层次聚类分析方法在水土保持生态修复分区中的应用

2015-12-16姚西文

水利建设与管理 2015年1期

姚西文，韩芬

(平凉市水土保持科学研究所，甘肃平凉 744000)

1 分区研究的范围

平凉市位于甘肃省东部，东经 105°20'～107°45'、北纬 34°54'～35°43'之间，总面积 11169.7km2，六盘山南北向纵贯平凉市中部。其东部为泾河流域，面积7398.7km2，辖崆峒、泾川、华亭、崇信、灵台五县区，属陇东黄土高原沟壑区;西部为渭河流域，面积3772km2，辖静宁、庄浪两县，属陇中黄土丘陵区。

2 分区方法的选择

聚类分析方法是统计学上研究多要素事物分类问题的数量方法，可对诸多因素及其之间的相似性程度进行分析，从而研究区域之间差异，是定量研究事物分类问题和分区问题的重要方法，能够定量地确定样本之间的亲疏关系，并按这种亲疏关系程度对样本进行聚类。进行水土保持生态修复分区需要分析影响水土流失和生态恢复的诸多因素，并对其进行综合评价和排序。为能够达到分区科学、符合实际、有利于措施配置和便于操作实施的目的，此次采用系统聚类法即层次聚类分析法进行水土保持生态修复分区研究。

3 水土保持生态修复分区

3.1 分区研究的范围和单位

为了便于收集、整理、分析数据资料，保持行政区域(单元)完整性，有利于当地政府部门依据分区方案开展并实施水土保持生态修复工作，更好地将研究成果与生产实践相结合，此次分区研究的范围确定为平凉市行政区域内的六县一区(泾川县、灵台县、崇信县、华亭县、庄浪县、静宁县和崆峒区)。分区单位为最基本的行政单元，即各县(区)所属102个乡(镇)。

分区时，把各分区单位分别以1，2，3，……，102个序数进行标记，即对应静宁县1～24、灵台县25～37、崇信县38～44、华亭县44～55、泾川县56～67、崆峒区68～84、庄浪县85～102个乡(镇)。在分区运算过程中，序号与其对应的各县区的各乡(镇)具有相同意义。

3.2 分区的原则

a.相似性原则。同一生态修复区内自然条件、社会经济状况、水土流失特点、植被条件等基本相似。

b.一致性原则。同一生态修复区内生产发展方向、发展重点、措施布局等基本一致。要求区域间差异最大化和区域内各单元差异最小化。

c.综合分析和主导因素相结合原则。生态环境是一个复杂的系统，在进行分区时，必须全面考虑构成生态环境的各种要素及其综合特征的相似性和差异性。

d.共扼性原则。这一原则要求划分出的区域是连续的地域单元，不能在空间上有存在于某区域之外、但又属于该区的地域单元。

e.完整性原则。考虑到建设过程中便于修复措施的实施和后期管理，同一生态修复区应集中连片;同一分区行政区划应尽可能相对一致完整。

3.3 分区指标体系的构建

生态修复分区是生态系统和自然资源合理管理及持续利用的基础，合理的生态分区可为生态环境建设和管理提供科学依据。为了使该项研究的分区结果更加合理、符合实际，在综合分析生态环境特点及其地域相似性和差异性的基础上，根据水土保持生态修复分区原则，结合平凉市各县区、各乡(镇)的实际情况，突出该地区的气候、植被、水土流失、人口、社会经济等自然环境分异特点和人类活动强烈程度，对生态环境的影响及数据的可得性与可靠性，从自然条件和社会经济条件两方面，设计平凉市水土保持生态修复分区的评价指标体系。提出“干燥指数、年降雨量、土壤侵蚀强度、多年平均径流深、多年平均陆面蒸发量、高程、人均耕地、人口密度、人均收入”等水土保持生态修复分区的因子。具体见表1。

表1 水土保持生态修复分区评价指标体系

3.4 聚类指标体系赋值

根据表1中的指标分类和指标含义，结合平凉市森林资源调查成果数据、《甘肃省平凉地区水资源调查评价与水利区划》、《甘肃省平凉市统计年鉴数据》等资料，对分区指标进行赋值。

3.5 分区

3.5.1 数据预处理(标准化)

由表1可见，该研究采用的聚类指标的量纲不统一，各指标之间的数值相差悬殊，数据浮动范围较大，直接用这些数据进行聚类，将弱化数值量较小指标对分区单位的影响，进而影响聚类结果的正确性，所以在分区之前先对聚类指标数据进行标准化处理。

在SPSS 13.0分析软件中通过标准化处理(Z scores)把数值标准化到Z分数。Z分数是从平均数、标准差的总体中抽出一个变量，表示的是此变量的偏差值。由于Z分数分母的单位与分子相同，故Z分数没有单位，变换后的数据均值为0，标准差为1，消去了量纲的影响;当抽样样本改变时，它仍能保持相对稳定性，可以用来比较两个从不同单位总体中抽出的变量值。

3.5.2 层次聚类

该项研究样本之间的距离采用聚类分析中使用最广泛的距离——欧氏距离，它倾向于把案例数少的类聚到一起，以发现规模和形状大致相同的类，此方法效果较好。

样本与小类、小类与小类之间的距离使用离差平方和法，使同一类内部案例的离差平方和较小，不同类之间案例的离差平方和较大。求解过程是首先使每个案例自成一类，每一步使离差平方和增加最小的两类合并为一类，直到所有的案例都归为一类为止。该研究运用SPSS 13.0聚类分析软件进行运算分析。

3.6 层次聚类的分类结果与分析

在保持乡(镇)行政界线完整性和分区界线连续性原则前提下，以层次聚类分析得到的水土保持生态修复分区的分类结果为基础，得出平凉市水土保持生态修复分区，共分成5类5个区。

运用SPSS 13.0聚类分析软件运行后得出的以上结果，与实际分析后，认为存在一些个别不合理之处，如:个别相同的分区太过零散、不连续，差别过大。考虑到此，结合平凉市各县区的行政体系、经济社会发展的实际情况、发展程度、规划的社会经济主要发展方向及今后的水土保持生态修复措施的配置和实施，对聚类分析结果进行了微调与合并。这样虽然与聚类结果有所出入，但更切合生态修复分区的行政管理体制，有利于修复措施的配置和实施。据此，水土保持生态修复分区仍分为5个区，并根据气候、地质地貌和植被特点进行分区命名，具体结果如表2及下页图1、图2所示。