遼寧中部平原灌區農業節水潛力計算研究

賈玉娟

(遼寧省水文局，遼寧 沈陽 110003)

我國是農業大國，農業用水量占水資源總量的比重較高。近年來，農業用水與工業、生活及生態用水之間的矛盾日益突出。如何在有限的水資源條件下，提高農業用水的資源優化率，是解決用水矛盾的一種有效途徑。農業節水規劃是提高農業用水資源率的有效方法。為此國內許多學者展開農業節水潛力的相關研究[1- 6]，但這些成果大都采用線性預測的方式對未來農業節水潛力進行計算，而農業節水潛力影響因素較多，且各要素和農業節水量之間存在非線性變化關系，為此需要結合非線性模型來實現區域農業節水潛力的計算。當前，具有非線性結構網絡的Elman模型在工業節水潛力的分析計算中得到一定程度的應用[7- 9]，但在農業節水計算中應用還不多見，其次傳統的Elman模型在模型樣本訓練誤差和求解泛化能力上都存在一定的局限。為此本文引入改進的Elman模型對遼寧中部平原灌區的農業節水潛力進行計算。

1 改進的Elman模型計算原理

Elman模型主要為動態遞歸神經網絡模型，模型結合精度擬合的非線性映射原理對變量進行預測，其非線性映射各空間狀態變量的表達方程為：

y(k)=g(ω2x(k))

(1)

式中，y—各節點m的狀態輸出向量；x—中間節點單元的輸入向量；ω2—輸入變量與中間變量之間的權重值；k—變量的中間狀態。Elman模型對中間狀態輸入量進行轉換計算，計算方程為：

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重值；μ—輸入中間狀態變量；xc—中間遞推狀態變量，其遞推計算方程為：

xc(k)=x(k-1)

(3)

改進的Elman模型結合誤差平方和函數對學習指標進行修正，計算方程為：

(4)

在具體計算時，改進的Elman模型計算每個評價指標的概率，并對各概率值進行排序，計算方程為：

(5)

式中，fi—評價個體的適配指標值，該指標值結合誤差平方和f來進行衡量，計算方程為：

f=1/Ei

(6)

式中，Ei—誤差平方和函數值，其計算表達式為：

(7)

式中，γo—實際的樣本輸出變量；o—訓練樣本的個數；i—訓練指標的個數。

2 模型應用

2.1 區域概況

本文以遼寧中部平原5個灌區為研究實例，各灌區主要種植的農作物為水稻和玉米，各灌區主要農作物需水量見表1。水稻種植時間為4—8月，灌區水稻作物需水量均值為551.7mm，耗水系數在0.84～1.24之間。玉米耕種時間為7—9月份，各灌區玉米作物的需水量均值為420.1mm，耗水系數在0.73～1.21之間。遼寧中部平原區降水主要集中在6—9月份，平均降水量可達到200～300mm。

表1 各灌區作物主要需水量

2.2 不同模型求解精度對比

為對比改進前后Elman模型的計算精度，結合隨機抽樣隨機數的方法，分別對模型的三項精度評價指標進行分析，分析結果見表2。

表2中MSE主要表征模型計算的泛化能力，從對比分析結果可以看出，相比于傳統模型，改進的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主要表征模型非線性的動態計算性能指標，從對比結果也可以看出，改進的Elman模型較傳統模型都有較為明顯的改善，其中絕對百分比誤差MAPE均值減少

0.135，均方百分比誤差MSPE均值減少0.245，這主要是因為改進的Elman模型減少了訓練樣本的計算誤差，實現了動態遞歸計算模型，優化了模型計算的收斂精度，使得模型的泛化能力和動態計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算

計算灌區農業節水潛力，需要對灌區的凈灌溉量計算，本文結合作物灌溉需水計算方法，對灌區各主要農作物的凈灌溉量進行計算，計算結果見表3。

從表3中可以看出，各灌區主要灌溉降水量均值在89.2～145.3mm，玉米生長種植期間，灌溉降水量要大于水稻生長期的灌溉降水量。由于玉米的降水量要大于水稻，使得玉米在生長期降水利用系數要大于水稻的降水利用系數，各灌區主要的降水利用系數在0.63～0.94之間。但水稻在生長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 各灌區節水效率系數測算結果

在計算各灌區農業節水潛力前，需要對各灌區節水效率系數進行計算，本文結合改進的Elman模型，對灌區現狀年份節水效率系數進行計算，并對遠景年的節水效率系數進行計算，計算結果見表4及圖1。

從表3中可以看出，各灌區節水效率系數逐年遞增，這主要是因為遼寧中部平原區從2006年開始逐步加大農業節水措施的力度，使得各灌區節水效率系數逐年增加，這也可以從圖1中現狀年各年份節水效率系數計算效果看出。近些年來，隨著遼寧中部節水增糧項目的實施，各灌區節水效率系數也有較為明顯的增加。從表中可以看出，現狀年2006—2016年，各灌區的節水效率系數在0.3345～0.7134之間。而在遠景年結合區域農業節水規劃，區域的節水效率系數也將逐年遞增，從圖1中遠景年份節水效率變化過程可看出，節水效率遞增幅度也逐年增大，從表3中可以看出經過改進的Elman模型計算從2025—2035年，遼寧中部平原區農業節水效率系數將從0.5315增加到0.7543，從而保障農業用水的可持續利用。

表2 不同模型樣本計算精度對比結果

注：MSE表示為均方差；MAPE表示為絕對百分比誤差；MSPE表示為均方百分比誤差。

表3 各灌區凈灌溉量計算結果

表4 灌區節水效率系數測算結果

圖1 現狀年份和遠景年份節水效率系數計算結果

2.5 各灌區節水潛力計算結果

在各灌區節水效率系數計算的基礎上，結合改進的Elman模型對各灌區節水潛力進行計算，計算結果見表5。

表5 各灌區節水潛力計算結果

從表5中可以看出，各灌區現狀年灌溉水量總體在0.529億～0.943億m3之間，中部平原區灌區總的現狀灌溉水量達到3.878億m3，到2025年的遠景年份，其灌溉水量遞減到3.281億m3，節水潛力達到5.97，各灌區的節水潛力在1.03～1.42之間，節水潛力較高。而到2035年，隨著區域農業節水規劃的逐步實施，區域的灌溉水量相比于現狀年，將遞減0.93億m3，節水潛力將從2025年的5.97逐步增加到9.30億m3。

3 結論

本文結合改進的Elman模型對遼寧中部平原灌區農業節水潛力進行計算，計算結論如下：

(1)相比于傳統Elman模型，模型在隨機抽樣樣本計算的均方差MSE減少2.14，絕對百分比誤差MAPE均值減少0.135，均方百分比誤差MSPE均值減少0.245，改進的Elman模型較傳統模型在泛化能力和動態計算性能上均有較為明顯的改善；

(2)遼寧中部平原區節水效率系數逐年遞增，遞增幅度逐步加大，現狀年節水效率系數在0.3345～0.7134之間，節水措施效果較為明顯，而在遠景年，其節水效率系數將從0.5315增加到0.7543，可保障農業用水的可持續利用；

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