基于灰色系統(tǒng)模型的新疆奇臺(tái)縣農(nóng)業(yè)供需水量預(yù)測(cè)及其平衡分析

常春華，熊黑鋼，魯魁鋒

（1.新疆地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第九地質(zhì)大隊(duì)，新疆烏魯木齊830009；2.北京聯(lián)合大學(xué)應(yīng)用文理學(xué)院，北京100191；3.新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆烏魯木齊830046）

干旱區(qū)所面臨的人口、資源、環(huán)境問題都與水資源密切相關(guān)。一般干旱半干旱區(qū)農(nóng)業(yè)用水是其最主要的用水大戶，而且水資源供需矛盾日趨突出。愈來愈多的學(xué)者對(duì)農(nóng)業(yè)需水量進(jìn)行了深入的研究，包括主要農(nóng)作物的需水量、節(jié)水灌溉、氣候變化對(duì)農(nóng)作物需水的影響等[1-6]。

新疆奇臺(tái)縣供水量較少，而用水量偏大，農(nóng)業(yè)水資源利用率不高。隨著農(nóng)田面積的不斷擴(kuò)大，現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)水資源量不能滿足農(nóng)業(yè)灌溉需求，供需矛盾突出。同時(shí)由于農(nóng)田灌溉的需要，地下水年年處于超采狀態(tài)。2005年，奇臺(tái)縣總耕地面積為7.12×104hm2，農(nóng)田有效灌溉面積為5.95×103hm2，占總耕地面積的83.60%；井灌面積為3.8×104hm2，而且是通過對(duì)地下水的超采來完成灌溉的。隨著社會(huì)的發(fā)展，水資源需求壓力增大，從用水情況來看，城市與農(nóng)村生活用水、工業(yè)用水增加，農(nóng)灌用水日益減少，農(nóng)業(yè)缺水已成為制約其經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要因素[7]。因此，了解奇臺(tái)縣農(nóng)業(yè)水資源利用狀況及灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源供需狀況，分析余缺水程度、對(duì)農(nóng)業(yè)水資源作合理的評(píng)價(jià)，有利于解決灌區(qū)水資源供需平衡的矛盾、優(yōu)化配置灌溉用水水源，以實(shí)現(xiàn)計(jì)劃用水、節(jié)約用水和提高農(nóng)業(yè)用水效率。

本研究用灰色系統(tǒng)模型方法，討論了不同保證率情況下奇臺(tái)縣農(nóng)業(yè)用水供需平衡，以期為合理開發(fā)利用和管理水資源提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

奇臺(tái)縣位于新疆維吾爾自治區(qū)東北部，地處東經(jīng) 89°13′～91°22′，北緯 43°25′～45°29′，總面積為1.81×104km2。奇臺(tái)縣農(nóng)業(yè)區(qū)地處平原地帶，夏季炎熱而干燥，秋季涼爽，冬季嚴(yán)寒。該區(qū)氣溫年變化十分明顯，1月最冷，7月最熱，絕對(duì)最高溫度為43℃，絕對(duì)最低溫度達(dá)－42.6℃，年平均氣溫為5℃左右。年降水量176mm，夏季降水多，一般占全年降水總量的40%～50%；春秋兩季相當(dāng)，各占全年降水量的20%～30%；冬季降水量最少，不到全年降水量的10%[8]。

2 研究方法

灰色系統(tǒng)理論是主要研究既含已知信息又含未知信息或非確知信息的系統(tǒng)，并對(duì)其進(jìn)行灰色系統(tǒng)分析、建模、預(yù)測(cè)、決策和控制的理論。灰色系統(tǒng)理論建立的灰色模型通常記為GM（Grey Model），一般形式為 GM（m，n），稱為 m階 n 元灰色模型。

GM（1，1）模型適合應(yīng)用于對(duì)一個(gè)變量的發(fā)展變化情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，其預(yù)測(cè)結(jié)果是該指標(biāo)在未來各個(gè)時(shí)刻的具體數(shù)值。GM（1，1）模型的構(gòu)建方法如下[9]。

（1）對(duì)原始數(shù)列做一系列的累加生成處理，即：原始數(shù)列為 x(0)=｛x(0)(0)，x(0)(1)，x(0)(2)，……x(0)(t)｝

經(jīng)過公式（1）～（4）的處理：

形成新數(shù)列：x(1)=｛x(1)(0)，x(1)(1)，x(1)(2)，…x(1)(t)｝

（2）對(duì)于新數(shù)列，其變化趨勢(shì)可以近似地用微分方程描述，即+ax(1)=u。

式中a，u可以通過最小二乘法擬合得到，即

式中，YM=［x(0)(2)，x(0)(3)，x(0)(4)，……x(0)(M)］T；

B為構(gòu)造矩陣，即:

微分方程所對(duì)應(yīng)的時(shí)間響應(yīng)函數(shù)為：

（3）預(yù)測(cè)公式的精度檢驗(yàn)。

按下述方法對(duì)預(yù)測(cè)公式是否達(dá)到精度進(jìn)行檢驗(yàn)。

首先計(jì)算：

其次計(jì)算方差比：C=S2/S1

小誤差概率：P｛│ε(0)(t)-│＜0.674 5s1｝

預(yù)測(cè)公式的精度檢驗(yàn)如表1所示。如果P和C都在合格以上的范圍內(nèi)，則可以進(jìn)行預(yù)測(cè)。

3 奇臺(tái)縣農(nóng)業(yè)供需水預(yù)測(cè)分析

預(yù)測(cè)農(nóng)業(yè)需水量是在奇臺(tái)縣歷年（1996—2005）需水量的基礎(chǔ)上，用灰色系統(tǒng) GM（1，1）模型來進(jìn)行的。預(yù)測(cè)時(shí)段是從2006年到2015年。

3.1 需水量預(yù)測(cè)

將奇臺(tái)縣歷年農(nóng)田灌溉需水量按年份（1996—2005年，共10年）加和求其平均值構(gòu)成原始數(shù)列 x(0)＝｛x(0)(0)，x(0)(1)，x(0)(2)，……x(0)(9)｝，再對(duì)其做一次累加處理，構(gòu)成處理之后的數(shù)列為x(1)＝｛x(1)(0)，x(1)(1)，x(1)(2)，……x(1)(9)｝。

由公式（5）通過最小二乘法擬合得到a=-0.110 498，u=1 155.575 974。然后構(gòu)成時(shí)間響應(yīng)函數(shù)x(t+1)=12669.405642e0.110498t-10457.892581。

對(duì)模型進(jìn)行精確度檢驗(yàn)：

C=0.325 3＜0.35 （好）

P=1.000 0＞0.95 （好）

檢驗(yàn)結(jié)果都符合要求，因此可以根據(jù)時(shí)間響應(yīng)函數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

將奇臺(tái)縣需水量代入預(yù)測(cè)GM（1，1）模型中，得到2006—2015年奇臺(tái)縣灌溉需水量預(yù)測(cè)值（表2）。

預(yù)測(cè)結(jié)果表明，2006—2015年奇臺(tái)縣農(nóng)業(yè)需水量平均為5.27×108m3，總體呈下降趨勢(shì)，但下降的幅度不大。相對(duì)于2006年，2010年和2015年需水量分別下降了 0.143×108，0.105×108m3，占需水量的2.66%和1.95%。根據(jù)奇臺(tái)縣《國民經(jīng)濟(jì)·社會(huì)發(fā)展“十一五”規(guī)劃》報(bào)告，2010年和2015年雖然農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)上不會(huì)發(fā)生很大變化，但耕地面積會(huì)有所增加。因此，農(nóng)業(yè)總需水量會(huì)比2005年高。

3.2 可供水量預(yù)測(cè)

奇臺(tái)縣水資源總量為6.952×108m3。9條河流中，修建引水渠道6條，山區(qū)水庫4座。2005年引入河水總量為3.264×108m3，河道引水率為70.3%。根據(jù)奇臺(tái)縣水利建設(shè)規(guī)劃報(bào)告，在“十一五”規(guī)劃期間要完成中葛根河和碧流河水庫建設(shè)，可調(diào)蓄冬閑水和洪水，以增加蓄水。而地下水的供水量一直在增加，這是由于奇臺(tái)縣農(nóng)作物種植面積大部分分布在平原區(qū)，而且平原區(qū)主要是采取提取地下水的方式來灌溉農(nóng)田。隨著耕地面積的不斷擴(kuò)大，對(duì)地下水的提取量也在不斷加大。目前，全縣累計(jì)打井4 300眼，現(xiàn)保留配套機(jī)井2 672眼。由于多年超采，地下水位普遍大幅度下降，2005年地下水開采量為2.218×108m3。為了維持生態(tài)平衡、保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的良性循環(huán)和可持續(xù)發(fā)展，對(duì)現(xiàn)有機(jī)電井開采量要進(jìn)行壓縮限采。因此，規(guī)劃2010，2015年地下水的開采量分別為 2.005×108，1.8×108m3。利用灰色模型預(yù)測(cè)奇臺(tái)縣2010年和2015年總供水量和各平水年可供灌溉的水量如表3所示。

表1 灰色預(yù)測(cè)精度檢驗(yàn)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表2 奇臺(tái)縣灌溉需水量預(yù)測(cè)值 ×108 m3

表3 奇臺(tái)縣2010年和2015年總供水量和可供灌溉的水量 ×104 m3

4 未來平水年奇臺(tái)縣農(nóng)業(yè)用水供需平衡結(jié)果與分析

4.1 供需平衡預(yù)測(cè)

根據(jù)預(yù)測(cè)的農(nóng)業(yè)需水量和各項(xiàng)可供水量，以P＝50%和P＝75%2種保證率下的供水水量為基礎(chǔ)，對(duì)規(guī)劃年農(nóng)業(yè)供需水量進(jìn)行綜合平衡。在常規(guī)灌溉條件下，采用農(nóng)業(yè)供需水平衡公式：

式中，W供為農(nóng)業(yè)灌溉總供水量，Q需為農(nóng)業(yè)灌溉需水量，△W 為余缺水量（“+”表示余，“-”表示缺）。

分別將不同保證率情況下的奇臺(tái)縣2010年和2015年的需水量預(yù)測(cè)結(jié)果以及農(nóng)業(yè)灌溉供水量數(shù)據(jù)代入公式（13）中，得到農(nóng)業(yè)灌溉余缺水量情況（表4）。

表4 未來平水年余缺水量平衡分析 ×108 m3

由表4可知，奇臺(tái)縣供水量較少，而用水量偏大。現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)水資源量不能滿足農(nóng)業(yè)灌溉需求，供需矛盾突出，農(nóng)業(yè)缺水已成為制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要因素。

4.2 供水保證率P=50%（平水年）時(shí)的農(nóng)業(yè)水資源平衡狀態(tài)

當(dāng)供水保證率P=50%時(shí)，2010年缺水量占供水量的11.19%，2015年缺水量占供水量的16.56%，缺水越來越嚴(yán)重，而且沒有擺脫缺水的困境。因此，農(nóng)業(yè)水資源供需矛盾必須通過灌區(qū)水資源的深度開發(fā)和節(jié)水等措施得到解決。

4.3 供水保證率P=75%（偏枯水年）時(shí)的農(nóng)業(yè)水資源平衡狀態(tài)

當(dāng)供水保證率P=75%時(shí)，2010年缺水量占供水量的22.05%，2015年缺水量占供水量的28.47%，農(nóng)業(yè)供水量已嚴(yán)重不足。農(nóng)業(yè)水資源的短缺將嚴(yán)重制約地區(qū)的農(nóng)業(yè)發(fā)展。因此，合理配置水資源，提高地表水的引水率和渠系利用率，開展節(jié)水灌溉和開發(fā)利用未利用水資源將成為該地區(qū)的頭等大事。

5 結(jié)論與討論

通過灰色模型進(jìn)行的預(yù)測(cè)以及供需平衡分析可以看出，在常規(guī)灌溉條件下，無論是在供水保證率P=50%的平水年，還是在供水保證率P=75%的偏枯水年，供水量都不能滿足農(nóng)業(yè)需水的要求。且奇臺(tái)縣如果再不采取節(jié)水措施和嚴(yán)格的管理制度，其農(nóng)業(yè)就不可能持續(xù)發(fā)展下去。

農(nóng)業(yè)是用水大戶，也是浪費(fèi)水大戶。農(nóng)業(yè)用水量占全國總用水量的70%，由于灌溉方式的落后，輸水損失很大，農(nóng)業(yè)灌溉水的利用率只有40%，僅為發(fā)達(dá)國家的1/2左右，單方水的糧食生產(chǎn)能力只有0.85 kg，遠(yuǎn)低于2.0 kg以上的世界發(fā)達(dá)國家水平，水資源浪費(fèi)十分嚴(yán)重[10]。奇臺(tái)縣一方面農(nóng)業(yè)缺水，另一方面節(jié)水意識(shí)差，農(nóng)業(yè)多采取大水漫灌，用水浪費(fèi)現(xiàn)象普遍存在，致使形成惡性循環(huán)。加之管理水平低，沒有真正形成計(jì)劃用水、節(jié)約用水、限額用水的管理機(jī)制。同時(shí)，盲目開采地下水，造成地下水位連年下降。

農(nóng)業(yè)用水是奇臺(tái)縣第一用水大戶，而且90%以上用于種植業(yè)。發(fā)展高效節(jié)水型農(nóng)業(yè)是保證農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的基本戰(zhàn)略，同時(shí)發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)也是全面建設(shè)小康社會(huì)的需要。發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)需要各級(jí)政府加大工作力度，以促進(jìn)農(nóng)業(yè)灌溉用水的健康發(fā)展，應(yīng)健全技術(shù)服務(wù)體系，開展形式多樣的技術(shù)培訓(xùn)活動(dòng)，提高灌溉設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)，大力發(fā)展新型節(jié)水灌溉技術(shù)[11]，還應(yīng)適當(dāng)調(diào)整農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)灌區(qū)的水資源狀況，發(fā)揮灌溉用水的最大效益。

［1］ 李振全，徐建新，鄒向濤，等.灰色系統(tǒng)理論在農(nóng)業(yè)需水量預(yù)測(cè)中的應(yīng)用[J].中國農(nóng)村水利水電，2005（11）：24-26.

［2］ 王韶華，劉文朝，劉群昌.三江平原農(nóng)業(yè)需水量及適宜水稻種植面積的研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2004，20（4）：50-53.

［3］ 彭世彰，朱成立.節(jié)水灌溉的作物需水量試驗(yàn)研究[J].灌溉排水學(xué)報(bào)，2003，22（2）：21-25.

［4］ 劉宏誼.甘肅省主要農(nóng)作物需水量時(shí)空變化特征分析[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2005，23（1）：39-43.

［5］ 馬鵬里，楊興國，陳端生，等.農(nóng)作物需水量隨氣候變化的響應(yīng)研究[J].西北植物學(xué)報(bào)，2006，26（2）：348-353.

［6］ 曹紅霞，粟曉玲，康紹忠，等.關(guān)中地區(qū)氣候變化對(duì)主要作物需水量影響的研究[J].灌溉排水學(xué)報(bào)，2008，27（4）：6-9.

［7］ 王海景，張國進(jìn)，康宇.山西省旱作節(jié)水農(nóng)業(yè)的現(xiàn)狀與對(duì)策[J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008，36（12）：3-6.

［8］ 奇臺(tái)縣史志編纂委員會(huì).奇臺(tái)縣志[M].烏魯木齊：新疆大學(xué)出版社，1994.

［9］ 徐建華.數(shù)學(xué)方法在地理學(xué)中的應(yīng)用[M].北京：高等教育出版社，2002.

［10］ 李廣敏.采取綜合技術(shù)措施提高節(jié)水農(nóng)業(yè)水平[J].華北農(nóng)學(xué)報(bào)，2003，18（院慶專輯）：14-16.

［11］ 鄭必昭，劉富，孟曉民.山西省農(nóng)業(yè)灌溉調(diào)查研究[J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008，36（1）：12-15.