陈 韬，陈松峰，林 锦，何菡丹，倪显锋，李 伟，柳 鹏，王会容，孙意翔

(1.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029；2.江苏省水资源服务中心，江苏 南京 210029)

江苏省水资源时空分布不均，本地水资源量不足，同时省内不同区域水资源需求、用水结构及节水潜力不一。随着工业化和城市化的迅速发展，全省水资源供需矛盾日益突出，制约了社会经济、生态文明建设的高质量发展，迫切需要强化节水，提高水资源利用效率。面临新的形势与要求，系统构建具有江苏特色的节水分区指标体系，科学合理地划分节水分区，对打造丰水地区节水模式，推进全省社会经济高质量发展具有重要意义。

1 节水分区研究

我国现有节水分区研究主要集中于农业领域[1-4]，综合节水分区研究相对较少，部分学者根据水资源条件、经济发展状况、用水水平等进行节水型社会建设分区[5-7]，但指标体系不够完善、分区方法有待优化。本研究从水资源状况、社会经济状况、水资源开发利用状况等3 个方面出发，收集具有江苏特色的涉水指标，构建节水分区综合指标体系，并引入统计学中较为成熟的主成分分析+系统聚类方法[8]进行节水分区。

1.1 节水分区指标体系

现有节水分区指标研究中，农业领域以多年平均降水量、灌溉用水效率、农业种植结构等为主[9-11]；工业领域侧重城镇化率、工业产值占GDP 的比重、高耗水行业产值占工业总产值比重等[12]；综合节水分区指标包括人均水资源量、水资源开发利用率、万元GDP 用水量、行政区划等[5-6]。以上指标能够反映所在领域的用水水平，如江苏省节水农业分区考虑气候特征、地形地貌、土壤类型、灌排方式、农业生产和农村经济因素与节水农业综合效益建立节水农业分区评价指标体系，农业节水针对性较强。由于不同地区水资源禀赋、经济发展水平、居民用水习惯等条件有所差异，目前研究中的分区指标存在不够综合全面的问题。江苏省社会经济发展水平较高，工业用水占比较大，省内高耗水行业分布不均、各地市节水水平不一。

针对以上情况，以2019 年为现状年，基于完整衔接性和综合适用性原则，以全省13 个地市为分区基本单元，利用已有节水分区指标成果，综合考虑水资源状况、社会经济条件、节水、供水、用水和排水等情况，设定高耗水行业占比等个性化指标，构建具有江苏特色的节水分区指标体系。其中，在供水指标中，选取非常规水源利用占比来反映非常规水利用状况；在排水指标中，考虑到江苏省经济发展水平较高的特点，选取地均GDP 反映资源环境的承载压力；在社会经济条件指标中，考虑到江苏省工业用水位居全国前列，本研究构建各地市规模以上高耗水行业产值占各地市规模以上工业总产值比、各地市规模以上高耗水行业产值占全省规模以上高耗水行业总产值比2 个特色指标，反映工业生产结构特征及高耗水工业企业在各地市的分布情况。具体指标体系及指标解释详见表1。

表1 节水分区指标体系及指标解释Tab.1 Water saving division index and interpretation

1.2 节水分区方法

节水分区问题可以简化为数据分类问题，即根据各地市节水变量的特征，将节水特征较为一致的市区划分为一类。由于选择的节水分区指标部分具有相关性，相互之间并不独立，因此，引入“主成分分析+系统聚类”的方法，首先选用主成分分析法对原始分区指标数据进行降维，然后采用系统聚类方法划定节水分区。

1.2.1主成分分析 主成分分析[13-15]（PCA）是最常用的线性降维方法，通过某种线性投影，将高维数据映射到低维空间中，并期望在所投影的维度上数据的信息量最大（方差最大），以此使用较少的数据维度，同时保留住较多原数据点的特性。主要步骤如下：

（1）将原始数据组成m行n列矩阵X=(xij)m×n，其中：m为评价单位；n为评价指标。并将矩阵X进行标准化处理，得到Y=(yij)m×n。

（2）建立相关系数矩阵：

1.2.2系统聚类分析 聚类分析指将物理或抽象对象的集合分组为由类似对象组成的多个类的分析过程，其核心在于寻找变量之间的亲疏关系[16-21]。本研究采用系统聚类法进行分区。系统聚类法步骤如下：（1）将训练样本集中的每个数据点都当作1 个聚类，即如果数据集中有X个数据点，那么就有X个聚类。计算每2 个聚类之间的欧式距离d，将距离最近的或最相似的2 个聚类进行合并。（2）重复上述步骤，直至得到的当前聚类数是合并前聚类数的10%，即90%的聚类都被合并。

2 节水分区结果

2.1 节水指标标准化

由于选取的15 个节水指标具有不同的单位和变异程度，为了消除指标间的量纲影响和数值差异的影响，首先将原始指标数据作标准化处理。将经标准化处理后各项指标正值之和与负值之和按地区进行比较，如图1 所示。从图1 可以看出，南京、苏州、无锡、常州的正值之和显著高于其他地市，徐州、连云港、淮安、盐城、宿迁的负值之和显著高于其他地市。正负值之和的对比图清晰反映了各地区节水指标的综合差异，是后续分析的基础。

图1 标准化节水指标正负值之和对比Fig.1 Comparison of sum of positive and negative values of standardized water saving division index

2.2 主成分分析结果

首先对二级指标个数大于1 的用水、排水、社会经济条件等3 个一级指标进行主成分分析。通过主成分分析碎石图（图2）结果，按照累计贡献率超过85%为原则筛选二级指标，用水指标选取前3 个因子（D1、D2、D3），累计贡献率为93.5%；排水指标选取前2 个因子（P1、P2）；社会经济指标选取前2 个因子（S1、S2），累计贡献率为89.9%。最后对筛选出的因子作为主成分进行节水分区计算，结果见表2。

图2 用水、排水、社会经济条件指标碎石图Fig.2 Scree plot of water use,drainage,socio-economic index

表2 江苏省节水分区评价指标主成分因子得分Tab.2 Principal component factor scores of water saving division evaluation indicators

2.3 聚类分析结果

将表2 中各分组的主成分因子得分按组平均分配权重后，进行系统聚类，结合方差演化和实际分析的需要，在相异度为1.8 时对聚类树进行切割，即可得到最终的聚类结果，如图3 和图4 所示。结果表明，江苏省在地市层面可以划分为3 个较为明显的分区。

图3 节水分区聚类树Fig.3 Clustering tree diagram of water saving divisions

图4 江苏省综合节水分区Fig.4 Water saving division map of Jiangsu Province

Ⅰ区包括南京市、常州市、无锡市、苏州市，位于长江沿岸和太湖流域，是江苏政治、经济、人口中心，城镇化水平高、产业集聚发达，是经济活动和资源消耗的重点区域。各地市年均降水量在1 100 mm以上，本地及过境水资源丰沛，现状节水水平较高；工业和城镇生活用水占主导地位，农业用水占比较小；工业领域的化工、火电、钢铁、纺织、电子等行业用水占比较大；地均生产总值超过1.5 亿元，资源环境承载压力大，减排防污任务重。

Ⅱ区包括淮安市、盐城市、扬州市、泰州市、南通市、镇江市，跨越长江、淮河两大水系，湖荡水系发达，生态资源集中，土地开发强度不高。各地市年均降水量约1 000 mm，非常规水供水占比小，不足1%，现状节水水平中等；农业和工业用水占比相对较高；工业领域的火电、钢铁、化工、医药等行业用水占比较大。

Ⅲ区包括徐州市、连云港市、宿迁市，地处淮北，是江苏省水资源最短缺的地区，各地市年均降水量约900 mm，降水期与灌溉期不匹配，局部地区存在地下水超采。该区现状节水水平偏低；农业用水占比高，超过75%，大中型灌区面积占比高；工业领域的火电、采矿、电子、化工、钢铁等行业用水占比较大。

3 结语

本研究在江苏省各地市水效指标特征分析基础上，进一步考虑水资源和社会经济本底条件，系统构建了江苏省节水分区指标体系，引入主成分聚类分区方法，将全省13 个地市划分为3 个区。根据区域重点，因地制宜开展节水工作。各区域节水重点工作如下：Ⅰ区，减排防污、对标领先、全面推进；Ⅱ区，精细节调、提档增效、农工双控；Ⅲ区，深度节控、调优结构、增调减采。本研究可为探索丰水地区节水优先路径等工作提供支撑。