灌溉用水量預(yù)測方法研究現(xiàn)狀分析

馬 強

水資源是人類不可或缺的資源，水資源緊缺已是一個全球性的問題。我國是一個水資源相對貧乏的國家，是世界上13個貧水國家之一。要實現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用，除了開源以外，節(jié)約用水則是解決當(dāng)前水資源緊缺的首要途徑。農(nóng)業(yè)是用水大戶，而灌溉用水量占農(nóng)業(yè)總用水量的比例始達到90%以上。因此，研究灌溉用水量具有十分重要的意義。

1 灌溉用水量預(yù)測

灌溉用水量受降水量、蒸發(fā)量、氣溫、相對濕度、灌溉管理理水平、灌區(qū)作物種類及種植面積、灌溉制度、水源的情況以及水費政策的調(diào)整等因素的影響，因而表現(xiàn)出一定的不確定性，其年際年內(nèi)變化都比較大。灌溉用水量是灌區(qū)經(jīng)營管理的一個主要經(jīng)濟指標(biāo)，對灌溉用水量進行預(yù)測可以使有限的水資源發(fā)揮最大的效益，對于編制灌區(qū)用水計劃、預(yù)算當(dāng)年經(jīng)濟收入、指導(dǎo)水庫蓄水、安排工程項目等灌區(qū)管理工作以及指導(dǎo)灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義。特別是在干旱年份，灌溉用水量的預(yù)測可以為灌區(qū)內(nèi)部灌溉用水量的合理分配提供科學(xué)依據(jù)。另外，由于灌溉用水量預(yù)測既不同于天氣預(yù)報，也不同于徑流預(yù)報。因此，研究科學(xué)有效的灌溉用水量預(yù)測方法是十分必要的。

灌溉用水量的預(yù)測按時間可分為長期預(yù)測、中期預(yù)測和短期預(yù)測，大體上可分別對應(yīng)年、月以及旬以下。中長期灌溉用水量預(yù)測可為灌區(qū)制定中長期調(diào)度計劃提供合理依據(jù)，也可為水資源的合理開發(fā)、分配，水污染控制，灌區(qū)整體規(guī)劃和布局提供必要的信息。通過中長期灌溉用水量預(yù)測，可以了解遠(yuǎn)期用水量規(guī)模以及用水量發(fā)展趨勢，以利于合理計劃、開發(fā)和利用水資源，做到既能保障各個時期的灌溉用水量，又能最大限度地節(jié)約用水，對水污染進行有效的防御和控制，為灌區(qū)供水系統(tǒng)的優(yōu)化改擴建提供必要的資料，使灌區(qū)的整體布局和未來發(fā)展規(guī)劃更加合理。短期灌溉用水量預(yù)測則可指導(dǎo)灌區(qū)的實時調(diào)度，做到有效利用水資源，使之發(fā)揮更大的效益，其預(yù)測的可靠性直接影響到整個調(diào)度決策的可靠性及實用性。

2 灌溉用水量預(yù)測過程

第一，明確預(yù)測對象。第二，根據(jù)已經(jīng)明確的預(yù)測目標(biāo)和有關(guān)的影響因素，調(diào)查與該預(yù)測有關(guān)的歷史資料。第三，對有關(guān)資料進行整理，去偽存真，去粗取精，排除有據(jù)可查的不實之處和將來不可能重復(fù)出現(xiàn)的小概率事件的影響后，把經(jīng)過整理資料稱作預(yù)測信息。第四，通過對預(yù)測信息數(shù)據(jù)的處理和主觀經(jīng)驗的判斷，分析出真實情況中的演變規(guī)律。這種演變規(guī)律是用數(shù)學(xué)模型與圖所表示的預(yù)測目標(biāo)的歷史發(fā)展過程、趨勢與程度的一種科學(xué)概括。第五，必須注意的是，不是所有分析出的演變規(guī)律都具有預(yù)測意義，采用不同的預(yù)測信息或同一預(yù)測信息的不同取材可能得到多種演變規(guī)律，因此第四步分析出的演變規(guī)律不能直接用于預(yù)測，必須進行選擇。只有經(jīng)過反復(fù)的數(shù)據(jù)處理和主觀經(jīng)驗判斷，從各種演變規(guī)律中選擇出可以代表或說明未來的那種規(guī)律，即預(yù)測規(guī)律，才能用于預(yù)測。預(yù)測應(yīng)用就是用預(yù)測規(guī)律判斷未來。

3 灌溉用水量預(yù)測技術(shù)

第一，定性預(yù)測技術(shù)。凡屬于研究預(yù)測目標(biāo)未來發(fā)展性質(zhì)的分析方法與手段都屬定性分析的范疇。在缺乏定量數(shù)據(jù)時，定性分析可直接用于預(yù)測；數(shù)據(jù)充分時也可用于對定量預(yù)測的結(jié)果進行評價，定性與定量方法相結(jié)合可有效提高預(yù)測結(jié)果的可信度。定性分析多用經(jīng)驗調(diào)查法，如專家調(diào)查法、主觀概率法及相互影響分析法等。

第二，定量預(yù)測技術(shù)。定量預(yù)測的目的不僅僅是確定因果關(guān)系，而是確定影響程度。凡是屬于研究預(yù)測目標(biāo)的未來發(fā)展程度的分析方法與手段，都?xì)w類為定量預(yù)測范疇。定量分析多采用單方程回歸預(yù)測法。

第三，定時預(yù)測技術(shù)。定時預(yù)測是研究目標(biāo)與時間之間的關(guān)系，包括時間序列的發(fā)展趨勢、季節(jié)變化、周期變化和不規(guī)則變化，并同有經(jīng)驗的主觀判斷及假設(shè)相結(jié)合，尋求預(yù)測模型。凡是屬于研究預(yù)測目標(biāo)未來發(fā)展過程的分析方法與手段，都?xì)w類為定時預(yù)測范疇。定時分析多采用實際序列預(yù)測法，可進一步分為確定型時間序列預(yù)測法和隨機型時間序列預(yù)測法。

第四，定比預(yù)測技術(shù)。凡是屬于研究不同預(yù)測目標(biāo)之間的未來發(fā)展比例的分析方法與手段，都?xì)w類為定比預(yù)測，其特點是不同預(yù)測目標(biāo)之間互為因果。定比預(yù)測多采用多方程回歸法以及投入產(chǎn)出法。

第五，評價預(yù)測技術(shù)。預(yù)測評價可分為階段評價和總體評價。對預(yù)測目標(biāo)從各方面進行計算、分析與判斷以后，還必須對預(yù)測的可信程度進行評價。凡是屬于對預(yù)測結(jié)果進行評價的分析方法與手段，都?xì)w類為評價預(yù)測范疇。預(yù)測評價通常多采用經(jīng)驗調(diào)查法。

4 灌溉用水量預(yù)測方法及其特點分析

4.1 彭曼法

根據(jù)彭曼公式通過對作物蒸發(fā)蒸騰量的計算，再加上降雨量和田間滲漏量等因素對灌區(qū)用水量進行預(yù)測。這是目前灌溉用水量預(yù)測中采用的主要方法。這一方法需要大量的氣象資料，并充分掌握作物種植結(jié)構(gòu)、灌溉面積以及當(dāng)?shù)厮吹荣Y料，此外還需要與氣象預(yù)報結(jié)合。因此，在資料缺乏的地區(qū)，這一方法不太適用。

4.2 自回歸滑動平均法

自回歸滑動平均法是對自回歸模型和移動平均模型的綜合，它將預(yù)測對象隨時間變化形成的序列先加工成一個白噪聲序列進行處理，可對任何一個需水過程進行模擬，對時預(yù)測、日預(yù)測和年預(yù)測均有效，且預(yù)測速度快，能得到較高的預(yù)測精度。但該方法只能給出下一周期灌溉需水量的預(yù)測值，無法給出合理的誤差估計，具有預(yù)測周期短、所用數(shù)據(jù)單一的缺點，更適用于優(yōu)化控制的短期預(yù)測。此外，該方法存在著明顯的滯后性。

4.3 回歸分析法

回歸預(yù)測技術(shù)是一種應(yīng)用廣泛的基本預(yù)測技術(shù)。根據(jù)因果分析的思想，尋找預(yù)測對象與影響因素之間的因果關(guān)系，建立回歸模型進行預(yù)測，而且在系統(tǒng)發(fā)生較大變化時，也可以根據(jù)相應(yīng)變化因素修正預(yù)測值，同時對預(yù)測值的誤差也有一個大體的把握，因此適用于長期預(yù)測。而對于短期預(yù)測，由于需水量數(shù)據(jù)的影響因素復(fù)雜且影響因素未來值的準(zhǔn)確預(yù)測困難，故不宜采用。

4.4 指標(biāo)分析法

通過對用水系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)的綜合分析，制定出各種灌溉定額，然后根據(jù)灌溉定額和灌溉面積等的關(guān)系計算出遠(yuǎn)期用水量。該模型的評估結(jié)果較好，但實際應(yīng)用比較復(fù)雜，受稻田、旱地、菜田實灌面積資料的限制。但與回歸分析相比，其工作量要小得多。

4.5 灰色預(yù)測法

灰色系統(tǒng)理論自1982年問世以來，在理論和應(yīng)用方面都取得了顯著的成績。尤其是灰色動態(tài)模型GM（1，1），由于可用于定量分析與預(yù)測，被看作是灰色系統(tǒng)中的核心模型，該方法比較適于不確定發(fā)展規(guī)律而原始數(shù)據(jù)又無明顯趨勢的情形，并且預(yù)測范圍廣，對長、短期預(yù)測均可，且所需數(shù)據(jù)量不大，在數(shù)據(jù)缺乏時十分有效。

隨著預(yù)測精度的要求越來越高，非線性預(yù)測技術(shù)的應(yīng)用研究越來越深入。在非線性領(lǐng)域，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用現(xiàn)在越來越廣泛，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以其良好的非線性映射和良好的預(yù)測精度得到了眾多學(xué)者的重視，今后在灌溉用水預(yù)測領(lǐng)域，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)必將發(fā)揮更重要的作用。