辽宁中部平原灌区农业节水潜力计算研究

2019-01-16贾玉娟

水利规划与设计 2018年12期

贾玉娟

(辽宁省水文局，辽宁沈阳 110003)

我国是农业大国，农业用水量占水资源总量的比重较高。近年来，农业用水与工业、生活及生态用水之间的矛盾日益突出。如何在有限的水资源条件下，提高农业用水的资源优化率，是解决用水矛盾的一种有效途径。农业节水规划是提高农业用水资源率的有效方法。为此国内许多学者展开农业节水潜力的相关研究[1- 6]，但这些成果大都采用线性预测的方式对未来农业节水潜力进行计算，而农业节水潜力影响因素较多，且各要素和农业节水量之间存在非线性变化关系，为此需要结合非线性模型来实现区域农业节水潜力的计算。当前，具有非线性结构网络的Elman模型在工业节水潜力的分析计算中得到一定程度的应用[7- 9]，但在农业节水计算中应用还不多见，其次传统的Elman模型在模型样本训练误差和求解泛化能力上都存在一定的局限。为此本文引入改进的Elman模型对辽宁中部平原灌区的农业节水潜力进行计算。

1 改进的Elman模型计算原理

Elman模型主要为动态递归神经网络模型，模型结合精度拟合的非线性映射原理对变量进行预测，其非线性映射各空间状态变量的表达方程为：

y(k)=g(ω2x(k))

(1)

式中，y—各节点m的状态输出向量；x—中间节点单元的输入向量；ω2—输入变量与中间变量之间的权重值；k—变量的中间状态。Elman模型对中间状态输入量进行转换计算，计算方程为：

x(k)=f(ω1xc(k)+ω2(μ(k-1)))

(2)

式中，ω2—输出变量与中间变量之间的权重值；μ—输入中间状态变量；xc—中间递推状态变量，其递推计算方程为：

xc(k)=x(k-1)

(3)

改进的Elman模型结合误差平方和函数对学习指标进行修正，计算方程为：

(4)

在具体计算时，改进的Elman模型计算每个评价指标的概率，并对各概率值进行排序，计算方程为：

(5)

式中，fi—评价个体的适配指标值，该指标值结合误差平方和f来进行衡量，计算方程为：

f=1/Ei

(6)

式中，Ei—误差平方和函数值，其计算表达式为：

(7)

式中，γo—实际的样本输出变量；o—训练样本的个数；i—训练指标的个数。

2 模型应用

2.1 区域概况

本文以辽宁中部平原5个灌区为研究实例，各灌区主要种植的农作物为水稻和玉米，各灌区主要农作物需水量见表1。水稻种植时间为4—8月，灌区水稻作物需水量均值为551.7mm，耗水系数在0.84～1.24之间。玉米耕种时间为7—9月份，各灌区玉米作物的需水量均值为420.1mm，耗水系数在0.73～1.21之间。辽宁中部平原区降水主要集中在6—9月份，平均降水量可达到200～300mm。

表1 各灌区作物主要需水量

2.2 不同模型求解精度对比

为对比改进前后Elman模型的计算精度，结合随机抽样随机数的方法，分别对模型的三项精度评价指标进行分析，分析结果见表2。

表2中MSE主要表征模型计算的泛化能力，从对比分析结果可以看出，相比于传统模型，改进的Elman模型的均方差都有明显减少，各分量的均方差的均值减少2.14，而MAPE和MSPE主要表征模型非线性的动态计算性能指标，从对比结果也可以看出，改进的Elman模型较传统模型都有较为明显的改善，其中绝对百分比误差MAPE均值减少

0.135，均方百分比误差MSPE均值减少0.245，这主要是因为改进的Elman模型减少了训练样本的计算误差，实现了动态递归计算模型，优化了模型计算的收敛精度，使得模型的泛化能力和动态计算性能均得到较为明显的改善。

2.3 主要作物的净灌溉水量计算

计算灌区农业节水潜力，需要对灌区的净灌溉量计算，本文结合作物灌溉需水计算方法，对灌区各主要农作物的净灌溉量进行计算，计算结果见表3。

从表3中可以看出，各灌区主要灌溉降水量均值在89.2～145.3mm，玉米生长种植期间，灌溉降水量要大于水稻生长期的灌溉降水量。由于玉米的降水量要大于水稻，使得玉米在生长期降水利用系数要大于水稻的降水利用系数，各灌区主要的降水利用系数在0.63～0.94之间。但水稻在生长期由于需要灌溉大量的水量，其净灌溉量明显大于玉米，水稻的净灌溉量在243.9～383.7mm之间。

2.4 各灌区节水效率系数测算结果

在计算各灌区农业节水潜力前，需要对各灌区节水效率系数进行计算，本文结合改进的Elman模型，对灌区现状年份节水效率系数进行计算，并对远景年的节水效率系数进行计算，计算结果见表4及图1。

从表3中可以看出，各灌区节水效率系数逐年递增，这主要是因为辽宁中部平原区从2006年开始逐步加大农业节水措施的力度，使得各灌区节水效率系数逐年增加，这也可以从图1中现状年各年份节水效率系数计算效果看出。近些年来，随着辽宁中部节水增粮项目的实施，各灌区节水效率系数也有较为明显的增加。从表中可以看出，现状年2006—2016年，各灌区的节水效率系数在0.3345～0.7134之间。而在远景年结合区域农业节水规划，区域的节水效率系数也将逐年递增，从图1中远景年份节水效率变化过程可看出，节水效率递增幅度也逐年增大，从表3中可以看出经过改进的Elman模型计算从2025—2035年，辽宁中部平原区农业节水效率系数将从0.5315增加到0.7543，从而保障农业用水的可持续利用。

表2 不同模型样本计算精度对比结果

注：MSE表示为均方差；MAPE表示为绝对百分比误差；MSPE表示为均方百分比误差。

表3 各灌区净灌溉量计算结果

表4 灌区节水效率系数测算结果

图1 现状年份和远景年份节水效率系数计算结果

2.5 各灌区节水潜力计算结果

在各灌区节水效率系数计算的基础上，结合改进的Elman模型对各灌区节水潜力进行计算，计算结果见表5。

表5 各灌区节水潜力计算结果

从表5中可以看出，各灌区现状年灌溉水量总体在0.529亿～0.943亿m3之间，中部平原区灌区总的现状灌溉水量达到3.878亿m3，到2025年的远景年份，其灌溉水量递减到3.281亿m3，节水潜力达到5.97，各灌区的节水潜力在1.03～1.42之间，节水潜力较高。而到2035年，随着区域农业节水规划的逐步实施，区域的灌溉水量相比于现状年，将递减0.93亿m3，节水潜力将从2025年的5.97逐步增加到9.30亿m3。