變權(quán)組合模型在遼南農(nóng)業(yè)灌溉水量預(yù)測的應(yīng)用

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（遼寧省水文局，遼寧沈陽110003）

變權(quán)組合模型在遼南農(nóng)業(yè)灌溉水量預(yù)測的應(yīng)用

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（遼寧省水文局，遼寧沈陽110003）

文章結(jié)合變權(quán)組合模型預(yù)測模型對遼寧南部某地區(qū)進(jìn)行灌溉用水量預(yù)測，并結(jié)合區(qū)域內(nèi)實(shí)測灌溉水量分析變權(quán)組合模型在遼寧南部區(qū)域農(nóng)業(yè)灌溉水量預(yù)測精度，考慮到月灌溉水量對于區(qū)域農(nóng)業(yè)灌溉水量規(guī)劃配置的重要，還重點(diǎn)分析月尺度農(nóng)業(yè)灌溉水量的預(yù)測精度。研究結(jié)果對于區(qū)域農(nóng)業(yè)灌溉用水量和未來趨勢預(yù)測提供參考價(jià)值。

變權(quán)組合模型；農(nóng)業(yè)灌溉用水；精度分析；遼南區(qū)域

1 概況

農(nóng)業(yè)灌溉用水量一直是區(qū)域水資源優(yōu)化配置和規(guī)劃的重要內(nèi)容。由于農(nóng)業(yè)灌溉用水量存在許多不確定性，因此，對于農(nóng)業(yè)灌溉水量的預(yù)測一直是研究的難點(diǎn)。對于農(nóng)業(yè)灌溉用水的預(yù)測主要方法主要采用基于數(shù)量統(tǒng)計(jì)模型的方法進(jìn)行預(yù)測，許多線性回歸和數(shù)理統(tǒng)計(jì)被用于區(qū)域的農(nóng)業(yè)灌溉用水預(yù)測模型，取得一定的研究成果，但各種模型在不同區(qū)域農(nóng)業(yè)灌溉用水預(yù)測中具有不同的適用條件，且計(jì)算原理有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。當(dāng)前，可以綜合不同數(shù)量統(tǒng)計(jì)模型，并考慮不同數(shù)學(xué)模型權(quán)重系數(shù)的變權(quán)組合預(yù)測模型被用于水資源領(lǐng)域的預(yù)測研究，但是在農(nóng)業(yè)灌溉用水預(yù)測的應(yīng)用研究較少，特別是在遼寧地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水預(yù)測的研究較少。為此，引入變權(quán)組合預(yù)測模型對遼寧南部區(qū)域的農(nóng)業(yè)灌溉用水進(jìn)行預(yù)測，并結(jié)合研究區(qū)域?qū)崪y的灌溉水量分析變權(quán)組合預(yù)測模型在遼寧南部區(qū)域農(nóng)業(yè)灌溉用水預(yù)測的精度。研究成果可以為遼寧地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水預(yù)測提供參考。

2 變權(quán)組合模型原理

2.1 基本原理

變權(quán)組合模型的主要原理為采用多種模型進(jìn)行組合預(yù)測，模型組合計(jì)算的關(guān)鍵在于確定不同組合模型之間的權(quán)重系數(shù)。變權(quán)組合預(yù)測模型將不同模型之間的權(quán)重系數(shù)設(shè)置成隨著時(shí)間動(dòng)態(tài)變化的，模型需要首先建立樣本數(shù)據(jù)系列各個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)不同的最優(yōu)組合權(quán)重系數(shù)，依據(jù)這些權(quán)重系數(shù)來最終確定不同預(yù)測模型在預(yù)測時(shí)間節(jié)點(diǎn)的權(quán)重值。

2.2 變量說明

對于農(nóng)業(yè)灌溉用水預(yù)測目標(biāo)而言，可以用N種不同預(yù)測模型進(jìn)行預(yù)測，f1t，f2t，f3t，…，fnt進(jìn)行組合預(yù)測，并在模型進(jìn)行變量假設(shè)：

將Yt假設(shè)為時(shí)間變量t下實(shí)測的區(qū)域農(nóng)業(yè)灌溉水量,萬m3；

2.3 樣本數(shù)據(jù)系列組合預(yù)測模型

確定不同組合模型預(yù)測權(quán)重系數(shù)基本原則在于使得計(jì)算的樣本數(shù)據(jù)系列組合計(jì)算后的計(jì)算誤差最小。文中主要采用組合模型計(jì)算誤差最小原則來確定不同組合的權(quán)重系數(shù)?？紤]到不同模型權(quán)重系數(shù)不同，得到組合預(yù)測優(yōu)化計(jì)算模型：

在方程（1）中Jt表示為時(shí)間t下的誤差最小值。

對選用的預(yù)測模型，結(jié)合公式（1）進(jìn)行優(yōu)化求解，可以推求變權(quán)組合預(yù)測模型確定的各個(gè)方法在不同預(yù)測方法的各個(gè)樣本數(shù)據(jù)序列中經(jīng)過優(yōu)化的權(quán)重系數(shù)Kit。

2.4 組合預(yù)測模型權(quán)重系數(shù)的確定

2.4.1 權(quán)重系數(shù)確定方法

式中：M為計(jì)算時(shí)間末變量；j表示為計(jì)算時(shí)間初變量。這種方法計(jì)算適用于樣本數(shù)據(jù)序列較少，或者各種預(yù)測模型在時(shí)間序列點(diǎn)上的權(quán)重系數(shù)無明顯的規(guī)律。

2.4.2 權(quán)重系數(shù)計(jì)算步驟

采用線性回歸方法擬合計(jì)算各個(gè)組合權(quán)重函數(shù)W（t），如果取W（t）=b0+b1（t），然后計(jì)算確定各個(gè)預(yù)測時(shí)間點(diǎn)的組合預(yù)測權(quán)重系數(shù)，主要計(jì)算步驟為：

1）假設(shè)第i種預(yù)測方法在各個(gè)時(shí)間點(diǎn)擬合的最優(yōu)權(quán)重系數(shù)分別為：ki1，ki2，ki3，…，kim；

2）假設(shè)以ki1，ki2，ki3，…，kim為計(jì)算樣本，利用線性回歸系數(shù)取得不得預(yù)測模型的權(quán)重系數(shù)；

3）當(dāng)t=M+J時(shí)，計(jì)算不同預(yù)測模型的組合權(quán)重系數(shù)的函數(shù)值Wi=（M+j）；

3 模型應(yīng)用

3.1 年尺度灌溉水量對比分析

結(jié)合灌區(qū)實(shí)測的1990—2014年農(nóng)業(yè)灌溉用水?dāng)?shù)據(jù)，其中1980—2000年數(shù)據(jù)作為模型分析計(jì)算的訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)系列，2001—2014年農(nóng)業(yè)灌溉用水預(yù)測數(shù)據(jù)主要用來分析變權(quán)組合模型在區(qū)域年尺度灌溉水量的精度，變權(quán)組合模型年尺度農(nóng)業(yè)灌溉水量分析結(jié)果見表1和圖1。

表1 預(yù)測值和實(shí)測值對比分析結(jié)果

由表1可見，采用變權(quán)組合模型預(yù)測的2001—2014年各個(gè)年份的農(nóng)業(yè)灌溉水量和區(qū)域監(jiān)測，農(nóng)業(yè)灌溉水量預(yù)測值和實(shí)測值之間的相對誤差小于9%，在3.0%～8.75%之間，可見變權(quán)組合預(yù)測模型在區(qū)域農(nóng)業(yè)灌溉用水量的年值預(yù)測精度較高，可以滿足區(qū)域農(nóng)業(yè)灌溉用水預(yù)測的精度。由圖1（a）可見，變權(quán)組合預(yù)測模型預(yù)測值和區(qū)域?qū)崪y的農(nóng)業(yè)灌溉水量具有較好的吻合度。由圖1（b）可以看出，變權(quán)組合模型預(yù)測的年灌溉水量和區(qū)域?qū)崪y灌溉水量之間的相關(guān)性達(dá)到0.849 5，具有較高的相關(guān)性。從預(yù)測的相對誤差，過程吻合度以及預(yù)測值和實(shí)測值的相關(guān)系數(shù)可以表明變權(quán)組合預(yù)測模型在研究區(qū)域農(nóng)業(yè)灌溉用水年尺度的預(yù)測精度較高。

圖1 變權(quán)組合模型預(yù)測年灌溉水量和實(shí)測年灌溉水量對比圖

3.2 月尺度灌溉水量對比分析

考慮到月灌溉水量預(yù)測對于區(qū)域農(nóng)作物耕種用水十分重要，結(jié)合變權(quán)組合預(yù)測模型預(yù)測了研究區(qū)域月尺度的灌溉水量，并結(jié)合研究區(qū)實(shí)測月灌溉水量對比分析模型的預(yù)測的精度，結(jié)果見表2。

表2 預(yù)測月值和實(shí)測月值對比分析結(jié)果

從表2可以看出，變權(quán)組合預(yù)測的月灌溉水量和實(shí)測月灌溉水量上的相對誤差總體上弱于年尺度的灌溉水量預(yù)測精度。這主要是因?yàn)橄啾扔谀瓿叨裙喔人?，月尺度灌溉水量影響要素較多。因此，在相對誤差上要弱于年尺度灌溉水量預(yù)測精度。從表2中可以看出，實(shí)測的灌溉水量在3-5月份為灌溉水量較大的月份。因這幾個(gè)月降水量較少，且是農(nóng)業(yè)耕種的時(shí)間，灌溉水量需求較大。在7-9月份由于進(jìn)入夏季，降水較為集中。因此這幾個(gè)月份灌溉水量較少，變權(quán)組合預(yù)測模型較好地預(yù)測了這一過程，預(yù)測與實(shí)測較為吻合。

4 結(jié)論

結(jié)合變權(quán)組合預(yù)測模型，以遼寧南部為研究區(qū)域，預(yù)測區(qū)域的農(nóng)業(yè)灌溉水量，研究取得以下結(jié)論：

1）由于月灌溉水量影響要素較多，變權(quán)組合預(yù)測模型在區(qū)域農(nóng)業(yè)灌溉水量年尺度預(yù)測精度好于月尺度灌溉水量預(yù)測精度，年和月尺度灌溉水量預(yù)測的相對誤差均在許可范圍內(nèi)；

2）變權(quán)組合預(yù)測模型在灌溉水量過程上的吻合度較高，在灌溉水量年內(nèi)分配過程吻合度也較高，可用于區(qū)域灌溉水量趨勢預(yù)測。

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1002－0624（2017）06－0052－03

2017-01-20