CN109345105B - 一种多水源灌区灌溉用水量复核方法 - Google Patents

一种多水源灌区灌溉用水量复核方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种多水源灌区农业灌溉用水量复核方法，包括：1）构建多水源灌区灌溉用水量影响因素指标体系；2）构建可变模糊优选模型，根据步骤1得到的各县（市、区）的农业灌溉用水量影响因素指标体系，计算各县（市、区）对设区市农业灌溉用水量的综合贡献度，确定各县（市、区）农业灌溉用水量复核值。该方法充分考虑了影响灌溉用水量的主客观信息，采用可变模糊优选模型计算了不同县（市、区）农业灌溉对设区市农业灌溉用水量的隶属度（综合贡献度），得到了各县（市、区）农业灌溉用水量复核值，为农业灌溉用水量复核提供了定量参考依据，有效提高农业灌溉用水量统计复核结果的合理性和准确性。

Description

一种多水源灌区灌溉用水量复核方法
技术领域
本发明属于水利工程灌溉领域，具体涉及到一种多水源灌区农业灌溉用水量复核方法，属于E02B水利工程分类号下。
背景技术
按《实行最严格水资源管理制度考核办法》要求，2014年起，水利部组织最严格水资源管理制度考核工作，由流域机构对各省年度用水总量统计成果复核，占总水量一半以上的农业灌溉用水总量复核是工作的重要部分。探讨农业灌溉用水总量复核方法，对促进最严格水资源管理落实具有重要意义。
根据《关于印发用水总量统计方案的通知》（办资源【2014】57号）要求，各省区农业灌溉用水量采取取用水大户逐一计量统计、一般用水户抽样调查、 综合推算区域灌溉用水的技术方法。到2015年，设计灌溉面积5万亩以上（含5万亩）的灌区、公共供水户和自备水源年取用水量50万吨以上（含50万吨）的工业企业作为重点统计对象，重点统计对象取用水量占用水总量的比例达到55%以上。到2020年设计灌溉面积1万亩以上（含1万亩）的灌区也要纳入重点统计对象，比例进一步提高到65%。由于我国南方灌区以中小灌区居多，灌区位置分散，水源众多，灌溉用水重复性利用现象显著，计量监控设施建设运行成本巨大且难以监测到真实的灌溉用水量，各省区尚未实现《用水总量统计方案》 要求的农业用水统计方法。
现有灌溉用水量统计复核方法中，南方多水源灌区灌溉用水量统计方法主要有定额法，灌溉水有效利用系数法，趋势分析法，对比法和经验判断法等方法，不同方法不同口径得到的农业灌溉用水量差别较大。目前的复核方法大多受到限制，复核主要以样点校核法和纵向对比法为主。样点校核法依据区域内样点灌区，计算亩均综合灌溉用水量，用该值乘以相应实际灌溉面积，推算区域灌溉用水量，与上报灌溉水量比较。纵向对比法，结合降水量变化， 对比当年与上一年亩均毛灌溉用水量: 当降水量增加，亩均灌溉水量一般会减少；当降水量减少，亩均灌溉水量一般会增加。对于南方丰水地区，降水量与亩均灌溉用水量的相关关系不明显，该方法对南方多水源灌溉复核适用性低。而样点校核法作为主要复核方法，目前只能做到定性复核。
针对现有技术的缺陷，急需适合南方多水源灌区特性，且简便有效的农业灌溉用水量复核方法。目前南方多水源农业灌溉用水量统计主要采用样点灌区灌溉水有效利用系数推算得出，对于设区市以上尺度样点灌区数量多，代表性好，灌溉用水推算量与实际量接近，而对县（市、区）尺度样点灌区数量少且代表性不足，灌溉用水尺度效应明显，目前尚无有效的南方多水源地区县（市、区）灌溉用水量复核方法。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种南方多水源灌区灌溉用水量复核方法，构建农业灌溉用水量影响指标体系，通过指标体系将设区市灌溉用水量分配到县（市、区），提出了一种基于可变模糊聚类模型的南方多水源地区农业灌溉用水量复核方法，从而进行县（市、区）灌溉用水量的复核工作。
本发明的技术方案为。
一种多水源灌区农业灌溉用水量复核方法，具体包括以下步骤：
第一步，构建南方多水源灌区农业灌溉用水量影响因素指标体系；
灌溉用水量的大小与当地的气候、农作物种类、土地利用系数、复种指数、耕作栽培技术、灌溉制度和灌水技术等诸多因素有关，各区域自然条件、农业生产及经济水平不同，其灌溉用水量有较大差异。
首先，将直接影响灌溉用水量的年降雨量，播种面积纳入指标体系。
其次，由于不同农作物的灌溉用水量相差较大，根据灌溉定额的不同将各设区市统计年鉴中各县（市、区）农作物播种面积指标分为水田播种面积、水浇地播种面积和菜田播种面积三个指标。其中水田指种植早稻、晚稻和单双季稻的田块，菜田指种植水果、蔬菜和花卉苗木的田块，水浇地指种植其他旱作物的田块。
最后，由于不同区域灌溉制度和技术的不同，灌溉用水量还与一些人为因素有关，因此将节水灌溉面积和上年度灌溉用水量作为参考指标纳入指标体系。
第二步，基于可变模糊理论，构建可变模糊聚类模型，根据各县（市、区）农业灌溉用水量影响因素指标体系，计算各县（市、区）对设区市农业灌溉用水量的综合贡献度，确定各县（市、区）农业灌溉用水量。
由于各县（市、区）影响农业灌溉用水量有多个因素，采用相对隶属度法计算各县对农业用水量的综合贡献度，然后进行归一化，根据归一化后的各县（市、区）对农业用水量的综合贡献度乘以全市农业用水量即为该县（市、区）农业用水量复核值。
Figure 22671DEST_PATH_IMAGE001
Figure 80757DEST_PATH_IMAGE002
——县（市、区）农业灌溉用水量指标体系相对隶属度，为设区市灌溉用水量，为县（市、区）灌溉用水量。
相对隶属度计算过程如下。
Figure 391652DEST_PATH_IMAGE003
基础数据无量纲化。
假设待分解灌溉用水量的设区市有n个县（市、区），每个县农业用水量受m个指标影响：m个指标对n个县（市、区）的农业用水量预测可用指标特征值矩阵表示为：
Figure 193386DEST_PATH_IMAGE004
x ij为样本j指标i的特征值，i=1,2,…,m；j=1,2,…,n。
作为多指标因素分析法，指标数据的无量纲化处理是必不可少的，无量纲化的方法有极值化方法、标准化方法、均值化方法、标准差化方法，拟采用极值化方法。
经过对指标无量纲化处理后，使其对影响农业灌溉用水量的作用效果具有可比性，根据每个指标对农业灌溉用水量影响趋势进行分类。
数量值越大，农业灌溉用水量越大的指标无量纲化数值=各县指标值/各县（市、区）最大值；
Figure 538917DEST_PATH_IMAGE005
。
数量值越大，农业灌溉用水量越小的指标无量纲化数值=1-各县指标值/各县（市、区）最大值。
Figure 263510DEST_PATH_IMAGE006
。
指标特征值矩阵变换为指标对农业用水量贡献大小的相对隶属度矩阵，即指标特征值规格化矩阵。
Figure 733805DEST_PATH_IMAGE007
r ij为第j个县（市、区）对于农业用水量指标i的相对隶属度，且0≤r ij≤1。
Figure 463864DEST_PATH_IMAGE008
计算综合隶属度。
样本集的m个指标对优化的影响程度不同，故指标应具有不同的权重，设指标权向量
Figure 539267DEST_PATH_IMAGE009
为
Figure 63789DEST_PATH_IMAGE010
满足
Figure 224644DEST_PATH_IMAGE011
权重应结合当地实际情况，由专家分析和优化方法率定得到。
根据各单项的无量纲化数值和指标权重，可以根据层次分析法或者可变模糊优选模型计算各县（市、区）对农业用水量的综合贡献度，拟采用可变模糊优选模型。
应用两级模糊优选模型，得到第j个县各指标的对农业综合贡献相对隶属度
Figure 227235DEST_PATH_IMAGE012
Figure 655680DEST_PATH_IMAGE013
Figure 616682DEST_PATH_IMAGE014
——相对隶属度，
Figure 264833DEST_PATH_IMAGE015
——模型优化准则参数，
Figure 71115DEST_PATH_IMAGE015
=1、2分别为最小一、二乘方准则，p——距离参数，通常可取为海明距离p=1，欧氏距离p=2。
本发明的有益效果为：该农业灌溉用水量复核方法充分考虑了影响灌溉用水量的主客观信息，采用可变模糊聚类模型计算了不同县（市、区）农业灌溉对设区市农业灌溉用水量的隶属度（综合贡献度），得到了各县（市、区）农业灌溉用水量，为农业灌溉用水量复核提供了定量参考依据，有效提高农业灌溉用水量统计数据合理性和准确性，更好的为最严格水资源管理考核提供支撑。
附图说明
附图1为2015年杭州市农业灌溉用水量复核模型率定结果。
附图2为2016年杭州市农业灌溉用水量复核模型验证结果。
具体实施方式
本发明考虑了影响灌溉用水量的主客观信息，构建农业灌溉用水量影响指标体系，提出了一种基于可变模糊聚类模型的南方多水源地区农业灌溉用水量复核方法。
下面通过浙江省的实施例，对本发明具体实施方法做进一步说明，凡基于本发明的思想做出的任何改进均在本申请保护范围之内。
特定的地形地貌决定了浙江省灌区的结构及其特点——多水源型灌区。其中中西部山丘区及金衢盆地多以水库、山塘、堰坝等为水源，采用自流灌溉方式；而沿江、沿湖滩地和沿海平原地区，如杭嘉湖、萧绍甬、温黄、温瑞等平原河网型灌区多提水灌溉方式。
全省灌区分布点多面广，水源工程类型主要有水库、塘坝、引水堰闸、小型泵站等，灌溉方式既有蓄水、引水为主，又有提水灌溉，共同发挥作用，确保灌区的用水需求。以浙江省杭州市为实例进行农业灌溉用水量复核，具体步骤如下。
第一步，构建灌区农业灌溉用水量影响因素指标体系。
考虑县（市、区）级层面数据的可获取性、相关性等，选取对应指标建立农业灌溉用水量分解指标体系，对各设区市统计年鉴中各县（市、区）农作物播种面积进行分类，结合《浙江省农业用水定额标准》（DB33/T 769-2009），将早稻、晚稻和单季稻灌溉定额最大，其播种面积作为第一个指标，水果、蔬菜和花卉苗木灌溉定额次之，其播种面积作为第二个指标，其他作物均为旱作物，其播种面积作为第三个指标。
根据不同设区市特点，综合考虑其用水效率和管理水平，选取以下指标体系。如表1所示。
表1 农业用水量分解简单型指标体系。
Figure DEST_PATH_IMAGE017AA
【水田播种面积】指当年水稻实际播种面积之和；
【水浇地播种面积】指当年其他旱作物实际播种面积之和；
【菜田播种面积】指当年蔬菜水果和花卉苗木实际播种面积之和；
【年降水量】指由气象或水文部门记录的灌区所在地区的当年实际降水量；
【节水灌溉面积率】指当年实施节水改造的灌区面积与灌区总面积比值；
【上年度灌溉用水量】指县市区上年度农业灌溉用水量。
第二步，率定农业灌溉用水量影响指标体系权重。
选取杭州2015年灌溉用水量影响指标体系数据用于模型指标权重率定，指标体系如表2所示，归一化值如表3所示，率定结果如图1。
表2 杭州市2015年灌溉用水量分解指标体系值。
县市区/指标体系 水田播种面积（千公顷） 水浇地播种面积（千公顷） 菜田播种面积（千公顷） 降雨量（mm） 节水灌溉面积率（%） 上年度灌溉用水量
杭州市区 674 379 6542 1933 0.77 0.1467
萧山 8952 19843 46361 1933 0.77 3.1846
余杭 10387 7212 31274 1933 0.77 1.5544
富阳市 10408 14974 18714 2088 0.39 1.3699
临安市 3679 7179 14802 2059 0.33 1.1316
桐庐县 4349 9915 10704 2308 0.50 0.9678
建德市 6706 13045 13446 2128 0.86 0.9423
淳安县 1619 26141 10670 2436 1.00 0.5004
表3 杭州市2015年灌溉用水量分解指标体系归一化值。
县市区/指标体系 水田播种面积（千公顷） 水浇地播种面积（千公顷） 菜田播种面积（千公顷） 降雨量（mm） 节水灌溉面积率（%） 上年度灌溉用水量
杭州市区 0.06476 0.01450 0.14111 1.00000 0.42857 0.04606
萧山 0.86011 0.75908 1.00000 1.00000 0.42857 1.00000
余杭 0.99798 0.27589 0.67458 1.00000 0.42857 0.48810
富阳市 1.00000 0.57282 0.40366 0.92543 0.84615 0.43017
临安市 0.35348 0.27463 0.31928 0.93844 1.00000 0.35534
桐庐县 0.41785 0.37929 0.23088 0.83735 0.66000 0.30390
建德市 0.64431 0.49902 0.29003 0.90818 0.38372 0.29590
淳安县 0.15555 1.00000 0.23016 0.79338 0.33000 0.15713
权重率定值 0.1134 0.0692 0.0072 0.0138 0.0893 0.7071
第三步，验证农业灌溉用水量复核模型。
选取杭州2016年灌溉用水量影响指标体系数据用于模型验证，指标体系如表4所示，归一化值如表5所示，验证结果如图2所示，结果表明本发明能够克服南方多水源灌区农业灌溉用水复杂性带来的用水量复核困难，不但减少复核工作量，也能达到较好的复核效果。
表4 杭州市2016年灌溉用水量分解指标体系值。
县市区/指标体系 水田播种面积（千公顷） 水浇地播种面积（千公顷） 菜田播种面积（千公顷） 降雨量（mm） 节水灌溉面积率（%） 上年度灌溉用水量
杭州市区 674 379 6562 1777 0.78 0.1403
萧山 8952 19843 46351 1777 0.77 3.0463
余杭 10487 7232 31254 1777 0.77 1.4869
富阳市 10418 14974 18714 1781 0.39 1.4387
临安市 3679 7189 14802 2083 0.34 1.0563
桐庐县 4349 9915 10704 1938 0.50 0.9500
建德市 6706 13065 13446 1864 0.86 0.9522
淳安县 1609 26041 10670 2252 1.00 0.4350
表5 杭州市2016年灌溉用水量分解指标体系归一化值。
县市区/指标体系 水田播种面积（千公顷） 水浇地播种面积（千公顷） 菜田播种面积（千公顷） 降雨量（mm） 节水灌溉面积率（%） 上年度灌溉用水量
杭州市区 0.06427 0.01455 0.14157 1.00000 0.43590 0.04606
萧山 0.85363 0.76199 1.00000 1.00000 0.44156 1.00000
余杭 1.00000 0.27772 0.67429 1.00000 0.44156 0.48810
富阳市 0.99342 0.57502 0.40375 0.99787 0.87179 0.47228
临安市 0.35082 0.27606 0.31935 0.85319 1.00000 0.34675
桐庐县 0.41470 0.38075 0.23093 0.91703 0.68000 0.31185
建德市 0.63946 0.50171 0.29009 0.95343 0.39535 0.31258
淳安县 0.15343 1.00000 0.23021 0.78917 0.34000 0.14280
权重率定值 0.1134 0.0692 0.0072 0.0138 0.0893 0.7071

Claims (1)

1.一种多水源灌区灌溉用水量复核方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：构建多水源灌区灌溉用水量影响因素指标体系，具体步骤为，
1.1)将直接影响灌溉用水量的年降雨量，播种面积纳入指标体系；
1.2)根据灌溉定额的不同将各设区市统计年鉴中各县(市、区)农作物播种面积指标分为水田播种面积、水浇地播种面积和菜田播种面积三个指标；其中，水田指种植早稻、晚稻和单双季稻的田块，菜田指种植水果、蔬菜和花卉苗木的田块，水浇地指种植其他旱作物的田块；
1.3)将节水灌溉面积和上年度灌溉用水量作为参考指标纳入指标体系；
步骤2：构建可变模糊优选模型，根据步骤1得到的各县(市、区)的农业灌溉用水量影响因素指标体系，计算各县(市、区)对设区市农业灌溉用水量的相对隶属度，确定各县(市、区)农业灌溉用水量复核值；
具体为：首先对农业灌溉用水量影响因素指标体系进行归一化，然后采用可变模糊优选模型计算各县(市、区)农业灌溉用水量影响因素指标体系对农业用水量的相对隶属度，根据各县(市、区)对设区市农业用水量的相对隶属度比值乘以全市农业用水量即为该县(市、区)农业用水量复核值：
Wj＝W×μj/∑μj
μj——相对隶属度，W为设区市灌溉用水量，Wj为县(市、区)灌溉用水量；相对隶属度μj计算过程如下：
①基础数据无量纲化
假设待分解灌溉用水量的设区市有n个县(市、区)，每个县(市、区)农业用水量受m个指标影响：m个指标对n个县(市、区)的农业用水量预测可用指标特征值矩阵表示为：
Figure FDA0002391167990000011
xij为样本j指标i的特征值，i＝1,2,…,m；j＝1,2,…,n
经过对指标无量纲化处理后，使其对影响农业灌溉用水量的作用效果具有可比性，根据每个指标对农业灌溉用水量影响趋势进行分类：
数量值越大，农业灌溉用水量越大的指标无量纲化数值＝各县(市、区)指标值/各县(市、区)最大值；
Figure FDA0002391167990000021
数量值越大，农业灌溉用水量越小的指标无量纲化数值＝1-各县(市、区)指标值/各县(市、区)最大值；
Figure FDA0002391167990000022
指标特征值矩阵变换为指标对农业用水量贡献大小的归一化指标矩阵，即指标特征值规格化矩阵
Figure FDA0002391167990000023
rij为第j个县(市、区)对于农业用水量指标i的相对隶属度，且0≤rij≤1；
②计算相对隶属度
样本集的m个指标对优化的影响程度不同，故指标应具有不同的权重，设指标权向量wi为
w＝(w w ... wm)＝wi
满足
Figure FDA0002391167990000024
权重结合当地实际情况，由专家分析和优化算法率定得到；
应用两级模糊优选模型，得到第j个县(市、区)各指标的对农业灌溉用水量相对隶属度uj
Figure FDA0002391167990000031
uj——相对隶属度，α——模型优化准则参数，α＝1、2分别为最小一、二乘方准则，p——距离参数，通常取为海明距离p＝1，欧氏距离p＝2。
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Assignee: Jinshi environmental protection engineering technology (Changzhou) Co.,Ltd.

Assignor: HUAIYIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY

Contract record no.: X2021980016223

Denomination of invention: A review method of irrigation water consumption in multi water source irrigation area

Granted publication date: 20200421

License type: Common License

Record date: 20220104