(jiàn)表4。

        表4 遼寧省節(jié)水農(nóng)業(yè)分區(qū)成果Tab.4 Division results of water-saving agriculture in Liaoning Province

        遼寧西部低山丘陵缺水區(qū)Ⅰ:該區(qū)域的特點(diǎn)是地勢(shì)起伏,風(fēng)沙較大,水土流失嚴(yán)重。干旱指數(shù)1.2以上,該區(qū)域多年平均降雨量為450~550 mm,多年平均蒸發(fā)量在1 000 mm左右,缺水指數(shù)在0.35以下,屬于嚴(yán)重缺水地區(qū),并且降雨時(shí)間分布不均,春旱現(xiàn)象比較嚴(yán)重。旱作物種植比占80%以上。該區(qū)域總種植面積占遼寧省總種植面積的1/3,但是“十年九旱”的自然現(xiàn)象,也讓該區(qū)域成為遼寧省“節(jié)水增糧行動(dòng)”的主要實(shí)施地點(diǎn)。在該區(qū)域?qū)嵤┕?jié)水灌溉工程不僅會(huì)促進(jìn)當(dāng)?shù)丶Z食產(chǎn)業(yè)增產(chǎn)增收,還可以加快提高農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化程度,因此遼西低山丘陵缺水區(qū)應(yīng)當(dāng)是未來(lái)幾年遼寧省節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展的重中之重。

        遼寧北部波狀平原風(fēng)沙區(qū)Ⅱ:該區(qū)域地勢(shì)波狀起伏。干旱指數(shù)在0.7~0.8之間,多年平均降雨量在590~630 mm之間,缺水指數(shù)0.5左右,屬于遼北半干旱地區(qū)。玉米、花生等旱作物種植面積占總種植面積74%,以井灌為主??梢?jiàn)該地區(qū)可以適當(dāng)?shù)耐茝V節(jié)水灌溉技術(shù)。

        遼寧中部遼河平原區(qū)Ⅲ:該區(qū)域位于遼河沖積平原,地勢(shì)平坦,土地肥沃。干旱指數(shù)0.75左右,多年平均降雨量在620~720 mm之間,缺水指數(shù)在0.75~0.9之間,水資源較平衡,但偶爾會(huì)發(fā)生春旱等自然災(zāi)害。種植作物以玉米、水稻、棚菜為主。耕地集中,是遼寧省商品糧產(chǎn)區(qū)。該區(qū)域位處遼寧省中部,土壤、氣候等環(huán)境較遼寧其他區(qū)域優(yōu)勢(shì)明顯,節(jié)水農(nóng)業(yè)在該地區(qū)的發(fā)展應(yīng)該側(cè)重于打造現(xiàn)代農(nóng)業(yè),力爭(zhēng)打造遼寧省的高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田樣板。

        遼河三角洲低地平原澇區(qū)Ⅳ:該區(qū)域地處渤海灣,地勢(shì)低平,易發(fā)生洪澇災(zāi)害,所以該區(qū)域主要種植水稻。灌溉水源主要為渤海客水,所以引水灌溉和提水灌溉面積占有效灌溉面積的90%。缺水指數(shù)在1.0~1.1之間。該區(qū)域應(yīng)該發(fā)展工程節(jié)水,例如修建泵站、閘門、渠道襯砌等,增加引水、提水效率,減少輸水過(guò)程中的滲漏,增加灌溉水利用系數(shù)。

        遼寧東部山地豐水區(qū)Ⅴ:該區(qū)地處遼寧東部山區(qū),山地面積占總面積的97%以上。干旱指數(shù)在0.4~0.5之間,缺水指數(shù)均位于1.15左右,水資源豐富。耕地面積小且不集中連片,地處山區(qū),并且有豐富的礦產(chǎn)資源,所以該區(qū)域以工業(yè)為主,農(nóng)業(yè)不是主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。農(nóng)業(yè)節(jié)水主要為了減少其他行業(yè)用水壓力。

        遼寧南部半島丘陵區(qū)Ⅵ:毗鄰渤海與黃海,山丘面積占總面積95%以上。干旱指數(shù)0.75左右,多年平均降雨量620~670 mm,屬于半濕潤(rùn)海洋性氣候,水資源豐富,但是灌溉可用水量較少,水庫(kù)塘壩較多灌溉多以蓄水灌溉為主。農(nóng)作物以玉米和經(jīng)濟(jì)類作物為主,經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá),經(jīng)濟(jì)以工業(yè)和水產(chǎn)業(yè)為主,農(nóng)業(yè)為輔[8,9]。

        4 結(jié) 語(yǔ)

        本次節(jié)水農(nóng)業(yè)分區(qū)研究首先通過(guò)因子分析將原有的8個(gè)指標(biāo)降維,用2個(gè)因子來(lái)表示,這樣不但使后期分區(qū)的工作量減少,而且也讓各個(gè)指標(biāo)之間彼此獨(dú)立,提高了分區(qū)精度。

        根據(jù)聚類分析結(jié)果,并考慮地域完整性,將遼寧省劃分成6個(gè)分區(qū)。結(jié)合遼寧省節(jié)水農(nóng)業(yè)的發(fā)展分析各分區(qū)特點(diǎn),Ⅰ區(qū)由于氣候、地質(zhì)等原因,水資源嚴(yán)重匱乏,屬于資源性缺水,應(yīng)當(dāng)大面積實(shí)施節(jié)水灌溉,“節(jié)水增糧”是該分區(qū)未來(lái)的節(jié)水方向;Ⅱ區(qū)屬于半干旱地區(qū),多年平均水資源量較少,風(fēng)沙較大,“節(jié)水增糧”同樣是農(nóng)業(yè)的工作重點(diǎn),但Ⅱ區(qū)的氣候、土壤條件均優(yōu)于Ⅰ區(qū),所以該分區(qū)的節(jié)水灌溉工程應(yīng)按需實(shí)施;Ⅲ區(qū)、Ⅳ區(qū)水資源相對(duì)比較平衡,氣候、土壤都適合農(nóng)作物生長(zhǎng),因此節(jié)水農(nóng)業(yè)應(yīng)該著力于“節(jié)水增效”,提高水資源利用效率,發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè);Ⅴ區(qū)水資源豐富,但由于地處山區(qū),耕地不集中,農(nóng)業(yè)不是主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。因此該分區(qū)的節(jié)水農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向是“節(jié)水減壓”,減少農(nóng)業(yè)用水對(duì)其他行業(yè)的壓力。Ⅵ區(qū)三面環(huán)海,水質(zhì)環(huán)境尤其重要,因此減輕農(nóng)業(yè)面源污染是農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然要求,“節(jié)水減排”成為了遼南地區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展的必經(jīng)之路。

        [1] 李素麗.河北平原節(jié)水農(nóng)業(yè)分區(qū)[J].南水北調(diào)與水利科技,2000,(S1).

        [2] 吳景社,康紹忠.基于主成分分析和模糊聚類方法的全國(guó)節(jié)水灌溉分區(qū)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2004,20(4):64-68.

        [3] 許 一,王振龍,徐得潛.安徽節(jié)水灌溉分區(qū)研究[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電,2013,(9):44-47.

        [4] 李英能,黃修橋,吳景社,等.水土資源評(píng)價(jià)與節(jié)水灌溉規(guī)劃[M],北京:水利水電出版社,1992.

        [5] 商艾華,郭維東,黃 毅,等.阜新縣節(jié)水農(nóng)業(yè)分區(qū)研究[J].節(jié)水灌溉,2006,(3):13-15.

        [6] 褚琳琳.基于因子分析與聚類分析的江蘇省節(jié)水農(nóng)業(yè)分區(qū)研究[J].灌溉排水學(xué)報(bào),2014,(3):137-140.

        [7] 張艷妮,白清俊,項(xiàng) 艷,等.基于主成分分析與聚類法的山東農(nóng)業(yè)灌溉分區(qū)[J].灌溉排水學(xué)報(bào),2008,(5):87-89.

        [8] 饒貴昌,武 燕.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)節(jié)水灌溉分區(qū)規(guī)劃[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電,2012,(1):69-72.

        [9] 朱 蓉,楊依群,楊文澤.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)節(jié)水灌溉工程分區(qū)的探討[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電,2007,(5):65-67.

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