基于聚类分析方法的节水型社会分区研究
第２７卷第４期２０１０年４月
长江科学院院报
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＹａｎｇｔｚｅＲｉｖｅｒＳｄｅｎｔｍｃＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ
Ｖ０１．２７Ｎｏ．４
Ａｐｒ．２０１０
文章编号：１００１—５４８５《２０ｌｏ）０４—００２０—０４
基于聚类分析方法的节水型社会分区研究
何力，黄薇，刘丹
（长江科学院水资源研究所，武汉４３００１０）
摘要：南水北调东、中线一期丁程受水区３９个城市的经济社会发展水平、水资源宗赋、用水效率、节水型社会建设现状等条件符不相同．其节水型社会建没模式也有一定差异。以受水Ⅸ城市２００５年统计资料为依据，引入聚类分析方法研究受水区城市节水型社会建设分区。分区结果作为受水区节水型社会管理模式研究典型城市及节水型社会建设试点的选择依据。
关键词：南水北调；节水型社会；聚类分析
中图分类号：ＴＶ２１文献标识码：Ａ
１概述
南水北调东、中线一期工程受水区为黄淮海地区京、津、冀、鲁、豫、苏等省市的３９座地级及其以上城市、２４５座县级城市（区、县城）和１７个工业圃区。受水区横跨半湿润半干旱过渡带，水资源匮乏，时空分布极不均匀；土地面积广大，耕地资源丰富，光热条件适宜，长期以来一直是我国重要的农产品生产基地；人口密集、生产发达，用水需求增长较快。根据统计资料，２００５年受水区内总人口２３５８８万人，全年ＧＤＰ为４４７５５亿元，占全国的２４．５％，三次产业比重为１０．１：５１．９：３８．０。现状耕地ｌｌｉｆ积１６１５．５３×１０４ｈｍ２，当年粮食产量１０２９７万ｔ，占全国粮食产量的２１．３％…。人口增加和经济发展驱动水资源需求量不断增加，长期以来生产、生活、生态用水之间竞争激烈，为了保证城市和工业用水，大量挤占农业、生态用水，大部分城市依靠超采地下水来维持供水，摹本上形成了“有河皆干、有水皆污”的局面，地下水漏斗不断扩大，区内地表、地下水环境遭到极大破坏，受水区城市开展节水型社会建设势在必行。
受水区涉及的３９个地级市，横跨半干旱半湿润过渡带，各地区水资源条件和问题不尽相同，经济发展水平和产业类型各异，节水型城市建设的目的、目标和任务既有共性又有个性。我国在“十五”期间开展的节水型社会建设试点，重点放在西北干旱农业区、南方水资源相对丰沛地区和沿海地区，与本次受水区在水资源条件、产业类型、用水水平等方面存
在较大差别，已有的经验不能完全适用于整个受水区，因此需要针对实际需求以及受水区城市的经济社会发展、水资源利用和节水型社会建设的特点，对节水型城市建设进行分区，并选择典型城市开展节水型社会管理模式研究，进行节水型社会建设试点。
２分区方法
２．１分区方法选择
对研究对象进行分区，使其归属于相应的范畴，是科学研究的一种基本方法。在样本容量较小、评价指标不多的情况下，人们往往利用经验直接对研究对象进行分区。但是对样本容量较大、评价指标较多的系统进行分区时这种方法就难以满足要求。因此，人们利用多元统计分析的方法研究这类分区问题，聚类分析和判别分析是多元统计分析中对样本进行分区研究的基本方法，两种方法最大的区别在于，即分区前是否已明确研究对像的分类【２Ｊ。本文在分区前不能确定研究对象的具体分类数和分类的判别标准，因此选用聚类分析法。
聚类分析法诞生于上世纪４０年代，是多元统计方法的一个新分支，正处于快速发展阶段，理论上不断完善，应用日益广泛，该方法最早由方开泰等引入我国。系统聚类是聚类分析最基本的方法，在此基础上先后形成了动态聚类法、最优分割法、模糊聚类法、图论聚类法、智能聚类法等新的聚类方法∽‘５】。聚类分析方法最早被应用于地质学中对矿产进行分类∞１，后来在生物学、社会、经济等各个领域也得到
收稿日期：２００９－０５一ｌｌ：修回日期：２００９－０７．１７
基金项目：陶家“十一五”科技支撑计划霞大项目：东，ｌ｝｜线一期工程沿线区域￡扛态影响评估技术研究（２００６ＢＡＢ０４Ａ１５）；水利部江湖治理与防洪莺点实验室开放基金资助项廿（Ｒ２００７—０４）
作者简介：何力（１９８２－）。男，陕两安康人，硕士研究生，主要从事水文水资源方面的研究，（ｉ．舌）０２７－８２９２６４３３（电子信箱）ｈｅｌｌ一１８＠１６３．ｃｏｉｎａ
万方数据
第４期何力等基于聚类分析方法的节水型社会分区研究２１
了广泛的应用【７－ＩＩ］。前人采用聚类分析进行分区研究时，样本容量相对较小，分区指标比较单一，指标多以定量描述为主。本文将聚类分析方法引入样本容量大、分区指标复杂、以定量描述为主辅以定性描述的水资源生态经济复合系统中，研究节水型社会建设的分区。
在综合分析各种聚类分析方法及节水型社会分区特点后，本文采用系统聚类方法中的离差平方和法（Ｗａｒｄ§Ｍｅｔｈｏｄ）研究分区问题。
２．２理论依据
离差平方和法的思想来源于方差分析，分类结果应当使同类样本的离差平方和较小，类与类之间的离差平方和较大。为了根据指标变量对样本进行分类，就要研究样本之间的关系。可以将每个样本看成ｍ维空间中点与点的关系，这种关系可以用距离表示。共有／＇ｔ个样本，每个样本测量ｍ个指标，如果将样本茗。，戈：，…％看成ｍ维窄问的ｒｇ个点，从几何角度看可以定义为这些点之间的距离。开始时各样本自成一类（这时有凡类），计算各样本之间的距离，按离差平方和大小，将距离最近的２个样本合并成一类；计算新类与其余各类距离，再将距离最近的两类合并，这时如果类的个数仍大于ｌ，则继续重复上述步骤，直到所有样品归为一类，停止计算，完成分区。离差方法和法聚类分析基本计算过程如下：
（１）设已将Ｉｔ个样本分为ｋ类，用置“’表示Ｇｌ中的第ｉ个样品，吼表示Ｅ中的样本个数，ｒ表示其重心，则类ＧＩ中样本的离差平方和为
玑————
Ｓ。＝∑（Ｘｉｏ’一Ｆ）７（置“’一ｒ）。（１）
ｉ＝Ｉ
（２）Ｊ｝类样品总的离差平方和为
Ｉｋ４ｌ————
Ｓ＝Ｅｓ。＝∑∑（置ｏ’一ｒ）’（置“’一Ｔ）。
Ｉ＝ｌｌ＝ｌｉ＝Ｉ
（２）聚类时先将ｎ个样品各自看成一类，然后逐步合并，每次进行一次合并、减少一类；每减少一类都会使５增大，每一步聚类都选择使Ｓ增加最小的两类进行合并。
（３）重复上述过程直到将所有城市合并成一类，再根据需要的分区数调整归并形成最终的分区方案。
３分区计算
３．１分区指标
节水型社会建设受经济社会发展水平、水资源禀赋、用水效率、节水型社会建设情况等冈素影响，反映这些因素的指标很多，若全部参与分区计算不仅难以取得合理的分区目的，而且数据之间的独立性也难以保证。本文参照水利部２００５年颁发的《节水型社会建设评价指标体系（试行）》、《开展节水型社会建设试点工作指导意见》及建设部等部委颁发的《节水型城市目标导则》，按照代表性能够反映城市的缺水类型和缺水程度，能够反映城市节水型社会建设的基本情况、数据完整性等原则，筛选出人口、人均ＧＤＰ、节水型社会建设情况等１１个指标，分区指标如表ｌ所示。以受水区城市２００５年统计数据为依据进行分区研究，数据来源于各城市的水资源公报、国民经济和社会发展统计公报及统计年鉴等统计资料。
表１分区指标
Ｔａｂｌｅ１Ｄｉｓｔｒｉｃｔｉｎｇｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ
编号指标编号指标
１人口７有效灌溉面积
２人均ＧＤＰ８万元ＧＤＰ用水鲢
３人均水资源培９农业增加值比重
４水资源开发利用率ｌＯ地下水供水比
５农业用水比ｌｌ节水捌社会建设情况６灌溉耗水率
３．２分区结果
把分区指标及对应的数据输入ＳＰＳＳ软件，按照离差平方和聚类法操作软件，经过３９次聚类输出聚类分析树状图如图ｌ。聚类计算过程比较冗长，这里不再累述。在树状图中，聚类的伞过程均以直观的方式表现出来，把类间的最大距离算作相对距离为２５，其余距离均换算成与之相比的相对距离，合并则通过线条连接的方式来表示。典型城市不宜选择太多，因此按照图ｌ，共将受水区城市分为３大类。
３．３结果分析
聚类分析法根据城市的１１个指标综合确定城市分类，因此会出现某些同类城市间个别指标值的差异较大，而某些不同类城市间个别指标值的丰Ｈ似性较好的情况。本文根据各类城市的总体特征，按节水型社会建设条件可把各类城市特点概括为：工业型经济发达、节水型社会建设基础好的重点城市；有一定工业基础、经济欠发达、节水型社会建设基础一般的大城市；农业主导型经济欠发达、节水型社会建设基础较差的中等城市。各类城市分布图如图２所示，具体特征为：
（１）第一类城市是工业型经济发达、节水型社会建设基础好的重点城市，包括北京、天津、淄博等
万方数据
长江科学院院报
２０ｌＯ年
样本城市济宁潍坊聊城德州删１１徐州南阳石家庄沧卅Ｉ衡水邯郸邢台保定郑州青岛天津北京济南烟台东营威海淄博扬州琏云港
山
０５
１０
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图１
节水型城市分区树状图
Ｆｉｇ．１
Ｗａｔｅｒ?ｓａｖｉｌｌｇ
Ｃｉｔｉｅｓｄｉｓｔｒｉｃｔｉｎｇｔｒｅｅ
低于全国平均水平；节水型社会建设基础最好。
（２）第二类城市有一定工业基础、经济欠发达、节水型社会建设基础一般的大城市，包括聊城、德州、周口等１３个地级市，其中石家庄为省会城市。经济欠发达、总量较大，２００５年人均ＧＤＰ均低于
２０
０００元；农业在经济社社会中所占比例超过
１０％，有效灌溉面积均超过３３．３３×１０４ｈｍ２是我国重要的粮食产区，除个别城市外，农业用水比例均超过７０％；所辖人口众多，大部分城市人口超过６００万，城市化水平较低；除南阳外均位于黄淮海平原，属于半湿润气候区，水资源匮乏，过境水量较少，人均水资源量小于３００ｍ３，水资源开发利用率小于第一类城市；地下水供水所占比重最高、基本靠超采地下水维持经济社会发展；万元ＧＤＰ用水量在１００—
２００
ｍ３之间，现状节水型社会建设基础一般。（３）第三类城市农业主导型经济欠发达、节水
型社会建设基础较差的中等城市，包括扬州、淮安、滨州等１７个城市，均为地级市。此类城市亦属于欠发达地区，经济总量小于前两类城市，２００５年除扬州市外均在２００００元以下；大多数城市农业在国民经济的比重超过１５％，工业基础薄弱，耕地面积小于第二类城市，农业用水比例小于第二类城市，高于第一类城市；城市所辖人口小于前两类城市，大部分城市所辖人口少于５００万，城市化水平低；水资源禀赋好于前两类城市，大部分城市有较为丰富的过境水量，以地表水供水为主，水资源供需矛盾总体上小于前两类城市；大部分城市万元ＧＤＰ用水量高于
２００
ｍ３，有的甚至超过５００ｍ３，现状节水型社会建设
基础最差。
４
结论
离差平方和法聚类分析，从经济发展水平、水资源禀赋、用水效率、节水型社会社会建设现状等方面把不同类型的城市区分开，分区方案中各类城市之
图２节水型社会分区图
间具有较好的差异性，每一类城市的内部又具有很
Ｆｉｇ?２
Ｗａｔｅ卜ｓａｖｉｎｇ
ｓｏｃｉｅｔｙｄｉｓｔｒｉｃｔｉｎｇ
ｍａｐ
好的相似性，符合聚类分析的标准，达到了节水型城
９个城市。经济发达、总量大，２００５年人均ＧＤＰ均超市建设分区目的。分区是受水区节水型社会建设管
过２５０００元；除天津外有效灌溉面积小于２６．６７×１０４理模式研究的基础工作，在上述分析的基础上建议ｈｍ２，农业增加值所占比重均小于１０％，大部分城市选择代表性最好的天津、邯郸、淮安作为每类城市的农业用水比例在５０％左右；人１２１众多，除威海、东营外典型城市。通过研究典型城市的节水型社会建设管人口均超过或接近５００万人；水资源禀赋较差，人均理模式，形成每个典型城市的具体管理模式和每类水资源量在３００ｍ３以下，大部分城市总供水量超过城市的摹本管理模式，在典型城市试点的基础上不可供水量；总体看地下水供水比例小于第二类城市；断完善节水型社会管理模式和机制、积累经验，为在用水效率最高，万元ＧＤＰ用水量均低于１００１３１１３，远远
南水北调受水区全面开展节水型社会建设提供技术
膀笼”筋拍Ｂ弼５７８３４
万方数据
第４期何力等基于聚类分析方法的节水型社会分区研究
支撑。
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ＨＥＬｉ，ＨＵＡＮＧＷｅｉ，ＬＩＵＤａｎ
（ＹａｎｇｔｚｅＲｉｖｅｒＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｅ，Ｗｕｈａｎ４３００１０，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅＭｉｄｄｌｅＲｏｕｔｅＰｒｏｊｅｃｔａｎｄＥａｓｔｅｒｎＲｏｕｔｅＰｒｏｊｅｃｔｏｆＳｏｕｔｈ—ｔｏ—ＮｏｒｔｈＷａｔｅｒＴｒａｎｓｆｅｒＰｒｏｊｅｃｔ（ｐｈａｓｅＩ）ｗｉｌｌｓｕｐｐｌｙｗａｔｅｒｆｏｒ３９ｃｉｔｉｅｓ，ａｎｄｔｈｅｉｒｅｃｏｎｏｍｉｃａｎｄｓｏｃｉａｌｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｌｅｖｅｌｓ，ｎａｔｕｒａｌｅｎｄｏｗｍｅｎｔｓｏｆｗａｔｅｒｒｅ?
ｓｏｕｒｃｅ，ｗａｔｅｒ
Ｕｓｅｅｇｉｃｉｅｎｃｉｅｓ，ｗａｔｅｒ—ｓａｖｉｎｇｓｏｃｉｅｔｙｓｔａｔｕｅｓａｌｅａｌｌｄｉｆｆｅｒｅｎｔ，ａｎｄｔｈｅｉｒｗａｔｅｒ－ｓａｖｉｎｇｍｏｄｅｓｏｆｓｏｃｉａｌ
ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｈａｖｅｃｅｒｔａｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ．Ｔｈｉｓ
ｐａｐｅｒ
ｃｈｏｓｅｔｈｅｃｌｕｓｔｅｒａｎａｌｙｓｉｓｍｅｔｈｏｄ，ａｂｒａｎｃｈｏｆｍｕｌｔｉｖａｒｉａｔｅｓｔａｔｉｓｔｉ—
ｃａｌｍｅｔｈｏｄｓ，ｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｃｉｔｉｅｓｗａｔｅｒ?ｓａｖｉｎｇｓｏｃｉｅｔｙｂｕｉｌｄｉｎｇｄｉｓｔｒｉｃｔ，ｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌｄａｔａｉｎ２００５．Ｔｈｅｃｉｔｙｄｉｓｔｒｉｃｔｉｎｇｒｅｓｕｌｔｍａｙ
ｂｅｕｓｅｄｆｏｒｓｅｌｅｃｔｉｎｇｔｙｐｉｃａｌｃｉｔｉｅｓｔｏｒｅｓｅａｒｃｈｗａｔｅｒ?ｓａｖｉｎｇｍａｎａｇｅｍｅｎｔｍｏｄｅａｎｄａｃｃｕ－ｍｕｌａｔｅｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ∞ａｓｔｏｐｏｐｕｌａｒｉｚｅｔｏｗｈｏｌｅｗａｔｅｒ?ＵＳｅｒｅｇｉｏｎ．
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万方数据
基于聚类分析方法的节水型社会分区研究
作者：何力， 黄薇， 刘丹， HE Li， HUANG Wei， LIU Dan
作者单位：长江科学院,水资源研究所,武汉,430010
刊名：
长江科学院院报
英文刊名：JOURNAL OF YANGTZE RIVER SCIENTIFIC RESEARCH INSTITUTE
年，卷(期)：2010，27(4)
被引用次数：0次
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5.期刊论文丁相毅.左其亭.DING Xiang-yi.ZUO Qi-ting南水北调工程作用下的河南省节水型社会建设-南水北
调与水利科技2006,4(2)
在分析国内特别是河南省节水型社会建设现状的基础上,借鉴国内部分地区节水型社会建设的成功经验,提出了建立节水型社会的基本内容,包括完善水资源管理体系、完善工程建设体系、完善经济结构体系、完善相关法规制度体系,即"四个完善".结合河南省的具体实际,考虑南水北调工程的影响作用,阐述了在河南省如何做到"四个完善"以建设节水型社会的具体内容.
6.期刊论文吴晓军建设节水型社会的理论与实践述评-甘肃理论学刊2005,""(5)
建设节水型社会的理论和实践,主要体现在建设节水型社会的由来,建设节水型社会的意义,节水型社会的本质特征及水权理论,建设节水型社会的内容、试点的选择、节水重点、效益评价等.同时对节水意识道德培养,建设节水型社会的融资渠道,节水型社会是法治社会,建设节水型社会与南水北调,人民群众受益等问题有待深入研究和解决.
7.期刊论文侯艳红.王慧敏南水北调水资源供应链共同节约契约模型研究-科技进步与对策2007,24(7)
只有建立"节水型社会"才能充分发挥水资源的作用.但是南水北调工程水资源的节约利用却面临"困境":南水北调工程上游成员考虑到自身利益最大化,不会自发地节水,更不会考虑下游节点成员的利益.因此下游节点成员希望能够有一种契约机制使得上游能自发地节水,并使双方都能得到"好处",从而实现协同合作.分别建立了南水北调水资源供应链的数量契约模型和联合投资契约模型,将这两者与共同节约契约模型进行比较,得出结论:共同节约契约
优于一般的数量契约和联合投资契约,并且当共同节约契约与联合投资契约综合运用时可以达到最优的节水效果.
8.期刊论文徐振辞.孙梅英.王福田.马素英河北省水资源可持续利用现状与展望-南水北调与水利科技2007,5(6) 河北省区位优势明显,但河北省也是全国水资源严重匮乏的区域之一,随着人口的增加、经济的发展、社会的进步和城市化水平的提高,缺水问题还会日益突出.水资源短缺已成为河北省全面建设小康社会最紧迫、最主要的资源约束之一,即使南水北调工程实施后,外调水量也仅能缓解目前地下水超采状况,并不能从根本上解决缺水问题.因此,在一定规模外流域调水的基础上,综合采取行政、经济、科技和工程等措施,全面推进节水型社会建设,提高水资源的利用效率和效益及水资源承载力,是实现河北省经济社会可持续发展的根本出路.
9.期刊论文潘家铮.Pan Jiazhen我国北方地区水资源合理配置与南水北调-中国工程科学2000,2(10)
根据我国的水资源状况及可持续发展的需要,从水量丰富的长江流域引水北上的南水北调工程是势在必行和可以做到的.南水北调的原则应是:建立节水型社会,以供定需;合理配置,注意挖潜;东线、中线相辅相成,并非有我无他;编制概算实事求是,力戒"上马概算";局部利益服从整体利益,暂时利益服从长远利益;坚持水资源统一管理,科学调配,有偿使用;西南调水不现实,宜暂缓.
10.期刊论文申碧峰.张彤.孙静.SHEN Bi-feng.ZHANG Tong.SUN Jing南水北调引水进京后北京水价改革研究-水
利水电技术2009,40(11)
分析了北京市水价的现状及存在的问题,结合南水北调中线工程引水进京后供水结构的变化,深入探讨了引入水对北京现有水价体系的影响和推动作用,并提出了与当地水价平稳衔接的有关建议及北京市的水价改革设想.这对建设节水型社会、合理配置水资源以及南水北调通水后水价的平稳过渡具有一定的参考价值.
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