基本信息
- 項目名稱：
- 河西綠洲灌區(qū)降雨量模擬預測系統(tǒng)的研制
- 小類：
- 信息技術
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 農業(yè)節(jié)水的核心是水資源的有效開發(fā)和利用，這也包括自然降水的有效利用。近年來，河西綠洲灌區(qū)自然降水呈現(xiàn)增加趨勢，為了更好地利用自然降水，減少灌溉用水，是農業(yè)節(jié)水最經濟、最有效地措施。本文通過對甘肅河西綠洲灌區(qū)自然降水的模擬分析，得到河西綠洲灌區(qū)自然降水的時空分布和量值，為有效利用自然降水、實現(xiàn)農作物精確灌溉提供科技支持。
- 詳細介紹：
- 一、研究目的 甘肅河西綠洲灌區(qū)是我國典型的內陸干旱灌區(qū)，同時也是甘肅省重要的商品糧基地、農作物制種基地。該灌區(qū)的農業(yè)灌溉用水主要依賴祁連山的雪水，但由于近年來生態(tài)環(huán)境的變化，祁連山雪線的日漸上升，加之國家生態(tài)用水的日益增加，水資源的匱缺已是不爭的事實。要保證河西綠洲灌區(qū)經濟、社會、生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，必須大力開展農業(yè)節(jié)水。農業(yè)節(jié)水的核心是水資源的有效開發(fā)和利用，其中也包括自然降水的有效利用。根據(jù)有關文獻的研究，近年來，河西綠洲灌區(qū)及周邊自然降水呈現(xiàn)增加趨勢。因此更好地利用自然降水，減少灌溉用水，是農業(yè)節(jié)水最經濟、最有效的措施。此外通過對甘肅河西綠洲灌區(qū)自然降水的模擬分析，將得到該地區(qū)自然降水在農作物生育期的時空分布和量值，為建立精確灌溉決策支持系統(tǒng)、準確預報農作物的灌溉時間和數(shù)量、提高農作物生產力提供科技支撐。 開展河西綠洲灌區(qū)農業(yè)節(jié)水綜合技術體系的研究，重點是開展農作物對于農田灌溉水、自然降水、地下水利用效率的研究，在此基礎上建立該地區(qū)農作物精確灌溉決策支持系統(tǒng)。未來可以根據(jù)農作物不同生育期的需水量，實施適時適量的精確灌溉，從而提高水資源的利用率和農業(yè)生產力。 傳統(tǒng)用水管理是根據(jù)預先制定的灌溉制度定時定量供水。由于灌溉制度是根據(jù)不同水文年制定的配水方案，因而不能適應瞬息萬變的天氣條件。要實現(xiàn)水資源的高效利用，應當根據(jù)當前土壤墑情，結合未來時段的氣象預報，進行農田用水動態(tài)管理。灌溉預報技術是農田灌溉用水動態(tài)管理的核心技術，它是利用土壤基本參數(shù)以及易于觀測的氣象資料等來預測土壤水分狀況的動態(tài)變化，據(jù)此來確定灌水日期、灌水定額，并隨農作物生育期的推移，逐段實行灌溉預報，控制土壤水分在有利于提高水分生產率的范圍內變化，實現(xiàn)節(jié)水高產的目標。要精確預報灌溉的時間和農作物不同生育期內的灌水量，必須對農田灌水量、自然降雨量、地下水補充量及其動態(tài)變化進行精確模擬與分析。農田灌水量可以通過人工灌溉，對其在一定范圍內進行精確調控，地下水的補充量根據(jù)其埋深情況，在一定的時間內基本上是固定不變的。而自然降雨量是隨機變化的，它的模擬和預報涉及許多復雜的氣象因素，要精確預報困難不少。但如果模擬結果誤差大，會影響到精確灌溉決策支持系統(tǒng)的建立和運行，進而影響到能否準確預報農作物的灌溉時間和灌水量。本文就如何模擬和預測河西綠洲灌區(qū)農作物生育期的降雨量，進行以下的理論分析和探討。 二、 材料與方法 要比較準確地分析河西綠洲灌區(qū)農作物生育期內自然降水資源的時空分布，預測未來變動的趨勢，前提是對該地區(qū)自然降雨量分布狀況與可能的變化范圍有一個明晰的認識，即通過對農作物生育期內可能降雨量的研究，建立精確灌溉預報模型，為高效利用有限水資源提供決策依據(jù)。眾所周知，對于天氣的預報和預測，是一項世界級的難題，沒有一個國家能夠對中長期的天氣做出精確預報，如我國2010年春季西南地區(qū)的大旱,沒有事先做出預報，造成了巨大的損失。天氣預報的模式，一般是根據(jù)過去的觀測數(shù)據(jù)，對未來的天氣變化進行模擬與預測。而進行精確模擬的關鍵條件有兩個：高質量的模擬數(shù)據(jù)和選取正確的數(shù)學模型。由于降雨量的觀測數(shù)據(jù)帶有很強的隨機性，如果直接利用這些數(shù)據(jù)進行模擬、預測分析，定會帶來較大的誤差。因此必須應用有關的數(shù)學模型，對原始數(shù)據(jù)進行改造，從而力爭消除隨機誤差的影響，提高觀測數(shù)據(jù)的質量，目前多數(shù)采用的方法是數(shù)據(jù)平滑以及插值方法。其數(shù)學原理都是對原始數(shù)據(jù)進行改進，以獲得更優(yōu)的模擬數(shù)據(jù)，為下一步的數(shù)學模擬分析奠定堅實的基礎。 目前，對降水的空間插值研究較多。概括起來，包括統(tǒng)計模型法、空間插值法和綜合性方法這三大類。統(tǒng)計模型法，根據(jù)實際觀測站的信息，建立降水因子與位置、地形、氣象等因子間的關系，模擬降水信息的空間變化規(guī)律。空間插值法，利用多種數(shù)學模型，擬合未采樣點的降水信息。關于采樣數(shù)據(jù)的最佳內插方法，科學工作者多年來進行了系統(tǒng)的研究。其中包括趨勢面法、泰森多邊形、反距離加權法、克里金插值法和樣條法等。綜合性方法，是將統(tǒng)計模型與空間插值相結合的方法。上述模型在具體應用中，模擬的精度受所處環(huán)境的影響。 通過對河西綠洲灌區(qū)多年降雨資料的分析，從中可以看出，雖然該地區(qū)每個月的降雨量帶有較大的隨機性，但多年來也形成一定的規(guī)律，即一般是春、冬季節(jié)降雨量少，夏秋季節(jié)降雨量多，主要集中于5、6、7三個月份。降雨量觀測數(shù)據(jù)的散點圖，大致上呈現(xiàn)開口向下的拋物線形狀，這就為我們選擇模擬模型提供了依據(jù)。在以上分析的基礎上，我們采用以下的模擬分析步驟，首先對觀測數(shù)據(jù)進行改造（數(shù)據(jù)平滑），然后再利用其它能夠描述拋物線形狀的數(shù)學模型，比如高斯函數(shù)對自然降水過程進行進一步模擬，這樣就能有效提高降雨量預報的精度。 2.1五點三次平滑方法 如前所述，某個地區(qū)降雨量的觀測值，帶有很大的隨機性，為了消除隨機性，在實際工作中，有多種方法可供選擇，其中最簡單、最常用的是采用多年觀測數(shù)據(jù)的平均值。但平均值仍然帶有一定的隨機性誤差，如果直接利用這些數(shù)據(jù)進行模擬分析，肯定會影響到模擬結果的精度，因此首先必須對原始的觀測數(shù)據(jù)進行平滑處理。本研究采用五點三次平滑法，在對等距離點上（即每個月）的降雨量觀測數(shù)據(jù)進行平滑。 具五點三次平滑法和高斯函數(shù)模型的具體分析方法和計算結果，請見論文文檔（數(shù)學計算公式在此無法顯示出來）。 三、結果分析 在模擬綠洲灌區(qū)農作物生育期降雨量的過程中，我們首先對多年來降雨量的分布特點進行了分析，認為根據(jù)多年的觀測結果，雖然每年每個月的降雨量帶有一定的隨機性，但是從歷年降雨量的時間、數(shù)量分布來看，基本上遵從春冬季節(jié)少、夏秋季節(jié)多的特點，而且降雨量的峰值一般在6-7月出現(xiàn)，其組成數(shù)據(jù)的散點圖是一個開口向下的拋物線形狀，因此模擬模型應選擇二次曲線來描述。其次為了消除降雨量的隨機性，提高數(shù)據(jù)的質量，建立降雨量的精確模擬模型，有必要對降雨量的觀測數(shù)據(jù)進行一定的數(shù)學處理。在實際研究工作中，我們采用五點三次平滑方法對河西綠洲灌區(qū)農作物生育期的降雨量，進行了平滑處理，然后再建立數(shù)學模擬模型。根據(jù)表4、表6顯著性檢驗的結果，我們會看到，經過數(shù)據(jù)平滑處理之后，精度有了進一步的提高。如擬合優(yōu)度 ，原始數(shù)據(jù)經過平滑處理與沒有經過平滑處理，兩者的數(shù)值分別為0.96108和0.93046；殘差值也有所下降，分別為3.23207和6.19959； F值雖然都達到極顯著水平，但是前者的數(shù)值為147.19356，明顯高于后者79.79598。因此在建立河西綠洲灌區(qū)精確灌溉決策支持系統(tǒng)中，對自然降雨量進行模擬和預報，應該采用先將原始數(shù)據(jù)進行平滑處理，再利用高斯函數(shù)建立降雨量預報模型的方法，模擬結果會更接近實際，將有助于比較精確預報農作物灌溉的時間和數(shù)量。同時也為實施適時適量的精確灌溉，提高灌溉水的利用率，提高農業(yè)生產力提供有效的輔助決策。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 作品設計、發(fā)明目的：由于近年來氣候變化，河西農業(yè)地區(qū)賴以灌溉的水源-祁連山上的雪線逐年升高，雪水的量在減少，嚴重影響到了農業(yè)生產。地下水的水位也在逐年降低，節(jié)約用水也成了迫在眉睫的首要任務，準確地預測降水量，可以為農業(yè)灌溉、高效利用有限水資源，建立節(jié)水型社會和精確灌溉決策支持提供科學依據(jù)。 基本思路：首先對觀測數(shù)據(jù)進行改造（數(shù)據(jù)平滑），然后再利用其它能夠描述拋物線形狀的數(shù)學模型，比如高斯函數(shù)對自然降水過程進行進一步模擬，這樣就能有效提高降雨量預報的精度。 創(chuàng)新點：目前，對降水的空間插值研究較多。概括起來，包括統(tǒng)計模型法、空間插值法和綜合性方法這三大類。而以上的方法在預測降雨量上雖然起到了一定的作用，但是在準確性上參差不齊，而且差值很大，擬合優(yōu)度很低，誤差較大。本系統(tǒng)運用五點三次平滑對原始數(shù)據(jù)進行平滑，然后利用高斯函數(shù)對數(shù)據(jù)進行預測，所達到的效果使得預測數(shù)據(jù)更為準確。方差分析顯示，擬合優(yōu)度、殘差、F值的值高，達到極顯著水平。故本模擬系統(tǒng)填補了河西地區(qū)降雨量預測的空白。 4.技術關鍵和技術指標：技術的關鍵就在于我們對于數(shù)據(jù)的處理，對于收集來的數(shù)據(jù)我們首先進行了五點三次平滑對數(shù)據(jù)做了預處理，然后再利用高斯函數(shù)對數(shù)據(jù)進行平滑和模擬；對模擬結果進行方差分析，擬合優(yōu)度、殘差、F值，達到極顯著水平。用該模型模擬出來的數(shù)據(jù)更為準確。
科學性、先進性
- 本作品和以往的預測所不同的是，以往都是將收集到的大量數(shù)據(jù)進行求平均數(shù)然后用其來預測，這樣做并不能夠很準確的預測下一階段的數(shù)據(jù)，而本作品突破以往的思維，采用科學的數(shù)學方法五點三次平滑將采集到的數(shù)據(jù)進行了一次改進，提高了數(shù)據(jù)質量，從而使模擬數(shù)據(jù)更加符合現(xiàn)實。 參考文獻有： 1：周復恭，汪叔夜，黃運成.應用數(shù)理統(tǒng)計[M].北京：中央廣播電視大學出版社，1987. 2： 張小詠，劉耕年，李永化，等.高斯函數(shù)參數(shù)法及其在山區(qū)降水計算中的應用[J].地理研究，2008，27（3）：594-601.
獲獎情況及鑒定結果
- 作品的論文《甘肅河西綠洲灌區(qū)農作物生育期降雨量的模擬分析》一文，已被國家權威期刊《農業(yè)系統(tǒng)工程與綜合研究》錄用。
作品所處階段
- 實驗階段
技術轉讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 現(xiàn)場演示
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測
- 使用說明：安裝本系統(tǒng)到電腦，然后連接按照其配置要求，電腦必須要安裝Microsoft access（數(shù)據(jù)庫）方可使用。此系統(tǒng)還可以修改、查詢、刪除原始數(shù)據(jù)插入當?shù)氐臄?shù)據(jù)，使預測值更準確地反映當?shù)氐慕涤炅俊? 技術特點及優(yōu)勢：如擬合優(yōu)度，原數(shù)據(jù)經過平滑處理與沒有經過處理，兩者的數(shù)值分別為0.96108和0.93046；殘差值也有所下降，分別為3.23207和6.19959；值雖然都達到極顯著水平，但是前者的數(shù)值為147.19356，高于后者79.79598。因此在建立河西綠洲灌區(qū)精確灌溉決策支持系統(tǒng)中，對自然降雨量進行模擬和預報。同時也為實施適時適量的精確灌溉，提高灌溉利用率，提高農業(yè)生產力提供有效的輔助決策。 我們所研究的系統(tǒng)運用范圍主要在河西地區(qū)，特別是以張掖為中心相同氣候環(huán)境下的農業(yè)地區(qū)。此系統(tǒng)可做這些地區(qū)農業(yè)用水中有關降雨量模擬，實現(xiàn)了農業(yè)節(jié)水，為當?shù)氐霓r業(yè)生產，生態(tài)建設帶來巨大的經濟效益。二本產品只有應用于基層農業(yè)單位，乃至農民家中，才能發(fā)揮其在農業(yè)上的巨大的經濟效益！
同類課題研究水平概述
- 對于天氣的預報和預測，是一項世界級的難題，沒有一個國家能夠對中長期的天氣做出精確預報，如我國2010年春季西南地區(qū)的大旱,沒有事先做出預報，造成了巨大的損失。天氣預報的模式，一般是根據(jù)過去的觀測數(shù)據(jù)，對未來的天氣變化進行模擬與預測。而進行精確模擬的關鍵條件有兩個：高質量的模擬數(shù)據(jù)和選取正確的數(shù)學模型。由于降雨量的觀測數(shù)據(jù)帶有很強的隨機性，如果直接利用這些數(shù)據(jù)進行模擬、預測分析，定會帶來較大的誤差。因此必須應用有關的數(shù)學模型，對原始數(shù)據(jù)進行改造，從而力爭消除隨機誤差的影響，提高觀測數(shù)據(jù)的質量，目前多數(shù)采用的方法是數(shù)據(jù)平滑以及插值方法。其數(shù)學原理都是對原始數(shù)據(jù)進行改進，以獲得更優(yōu)的模擬數(shù)據(jù)，為下一步的數(shù)學模擬分析奠定堅實的基礎。 目前，對降水的空間插值研究較多。概括起來，包括統(tǒng)計模型法、空間插值法和綜合性方法這三大類。統(tǒng)計模型法，根據(jù)實際觀測站的信息，建立降水因子與位置、地形、氣象等因子間的關系，模擬降水信息的空間變化規(guī)律?？臻g插值法，利用多種數(shù)學模型，擬合未采樣點的降水信息。關于采樣數(shù)據(jù)的最佳內插方法，科學工作者多年來進行了系統(tǒng)的研究。其中包括趨勢面法、泰森多邊形、反距離加權法、克里金插值法和樣條法等。綜合性方法，是將統(tǒng)計模型與空間插值相結合的方法。上述模型在具體應用中，模擬的精度受所處環(huán)境的影響。 通過對河西綠洲灌區(qū)多年降雨資料的分析，從中可以看出，雖然該地區(qū)每個月的降雨量帶有較大的隨機性，但多年來也形成一定的規(guī)律，即一般是春、冬季節(jié)降雨量少，夏秋季節(jié)降雨量多，主要集中于5、6、7三個月份。降雨量觀測數(shù)據(jù)的散點圖，大致上呈現(xiàn)開口向下的拋物線形狀，這就為我們選擇模擬模型提供了依據(jù)。在以上分析的基礎上，我們采用以下的模擬分析步驟，首先對觀測數(shù)據(jù)進行改造（數(shù)據(jù)平滑），然后再利用其它能夠描述拋物線形狀的數(shù)學模型，比如高斯函數(shù)對自然降水過程進行進一步模擬，這樣就能有效提高降雨量預報的精度。
