遼寧中部平原灌區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力計(jì)算研究

賈玉娟

(遼寧省水文局，遼寧 沈陽(yáng) 110003)

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)用水量占水資源總量的比重較高。近年來(lái)，農(nóng)業(yè)用水與工業(yè)、生活及生態(tài)用水之間的矛盾日益突出。如何在有限的水資源條件下，提高農(nóng)業(yè)用水的資源優(yōu)化率，是解決用水矛盾的一種有效途徑。農(nóng)業(yè)節(jié)水規(guī)劃是提高農(nóng)業(yè)用水資源率的有效方法。為此國(guó)內(nèi)許多學(xué)者展開(kāi)農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力的相關(guān)研究[1- 6]，但這些成果大都采用線(xiàn)性預(yù)測(cè)的方式對(duì)未來(lái)農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力進(jìn)行計(jì)算，而農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力影響因素較多，且各要素和農(nóng)業(yè)節(jié)水量之間存在非線(xiàn)性變化關(guān)系，為此需要結(jié)合非線(xiàn)性模型來(lái)實(shí)現(xiàn)區(qū)域農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力的計(jì)算。當(dāng)前，具有非線(xiàn)性結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的Elman模型在工業(yè)節(jié)水潛力的分析計(jì)算中得到一定程度的應(yīng)用[7- 9]，但在農(nóng)業(yè)節(jié)水計(jì)算中應(yīng)用還不多見(jiàn)，其次傳統(tǒng)的Elman模型在模型樣本訓(xùn)練誤差和求解泛化能力上都存在一定的局限。為此本文引入改進(jìn)的Elman模型對(duì)遼寧中部平原灌區(qū)的農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力進(jìn)行計(jì)算。

1 改進(jìn)的Elman模型計(jì)算原理

Elman模型主要為動(dòng)態(tài)遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，模型結(jié)合精度擬合的非線(xiàn)性映射原理對(duì)變量進(jìn)行預(yù)測(cè)，其非線(xiàn)性映射各空間狀態(tài)變量的表達(dá)方程為：

y(k)=g(ω2x(k))

(1)

式中，y—各節(jié)點(diǎn)m的狀態(tài)輸出向量；x—中間節(jié)點(diǎn)單元的輸入向量；ω2—輸入變量與中間變量之間的權(quán)重值；k—變量的中間狀態(tài)。Elman模型對(duì)中間狀態(tài)輸入量進(jìn)行轉(zhuǎn)換計(jì)算，計(jì)算方程為：

x(k)=f(ω1xc(k)+ω2(μ(k-1)))

(2)

式中，ω2—輸出變量與中間變量之間的權(quán)重值；μ—輸入中間狀態(tài)變量；xc—中間遞推狀態(tài)變量，其遞推計(jì)算方程為：

xc(k)=x(k-1)

(3)

改進(jìn)的Elman模型結(jié)合誤差平方和函數(shù)對(duì)學(xué)習(xí)指標(biāo)進(jìn)行修正，計(jì)算方程為：

(4)

在具體計(jì)算時(shí)，改進(jìn)的Elman模型計(jì)算每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的概率，并對(duì)各概率值進(jìn)行排序，計(jì)算方程為：

(5)

式中，fi—評(píng)價(jià)個(gè)體的適配指標(biāo)值，該指標(biāo)值結(jié)合誤差平方和f來(lái)進(jìn)行衡量，計(jì)算方程為：

f=1/Ei

(6)

式中，Ei—誤差平方和函數(shù)值，其計(jì)算表達(dá)式為：

(7)

式中，γo—實(shí)際的樣本輸出變量；o—訓(xùn)練樣本的個(gè)數(shù)；i—訓(xùn)練指標(biāo)的個(gè)數(shù)。

2 模型應(yīng)用

2.1 區(qū)域概況

本文以遼寧中部平原5個(gè)灌區(qū)為研究實(shí)例，各灌區(qū)主要種植的農(nóng)作物為水稻和玉米，各灌區(qū)主要農(nóng)作物需水量見(jiàn)表1。水稻種植時(shí)間為4—8月，灌區(qū)水稻作物需水量均值為551.7mm，耗水系數(shù)在0.84～1.24之間。玉米耕種時(shí)間為7—9月份，各灌區(qū)玉米作物的需水量均值為420.1mm，耗水系數(shù)在0.73～1.21之間。遼寧中部平原區(qū)降水主要集中在6—9月份，平均降水量可達(dá)到200～300mm。

表1 各灌區(qū)作物主要需水量

2.2 不同模型求解精度對(duì)比

為對(duì)比改進(jìn)前后Elman模型的計(jì)算精度，結(jié)合隨機(jī)抽樣隨機(jī)數(shù)的方法，分別對(duì)模型的三項(xiàng)精度評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分析，分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表2中MSE主要表征模型計(jì)算的泛化能力，從對(duì)比分析結(jié)果可以看出，相比于傳統(tǒng)模型，改進(jìn)的Elman模型的均方差都有明顯減少，各分量的均方差的均值減少2.14，而MAPE和MSPE主要表征模型非線(xiàn)性的動(dòng)態(tài)計(jì)算性能指標(biāo)，從對(duì)比結(jié)果也可以看出，改進(jìn)的Elman模型較傳統(tǒng)模型都有較為明顯的改善，其中絕對(duì)百分比誤差MAPE均值減少

0.135，均方百分比誤差MSPE均值減少0.245，這主要是因?yàn)楦倪M(jìn)的Elman模型減少了訓(xùn)練樣本的計(jì)算誤差，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)遞歸計(jì)算模型，優(yōu)化了模型計(jì)算的收斂精度，使得模型的泛化能力和動(dòng)態(tài)計(jì)算性能均得到較為明顯的改善。

2.3 主要作物的凈灌溉水量計(jì)算

計(jì)算灌區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力，需要對(duì)灌區(qū)的凈灌溉量計(jì)算，本文結(jié)合作物灌溉需水計(jì)算方法，對(duì)灌區(qū)各主要農(nóng)作物的凈灌溉量進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

從表3中可以看出，各灌區(qū)主要灌溉降水量均值在89.2～145.3mm，玉米生長(zhǎng)種植期間，灌溉降水量要大于水稻生長(zhǎng)期的灌溉降水量。由于玉米的降水量要大于水稻，使得玉米在生長(zhǎng)期降水利用系數(shù)要大于水稻的降水利用系數(shù)，各灌區(qū)主要的降水利用系數(shù)在0.63～0.94之間。但水稻在生長(zhǎng)期由于需要灌溉大量的水量，其凈灌溉量明顯大于玉米，水稻的凈灌溉量在243.9～383.7mm之間。

2.4 各灌區(qū)節(jié)水效率系數(shù)測(cè)算結(jié)果

在計(jì)算各灌區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力前，需要對(duì)各灌區(qū)節(jié)水效率系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，本文結(jié)合改進(jìn)的Elman模型，對(duì)灌區(qū)現(xiàn)狀年份節(jié)水效率系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)遠(yuǎn)景年的節(jié)水效率系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4及圖1。

從表3中可以看出，各灌區(qū)節(jié)水效率系數(shù)逐年遞增，這主要是因?yàn)檫|寧中部平原區(qū)從2006年開(kāi)始逐步加大農(nóng)業(yè)節(jié)水措施的力度，使得各灌區(qū)節(jié)水效率系數(shù)逐年增加，這也可以從圖1中現(xiàn)狀年各年份節(jié)水效率系數(shù)計(jì)算效果看出。近些年來(lái)，隨著遼寧中部節(jié)水增糧項(xiàng)目的實(shí)施，各灌區(qū)節(jié)水效率系數(shù)也有較為明顯的增加。從表中可以看出，現(xiàn)狀年2006—2016年，各灌區(qū)的節(jié)水效率系數(shù)在0.3345～0.7134之間。而在遠(yuǎn)景年結(jié)合區(qū)域農(nóng)業(yè)節(jié)水規(guī)劃，區(qū)域的節(jié)水效率系數(shù)也將逐年遞增，從圖1中遠(yuǎn)景年份節(jié)水效率變化過(guò)程可看出，節(jié)水效率遞增幅度也逐年增大，從表3中可以看出經(jīng)過(guò)改進(jìn)的Elman模型計(jì)算從2025—2035年，遼寧中部平原區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水效率系數(shù)將從0.5315增加到0.7543，從而保障農(nóng)業(yè)用水的可持續(xù)利用。

表2 不同模型樣本計(jì)算精度對(duì)比結(jié)果

注：MSE表示為均方差；MAPE表示為絕對(duì)百分比誤差；MSPE表示為均方百分比誤差。

表3 各灌區(qū)凈灌溉量計(jì)算結(jié)果

表4 灌區(qū)節(jié)水效率系數(shù)測(cè)算結(jié)果

圖1 現(xiàn)狀年份和遠(yuǎn)景年份節(jié)水效率系數(shù)計(jì)算結(jié)果

2.5 各灌區(qū)節(jié)水潛力計(jì)算結(jié)果

在各灌區(qū)節(jié)水效率系數(shù)計(jì)算的基礎(chǔ)上，結(jié)合改進(jìn)的Elman模型對(duì)各灌區(qū)節(jié)水潛力進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 各灌區(qū)節(jié)水潛力計(jì)算結(jié)果

從表5中可以看出，各灌區(qū)現(xiàn)狀年灌溉水量總體在0.529億～0.943億m3之間，中部平原區(qū)灌區(qū)總的現(xiàn)狀灌溉水量達(dá)到3.878億m3，到2025年的遠(yuǎn)景年份，其灌溉水量遞減到3.281億m3，節(jié)水潛力達(dá)到5.97，各灌區(qū)的節(jié)水潛力在1.03～1.42之間，節(jié)水潛力較高。而到2035年，隨著區(qū)域農(nóng)業(yè)節(jié)水規(guī)劃的逐步實(shí)施，區(qū)域的灌溉水量相比于現(xiàn)狀年，將遞減0.93億m3，節(jié)水潛力將從2025年的5.97逐步增加到9.30億m3。

3 結(jié)論

本文結(jié)合改進(jìn)的Elman模型對(duì)遼寧中部平原灌區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)論如下：

(1)相比于傳統(tǒng)Elman模型，模型在隨機(jī)抽樣樣本計(jì)算的均方差MSE減少2.14，絕對(duì)百分比誤差MAPE均值減少0.135，均方百分比誤差MSPE均值減少0.245，改進(jìn)的Elman模型較傳統(tǒng)模型在泛化能力和動(dòng)態(tài)計(jì)算性能上均有較為明顯的改善；

(2)遼寧中部平原區(qū)節(jié)水效率系數(shù)逐年遞增，遞增幅度逐步加大，現(xiàn)狀年節(jié)水效率系數(shù)在0.3345～0.7134之間，節(jié)水措施效果較為明顯，而在遠(yuǎn)景年，其節(jié)水效率系數(shù)將從0.5315增加到0.7543，可保障農(nóng)業(yè)用水的可持續(xù)利用；

(3)2025年，遼寧中部平原各灌區(qū)的節(jié)水潛力在0.103m3～0.142億m3之間，節(jié)水潛力較高，到2035年，其節(jié)水潛力總體可達(dá)到0.93億m3。