农作区净灌溉需水量模拟及不确定性分析

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1、第28卷第8期2012年 4月农业工程学报Transactions of the Chinese Society of Agncultural Engineenng农业水土工程农作区净灌溉需水量模拟及不确定性分析马黎华I,康绍忠技，粟晓玲I,佟玲2(1.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，杨凌712100：2中国农业大学中国农业水问题研究中心,北京100083)摘要：净灌溉需水星是估第农业瀬溉用水园的参考依据.该文以西北T早内陆区石羊河流域上中下游的古浪县，凉州 区，2勤丸为研究对彖.在分析农业净灌溉需水斌立观骏动力肉子(1959 202)的基础上.以关键因子作为输入项， 区域农业净l*fi为

2、输出项分别建”点业净灌派需水吊的名元线恂叫归模熨、人工神经网络BP模空以及人神“网绍 及成模型并对不同模型的模拟效*进行比较：遷过对时间序列斗离敵化蒙貂R洛(MC)设计,采用不确定性评价指数(d-fector)对3种模型模拟的不确定性进行分析.结果表明:与多元线性回归模刘和神经网络BP模樂相比,神经网络 集成模型耳冇较高的模拟箱度.并能介理地指示影响因索与净灌溉盅水虽的不确泄性变化。关键词：灌溉，不确屯性分析.象特卡洛模拟多元线性回归模型.人工神经网络集成模型doi： 10 3969/j issn 1002-6819 2012 08 002中图分类号：S152.7文献标志码：A文章编号：100

3、2-6819(2012)-08-0011-08马黎华，康绍忠，粟晓玲，等农作区净灌溉需水呈模拟及不确定性分析J.农业工程学报，2012. 28(8)： 11-18Ma Lihua, Kang Shaozhong, Su Xiaoling, et al Simulation and uncertainty analysis of net lmgation requirement in agricultural areaJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CS

4、AE), 2012, 28(8). 11 18 (in Chinese with English abstract)0引言净灌溉需水帘:是指必须通过灌溉补充的I:壤原有储 水呈和有效降雨呈及地下水利用虽:不能满足作物蒸发蔗 腾、冲洗盐碱以及其他方面要求的水量叭 净灌溉需水就 是农业灌溉用水量的参考依据1251,可以通过计算来实 现。一般按照-定的物理规律和田间水量平衡原则计算 以天为步长的区域灌溉需水就；农业净灌溉需水戢的计 算所需的灌溉而积,作物耕种而积,作物系数，气象因 素等指标屋往往难以统计，存在不确定性因素，因此实 现农业净灌溉需水屋的粘确讣算往往比较用难。外部环 境的变化以及政策的调

5、榕、竹农业净灌溉需水量产生不 同稈度的影响，从彩响因索入手实现对农业净灌溉需水 虽:的模拟对丁了解区域农业川水状况以及实现区域农业 用水的预测具有枳极的现实意义。4以往农业净灌溉需 水量的形响因素分析中，所涉及到的形响关系复杂、影 响因子繁多：我中人口【习、全球气候变化、种植结构的调 整叭 以及水价与农药消耗等经济因索卩】都被认为会对净 灌溉需水量造成-左的影响。以关键的彩响因素为输入, 以农业净淋溉需水戢为输出建立输入输出的农业净灌溉收稿I期：20124)342 修订口期：20124)3-31乩佥项H：国家高技术研究发展计划(863计划)(2O11AA1OO5O2)；国家 门然科判灣J血项目

6、(51109211)：北农林科技大学基木科研业技创新重点踐L!(编UQN201168)作者简介：马黎华ahnet通信作？h康绍忠(1962)男.湖南桃源人.教授.博七生导帅.主 耍从爭农业节水与水资源強域的硏究北京中国农业大学中国农业水何题 研允屮心.1000S3 Email： kangshaozhoiigtomcom 需水就模甲的研究还较少见。以数字驱动的输入输出模 型有多种形式，其中线性模型简单且易r实现，并由于 系数对变屋的解释件被广泛应用。在未知输入与输出项 z间的关系是线性还是非线性的时候，人1.神经网络模 熨常作为线性模醴的对比与补充貯刃o在数据样本数：较 少的情况下(低于200个

7、),ANN模型在训练过程中易 出现收敛不和，匸，神经网络集成行任通过训练务个神力 网络并将其进行组合來提高神经网络系统地泛化能力叫叫 交基验证(Cross Validation, CV)常常用于考察模型的 模拟能力.垂于数了驱动的输入输出模型注贡变戢之间 的先验判断和统计关系，往往只能实现对数据样本相对 准确的模拟,所得到的模型在应用时存在淀的不确定 性，在一定范用内的输入项的变化对于模些结果的影响 成为衡虽模型这种不确定性的标准。针对这种不确定性 的分析，冇助于实现对于模型的介理选择和准确应用。 不确定性分析一般通过蒙特卡洛(Monte-Carlo, MC)模 拟來实现，MC模拟在水文以及水

8、资源管理筲领域的不确 定性分析中有着广泛的应用，其中以针对参数的不确定 分析与针对输入项不确定性分析故为常见2叭在干旱内陆区石羊河流域，缺水不仅带來了严雨的 生态坏境问题，更是限制了区域社会经济的发展卩】。在这 种背杲下，石羊河流域农业川水占总用水量的比例却髙 达90% (1998-2008的平均值)，本文根据上中下游不 同的农业挣灌溉需水量的特性,以石羊河流域上中下游 的古浪县，凉州区，民勛县3个研究区域45 a的数据为 研究对彖；并対潜在的影响因索( 1959 2005)进行分 析，选择关键因子；将选择的关键因子作为输入项，农 业净灌溉需水屋为输岀项，建立农业净灌溉需水戢的多 元线性回归模

9、型，人工神经网络模型四人工神经网络集12农业丁程学报2012 年成模型:垂于年为步长时间序列的离散化蒙特卡洛（MC ） 设计对模型进行不确怎分析，通过模型的谋左结果号不 确定性分析比较不同模別在应用于区域农业净灌溉需水 虽:模拟的优劣。1材料与方法1-1研究区域石羊河流域是IT p|l省河两走廊三大内陆河流域之 一，位于祁连山东段号巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠南缘 之间，E 10141 104。16、N 3629 39。27 ,流域面积 4 16力kn?。流域水资源I贤乏，常年干旱少臥H照强烈、 蒸发量大，II有大陆性温带干早气候特征。流域水资源 屋为16 608亿2008年总用水屋为26 86亿

10、m其 中农业灌溉用水高达23 21亿n?,占总用水量的86 43%。 目前流域共有8.6万hn?农田面积得不到保灌，灌溉用水 与其他部门用水Z间才屑I 分尖锐。行羊河流域地势削高北低，由两幽到东北方向依次 为上游祁连山区，中游武威盆地，下游民勤盆地。上游 祁连山区以山地为主，加冇耕地种植。近年来，流域上 游祁连山区由于人为砍伐森林，过度放牧，开矿挖药和 开荒种植，植被破坏严重，山区的植被覆盖率只有40% 左右中游武威盆地有悠久的耕种历史，其灌溉面积持 续扩大。据统计，中游灌溉面积由解放初期的165万hm? 増加到2003年的278万hm?,增长了 17倍：近50 a来, 总耗水量由解放初的5.

11、67亿存增加到2003年的约10亿m 下游民妙盆地的补会经济也是以农耕为主，其地表水源 红崖山水库的供给主要来口于中游的退水、余水和上游 的洪水。近50 a來红崖山入库断而平均年径流呈（主耍 为卜游民勤盆地提供灌溉用水）由4 6亿m?,锐减为现 状不足1.0亿m3I15k由以上分析可知，上中下游的农业 用水呈现不同的特性，针对上中下游分别建立农业用水 模型研究区耕地分布与行政区划如图1所示.图1石羊河流域高程与耕地分布图Fig 1 Distnbution of cultivated land in Shiyang nver basin and its digital elevation mod

12、el (DEM)1.2数据准备1.2. 1农业净灌溉需水量本文采用的农业净灌溉需水就数据来源于佟玲【冽关 于石羊河流域X年净灌溉需水量的计算结果。该值的计 算原理如下= y（zxA）（1）1000厶 分式屮,心为农业总净灌溉需水重（108m3）:厶为第”种作 物全生育期净灌溉需水量,mm：屈是作物的种植面积, 万hm其中各作物净灌溉需水量Z采用下式计算h=EZ-耳（2）式屮，为作物蒸发蒸腾氐mm；氏为作物生存期内 有效降雨量，mm。备作物啓采用作物系数与参考作物蒸发蒸腾戢相乘 ETc = KcxE7（3）式中，乙是作物系数，由石羊河流域相关试验数据得到。 E%为作物蒸发蒸腾量，mm：根据气象资

13、料，采用1998 年FAO灌溉fl冰丛廿第56分册推荐的Penman-Monteith 公式计算各站历年各月刃泸久1959-2003年的古浪,凉州与民勤的农业净灌溉需水星 变化如图？所示.对比3个地区，凉州的农业净灌溉需水就 第8期马黎华等：农作区净灌溉需水砒模拟及不确宦性分析最大，尽竹1970年前呈卜降趋势.fH 1970年后增长迅速。 占浪号民勤农业净灌溉需水虽变化不人，近年呈下降趋势。 1.2.2潜在影响因素潜在的影响因索既要与农业净灌漑需水屋密切相 关，同时又耍考虑数据來源的可靠性以及完备性。选择 的初始扌斤标有：人口（1（/）,城镇化率（城镇人口比 例），有效灌溉面积（10* hm2

14、），耕地面积（104hm2）, 粮食总产就（104t）,农业产值（108元），工业产值 （108元），国内生产总值（GDP） （108元），经济 作物比例，降水（mm，气温（C） , ETq （mm）共 计12项。其中气象指标数据来自区域内国家气象站点 的统计（1959-2005） : E7J数据参照佟玲（2007） 1171 的相关文献：补会经济指标数据来H甘训省相关的统计 年鉴（ 1959 2005）=抬标间的相关系数如农1所示。7 6 5 4 3 2o i丄II1950197019902010年份图？古浪凉州与民劫农业净淞溉需水量的3年变化图(1959-2003 )Fig. 2 Changes of net irrigation requirements in Gulang,Liangzhou and Minqin dunng 19592003第8期马黎华等：农作区净灌溉需水砒模拟及不确宦性分析第8期马黎华等：农作区净灌溉需水砒模拟及不确宦性分析表1影响因素之间的相关分析Table 1 Results of the correlation analysis from tlie potential factors