基于DGM安徽省灌溉水利用系數(shù)預(yù)測(cè)與分析

許一 許承娟

摘 要：灌溉水利用系數(shù)是體現(xiàn)國(guó)家及省市縣農(nóng)田用水效率的重要指標(biāo)之一，同時(shí)也是最嚴(yán)格水資源管理制度的重要抓手。近年來(lái)，安徽省灌溉水利用系數(shù)呈現(xiàn)緩慢上升態(tài)勢(shì)。該文通過(guò)DGM（1，1）模型對(duì)“十四五”期間安徽省灌溉水利用系數(shù)進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析，并提出了適合安徽省的高效節(jié)水方案。

關(guān)鍵詞：DGM;農(nóng)田灌溉水系數(shù);高效節(jié)水;安徽省

中圖分類號(hào) S213.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2022）06-0135-03

1 引言

灌溉水利用系數(shù)通常指的是灌入田間的有效水量與渠首引進(jìn)的水量之比，它是評(píng)價(jià)灌溉渠系的工程狀況和管理水平的一個(gè)重要指標(biāo)。除測(cè)算田間水的效率之外，灌溉水利用系數(shù)也是國(guó)家實(shí)行的最嚴(yán)格水資源制度以及水資源管理“三條紅線”控制目標(biāo)中相當(dāng)重要的一環(huán)。近年來(lái)，安徽省灌溉水利用系數(shù)呈現(xiàn)緩慢上升態(tài)勢(shì)，但距離國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平以及國(guó)際歐美發(fā)達(dá)國(guó)家平均水平仍存在較大的差距。2011年水利部公布灌溉水利用系數(shù)的計(jì)算細(xì)則，安徽省也要求各市縣區(qū)開(kāi)展測(cè)算工作。根據(jù)近年來(lái)測(cè)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在省內(nèi)農(nóng)業(yè)灌區(qū)改造和高效節(jié)水灌溉措施的投入基本差別不大的情況下，灌溉水利用系數(shù)增長(zhǎng)呈現(xiàn)日趨減緩的局面。因此，科學(xué)預(yù)測(cè)“十四五”期間安徽省的農(nóng)田灌溉水利用系數(shù)，對(duì)于調(diào)整農(nóng)業(yè)投資方向，高效節(jié)水灌溉和灌區(qū)續(xù)建配套改造的投資比例分?jǐn)偟榷加兄匾囊饬x。由于目前安徽省乃至全國(guó)范圍內(nèi)農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)的測(cè)算年份太少，樣本空間太小，因此適用于灰色理論對(duì)灌溉水利用系數(shù)進(jìn)行測(cè)算，目前國(guó)內(nèi)尚未見(jiàn)類似應(yīng)用報(bào)道。

2 模型簡(jiǎn)介

灰色系統(tǒng)理論是由華中理工大學(xué)鄧聚龍教授于1982年提出并加以發(fā)展的。多年來(lái)，該理論引起了不少國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，并得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，目前在我國(guó)已經(jīng)成為社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、科學(xué)技術(shù)在等諸多領(lǐng)域進(jìn)行預(yù)測(cè)、決策、評(píng)估、規(guī)劃控制、系統(tǒng)分析與建模的重要方法之一。特別是它對(duì)時(shí)間序列短、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)少、信息不完全系統(tǒng)的分析與建模，具有獨(dú)特的功效，因此得到了廣泛的應(yīng)用。

灰色預(yù)測(cè)模型（Gray Forecast Model）是通過(guò)少量的、不完全的信息，建立數(shù)學(xué)模型并做出預(yù)測(cè)的一種預(yù)測(cè)方法。在應(yīng)用運(yùn)籌學(xué)的思想方法解決實(shí)際問(wèn)題，制定發(fā)展戰(zhàn)略和政策、進(jìn)行重大問(wèn)題的決策時(shí)，都必須對(duì)未來(lái)進(jìn)行科學(xué)的預(yù)測(cè)。預(yù)測(cè)是根據(jù)客觀事物的過(guò)去和現(xiàn)在的發(fā)展規(guī)律，借助于科學(xué)的方法對(duì)其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)和狀況進(jìn)行描述和分析，并形成科學(xué)的假設(shè)和判斷。

灰色系統(tǒng)理論是研究解決灰色系統(tǒng)分析、建模、預(yù)測(cè)、決策和控制的理論。灰色預(yù)測(cè)是對(duì)灰色系統(tǒng)所做的預(yù)測(cè)。目前常用的一些預(yù)測(cè)方法（如回歸分析等）需要較大的樣本，若樣本較小，常造成較大誤差，使預(yù)測(cè)目標(biāo)失效。而灰色預(yù)測(cè)模型所需建模信息少，運(yùn)算方便，建模精度高，在各種預(yù)測(cè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，是處理小樣本預(yù)測(cè)問(wèn)題的有效工具。

灰色理論以“部分信息已知、部分信息未知”的“小樣本”“貧信息”的不確定問(wèn)題為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)“部分”已知的信息的生成開(kāi)發(fā)，提取有價(jià)值的信息，構(gòu)造生成序列的手段來(lái)尋求現(xiàn)實(shí)現(xiàn)象中存在的規(guī)律。灌溉水利用系數(shù)就屬于此類問(wèn)題。

目前應(yīng)用領(lǐng)域普遍用GM（1，1）模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，但有時(shí)效果不十分理想并且缺乏穩(wěn)定性?；疑A(yù)測(cè)模型是基于最小二乘法的指數(shù)擬合曲線，但當(dāng)用純指數(shù)進(jìn)行擬合時(shí)，卻又不能完全取得滿意的擬合效果，往往會(huì)產(chǎn)生一些偏差。謝乃明研究了離散GM（1，1）模型（即DGM（1，1）模型）及其拓廣形式的建模機(jī)理，能夠完全擬合純指數(shù)序列和非齊次指數(shù)序列，有效避免了GM（1，1）模型白化方程到白化響應(yīng)式之間產(chǎn)生的誤差。

DGM（1，1）模型與GM（1，1）模型可以被認(rèn)為是同一模型的不同表達(dá)方式，在取值較小時(shí)可以相互替代。只要源數(shù)據(jù)具有近似指數(shù)增長(zhǎng)規(guī)律，都可以用DGM（1，1）模型來(lái)模擬和預(yù)測(cè)。對(duì)于具有近似指數(shù)增長(zhǎng)規(guī)律的源數(shù)據(jù)序列，可以采用離散灰色模型進(jìn)行模擬、預(yù)測(cè)。對(duì)于接近齊次指數(shù)序列的非指數(shù)增長(zhǎng)序列和震蕩序列，相較于GM（1，1）模型應(yīng)優(yōu)先選擇DGM（1，1）模型。

3 研究區(qū)域與預(yù)測(cè)計(jì)算

3.1 研究區(qū)概況 安徽襟江帶淮，沿江通海，屬華東地區(qū)，是長(zhǎng)三角的重要組成部分，地跨長(zhǎng)江、淮河，長(zhǎng)江淮河自西向東穿行而過(guò)，與江蘇、浙江、湖北、江西、山東、河南接壤，東西寬約450km，南北長(zhǎng)約570km，轄境面積14.01萬(wàn)km2，占全國(guó)的1.45%。安徽省是全國(guó)13個(gè)糧食主產(chǎn)區(qū)之一，2019年，安徽省糧食播種面積小幅調(diào)減，經(jīng)濟(jì)作物面積增加。全年糧食產(chǎn)量4054萬(wàn)t、居全國(guó)第4位，增長(zhǎng)1.2%;油料產(chǎn)量161.3萬(wàn)t，增長(zhǎng)2%;蔬菜產(chǎn)量2213.6萬(wàn)t，增長(zhǎng)4.5%。新增稻漁綜合種養(yǎng)面積10.47萬(wàn)hm2，累計(jì)達(dá)21.13萬(wàn)hm2，居全國(guó)前列。

3.2 DGM（1，1）模型計(jì)算步驟【1～2】 根據(jù)安徽省水利廳公布的安徽省農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算結(jié)果，2015—2020相關(guān)分別為0.524、0.528、0.532、0.538、0.544和0.551。將上述指標(biāo)帶入計(jì)算公式中，具體步驟如下：

第1步，原始序列的初始化：

將2015—2020的農(nóng)田灌溉水利用系數(shù)初始化后的序列：

[x0={x01，x02，x03，x04，x05}]=

{0.524，0.528，0.532，0.538，0.544，0.551}

第2步，原始序列的1-AGO，1-AGO生成序列：

[x1={x11，x12，x13，x14，x15}]=

{0.524，1.052，1.584，2.122，2.666，3.217}

第3步，模型參數(shù)的計(jì)算：

β1=1.011，β2=0.521

帶入?yún)?shù)，則預(yù)測(cè)公式可得為：

[dx1dk+0.521x1=1.011]

第4步，模擬值的計(jì)算

0.524，0.527，0.533，0.539，0.544，0.550，

第5步，計(jì)算殘差，平均相對(duì)誤差：

殘差=0.000，平均相對(duì)誤差=0.125%，該誤差遠(yuǎn)小于0.5%的最好的相對(duì)擬合精度。因此對(duì)未來(lái)的預(yù)測(cè)公式可變?yōu)椋?/p>

[x（0）1β1-1+β2=0.527]

第6步，預(yù)測(cè)結(jié)果：

[y0={y01，y02，y03，y04，y05}]=

{0.556，0.562，0.568，0.575，0.581}

即2021—2025年的“十四五”期間安徽省灌溉水利用系數(shù)分別為0.556、0.562、0.568、0.575、0.581。

4 結(jié)果與分析

從預(yù)測(cè)結(jié)果可以看出，安徽省未來(lái)5年的灌溉水利用系數(shù)將呈現(xiàn)緩慢地上升狀態(tài)，5年平均增長(zhǎng)率1.1%。2015—2020年安徽省投資在灌溉水利用系數(shù)資金平均約762.7億元（包括灌區(qū)配套改造和高效節(jié)水農(nóng)業(yè)設(shè)施），其中灌區(qū)配套改造資金投入約占75.6%，高效節(jié)水農(nóng)業(yè)占24.4%。2015—2020年，安徽省農(nóng)田灌溉水利用系數(shù)在全國(guó)的位次分別為23、22、25、21、22和24，從近5年情況來(lái)看，安徽省農(nóng)田灌溉水利用效率始終處于全國(guó)中等偏下的位置，而與此同時(shí)投入資金屬于中等偏上水平，投入產(chǎn)出比對(duì)于安徽省位次的提升效果顯現(xiàn)不足。2021—2025年的“十四五”灌溉系數(shù)從目前的投入占比看來(lái)，未來(lái)對(duì)安徽省總體的灌溉系數(shù)提升不大，不能有效地提高“十四五”期間安徽省的位次。隨著安徽省在國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)地位的逐漸提高，近3年已經(jīng)逐漸超越北京和上海位居全國(guó)前10位，應(yīng)該在各個(gè)環(huán)節(jié)在全國(guó)的地位匹配安徽的經(jīng)濟(jì)實(shí)力，因此建議在目前的農(nóng)業(yè)投入的基礎(chǔ)上進(jìn)一步加大投資力度，同時(shí)提高高效節(jié)水灌溉的比例。

5 問(wèn)題與建議

5.1 存在問(wèn)題 目前，安徽省高效節(jié)水灌溉還有許多不足之處。一是總規(guī)模過(guò)小，目前全省高效節(jié)水灌溉面積僅占有效灌溉面積的4%，與周邊省份相比存在差距。二是發(fā)展速度偏慢且不穩(wěn)定，建設(shè)面積年際變動(dòng)幅度大。三是未充分利用高效節(jié)水灌溉系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行“水-肥-藥一體化”應(yīng)用，在促進(jìn)作物提高品質(zhì)等方面做得不夠。四是管理水平低，設(shè)備設(shè)施不能做到定期維護(hù)更新。

5.2 建議 根據(jù)各地自然條件和灌溉特征，將全省由北向南劃分為淮北平原、江淮丘陵區(qū)、沿江圩區(qū)、皖西山區(qū)和皖南山區(qū)5個(gè)農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)。其中，淮北平原區(qū)、江淮丘陵區(qū)為缺水地區(qū)，是全省高效節(jié)水發(fā)展的重點(diǎn)區(qū)域。具體區(qū)域高效節(jié)水灌溉布局和主要模式建議如下：

5.2.1 淮北平原區(qū) 該區(qū)域區(qū)農(nóng)田灌溉分為3種類型，即河灌、井灌、河井結(jié)合灌。旱作物種植以發(fā)展管道輸水灌溉、半固定式、移動(dòng)式噴灌為主，露地蔬菜、藥材種植區(qū)以發(fā)展固定式噴灌為主，溫室、大棚種植區(qū)以發(fā)展滴灌為主，果樹(shù)種植區(qū)以發(fā)展滴灌、微噴灌、小管出流灌溉為主。同時(shí)，本區(qū)應(yīng)結(jié)合正在實(shí)施的機(jī)井通電工程，大力發(fā)展井灌區(qū)低壓管道輸水灌溉工程;積極推廣應(yīng)用射頻卡計(jì)量收費(fèi)、微灌水肥一體化等先進(jìn)技術(shù);沿淮及淮河支流的小型灌區(qū)、灌溉片，可結(jié)合泵站、渠系改造，采取以管代渠的方式，建設(shè)以地表水為水源的大口徑管道輸水灌溉工程。

5.2.2 江淮丘陵區(qū) 本區(qū)地下水貧乏，灌溉水源主要靠塘壩、水庫(kù)、湖泊等地表水。受地形條件限制，高效節(jié)水灌溉工程應(yīng)以分散、多樣化發(fā)展為主，適當(dāng)考慮集中。應(yīng)立足當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境特點(diǎn)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，結(jié)合作物種植結(jié)構(gòu)調(diào)整，靈活選擇高效節(jié)水灌溉發(fā)展方式。規(guī)?；恋亓鬓D(zhuǎn)區(qū)內(nèi)種植旱作或高效經(jīng)濟(jì)作物的可率先發(fā)展噴灌、微灌。微灌技術(shù)主要用于蔬菜、果樹(shù)、花卉、藥材等高效經(jīng)濟(jì)作物，噴灌可用于除水稻之外的作物。一般露地蔬菜可選固定式噴灌或半固定式噴灌，大田作物可選用半固定式噴灌或移動(dòng)式噴灌。

5.2.3 沿江圩區(qū) 本區(qū)降水變率較大，春夏易澇，夏秋干旱較突出，高效節(jié)水灌溉工程的建設(shè)應(yīng)從節(jié)水減排、降低灌溉成本等方面進(jìn)行布局。在區(qū)域型、城郊型蔬菜等高附加值作物區(qū)，大力推廣噴灌、微灌技術(shù);在小型提水灌區(qū)，發(fā)展管道輸水灌溉工程。在城郊型高效節(jié)水灌溉工程建設(shè)中，應(yīng)開(kāi)展灌溉自動(dòng)化、智能化的示范推廣。

5.2.4 皖南山區(qū) 本區(qū)屬亞熱帶濕潤(rùn)地區(qū)，境內(nèi)地形復(fù)雜，山巒起伏連綿，是一個(gè)以林茶生產(chǎn)為主的農(nóng)業(yè)區(qū)，也適于發(fā)展亞熱帶果木的生產(chǎn)。區(qū)域雨量充沛，但年際年內(nèi)分布不均勻，由于地形條件限制，土地零星分散，大多只能靠當(dāng)家塘、堰壩進(jìn)行灌溉。水資源量雖多，但能為灌溉利用的量很少，農(nóng)業(yè)抗旱能力不強(qiáng)。該區(qū)高效節(jié)水灌溉主要集中在茶葉、果樹(shù)等經(jīng)濟(jì)作物種植區(qū)建設(shè)。其中茶園以發(fā)展噴灌、微噴灌為主，果樹(shù)以發(fā)展滴灌、微噴灌為宜。有條件的區(qū)域，可利用水源與灌溉區(qū)域高差發(fā)展自壓式噴、微灌。

5.2.5 皖西山區(qū) 皖西大別山南坡熱量較好，適宜茶園及果樹(shù)生長(zhǎng)。北坡夏秋涼爽，適于發(fā)展蠶桑、食用菌、藥用植物等經(jīng)濟(jì)作物。高效節(jié)水灌溉面積為3033.33hm2的萬(wàn)畝工程應(yīng)結(jié)合優(yōu)勢(shì)農(nóng)產(chǎn)品的布局，以發(fā)展噴灌、微灌為主;其中食用菌以發(fā)展微噴灌為主。有條件的區(qū)域，可利用水源與灌溉區(qū)域高差發(fā)展自壓式噴、微灌。

6 結(jié)語(yǔ)

灌溉水利用系數(shù)是體現(xiàn)國(guó)家及省市縣農(nóng)田用水效率的重要指標(biāo)之一，同時(shí)也是最嚴(yán)格水資源管理制度的重要抓手。近年來(lái)，安徽省灌溉水利用系數(shù)呈現(xiàn)緩慢上升態(tài)勢(shì)，但距離國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平以及國(guó)際歐美發(fā)達(dá)國(guó)家平均水平仍存在較大差距。本文基于過(guò)去5年的安徽省灌溉水利用系數(shù)，通過(guò)DGM（1，1）模型對(duì)“十四五”期間安徽省灌溉水利用系數(shù)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。通過(guò)預(yù)測(cè)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的投資比例不足以提高安徽省目前在全國(guó)的位次水平。因此，應(yīng)在“十四五”期間，進(jìn)一步加大高效節(jié)水灌溉的投入力度，并因地制宜發(fā)展安徽省各區(qū)域適合的高效灌溉模式。

參考文獻(xiàn)

[1]徐妍.基于GM（1，1）模型的陜西省農(nóng)產(chǎn)品物流需求預(yù)測(cè)分析[J].遼寧農(nóng)業(yè)科學(xué)，2021（5）：41-43.

[2]李志會(huì).基于博弈論和灰色模型的高校節(jié)水研究與應(yīng)用[D].邯鄲：河北工程大學(xué)，2021.

（責(zé)編：張宏民）