運(yùn)城市參考作物需水量預(yù)測(cè)研究

郭志忠

（山西省汾河灌溉管理局一壩管理站）

運(yùn)城市參考作物需水量預(yù)測(cè)研究

郭志忠

（山西省汾河灌溉管理局一壩管理站）

作物需水量一般可以采用參考作物需水量法來(lái)進(jìn)行估算。以運(yùn)城市為例，根據(jù)多年參考作物需水量（ET0）歷史資料，在對(duì)其動(dòng)態(tài)變化特征分析的基礎(chǔ)上，分別構(gòu)建了兩種不依賴(lài)于氣象資料的簡(jiǎn)單季節(jié)模型和SIN-ET0經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。?duì)模型進(jìn)行率定和驗(yàn)證結(jié)果表明：平均相對(duì)誤差10.73%和11.13%，具有較為滿意的預(yù)測(cè)效果，可為當(dāng)?shù)氐膮⒖甲魑镄杷抗浪闾峁┯行Х椒ā?/p>

參考作物需水量 簡(jiǎn)單季節(jié)模型 SIN-ET0模型 預(yù)測(cè) 運(yùn)城市

作物需水量的定義具有多種表述方式，但都可歸結(jié)為有效耗水和無(wú)效耗水之和。參考作物系數(shù)法是計(jì)算作物需水量（ET0）最常見(jiàn)的方法之一，該方法的關(guān)鍵在于如何確定ET0和作物系數(shù)。作物系數(shù)通?？梢圆捎寐?lián)合國(guó)糧農(nóng)組織的推薦值；ET0采用計(jì)算獲取，一般采用Penman-Monteit公式法、人工智能方法和Hargreaves公式法等，但這些方法需要詳盡的氣象資料才能夠予以應(yīng)用。本項(xiàng)研究以運(yùn)城市為例，結(jié)合當(dāng)?shù)貐⒖甲魑镄杷繗v史資料，在對(duì)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)特征分析的基礎(chǔ)上，建立合理可行的ET0預(yù)測(cè)模型，旨在為ET0的估算提供一種有效方法。

1 市域簡(jiǎn)況

運(yùn)城市位于山西省最南部，與臨汾市和晉城市毗鄰，與河南省和陜西省隔黃河相望。受季風(fēng)活動(dòng)影響，屬暖溫帶大陸性氣候，年均氣溫13.3℃。多年平均降水量525 mm，冬春稀少，夏秋集中。運(yùn)城市屬中華農(nóng)耕文明的發(fā)源地，氣候條件適宜種植農(nóng)作物，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)歷史悠久，長(zhǎng)期以來(lái)一直是全省最為主要的糧棉產(chǎn)區(qū)。

2 時(shí)間序列模型介紹

時(shí)間序列是一種基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)的數(shù)據(jù)深度挖掘方法，旨在于深入揭示隨機(jī)時(shí)間序列的統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律。通常，在時(shí)間序列模擬研究中，指數(shù)平滑模型的使用最為常見(jiàn)。某一期的指數(shù)平滑值計(jì)算原理為：將前一期的指數(shù)平滑值與該期的樣本觀測(cè)值加權(quán)平均，并對(duì)權(quán)值進(jìn)行合理修正，從而可避免搖擺效應(yīng)的影響，最終獲得較為理想和較為平滑的時(shí)間序列。通常根據(jù)該時(shí)間序列是否具有季節(jié)性效應(yīng)，從而將模型劃分為非季節(jié)性和季節(jié)性?xún)纱箢?lèi)，兩大類(lèi)模型還能下分許多小類(lèi)，各種模型的特點(diǎn)及適用條件如表1所示。

表1 指數(shù)平滑模型分類(lèi)及其適用條件

3 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

本研究選取了1957-2012年運(yùn)城市逐月的參考作物需水量資料，數(shù)據(jù)主要來(lái)源于國(guó)家農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)共享中心。首先，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)和季節(jié)性趨勢(shì)的分析，并結(jié)合常見(jiàn)時(shí)間序列模型的特點(diǎn)，大致確定模型的基本類(lèi)型；然后，分別采用80%和20%的數(shù)據(jù)樣本對(duì)模型進(jìn)行率定和驗(yàn)證。其中，率定樣本為1957年1月至2001年10月的數(shù)據(jù)資料，共538組；驗(yàn)證樣本為2001年11月至2012年12月的數(shù)據(jù)資料，共134組。時(shí)間序列模擬和數(shù)據(jù)非線性擬合分別采用SPSS 19軟件和Matlab 2013b進(jìn)行。主要采用兩種統(tǒng)計(jì)學(xué)指標(biāo)（均方根誤差和平均相對(duì)誤差）對(duì)模型的預(yù)測(cè)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，計(jì)算公式如下：

式中：WL為參考作物需水量預(yù)測(cè)值，mm；WR為參考作物需水量實(shí)測(cè)值，mm。

4 結(jié)果與分析

4.1 參考作物需水量動(dòng)態(tài)變化特征分析

圖1 參考作物需水量動(dòng)態(tài)變化過(guò)程

圖1為1957-2012年運(yùn)城市參考作物需水量（ET0）動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。由圖1（a）可知，該區(qū)域參考作物需水量隨時(shí)間呈現(xiàn)鋸齒狀的波動(dòng)趨勢(shì)，波動(dòng)范圍介于0.63-6.37 mm之間，參考作物需水量的多年均值為2.79 mm。由圖1（a）還可以看出，參考作物需水量在固定區(qū)間內(nèi)呈現(xiàn)往復(fù)波動(dòng)，但整體上并無(wú)單調(diào)遞增或衰減的變化趨勢(shì)。由于參考作物需水量變化存在一定的周期性特征，因此只選取2002年與2003年為代表，對(duì)作物需水量的年內(nèi)變化特征進(jìn)行分析。由圖1（b）可以看出，參考作物需水量隨時(shí)間呈現(xiàn)先逐漸增大然后逐漸減小的變化趨勢(shì)，并且每年都在6月左右出現(xiàn)極大值。綜上來(lái)看，ET0并沒(méi)有明顯的趨勢(shì)性，并且季節(jié)性影響能夠隨時(shí)間變動(dòng)而保持恒定，說(shuō)明運(yùn)城市的ET0動(dòng)態(tài)變化過(guò)程能夠采用簡(jiǎn)單季節(jié)模型來(lái)進(jìn)行描述。此外，由圖1還可以看出，該動(dòng)態(tài)變化過(guò)程近似于周期性的正弦函數(shù)。因此，ET0還可以采用周期性的正弦經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行描述。

4.2 參考作物需水量模擬研究

由于研究區(qū)域參考作物需水量的無(wú)趨勢(shì)性和季節(jié)性，本文采用簡(jiǎn)單季節(jié)模型對(duì)其動(dòng)態(tài)變化過(guò)程進(jìn)行描述。簡(jiǎn)單季節(jié)模型的精度好壞，主要取決于水平參數(shù)和季節(jié)參數(shù)的取值是否合理。首先，采用80%數(shù)據(jù)樣本對(duì)該模型的參數(shù)進(jìn)行率定，結(jié)果表明水平參數(shù)為0.099，季節(jié)參數(shù)為4.731E-6；然后，從模型預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值的線性一致性、MAPE值和RMSE值三個(gè)方面對(duì)模型的率定效果進(jìn)行合理評(píng)價(jià)。圖2為簡(jiǎn)單季節(jié)模型預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值間的線性關(guān)系。由圖2可知，對(duì)于率定組樣本，兩者所構(gòu)成的線性擬合模型的斜率為0.90，說(shuō)明兩者之間具有較好的一致性。經(jīng)計(jì)算，它們兩者間的平均相對(duì)誤差和均方根誤差分別為12.85%和0.44，說(shuō)明簡(jiǎn)單季節(jié)模型的率定效果基本滿意，可用于當(dāng)?shù)貐⒖甲魑镎舭l(fā)蒸騰量的預(yù)測(cè)。將134組驗(yàn)證集樣本帶入訓(xùn)練好的簡(jiǎn)單季節(jié)模型，便可得到驗(yàn)證集的預(yù)測(cè)值。由圖2可以看出，對(duì)于驗(yàn)證組樣本，兩者所構(gòu)成的線性擬合模型的斜率為1.02。驗(yàn)證集樣本預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的MAPE和RMSE分別為10.73%和0.35。說(shuō)明采用簡(jiǎn)單季節(jié)模型進(jìn)行ET0的預(yù)測(cè)可以取得較為滿意的效果。

圖2 簡(jiǎn)單季節(jié)模型預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值間的線性關(guān)系

同時(shí)，還研究構(gòu)建了ET0計(jì)算經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，如式?）所示。

式中：ET0為參考作物需水量，mm；a、b、c和d均為模型系數(shù)。

同樣選取1957年1月至2001年10月的數(shù)據(jù)資料對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化率定，結(jié)果如表2所示。圖3為SINET0經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷念A(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值間的線性關(guān)系。對(duì)于率定組樣本，兩者所構(gòu)成的線性擬合模型的斜率為0.89，說(shuō)明兩者具有較好的一致性。經(jīng)計(jì)算，率定組樣本實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值間的平均相對(duì)誤差和均方根誤差分別為13.4%和0.47，說(shuō)明模型率定基本符合精度要求。對(duì)于驗(yàn)證組樣本，預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值之間具有較好的一致性（線性方程斜率為1.00）和較小的誤差（MAPE=11.13%，RMSE=0.38），說(shuō)明該模型取得了較為滿意的預(yù)測(cè)效果。

圖3 SIN-ET0經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ皖A(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值間的線性關(guān)系

表2 SIN-ET0經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)

將簡(jiǎn)單季節(jié)模型與SIN-ET0模型進(jìn)行對(duì)比分析，可知簡(jiǎn)單季節(jié)模型的誤差更小，預(yù)測(cè)精度更高，但優(yōu)勢(shì)并不是非常明顯。比較圖2和圖3可以發(fā)現(xiàn)，在較高參考作物需水量范圍時(shí)（ET0＞5），兩種模型的預(yù)測(cè)效果均較差，預(yù)測(cè)結(jié)果偏小。由此也可以說(shuō)明，這兩種模型的適用范圍為0 mm＜ET0＜5 mm。對(duì)于兩種模型存在的缺陷，是下一步有待深入研究的方向之一。

5 結(jié)論

（1）運(yùn)城市的參考作物需水量在年際間呈現(xiàn)鋸齒狀的波動(dòng)趨勢(shì)，在年內(nèi)呈現(xiàn)先逐漸增大然后逐漸減小的變化趨勢(shì)。

（2）運(yùn)城市的參考作物需水量可采用簡(jiǎn)單季節(jié)模型進(jìn)行描述，該模型的平均相對(duì)誤差為10.73%，預(yù)測(cè)效果較為滿意。

（3）SIN-ET0模型的平均相對(duì)誤差為11.13%，預(yù)測(cè)精度較好，也可用于運(yùn)城市參考作物需水量的預(yù)測(cè)。

（4）相對(duì)SIN-ET0模型，簡(jiǎn)單季節(jié)模型的預(yù)測(cè)效果略?xún)?yōu)。兩種模型的適用范圍為0 mm＜ET0＜5 mm。

[1]陳玉民.中國(guó)主要作物需水量與灌溉[M].北京：水利電力出版社，1995.

[2]ALIENRG，PEREIRALS，RAESD,et al.Crop evapotranspiration guidelines for computing crop water requirements.FAO irrigation and drainage paper 56[M].Rome,Italy：FAO，1998.

[3]徐俊增，彭世彰，張瑞美，等.基于氣象預(yù)報(bào)的參考作物蒸發(fā)蒸騰量的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型 [J].水利學(xué)報(bào)，2006（3）：376-379.

[4]趙 永，蔡煥杰，王 健，等.Hargreaves計(jì)算參考作物蒸發(fā)蒸騰量公式經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的確定[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2004（4）：44-47.

[5]王 宇，邵孝侯，李玉華.參考作物需水量實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)方法研究進(jìn)展[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008，36（3）：13 919-13 920.

S311

A

1008-0120（2017）02-0016-03

2017-05-18

郭志忠（1973-）：男，工程師；通訊地址：太原市上蘭街辦汾泉路1號(hào)，030051。