基于小波分析理论组合模型的农业需水量预测

为了提高农业需水量（非平稳时间序列）的预测精度,该文运用小波分析理论,将农业需水量这一时间序列用小波分解到不同尺度上以减少原始序列的随机性,然后用灰色预测法和时间序列预测法对重构后的时间序列进行预测。将小波分析理论、灰色预测理论和时间序列预测法组合进行需水量的预测,为原始非平稳时间序列的预测应用拓展了空间。以鄂尔多斯市的农业需水量预测为例对该方法作了验证,2009年数据检验结果表明该组合预测模型精度较高,相对误差小于3%,为农业需水量的预测提供了一种新方法,对鄂尔多斯市的水资源合理地利用、规划和管理以及促进区域社会经济的可持续发展具有重要的意义。     

基于GM(1,1)模型的宁化县油料产量和播种面积预测

依据福建省宁化县1994~2011年油料产量和播种面积数据分别建立GM(1,1)预测模型,经检验模型精度分别为89.13%和91.30%,并用该模型对2012~2022年的油料产量和播种面积进行外推预测。预测结果表明,模型的预测精度较高,在面积和产量预测中有较强的科学性和可行性,符合其灰色特性,适用性好。     

基于根系层水分状态的旱区净灌溉需水量模型构建和应用

为更准确计算灌区净灌溉需水量,促进灌区水资源高效利用,针对降水过剩可能产生深层渗漏和地表径流,以及采用经验公式计算不同作物有效降水量可能错误估算净灌溉需水量的问题,该研究建立了基于根系层水分状态的净灌溉需水量模型。以景电灌区为例,计算了2000－2020年平均净灌溉需水量和有效降水量,并分析了各驱动因子对净灌溉需水量的影响,结果表明：不同作物年净灌溉需水量在319.4～732.3 mm之间,降水利用效率在39.2%～56.1%之间,夏秋作物的降水利用效率高于春夏作物。夏秋作物的年净灌溉需水量与年降水量相关性更强,春夏作物的年净灌溉需水量与作物需水量的相关性更强,所有作物的月净灌溉需水量仅与月作物需水量呈显著正相关。敏感性分析表明,净灌溉需水量与作物需水量呈正相关关系,与降水量和根系深度呈负相关关系。夏秋作物比春夏作物对降水量和作物需水量的敏感性更强。对净灌溉需水量贡献程度由大到小分别为作物需水量、降水量和根系深度,其中作物需水量贡献率占86.0%发挥主导作用,特定年份根系深度贡献率为12.0%,根系深度对净灌溉需水量的影响不容忽视。与传统净灌溉需水量模型相比,该研究所计算的净灌溉需水量充分考虑了不同作物降水利用效率的差异,计算结果可为灌区水资源管理提供参考。     

基于生态需水的水资源分析——以贵州省盐津河流域为例

[目的]探究中国西南湿润地区流域生态需水量计算方法,为流域水资源配置提供科学的数据参考。[方法]选择贵州省盐津河流域为研究对象,采用彭曼法、Kristensen-Jensen模型、MIKE SHE分布式水文模型(DHI)、环境功能设定法等方法从农田系统、林草系统、水生态系统计算流域最小及满意需水量,并结合水资源状况对盐津河水资源配置提出建议。[结果]盐津河总生态需水量为1.39×10~7~2.04×10~7m~3,流域内农田用水较多的是4,7和8月,林草系统不存在缺水现象,河道内枯水期及丰水期水量差距较大,可利用水量为3.84×10~7~9.17×10~7 m~3,在保证枯水期生态水量同时,取水时间主要在5—8月。[结论]河道取水应注意考虑农田作物用水规律,在预留农业用水时需要考虑作物类型及种植面积,严格遵循降雨及生态用水规律,建立蓄水设施,保证全年的生产生态用水。     

基于作物需水量的城市农业水资源评估——以贵州省贵阳市为例

[目的]对贵阳市城市农业绿水和蓝水的水足迹与灌溉效率进行定量研究,为科学定量评估城市农业用水和管理监测提供依据。[方法]利用实地调查数据、贵阳市气象数据与农业统计数据,基于作物需水量、水足迹的方法进行农业水资源评估。[结果]①作物水足迹极值取决于调查样地作物单位面积产量的极值。②贵阳市城市农业不同作物生长的消耗绿水量均高于蓝水量,绿水量和蓝水量的比例范围从最低53.81%(豇豆)到最高63.60%(番茄)。③贵阳市城市农业3种灌溉效率(沟灌、喷灌和滴灌)分别为27.23%,69.45%与80.32%。④2017年贵阳市城市农业蓝色水量灌溉需求量在4.81×10~5 m~3(完全滴灌)与6.93×10~5 m~3(完全沟灌)之间。[结论] 2017年贵阳市城市农业总用水需求为1.29×10~6 m~3,其中8.84×10~5 m~3为绿水,4.02×10~5 m~3为蓝水。灌溉方式对贵阳市城市农业用水有较大的提升空间,滴灌方式对贵阳市城市农业水资源管理贡献率达53.09%。     

民勤地区供水和生态需水量分析

当今世界水环境污染和水资源短缺问题日益突出。如何进行水资源优化配置,将人类活动控制在生态、资源、环境允许范围内,核心问题是生态需水量的确定。通过对国内外生态需水量研究现状的分析,阐述了生态需水量的概念:在现状和未来时空间尺度上,一定的生态环境标准条件下,为维持流域或区域特定的天然生态环境功能必须保障蓄存和消耗的最小水量。对目前采取的各种生态需水量计算方法进行了总结,计算了民勤生态需水量。结果表明,为了使民勤生态系统不再恶化,每年需要补给2.406×108~2.414×108m3的水。如果考虑民勤地区人的生活用水和农业灌溉用水4.263×108~5.458×108m3,民勤地区的总需水量应为6.669~7.872亿m3。     

郑州市年降水量的ARIMA模型预测

郑州市是我国严重缺水的城市之一。为掌握该市降水资源变化状况,提供区域水资源合理开发利用的依据,运用差分自回归滑动平均模型(ARIMA),在对郑州市1951-2008年降水量数据进行预处理、模式识别、参数估计与模型检验的基础上,建立了郑州市年降水量的ARIMA(2,1,2)预测模型。结果表明:该模型预测相对误差范围为-6.36%~0.49%,预测精度较高,可以用于该区未来降水量的短期预测。     

辽宁省玉米地水分盈亏时空分布特征及灌溉模式分区研究

根据不同区域农作物需水规律和水资源供需状况,对区域内干旱区域类型、水分盈亏特性与干旱发生频率等进行综合分析和科学区划,对于提高整个地区(流域)农作物水分利用效率和水资源高效利用具有重要意义。该文基于辽宁省27个气象站1955—2014年逐日气象数据和玉米生长发育资料,对辽宁省不同玉米种植区域玉米生育期的需水过程、需水量、灌溉需水量、水分盈亏指数(crop water surplus deficit index,CWSDI)、干旱发生频率等的时空分布特征进行深入研究,得到以下结论:辽宁省不同区域玉米逐月需水量均呈现单峰变化趋势,7月需水量最大,全省生育期总需水量在335~391 mm之间;不同水文年玉米需水亏缺量在0~220 mm之间;CWSDI和干旱发生频率在全省的空间分布规律类似,综合两指标的数值分布特征,将辽宁省玉米灌区划分为干旱区和易旱区2种类型,并结合不同水文年型玉米灌溉制度,将辽宁省玉米种植区划分为7种灌溉模式。该研究成果可以为辽宁省区域农业用水区划与管理提供理论依据。     

东北地区农业用水安全预警研究

农业用水安全预警可分为水量预警和水质预警2方面。在区域农业用水供水量以及需水量调查研究基础上,结合供、需水发展趋势,对东北区农业用水进行了预测研究,并依据农业用水保证率对东北区农业用水发展趋势给出了相应的警戒等级。结果表明,在现状供水条件下,如采取耗水发展模式东北区缺水将最为严重,现状供水与节水和潜状供水与耗水发展模式相对于现状供水与耗水发展模式农业用水的缺水状况有所缓解,但是均有不同程度的缺水现象,潜状供水与节水模式耦合分析表明东北区在2030年以前农业用水基本得到保障,仅在2030年缺水1.57×10~(10)m~3,但是水资源保证率为0.83属无警戒状态。针对东北区农业用水安全问题,提出了保障东北农业用水安全的建议。     

作物需水量模拟计算结果有效性检验

作物需水量是确定节水高效灌溉制度、制定灌溉排水规划和水资源合理配置必不可少的重要参数。当前模拟计算作物需水量的主要方法有FAO-56双作物系数法、双涌源能量守恒模型、根系层水量平衡模型和SWAP模型,而各种方法均有利弊和使用条件。不论采用哪种方法模拟计算作物需水量,其结果必须进行有效性检验,否则不能用于上述工程项目。该文用FAO-56双作物系数法基于灌溉试验数据模拟计算了人工牧草——老芒麦、冰草的需水量,并对模拟计算的需水量采用拟合相关图法、回归分析法和残差估计误差指示法进行了有效性检验。拟合相关图法属定性检验,给出了统计相关趋势;回归分析法和残差估计误差指示法为定量检验,给出了模拟计算值与实测值间的拟合优度和残差估计误差的范围。这种定性定量相结合的方法有效地检验了需水量模拟值与其实测值间的一致性,其结果可用于工程项目中。     

节水灌溉管理与决策支持系统

基于灌区灌溉用水过程的复杂性和实时性,研制了节水灌溉管理与决策支持系统软件。系统根据采集到的气象、土壤水分、作物、水资源状况等信息,运用作物系数法进行作物需水量的计算,根据土壤墒情决策模型,作出灌溉预报,确定精确的灌溉时间和最佳灌溉水量,利用决策结果对灌溉设备进行自动控制与监测,从而达到高效、节水的目的。该系统不仅具有数据录入、编辑、查询、统计、输出等信息处理功能,而且能够根据采集到的信息为灌区管理和用水户提供灌溉优选和水资源优化分配的决策支持,制定精细灌溉的作业方案。该系统立足田间,面向农户,可以为用户提供节水灌溉模式咨询、具体方案优选、指导灌区优化灌溉等功能,具有较强的推广应用价值。     

基于AgentLA模型的农田精准灌溉管理分区研究

依据农田水资源利用与土地资源开发的耦合特性,开展农田精准灌溉管理分区研究,划定需灌溉管控的农田利用对象区。以三江平原典型流域挠力河流域为研究区,基于Landsat OLI影像、DEM数据和气象台站等多源数据为基本信息源,结合遥感和GIS技术定量探讨该流域农田水分盈亏状态,最后利用多智能体的空间优化配置模型(AgentLA)划定出农田灌溉区。结果表明:与常规的密度分割法相比,AgentLA模型不仅考虑了农田水分盈亏状态,也兼顾空间形态属性,使得所划定的灌溉区既覆盖了高水分亏缺状态农田,也具备较高的紧凑性,避免其空间格局过于凌乱和破碎。模型运行结果显示,在20%的农田灌溉目标面积下,挠力河流域内83.40%的中度、99.86%的重度、0.71%的正常和100%的严重缺水的农田需进行灌溉管控。研究结果为农田精准化灌溉管理提供思路借鉴,为相关学者研究提供基础。     

基于分数阶灰色模型的农业用水量预测

针对农业用水量序列的振荡特性以及传统灰色预测模型的过拟合问题,该文提出分数阶灰色预测模型。将农业用水量振荡序列转化为单调递减非负序列,并以转化序列为基础,根据"阶数最大(或最小)"、"历史数据拟合最好"2个目标函数构造优化模型,采用改进NSGA-Ⅱ(non-dominated sorting genetic algorithm Ⅱ,NSGA-Ⅱ)进行模型求解。根据验证集拟合结果优选出模型阶数,结合分数阶反向累加灰色模型(fractional order reverse accumulation grey model),以通辽市和宝鸡市为例,进行农业用水量的预测。为了检验模型性能,将该文模型分别与传统GM(1,1)模型、自回归模型、基于小波分析理论组合模型进行对比。结果表明,该文模型对于通辽市、宝鸡市与鄂尔多斯市的农业用水量预测的相对误差分别为2.33%、0.31%和1.77%。同时,该文模型预测误差最小(比自回归模型分别低1.11%(通辽)、6.18%(宝鸡);比传统GM(1,1)模型分别低3.32%(通辽)、0.97%(宝鸡)),具有一定实用性,研究结果可为区域农业用水量预测提供依据。     

非充分灌溉条件下多目标整数规划配水模型构建

农业用水面临可用水资源匮乏、面源污染严重的现状,通过综合考虑非充分灌溉对经济效益、作物品质和环境效应的影响从而实现农业水资源合理配置具有重要的现实意义。该研究基于非充分灌溉和灰水足迹理论,建立不确定性下经济-品质-环境多目标整数规划模型,对河套灌区作物生育期内的灌溉水量进行分配,得出了经济、品质和环境3种不同偏好水平下的决策方案。结果表明：偏好于环境目标的情景灌溉程度主要为33%,67%的灌溉程度次之,亏缺灌溉的程度更大;偏好于经济目标的灌溉程度大部分为100%,亏缺灌溉的程度较小;偏好于品质目标时则介于前述两种情况之间。通过与仅包括经济、品质和环境单目标的模型对比可见,多目标模型更兼顾品质指标、经济效益和灰水足迹,可以使得各项指标均处于总体较好的情况,其中番茄品质-经济-环境多目标模型品质指标为8.7,经济效益为21.3×108元,灰水足迹为1.62×104 m3,灌溉水量为3.51×107 m3,瓜类品质-经济-环境多目标模型品质指标为[25.3,32.7],经济效益为[9.2×108,24.8×108]元,灰水足迹为[1.94×104,3.15×104] m3,灌溉水量为[6.32×107,7.62×107] m3,各指标表现更佳。模拟结果可为不同情景下灌溉水合理配置提供参考。     

基于实时含水率数据的土壤墒情动态建模及预测

实时准确地预测墒情是进行灌溉预报,实现农田水分精准化管理,提高水分利用效率的重要措施。基于根区（0−60cm土层）水量平衡原理,利用泰勒级数对根区下界面水分通量和作物蒸腾量进行了线性化处理,并以实时根区平均土壤含水率为自变量构建了动态的土壤墒情预测模型。采用天津市武清区西吕村无线土壤墒情监测系统（包含3个监测点）实时监测数据（地表下30cm和60cm处的土壤含水率）,分别选取5d、10d、15d和20d作为建模系列长度进行回归分析,确定模型参数,对10d和15d两种预见期进行了土壤墒情预测精度分析。结果表明：（1）实时预测模型拟合程度较好,三种建模系列长度条件下的确定性系数均达到0.80以上（样本数均大于550）;（2）15d建模系列长度下相对误差最小;（3）15d建模系列长度、15d预见期、10%相对误差界限值条件下,3个监测点的墒情预测合格率分别达到98%、100%和89%。由此可见,研究提出的实时墒情预测模型预测精度较高,便于建模分析,为土壤墒情的预测提供了新方法。     

考虑径流来水不确定性的灌溉用水量预测

有关径流预测和灌溉用水量的研究对优化配置和合理利用水资源、制订区域社会经济规划具有重要意义。该文应用灰色-时间序列分析法对蔡旗断面年径流量进行预测,然后以该径流预测结果为基础,进行基于不确定性的红崖山灌区2011－2020年最大效益及主要作物灌溉水量的预测。结果表明,径流预测结果与实测值比较吻合,合格率为67.6%,蔡旗径流受人类活动影响较大。此外,有效的节水改造措施在干旱缺水地区是十分必要的,它可大大提高水分利用效率,保证一定的经济效益。就红崖山灌区而言,棉花比起春小麦、籽瓜和白兰瓜,是单位水经济效益最大的作物,其次是白兰瓜,所以在可用水量短缺时,应保证棉花和白兰瓜的灌溉用水,以减小因缺水灌溉而带来的经济损失。     

基于水分供需关系的冬小麦夏玉米节水灌溉模式研究

节水灌溉是解决水资源短缺问题的重要途径之一。在长期田间试验的基础上, 运用Hydrus-1D模型对研究区冬小麦 夏玉米轮作条件下的田间水分运移过程进行了模拟分析, 探讨适宜的节水灌溉模式。结果表明, 表征土壤水分实测值与模拟值精度关系的Nash-Suttcliff效率系数Ens为0.652~0.903, 均大于0.5, 模型效果良好; 在灌水量为520 mm的传统灌溉模式下, 1.6 m土层深层土壤水分无效渗漏量为189 mm, 占地表总入渗补给水量的22.3%, 土壤水分无效渗漏大, 且与降雨和灌溉关系密切; 根据作物水分供需状况及土壤水分状况得出夏玉米、冬小麦季的灌溉量分别为50 mm、320 mm, 比传统灌溉模式共节水100 mm。改进后的灌溉模式对于土壤水分渗漏具有良好的控制作用, 土壤水分渗漏峰值明显降低, 根据作物供需与土壤水分状况提出的节水灌溉模式能减少土壤水分渗漏, 提高灌溉水利用效率。     

基于贝叶斯最大熵和多源数据的作物需水量空间预测

作物需水量是灌溉工程规划、设计和管理的重要基础数据,充分利用多源数据和先验知识,快速经济地获取精度较高的区域作物需水量对于区域水资源的优化配置具有重要意义。为精确预测作物需水量,该文以长系列实际监测和校核作物系数后计算得到的作物需水量为硬数据,利用硬数据确定获得最大熵的约束条件,根据软数据获取渠道的不同(部分年份缺失的站点数据、文献中获得的数据、利用灌溉试验数据库中的作物需水量资料,采用协同克立格方法获得的数据、考虑主要地形因子和主要气象要素的影响,采用主成分分析和地理加权回归(geographically weighted regression,GWR)方法获得作物需水量数据以及遥感数据),提出不同来源软数据的概率密度函数表达方法,采用贝叶斯最大熵(Bayesian maximum entropy,BME)方法对不同来源的作物需水量信息进行有机整合。结果表明:除硬数据+文献软数据外,其他数据整合呈现一致结果。华北地区冬小麦作物需水量在豫南地区较小,中部地区黄河北岸有连片的相对高值区,山东需水量相对较高,冀东北的乐亭、唐山附近有相对低值区。除硬数据+文献软数据比不整合的精度低9.41%外,其他软数据源均可不同程度地提高整合效果,硬数据+克立格软数据、硬数据+GWR软数据和硬数据+除文献数据外的其他软数据分别比不整合的精度提高85.33%、85.75%和91.69%。对考虑地形、气象等要素的多源数据进行整合可更好地反映冬小麦作物需水量空间分布的细节,显著提高估算精度,为稀疏监测站点地区水土资源的精准管理和优化配置提供数据支撑。     

西葫芦微咸水膜下滴灌土壤水盐运移对产量影响的预测模型

为了定量计算微咸水膜下滴灌对土壤水盐和西葫芦产量的影响,根据微咸水膜下滴灌土壤水盐运移特点和西葫芦生长试验,建立了西葫芦微咸水膜下滴灌土壤水盐运移模型和水盐生产函数,并将二者联立,建立了西葫芦微咸水膜下滴灌土壤水盐运移对产量影响的预测模型。利用西葫芦微咸水膜下滴灌水盐试验数据对模型进行验证,结果表明模型计算的西葫芦微咸水膜下滴灌土壤含水率和土壤含盐量与实测土壤含水率和土壤含盐量的变化趋势一致,模型计算土壤含水率、土壤含盐量和西葫芦产量的均方根误差分别为0.049 cm~3/cm~3、0.065 g/kg和3.83 t/hm~2,土壤含水率、土壤含盐量和西葫芦产量的平均相对误差分别为5.17%、7.42%和5.84%,土壤含水率、土壤含盐量和西葫芦产量的平均绝对误差分别为0.047 cm~3/cm~3、0.062 g/kg和3.95 t/hm~2。所建的模型具有较高的模拟精度,可用于模拟西葫芦微咸水膜下滴灌土壤水盐动态和西葫芦产量。     

水稻需水量预测的小波BP网络模型

结合BP网络和小波分析的优势，建立一种水稻需水量预测的小波BP网络模型，旨在准确预测水稻需水量，为制定合理的灌溉制度与提高水分利用效率提供重要依据。该文以小波函数代替传统BP网络中的S型激活函数，对三江平原富锦灌区16年的水稻需水量实测序列进行分析，网络结构为6-10-1，训练355次时，精度达到0.01。结果均优于BP算法、RAGASABP模型，表明该模型收敛速度快，预测精度高，为该领域研究提供了新的思路。