可测算来水丰枯贡献的农田灌溉用水量驱动因子识别方法

摘要

本发明公开了一种可测算来水丰枯贡献的农田灌溉用水量驱动因子识别方法，其步骤包括：收集不同年份实际灌溉面积、有效灌溉面积、农田灌溉用水量和灌溉用水有效利用系数数据；考虑灌溉面积、灌溉水利用效率、来水丰枯变化贡献，构造灌溉用水量恒等式，将农田灌溉用水量变化分解成有效灌溉规模、实际灌溉比例、灌溉用水有效利用系数和亩均净灌溉用水量四个驱动因子，其中实际灌溉比例和亩均净灌溉用水量主要反映来水丰枯变化影响；利用LMDI方法，推导出驱动因子贡献值测算公式，定量测算驱动因子贡献，及来水丰枯变化贡献，无残差解释农田灌溉用水量变化；通过贡献值大小，识别关键驱动因子，揭示驱动机制。

说明书

技术领域

本发明涉及一种可测算来水丰枯贡献的农田灌溉水量驱动因子识别方法。

背景技术

目前，我国农田灌溉用水总量大、效率低，仍然处于增长态势，是造成水资源供需矛盾突出的重要原因之一。识别影响农田灌溉用水量变化的驱动因子，揭示驱动机制，对于掌握灌溉用水量变化趋势，制定农田灌溉用水管理政策，以提高灌溉用水效率效益，抑制灌溉用水增长，缓解水资源供需矛盾，具有重要意义。

作物灌溉需水量受温度、湿度、风度、日照时间等气象要素丰枯变化影响，而灌溉供水则受降水、径流等水文要素丰枯变化影响。因此，受这些来水丰枯变化影响，农田灌溉用水量表现出显著的丰枯变化特征。但现有驱动因子识别无法测算来水丰枯变化贡献值，无法完整定量解释灌溉用水量变化，揭示灌溉用水驱动机制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可测算来水丰枯贡献的农田灌溉水量驱动因子识别方法。

本发明通过以下技术方案实现：

一种可测算来水丰枯贡献的农田灌溉水量驱动因子识别方法的步骤包括：

(1)收集不同年份实际灌溉面积WA^t、有效灌溉面积IRA^t、农田灌溉用水量WA^t和灌溉用水有效利用系数η^t数据；

(2)建立驱动因子识别模型：采用如下水量恒等式：

式中，WA^t、IRR^t、η^t和IRA^t分别为第t年农田灌溉用水量、实际灌溉面积、灌溉用水有效利用系数和有效灌溉面积，将农田灌溉用水量分解成有效灌溉规模Iact、实际灌溉比例Pir、灌溉用水有效利用系数Wer和亩均净灌溉用水量Wir>

式中：Wer^t＝(WA^tη^t)/IRR^t，Wir^t＝1/η^t，Pir^t＝IRR^t/IRA^t，Iact^t＝IRA^t，则t～t+1年期间农田灌溉用水量的变化量ΔW_a可表示为：

(3)利用对数平均迪氏指数法(logarithmic mean divisia index，LMDI)方法，推导出有效灌溉面积Iact、实际灌溉比例Pir、灌溉用水有效利用系数Wer和亩均净灌溉用水量Wir四个驱动因子贡献值，具体如下：

式中：Wer^t＝(WA^tη^t)/IRR^t，Wir^t＝1/η^t，Pir^t＝IRR^t/IRA^t，Iact^t＝IRA^t，L(WA^t+1,WA^t)＝>t+1-WA^t)/(ln(WA^t+1)-ln(WA^t))；式(4)中四个驱动因子贡献值之和完全等于灌溉用水量变化值，不存在残差，而且因子间贡献相互独立、不相互影响。

在测算出各驱动因子贡献值后，通过比较贡献值大小，确定主要驱动因子，定量的解释任意两年间农田灌溉用水量变化，分析驱动机制。当因子贡献值为负值时，表示它是抑制农田灌溉用水量增长的因子，简称抑制因子，反之则为推动农田灌溉用水量增长的因素，简称推动因子。贡献值绝对值大小表示抑制和推动作用的强弱。贡献值绝对值较大的因子是主要驱动因子。

本发明考虑灌溉面积、灌溉水利用效率、来水丰枯变化贡献，构造了灌溉用水量恒等式，将农田灌溉用水量变化分解成有效灌溉规模、实际灌溉比例、灌溉用水有效利用系数和亩均净灌溉用水量四个驱动因子，其中实际灌溉比例和亩均净灌溉用水量主要反映来水丰枯变化影响；再利用LMDI方法，推导出了驱动因子贡献值测算公式，定量测算驱动因子贡献，以及来水丰枯变化贡献，无残差解释农田灌溉用水量变化；最后通过贡献值大小，识别关键驱动因子，揭示驱动机制。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面以山东省为例来详细说明本发明的技术方案具体实施方式，但是本发明并不局限于此。

山东省农田灌溉用水量驱动因子识别方法，其步骤包括：

(1)从山东省水资源公报、山东省统计年鉴中，收集2002、2007和2012 年三个典型年份实际灌溉面积IRR^t(t＝2002,2007,2012)、有效灌溉面积IRA^t、农田灌溉用水量WA^t、灌溉水有效利用系数η^t数据，如表1所示。

表1山东省2002、2007和2012年农田灌溉用水情况

指标200220072012有效灌溉面积(千公顷)4797.444836.784986.88实际灌溉面积(千公顷)4164.654160.314327.76农田灌溉用水量(亿m³)170.89144.53133.29灌溉用水有效利用系数0.53800.55920.6140

(2)建立驱动因子识别模型：采用如下水量恒等式：

式中，WA^t、IRR^t、η^t和IRA^t分别为第t年农田灌溉用水量、实际灌溉面积、灌溉用水有效利用系数和有效灌溉面积，将农田灌溉用水量分解成有效灌溉规模 Iact、实际灌溉比例Pir、灌溉用水有效利用系数Wer和亩均净灌溉用水量Wir>

式中：Wer^t＝(WA^tη^t)/IRR^t，Wir^t＝1/η^t，Pir^t＝IRR^t/IRA^t，Iact^t＝IRA^t，则t～t+1年期间农田灌溉用水量的变化量ΔW_a可表示为：

(3)利用LMDI方法，推导出有效灌溉面积Iact、实际灌溉比例Pir、灌溉用水有效利用系数Wer和亩均净灌溉用水量Wir四个驱动因子贡献值，具体如下：

式中：Wer^t＝(WA^tη^t)/IRR^t，Wir^t＝1/η^t，Pir^t＝IRR^t/IRA^t，Iact^t＝IRA^t，L(WA^t+1,WA^t)＝>t+1-WA^t)/(ln(WA^t+1)-ln(WA^t))。将收集到的有效灌溉面积、实际灌溉面积、灌溉用水量、灌溉水有效利用系数代入到式(8)，测算驱动因子贡献值，结果如表2所示。

表2山东省2002年～2012年农田灌溉用水量驱动因子识别结果单位亿m³

表2中，三个时段的四个驱动因子贡献值之和均等于农田灌溉用水量变化量，进一步说明该方法是无残差的。由表2可知：

(1)亩均净灌溉用水量和农田灌溉水有效利用系数是山东省农田灌溉用水量降低的主要驱动因子，其次是有效灌溉面积，再次是灌溉比例。2002年到2012 年山东省农田灌溉用水量累积减少了37.60亿m³。其中亩均净灌溉用水量由>3/亩，减低到126m³/亩，使得灌溉用水量减低了23.43亿m³；农田灌溉水有效利用系数由0.5380提高到0.6140，增长了14.1％，使得灌溉用水量减低了>3；实际灌溉比例由86.81％变成了86.78％，使得灌溉用水量减低了0.05>3；有效灌溉面积由4797.44千公顷，增加了189.44千公顷，变成4986.88>3。

(2)2002年到2007年、2007年到2012年两个阶段农田灌溉用水量的变化量和驱动因子贡献值差异明显。前一个阶段农田灌溉用水量减低了26.36亿m³，而后一个阶段为11.24亿m³。亩均净灌溉用水量和农田灌溉水有效利用系数贡献值剧烈变化是造成这一差别的主要原因。两个阶段亩均净灌溉用水量贡献值分别为-20.110亿m³和-3.75亿m³，农田灌溉水有效利用系数贡献值分别为-6.08亿>3和-12.97亿m³。实际灌溉比例贡献值分别为-1.45亿m3和1.24亿m3。有效灌溉面积贡献值分别为1.28亿m³和4.24亿m³。

(3)驱动因子贡献值与其变化量正相关，所建立的贡献值测算公式正确合理。2002年到2007年、2007年到2012以及2002年到2012年三个时段亩均净灌溉用水量的变化量分别为-17.0、-4.0和-21.0m³/亩，其贡献值则分别为-20.11、>3，贡献值大小和亩均净灌溉用水量的变化量正相关。其他三个因子的贡献值与变化量也正相关。

(4)来水丰枯变化对山东省农田灌溉用水量影响显著。来水丰枯变化贡献等于亩均净灌溉用水量和实际灌溉比例两个因子贡献值之和。2002、2007和2012 年来水丰枯变化的贡献值分别为-21.65、-2.51和-23.48亿m³，对农田灌溉用水量变化量的贡献率分别为81.79％、22.33％和62.45％。