基于AHP和ArcGIS的北京市农业节水区划研究.pdf

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1、2 0 1 7年3月 农业机械学报 第48卷第3期doi：106041jissn10001298201703036基于AHP和ArcGIS的北京市农业节水区划研究范海燕1 朱丹阳2 郝仲勇13 杨胜利13 张 娟13 岳海(1北京市水科学技术研究院，北京100048；2中国农业大学水利与土木工程学院，北京100083；3北京市非常规水资源开发利用与节水工程技术研究中心，北京100048)摘要：在总结国内外学者农业节水分区先进经验的基础上，结合北京市农业生态节水发展实际，充分考虑自然条件、水资源状况、工程管理和社会经济状况等，构建涵盖干旱指数、地下水超采、土壤类型、节水灌溉率、农民人均收入在内的

2、北京市农业节水分区指标体系，分析各指标空间分布规律，界定各指标的分级标准，并划定相应分区。采用层次分析法(AHP)对各指标分级赋值，利用ArcGIS软件中的叠加分析功能将图层按权重叠加，对分区重分类并相应赋值，将各影响因素的分值和权重相乘并求和得到最终的评分结果，按照评分结果将北京市划分为农业节水优先发展区、农业节水适宜发展区和农业节水鼓励发展区，根据分区结果提出相应工程节水及农艺节水措施。关键词：农业节水分区；北京市；指标体系；层次分析法；ArcGIS中图分类号：$2755 文献标识码：A 文章编号：10001298(2017)03028806Agricultural Water-savin

3、g Zoning in Beijing Based on AHP and ArcGISFAN Haiyanl ZHU Danyan92 HAO Zhongyon913 YANG Shenglil3 ZHANG Juanl，3 YUE Haiyin913(1Beijing Water Science and Technology Institute，Beqing 100048，China2College of Water Resources and Civil Engineering，China Agricultural University，Beijing 100083，China3Berin

4、g Engineering Research Centerfor Nonconventional Water Resources Util&ation and Water Saving，Be彬ng 100048，China)Abstract：A model system was proposed based on the advanced experience at home and abroad，whichwas applied to agricultural watersaving zoningThe reality of agricultural water saving，water r

5、esourcesdistribution，natural conditions，agricultural water management，project management level and pecuniarycondition in Beijing were also included in this model systemThe model system included several indicesand each index was defined based on index categorizationThese indices were also used to pre

6、sent thearidity soil type and ground water index distribution in the corresponding zoningMeanwhile，ArcGIS wasalso combined based on the function of superposition analysis and analytic hierarchy process(AHP)TheArcGIS analysis function in each lay was defined and the weight function on each function w

7、as alsodefinedThrough the definition，the index value on each lay and each function can be obtainedAfterthat，the index value can be scored and classified and also multiplied with each index weightThemuhiplied values were the final value result and treated as overall value which was treated as the gui

8、dedline for Beijing agriculture watersaving zoning classificationThrough the model system classificationresults，Beijing was divided into agricultural water conservation priority development area，agriculturalwater saving suitable development area and agricultural water saving encouraging development

9、areaAccording to the model system results，the corresponding engineering measures and agronomic measureswere also recommended in watersaving and can partly help the decision-maker in Beijing to optimize theagricultural water savingKey words：agricultural watersaving zoning；Beijing；index system；chromat

10、ography analysis method；ArcGIS引言近年来，诸多学者对各地区农业节水分区开展了系统研究，通过采用定量计算与传统经验定性相结合、模糊数学聚类分析、模糊一动态聚类、主成分分析与系统聚类相结合、主成分分析与模糊聚类相结收稿日期：20160726修回日期：20160927基金项目：北京市科技计划项目(D151 1000041 15004、D151 1000041 15001)作者简介：范海燕(1986一)，女，工程师，主要从事农业节水研究，Emall：fanhaiyan0402163eom万方数据第3期 范海燕等：基于AHP和ArcGIS的北京市农业节水区划研究 289合、

11、主成分分析与模糊c一均值聚类算法相结合等方法，划定了不同地区农业节水分区，并取得一定的研究成果。1“。农业节水分区经历了由定性分析到定量分析的过程，但定量分析多以聚类分析法、模糊聚类法、动态聚类法和系统聚类法为主，层次分析法用于农业节水分区的研究及应用相对较少。层次分析法是根据各影响因素两两比较得出的权重结果，结合科学的分值赋予得出的综合评价方法，是定性分析与定量分析结合评价的一致矩阵法。1”181，主要原理为各影响因素根据影响程度两两比较，根据矩阵计算的方法将两两比较结果转化为同一标度下的比较结果，得到合理的权重分配，提高评价的准确度。本文在综合分析气候条件、土壤类型、管理水平、社会经济状况

12、等诸多因素的基础上，构建指标体系，采用层次分析法与ArcGIS软件叠加功能，划定北京市农业节水分区。1方法与步骤11指标体系构建参照已有研究成果，本研究在分区指标的选取上考虑自然条件、灌溉情况及经济社会状况等方面。结合北京市当前农业节水发展现状和条件，拟采用以下多种影响因素建立指标体系：(1)干燥度指数x，干燥度指数是蒸发量与降水量的比值，是反映气候干旱程度的重要指标，其表达式为EnX。=(1)-式中P年降水量，mmE孔年潜在蒸发量，nllTl(2)地下水超采区墨一般以年均地下水水位下降速率Ah(ma)作为判别地下水超采区的依据。计算公式为X2=Ah=(h。一。)At (2)式中 危，时段初的

13、地下水水位，mi时段末的地下水水位，m时段的长度，a(3)土壤类型墨不同土壤类型其土壤渗透系数及持水性均不同，土壤类型直接影响作物的种类以及用水效率。(4)节水灌溉率x。节水灌溉率以节水灌溉面积与耕地面积之比表示。(5)农民人均纯收入x，农民人均纯收入是指农户一年中的农业人均年收入。12指标分级标准确定(1)干燥度指数以北京市2014年各区降水量、风速、平均温度、相对湿度等气象资料为基础，计算得北京市各区农业气象干燥度指数在179340之间，依据中国气候区划干湿指标划分标准：干燥度指数X，10为湿润地区；10X，15为半湿润地区；15X，40为半干旱区；40X160为干旱区；X，160为极端干

14、旱区92 0|，结合北京市实际情况，将北京市各地区干燥度指数平均划分为4个等级，如表l所示，干燥度指数分布图见图1。表1 北京市干燥度指数等级划分Tab1 Grade division of aridity index in Beijing十燥匪指教， 15二1二l一二71 73 31 34(J图1 干燥度指数分布图Fig1 Distribution map of aridity index(2)地下水超采区依据SL 286-2003地下水超采区评价导则211中地下水超采区分级标准，年均地下水水位下降速率矗均为正值的区域，则地下水补给量大于开采量，为补给区；Ah为负值的区域，则地下水补给量小于

15、开采量，为超采区。结合北京市各地区地下水水位下降程度，将北京市划分为4个区，划分情况详见表2，地下水超采区分布见图2。表2地下水超采区划分Tab2 Grade division of groundwater overdraft area(3)土壤类型北京市土壤类型复杂多样，包括重土、粘质土、万方数据290 农业机械学报超采区重超采区般超采区超采区|i羹基本平新区、补给区图二北京市超采区域分布图Fig2 Distribution map of groundwater overdraft area粘壤质、中壤质、轻壤质、沙壤质、砂质土、松砂土、砂砾、岩石、卵石滩等，考虑到利于作物生长及水分有效利用

16、、方便后续分区计算等因素，将北京市土壤类型重新归类，划分为4个区，划分情况详见表3，土壤类型分布见图3。表3土壤类型等级划分Tab3 Grade division of soil types，警掣攀A 一鼍；，董：豢一土壤类型誊；鲻麓爹燎黼。辫鲨争(4)节水灌溉率节水灌溉率直接反映农业节水推广普及情况，是农业节水灌溉面积占耕地面积的比例。北京市农业节水灌溉率分布不均从而节水灌溉率也成为农业节水灌溉的重要指标之一，根据北京市水务统计年鉴(2014)22 3中农业节水灌溉率指标和节水灌溉率现状，确定4个等级，具体划分如表4所示。(5)农民人均纯收入农民人均纯收入作为评价指标之一，反映社会经济在农业

17、生态建设下的发展情况，因北京市人均表4北京市农业节水灌溉率等级划分Tab4 Grade division of agricultural water-savingirrigation ratio in Beijing收入较高，农民收益与其他地区相比较高，基本脱离贫困标准。因此，根据北京市统计年鉴(2015)。2列中农民收入情况，分为收入较低、中等偏下、中等偏上以及收入较好4个等级。再根据各区的农民年平均纯收人数据按照等级划分情况进行分区，具体划分情况如表5所示。表5 北京市农民人均纯收入等级划分Tab5 Grade division of peasant per capitaincome in

18、 Beijing13各指标权重分配与分级赋值131层次分析法(AHP)权重计算方法层次分析法中，判断矩阵表示本层各个影响因素在上一层影响程度下的影响再分配24。2。SAATY将判断矩阵中各影响因子定义为4。并在两两比较中用19标度方法对影响程度进行量化，具体标度含义如表6所示。表6判断矩阵的标度值及其含义Tab6 Scale value and definition of judgment matrix量化值 含义1 2个因素相比，2个因素同等重要3 2个因素相比，一个因素比另一个因素稍微重要5 2个因素相比，一个因素比另一个因素明显重要7 2个因素相比，一个因素比另一个因素强烈重要9 2个因

19、素相比，一个因素比另一个因素极端重要2、4、6、8 上述相邻重要性的中值因素i与j比较的判断矩阵元素为A。则因素j倒数与i比较的判断矩阵元素为A。=1A。判断矩阵中的A。，表示相对上一层第i因素与第i因素的重要性对比，例如i与7具有同样重要性，则A：i=1，Ai=1，若i比，明显重要，则A。=5，A，i=15。由此可见判断矩阵为正互反矩阵，再通过求该矩阵的非零特征值并对其对应的特征向量归一化后得到权重和权重向量。对判断矩阵进行一致性检验，因两两比较中判断结果应该服从一致性标准，若两两比较结果相互之间关联一致性不好或不一致，则说明判断矩阵不可靠。因此判断矩阵需要进行一致性检验，若一致万方数据第3

20、期 范海燕等：基于AHP和ArcGIS的北京市农业节水区划研究 291性较好，则说明权重向量符合思维主观判断。一致性指标计算公式为C，=生等 (3)nl式中 c，一致性指标A最大特征值 凡因素个数其中C，=0，则说明具有完全一致性；C，越接近0，则说明一致性越好；C，的值越大，一致性越差、不一致性越强。但判断中一致性还需要有相应的参考才能说明一致性的好坏，因此引入随机一致性指标R，以及检验系数C。的概念。R，为随机生成的矩阵计算出的一致性指标，一致性指标C，与随机一致性指标尺，之比为检验系数C。其中，随机一致性指标尺，与影响因素的个数有关，具体数值如表7所刁弋。表7随机一致性指标R，Tab7

21、Random indexn 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11R，0 0 058 090 112 124 132 141 145 149 151一般情况下，定义检验系数C。01时，认为一致性在允许范围内，一致性可以接受，c。越小说明一致性越好。132图层权重计算(1)构造判断矩阵根据19标度法构造判断矩阵，如表8所示。从表中可以看出两两因素之间的重要性比对。表8判断矩阵Tab8 Judgment matrix指标 x- x： 墨 五X 1 12 2 1X， 2 1 3 2X3 12 13 1 1X4 1 12 l 1X5 15 16 15 15X556551(2)一致性检验根据表8

22、所构造的正互反判断矩阵，可通过Matlab编程计算出各因素的权重。2。通过计算可得，上述5项指标的权重向量为：W=(X，X：，X，x。，X，)=(022，038，016，019，005)。最终计算可得，正互反判断矩阵的最大特征值为612。根据式(3)计算得到C，=0025 9，由此得到c。=0023 1，小于要求的01，通过一致性检验。因此，根据上述判断矩阵得到的5项指标的权重符合一致性，满足合理性要求。133各影响因素分级赋值按照上述权重计算结果进行整理，将5项指标进行编号并进行等级划分和分值赋值。因AHP评分结果中，要求权重与指标对应分值乘积的加权综合为最终评价结果。因此对指标体系中提到的

23、指标等级划分进行赋值。为保证数据分值的统一以及合理性，赋值应满足均一化，此处参照以往经验采取分级分值总和为100的标准。根据指标等级划分的影响程度，来评判对应分值的选取，影响程度越高分值越高，并且满足赋值合理性要求。各项指标的权重和等级分值结果如表9所示。表9各指标权重及其等级赋值Tab9 Weight and ssignment of each index土壤类型016砂岩砂质土轻壤土102030中、粘壤土 4014分区划定方法利用ArcGIS中ArcMap的Arctool中的叠加分析功能将图层按算出的权重叠加。对分区重分类并相应赋值，再将上述图层转化为栅格，网格化的5个指标图层按上述计算出

24、的权重分配进行加权总和叠加图层，得到最终带有相应分值的图层。各个单元内分别将各影响因素的分值和权重相乘并求和，得到最终的评分结果，计算公式为5ConVi，=PkVi。 (4)式中 ConV。，单元格叠加后的综合评分Vi第后层(，J)单元分值,j,k ip。第k层权重万方数据292 农业机械学报2结果与分析因北京市城区及石景山区已退出农业种植，本研究在剔除北京市城区及石景山区后，采用层析分析法与ArcGIS软件叠加功能相结合，将北京市划分为农业节水优先发展区、农业节水适宜发展区、农业节水鼓励发展区3个分区，分区结果如图4所示。农业节水分区_j优先发展区适宜发展【X发展区21农业节水优先发展区由图

25、4可以看出，农业节水优先发展区主要集中在朝阳、海淀、昌平、顺义等平原区，可以通过调整种植结构，间接促进农业节水，因该区大部分区域位于地下水严重超采区范围内，在严重超采区范围内，应逐步有序退出小麦等高耗水作物种植，严重超采区范围外的区域，可以重点推广农艺节水措施，以农田覆盖技术、抗旱作物品种为重点技术在区内进行推广，以便达到农业节水目的。工程节水方面，区域内节水灌溉率相对较低，该区应加快改善灌溉工程条件、推广高效节水灌溉工程，同时也是政府优先考虑的节水灌溉工程投资区域。22农业节水适宜发展区农业节水适宜发展区主要集中在通州、大兴、房山、门头沟等区(图4)，大部分地区位于地下水一般超采区范围内，该

26、区地下水开采程度基本饱和，区域内缺水程度相对较高，从农艺节水方面考虑，该地区适宜推广秸秆还田、免耕覆盖、蓄水保墒技术，将粮田秸秆、果树枝条、废弃菜叶等有机质粉碎还田，改良土壤结构，提高蓄水保墒能力，减少灌溉用水；实施土地平整，适当培高田埂，推进沟路林渠综合治理，增加农田集雨保墒能力，充分利用雨洪水资源；推广抗旱节水新品种，因地制宜应用化控节水技术，减少作物耗水量。工程节水方面，区域内节水灌溉率及人均收入均处于中间水平，该区应加大政府投资力度，推动高效节水灌溉工程建设，同时应健全完善高效节水灌溉工程管护制度，确保已建灌溉设施的良性运行，正常发挥工程效益。23农业节水鼓励发展区农业节水鼓励发展区主

27、要集中在延庆、怀柔、密云、平谷等山区(图4)，大部分地区位于地下水基本平衡区及补给区范围内，缺水程度相对较低，属于生态涵养区，该区可推广抗旱节水新品种、覆盖保墒、水肥一体化、化控节水等农艺节水措施，同时鼓励发展高效节水灌溉工程，加大政府投资建设，实现工程节水。3 建议结合北京市农业节水分区结果，提出了分区的节水对策措施与建议。(1)调整农业种植结构，严重超采区范围内，逐步退出小麦等高耗水作物种植，采用宜林则林、宜草则草、宜果则果、宜休耕则休耕的方式恢复生态涵养功能。(2)建立灌溉管材及设备质量控制机制，健全完善高效节水灌溉工程管护制度，确保已建及将建灌溉设施的良性运行，发挥正常的工程效益。(3

28、)加大政府投资力度，推广喷灌、微灌等高效节水灌溉工程，实现工程节水。(4)推广抗旱节水新品种、覆盖保墒、水肥一体化、化控节水等农艺节水措施。4 结束语在总结国内外学者农业节水分区先进经验的基础上，从北京市农业生态节水发展实际情况出发，充分考虑自然条件、水资源状况、工程管理和社会经济状况等，构建了涵盖干燥度、地下水超采、土壤类型、节水灌溉率、农民人均收入在内的北京市农业节水分区指标体系，界定各指标的分级标准，划定相应分区，采用层次分析法与ArcGIS叠加分析功能相结合，将北京市划分为农业节水优先发展区、农业节水适宜发展区、农业节水鼓励发展区3个分区。结合北京市农业节水分区结果，提出了分区的节水对

29、策措施与建议，可对北京市农业节水工程建设、种植结构调整等提供一定的支撑。参 考 文 献1 黄修桥，李英能华北地区节水型农业分区和发展预测J灌溉排水学报，1995，14(3)：18HUANG Xiuqiao，LI YingnengWatersaving agriculture in North China：area division and development predictionJIrrigationand Drainage，1995，14(3)：l一8(in Chinese)2吴乐民，温演望模糊聚类分析在旱作农业分区上的应用J华南农业大学学报，1991，12(4)：3744万方数据第3期

30、 范海燕等：基于AHP和ArcGIS的北京市农业节水区划研究 293WU Lemin，WEN YanwangThe application of fuzzy cluster analysis to dryland farming partitionJJournal South ChinaAgricultural University，1991，12(4)：3744(in Chinese)3王燕安徽省节水农业分区初步研究J中国农村水利水电，2001(7)：13一15WANG YanPrimary research on dividing areas of water saving agricul

31、ture in Anhui provinceJChina Rural Water andHydropower，2001(7)：1315(in Chinese)456杨路华，王文元，韩振中，等宁波市农业节水区划中模糊聚类分析与应用J灌溉排水学报，2003，22(5)：5255YANG Luhua，WANG Wenyuan，HAN Zhenzhong，et a1Application of fuzzy cluster to agricultural water saving zoningJJournalof Irrigation and Drainage，2003，22(5)：5255(in Ch

32、inese)韩振中，杨军，王留运，等宁波市农业节水区划与分区节水技术对策J节水灌溉，2003(6)：3941商艾华，郭维东，黄毅，等阜新县节水农业分区研究J节水灌溉，2006(3)：1315，20SHANG Aihua，GUO Weidong，HUANG Yi，et a1Study on area division of water saving agriculture in Fuxin county of LiaoningprovinceJWater Saving Irrigation，2006(3)：1315，20(in Chinese)7刘玉凤，黄介生，伍靖伟基于最大树法的华北地区节水型

33、农业分区J中国农村水利水电，2013(12)：8084LIU Yufeng，HUANG Jiesheng，wu JingweiArea division for water-saving agriculture in North China of maximal tree methodJChina Rural Water and Hydropower，2013(12)：8084(in Chinese)8 马立辉，赵玲，张会芹，等模糊一动态聚类法在河北省农业节水区划中的应用J南水北调与水利科技，2006，4(1)：4244MA Lihui，ZHAO Ling，ZHANG Huiqin，et a1

34、Application of fuzzydynamic clustering in division of agricuhural water saving zonesin Hebei provinceJSouthtoNorth Water Diversion and Water ScienceTeehonlogy，2006，4(1)：4244(in Chinese)9何英，郭玉川，姜卉芳基于模糊一动态聚类法的新疆节水区划探讨J节水灌溉，2009(2)：57，10HE Ying，GUO Yuchuan，JIANG HuifangDiscussion on watersaving distric

35、t programming of Xinjiang autonomous region based onfuzzydynamic clustering methodl J 1Water Saving Irrigation，2009(2)：57，10(in Chinese)10李硕，许萌芽主成分聚类分析法在宁夏水文分区中的应用J水文，2002，22(2)：444611 尹剑，王会肖，李鹏，等保定市农业节水分区J南水北调与水利科技，2012，10(4)：127132YIN Jian，WANG Huixiao，LI Peng，et a1Study on agricuhural watersaving

36、 regionalization in BaodingJSouthtoNorth WaterDiversion and Water Science&Techonlogy，2012，10(4)：127132(in Chinese)12尹剑，王会肖，王艳阳，等关中地区农业节水分区研究J中国生态农业学报，2012，20(9)：11731179YIN Jian，WANG Huixiao，WANG Yanyang，et a1Agricultural watersaving regionalization in Guanzhong areaJChineseJournal of EcoAgriculture

37、，2012，20(9)：11731179(in Chinese)13 褚琳琳江苏省节水农业分区及发展模式J节水灌溉，2014(1 1)：9195CHU LinlinDistrict division and development model ofwater-saving agriculture in Jiangsu provinceJWater Saving Irrigation，2014(11)：9195(in Chinese)14吴景社，康绍忠，王景雷，等基于主成分分析和模糊聚类方法的全国节水灌溉分区研究J农业工程学报，2004，20(4)：6468WU Jingshe，KANG Sha

38、ozhong，WANG Jinglei，et a1Zoning of watersaving irrigation in China using principal componentsanalysis and fuzzy-CmeansJTransactions ofthe CSAE，2004，20(4)：6468(in Chinese)15刘玉邦，梁川基于主成分和模糊c一均值聚类算法的农业水资源高效利用综合分区J水文，2011，31(5)：5763LIU Yubang，LIANG ChuanZoning for effective utilization of agricuhural wat

39、er resources based on principal component analysisand fuzzy Cmeans clustering algorithmJJournal of China Hydrology，2011，31(5)：5763(in Chinese)16钱颂迪运筹学M北京：清华大学出版社，1990：46146617汪应洛，陶谦钦运筹学与系统工程M北京：机械工业出版社，1999：24925618程理民，吴江，张玉林，等运筹学模型与方法教程M北京：清华大学出版社，2000：24625619陈建伟，张煜星湿润指数与干燥度关系的探讨J中国沙漠，1995，15(1)：7

40、982CHEN JianweiZHANG YuxingDiscussion on relation between humidity index and aridity degreeJJournal of DesertResearch，1995，15(1)：7982(in Chinese)20孟猛，倪健，张治国地理生态学的干燥度指数及其应用评述J植物生态学报，2004，28(6)：853861MENG MengNI Jian，ZHANG ZhiguoAridity index and its applications in geoecological studyJActa Phytoecolo

41、gicaSinica，2004，28(6)：853861(in Chinese)21 SL 286-2003 地下水超采区评价导则s200322北京市水务局北京市水务统计年鉴(2014)M北京：北京市水务局，201423北京市统计局北京市统计年鉴(2015)M北京：北京市统计局，201524许树柏实用决策方法层次分析法原理M天津：天津大学出版社，199825张志政，王毅，苏静利用层次分析法优化选择节水灌溉方式J农机化研究，2008(4)：5558ZHANG Zhizheng，WANG Yi，SU JingOptimal choice of water saving irrigation mod

42、e by AHPJJournal of AgricuhuralMechanization Research，2008(4)：5558(in Chinese)26翟治芬，王兰英，孙敏章，等基于AHP与Rough Set的农业节水技术综合评价J生态学报，2012，32(3)：93l一941ZHAI Zhifen，WANG Lanying，SUN Minzhang，et a1Comprehensive evaluation of agricuhural watersaving technology based onAHP and Rough Set methodJActa Phytoecologic

43、a Sinica，2012，32(3)：931941(in Chinese)27 陈成基于层次分析法的农业节水灌溉适宜技术的研究以四川农业大学现代农业研发基地为例D雅安：四川农业大学，2013CHEN ChengBased on AHP of agricultural watersaving irrigation technique research-modem base in Sichuan agriculturaluniversity as an exampleDYaan：Sichuan Agrieuhural University，20 1 3(in Chinese)28霍星，史海滨，杨

44、松益基于层次分析一蚁群算法的内蒙古大型灌区节水改造综合评价J农业工程学报，2014，30(17)：29132一140HUO Xing，SHI Haibin，YANG SongyiComprehensive assessment on watersaving renovation of largescale irrigation districts inInner Mongolia based on hierarchical analysisant colony algorithmJTransactions ofthe CSAE，2014，30(17)：132140(inChinese)焦树锋AHP法中平均随机一致性指标的算法及MATLAB实现J太原师范学院学报：自然科学版，2006，5(4)：45-47JIAO ShufengThe algorithm of mean random consistency index in AHP and its implementationJJoural of Taiyuan NormalUniversity：Natural Science Edition，2006，5(4)：4547(in Chinese)万方数据