基于DGM安徽省灌溉水利用系数预测与分析_许一

安徽农学通报，Anhui Agri，Sci，Bull，2022，28 ( 06 ) 135

1 引言

灌溉水利用系数通常指的是灌入田间的有效水量与 渠首引进的水量之比，它是评价灌溉渠系的工程状况和 管理水平的一个重要指标 。除测算田间水的效率之外， 灌溉水利用系数也是国家实行的最严格水资源制度以及 水资源管理“三条红线”控制目标中相当重要的一环 。近 年来，安徽省灌溉水利用系数呈现缓慢上升态势，但距离 国内先进水平以及国际欧美发达国家平均水平仍存在较 大的差距 。2011年水利部公布灌溉水利用系数的计算细 则，安徽省也要求各市县区开展测算工作 。根据近年来 测算结果发现，在省内农业灌区改造和高效节水灌溉措 施的投入基本差别不大的情况下，灌溉水利用系数增长 呈现日趋减缓的局面 。因此，科学预测“十四五”期间安 徽省的农田灌溉水利用系数，对于调整农业投资方向，高 效节水灌溉和灌区续建配套改造的投资比例分摊等都有 着重要的意义 。 由于目前安徽省乃至全国范围内农田灌 溉水有效利用系数的测算年份太少，样本空间太小，因此 适用于灰色理论对灌溉水利用系数进行测算，目前国内 尚未见类似应用报道。

2 模型简介

灰色系统理论是由华中理工大学邓聚龙教授于1982 年提出并加以发展的 。多年来，该理论引起了不少国内 外学者的关注，并得到了长足的发展，目前在我国已经 成为社会 、经济 、科学技术在等诸多领域进行预测 、决 策、评估、规划控制、系统分析与建模的重要方法之一。 特别是它对时间序列短、统计数据少、信息不完全系统 的分析与建模 ，具有独特的功效 ，因此得到了广泛的 应用。

灰色预测模型(Gray Forecast Model)是通过少量的、 不完全的信息，建立数学模型并做出预测的一种预测方 法 。在应用运筹学的思想方法解决实际问题，制定发展

战略和政策、进行重大问题的决策时，都必须对未来进行 科学的预测 。预测是根据客观事物的过去和现在的发展 规律，借助于科学的方法对其未来的发展趋势和状况进 行描述和分析，并形成科学的假设和判断。

灰色系统理论是研究解决灰色系统分析、建模、预 测、决策和控制的理论 。灰色预测是对灰色系统所做的 预测 。 目前常用的一些预测方法(如回归分析等)需要较 大的样本，若样本较小，常造成较大误差，使预测目标失 效 。而灰色预测模型所需建模信息少，运算方便，建模精 度高，在各种预测领域都得到了广泛的应用，是处理小样 本预测问题的有效工具。

灰色理论以“部分信息已知、部分信息未知”的“小样 本”“贫信息”的不确定问题为研究对象，通过对“部分”已 知的信息的生成开发，提取有价值的信息，构造生成序列 的手段来寻求现实现象中存在的规律 。灌溉水利用系数 就属于此类问题。

目前应用领域普遍用GM( 1，1 )模型进行预测，但有 时效果不十分理想并且缺乏稳定性 。灰色预测模型是基 于最小二乘法的指数拟合曲线，但当用纯指数进行拟合 时，却又不能完全取得满意的拟合效果，往往会产生一些 偏差 。谢乃明研究了离散GM( 1，1 )模型(即DGM( 1，1 )模 型)及其拓广形式的建模机理，能够完全拟合纯指数序列 和非齐次指数序列，有效避免了GM( 1，1 )模型白化方程 到白化响应式之间产生的误差。

DGM ( 1，1 )模型与GM( 1，1 )模型可以被认为是同一 模型的不同表达方式，在取值较小时可以相互替代 。只 要源数据具有近似指数增长规律，都可以用DGM( 1，1 )模 型来模拟和预测 。对于具有近似指数增长规律的源数据 序列，可以采用离散灰色模型进行模拟、预测 。对于接近 齐次指数序列的非指数增长序列和震荡序列，相较于GM               ( 1，1 )模型应优先选择DGM( 1，1 )模型。

作者简介：许一( 1984— )，男，安徽宿州人，硕士，工程师，研究方向：水文水资源 。 收稿日期：2021- 11- 12

3 研究区域与预测计算

3.1 研究区概况 安徽襟江带淮，沿江通海，属华东地 区，是长三角的重要组成部分，地跨长江、淮河，长江淮河 自西向东穿行而过，与江苏、浙江、湖北、江西、山东、河南 接壤，东西宽约450km，南北长约570km，辖境面积14.01万 km2，占全国的1.45% 。安徽省是全国13个粮食主产区之 一，2019年，安徽省粮食播种面积小幅调减，经济作物面 积增加 。全年粮食产量4054 万t、居全国第4 位 ，增长 1.2%；油料产量161.3万t，增长2%；蔬菜产量2213.6万t，增 长4.5% 。新增稻渔综合种养面积10.47 万hm2，累计达 21. 13万hm2，居全国前列。

3.2 DGM( 1，1 )模型计算步骤【1~2】 根据安徽省水利厅 公布的安徽省农田灌溉水有效利用系数测算结果，2015 —2020 相 关 分 别 为 0.524、0.528、0.532、0.538、0.544 和 0.551 。将上述指标带入计算公式中，具体步骤如下：

第1步，原始序列的初始化：

将2015—2020的农田灌溉水利用系数初始化后的 序列：

x( 0 ) = { x( 0 ) ( 1 ) , x( 0 ) ( 2 ) , x( 0 ) ( 3 ) , x( 0 ) ( 4 ) , x( 0 ) ( 5 ) }= { 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：

x( 1 ) = { x( 1 ) ( 1 ) , x( 1 ) ( 2 ) , x( 1 ) ( 3 ) , x( 1 ) ( 4 ) , x( 1 ) ( 5 ) }=

{ 0.524，1.052，1.584，2. 122，2.666，3.217 }

第3步，模型参数的计算：

β 1=1.011，β2=0.521

带入参数，则预测公式可得为：

+ 0.521x( 1 ) = 1.011

第4步，模拟值的计算

0.524，0.527，0.533，0.539，0.544，0.550，

第5步，计算残差，平均相对误差：

残差=0.000，平均相对误差=0. 125%，该误差远小于 0.5%的最好的相对拟合精度 。因此对未来的预测公式可

变为：

x( 0 ) ( 1 ) ( β1 - 1 ) + β2 = 0.527

第6步，预测结果：

y( 0 ) = { y( 0 ) ( 1 ) , y( 0 ) ( 2 ) , y( 0 ) ( 3 ) , y( 0 ) ( 4 ) , y( 0 ) ( 5 ) }= { 0.556，0.562，0.568，0.575，0.581 }

即2021—2025年的“十四五”期间安徽省灌溉水利用 系数分别为0.556、0.562、0.568、0.575、0.581。

4 结果与分析

从预测结果可以看出，安徽省未来5年的灌溉水利用 系数将呈现缓慢地上升状态，5年平均增长率1. 1% 。2015 —2020年安徽省投资在灌溉水利用系数资金平均约762.7 亿元(包括灌区配套改造和高效节水农业设施)，其中灌

区配套改造资金投入约占75.6%，高效节水农业占24.4% 。 2015—2020年，安徽省农田灌溉水利用系数在全国的位 次分别为23、22、25、21、22和24，从近5年情况来看，安徽 省农田灌溉水利用效率始终处于全国中等偏下的位置 ， 而与此同时投入资金属于中等偏上水平，投入产出比对 于安徽省位次的提升效果显现不足 。2021—2025年的 “十四五”灌溉系数从目前的投入占比看来，未来对安徽 省总体的灌溉系数提升不大，不能有效地提高“十四五” 期间安徽省的位次 。随着安徽省在国内经济地位的逐渐 提高，近3年已经逐渐超越北京和上海位居全国前10位 ， 应该在各个环节在全国的地位匹配安徽的经济实力，因 此建议在目前的农业投入的基础上进一步加大投资力 度，同时提高高效节水灌溉的比例。

5 问题与建议

5.1 存在问题 目前，安徽省高效节水灌溉还有许多不 足之处 。一是总规模过小，目前全省高效节水灌溉面积 仅占有效灌溉面积的4%，与周边省份相比存在差距 。二 是发展速度偏慢且不稳定，建设面积年际变动幅度大。 三是未充分利用高效节水灌溉系统的特点进行“水-肥- 药一体化”应用，在促进作物提高品质等方面做得不够。 四是管理水平低，设备设施不能做到定期维护更新。

5.2 建议 根据各地自然条件和灌溉特征，将全省由北 向南划分为淮北平原、江淮丘陵区、沿江圩区、皖西山区 和皖南山区5个农业灌溉区 。其中，淮北平原区、江淮丘 陵区为缺水地区，是全省高效节水发展的重点区域 。具 体区域高效节水灌溉布局和主要模式建议如下：

5.2. 1 淮北平原区 该区域区农田灌溉分为3种类型，即 河灌、井灌、河井结合灌 。旱作物种植以发展管道输水灌 溉、半固定式、移动式喷灌为主，露地蔬菜、药材种植区以 发展固定式喷灌为主，温室、大棚种植区以发展滴灌为 主，果树种植区以发展滴灌、微喷灌、小管出流灌溉为主。 同时，本区应结合正在实施的机井通电工程，大力发展井 灌区低压管道输水灌溉工程；积极推广应用射频卡计量 收费、微灌水肥一体化等先进技术；沿淮及淮河支流的小 型灌区、灌溉片，可结合泵站、渠系改造，采取以管代渠的 方式，建设以地表水为水源的大口径管道输水灌溉工程。

5.2.2 江淮丘陵区 本区地下水贫乏，灌溉水源主要靠 塘坝、水库、湖泊等地表水 。受地形条件限制，高效节水 灌溉工程应以分散、多样化发展为主，适当考虑集中 。应 立足当地自然环境特点和社会经济发展，结合作物种植 结构调整，灵活选择高效节水灌溉发展方式 。规模化土 地流转区内种植旱作或高效经济作物的可率先发展喷 灌、微灌 。微灌技术主要用于蔬菜、果树、花卉、药材等高 效经济作物，喷灌可用于除水稻之外的作物 。一般露地 蔬菜可选固定式喷灌或半固定式喷灌，大田作物可选用

半固定式喷灌或移动式喷灌。

5.2.3 沿江圩区 本区降水变率较大，春夏易涝，夏秋干 旱较突出，高效节水灌溉工程的建设应从节水减排、降低 灌溉成本等方面进行布局 。在区域型、城郊型蔬菜等高 附加值作物区，大力推广喷灌、微灌技术；在小型提水灌 区，发展管道输水灌溉工程 。在城郊型高效节水灌溉工 程建设中，应开展灌溉自动化、智能化的示范推广。

5.2.4 皖南山区 本区属亚热带湿润地区，境内地形复 杂，山峦起伏连绵，是一个以林茶生产为主的农业区，也 适于发展亚热带果木的生产 。区域雨量充沛，但年际年 内分布不均匀，由于地形条件限制，土地零星分散，大多 只能靠当家塘、堰坝进行灌溉 。水资源量虽多，但能为灌 溉利用的量很少，农业抗旱能力不强 。该区高效节水灌 溉主要集中在茶叶、果树等经济作物种植区建设 。其中 茶园以发展喷灌、微喷灌为主，果树以发展滴灌、微喷灌 为宜 。有条件的区域，可利用水源与灌溉区域高差发展 自压式喷、微灌。

5.2.5 皖西山区 皖西大别山南坡热量较好，适宜茶园 及果树生长 。北坡夏秋凉爽，适于发展蚕桑、食用菌、药 用植物等经济作物 。高效节水灌溉面积为3033.33hm2 的

万亩工程应结合优势农产品的布局，以发展喷灌、微灌为 主；其中食用菌以发展微喷灌为主 。有条件的区域，可利 用水源与灌溉区域高差发展自压式喷、微灌。

6 结语

灌溉水利用系数是体现国家及省市县农田用水效率 的重要指标之一，同时也是最严格水资源管理制度的重 要抓手 。近年来，安徽省灌溉水利用系数呈现缓慢上升 态势，但距离国内先进水平以及国际欧美发达国家平均 水平仍存在较大差距 。本文基于过去5年的安徽省灌溉 水利用系数，通过DGM( 1，1 )模型对“十四五”期间安徽省 灌溉水利用系数进行了预测 。通过预测发现，现有的投 资比例不足以提高安徽省目前在全国的位次水平 。 因 此，应在“十四五”期间，进一步加大高效节水灌溉的投入 力度，并因地制宜发展安徽省各区域适合的高效灌溉 模式。

参考文献

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[ 2 ]李志会 . 基于博弈论和灰色模型的高校节水研究与应用[D ] . 邯 郸：河北工程大学，2021.

(责编：张宏民)

(上接127 页)离，导致耕作层的土壤资源被浪费。

3.3 土壤改良缺乏针对性 该项目采用4.5t/hm2 的均匀 施肥方案，在施肥前没有经过检测，不了解各个田块的实 际养分情况。实际上，部分田块之前就是农田，养分较好， 只需要少量施肥；部分田块养分不足，尤其是新增耕地，需 要大量施肥，均匀施肥的方案缺乏针对性，导致资源浪费。

4 对策建议

4.1 实行表土剥离 项目涉及土地平整工程的，要对表 层近30cm的表土就近剥离，平整后再回填，从而保护优质 耕作层[ 3 ] 。表土剥离事项应写入规划设计文本，管理部 门加强监管，施工单位严格按照要求施工。

4.2 增加土壤改良资金 一是转变思想观念，杜绝“重设 施，轻地力”的思想，充分认识到耕地地力对现代化农业 的重要作用；二是优化项目的规划设计，增加土壤改良资 金在总资金中的比重；三是通过引进社会资金、设立新增 耕地奖励金等方式筹集资金，用于土壤改良工程；四是鼓 励项目承包户通过后期持续投入，改良土壤肥力。

4.3 科学施肥 在项目土壤改良工程实施之前，先进行 测土配方，根据项目区耕地的实际情况，以施用有机肥为 主，合理配施氮磷钾肥，通过有针对性地协调土壤养分平 衡，发挥土壤的最大潜能，不断提高土壤肥力[ 4 ] 。

4.4 持续进行土壤改良 土壤改良要想取得成效，并非 一朝一夕，需要多措并举、持续推进 。从技术推广层面来 看，根据南京市溧水区农民种植大户的特点，建议采取以

下措施：( 1 )适当深耕，增施有机肥[ 5 ] 。施肥时，先将肥料 均匀撒在耕地表面，然后统一翻耕，该方式方便快捷，所 需人力量也不大。(2 )采取多种方式的秸秆还田，改善土 壤的理化性状[ 6 ] 。通过秸秆还田，一方面杜绝焚烧带来 的大气污染，同时，作物秸秆中含有大量的微量元素和有 机质，也可以提升耕地地力；另一方面加大补助力度推广 种植绿肥，逐步提升土壤地力，保证了一定的经济收益， 减少化肥使用量[ 7 ] 。( 3 )加强耕地质量变化监测与评价[ 8 ] 。 通过监测布点，采集土壤样品，客观真实地评价耕地质量 提升的效果。

参考文献

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