灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水測(cè)算方法研究

王 磊,趙自陽,王中根,李建新,王紅瑞

(1.浙江省水資源管理中心,杭州 310009;2.北京師范大學(xué) 水科學(xué)研究院,北京 100875;3.中國(guó)科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所,北京 100101;4水利部海河水利委員會(huì),天津 300181)

隨著改革開放以來40多年的建設(shè),我國(guó)的發(fā)展日新月異,但同時(shí)使得水資源面臨的問題愈加復(fù)雜,為了實(shí)現(xiàn)我國(guó)水資源的可持續(xù)利用,國(guó)務(wù)院辦公廳于2013年印發(fā)了《實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度考核辦法的通知》,發(fā)布了用水總量、用水效率和水功能區(qū)限制納污“三條紅線”[1]。我國(guó)作為一個(gè)傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國(guó),農(nóng)業(yè)用水一直是用水大戶,占到全國(guó)用水總量的60%以上。農(nóng)業(yè)灌溉用水總量的合理測(cè)算不僅是落實(shí)最嚴(yán)格水資源管理制度的要求,而且是社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的基本保障;不僅對(duì)于解決我國(guó)農(nóng)業(yè)用水矛盾非常重要,而且是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的必由之路[2-3]。基于此,本文對(duì)灌區(qū)的農(nóng)業(yè)用水測(cè)算方法進(jìn)行了詳細(xì)具體的分析和研究,總結(jié)了在灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水中常用的兩類測(cè)算模型,以期為不同灌區(qū)的農(nóng)業(yè)用水管理提供一定的技術(shù)和理論支持。

1 灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水測(cè)算方法概述

灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水的測(cè)算一般可分為2類方法:一是基于水循環(huán)過程的物理模型方法;二是基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析方法。這2類方法各有利弊,未來發(fā)展趨勢(shì)是將統(tǒng)計(jì)分析與物理成因分析相結(jié)合,遙感反演與常規(guī)監(jiān)測(cè)相結(jié)合,基于高性能計(jì)算與大數(shù)據(jù)挖掘,開展灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水測(cè)算。

1.1 基于水循環(huán)過程的物理模型方法

針對(duì)降水豐沛、灌區(qū)情況復(fù)雜,進(jìn)水出水口較多,作物種類多樣,甚至灌區(qū)中存在河道、水庫(kù)、山塘以及工業(yè)生活生態(tài)用水等各種情況的地區(qū),一般可采用構(gòu)建具有一定水循環(huán)物理機(jī)制的模型,開展農(nóng)業(yè)灌溉用水量的測(cè)算。目前,比較常用的是美國(guó)農(nóng)業(yè)部開發(fā)的SWAT模型。模型的作用主要用于將點(diǎn)(國(guó)控農(nóng)業(yè)用水監(jiān)控點(diǎn))的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),轉(zhuǎn)化為面的數(shù)據(jù),結(jié)合耕地的數(shù)據(jù),可以得到“農(nóng)業(yè)用水總量”,從而為“最嚴(yán)格水資源考核”提供數(shù)據(jù)的支持[4]。

1.2 基于檢測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析方法

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)用水基本上采用灌溉定額(或調(diào)查定額)與統(tǒng)計(jì)的灌溉面積推算而得。該方法直接從最基層開始統(tǒng)計(jì),層層匯總上報(bào),導(dǎo)致工作精度與時(shí)間難以控制[3]。長(zhǎng)期以來,傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)用水基本上是估算數(shù),與實(shí)際用水情況有較大出入。目前需要發(fā)展具有數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的“科學(xué)”統(tǒng)計(jì)方法。其中,抽樣統(tǒng)計(jì)是經(jīng)過嚴(yán)密的數(shù)學(xué)分析與論證的一種有效手段?？梢酝ㄟ^抽取一定的樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,得出相對(duì)精確的結(jié)論。抽樣調(diào)查的周期短、時(shí)效性強(qiáng),作為普查的補(bǔ)充,可用來評(píng)價(jià)和修正普查結(jié)果[5]。

2 基于SWAT模型的農(nóng)業(yè)用水測(cè)算方法

SWAT(soil and water assessment tool) 模型的物理機(jī)制很強(qiáng),是一種分布式的流域尺度的水文模型。它的時(shí)間步長(zhǎng)以日為單位,優(yōu)點(diǎn)是可以長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)的模擬。它的模擬不僅包括流域的水文過程、水土流失等,還可以預(yù)測(cè)未來人類活動(dòng)、氣候變化、土壤狀況、土地利用等改變對(duì)這些過程的具體影響。在幾十年的實(shí)踐過程中,SWAT模型已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外得到了各行各業(yè)專家的認(rèn)同,有關(guān)的研究成果也非常豐富,這也說明了SWAT模型重要的實(shí)用性[6-7]。

2.1 灌區(qū)SWAT模型構(gòu)建

SWAT模型在模擬流域水文過程的時(shí)候可以分為兩個(gè)部分,一是陸面部分,二是水面部分。陸面部分主要指的是產(chǎn)流和坡面匯流,水面部分主要指的是河網(wǎng)匯流[8-9]。陸面部分主要控制的是每個(gè)子流域的產(chǎn)流和匯流過程中在水、沙、各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和化學(xué)物質(zhì)等的全部的輸入量;水面部分則是上述種種物質(zhì)向流域出口的運(yùn)移過程。在SWAT的研究過程中,一般在所有的結(jié)構(gòu)單元上都會(huì)建立相對(duì)的水文過程模型(圖1),從而對(duì)產(chǎn)流和坡面匯流進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算,最終將匯流網(wǎng)絡(luò)整體的緊密聯(lián)系在一起。

在水文徑流過程和化學(xué)物質(zhì)等演算控制過程中,SWAT采取的方法和HYMO模型非常的類似(圖2)。主要就是通過一個(gè)個(gè)子流域的命令,將統(tǒng)計(jì)得到的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和模擬計(jì)算得到的模擬值進(jìn)行一定的對(duì)比,并且在這個(gè)過程中,通過輸入相關(guān)的指令,接受其他模型的相關(guān)值;同時(shí)經(jīng)過命令的轉(zhuǎn)移,就可以把一個(gè)子流域的相關(guān)結(jié)果轉(zhuǎn)移到另一個(gè)子流域中[10]。

2.2 灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水模型系統(tǒng)

1)系統(tǒng)總體框架

農(nóng)業(yè)用水模型系統(tǒng)是基于SWAT(soil and water assessment tool)開發(fā)適合農(nóng)業(yè)灌溉用水的快速評(píng)價(jià)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖3所示。主要包括灌溉規(guī)劃管理和快速評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)管理兩大部分,可在功能上滿足農(nóng)業(yè)灌溉規(guī)劃和動(dòng)態(tài)灌溉管理的需求[11]。

2)情景模擬與方案優(yōu)化

灌溉規(guī)劃管理子系統(tǒng)側(cè)重于對(duì)灌溉方案進(jìn)行優(yōu)化,系統(tǒng)可根據(jù)歷史數(shù)據(jù)資料對(duì)嵌入的SWAT模型參數(shù)進(jìn)行率定和驗(yàn)證;可分不同情景(不同灌溉水量、不同灌溉時(shí)間、不同灌溉次數(shù)、不同灌溉措施等)對(duì)區(qū)域年灌溉情況進(jìn)行模擬;還可以分析灌溉用水量、作物蒸發(fā)蒸騰量、作物水分脅迫系數(shù)、作物葉面指數(shù)等指標(biāo),根據(jù)作物產(chǎn)量及綜合經(jīng)濟(jì)效益,確定最佳灌溉方案,對(duì)已有灌溉方案優(yōu)化提供參考依據(jù)[12]。

灌溉規(guī)劃管理子系統(tǒng)基于SWAT模型構(gòu)建,它主要是在結(jié)合農(nóng)業(yè)土壤含水量和農(nóng)業(yè)灌溉信息的基礎(chǔ)之上,分析不同的灌溉方案和管理措施等情景下,農(nóng)業(yè)中作物的耗水量、產(chǎn)量和水分生產(chǎn)效率等[13]。從而對(duì)于區(qū)域的農(nóng)業(yè)灌溉策略優(yōu)化和制定最佳農(nóng)業(yè)灌溉制度提供一定的技術(shù)和理論支持。該系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程共包含6個(gè)子模塊(圖5)。

3)農(nóng)業(yè)用水估算

快速評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)管理子系統(tǒng)側(cè)重于對(duì)灌溉活動(dòng)進(jìn)行快速評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)[14]。系統(tǒng)可根據(jù)灌溉區(qū)域的當(dāng)前天氣狀況以及未來降水、氣溫的預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)和當(dāng)前土壤墑情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),以及土壤類型、作物葉面積指標(biāo),對(duì)目標(biāo)區(qū)域作物耗水量和土壤墑情進(jìn)行模擬預(yù)測(cè);根據(jù)土壤水分平衡原理,結(jié)合土壤墑情預(yù)報(bào)值、作物耗水量,確定灌溉區(qū)域灌溉需水量、灌溉時(shí)間,為動(dòng)態(tài)灌溉決策提供數(shù)據(jù)支撐[15]。

農(nóng)業(yè)用水快速評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)子系統(tǒng)是基于灌溉用水過程的復(fù)雜性和實(shí)時(shí)性,結(jié)合目標(biāo)區(qū)域的具體情況,開發(fā)灌區(qū)動(dòng)態(tài)灌溉管理決策輔助系統(tǒng)(如圖6),共包含6個(gè)功能模塊,如圖7所示。該子系統(tǒng)具有人機(jī)交互數(shù)據(jù)錄入、查詢、結(jié)果展示功能,具有較強(qiáng)的可視化定量分析功能,能夠?yàn)楣鄥^(qū)管理提供灌溉模式優(yōu)選和水資源優(yōu)化分配的決策支持,為用戶指定精細(xì)灌溉的作業(yè)方案。

圖2 SWAT模型運(yùn)行命令控制圖Fig.2 The running command cohtrol diagram of SWAT model

圖3 系統(tǒng)總體框架圖Fig.3 The system framework diagram

圖4 灌溉規(guī)劃管理子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 The subsystem structure diagram of irrigation planning management

圖5 灌溉規(guī)劃管理子系統(tǒng)主要模塊Fig.5 The main module of irrigation planning management subsystem

圖6 農(nóng)業(yè)用水評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.6 The subsystem structure diagram of agricultural water evaluation and prediction

圖7 農(nóng)業(yè)用水快速評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)子系統(tǒng)主要模塊Fig.7 The main module of agricultural water evaluation and prediction

3 基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析方法

本次研究主要探討了傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)分析方法(如,主成分分析法、聚類分析法和回歸統(tǒng)計(jì)模型法等)與抽樣統(tǒng)計(jì)分析方法,及其在農(nóng)業(yè)用水測(cè)算應(yīng)用。

3.1 傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)方法概述

1)傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)方法對(duì)比

目前常用的統(tǒng)計(jì)分析方法包括主成分分析法、聚類分析法和回歸統(tǒng)計(jì)模型法等。其中主成分分析主要是通過降維的思想將多個(gè)變量變?yōu)樯贁?shù)幾個(gè)可以代表原始變量信息的統(tǒng)計(jì)方法。聚類分析是根據(jù)待分類模式特征的相似或者相異程度將數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行分組,從而使得同一組的數(shù)據(jù)盡可能相似,不同組的數(shù)據(jù)盡可能相異,其目的是進(jìn)行數(shù)據(jù)分類而不是預(yù)測(cè)。

回歸統(tǒng)計(jì)模型是根據(jù)兩種或者兩種以上變量間相互依賴的定量關(guān)系,通過對(duì)一組觀察值使用最小二乘法進(jìn)行直線擬合來實(shí)現(xiàn)線性回歸分析,其功能是分析單個(gè)因變量是如何受一個(gè)或者多個(gè)自變量數(shù)據(jù)的影響。通過上述三個(gè)統(tǒng)計(jì)方法的對(duì)比分析可知,回歸統(tǒng)計(jì)模型更適用于分析單一因變量與多個(gè)自變量之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系,與農(nóng)業(yè)灌溉用水量統(tǒng)計(jì)要求較為相符。

2)多元線性回歸方法

多元線性回歸方法是在統(tǒng)計(jì)學(xué)領(lǐng)域經(jīng)常使用的一種重要方法,不僅在生產(chǎn)實(shí)際中,而且在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中都有著非常廣泛的應(yīng)用。它主要是通過研究多個(gè)隨機(jī)變量之間的內(nèi)在關(guān)系來表示數(shù)據(jù)樣本的整體特征。

3.2 抽樣統(tǒng)計(jì)分析方法——整群與分層抽樣方法

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)用水基本上采用灌溉定額(或調(diào)查定額)與統(tǒng)計(jì)的灌溉面積推算而得。該方法工作量大,組織難度大。需要直接從最基層開始統(tǒng)計(jì),動(dòng)員大量的人力物力,因?yàn)槠浣y(tǒng)計(jì)必須從最基層開始,層層匯總上報(bào),導(dǎo)致工作精度與時(shí)間難以控制。長(zhǎng)期以來,傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)用水基本上是估算數(shù),與實(shí)際用水情況有較大出入,在許多地區(qū)或應(yīng)用中也證實(shí)了這一點(diǎn)。由于缺乏一定數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的估算,農(nóng)業(yè)用水?dāng)?shù)據(jù)的精度(置信度與誤差范圍)也不得而知。嚴(yán)格地講,任何數(shù)據(jù)如果沒有置信度與誤差范圍,該數(shù)據(jù)就是存疑的,因此農(nóng)業(yè)用水量或者畝均灌溉水量數(shù)據(jù)被嚴(yán)重質(zhì)疑的。

圖8 多元回歸分析流程圖Fig.8 The flow diagram of multiple regression analysis

因此,具有數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的“科學(xué)”統(tǒng)計(jì)方法就顯得尤其重要。抽樣統(tǒng)計(jì)是經(jīng)過嚴(yán)密的數(shù)學(xué)分析與論證的一種有效手段?？梢酝ㄟ^抽取一定的樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,得出相對(duì)精確的結(jié)論。如在農(nóng)業(yè)用水統(tǒng)計(jì)中,如果采用抽樣統(tǒng)計(jì)方法,按其規(guī)定的步驟進(jìn)行抽樣與分析,其得出的結(jié)果則顯然有強(qiáng)大的、無可辯駁的權(quán)威性。相對(duì)而言,抽樣調(diào)查的周期短、時(shí)效性強(qiáng),并且抽樣調(diào)查能提高調(diào)查的質(zhì)量,作為普查的補(bǔ)充,也可用來評(píng)價(jià)和修正普查結(jié)果。

整群抽樣又稱為聚類隨機(jī)抽樣或者集體隨機(jī)抽樣,它主要是從整體的海量數(shù)據(jù)中抽取隨機(jī)的一小部分樣本,然后將抽取的這一小部分樣本作為調(diào)查研究的一個(gè)群體。分層抽樣則主要是分為兩個(gè)步驟,首先是將所有的樣本按照默寫規(guī)則分為若干個(gè)部分,其次是在這些部分中再采用簡(jiǎn)單隨機(jī)抽樣或者是系統(tǒng)抽樣進(jìn)行子樣本的抽取,最終將所有的子樣本放在一起就構(gòu)成了分層抽樣之后的樣本。針對(duì)農(nóng)業(yè)用水量統(tǒng)計(jì)而言,我們可以先按水利部《用水總量統(tǒng)計(jì)方案(試行)》規(guī)定將農(nóng)業(yè)用水劃分為農(nóng)田、林果地、草地、魚塘和畜禽五個(gè)群,開展整群抽樣。然后再在每個(gè)群中根據(jù)土壤類型,如砂壤、紅壤、水稻土等等,地形如山區(qū)、丘陵、平原等,以及植被類型,如水稻、玉米、小麥等等進(jìn)行分層抽樣。

分層抽樣的總體思路是按照每一個(gè)小群(例如,農(nóng)田)中的分異規(guī)律將群進(jìn)行分層劃分;然后利用最小二乘法估計(jì)最小的樣本量,同時(shí)將按照相同的比例將樣本分別分配到每一層,最終分別利用聯(lián)合比估計(jì)和分別比估計(jì)進(jìn)行整體的回歸估計(jì)。最后用國(guó)控農(nóng)業(yè)用水監(jiān)控點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸估計(jì)的精度評(píng)估。

一般情況下,總體樣本的分層數(shù)越多,抽樣的精度便會(huì)越高,但要注意的是抽樣方差的減小和分層數(shù)的平方是呈現(xiàn)反比關(guān)系的。在分層抽樣過程中,必須要求最少有兩個(gè)樣本層,最多不能超過總樣本量的一般。但在研究過程中發(fā)現(xiàn),當(dāng)抽樣的層數(shù)大于6時(shí),方差的下降幅度便會(huì)大幅變慢。所以經(jīng)過理論和實(shí)踐的研究,一般情況下分層數(shù)不超過6層?？蛇x擇將以每一個(gè)小群(例如,農(nóng)田)中的分異規(guī)律來確定分層標(biāo)志,分層界限確定采用累計(jì)頻數(shù)直方圖法。

4 結(jié) 論

農(nóng)業(yè)灌溉用水總量的合理測(cè)算不僅是落實(shí)最嚴(yán)格水資源管理制度的要求,而且是社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的基本保障;不僅有利于解決我國(guó)水農(nóng)業(yè)水資源的突出矛盾,而且可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展。針對(duì)我國(guó)灌區(qū)數(shù)量多以及類型復(fù)雜的特點(diǎn),本文將灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水的測(cè)算分為2類,基于水循環(huán)過程的物理模型方法和基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析方法。其中將物理模型方法以SWAT為例,主要分析了SWAT模型的構(gòu)建和農(nóng)業(yè)用水模型系統(tǒng);統(tǒng)計(jì)分析方法主要分析了多元回歸分析模型與抽樣統(tǒng)計(jì)分析方法。