庫(kù)路巴依·吾布力

（喀什水文水資源勘測(cè)局，新疆喀什844000）

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投影追蹤模型在新疆農(nóng)業(yè)灌溉用水系數(shù)影響因子分析中的應(yīng)用

庫(kù)路巴依·吾布力

（喀什水文水資源勘測(cè)局，新疆喀什844000）

摘要：本文采用遺傳算法對(duì)投影方向進(jìn)行優(yōu)化，建立投影追蹤模型，并基于該模型分析新疆某灌區(qū)灌溉用水系數(shù)的影響度分析，研究結(jié)果表明：不同片區(qū)灌區(qū)影響指標(biāo)不同，渠道襯砌度較高的片區(qū)，投影追蹤指標(biāo)值較大，灌區(qū)用水系數(shù)較大。研究成果對(duì)于農(nóng)業(yè)灌區(qū)用水效率分析和用水規(guī)劃提供參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：投影追蹤模型；灌區(qū)用水系數(shù)影響因子；投影追蹤指標(biāo)值；新疆農(nóng)業(yè)灌區(qū)

引言

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)灌溉用水效率的高低直接影響到農(nóng)業(yè)產(chǎn)量。當(dāng)前，水資源日趨緊張，提高灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水效率是當(dāng)前許多學(xué)者研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。而對(duì)于農(nóng)業(yè)灌溉用水效率分析的前提是需要對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉用水系數(shù)影響因子的分析，對(duì)于農(nóng)業(yè)灌溉用水系數(shù)影響因子的分析，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者展開過(guò)相關(guān)研究，并取得一定的研究成果［1-5］。但是這些研究成果采用的方法大都是統(tǒng)計(jì)學(xué)方法結(jié)合實(shí)地調(diào)查分析，這些成果存在一定的主觀性。投影追蹤模型，結(jié)合數(shù)學(xué)模型的方法，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法，當(dāng)前，在許多水資源影響分析中得到應(yīng)用，取得一定的研究成果［6-8］。胡超［9］首次將投影追蹤模型用于灌區(qū)用水系數(shù)影響因子分析中，但是投影追蹤模型在新疆灌區(qū)的農(nóng)業(yè)灌區(qū)用水系數(shù)影響因子還未進(jìn)行相關(guān)研究，而新疆為農(nóng)業(yè)大省份，灌溉用水效率尤為重要，需要對(duì)新疆灌區(qū)的農(nóng)業(yè)灌溉用水系數(shù)的影響因子進(jìn)行不同程度的分析。為此，本文引入投影追蹤模型，結(jié)合新疆灌區(qū)的實(shí)際情況，選取灌區(qū)用水影響因子，并應(yīng)用遺傳算法對(duì)投影追蹤模型的投影方向進(jìn)行優(yōu)化，基于優(yōu)化的投影追蹤模型對(duì)新疆某灌區(qū)不同片區(qū)的灌溉用水系數(shù)影響因子進(jìn)行分析。研究成果對(duì)于新疆灌區(qū)的用水效率分析和用水規(guī)劃提供參考價(jià)值。

1　投影追蹤模型原理

投影追蹤模型可以將不同的指標(biāo)值組成的多維影響因子進(jìn)行綜合轉(zhuǎn)換成單一的綜合影響值，因此該模型較為明顯對(duì)灌溉用水影響因子進(jìn)行定量的分析。且能夠針對(duì)這些變量因子進(jìn)行權(quán)重分析，確定影響程度。投影追蹤模型首先構(gòu)建投影追蹤的指標(biāo)函數(shù)，并通過(guò)優(yōu)化求解得到最優(yōu)化的投影方向。并結(jié)合最優(yōu)化的投影方向確定不同影響因子的投影值。并最終采用各個(gè)投影方向的分量投影值及各個(gè)因子投影值的大小來(lái)計(jì)算確定各個(gè)因子的排位順序。從而對(duì)各個(gè)因子進(jìn)行定量分析評(píng)價(jià)。模型的主要的計(jì)算分為以下幾個(gè)步驟：

（1）投影指標(biāo)的確定和計(jì)算：通過(guò)以下兩個(gè)方式進(jìn)行投影指標(biāo)的計(jì)算和確定，表達(dá)式為：

在公式（1）和（2）中xmax（j）、xmin（j）分別表示第j號(hào)灌區(qū)的取水系數(shù)影響指標(biāo)具體量值的最大和最小值；x（j）則表示為第i號(hào)灌區(qū)的第j號(hào)灌區(qū)取水系數(shù)影響的指標(biāo)。在本文中主要選取5個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析，分別為灌渠的總面積、灌渠的襯砌程度、灌區(qū)的節(jié)水程度、灌區(qū)土地平整度、以及灌區(qū)水利信息化程度作為灌區(qū)水利用系數(shù)的影響指標(biāo)。

（2）在指標(biāo)確定的基礎(chǔ)上，需要確定投影追蹤模型的構(gòu)造函數(shù)，該構(gòu)造函數(shù)需要把x（i，j）的各個(gè)影響因子綜合成一組綜合指標(biāo)值a =｛a（1），a（2），…a（j）表示的是一維投影方向上的綜合指標(biāo)值的組合，可應(yīng)用z（i）來(lái)表達(dá)，z（i）的計(jì)算表達(dá)式為：

結(jié)合｛z（i）i=1，2…n｝綜合值的大小對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉用水的綜合利用水的系數(shù)進(jìn)行綜合影響因子的分析。

假設(shè)s（a）可以表示為z（i）的標(biāo)準(zhǔn)方差，D（a）則表示為z（i）構(gòu)造的局部投影函數(shù)的密度，結(jié)合上述原則，可以構(gòu)建投影追蹤的目標(biāo)函數(shù)，表達(dá)式為：

在上述方程中，E（z）表示的物理意義為綜合指標(biāo)值的均值；R的物理意義為構(gòu)造的投影函數(shù)的局部密度的函數(shù)，R的取值一般為0.1S（a）；rij= z（i）-z（j） 為投影指標(biāo)之間的投影距離；u（t）為投影構(gòu)造函數(shù)的一次單階函數(shù)。當(dāng)t=R-rij≥0，該指標(biāo)值為1，t＜0，該指標(biāo)值為0。

（3）優(yōu)化投影構(gòu)造函數(shù)的確定：該函數(shù)是確定最優(yōu)化的投影函數(shù)的方向，最優(yōu)化的投影方向可以通過(guò)優(yōu)化求解Q（a）來(lái)進(jìn)行確定，最優(yōu)化的目標(biāo)求解函數(shù)的表達(dá)式為：

式（4）結(jié)合以上最優(yōu)化的投影方向代入公式（3）中，就可以將各個(gè)灌區(qū)的片區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水的影響因子進(jìn)行指標(biāo)投影分析計(jì)算，得到各個(gè)指標(biāo)的投影影響因子z（i），z（i）的值越大，表示為該因子對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉用水的影響程度最高。

2　模型應(yīng)用

結(jié)合新疆某灌區(qū)的農(nóng)業(yè)耕作數(shù)據(jù)，包括灌區(qū)內(nèi)種植的農(nóng)作物，結(jié)合當(dāng)?shù)毓鄥^(qū)的實(shí)際情況分析，灌區(qū)用水系數(shù)的主要影響因子，綜合考慮各因子對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉用水系數(shù)影響的程度，主要選取5個(gè)因子作為灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水影響因子，建立投影尋蹤函數(shù)，分析不同指標(biāo)對(duì)灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水影響的程度。

2.1 影響指標(biāo)的選擇

對(duì)于灌區(qū)用水系數(shù)影響的因子有很多，需要結(jié)合灌區(qū)的實(shí)際情況和灌區(qū)用水調(diào)查情況進(jìn)行影響指標(biāo)的分析和確定。影響的因素主要為灌區(qū)的自然條件因素以及灌區(qū)的農(nóng)業(yè)灌溉用水工程的主要的性能指標(biāo)。本文主要選用5個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析，分別為井渠所占比例、灌溉節(jié)水改造工程比例、灌溉節(jié)水的比例、灌溉用水的方式、渠道襯砌的狀況。

2.2 計(jì)算結(jié)果

利用選取的5個(gè)農(nóng)業(yè)灌區(qū)用水影響因子，構(gòu)建不同因子的投影追蹤模型，利用構(gòu)建的投影追蹤函數(shù)，對(duì)不同因子進(jìn)行投影追蹤計(jì)算，確定不同因子對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉用水影響程度，不同影響因子的指標(biāo)值見(jiàn)表1。在不同指標(biāo)值確定后，結(jié)合公式（2）和公式（3）進(jìn)行指標(biāo)的處理過(guò)程。結(jié)合遺傳算法對(duì)投影構(gòu)造函數(shù)的最優(yōu)化方向進(jìn)行最優(yōu)化求解a = （0.5342，0.6357，0.3028，0.3218，0.2985），結(jié)合最優(yōu)化求解求得不同指標(biāo)的投影追蹤指標(biāo)值，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，并結(jié)合計(jì)算的不同指標(biāo)值繪制了不同片區(qū)的影響指標(biāo)農(nóng)業(yè)灌溉用水的影響程度，見(jiàn)圖1。

表1　不同片區(qū)灌溉用水影響因子的指標(biāo)值

表2　不同灌溉影響因子的投影追蹤指標(biāo)值

圖1　不同片區(qū)投影追蹤指標(biāo)計(jì)算值

從表2的計(jì)算結(jié)果可以看出，1#片區(qū)的投影追蹤函數(shù)的指標(biāo)值最大，因此該灌區(qū)的農(nóng)業(yè)灌溉用水影響系數(shù)最大，5#片區(qū)的投影追蹤指標(biāo)值最小。主要是因?yàn)?#片區(qū)各個(gè)指標(biāo)都高于其他4個(gè)片區(qū)，農(nóng)業(yè)灌溉用水影響程度最高。而5#片區(qū)的各個(gè)指標(biāo)都小于其他幾個(gè)片區(qū)，因此其投影追蹤指標(biāo)值最低。從表2中還可以看出，渠道襯砌度較高的區(qū)，其投影追蹤指標(biāo)值一般較高。從圖1可以看出，對(duì)于1#片區(qū)而言灌溉節(jié)水的比例對(duì)農(nóng)業(yè)灌區(qū)用水系數(shù)影響較大，而灌溉節(jié)水改造工程比例因子影響程度較小。2#片區(qū)灌溉節(jié)水的比例對(duì)農(nóng)業(yè)灌區(qū)用水系數(shù)影響較大，而灌區(qū)面積因子影響程度較小。3#片區(qū)灌溉節(jié)水改造工程比例對(duì)農(nóng)業(yè)灌區(qū)用水系數(shù)影響較大，渠道襯砌度因子影響程度較小。4#片區(qū)灌溉節(jié)水改造工程比例對(duì)農(nóng)業(yè)灌區(qū)用水系數(shù)影響較大，而渠井結(jié)合比例因子影響程度較小。5#片區(qū)灌溉節(jié)水的比例對(duì)農(nóng)業(yè)灌區(qū)用水系數(shù)影響較大，而灌溉節(jié)水改造工程比例因子影響程度較小。

3　結(jié)語(yǔ)

本文采用優(yōu)化算法構(gòu)建投影追蹤模型，并對(duì)新疆灌區(qū)的農(nóng)業(yè)灌溉用水系數(shù)影響指標(biāo)進(jìn)行程度分析，研究得出以下結(jié)論：

（1）從模型分析結(jié)果可看出灌區(qū)襯砌度對(duì)投影向量的影響程度最大，對(duì)灌溉用水影響程度較高。

（2）運(yùn)用投影追蹤模型計(jì)算的投影指標(biāo)值進(jìn)行大小排序，投影指標(biāo)值大的區(qū)域，農(nóng)業(yè)灌溉用水系數(shù)利用率較高。在今后的農(nóng)業(yè)灌區(qū)規(guī)劃管理中，應(yīng)結(jié)合不同灌區(qū)實(shí)際灌水用水概況，進(jìn)行影響指標(biāo)分析。

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作者簡(jiǎn)介：庫(kù)路巴依·吾布力（1980年—），男，工程師。

基金項(xiàng)目：國(guó)際科技合作專項(xiàng)（2012DFA20520）。

收稿日期：2016-01-04

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.02.008

中圖分類號(hào)：S274

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-2469（2016）02-0021-03