基于集对分析的江淮丘陵区农业水土资源匹配分析.pdf
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1、第 39 卷第 4 期Vol 39 No 4水 资 源 保 护Water Resources Protection2023 年 7 月Jul.2023 基金项目:国家重点研发计划项目(2018YFC0407206);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(JZ2020HGQA0202);安徽省高校优秀青年人才支持计划项目(gxyq2020055)作者简介:周亮广(1981),男,副教授,博士,主要从事水文水资源研究。E-mail:通信作者:金菊良(1966),男,教授,博士,主要从事结构水资源学研究。E-mail:JJLDOI:10 3880/j issn 10046933 2023 04 0
2、15基于集对分析的江淮丘陵区农业水土资源匹配分析周亮广1,2,金菊良1,周玉良1,吴成国1,周戎星1,崔 毅1(1.合肥工业大学土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009;2.滁州学院地理信息与旅游学院,安徽 滁州 239099)摘要:将水土资源自然本底量与农业用水用地量相结合,采用集对分析重建农业水土资源匹配指标,并构建七元半偏减法集对势,对江淮丘陵区 20052019 年农业水土资源匹配进行分析。结果表明:20052019 年江淮丘陵区广义农业水土资源配比度基本呈现下降态势,但高于水土资源自然配比度;单位耕地用水量有减少趋势,但超出区域本底自然供水量,处于相对缺水状态;狭义农业水土资源配
3、比度与水土资源自然配比度呈现交叉波动,并存在一定程度反相关,降水量的增加会相对减少农业灌溉用水量;20052010 年和 20112019 年两时段江淮丘陵区广义农业水土资源均处于高度不匹配状态,合肥、滁州不匹配程度最高,安庆最低;两时段农业水土资源匹配集对势均为反势,匹配状态较差,但后期均有所提升,有向好发展趋势,安庆和六安变化程度最为明显;江淮丘陵区降水量年际变化较大,水资源总量变幅明显高于农业用水用地量波动,导致农业用水用地量与水资源总量变化不同步,这是水土资源匹配波动的主要原因。关键词:农业水土资源匹配;集对分析;七元半偏减法集对势;江淮丘陵区中图分类号:TV213 文献标志码:A 文
4、章编号:10046933(2023)04011808Matching of agricultural water and soil resources in Jianghuai Hilly Area based on set pair analysisZHOULiangguang1,2,JIN Juliang1,ZHOU Yuliang1,WU Chengguo1,ZHOU Rongxing1,CUI Yi1(1.College of CivilEngineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China;2.School of G
5、eographic Information and Tourism,Chuzhou University,Chuzhou 239099,China)Abstract:The natural background of water and soil resources and the amount of water and land used for agriculture werecombined.The set pair analysis was used to reconstruct the matching index of agricultural water and soil res
6、ources,and theseven-element semi-partial subtraction set pair potential was constructed to analyze the matching of agricultural water andsoil resources in the Jianghuai Hilly Area from 2005 to 2019.The results show that from 2005 to 2019,the proportion ofgeneralized agricultural water and soil resou
7、rces in the Jianghuai Hilly Area shows a basic downward trend,but it is higherthan the natural proportion of water and soil resources.The water consumption per unit of arable land shows a decreasingtrend,but it exceeds the natural water supply in the region and is in a relatively water shortage stat
8、e.The ratio of narrowagricultural water and soil resources and the natural ratio of water and soil resources show cross fluctuations,and there is acertain degree of inverse correlation.An increase in precipitation will relatively reduce the water consumption foragricultural irrigation.From 2005 to 2
9、010 and from 2011 to 2019,the generalized agricultural soil and water resources inthe Jianghuai Hilly Area were in a highly mismatched state,with Hefei and Chuzhou having the highest mismatch degreeand Anqing having the lowest.The matching set of agricultural water and soil resources during the two
10、periods has anegative trend,with a poor matching state.However,the matching state has improved in the later stages and has a positivedevelopment trend,of which the change degree in Anqing and Luan is the most obvious.The interannual variation ofprecipitation in the Jianghuai hilly area is significan
11、t,and the fluctuation of total water resources is significantly higher thanthat of agricultural water and land use,resulting in asynchronous changes in agricultural water and land use and total waterresources.This is the main reason for the fluctuation of water and soil resource matching.811Key word
12、s:matching of agricultural water and soil resources;set pair analysis;seven-element semi-partial subtraction setpair potential;Jianghuai Hilly Area 水资源和土地资源是农业发展的必备物资,水土配置是否科学直接影响农业可持续发展1。我国农业水土资源分布不均,水土资源总量短缺及其空间不匹配状况直接影响着中国可持续食物安全2。科学高效地使用水土资源,促进资源配置空间均衡,已成为当代农业可持续发展的热点问题之一3-4。匹配度作为衡量和表征水资源与土地资源协调
13、程度的重要指标,已成为评价一个国家或区域农业可持续发展的重要研究方法5。目前,国内外学者从水土地资源单一方面分析农业结构布局的合理性6-8逐渐转向农业水土资源匹配格局研究。国际上最早于 1932 年将水土地资源同时进行评价,Raup 指出用地的扩张会带来更多水资源供应的不确定性9。20 世纪以来,国内学者开始从国家层面重视水土资源综合利用评价10,多运用水土资源匹配系数11-12、基尼系数13-17、改进基尼系数18-19等对水土资源匹配关系进行评价,采用数据包络分析法(date envelopment analysis,DEA)20等对水土资源利用效率及匹配特征进行研究。上述评价方法也逐渐被
14、扩展应用到水土资源配置、水资源承载力评价、水土资源与人口、工农业发展多元匹配综合评价等分析中21-24。但农业水土资源匹配系数计算多以水资源可利用量乘以农业用水占总用水量的比例(即灌溉用水量)再除以耕地面积得到12-13,17,或直接用水资源可利用量除以耕地面积进行核算14,对降水资源考虑不足。而许多地方(或年份)降水资源相对丰富,农业用水量并不高,但并不代表水土匹配不佳,导致农业水土资源匹配系数与实际不吻合。江淮丘陵区地处北亚热带向暖温带过渡带,受季风影响,降水时空分布不均,气候、土壤等都有明显的过渡性特征,水土资源匹配具有一定的时空不确定性,导致区域水资源相对紧缺,旱涝灾害频发,水资源开发
15、利用直接影响土地资源的利用水平。基于此,本文采用适于处理确定、不确定信息的集对分析方法,将江淮丘陵区水土资源本底与农业用水用地参数结合,构建农业水土资源匹配样本数据集与匹配等级集对,重构农业水土资源匹配系数。并构建七元半偏减法集对势,对江淮丘陵区农业水土资源匹配时空格局进行定量评价,以期为该区农业水土资源合理配置提供量化参考。1 研究区概况与数据来源江淮丘陵区是安徽省丘陵主体,地处长江与淮河之间,西起大别山,东至高邮湖。受南北冷暖气流频繁交汇影响,年均降水量约 900 mm,但年、季、月度分配不均,69 月降水量超过全年降水的 55%。江淮丘陵区内水文地质条件特殊,地下水资源贫乏,地表水资源供
16、给不足,作为全省重要的粮油基地,区内耕地面积占到全省的 31.8%,降水分配与水源供给与农作物的需水不相适应,干旱灾害频发。本文选取江淮丘陵区内的合肥、安庆、巢湖、滁州、六安 5个地级市为研究区。2011 年安徽省行政区划调整,对巢湖市进行了行政拆分,分别划入合肥、芜湖、马鞍山管辖,因此本文研究时段分为 20052010 年和20112019 年两个阶段。本文采用的降水量、水资源总量和农业用水量等数据来自安徽省水资源公报,耕地面积、国土总面积等数据来自安徽省统计年鉴及各地市统计年鉴等资料。2 研究方法按照以水定地、以水定产的指导思想,并根据特定区域农业用水用地量与降水量、土地面积应该有适宜的比
17、例关系25-26,借鉴李保国等27提出的广义农业水资源,将区域水土自然资源本底量与农业实际用水用地量结合,参考集对分析及其在资源匹配评价中的应用28-31,进行农业水土资源匹配集对分析。充分考虑降水对农业用水的有效作用,广义农业水资源量核算包括耕地有效降水(绿水)和耕地灌溉水量(蓝水)27,计算公式为Qaw=Qbw+Qgw(1)其中 Qgw=Pc-Rc+DcPc=PaSc/SaRc=PcQb/Pa式中:Qaw为农业水资源总量;Qbw为耕地灌溉用水量,即蓝水量;Qgw为耕地有效降水量,即绿水量;Pc为耕地上有效降水估算量;Rc为耕地径流估算量;Dc为耕地深层渗漏量,因江淮丘陵区渗漏量很小,暂不做
18、考虑32;Pa为总降水量;Sc为耕地面积;Sa为区域总面积;Qb为地表水资源量。将 Qaw与 Sc的比值样本记作农业水土资源配比度集xij i=1,2,n;j=1,2,m,水资源总量 Qa与 Sa比值样本记作区域水土资源自然配比度集yij i=1,2,n;j=1,2,m,构建农业水土资源匹配指数数据集 A=dij i=1,2,n;j=1,2,m,其中 dij=xij/yij,n、m 分别为评价样本数和样本子单元数。当 dij 1,表明单位911耕地用水超出了区域本底自然水量供给配比,处于相对缺水状态;当 dij1 时,自然水量处于盈余,可相应提高水资源开发利用或扩大耕地面积。该方法既考虑了区域
19、本底的水资源总量、降水量、耕地上有效降水量和国土面积等自然基础,又融入农业用水和农业耕地的实际开发利用,探究农业生产用水与用地适宜的比例关系,与以水定地、定产思想相一致。结合江淮丘陵地区农业水土资源匹配状态,参考文献32-33,以 90%、75%、50%水平梯度构建水土双向增减的农业水土资源匹配等级评价标准,根据 dij大小将农业水土资源匹配等级划分为:水多土少高度不匹配(dij0.50)、水多土少中度不匹配(0.50dij 0.75)、水多土少轻度不匹配(0.75dij0.90)、水土相对合理匹配(0.90dij1.10)、水少土多轻度不匹配(1.10dij1.25)、水少土多中度不匹配(1
20、.25dij1.50)、水少土多高度不匹配(dij1.50)7 个等级。设 B=sg g=1,2,G,其中 G 为评价标准等级数目,sg为农业水土资源匹配等级的标准值,与农业水土资源匹配指数数据集 A 构成一个集对H(A,B)。七元联系数可以细化评价指标与评价等级间差异性,得到更细致评价结果34,计算公式为 u=a+b1I1+b2I2+b3I3+b4I4+b5I5+cJ(2)式中:u 为联系数;a 为同一度;b1 b5为差异度联系数分量;c 为对立度;I1 I5为差异度系数;J 为对立度系数,取值范围为-1,1。根据均分原理可取I1为 2/3,I2为 1/3,I3为 0,I4为-1/3,I5为
21、-2/3。根据集对分析方法,采用同异反层次28构建样本 dij的联系数 uijk:uij1=1dijs11-2(dij-s1)/(s2-s1)s1 s2(3)uij2=1-2(s1-dij)/(s1-s0)dijs11s1 dijs21-2(dij-s2)/(s3-s2)s2 s3(4)uij3=-1dijs11-2(s2-dij)/(s2-s1)s1 dijs21s2 dijs31-2(dij-s3)/(s4-s3)s3 s4(5)uij4=-1dijs21-2(s3-dij)/(s3-s2)s2 dijs31s3 dijs41-2(dij-s4)/(s5-s4)s4 s5(6)uij5=-
22、1dijs31-2(s4-dij)/(s4-s3)s3 dijs41s4 dijs51-2(dij-s5)/(s6-s5)s5 s6(7)uij6=-1dijs41-2(dij-s4)/(s5-s4)s4 dijs51s5 dijs61-2(dij-s6)/(s7-s6)s6 s7(8)uij7=-1dijs61-2(s7-dij)/(s7-s6)s6 s7(9)式中:s1 s7分别为 1 7 级评价等级标准阈值;s0为1 级评价标准的左边界值。样本值 dij隶属于评价等级 k 的相对隶属度为35:vijk=0.5+0.5uijk (i=1,2,n;j=1,2,m;k=1,2,7)(10)对上
23、式归一化处理得单指标联系数分量 vijk36:vijk=vijk7k=1vijk(11)则样本 i 的联系数分量37为vik=njj=1wjvijk(12)式中:nj为隶属于评价等级 g 的指标个数;wj为第 j个子单元的权重。区域水土资源匹配时间尺度评价以年份 i 为样本,地市 j 作为子单元,各地市面积占比作为权重;空间尺度评价以地市作为样本,指标取多年均值,从时空两方面评价区域水土资源匹配差异。样本 i 的评价指标值七元联系数 ui为ui=vi1+vi2I1+vi3I2+vi4I3+vi5I4+vi6I5+vi7J(13)利用级别特征值法36求得样本 i 的农业水土资源匹配等级:Gi=7
24、g=1gvig(14)在七元联系数基础上,构建七元集对势可以诊断两个集合在指定问题背景下某种联系变化的发展趋势,为进一步分析农业水土资源匹配变化,参考五021元半偏减法集对势38,推广提出七元半偏减法集对势表达为s(u)=a-c+a(b1+b2+b3+b4+b5)a+b1+b2+b3+b4+b5+1b1(b1+b2+b3+b4+b5)a+b1+b2+b3+b4+b5+2b2(b1+b2+b3+b4+b5)a+b1+b2+b3+b4+b5+3b4(b1+b2+b3+b4+b5)c+b1+b2+b3+b4+b5+4b5(b1+b2+b3+b4+b5)c+b1+b2+b3+b4+b5-c(b1+b2
25、+b3+b4+b5)c+b1+b2+b3+b4+b5(15)式中:s(u)为联系数 u 的集对势函数;1 4为差异度项 b1、b2、b4、b5的系数。七元半偏减法集对势的基本思想是将包含确定性与不确定性信息的七元联系数转化为确定性整体发展趋势,将(b1+b2+b3+b4+b5)视为一个整体,按合适的比例分配到同一度 a、对立度 c 及偏同差异度 b1、b2和偏反差异度 b4、b5上。按偏联系数的方法,将 a、b1、b2分别按照 a/(a+b1+b2+b3+b4+b5)、1b1/(a+b1+b2+b3+b4+b5)、2b2/(a+b1+b2+b3+b4+b5)的比例分配到同一度方向上;将 b4、
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