在作物需水量方面的应用

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1、东北农业大学工学硕士学位论文4 .3 在作物需水量方面的应用作物需水量是农业用水的主要组成部分， 也是国民经济中消耗水分的主要部分。 因此， 它是水资 源开发利用时必需的重要资料。 同时也是灌排工程规划、 设计、 管理的基本依据。 目 前，世界的平均用水量不断增长， 水资源不足日 趋严重。对作物需水量的 研究与估算， 已 成为一个重要的研究课题。植株蒸腾与棵间蒸发统称腾发量，它是作物耗水爱的主要组成部分.农田水分消耗的 途径主要是植株蒸发、 棵间蒸 腾和田间渗漏。 植株燕腾是指作物将根系从土城中吸入体内 的水分。 通过叶片的气孔散到大气中的现象。 棵间 蒸发是指植株间土壤或田面的水分燕发. 棵

2、间蒸发和植株蒸腾都受到气象因素的影响。根据大纽的灌溉试验资料分析，作物需水量 的大小与气象条件、 土坟含水量状况、作物种类及其生长发育阶段、农业措施、 灌溉排水 等有关。 这些因素对需水量的影响是相互联系的，也是错综复杂的，为多因素、非线性问 题.目 前尚难从理论上对作物需水盆进行精确的计算 ( 付强等， 2 0 0 2 ) 。 在生产实践中， 一 方面 通过田 间试验的 方 法直接 测定 作物需水量;另 一方面， 常采用 某些计算 方法来确定作 物需 水量，如直接相关法，即 通过长期观测， 利用气象数据， 选取其中的一个或多个因子( 气温、日 照时数、 饱和差和风速等) 分别建立回归方程;也

3、可采用时序分析，对需水量 序列 通过 提取趋势项与周期 项， 对随 机项建 立自 回归 模型 A R ( P ) : 利用灰色系 统理论， 对 需水量 序列 建立灰色 预侧 模型G M ( 1 , 1 ) 或G M ( 2 , 1 娘型， 并 对残差辅以 随 机模型 修正。 上述 这些方 法多以 线性理论为 墓础， 考虑问 题偏于简 单 化， 导致预测精度不高， 计算过 程繁 琐， 数学难度大。 而人工神经网 络是一种优秀的处理多变盆、 非线性问 题的新方法， 下面采用 改进的B P 神经网 络- R A G A S A B P 与多维自 回归 模型相结合， 通过多变盈自 相关分析技术 确定各

4、个影响因子对水稻需水I的影响关系 ( 延迟步数) ， 从而确定网络的拓扑结构， 根据 文献 【 6 实测数据 ( 见表4 - 5 ) 来计算水稻的需水公。( 1 ) 基本资料利用 三江平原腹地一富锦市 1 5 年观测资料 ( 1 9 8 5. 1 9 9 9 ) ，将井滋水稻按生育期划 分为6 个阶段。 根据三江平原历年气候条件情况， 平均每年在5 月2 0日 前后 插秧。 因此各 阶段为: 插秧期( 5 . 2 0 - 5 .2 9 ， 共t 0 天) ， 返青期( 5 .3 0 -6 .5 ， 共7 天) ， 分戴期( 6 . 6 - 7 . 1 0 , 共3 5 天) ， 拔节孕穗期 (

5、 7 . 1 1 - 7 .2 0 , 共1 0 天) ， 抽德开花期 ( 7 .2 1 - 7 .2 7 ， 共7 天) ， 灌浆 成熟奶 ( 7 .2 8 8 .3 , 共3 5 天) .( 2 ) 输入输出样本对的确定由 于需水盆动态变化属于单因素时间序列，必须先进行数据分析，确定输入轴出 样本 对 。 应 用 相 关 分 析 技 术， 求 解自 相 关 函 数， 得出 ， 达 到 显 著 水 平( - 9 5 % - 9 5 % 容 许 限 ) 各阶段的日 平均需水盆与前 1 , 2 , 6 生育阶段需水盆有关。为了计算方便现选取前6 个生 育 阶段 的需 水盘资 料作为 输入， 本阶

6、段的猫水蚤资料作为输出 附强 等， 2 0 0 2 ) 。 这 样1 5 年 资 料， 9 0 个数据， 将2 0 0 0 年作为网 络检测， 则生成样本对共计8 4 对，用这些数据对神经 网络进行训练.( 3 )网 络结构的 确定R 人 C 人 S A 一B P 在水资源工程中的应用表4 一 5 三江平原富锦市井灌水稻各生育阶段需水量 ( 均8519 9 9 ) 1 恤 b .本S A n ， 0 助t to肋卿1 代 d 节 角 l e r i n Di爪r 已 ntP e r io d of形 . inF ujin人 l e a o f s 助 . 明g Planm 耐d年份1 9 8

7、51 9 8 61 9 8 71 夕 8 名1 9 8 91 9 9 01 9 9 11 9 9 21 9 9 31 9 9 41 9 9 51 9 ， 61 9 9 71 9 9 81 9 9 92 0 0 02 0 0 1插秧期返青期4 . 8 65 2 84 . 1 05 .4 44 . 9 04 . 6 05 . 4 842 54 ， 8 74 . 8 83 一 5 345 恶5 . 1 名4 . 5 04 . 5 94 ， 8 55.207 327 . 6 25 . 9 35 . 8 55 ， 1 655 551 451 44 一 1 25 ， 2 95.606 . 2 06 . 1

8、 26 . 5 35 . 1 55 . 9 36肠分菜期8 . 1 89 8 8夕 . 771 O . 027 . 7 78 . 5 37 ， 5 57.64， 0 667 28 . 2 76 月09 奋 068 . 3 58.9097 29 . 名 5拔节孕穗期抽穗开花期9 卜 5 48 . 3 49 . 2 01 2 . 8 91 00 31 L 5 31 1 5 21 2 . 4 59 4 28 . 2 61 27 899 75 9 571 41 2 乃 69 名 31 2 . 2 36 忿1 1 2 11 03 01 0 ， 2 187 01 0 之59 . 8 名1 0 0 51 1

9、 肠1 么9 69 . 4 61 2 .4 61 0 . 2 71 0 ， 1 51 1 041 05 41 1 0 1成熟期5 . 7 15 . 9 35 . 0 86 . 0 572 85 . 9 95 ， 5 0叹0449 06 . 2 65 . 5 256 5丘卯5 . 7 275 461 26 . 3 5表4 一 6几 b . 今6AmD U n t t O拟合检验三江平原富锦试区井灌水移需水且序列 ( 1 9 86一1 999) Req u i传 d ， /a l e r ，s F O 传 。 留 l to侧 c e 访 F 叮 in A ，o f s 叫她旦 塑 些mn 公 d年

10、份1 9 3 61 9 8 71 9 8 81 9 8 夕1 9 9 01 9 9 11 9 9 21 9 9 31 9 9 41 9 9 51 9 9 61 9 9 71 9 9 81 9 9 9插秧期55 34.9 75 . 1 45 一 5 74 3 45 . 8 95 . 8 850 64 . 9 04 . 2 23 . 8 24 ， 0 44 . 5 853 3返青期7 . 5 25 . 4 26 . 8 96 . 5 057 54.幻4 ， 3 44 . 2 14.6948 76 . 3 55 . 8 66 . 5 85 . 6 6分典期夕 ， 1 997 69 ， 2 8民肠7

11、. 6 97名 39 . 3 273 680 28 一 8 3， .44名 . 6 4公3 57 9 7拔节孕秘期1 0 . 3 31 1 力51 04 18 . 7 51 0 . 呜 4吕 . 2 吕9 . 7 41 1 . 8 09 ， 名 01 2 . 2 692 81 0 . 1 31 0 . 1 6l l J7抽德开花期1 0 . 6 11 09 01 0 . 6 19 一 8 21 0 7 18.02叭691 00 58 . 9 91 0臼9601 0 . 5 11 0 . 5 31 0 . 3 5成熟期5.745925 . 6 47 . 6 571 972 25 . 9 15 一

12、 2 56 . 5 25 ， 7 96 ， 3 86 . 8 46 . 0 55 8 367升升尘翼巴竺犷恶巴现 采 用 三 层 网 络 进 行 训 练， 由 输 入 样 本 决 定 了 输 入 层 的 节 点 为6 个， 而 对 于 隐 层 节 点 个 数 本 例 通 过R A G A 的 优 化 训 练 ， 当 误 差 给 定0 .0 0 5 时 ， 隐 层 节 点 数 选 为1 。 个 ， 经R A G A 加 速3 次， S A B P 训 练3 5 5 1 次时， 网 络 收 救， 经 检验 样 本 检 测 达 到 要 求。 故 选定网 络的 拓 扑 结 构 为: 6 - 1 0 -

13、 1 。 网 络 训练、 检 验 及预 测 结 果 分见 表4 - 6 、 表4 - 7 、 表4 - 8 和 表4 - 9 e表4 - 7 预测2 0 0 。 年富 锦市井灌 水稻各生 育期 阶段日 平均需 水量 T a b .4 -7 A m o u n t to R e q u ir e d W a te r s F o r e c a s t to R ic e in F 坐 A re a o f S a n h a n g P la n in 2 0 0 0 m m fd 不同生育期 实测值 本文预测值 绝对误差 相对误差N s插秧4 . 8 54 . 8 2- 0 . 0 3心.

14、石 2返青期分萦期9 . 7 28 . 8 1刁.91. 9 . 3 6拔节孕穗1 0 . 1 51 0 . 2 40 . 0 90 . 名 9抽穆开花1 1 . 0 41 1 . 4 40 . 4 03 . 6 2成熟期6 . 1 26 . 5 40 . 4 26 . 8 6平均误差0 . 3 8 54 . 8 4泌议码柳表4 - 8 预测2 0 0 1 年富锦市并灌水稻各生育期阶段日 平均需水量T a b . 4 - 8 A m o u n t t o R e q u i r e d W a t e r s F o re c a s tt o R i c e i n F u j i n A

15、 re a o f S a n J i a n g P l a n i n 2 0 0 1 m m l d 不同生育期实测值 本文预测值 绝对误差 相对误差乃 么插秧5 . 2 05 . 0 9- 0 . 1 1- 2 . 1返青期6 .0 66 . 4 60 . 4 06 . 6 0分典期9 . 8 51 0 . 0 20 . 1 71 . 7 3拔节孕铭1 0 . 5 41 0 . 5 2- 0 . 0 2一 0 . 1 9抽德开花i 1 乃I1 1 . 1 60 . 1 51 . 3 6成熟期6 . 3 55 . 5 9一 7 6- 1 1 . 9 7平均误差文献 6 , 采用常规B P

16、 算法对2 0 0 1 年得出的预侧 值的平均绝对误差为0 .8 0 5 6 , 平均 相对误差为9 ,3 7 4 3 ， 这两个评价值都远高于本文的相应值。可见R A G A S A B P 算法的结果 明显 优子常规B P 算法。表4 . 9 用R A G A B P 预测2 0 0 2 年畜 锦市井灌水稻各生育期阶段日 平均需水量 T a b .4 - 9 A m o u n t t o R e q u i r e d W a t e r s F o re c a s t 协R i c e i n F u j i n A r e a o f S a n i i a n g P l a n in 2 0 0 1 m m l d生育期预测值插秧期返青期分截期拔节孕稼期抽稚开花期成熟期4 . 7 4 6 . 7 9 9 . 1 8 1 0 . 4 71 0 . 9 75 . 3 94 .4 在地下水位动态变化预测中的应用地下水是人类水资源的重要组