不同灌溉制度对水稻减污效果的影响

李 琳，黄 彦，尹钢吉

(1. 密山市富密灌区水利水保总站连珠山分站，黑龙江 密山158300;2. 黑龙江省水利科学研究院，哈尔滨150080)

随着粮食需求和农业生产的发展，化肥和农药已成为农业生产的必不可少的生产资料，在农业生产中起着举足轻重作用，到目前为止粮食增产主要依靠化肥和农药投入，呈现出其投入量逐年增加的趋势。伴随着化肥、农药投入量的增加农业生产带来了污染环境、食品安全等问题，已引起人们的广泛重视。化肥用量大、使用效率低一直是困扰我国农业生产的一个突出问题。化肥利用率低，大量的化肥损失导致一系列不良的环境。而化肥的流失和水分有直接的关系，为此，以基准肥区为基础，对控灌、浅晒浅灌、湿润灌、间歇灌4种灌溉技术，采用基于RAGA 的PPC 模型进行不同灌排模式减污效果综合评价，分析不同灌排模式下的减污效果。本分析中暂不考虑经济效益。

1 基于RAGA 的PPC 模型

投影寻踪模型( PPC) 是一种可用于高维数据分析，即可作探索性分析，又可作确定性分析的方法。建模过程如下［1］:

1.1 样本评价指标集的归一化处理

设各指标值的样本集为{x* (i，j) | i = 1 ～n，j = 1 ～p} ，其中x*(i，j) 为第i个样本第j个指标值，n、p 分别为样本的个数和指标的数目。

对于越大越优的指标:

对于越小越优的指标:

式中，xmax( j) 、xmin( j) 分别为第j个指标值的最大值和最小值，x( i，j) 为指标特征值归一化的序列。

1.2 构造投影指标函数Q( a)

就是把p 维数据{x*( i，j) | j = 1 ～ p} 综合乘以a{a(1) ，a(2) ，a(3) ，…a( p) } 为 投 影 方 向 的 一 维 投 影 值z( i) 。

然后根据{z( i) | i = 1 ～n} 的一维散布图进行分类。综合投影指标值时，要求投影值z( i) 的散布特征就为局部投影点尽可能密集，最好凝聚成若干个点团; 而在整体上投影点团之间尽可能散开。因此，投影指标函数可以表达成:

式中: SZ为投影值z( i) 的标准值; DZ为投影值z( i) 的局部密度。

式中: E( z) 为序列{z( i) | i = 1 ～n} 的平均值; R 为局部密谋的窗口半径; r( i，j) 为样本之间的距离。

1.3 优化投影指标函数

最大化目标函数:

约束条件: s.t:

1.4 分类( 优序排列)

把求得的最佳投影方向a*代入式(3) 后可得各点样本的投影值z*( i) 。将z*( i) 与z*( j) 进行比较，二者越接近，表示样本i 与j 越倾向下分为同一类。若按z*( i) 值从大到小排序，则可以将样本从优到劣进行排序。

基于实码的加速遗传算法( RAGA) 是模拟生物在自然环境中的遗传和进化过程而形成的一种自适应全局优化概率搜索算法。这里主要是用遗传算法对投影寻踪模型中的参数进行优化。计算步骤如下:

1) 在各个决策变量的取值变化区间［aj，bj］生成N 组均匀分布的随机变量，i = 1 ～N，j = 1 ～p，N 为种群规模，p 为优化变量的个数。

3) 计算基于序的评价函数。

4) 进行选择操作，以生成第1个子代群体。

5) 对4) 产生的新种群进行交叉操作。

6) 对5) 产生的新种群进行变异操作。

7) 进化迭代。

2 不同灌排模式减污效果指标评价

2.1 数据指标的选定

不同灌排模式减污效果选择N、P、K、株高、产量、穴有效穗数、灌水量等7 项作为评价分析指标［2］。

表1 不同灌排模式减污效果评价指标

2.2 建立评价样本的PPC 模型

对控制灌溉、浅晒浅灌、湿润灌、间歇灌分别进行样本评价指标调查。每个样本有7个指标，即属于7 维数据。对表1建立PPC 模型。RAGA 过程中选定父代初始种群规模为n，交叉概率pc=0.80，变异概率Pm=0.80，优秀个体数目选定为20个，a 为0.05，加速次数为8，得出最大投影指标值为0.9928，最佳投影方向a*=(0.2867，0.5878，0.1792，0.4116，0.0531，0.6025，0.0708) ，将a*代入式(3) 后即得各个评价样本的投影值( j) =( 1.9146，0.2653，1.5229，1.1943)

3 不同灌排模式减污效果综合分析

通过上述计算结果可知，采用控制灌溉模式评价样本投影值最大为1.9146，其次是湿润灌为1.5229，次之为间歇灌，第四为浅晒浅灌，说明控制灌溉技术模式对水稻田减污效果最好。综合分析评价，控制灌溉技术用水量最少，产量高，对于缓解日益紧缺的水资源是一种有效模式之一，对减少化肥对地下水带来的污染作用显著。

［1］付强. 农业水土资源系统分析与综合评价［M］. 北京: 中国水利水电出版社，2005:268－273.

［2］黑龙江省水利科学研究院. 水稻灌排节水试验方案设计及试验数据初步分析. 哈尔滨:黑龙江省水利科学研究院，2009.