辽宁省大型灌区节水潜力的动态预测分析

陈丽

（沈阳市水务事务服务与行政执法中心，辽宁 沈阳 110036）

辽宁属于农业大省，属于我国粮食主要生产基地，而辽宁省位于我国的东北部，属于水资源相对短缺的省份[1]。辽宁省早在80年代开始一定规模地建设灌区，从而保障农业正常生产，但是早期的大型灌区建设，节水工程措施考虑相对较少，使得辽宁省大型灌区节水效率系数均低于全国平均水平[2]。辽宁省“十四五”水安全保障规划加大对全省大中型灌区的改造建设，目的在于提高大中型灌区的节水能力，提升灌区的节水效率，加大节水潜力建设[3]。国内多个学者研究成果表明[4-7]，通过对灌区节水潜力的动态预测，可以为灌区农业节水规划提供重要的支撑依据。近些年来，我国对于灌区节水潜力预测取得一定研究成果[8-14]，在这些研究成果中，动态递归预测模型相比于其他方法在许多区域具有较好的节水潜力预测效果，但在辽宁省还未得到具体应用，为提高辽宁省大型灌区节水改造规划的科学性，本文结合动态递归预测模型，对辽宁省10个大型灌区进行节水潜力的动态预测，研究成果对于辽宁省大型灌区改造规划建设具有重要的支撑意义。

1 节水潜力动态预测方法

动态递归预测模型基于非线性映射原理对灌区节水潜力进行动态预测，其模型构建方程：

式中：y为预测的灌区节水潜力，亿m3；g为模型动态递归系数；ω2为节水潜力指标变量权重；x为农业节水潜力相关指标；k为中间变量参数。动态预测模型对预测中间变量进行参数转换计算：

式中：ω1为节水潜力指标变量转换权重；xc为回归方程的变量参数；μ为中间变量转换值。xc回归方程：

动态递归预测模型需要对评估的节水潜力指标进行概率计算，计算方程：

其中：fi为节水潜力评价指标的标准值。该指标计算方程：

其中：Ei为误差平方和，其计算方程：

式中：d0为模型输入值；γ为节水潜力输出变量；OO为模型拟合值；O为训练样本个数；i为训练指标个数。

2 辽宁省大型灌区节水潜力预测

2.1 灌区概况

辽宁省灌溉面积超过2万hm2大型灌区有10个（见表1），主要位于沈阳市、丹东市、葫芦岛市、营口市、辽阳市、铁岭市、盘锦市。10个灌区灌溉规划总面积为304.42 万hm2，现状条件下的灌溉总面积为2 149.18 万hm2，大洼灌区规划灌溉面积最高为6.5万hm2，玉石灌区规划灌溉面积最低为2.09 万hm2。现状条件下灌溉有效面积最高的为营口灌区，为 4.49 万 hm2，玉石灌区最低，为 1.87 万 hm2。辽宁省各大型灌区供水渠道主要为土渠，渠道衬砌率较低，自流渠灌区灌溉水利用率仅为50%左右，井灌区灌溉水的利用率为60%左右。为提高大型灌区的灌溉用水效率，辽宁省开展了大型灌区的现代化改造，各灌区主要农作物为水稻和玉米，其中水稻产量占全省水稻产量的比例高于50%，各大型灌区的水稻和玉米作物需水量如表1所示。

表1 辽宁省大型灌区玉米和水稻作物的需水量

2.2 动态递归方程误差分析

结合各灌区1995—2019年农业灌溉需水数据，建立农业灌溉需水样本数据系列，分别采用传统算法和本文算法建立动态回归方程，并对不同分量下模型递归方程的误差进行分析，分析结果如表2 所示。

表2 模型不同算法和分量下递归方程误差统计结果

采样农业灌溉用水数据作为样本系列建立动态递归是传统算法模型建立的方式，这种算法需要系列较长的样本数据进行递归方程的建立，而考虑到辽宁省大型灌区已有农业灌溉用水数据序列样本较短，传统算法下的动态递归方程误差较大，为此本文采用一种基于样本变量概率分析的算法进行农业灌溉用水动态递归方程的建立。该算法类似主成分分析方法，以平方误差最小对递归方程进行建立，该算法下模型对样本序列长短要求相对较低，样本数据系列高于20年即可满足递归方程的精度要求。从不同算法各分量下的误差分析结果可看出，本文采用的算法下各分量误差相比于传统算法有所下降，可以采用新算法来进行辽宁省各大型灌区节水潜力的动态递归模型的建立。

2.3 农作物净水量分析

动态递归预测模型需要对灌区内主要作物的净水量进行分析，表3 为对辽宁省各大型灌区的玉米和水稻两种主要农作物进行净灌溉水量均值的计算结果。

表3 辽宁省各大型灌区主要农作物净灌溉水量计算结果

从表3 可看出，玉米净灌溉水量为水稻净灌溉水量的1/2，水稻降水利用系数要高于玉米，水稻泡田灌溉水量在各生长期属于最高值。从各灌区的净灌溉水量均值可看出，东港灌区的净灌溉水量最高，这主要是因为东港灌区主要灌溉农作物为水稻，玉米作物灌溉相对较少，且东港灌区属于辽宁省水资源量较为充沛的区域，因此在全省东港灌区的净灌溉水量最高。在各大型灌区中，大洼灌区的净灌溉水量最低，这主要是因为大洼灌区的有效灌溉面积相比于其他灌区要小。

2.4 各大型灌区农业节水效率系数测算

在灌区不同作物灌溉净水量分析的基础上，对辽河平原各典型区2006—2016年现状年以及2025年、2035年远景规划年对节水效率系数进行测算，结果见表4 和表5。

表4 辽宁中东部大型灌区节水效率系数测算结果

2009—2019年，辽宁省10个大型灌区的节水效率系数总体呈现递增变化，其递增变化的主因主要有两个方面：从2010年以后，辽宁省加大对大型灌区的改造，尤其是加大对灌区供水渠道衬砌改造，有效降低了渠道渗漏损失，提高了有效灌溉供水量，使得大型灌区的农业灌溉节水效率系数得到普遍提升；此外，从灌区的节水效率系数分布来看，辽宁中东部地区各大型灌区的节水效率系数总体好于辽宁中西部大型灌区的节水效率系数，这主要是因为灌区的节水效率系数总体和大型灌区的灌溉有效面积有关，灌溉有效面积越高其农业灌溉节水效率系数相对较高。第二方面是灌区农业灌溉节水措施力度的加大，尤其是辽宁中东部地区的各大型灌区。近些年来，随着辽中东部地区大型灌区滴灌节水措施的不断实施，原有灌区喷灌或漫灌方式的逐步取代，区域农业灌溉节水量加大，使得其灌区节水效率系数也不断增加。辽宁省各大型灌区2030年及2040年远景年节水效率系数的总体可达到0.55 以上，部分大型灌区节水效率系数可达到0.8 以上，灌区节水效率系数递增明显。

2.5 大型灌区灌溉节水潜力动态预测

在辽宁省10个大型灌区节水效率系数现状和远景年分析的基础上，结合动态递归预测模型对辽宁省各大型灌区远景年节水潜力进行动态预测，预测结果如表6 所示。

表6 辽宁平原典型农业灌沤远上节水潜力计算结果

通过对2030年和2040年远景年条件下辽宁省各大型灌区的节水潜力进行动态预测分析，分析结果表明，到2030年远景年，辽宁省10个大型灌区的节水潜力增幅有所不同，这主要和灌区节水改造后的有效灌溉面积相关，改造后的灌区有效灌溉面积越高其节水潜力也相对较高，辽宁省各大型灌区在2030年和2040年远景规划年的节水潜力增幅均值可分别达到1.71 和2.14 亿m3，在各大型灌区中，浑沙灌区增幅最高，盘山灌区增幅最低。

3 结语

通过分析，辽宁省大型灌区节水潜力较高，主要受有效灌溉面积影响，使得各大型灌区节水效率系数低于全国均值，建议在大型灌区改造实施中，重点增加大型灌区的灌溉有效面积率，提升节水效率系数，加大灌区节水指标率；辽东大型灌区节水潜力显著高于辽西地区节水潜力，对于辽东大型灌区，应重点加大作物的净灌溉水量，尤其是水稻作物，通过加大农业节水措施提高水稻主产物的净灌溉水，对于辽西大型灌区应重点加大对灌渠节水措施的改造力度，加大渠道衬砌率，降低渠道渗漏损失。应通过辽宁省水网规划建设等重点项目加大对辽宁省大型灌区的节水总体规划设计，逐步提高优化各大型灌区的节水潜力，提升全省灌区的有效灌溉效率。