农业灌溉用水预测

2024-12-28

农业灌溉用水预测（精选6篇）

农业灌溉用水预测篇1

裕民县因地处西风带边缘区, 属大陆性寒温带, 半旱半荒漠草原气候, 降水量少, 而蒸发量大, 水资源短缺, 生态环境脆弱。农业生产主要依靠人工灌溉, 形成了独特的“荒漠绿洲, 灌溉农业”生态环境和社会经济体系。

以各样点灌区数据资料为基础, 结合理论计算, 测算分析出各年度全县大、中、小型灌区和纯井灌区以及全县平均灌溉用水有效利用系数的变化情况。

1 测算分析技术路线

全县灌溉用水有效利用系数采用点与面相结合、调查统计与观测分析相结合、微观研究与宏观分析评价相结合的方法进行测算分析。

在对全县灌区综合调研的基础上, 选择代表不同规模与类型 (大、中、小型灌区和纯井灌区, 下同) 的典型灌区作为样点灌区, 搜集整理样点灌区有关资料, 并开展必要的田间观测, 通过综合分析, 采用统一的首尾测算分析法 (见后) , 得出样点灌区灌溉用水有效利用系数;以此为基础, 得到不同规模与类型灌区的灌溉用水有效利用系数平均值;最后, 分析全县灌溉用水有效利用系数平均值。

2 灌溉分区

由于裕民县自然条件复杂, 为使典型样点灌区的选择具有较好的代表性, 比较准确地确定灌溉用水有效利用系数测算分析中有关技术参数与作物的净灌溉定额, 需要对全县进行灌溉分区。

裕民县总的地形东南高西北低, 最高峰海拔3 252m, 最低处海拔390m, 境内自然条件复杂多样, 形成了不同的垂直地貌带。根据县境内大的地貌轮廓和构造特征, 以及沉积物特性, 可分为巴尔鲁克山区、土壤为;暗栗钙土、普通钙土、淡栗钙土;山前丘陵沟壑区、土壤为;黑土和栗土;山前倾斜平原区、土壤为;普通棕钙土和灌溉棕钙土;北部冲积平原区等4个地貌区土壤为;含碱性砂石底沙土、灰砂土、砾质黄沙土。

3 样点灌区选择结果与分布

3.1 大型灌区

裕民县现有大型灌区1处, 为自流灌区, 设计灌溉面积33万亩, 有效灌溉面积28.9万亩。按照大型灌区样点选择要求, 所有大型灌区均纳入样点灌区测算分析范围, 即大型灌区的总个数即为样点灌区个数。

3.2 中型灌区

裕民县现有中型灌区4处, 54%以上为自流灌区, 设计灌溉面积50.08万亩, 有效灌溉面积45.7万亩。其中, 5万亩~15万亩中型灌区3处, 占中型灌区总数的75%, 设计灌溉面积27.13万亩, 有效灌溉面积27.13万亩, 15万亩~30万亩中型灌区1处, 占中型灌区总数的25%, 设计灌溉面积22.95万亩, 有效灌溉面积22.95万亩。

按照中型灌区样点选择要求, 选择2处中型灌区, 有效灌溉面积30.12万亩, 分别占中型灌区数量和有效灌溉面积的50%和60%。5万亩~15万亩中型灌区选1处, 有效灌溉面积7.17万亩, 分别占该类中型灌区数量和有效灌溉面积的33%和14.3%;15万亩~30万亩中型灌区选1处, 有效灌溉面积22.95万亩, 分别占该类中型灌区数量和有效灌溉面积的33%和46%。

首尾测算分析法:

首尾测算分析法是指直接测量统计灌区从水源引入 (取用) 的毛灌溉用水总量, 通过分析测算得到田间实际净灌溉用水总量, 田间实际净灌溉用水总量与毛灌溉用水总量的比值即为灌溉用水有效利用系数, 计算公式如下:

为了能够反映灌区灌溉水利用状况的整体情况, 要求以日历年作为计算时段。小麦等跨年度作物, 在一年内分两个时段进行计算。

通过统计灌区年灌溉用水总量、各种作物的实灌面积, 根据计算分析、典型调查与观测确定作物实际净灌溉定额, 以作物净灌溉定额近似替代亩均净灌溉用水量, 即可用下式计算灌区该年度的灌溉用水有效利用系数ηw:

式中, Mi——灌区第种作物净灌溉定额, m3/亩;

Ai——灌区第种作物实灌面积, 亩;

N——灌区作物种类总数;

Wa——灌区全年毛灌溉用水总量, m3。

4 毛灌溉用水总量确定

毛灌溉用水总量Wa是指灌区全年用于农田灌溉的从水源地引入 (取用) 的总水量, 其值等于从水源地取水总量扣除由于工程保护、防洪除险等需要的渠道 (管路) 弃水量。

当农田灌溉供水与城市、工业或农村生活供水使用同一渠道或管路时, 还应扣除相应的城市、工业或农村生活供水量。

年毛灌溉用水总量根据灌区从水源地实际取水测量值统计取得, 而非其它如计收水费等目的收费计量水量数值。

5 净灌溉用水总量确定

确定样点灌区净灌溉用水总量是本项工作的重点和难点。净灌溉用水总量确定的关键是确定不同作物的净灌水定额和净灌溉定额。

6 结论

农业灌溉用水还存在着很大的浪费。提高水的利用率, 发展节水农业是解决未来农业水资源短缺的根本出路, 也是现代农业的基本要求, 如完善管理体制和技术服务体系, 农业水资源立法, 农业供水水价的合理调整等, 从而提高农业用水的管理水平, 提高田间作物水的利用率。

参考文献

[1]武华光.山东省灌溉水资源利用管理研究[D].山东农业大学, 2006.

[2]刘布春.河套灌区农业水资源安全评价研究[D].中国农业科学院, 2007.

天津市农业灌溉用水计量模式分析篇2

关键词:农业灌溉;计量;模式;分析

中图分类号:S274.4文献标识码:ADOI编码:10.3969/j.issn.1006-6500.2009.06.007

Metering Mode Analysis of Agricultural Irrigation Water in Tianjin

ZHANG Jun-tao

(Irrigation and Drainage Division of Water Conservancy Bureau of Tianjin,Tianjin 300074,China)

Abstract:In view of the characteristic of irrigation water source in Tianjin, the pilot reform of agricultural water measurement charge was developed in Baodi, Ninghe and Jinghai county. The different methods on irrigation water measurement were selected to explore and research the actual measurement charging mechanism of agricultural irrigation water.

Key words:agricultural irrigation; metering; mode; analysis

随着经济社会的快速发展,上游拦蓄水工程建设规模加大,加之连续多年干旱少雨,天津市水资源短缺问题尤为突出。近年来,天津市大力发展农业节水工程建设,取得了显著成效,但农业灌溉普遍采取粗放低效的利用形式,又加剧了水资源短缺程度。提升天津市农业节水成效,就要建设农业灌溉计量设施,对农业用水实行计量收费,这是天津市节水农业及节水型社会建设的重要一环。

1天津市农业用水收费现状

近年来,天津市坚持把节水灌溉作为一项革命性措施来抓,以提高水资源的利用效率和效益为核心,以大中型灌区续建配套节水改造、农业综合开发、设施农业节水配套为重点,因地制宜地大力推广各种适用的节水灌溉模式,全市节水灌溉面积累计达到22.89万hm²,占有效灌溉面积的65.8%。在节水工程快速发展中,农村节水灌溉管理相对滞后,由于历史原因,目前大多数区县灌溉用水基本是福利水,农民灌溉基本上不交水费或水费很低,实行按亩收费,多灌少灌一个样。加之部分灌溉工程老化失修,缺乏计量设施,给农业水资源的利用控制管理带来困难,造成了农民节水意识不强、大水漫灌、水资源浪费现象严重。只有解决用水的计量问题,才能促使用水者节约用水,进而为灌溉用水定额管理、累进加价创造条件。如何依托节水工程建设完善基础计量设施,使农业用水做到精准计量按方收费,提升天津市农业节水灌溉管理水平,是目前天津市节水农业建设中的关键,也影响着节水型社会的建设成果。

2农业用水计量收费改革试点工作开展情况

天津市灌溉水源的特点是北部地区以地表水、浅层地下水灌溉为主,中南部地区以深层地下水灌溉为主。为加快探索和推进农业灌溉计量收费方式改革,在加大节水灌溉工程建设的同时,我们因地制宜,按照不同灌溉水源特点,选择了宝坻区地表水灌区、宁河县浅层地下水区、静海县深层地下水区3种不同水源条件的灌区开展了农业用水计量收费改革试点。

2.1探索井灌区计量方式改革

静海县针对地表水匮乏,主要依靠抽取深层地下水灌溉的状况,在新建的90个节水项目区134眼深机井出水口安装了传统机械式水表,同时,将水费征收方式由原来的按电度收取改为按方收取的方式,并实行一费制。农民缴费更直接、更明了,有效提高了灌溉交费和节水意识。宁河县丰台镇东淮沽村浅层地下水灌区安装IC卡自动计量灌溉收费系统32套,具备一户一卡、一井多卡、缴费储值、插卡出水的功能,改变了过去按亩向按量征收水费的方式,使农业机井地下水资源管理更方便、快捷、准确,得到当地群众的认可。

2.2探索地表水灌区计量方式改革

宝坻区针对里自沽地表水灌区灌溉计量困难的状况,结合灌区续建配套与节水改造工程建设,与相关科研、企业单位合作,开展了渠灌区灌溉计量方式的试验研究和试点。首先率先在全市地表水灌区研制安装灌溉泵点超声波流量计60块,实现超声波自动记录用水量。同时,该灌区还结合在大断面防渗渠道上建设巴歇尔量水槽、梯形量水堰,在支渠道上安装U型量水槽,以及结合畦田口使用流速流量仪测量每个畦田的灌水量等措施,实现了地表水灌区防渗明渠输水模式的精准测量。目前,灌区也结合计量设施建设,在不增加农民负担的基础上,正在开展计量收费改革试点。

2.3探索不同形式水费征收管理模式

(1)组建农民用水者协会,由协会负责用水管理、灌溉服务、工程维护管理、水费计收和财务管理等工作。目前,在宝坻区、宁河县、静海县共组建农民用水者协会77个,受益用水者3.67万户、13.16万人,受益耕地面积1.85万hm²。(2)采取承包模式,由承包人负责本村农户用水,按用水量收水费,村委会不再承担他们的工资,工资由承包工程设施所收水费解决。(3)静海县台头镇东淀等部分地区由县水务局建设农业集中供水厂,实行企业化经营与管理,自收自支、自负盈亏。

3取得成效

对灌溉用水进行精准计量和科学管理后,以前农业种植效益低下和用水矛盾等问题得到了解决。

(1)农民节水意识明显提高。农业灌溉按方计费后,农民灌溉主动采取大畦改小畦和平整土地等措施,增加灌溉均匀度,并且在灌溉上适可而止,农民节水意识提高的同时,灌溉节水效果明显提高。

(2)节水增收效益显著。通过农业灌溉计量改革和科学灌溉管理,使农作物得到适时充分灌溉,促进了试点地区的农业结构调整,提高了农业种植效益。通过多个地区几年来的实际种植效果,大田作物每公顷年增产平均为375 kg,节水1 200 m³。宁河县丰台镇东淮沽村井灌区每公顷蔬菜年可节水3 000 m³,灌溉成本也大大降低,由原来的每次225元/hm²降到150元/hm²左右;静海台头镇东淀等4个地区由于种植产值高的花卉和蔬菜,在实行集中供水管理后,每公顷产值增加1.5万元以上。

(3)农民用水者自主投入灌区工程建设和管护的积极性大大提高。由于节水增收效益明显,同时,各种灌溉管理组织制定了科学、合理、有序的灌溉制度,减少了管理运行开支和灌溉纠纷,使管理者和用水者之间的关系趋于和谐。通过这些实际效益的显现,用水者通过“一事一议”自愿投资投劳建设灌溉工程的积极性明显提高,协会做到了灌区工程有人管、有人修、有人保运行,保证了灌溉季节工程正常运行,减少了跑、冒、漏,促进了节水、节电,为灌区发展提供了很好地群众基础。

(4)促进区域经济发展。通过在相对集中的一些地区进行农业灌溉计量改革试点,促进一定范围内农业优势的加强和种植结构的调整。里自沽灌区是天津市重要的粮食产区,通过改革,普遍提高了当地粮食产量,充分发挥了天津市粮食主产地的作用;通过改革,宁河、静海部分地区有条件地进行了农业种植结构调整,从过去产量、收益不高的粮食生产,转变成为天津市集中的蔬菜、花卉种植基地,形成了地区优势,不但满足了当地需求还远销外地,有效地带动了当地经济的发展。

4存在问题

(1)天津市农业用水计量收费改革需要继续深入。虽然天津市在农业用水计量收费改革方面取得了一定成效,但进行收费改革试点的地区在天津市12个农业区县中比例很小,新型农业用水计量方式应用和农民用水者协会的组建还比较滞后,还需要快速深入推广,以满足天津市节水型社会建设的快速发展的需要。

(2)水价制定还需完善。目前,天津市各区县农业灌溉水价制定中只包含提水电费、工程维护和管理人员费用,不包括水资源费、工程折旧费等,收取水费只能满足日常运行,还不能满足长期水资源保护和工程持续良性运行的需要。

5小结

改革农业计收管理,建立合理的水价形成机制,其根本目标是促进节约用水和水资源的高效利用与优化配置。也就是改革与节约用水和水资源的高效、可持续利用不相适应的水管理体制,形成合理的水资源管理运行机制和水价机制,建立健全技术保障体系,显著改善灌溉设施的整体质量和服务能力,提高农业用水效率和综合效益。要达到上述目标,必须同时抓好软件建设与硬件建设。既要提高农民的节水意识,促进农业灌溉方式的转变,又要改造农业供水设施,不断降低农业供水成本。近年来,随着各级政府的大力投入,天津市农业节水工程迅猛发展,农业供水设施不断改善,农业供水成本有所降低。我们要进一步完善农业灌溉计量设施建设,调动地方政府、农村集体和农民积极参与水费改革的积极性,提高用水者的节水意识,改革农业供水体制,改进灌溉服务。同时,在总结高效用水经验和找准主要矛盾的基础上,因地制宜、讲求实效,立足当前、着眼长远,并处理好经济效益、社会效益、生态环境效益之间的关系。对于天津市有所不同的灌溉水源和节水形式,建议进一步开展水价综合改革试点,继续探索符合不同地区特点的水费征收方式,切实减轻农民财务负担,减少水资源浪费。

参考文献:

[1] 张东,宫晓婧,刘伟,等.天津市农业节水灌溉现状及发展方向[J].天津农业科学,2008,14(6):46-48.

[2] 笪志祥.我国节水灌溉技术及其模式和发展趋势[J].天津农业科学,2008,14(3):33-36.

浅析农业灌溉用水管理模式篇3

一、加强农业灌溉用水管理制度的意义

随着工业和城市化的发展, 城市生活与工业用水越来越多, 而农业用水则不断下降。近年来, 农业节水灌溉技术和设施的采用, 对于加强农业灌溉用水的管理有很大作用, 但要想调动起农民节约用水的积极性, 就必须从根本上解决农业用水日益短缺, 加强农业灌溉用水管理, 这对促进我国水资源的可持续利用具有非常重要的意义:

缓解水资源紧缺的压力。水资源现在面临水环境恶化、洪涝灾害、干旱缺水等问题, 成为制约国民经济发展的瓶颈之一, 农业灌溉用水作为用水大户的, 进行科学管理能维护粮食和农业用水安全, 为城市生活、工业和生态环境等用水节约部分水资源, 缓解水资源紧缺。

有利于维护粮食安全。目前农业灌溉用水有效利用率低, 如果不节约用水, 粮食安全则很难保证。因此, 加强对农业灌溉用水管理对保证粮食安全具有十分重要的作用。

增加灌区农民收益, 有利于提高农业灌溉用水的经济效益通过加强其管理, 可以提高农民的节水意识, 使灌区农民支付的水费有所减少, 节约出一定量的水资源, 再通过各种途径转让给工业或城市, 对农业用水进行一定的补偿, 能增加灌区农民的收益, 提高农业灌溉用水的经济效益。

有利于水资源的生态平衡和可持续利用。水资源的紧缺使许多地方为了保证用水, 出现以牺牲环境为代价, 造成生态环境问题, 给当代人带来危害的同时, 更重要的是影响到子孙后代的利益。所以, 加强农业灌溉用水管理对促进社会经济和生态环境的协调发展, 促进水资源的可持续利用具有非常大的意义。

二、农业灌溉用水管理模式

农业灌溉管理模式必须有科学的理论指导。其基础是产权理论和行为科学理论。

1、在灌溉管理改革中的应用产权理论

产权包括所有、使用、处分并获取相应收益的权利, 是以所有权为基础, 具有以下三层含义:资产的所有权、法人财产权、股权和债权。

在现实的经济生活实践中, 产权所具有的各种属性, 需要一定的制度保障才能实现。在复杂的社会关系中, 经济人所追求的是效益的最大化。为了社会的健康发展, 采取必要的措施——制度, 是解决冲突, 能够生存的必然抉择。制度是一个体系, 它随着社会的发展不断地发生变化。产权制度是人类社会发展到一定历史时期的必然产物, 用来约束、鼓励、规范人们产权行为, 是协调生产关系、社会生产力相互关系的结果。它影响国民经济的发展, 也影响人们的各种经济行为, 其基本的功能主要表现在:激励功能, 使经济行为在经济活动中具有内在推动力;制约功能, 规定了产权主体不能作为的空间范围;高效率配置稀缺资源功能, 通过产权交换, 使交换双方都获得经济效益, 最终增加了社会总效益, 使稀缺资源得到有效配置。

灌区现行管理体制的最大弊端是产权不清、责任不明。“国有”这种体制使资产的具体所有者和对资产负责的主体模糊不清, 带来的问题是工程老化失修, 工程坏了找国家要钱修, 用水者只管用水。灌区体制改革的关键, 就是要既对资产所有者负责, 又有相对独立的经营管理的自主权。因为没有好的管理体制与运行机制, 水利工程就不能充分持久地发挥作用。

灌区推行用水户参与管理, 资产所有权与经营管理使用权分开。应明确界定灌区资产所有权, 明确所有权的目的与企业不同, 把灌区的具体经营管理权交给用水者, 改善现在用水户只管用水, 被动参与管理的状况。为了保证灌区有必要的运行维护经费, 用水户自己协商研究, 保证大多数用水户公平合理得到灌溉排水服务的权利。随着国家经济体制改革的深入, 水管单位体制改革势在必行。

2、行为科学理论在灌溉管理中的运用

随着科学技术的不断进步, 水利在农业增产中的作用愈来愈显著, 在灌区推行参与式管理, 重要的是要积极吸引用水户的参与, 把灌溉管理的部分或全部责任和权利从专管机构或政府部门的手中转移到用水户身上。用水户参与灌溉管理, 是一种科学的管理制度和管理方法, 实际上是行为科学理论在灌溉管理中的具体运用, 是灌溉管理体制的一场变革。

三、农户参与式灌溉管理模式

农户参与式灌溉管理基本思路是以参与式灌溉管理建设为切入点, 积极推进农业用水制度改革和管理模式创新, 发挥市场机制的调节作用, 建立和完善用水市场, 提高农业用水的组织化程度和灌溉效率, 强化农民参与灌溉管理。

参与式灌溉管理基本模式由供水单位或供水公司两部分组成。负责管理水源工程、骨干输水渠道和供水, 或者是农民用水协会, 负责支 (斗) 渠及其以下渠系工程与灌溉管理。两者各自独立, 不是行政上的隶属关系。

参与式灌溉管理是让灌区的广大用水户在政府的宏观调控扶持下, 以“主人”身份参与灌区建设与管理, 充分考虑灌区的特殊要求, 按市场经济的一般原则经营管理灌区。推进参与式灌溉管理是一种科学的灌溉管理模式, 是现代管理科学在灌区的具体运用, 有利于节约用水, 有利于增强用水户的责任感, 缓解水资源紧缺矛盾, 调动他们维护管理灌区积极性, 增加农民收入, 提高管理效率。用水户参与灌溉管理是灌区改革的关键组成部分。它意味着用水户参与灌溉管理的核心是政府管理权力的转移或移交, 部分管理权力的下放或移交。

用水户协会是参与式灌溉管理组织体系中最基本的组织机构。开展用水户参与灌溉管理改革要注意抓好“业主”到位, 组建用水户协会, 协会是互助合作、自主管理的服务组织, “业主”是法人, 具有受法律保护的合法权益, 要理顺用水户协会与外部的关系, 要实行内部民主管理, 为用水户提供公平、高效、周到的服务, 帮助农民提高对水费改革的承受能力, 提高水的利用率、经济效益、生态环境效益。

参考文献

[1]李代鑫:《中国灌溉管理与用水户参与灌溉管理》, 《中国农村水利水电》, 2002, 5。

农业灌溉用水预测篇4

关键词：农业灌溉,节约用水,计量工作

在当前农业灌溉过程中, 如何实现灌溉用水的有效计量, 不但是节约农业灌溉用水数量的重要措施, 同时也是优化农业灌溉过程、公平水费负担的重要手段。基于对农业灌溉用水计量工作的了解, 要想做好农业灌溉用水的计量工作, 具体应从明确计量的重要性、合理选择流量计量方法以及选择科学的计量工具等方面入手, 保证农业灌溉用水的计量工作能够得到有效开展, 提高农业灌溉用水的计量准确性, 以达到优化水资源利用、满足农业灌溉用水需求和增大水费计算透明度的目的。因此, 应优化农业灌溉用水的计量过程, 实现对灌溉用水的有效计量。

1 做好农业灌溉用水计量工作, 应明确计量的重要性

1.1 明确农业灌溉用水计量工作目的

目前我国水资源浪费严重, 特别是在农业灌溉中, 传统的漫灌和不计量成为了制约节约用水的重要因素。因此, 加强农业灌溉用水计量, 对有效计量水量从而促进节约用水有着十分重要的作用。

1.2 明确农业灌溉用水计量工作作用

通过对农业灌溉用水的有效计量, 既可以掌握农业灌溉用水数量, 为水利工程建设提供基础的数据支持, 同时也可以为优化农业灌溉方式和提高农业灌溉质量提供参考。

1.3 明确农业灌溉用水计量工作重要性

结合当前农业灌溉实际, 对农业灌溉用水进行有效计量, 可以树立节约用水的观念, 对转变农业灌溉用水方式和加强灌溉用水控制具有重要作用;农业灌溉用水计量的结果——水量是水费计算的依据。加强计量工作, 提高计量精度, 对公平用水户水费负担, 促进灌区社会稳定具有十分重要的作用。因此, 明确用水计量的重要性是用水计量工作开展的关键。

2 农业灌溉用水的计量工作, 应合理选择流量计量方法

2.1 农业灌溉用水计量可以选择流量计量法

根据农业灌溉用水计量的实际需要, 选择流量计量法对提高计量效果具有重要作用。具体应在关键节点对灌溉用水的流量进行监测和计量, 掌握流量数据。目前通行的流量计量方法有建筑物量水和流速仪量水2种, 工作中可根据实际选择运用。

2.2 农业灌溉用水计量应提高流量计量精度

在具体流量计量过程中, 应选择精度高的计量工具, 实现对流量的有效观测和记录, 为水量计算提供真实可靠的依据, 以期提高流量计量的准确性, 保证计量结果具有良好的科学性和客观性。

2.3 农业灌溉用水计量应合理设置流量计量节点

在农业灌溉用水计量中, 不同的计量节点所监测和计量的数据是不同的。为了提高计量的准确性, 达到掌握流量计量数据的目的, 应在合理位置设置流量计量节点。

3 农业灌溉用水的计量工作, 应选择科学的计量工具

3.1 流量计量工具的准确性应满足实际需要

在流量计量工具选择中, 准确性是选择的关键, 计量工具只有满足准确性要求, 才能提高计量的整体效果。

3.2 流量计量工具的安装难度应比较低

考虑到计量工具的使用实际, 在具体的安装过程中, 只有选择安装难度低的计量工具, 才能便于对计量工具的维护, 提高维护效果。

3.3 流量计量工具的可靠性应达标

计量工具在使用过程中不但要具有较长的使用寿命, 同时还要具有良好的可靠性, 达到长期可靠地为计量工作服务, 最大限度地减少计量误差, 提高计量效果。

4 结论

通过本文的分析可知, 如何实现灌溉用水的有效计量, 不但是节约农业灌溉用水数量的重要措施, 同时也是公平水费负担、优化农业灌溉过程的重要手段。基于对农业灌溉用水计量工作的了解, 要想做好农业灌溉用水的计量工作, 具体应从明确计量的重要性、合理选择流量计量方法以及选择科学的计量工具等方面入手, 保证农业灌溉用水计量工作能够得到有效开展, 提高农业灌溉用水的计量准确性, 达到优化水资源利用和满足农业灌溉用水需求的目的。

参考文献

农业灌溉用水预测篇5

灌溉用水量的准确预测,对制定合理有效的灌区水资源调配方案和调度计划具有重要的意义。国内外研究者在灌溉用水量预测方面做了很多工作,采用的方法主要有指标分析、回归分析、灰色预测、神经网络等[1,2,3]。但由于灌区用水量受气象因素、作物种植结构、水源情况以及水费政策等多种因素的影响,年际、年内变化都比较大,各种预测方法都存在不同程度的缺陷。为此,研究者一直致力于改进预测方法,提高预测精度。

现有机器学习方法的重要理论基础之一是统计学。传统统计学研究的是样本数目趋于无穷大时的渐近理论,但在实际问题中,样本数往往是有限的,常用的学习方法在实际应用中可能不尽人意。支持向量机(SVM)方法是一种在学习样本数有限的情况下处理高度非线性问题的新的机器学习方法,SVM通过提高数据的维度把非线性分类问题转换成线性分类问题,较好地解决了传统算法中训练集误差最小而测试集误差仍较大的问题,算法的效率和精度都比较高。目前,SVM算法在模式识别、回归估计、概率密度函数估计等方面获得了广泛应用[4,5]。陈广洲等[6]建立了区域水资源开发利用程度的支持向量机评价模型。陈永义等[7]在气象预报预测中,应用SVM进行了分类预报和回归预报,收到了较好的效果。冯汉中等[8]建立了四川盆地内单站气温的SVM回归推理模型,进行了相应的预报试验,试验结果显示对应的SVM推理模型具有良好的预报能力。

标准SVM算法的复杂度主要取决于样本数据的个数,而不是输入空间的维数,当训练数据量大和维数高时,SVM模型计算速度较慢[9]。最小二乘支持向量机(LSSVM)采用不同的优化目标函数,用等式约束条件代替不等式约束条件,使求解过程变成解一组等式方程,避免了求解耗时的二次规划问题,解算速度加快,而且LSSVM不再需要指定逼近精度,确定的模型参数比标准支持向量机少,训练速度比标准支持向量机快,且有较强的预测能力。本文以人民胜利渠灌区需水量为研究对象,选用径向基函数(RBF)作为核函数,建立了最小二乘支持向量机预测模型,对灌区需水量进行了模拟计算,用检验样本与灰色预测和基于RBF的神经网络模型的预测结果进行了比较。结果表明,最小二乘支持向量机模型有较高的预测精度和较强的泛化能力,其预测结果可为灌区水资源规划提供科学依据。

1 SVM理论

支持向量机(Support Vector Machine,SVM)是最近比较流行的一种数据挖掘技术,其理论基础是统计学习理论。统计学习理论就是研究小样本统计估计和预测的理论,核心内容包括基于经验风险最小化准则的统计学习一致性条件、统计学习方法推广性的界、在推广界的基础上建立的小样本归纳推理准则、实现新准则的实际方法。支持向量机算法基于结构风险最小化原则,根据有限的样本信息在模型的复杂性(即对特定训练样本的学习精度)和学习能力(即无错误地识别任意样本的能力)之间寻求最佳折衷,以期获得最好的推广能力。采用核函数方法,通过提高数据的维度把非线性分类问题转换成线性分类问题,较好解决了传统算法中训练集误差最小而测试集误差仍较大的问题,算法的效率和精度都比较高。其主要优点是可以解决小样本情况下的机器学习问题,提高泛化性能,解决高维问题及非线性问题,避免神经网络结构选择和局部极小点问题。

2 基于SVM的灌区引水量预测模型

支持向量机实现是通过某种事先选择的非线性映射(核函数)将输入向量映射到一个高维特征空间,在这个空间中构造最优分类超平面。使用SVM进行数据集分类首先通过预先选定的一些非线性映射将输入空间映射到高维特征空间,在高维属性空间中有可能对训练数据实现超平面的分割,避免了在原输入空间中进行非线性曲面分割计算。SVM数据集形成的分类函数是一组以支持向量为参数的非线性函数的线性组合,分类函数的表达式仅和支持向量的数量有关,而独立于空间的维度。

2.1 SVM算法

假定训练数据(x1, y1),…,(xi, yi),x∈Rn,y∈{+1, -1}可以被一个超平面(w·x)-b=0没有错误地分开,与两类样本点距离最大(称为边缘最大)的分类超平面会获得最佳的推广能力。最优超平面将由离它最近的少数样本点(称为支持向量)决定,而与其他样本无关。与样本间隔为Δ的分类超平面形式如下:

$\begin{array}{l} (w \cdot x) - b ‚ ∥ w ∥ = 1 (1) \\ y = 1 ‚ 若 (w \cdot x) - b \geq Δ \\ y = - 1 ‚ 若 (w \cdot x) - b \leq - Δ \end{array}$

式中:x是输入向量;w是可调的权值向量;b是偏置。

如果向量x属于一个半径为R的球中,那么Δ-间隔分类超平面集合的VC维h有下面的界:

$h \leq \min {[\frac{R^{2}}{Δ^{2}}], n} + 1 (2)$

这样,SVM首先保证了一个小的经验风险(在训练样本可分时为零),并通过选择边缘最大的超平面的方式控制了函数集的VC维,这正是SVM原则所要求的。

支持向量机的原理是用分类超平面将空间中两类样本点正确分离,并得到最大的分类间隔,将SVM的最优化问题中的分类超平面归一化:令Δ=1,而w和b可以按比例缩放。离超平面最近的样本(支持向量)满足:

$\begin{array}{l} 若 y = 1 ‚ (w \cdot x_{i}) - b = 1 \\ 若 y = - 1 ‚ (w \cdot x_{i}) - b = - 1 (3) \end{array}$

支持向量到超平面的距离为1/‖w‖。原问题就转换成一个有约束非线性规划问题:

$\begin{array}{l} Μ i n i m i z e Φ (W) = \frac{1}{2} ∥ W ∥^{2} \\ s . t . y_{i} (x_{i} \cdot W + b) - 1 \geq 0 ‚ i = 1, 2, \dots, l (4) \end{array}$

目标函数是严格上凹的二次型,约束函数是下凹的,这是一个严格凸规划。按照最优化理论中凸二次规划的解法,把它转化为Wolfe对偶问题来求解。

构造Lagrange函数:

$\begin{array}{l} L (w, a, b) = \frac{1}{2} ∥ w ∥^{2} - \sum_{i = 1}^{l} α_{i} y_{i} (x_{i} \cdot w + b) + \sum_{i = 1}^{l} α_{i}, \\ α_{i} \geq 0, i = 1, 2, \dots, l (5) \end{array}$

其中:αi为Lagrange乘子。

约束最优问题的解由Largrange函数L(w, a, b)的鞍点决定,此函数对w和b必定最小化,对a必定最大化。L(w, a, b)对w和b求微分方程,并令结果等于零,得到两个最优化条件(Kuhn-Tucker条件):

$\frac{\partial}{\partial w} L (w, a, b) = 0 ‚ \frac{\partial}{\partial b} L (w, a, b) = 0$

即

$\begin{array}{l} w = \sum_{i} a_{j} y_{i} x_{i} (6) \\ \sum_{i} a_{j} y_{i} = 0 (7) \end{array}$

将式(6)、式(7)代回Lagrange函数中,消去w和b,经运算得到原最优化问题的Wolfe对偶问题:

$\begin{array}{l} Μ a x i m i z e w (a) = \sum_{i}^{l} a_{i} - \frac{1}{2} \sum_{i, j}^{l} a_{i} a_{j} y_{i} y_{j} x_{i} \cdot x_{j} \\ s . t . ‚ \sum_{i = 1}^{l} a_{i} y_{i} = 0 (8) \\ a_{i} \geq 0 i = 1, 2, \dots, l \end{array}$

解出αi后利用 $\sum_{i} a_{i} y_{i} x_{i}$ 确定最优超平面,只有支持向量所对应的Lagrange乘子αi才不为0。

2.2 核函数的确定

根据泛函的有关理论,只要核函数k(x,xi)满足Mercer条件,就可以对应变换空间中的内积[10]。支持向量机中可以采用不同的核函数构造实现输入空间不同类型的非线性决策面的学习机器。目前常用的核函数主要有多项式核函数、径向基函数、多层感知器和动态核函数等。

由于核函数对算法的影响较大,故选择一个最好的核函数极为重要。这里以径向基函数作为SVM方法中的核函数建立推理试验模型。径向基函数的形式为:

$Κ (x, x_{i}) = \exp (- \frac{∥ x - x_{i} ∥^{2}}{2 σ^{2}}) (9)$

2.3 最小二乘SVM

最小二乘支持向量机(LSSVM)是采用二次规划方法代替传统的支持向量机来解决函数估计问题。与标准支持向量机不同的是,LSSVM在利用结构风险原则时,在优化目标中选取了不同的损失函数,即误差ξi(允许错分的松弛变量)的二范数。LSSVM的优化问题为:

$\min \frac{1}{2} ∥ w ∥^{2} + C \frac{1}{2} \sum_{i = 1}^{l} ξ_{i}^{2} (10)$

其中:ξi为松弛变量;C为正则化参数。

用于函数估计的最小二乘SVM为:

$y (x) = \sum_{k = 1}^{Ν} α_{k} Κ (x, x_{k}) + b (11)$

采用等式约束可以将求解的优化问题转化成线性方程,大大减少算法的复杂性,另外,采用径向基核函数的最小二乘SVM仅需确定γ,σ两个参数(γ为可调参数,σ为核函数宽度系数),参数的搜索空间由标准SVM的三维降低到二维,极大地加快了建模速度。对γ,σ两个参数,通过模型评估,进行参数调节与优化来确定参数最优值,大大提高了预测的精度。

3 实例分析

将LSSVM算法应用于人民胜利渠灌区用水量的预测。首先选择观测资料构成样本数据集,然后利用LSSVM进行学习训练,最后根据训练后获得的参数进行预测。为确定最优的γ和σ2,采用交叉验证,赋予参数初值。首先给定参数初值分别为2和10 000,再赋予γ和σ2的起始运算值分别为0.16和497.87。经过初始运算,给定γ和σ2的运算范围,γ的运算范围为[0.16, 24.37],σ2的运算范围为[497.87, 1 484 131.59]。再通过模型评估,调节与优化来确定参数最优值,进行迭代搜索,得出γ和σ2分别为2.52和59.66的预测误差均方差的平均值最小,将其作为模型的参数。用1986-1992年的全年用水量对1993-2000年的人民胜利渠各月灌溉用水量进行了预测,结果见表1。

将LSSVM预测结果与灰色理论、BP网络的预测结果进行对比分析,结果见表1。从表1可以看出:用LSSVM预测的最大误差8.78%,平均误差4.90%;灰色理论预测的最大误差17.36%,平均误差11.12%;神经网络预测的最大误差14.79%,平均误差6.71%。说明LSSVM模型的预测性能良好。

在灌溉需水量预测中,用灰色预测模型进行用水量的预测,由于用水需求并不完全是指数关系,只用一个单一的指数模型来描绘一个时间数列的动态发展变化规律,其预测精度往往较低。而BP网络的训练则易陷入局部最优,并且基于经验风险最小化的训练容易产生训练误差变小,预测误差变大的过学习问题,因而预测精度也较低。表1的对比预测结果表明,最小二乘支持向量机基于结构风险最小化,具有较高的预测精度和良好的推广能力,预测结果优于灰色预测理论和人工神经网络。

4 结语

最小二乘支持向量机(LSSVM)以统计学习理论作为坚实的理论依据,具有较好的泛化性能,其在解决小样本、非线性及高维模式识别问题中表现出许多特有的优势,在有限的信息条件下,可获得最好的学习能力和推广能力。基于结构风险最小化,克服了传统方法的过学习和陷入局部最小的问题,具有很强的泛化能力。最小二乘支持向量机较好地协调了模型的复杂化和泛化能力之间的关系,并且由于需确定的模型参数比标准支持向量机少,训练速度比标准支持向量机快。

将最小二乘支持向量机模型应用到灌区需水量预测,对灌区需水量进行模拟计算,用检验样本与灰色预测和基于RBF神经网络模型的预测进行了比较,用SVM预测的最大误差8.78%,平均误差4.90%;灰色理论预测的最大误差17.36%,平均误差11.12%;神经网络预测的最大误差14.79%,平均误差6.71%,结果表明,最小二乘支持向量机具有较高的预测精度和良好的推广能力,预测结果优于灰色预测理论和人工神经网络。

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农业灌溉用水预测篇6

2015年伊始,“中央一号”文件提出: 建立健全国家水资源督察制度和建设水资源论证项目,全面实施高效节水灌溉技术,加大水生态保护和水污染防治力度。近几年我国水资源污染严重,约六成水质较差或极差; 同时,由于我国农业用水比重过大,造成四大用水结构的矛盾进一步突出。因此,有效提高农业灌溉用水效率是缓解当前四大用水矛盾的有效举措。

新疆为“绿洲经济、灌溉农业区”,水资源尤其匮乏。2013年新疆水资源供水总量为588. 05亿m3,仅占全国供水总量的9. 5% ; 人均用水量2594m3,高于全国平均水平; 农业用水、工业用水、生活用水、生态用水分别占用水总量的94. 8% 、2. 3% 、1. 8% 、1. 1% 。为了保证生态用水,国际通用水资源开发利用率为50% ,新疆是干旱半干旱地区,不宜超过60% ,而新疆当前水资源利用率为61. 5% ,长此以往生态环境将遭到严重破坏,因此提高农业灌溉用水效率对减少农业用水具有非常重要的意义[2]。

本文对新疆叶尔羌河流域典型灌区莎车县、泽普县、叶城县的农业灌溉用水效率进行了分析,通过对农户的调研数据,采用随机前沿生产函数测算生产技术效率和农业灌溉用水效率,以此找寻影响农业灌溉用水效率的主要因素,为今后水资源高效利用提供有力依据。

2叶尔羌河流域水资源用水效率现状分析

2.1研究区概况

叶尔羌河流域平原灌区总人口为234. 9万人,其中少数民族人口有211. 06万人,占总人口的89. 85% 。如表1所示,2012年该流域的GDP总值为223. 62亿元,第一、二、三产业的生产总值分别为109. 0亿元、39. 88亿元、74. 70亿元,对GDP的贡献分别占48. 76% 、17. 83% 、33. 4% 。目前,流域的经济社会发展水平较低,2012年人均GDP仅为9520元,是新疆平均水平( 33909元) 的28. 1% ,是当年全国平均水平 ( 38354元) 的24. 8% ,属于新疆贫困地区。当前和今后流域所承担的首要工作就是脱贫与发展,改善当前农业用水管理现状,提高灌溉用水效率。即通过改善单方灌溉水的生物产出量和经济产值来提高农作物的水生产率,这对减轻流域农业缺水程度、缓解生态环境压力和脱贫至关重要。

注: 数据来源于 2008—2012 年喀什地区水资源公报。

叶尔羌河流域位于塔里木盆地的西缘,多年平均径流量66. 1亿m3,现已发展成为我国第四大灌区,是塔里木河水系的主要源流之一。叶尔羌河流全长约1281km,流域总面积为8. 58万km2,其中,山区面积约5. 104万km2,占66. 9% ; 平原区面积约3. 5万km2,占33. 1% 。主要为冰川融水补给性河流,年内分配极不均匀是叶尔羌河流域最突出的表现。根据喀群水文站 ( 叶尔羌河第一级引水枢纽) 的四季变化看,春季( 3— 5月) 水量占7% ,夏季( 6—8月) 占68. 3% ,秋季( 9— 11月) 占18. 5% ,冬季( 12—2月) 占6. 2% 。其中,夏季约占2 /3,特别是汛期最大的四个月( 6—9月) 占年水量的79. 9% ; 一年之中长达8个月的其他季节仅占20. 1% ,冬、春枯水期有时甚至不足总量的10% ,但却承担着包括莎车、叶城、泽普、麦盖提、巴楚县、岳普湖县一部分和14个农场四大用水的重要使命,最终汇入塔里木河[3]。

2.2样本区四大用水结构分析

叶尔羌河典型灌区用水结构在逐年变化,其趋势是工业用水、生活用水、生态用水呈逐年降低,其构成见表1。

根据我国缺水标准,低于3000m3为轻度缺水,样本区多年来人均水资源量为2655m3,属轻度缺水灌区。尽管新型工业化进程在大力推进,但以大农业为主的区域工业发展缺乏支柱产业与技术支撑,推进乏力,部分城市工业不景气,出现工厂减产或停产,因此工业用水量所占比重最低,且几年内变化不大。资料显示,灌区连续五年的农业用水比重均在95% 以上, 比全国近五年( 2009—2013年中国水资源公报) 农业用水占比的63. 4% 高30% 以上,而灌区农业用水中用于农田灌溉则高达75% 以上。由此可知,样本区农业用水量大,处于低效生产配置状态。一方面存在很大的节水潜力,另一方面农业用水部分挤占生态用水的态势仍然严重。尤其值得关注的是,提高上游灌区灌溉用水效率,对叶尔羌河下游荒漠区( 河岸生长着约13. 33万hm2荒漠林) 有着积极的意义,对维系叶尔羌河流域及塔里木盆地良好生态环境具有十分深远的影响。

注: 农田灌溉包括水田、菜田、水浇地。

2.3样本区历年灌溉用水效率分析

关于农业用水与灌溉用水效率的研究,国内外学者从不同学科领域、不同视角做了大量研究。王晓娟、李周等认为,灌溉用水的效率实质上就是灌溉用水的生产技术效率[7]; 李绍飞、余萍、孙书洪等系统地构建了灌溉用水效率的评价指标体系,在此基础上分析了各种指标的优劣评价等级。在水价和产出价格不变的情况下,农作物的最优灌溉效率表现为: 同时达到农作物产量的最大化和水资源耗损的最小化,即用最少的水产出最多的食物[1]。本文结合国内外学者的研究, 确定了以下指标: 农作物单位面积用水量、净灌溉用水量、毛灌溉用水量、渠道水利用系数、单方水作物产量、单方水经济产值等指标。

农田灌溉用水效率: 在选定灌溉用水效率指标基础上,结合2009—2013年《新疆统计年鉴》、喀什地区水资源公报等方面资料,测算出2008—2012年叶河典型灌区( 泽普县、莎车县、叶城县) 农田灌溉用水效率 ( 即每公顷用水量) ,结果见图1。

典型区域农田灌溉用水量有较明显的差距,介于13035—20325m3/ hm2之间,各灌区用水效率在不断提高,其中变化最大的是莎车县,泽普县次之,最后是叶城县。莎车县、泽普县用水量在缓慢中攀升,且两灌区均在2010年单位面积的耗水量达到峰值,分别为20325m3/ hm2、19680m3/ hm2,2012年又分别急剧下降到13035m3/ hm2和14640m3/ hm2,灌溉用水效率逐年增高。究其原因可能是: 1自2010年以来,莎车县、泽普县水利部门加大了对高效节水灌溉技术的推广,在一定程度上扭转了农户节水意识普遍偏低的状况,使用高效节水技术的愿望不断提高; 当地政府对灌区种植业布局进行了优化,减少了高耗水农作物的种植面积,增加了抗旱作物的种植面积,制定灌溉定额制度等,起到了较好的效果。2叶城县灌区用水量波动不大,且以2011年为节点有反弹趋势,可能是渠道防渗率偏低,以及受部分高原气候、酷暑等极端天气的影响,作物棵间蒸发强烈,单一灌溉方式和种植制度致使农业耗水率居高难下。在现有的状况下,如果不重新考虑种植结构的优化布局、灌溉方式与灌溉制度方面的调整,随着耗水量的进一步提高,灌溉用水效率偏低的状况在今后一段时期内将会更加严重。样本区灌溉效率水平与农田作物灌溉定额相比,高出灌溉用水量3300—5850m3/ hm2标准约4倍,分别高于杨小柳、刘戈力、甘泓等研究中所测得南疆、北疆、东疆以及新疆农作物灌溉用水量的12810m3/ hm2、8220m3/ hm2、 12810m3/ hm2、10725m3/ hm2[5]。样本区水资源的利用效率仍有很大的提升空间,节水潜力巨大。

调研发现,致使农业灌溉用水效率不高的原因主要是: 1在犁地、播种、收割等环节基本实现机械化的同时,灌区仍有30% —40% 的非高效节水灌区,浇水是农户劳动力较集中的一个重要环节。由于水价低廉,且水存在硬性指标供应量,在春冬漫灌期间一般会持续供应,农户在夜间浇水过程中存在懒散、疏于管理等现象,造成跑水严重,不但蒙受经济损失,而且严重浪费水资源。2由于样本区处于流域中游地带,水资源相对丰裕,叶河水从冰山雪水融化到山谷奔流而下的第一站便是泽普县、叶城县、莎车县灌区。这些区域较少出现干旱与缺水状况,同时有地下水补充,导致当地居民缺乏节水意识,缺少高效利用水资源的经验和知识,浪费水资源的现象严重。3由于部分灌区属于经济相对落后区域,高效节水灌溉面积仅占60% — 70% ,农户采用滴灌、洼灌、沟灌等方式的节水意愿不强,认识不到位。目前仍以地面灌溉为主,且土地平整度较差,加之灌区部分土地盐碱化严重,通过大水浇灌进行压碱洗盐,以确保适宜农作物生长,这些都增加了农业耗水量,是导致南疆灌溉用水效率低于北疆、东疆的主要原因之一。

不同作物的灌溉用水效率: 为了进一步了解灌区具体农作物的灌溉用水效率,我们特选取叶河流域典型灌区具有代表性的农作物棉花、小麦、玉米作为研究对象,从农作物播前用水量( 若灌区是盐碱地,则净灌溉用水量必须考虑压碱洗盐水量,但不考虑洗碱过程中的漫溢水量) 至作物成熟的整个生命周期净灌溉用水量。即农田灌溉有效水量和流域水从源头( 源头仅指叶尔羌河第一级引水枢纽) 至农田达到农田灌溉有效用水量所需的毛灌溉用水量。

以往研究仅单方面注重单方水产量,或注重单方水的经济产值,考虑到每年农作物的价格存在波动,单一使用净灌溉用水的农作物产量或经济产出不能很好地体现当地农业灌溉用水的效率,本文同时采用两个指标衡量灌溉用水效率,弥补单一指标测算灌溉用水效率的不足[4,5,6]。通过实地调研获得的数据,测算出样本区2011—2013棉花、小麦、玉米的单方水产量与经济产出,结果见表2。

由表2可见,一方面2011—2013年净灌溉用水玉米的平均产量为1. 56kg /m3,远大于净灌溉用水棉花产量的0. 15kg /m3; 另一方面,玉米净灌溉用水的产值平均为1. 48元/m3,与棉花相同。由于作物功能不同、价值不一,为追求同样经济价值可减少水资源投入成本,农户可能更倾向于种植棉花。因此,既注重净灌溉用水农作物的产量,又注重净灌溉用水农作物的产值来探讨不同农作物的灌溉用水效率,才能从深层次找出影响农业灌溉用水效率的因素[8,10]。2011—2013年棉花、小麦、玉米平均净灌溉用水量效益为2. 9kg / m3,毛灌溉用水量效益为1. 41kg /m3,两者效益比值为0. 486,可表示为灌溉用水效率; 毛灌溉用水量效益为2. 14元 / m3,净灌溉用水量效益为4. 41元/m3,同样灌溉用水效率为0. 485,最后得出典型灌区代表性农作物平均灌溉用水效率为0. 483。另一方面通过计算田间水利用系数,即灌溉到田间的有效水量( 包括叶面蒸腾和棵间蒸发) 与农渠放入田间的水量比值: η 系 = η 水 / η 田 = 净灌溉用水量 /毛灌溉用水量 = 0. 485,灌溉水利用系数不高,反映出田间斗渠、农渠的防渗效率和灌水技术水平低,加之随着极端气候的变化,如酷暑期增多等,致使渠道水蒸发较强烈。所以,如何最大限度地由毛灌溉产出向净灌溉产出转移, 最大限度地节约水资源,是当前流域提高效率的核心。

3典型区农业灌溉用水效率实证分析

本文利用所获得的农户微观面板数据,通过随机前沿分析方法,运用Battese and Coelli效率损失影响模型[4],测算农户农业灌溉用水效率。

3.1模型选择与介绍

技术效率模型测定: 运用随机前沿生产函数测定微观农户生产技术效率,假设Ym为第m( 1,2,3…) 个农户的农业产出,Wm为第m个农户的灌溉用水量, xmn为第m个农户的第n种投入要素,而vm表示农业生产中不可抗力因素( 测量误差、经济波动、环境气候等) ,um表示管理误差,这样随机前沿生产函数可表示为:

这里假设没有效率损失,um= 0,则TEm= 1,农业产出为 Ŷm,说明农户处于完全技术效率状态,这种情况实际生产中不可能达到,因此我们认为农户的生产技术效率0 < TEmn< 1,为技术非效率,即生产点位于生产前沿面下。根据式( 1) 该农户m的平均技术效率TEm为:

计算出的实际产出与可能实现的最大产出之间有偏离。为了得到Kopp所定义的灌溉用水效率,需构建C - D生产函数形式的随机前沿模型,公式为:

灌溉用水效率模型测定: 灌溉用水作为与其他投入要素一样,假设农业产出在一定条件下的最小灌溉用水量为,产出水平对应式( 3) 的有效产出可表示为:

假设式( 3) 和式( 4) 相等,得出:

则式( 5) 可计算出农户灌溉用水效率公式为:

3.2调研方式与数据来源

为了全面了解农户农业生产中灌溉用水效率,结合种植业特征,本文选择具有代表性的小麦作物的灌溉用水作为研究对象,于2014年10月至2015年3月在喀什地区泽普县、莎车县、叶城县实地调研点对个体农户的小麦灌溉用水行为进行调查,总共发放问卷1000份,其中泽普县图呼其乡、赛力乡260份; 莎车县托木吾斯塘乡、喀群乡、荒地镇、依盖尔其镇400份; 叶城县喀格勒克镇、伯西热克乡、依力克其乡340份,回收有效问卷968份,问卷回收率达96. 8% 。

结合调查单位查询档案资料、走访水利局水文站、征求水管部门意见、与农户座谈等形式获得第一手资料并汇总,通过查阅2011—2014年《喀什地区水资源公报》、2010—2014年《新疆统计年鉴》获得有关核心指标数据。

3.3数据的描述统计

本文以小麦的单位面积产量为产出变量Y( kg / hm2) ,以灌溉用水投入W( m3/ hm2) 、劳动力投入L( 人·天/m2) 、化学投入F( 元/hm2) 、机械投入M ( 元/hm2) 、种子投入S( 元/hm2) 作为主要投入要素, 投入—产出的描述性统计见表3。表3中,产量最大值为9200kg /hm2,最小值为4100kg /hm2; 种子投入为1800元 / hm2,化肥投入为5400元/hm2。机械投入主要包括犁地、播种、收割等环节,平均为2750元/hm2。其中,仅收割成本达1800元/hm2,占总机械投入的60% —70% ; 其次是播种和犁地投入,平均值为1750元/hm2; 灌溉用水投入均值为5750m3/ hm2,最大值为6000m3/ hm2,最小值为3996m3/ hm2。

注: 数据来源于调研数据,经计算整理得到。

3.4参数估计与结果分析

根据式( 3) 可得出:

运用Frontier 4. 1软件对以上生产函数进行估计参数见表4。从表4可得,γ = 0. 9213,五个投入要素系数均为正,并通过显著性检验,符合经济学意义,说明生产点位于生产前沿面下,主要是由技术非效率引起的。就每个单一要素而言,投入增加有利于产量增加,而化学投入、机械投入和灌溉用水投入在1% 水平下显著。这是由于样本区采用节水灌溉技术,水肥技术的发挥更有利于作物生长,增加其投入可带来收益的显著提高; 而增加种子投入和机械投入对效益产值影响不大,这可能与近几年来机械化的大规模采用有关,小麦基本上实现了从犁地、播种到收割的机械化运作,机械替代了人工,可能是导致种子投入与劳动力投入不显著的原因。

注: 1W 表示灌溉用水量,L 表示人工费用,M 表示机械投入,F 表,S 表示种子投入; 2***、**、* 分别表示在 1% 、5% 和 10% 水平下显著。

本文运用随机前沿分析方法,对农户的生产技术效率、灌溉用水效率进行了测算,得到农户的生产技术效率平均值0. 6608,灌溉用水效率平均值0. 4788( 表5) 。样本区在5年间灌溉用水效率提高不显著,这些除了受到当年气候变化的影响外,与当年种植结构的特征相关,也可能与当地农户多年来形成的用水习惯、对水资源缺乏性认识不够有关。灌区农户过度依赖水资源等,导致农业灌溉用水效率较低,与随机前沿面的差距较大。

就技术效率而言,近几年有所提高,但与孙昊测算的全国2001—2010年平均生产技术效率为0. 86的差距较大[9]。造成差距的原因可能是: 1灌区近几年来以红枣、核桃等为主发展特色林果业,而在种植前5年一般多套种小麦,这部分小麦难采用机械化作业。与我国小麦主产区相比,这些地区自然禀赋较好,地势平坦,有利于良种小麦的生长,以及机械化耕地、播种、收割,因此技术效率比全国水平较低,仅为0. 6608。2灌区农户因受教育程度、管理水平和种植小麦关键技术的掌握程度不同,如病虫害防治技术、品种的选育、化肥的投入等,造成技术效率较低,因此样本区技术效率的提高具有较大改善潜力。3不同的种植结构,如高耗水作物棉花等,以及不同的灌溉方式漫、沟、畦、格田灌溉都会对技术效率带来差异,虽然呈现不显著,但随着产业布局的优化,灌溉制度的改善,水资源利用率的提高等,将会有效提高作物的生产技术效率和水资源产出效益[5,6,7],因此水资源产出效益与技术效率之间存在协调作用。技术效率的提高是水资源产出效益提高的重要保障,灌溉用水效率的提高反过来又促进技术效率的提高。技术效率的提高不但与灌溉用水有关,而且与关键种植技术、化肥投入、品种选育、受教育水平、是否采用套种、机械化程度、农户的管理水平等密切相关。

4结论与对策

灌区的水资源在时间分配和空间分布上不均匀, 春、冬两季节水量极少,且农业用水占比高达96% 以上,生态用水五年均值不足水资源总量的4% 。近年来随着灌区人口的逐年增长、工业生产的日益发展,四大用水供需矛盾尤为突出。典型灌区农业灌溉用水效率为0. 483,单方灌溉水棉花产量为0. 07kg、小麦产量为0. 58kg、玉米产量0. 76kg,单方灌溉水总产值平均为2. 25元/kg。只有最大限度地减少无效蒸发,加快渠道防渗改造工程进程,合理调整种植结构,大力推广节水灌溉制度,才从根本上提高农业灌溉用水效率。

2009—2013年灌区农户生产技术效率平均为0. 6608,略高于灌溉用水效率0. 4788。随着种植技术水平的提高,高效节水工程规模的扩大,当地农户接受和采纳新技术的意愿增强,对高效节水技术的“适应性”增强,可带来农业生产技术效率的提高。

依据“水十条”计划,以改善水环境质量为核心,按照“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”原则,分区域、分阶段推进水污染防治、水生态保护和水资源管理。目前农民参与用水者协会是促进农户用水效率的提高有效方法之一,可执行责任到人的管理体制,田间水利工程谁使用谁管理,通过百姓对水利工程设施自我维护意识的增强,进一步促进农业灌溉用水效率的提高; 通过管理与制度的创新,水管部门设立农户用水“明白卡”公开制度,将灌区农户灌溉用水情况,如用水量、灌溉面积、浇灌日期等进行公示,形成农户之间相互监督,杜绝水资源浪费行为。通过优化布局种植结构,改变单一低效灌溉方式,合理配置水资源高效利用,才是解决南疆乃至新疆地区经济发展中水资源严重短缺带来的根本性问题。

摘要：南疆属极端干旱区,以绿洲灌溉农业为主,随着水资源短缺,过度开采地下水造成水位下降、土壤盐渍化加剧等问题日益严峻,如何最大限度地提高灌溉用水效率是目前亟待考虑的问题。对叶尔羌河流域四大用水结构和农田灌溉用水效率进行分析,选取典型灌区2009—2013年的微观面板调研数据,运用随机前沿生产函数对1000农户小麦生产技术效率与用水效率进行测算。研究发现:1不同作物单方灌溉水产出具有差异,平均为2.25元/m3;典型区农田灌溉用水量差异明显,介于13035—20325m3/hm2之间。2农户的平均灌溉用水效率仅为0.483,生产技术效率为0.6608。3源流区水资源的相对丰裕造成普遍节水意识缺乏,灌溉方式相对单一,农户对节水技术采纳与接受的意愿较低,这些是造成当前农业用水效率不高的主要原因。通过提高农户的节水行为,进一步推广节水灌溉技术,优化种植结构,提高农户对关键种植技术的掌握与管理水平,是实现技术效率与水资源产出效率有效提高的主要途径。

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