基于改進投影尋蹤模型的干旱區林果適宜灌溉方式評價

魏光輝

(新疆塔里木河流域管理局， 新疆 庫爾勒 841000)

基于改進投影尋蹤模型的干旱區林果適宜灌溉方式評價

魏光輝

(新疆塔里木河流域管理局， 新疆 庫爾勒 841000)

為探討西北干旱區林果節水高效灌溉模式，本文建立了涵蓋作物生長性狀、水分利用、果品質量和工程投資4個方面10項指標的庫爾勒香梨適宜灌溉方式綜合評價體系，并采用改進粒子群算法優化投影尋蹤模型進行方案優選。結果表明：作物耗水量、水分利用效率、產量與單位面積投資這4項指標是影響灌溉方式綜合評價的主要因素，其投影值分別為0.3458、0.4165、0.3796和0.3433；綜合考慮各因素，不同灌溉方式優劣排序為：環管地表灌溉>小管出流>普通灌溉>微噴灌，環管地表灌溉方式為研究區最佳灌溉方式。研究結果為干旱區林果節水灌溉提供了理論參考。

灌溉方式； 投影尋蹤模型； 改進粒子群； 庫爾勒香梨； 干旱區

新疆地處西北內陸干旱區，“荒漠綠洲，灌溉農業”是其典型特點，農業及林果業以人工灌溉為主。因此，灌溉方式的合理選擇，不僅關系到綠洲農業及林果業的健康發展，也關系到干旱區水資源的可持續利用。

目前，國內關于灌溉方式評價方法的研究較多，如盧玉邦[1]等以松嫩平原為研究對象，提出了“經濟-資源-社會”灌溉方式評價系統，并采用層次分析法和專家判斷法確定指標權重，進行灌溉方式篩選；任玉忠[2]等采用定量分析法研究了地面灌、滴灌和微噴灌對棗樹生長、產量、水分利用和果實品質的影響，結果表明：滴灌及微噴灌方式可顯著提高棗樹果實品質和產量，為最優灌溉方式；張旭東[3]等采用復合賦權法構建了二級模糊評判模型，對區域節水灌溉方式進行了優選，結果表明：模型評價結果與實際相符,方法簡單易行；邱林[4]等利用極大極小法建立了節水灌溉優選模型，運用線性加權法確定指標權重，對河南浚縣灌區進行節水灌溉方式優選，結果表明：噴灌為最優灌溉方式；張志川[5]構建了節水灌溉方式模糊綜合評價熵權模型，并以河南省長葛市為例，對模型求解，結果表明：低壓帶噴和低壓畦(溝)灌為最優灌溉方式；劉玉甫[6]等根據模糊集和熵信息理論，構建了新疆塔里木盆地節水灌溉模式評價模型，對波涌灌、閘管灌、水平畦灌進行綜合評價，研究發現水平畦灌是最適宜灌溉方式。上述研究主要集中在對一年生農作物進行灌溉方式評價，而對于西北干旱區多年生林果灌溉方式評價的研究則少有報道。

庫爾勒市因盛產庫爾勒香梨而有“梨城”美譽，傳統的香梨灌溉方式以大水漫灌為主，但隨著國家最嚴格水資源管理制度的實施，這種粗放型的灌溉方式亟待改進。由于灌溉方式對香梨的生長、品質及區域水資源的高效利用亦有重要影響，因此本文在前人研究的基礎上，利用改進粒子群優化投影尋蹤模型對庫爾勒香梨適宜灌溉技術進行篩選評價，以期為區域水資源的合理開發利用及林果業的健康可持續發展提供重要參考。

1 灌溉方式評價指標體系建立

依據參考文獻[7]與文獻[8]資料，本文建立了干旱區香梨灌溉技術評價指標體系，該體系包括4個方面、10項評價指標。4個方面分別為作物生長性狀、水分利用、果品質量和工程投資。其中，作物生長性狀層面包括莖粗、葉面積與產量3項指標；水分利用層面包括作物耗水量與水分利用效率2項指標；果品質量層面包括單果重量、可溶性糖、可溶性固形物與果皮硬度4項指標；工程投資層面包括單位面積投資1項指標。庫爾勒香梨灌溉方式評價指標體系見表1。

表1 香梨灌溉方式評價指標體系

在表1評價指標體系中，莖粗是衡量植株健壯與否的一項重要指標，在一定程度上反映了植株輸送營養物質及水分的能力，其值越大越優。葉面積反映了作物光合作用的強弱，若葉面積大則表明植株光合作用較強，植株生長勢態良好。作物產量直接反映了灌溉方式的作用結果，產量越高則經濟效益越佳。在水分利用方面，作物單位面積耗水量越小則越節約水資源。在總灌水量保持在一定水平的情況下，水分利用效率越高則表明單位水量所生產的果實越多，即作物單方水生產效率越高。在果實品質方面，單果重越大(果實體積也會越大)則表明果實外觀品質越好。香梨果實中含有大量可溶性固形物、可溶性糖和維生素C等營養物質，這些營養物質的含量決定了果實的內在品質，其指標值均為越大越優。此外，在一定范圍內，果實的果皮硬度越大則越有利于果實的采摘、運輸及儲存。在工程投資方面，單位面積投資越小，則農民越愿意接受該灌溉方式(即該灌溉方式易于推廣)。

2 改進粒子群優化投影尋蹤綜合評價模型

2.1 投影尋蹤模型

投影尋蹤是一種用來分析和處理非線性、非正態高維數據的統計方法，其計算步驟如下：

a.數據歸一化。設評價指標集合為

式中x*(i,j)——第i個方案第j個評價指標值；

n——評價集合個數；

p——評價指標個數。

(1)

(2)

式中xmin(j)、xmax(j)——評價指標集合中第j項指標的最小值和最大值。

(3)

(4)

式中Sz——投影值z(i)的標準差；

Dz——投影值z(i)的局部密度。

(5)

(6)

R——局部密度的窗口半徑，一般取0.1Sz；

u(t)——單位階躍函數，當t≥0時取1，t<0時取0。

c.優化投影函數。通過求解投影指標函數的最大值可計算得到最佳投影方向：

目標函數 max:Q(a)=SzDz

(7)

(8)

本文采用改進粒子群算法來進行模型尋優。

d.方案評價。將改進粒子群算法計算得到的投影方向a*代入式(3)，即可得到評價集合投影值z*(i)，z*(i)值越大方案越優。

2.2 改進PSO算法優化投影尋蹤模型

PSO算法中粒子向個體最好位置和群體最好位置集聚時，可能會導致種群粒子的相同情況發生，出現局部極值與精度不高等問題。為解決這些問題，采用基于參數選擇改進PSO算法(improvedPSO，IPSO)。

粒子群算法中的參數主要包括最大速度、2個加速常數和收縮因子等，本文針對這3方面的參數進行選擇，從而改進粒子群算法。

a.選擇vmax。PSO算法中粒子速度和位置計算分別見式(9)和式(10)。

(9)

(10)

式中c1和c2——加速常數；

r1和r2——[0，1]范圍內的隨機數；

pid和pgd——個體的歷史最佳位置和全局的歷史最佳位置；

w——慣性常數；

vid——粒子速度，是隨機變量。

本文采用選擇最大速度在[-vmax，vmax]范圍的方法限制這種不確定的變動。考慮到vmax過大時，粒子位置會進入無規則的變動，vmax過小時會使算法收斂性變差，所以vmax確定為搜索空間的20%。

b.選擇加速常數。式(9)中c1用于控制粒子向個體最優位置的運動，c2用于控制粒子向鄰域最優位置的運動。本文c1和c2的選擇采用如下方法：c1由2.5線性減少到0.5，c2由0.5線性增加到2.5，且c1+c2≤4.0。

c.選擇收縮因子。利用式(9)計算時，粒子會跳出搜索空間，導致求解結果可能為無窮大，從而出現種群爆炸情況。鑒于此，本文采用收縮因子控制此種情況。

帶收縮因子λ的PSO由Kennedy提出的速度更新公式進行求解，具體如下：

IPSO優化投影尋蹤模型計算流程見下圖。

算法流程圖

3 模型應用

3.1 研究區概況

庫爾勒市位于新疆塔里木盆地北緣的天山支脈庫魯克塔格山和霍拉山山前沖積平原，全市總面積7268km2，是新疆巴音郭楞蒙古自治州的州府所在地，也是當地政治、經濟和文化中心。庫爾勒市因盛產庫爾勒香梨而有“梨城”美譽，這里光照充足，晝夜溫差大，降水稀少，蒸發強烈，為典型的暖溫帶大陸性干旱氣候，適宜種植瓜果，多年平均氣溫11.5℃，降水量55.6mm，蒸發量2388.2mm(E20小型蒸發器)，年日照時數2990h，無霜期210天。

庫爾勒香梨具有皮薄肉細、汁多味甜、酥脆爽口、耐儲存等特點，果實含水量84%～86%，可溶性固形物13%～15%，號稱“果中之王”，遠銷中國香港、東南亞、歐美等國家和地區。截至2012年年底，庫爾勒市香梨種植面積已達3.6萬hm2，占全州特色林果業面積的38%；年產量超過40萬t，占全州林果業果品總產量的70%以上，香梨產業已成為庫爾勒市農業增產、農民增收的重要產業。由于庫爾勒香梨的傳統灌溉方式以大水漫灌為主，隨著國家最嚴格水資源管理制度的實施，這種粗放型的灌溉方式亟待改進。鑒于此，本文從水分利用、作物生長、果品質量和工程投資4個方面對庫爾勒香梨的適宜灌溉方式進行綜合評價。

3.2 模型計算

a.原始數據獲取。依據參考文獻[7]資料，本文選取環管地表灌溉、小管出流灌溉、微噴灌與普通灌溉(大水漫灌方式)4種灌溉方式進行綜合評價，各評價指標值見表2。

表2 庫爾勒香梨不同灌溉方式評價指標

b.數據歸一化處理。根據表2數據，利用式(1)與式(2)進行歸一化處理(見表3)。

表3 不同灌溉方式評價指標歸一化值

c.灌溉方式評價。利用MATLAB 7.0編制基于改進粒子群優化投影尋蹤模型程序。參數設置為：種群規模500，學習因子c1=c2=2，慣性權重w=0.985，最大迭代次數1000次。在MATLAB環境中運行上述程序，得到評價方案的最佳投影方向a*=(0.3458，0.4165，0.2320，0.2980，0.3796，0.3110，0.2655，0.2311，0.2859，0.3433)。

根據式(3)計算得出方案集合的投影值以及排序(見表4)。

表4 不同模型評價結果對比

由表4可知，研究區香梨適宜灌溉方式評價結果排序為：環管地表灌溉>小管出流>普通灌溉>微噴灌(“>”表示優于)。故環管地表灌溉方式為研究區最佳灌溉方式。

3.3 評價結果對比

文獻[7]研究結果表明：環管地表灌溉為最優灌溉方式。這與本文研究結果完全一致，但該文未對小管出流、微噴灌、普通灌溉3種方式綜合排序，故為驗證本文計算結果的準確性，將本文計算結果與TOPSIS模型計算結果進行對比(見表4)。

由表4可知，通過與TOPSIS方法計算結果對比，兩者結論完全一致，這充分驗證了本模型的計算準確性，也實現了方法對方法的檢驗。

4 結 語

本文構建了基于改進粒子群算法優化投影尋蹤模型的干旱區香梨適宜灌溉方式綜合評價模型，主要結論如下：

a.采用改進粒子群算法優化投影尋蹤模型可以客觀、合理地對評價方案指標賦權，避免了主觀賦權存在的偏差，使評價結果客觀、可信。

b.耗水量、水分利用效率、產量與單位面積投資4項指標對灌溉方式綜合評價的影響最大，其投影值分別為0.3458、0.4165、0.3796和0.3433。

c.綜合考慮灌溉方式對香梨生長性狀、水分利用、果品質量和工程投資的影響，環管地表灌溉>小管出流>普通灌溉>微噴灌。故環管地表灌溉方式為研究區最佳灌溉方式。

d.在林果種植中，采用合理的灌溉方式能提高林果水分利用效率，實現節水、提質、高效用水的目的，這對西北干旱缺水地區林果種植業的發展具有重要意義。下一步應當重點研究虧缺灌溉對香梨品質的影響以及水分調控與品質的響應機理，探尋香梨節水、高產與優質的灌溉制度與模式。

[1] 程靜,蘇孝敏,張晨辰.干旱地區膜下滴灌技術甜瓜種植模式試驗研究[J].水資源開發與管理,2015(1):57-63.

[2] 王海軍.新疆干旱區節水灌溉工程技術的探討[J].水資源開發與管理,2015(2):56-58.

[3] 盧玉邦,郭龍珠,郎靜波.綜合評價方法在節水灌溉方式選擇中的應用[J].農業工程學報,2006,22(2):33-36.

[4] 任玉忠,王水獻,謝蕾.干旱區不同灌溉方式對棗樹水分利用效率和果實品質的影響[J].農業工程學報,2012,28(22):95-102.

[5] 張旭東,孫仕軍,遲道才.二級模糊綜合評判法在區域節水灌溉方式優選中的應用[J].節水灌溉,2013,(12):15-18.

[6] 邱林,晏陽,劉婧然.基于極大極小法灌溉方式的選擇[J].華北水利水電學院學報,2013,34(2):17-19.

[7] 張志川.節水灌溉工程技術適宜性模糊評價[J].中國農村水利水電,2004(11):23-27.

[8] 劉玉甫,張明,王蓓.塔里木盆地節水灌溉綜合效益評價及灌溉方式優化篩選[J].南水北調與水利科技,2009,7(2):70-72.

Evaluation on forest fruit suitable irrigation mode in arid areas on the basis of improved projection pursuit model

WEI Guanghui

(XinjiangTarimRiverBasinAdministration,Korla841000,China)

In order to discuss forest fruit energy-saving and efficient irrigation mode in northwest arid areas. In the paper, an integrated evaluation system of Korla fragrant pear suitable irrigation mode is established, including four aspects of crop growth characters, water utilization, fruit quality and engineering investment as well as 10 indexes. Improved particle swarm algorithms are adopted to optimize the projection pursuit model and optimize plans. The results show that four indexes of crop water consumption, water use efficiency, yield and unit area are main factors affecting integrated evaluation of irrigation mode. The projection values thereof are 0.3458, 0.4165, 0.3796 and 0.3433. All factors are considered comprehensively. The advantage sequence of different irrigation modes is shown as follows: environment management ground surface irrigation > small tube flow > micro-spray irrigation > normal irrigation. The environment management ground surface irrigation mode belongs to an optimal irrigation mode in the study area. The research results provide theoretical reference for forest fruit water-saving irrigation in arid areas.

irrigation mode; projection pursuit model; improved particle swarm; Korla fragrant pear; arid areas

10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2017.03.017

TV93

A

2096-0131(2017)04- 0056- 05