遼寧省大型灌區(qū)節(jié)水潛力的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)分析

陳麗

（沈陽(yáng)市水務(wù)事務(wù)服務(wù)與行政執(zhí)法中心，遼寧 沈陽(yáng) 110036）

遼寧屬于農(nóng)業(yè)大省，屬于我國(guó)糧食主要生產(chǎn)基地，而遼寧省位于我國(guó)的東北部，屬于水資源相對(duì)短缺的省份[1]。遼寧省早在80年代開(kāi)始一定規(guī)模地建設(shè)灌區(qū)，從而保障農(nóng)業(yè)正常生產(chǎn)，但是早期的大型灌區(qū)建設(shè)，節(jié)水工程措施考慮相對(duì)較少，使得遼寧省大型灌區(qū)節(jié)水效率系數(shù)均低于全國(guó)平均水平[2]。遼寧省“十四五”水安全保障規(guī)劃加大對(duì)全省大中型灌區(qū)的改造建設(shè)，目的在于提高大中型灌區(qū)的節(jié)水能力，提升灌區(qū)的節(jié)水效率，加大節(jié)水潛力建設(shè)[3]。國(guó)內(nèi)多個(gè)學(xué)者研究成果表明[4-7]，通過(guò)對(duì)灌區(qū)節(jié)水潛力的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)，可以為灌區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水規(guī)劃提供重要的支撐依據(jù)。近些年來(lái)，我國(guó)對(duì)于灌區(qū)節(jié)水潛力預(yù)測(cè)取得一定研究成果[8-14]，在這些研究成果中，動(dòng)態(tài)遞歸預(yù)測(cè)模型相比于其他方法在許多區(qū)域具有較好的節(jié)水潛力預(yù)測(cè)效果，但在遼寧省還未得到具體應(yīng)用，為提高遼寧省大型灌區(qū)節(jié)水改造規(guī)劃的科學(xué)性，本文結(jié)合動(dòng)態(tài)遞歸預(yù)測(cè)模型，對(duì)遼寧省10個(gè)大型灌區(qū)進(jìn)行節(jié)水潛力的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)，研究成果對(duì)于遼寧省大型灌區(qū)改造規(guī)劃建設(shè)具有重要的支撐意義。

1 節(jié)水潛力動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)方法

動(dòng)態(tài)遞歸預(yù)測(cè)模型基于非線性映射原理對(duì)灌區(qū)節(jié)水潛力進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)，其模型構(gòu)建方程：

式中：y為預(yù)測(cè)的灌區(qū)節(jié)水潛力，億m3；g為模型動(dòng)態(tài)遞歸系數(shù)；ω2為節(jié)水潛力指標(biāo)變量權(quán)重；x為農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力相關(guān)指標(biāo)；k為中間變量參數(shù)。動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型對(duì)預(yù)測(cè)中間變量進(jìn)行參數(shù)轉(zhuǎn)換計(jì)算：

式中：ω1為節(jié)水潛力指標(biāo)變量轉(zhuǎn)換權(quán)重；xc為回歸方程的變量參數(shù)；μ為中間變量轉(zhuǎn)換值。xc回歸方程：

動(dòng)態(tài)遞歸預(yù)測(cè)模型需要對(duì)評(píng)估的節(jié)水潛力指標(biāo)進(jìn)行概率計(jì)算，計(jì)算方程：

其中：fi為節(jié)水潛力評(píng)價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值。該指標(biāo)計(jì)算方程：

其中：Ei為誤差平方和，其計(jì)算方程：

式中：d0為模型輸入值；γ為節(jié)水潛力輸出變量；OO為模型擬合值；O為訓(xùn)練樣本個(gè)數(shù)；i為訓(xùn)練指標(biāo)個(gè)數(shù)。

2 遼寧省大型灌區(qū)節(jié)水潛力預(yù)測(cè)

2.1 灌區(qū)概況

遼寧省灌溉面積超過(guò)2萬(wàn)hm2大型灌區(qū)有10個(gè)（見(jiàn)表1），主要位于沈陽(yáng)市、丹東市、葫蘆島市、營(yíng)口市、遼陽(yáng)市、鐵嶺市、盤(pán)錦市。10個(gè)灌區(qū)灌溉規(guī)劃總面積為304.42 萬(wàn)hm2，現(xiàn)狀條件下的灌溉總面積為2 149.18 萬(wàn)hm2，大洼灌區(qū)規(guī)劃灌溉面積最高為6.5萬(wàn)hm2，玉石灌區(qū)規(guī)劃灌溉面積最低為2.09 萬(wàn)hm2。現(xiàn)狀條件下灌溉有效面積最高的為營(yíng)口灌區(qū)，為 4.49 萬(wàn) hm2，玉石灌區(qū)最低，為 1.87 萬(wàn) hm2。遼寧省各大型灌區(qū)供水渠道主要為土渠，渠道襯砌率較低，自流渠灌區(qū)灌溉水利用率僅為50%左右，井灌區(qū)灌溉水的利用率為60%左右。為提高大型灌區(qū)的灌溉用水效率，遼寧省開(kāi)展了大型灌區(qū)的現(xiàn)代化改造，各灌區(qū)主要農(nóng)作物為水稻和玉米，其中水稻產(chǎn)量占全省水稻產(chǎn)量的比例高于50%，各大型灌區(qū)的水稻和玉米作物需水量如表1所示。

表1 遼寧省大型灌區(qū)玉米和水稻作物的需水量

2.2 動(dòng)態(tài)遞歸方程誤差分析

結(jié)合各灌區(qū)1995—2019年農(nóng)業(yè)灌溉需水?dāng)?shù)據(jù)，建立農(nóng)業(yè)灌溉需水樣本數(shù)據(jù)系列，分別采用傳統(tǒng)算法和本文算法建立動(dòng)態(tài)回歸方程，并對(duì)不同分量下模型遞歸方程的誤差進(jìn)行分析，分析結(jié)果如表2 所示。

表2 模型不同算法和分量下遞歸方程誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果

采樣農(nóng)業(yè)灌溉用水?dāng)?shù)據(jù)作為樣本系列建立動(dòng)態(tài)遞歸是傳統(tǒng)算法模型建立的方式，這種算法需要系列較長(zhǎng)的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行遞歸方程的建立，而考慮到遼寧省大型灌區(qū)已有農(nóng)業(yè)灌溉用水?dāng)?shù)據(jù)序列樣本較短，傳統(tǒng)算法下的動(dòng)態(tài)遞歸方程誤差較大，為此本文采用一種基于樣本變量概率分析的算法進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉用水動(dòng)態(tài)遞歸方程的建立。該算法類似主成分分析方法，以平方誤差最小對(duì)遞歸方程進(jìn)行建立，該算法下模型對(duì)樣本序列長(zhǎng)短要求相對(duì)較低，樣本數(shù)據(jù)系列高于20年即可滿足遞歸方程的精度要求。從不同算法各分量下的誤差分析結(jié)果可看出，本文采用的算法下各分量誤差相比于傳統(tǒng)算法有所下降，可以采用新算法來(lái)進(jìn)行遼寧省各大型灌區(qū)節(jié)水潛力的動(dòng)態(tài)遞歸模型的建立。

2.3 農(nóng)作物凈水量分析

動(dòng)態(tài)遞歸預(yù)測(cè)模型需要對(duì)灌區(qū)內(nèi)主要作物的凈水量進(jìn)行分析，表3 為對(duì)遼寧省各大型灌區(qū)的玉米和水稻兩種主要農(nóng)作物進(jìn)行凈灌溉水量均值的計(jì)算結(jié)果。

表3 遼寧省各大型灌區(qū)主要農(nóng)作物凈灌溉水量計(jì)算結(jié)果

從表3 可看出，玉米凈灌溉水量為水稻凈灌溉水量的1/2，水稻降水利用系數(shù)要高于玉米，水稻泡田灌溉水量在各生長(zhǎng)期屬于最高值。從各灌區(qū)的凈灌溉水量均值可看出，東港灌區(qū)的凈灌溉水量最高，這主要是因?yàn)闁|港灌區(qū)主要灌溉農(nóng)作物為水稻，玉米作物灌溉相對(duì)較少，且東港灌區(qū)屬于遼寧省水資源量較為充沛的區(qū)域，因此在全省東港灌區(qū)的凈灌溉水量最高。在各大型灌區(qū)中，大洼灌區(qū)的凈灌溉水量最低，這主要是因?yàn)榇笸莨鄥^(qū)的有效灌溉面積相比于其他灌區(qū)要小。

2.4 各大型灌區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水效率系數(shù)測(cè)算

在灌區(qū)不同作物灌溉凈水量分析的基礎(chǔ)上，對(duì)遼河平原各典型區(qū)2006—2016年現(xiàn)狀年以及2025年、2035年遠(yuǎn)景規(guī)劃年對(duì)節(jié)水效率系數(shù)進(jìn)行測(cè)算，結(jié)果見(jiàn)表4 和表5。

表4 遼寧中東部大型灌區(qū)節(jié)水效率系數(shù)測(cè)算結(jié)果

2009—2019年，遼寧省10個(gè)大型灌區(qū)的節(jié)水效率系數(shù)總體呈現(xiàn)遞增變化，其遞增變化的主因主要有兩個(gè)方面：從2010年以后，遼寧省加大對(duì)大型灌區(qū)的改造，尤其是加大對(duì)灌區(qū)供水渠道襯砌改造，有效降低了渠道滲漏損失，提高了有效灌溉供水量，使得大型灌區(qū)的農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水效率系數(shù)得到普遍提升；此外，從灌區(qū)的節(jié)水效率系數(shù)分布來(lái)看，遼寧中東部地區(qū)各大型灌區(qū)的節(jié)水效率系數(shù)總體好于遼寧中西部大型灌區(qū)的節(jié)水效率系數(shù)，這主要是因?yàn)楣鄥^(qū)的節(jié)水效率系數(shù)總體和大型灌區(qū)的灌溉有效面積有關(guān)，灌溉有效面積越高其農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水效率系數(shù)相對(duì)較高。第二方面是灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水措施力度的加大，尤其是遼寧中東部地區(qū)的各大型灌區(qū)。近些年來(lái)，隨著遼中東部地區(qū)大型灌區(qū)滴灌節(jié)水措施的不斷實(shí)施，原有灌區(qū)噴灌或漫灌方式的逐步取代，區(qū)域農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水量加大，使得其灌區(qū)節(jié)水效率系數(shù)也不斷增加。遼寧省各大型灌區(qū)2030年及2040年遠(yuǎn)景年節(jié)水效率系數(shù)的總體可達(dá)到0.55 以上，部分大型灌區(qū)節(jié)水效率系數(shù)可達(dá)到0.8 以上，灌區(qū)節(jié)水效率系數(shù)遞增明顯。

2.5 大型灌區(qū)灌溉節(jié)水潛力動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)

在遼寧省10個(gè)大型灌區(qū)節(jié)水效率系數(shù)現(xiàn)狀和遠(yuǎn)景年分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合動(dòng)態(tài)遞歸預(yù)測(cè)模型對(duì)遼寧省各大型灌區(qū)遠(yuǎn)景年節(jié)水潛力進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果如表6 所示。

表6 遼寧平原典型農(nóng)業(yè)灌漚遠(yuǎn)上節(jié)水潛力計(jì)算結(jié)果

通過(guò)對(duì)2030年和2040年遠(yuǎn)景年條件下遼寧省各大型灌區(qū)的節(jié)水潛力進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)分析，分析結(jié)果表明，到2030年遠(yuǎn)景年，遼寧省10個(gè)大型灌區(qū)的節(jié)水潛力增幅有所不同，這主要和灌區(qū)節(jié)水改造后的有效灌溉面積相關(guān)，改造后的灌區(qū)有效灌溉面積越高其節(jié)水潛力也相對(duì)較高，遼寧省各大型灌區(qū)在2030年和2040年遠(yuǎn)景規(guī)劃年的節(jié)水潛力增幅均值可分別達(dá)到1.71 和2.14 億m3，在各大型灌區(qū)中，渾沙灌區(qū)增幅最高，盤(pán)山灌區(qū)增幅最低。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析，遼寧省大型灌區(qū)節(jié)水潛力較高，主要受有效灌溉面積影響，使得各大型灌區(qū)節(jié)水效率系數(shù)低于全國(guó)均值，建議在大型灌區(qū)改造實(shí)施中，重點(diǎn)增加大型灌區(qū)的灌溉有效面積率，提升節(jié)水效率系數(shù)，加大灌區(qū)節(jié)水指標(biāo)率；遼東大型灌區(qū)節(jié)水潛力顯著高于遼西地區(qū)節(jié)水潛力，對(duì)于遼東大型灌區(qū)，應(yīng)重點(diǎn)加大作物的凈灌溉水量，尤其是水稻作物，通過(guò)加大農(nóng)業(yè)節(jié)水措施提高水稻主產(chǎn)物的凈灌溉水，對(duì)于遼西大型灌區(qū)應(yīng)重點(diǎn)加大對(duì)灌渠節(jié)水措施的改造力度，加大渠道襯砌率，降低渠道滲漏損失。應(yīng)通過(guò)遼寧省水網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)等重點(diǎn)項(xiàng)目加大對(duì)遼寧省大型灌區(qū)的節(jié)水總體規(guī)劃設(shè)計(jì)，逐步提高優(yōu)化各大型灌區(qū)的節(jié)水潛力，提升全省灌區(qū)的有效灌溉效率。