基本信息
- 项目名称：
- 河西绿洲灌区降雨量模拟预测系统的研制
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 农业节水的核心是水资源的有效开发和利用，这也包括自然降水的有效利用。近年来，河西绿洲灌区自然降水呈现增加趋势，为了更好地利用自然降水，减少灌溉用水，是农业节水最经济、最有效地措施。本文通过对甘肃河西绿洲灌区自然降水的模拟分析，得到河西绿洲灌区自然降水的时空分布和量值，为有效利用自然降水、实现农作物精确灌溉提供科技支持。
- 详细介绍：
- 一、研究目的 甘肃河西绿洲灌区是我国典型的内陆干旱灌区，同时也是甘肃省重要的商品粮基地、农作物制种基地。该灌区的农业灌溉用水主要依赖祁连山的雪水，但由于近年来生态环境的变化，祁连山雪线的日渐上升，加之国家生态用水的日益增加，水资源的匮缺已是不争的事实。要保证河西绿洲灌区经济、社会、生态环境的可持续发展，必须大力开展农业节水。农业节水的核心是水资源的有效开发和利用，其中也包括自然降水的有效利用。根据有关文献的研究，近年来，河西绿洲灌区及周边自然降水呈现增加趋势。因此更好地利用自然降水，减少灌溉用水，是农业节水最经济、最有效的措施。此外通过对甘肃河西绿洲灌区自然降水的模拟分析，将得到该地区自然降水在农作物生育期的时空分布和量值，为建立精确灌溉决策支持系统、准确预报农作物的灌溉时间和数量、提高农作物生产力提供科技支撑。 开展河西绿洲灌区农业节水综合技术体系的研究，重点是开展农作物对于农田灌溉水、自然降水、地下水利用效率的研究，在此基础上建立该地区农作物精确灌溉决策支持系统。未来可以根据农作物不同生育期的需水量，实施适时适量的精确灌溉，从而提高水资源的利用率和农业生产力。 传统用水管理是根据预先制定的灌溉制度定时定量供水。由于灌溉制度是根据不同水文年制定的配水方案，因而不能适应瞬息万变的天气条件。要实现水资源的高效利用，应当根据当前土壤墒情，结合未来时段的气象预报，进行农田用水动态管理。灌溉预报技术是农田灌溉用水动态管理的核心技术，它是利用土壤基本参数以及易于观测的气象资料等来预测土壤水分状况的动态变化，据此来确定灌水日期、灌水定额，并随农作物生育期的推移，逐段实行灌溉预报，控制土壤水分在有利于提高水分生产率的范围内变化，实现节水高产的目标。要精确预报灌溉的时间和农作物不同生育期内的灌水量，必须对农田灌水量、自然降雨量、地下水补充量及其动态变化进行精确模拟与分析。农田灌水量可以通过人工灌溉，对其在一定范围内进行精确调控，地下水的补充量根据其埋深情况，在一定的时间内基本上是固定不变的。而自然降雨量是随机变化的，它的模拟和预报涉及许多复杂的气象因素，要精确预报困难不少。但如果模拟结果误差大，会影响到精确灌溉决策支持系统的建立和运行，进而影响到能否准确预报农作物的灌溉时间和灌水量。本文就如何模拟和预测河西绿洲灌区农作物生育期的降雨量，进行以下的理论分析和探讨。 二、 材料与方法 要比较准确地分析河西绿洲灌区农作物生育期内自然降水资源的时空分布，预测未来变动的趋势，前提是对该地区自然降雨量分布状况与可能的变化范围有一个明晰的认识，即通过对农作物生育期内可能降雨量的研究，建立精确灌溉预报模型，为高效利用有限水资源提供决策依据。众所周知，对于天气的预报和预测，是一项世界级的难题，没有一个国家能够对中长期的天气做出精确预报，如我国2010年春季西南地区的大旱,没有事先做出预报，造成了巨大的损失。天气预报的模式，一般是根据过去的观测数据，对未来的天气变化进行模拟与预测。而进行精确模拟的关键条件有两个：高质量的模拟数据和选取正确的数学模型。由于降雨量的观测数据带有很强的随机性，如果直接利用这些数据进行模拟、预测分析，定会带来较大的误差。因此必须应用有关的数学模型，对原始数据进行改造，从而力争消除随机误差的影响，提高观测数据的质量，目前多数采用的方法是数据平滑以及插值方法。其数学原理都是对原始数据进行改进，以获得更优的模拟数据，为下一步的数学模拟分析奠定坚实的基础。 目前，对降水的空间插值研究较多。概括起来，包括统计模型法、空间插值法和综合性方法这三大类。统计模型法，根据实际观测站的信息，建立降水因子与位置、地形、气象等因子间的关系，模拟降水信息的空间变化规律。空间插值法，利用多种数学模型，拟合未采样点的降水信息。关于采样数据的最佳内插方法，科学工作者多年来进行了系统的研究。其中包括趋势面法、泰森多边形、反距离加权法、克里金插值法和样条法等。综合性方法，是将统计模型与空间插值相结合的方法。上述模型在具体应用中，模拟的精度受所处环境的影响。 通过对河西绿洲灌区多年降雨资料的分析，从中可以看出，虽然该地区每个月的降雨量带有较大的随机性，但多年来也形成一定的规律，即一般是春、冬季节降雨量少，夏秋季节降雨量多，主要集中于5、6、7三个月份。降雨量观测数据的散点图，大致上呈现开口向下的抛物线形状，这就为我们选择模拟模型提供了依据。在以上分析的基础上，我们采用以下的模拟分析步骤，首先对观测数据进行改造（数据平滑），然后再利用其它能够描述抛物线形状的数学模型，比如高斯函数对自然降水过程进行进一步模拟，这样就能有效提高降雨量预报的精度。 2.1五点三次平滑方法 如前所述，某个地区降雨量的观测值，带有很大的随机性，为了消除随机性，在实际工作中，有多种方法可供选择，其中最简单、最常用的是采用多年观测数据的平均值。但平均值仍然带有一定的随机性误差，如果直接利用这些数据进行模拟分析，肯定会影响到模拟结果的精度，因此首先必须对原始的观测数据进行平滑处理。本研究采用五点三次平滑法，在对等距离点上（即每个月）的降雨量观测数据进行平滑。 具五点三次平滑法和高斯函数模型的具体分析方法和计算结果，请见论文文档（数学计算公式在此无法显示出来）。 三、结果分析 在模拟绿洲灌区农作物生育期降雨量的过程中，我们首先对多年来降雨量的分布特点进行了分析，认为根据多年的观测结果，虽然每年每个月的降雨量带有一定的随机性，但是从历年降雨量的时间、数量分布来看，基本上遵从春冬季节少、夏秋季节多的特点，而且降雨量的峰值一般在6-7月出现，其组成数据的散点图是一个开口向下的抛物线形状，因此模拟模型应选择二次曲线来描述。其次为了消除降雨量的随机性，提高数据的质量，建立降雨量的精确模拟模型，有必要对降雨量的观测数据进行一定的数学处理。在实际研究工作中，我们采用五点三次平滑方法对河西绿洲灌区农作物生育期的降雨量，进行了平滑处理，然后再建立数学模拟模型。根据表4、表6显著性检验的结果，我们会看到，经过数据平滑处理之后，精度有了进一步的提高。如拟合优度 ，原始数据经过平滑处理与没有经过平滑处理，两者的数值分别为0.96108和0.93046；残差值也有所下降，分别为3.23207和6.19959； F值虽然都达到极显著水平，但是前者的数值为147.19356，明显高于后者79.79598。因此在建立河西绿洲灌区精确灌溉决策支持系统中，对自然降雨量进行模拟和预报，应该采用先将原始数据进行平滑处理，再利用高斯函数建立降雨量预报模型的方法，模拟结果会更接近实际，将有助于比较精确预报农作物灌溉的时间和数量。同时也为实施适时适量的精确灌溉，提高灌溉水的利用率，提高农业生产力提供有效的辅助决策。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 作品设计、发明目的：由于近年来气候变化，河西农业地区赖以灌溉的水源-祁连山上的雪线逐年升高，雪水的量在减少，严重影响到了农业生产。地下水的水位也在逐年降低，节约用水也成了迫在眉睫的首要任务，准确地预测降水量，可以为农业灌溉、高效利用有限水资源，建立节水型社会和精确灌溉决策支持提供科学依据。 基本思路：首先对观测数据进行改造（数据平滑），然后再利用其它能够描述抛物线形状的数学模型，比如高斯函数对自然降水过程进行进一步模拟，这样就能有效提高降雨量预报的精度。 创新点：目前，对降水的空间插值研究较多。概括起来，包括统计模型法、空间插值法和综合性方法这三大类。而以上的方法在预测降雨量上虽然起到了一定的作用，但是在准确性上参差不齐，而且差值很大，拟合优度很低，误差较大。本系统运用五点三次平滑对原始数据进行平滑，然后利用高斯函数对数据进行预测，所达到的效果使得预测数据更为准确。方差分析显示，拟合优度、残差、F值的值高，达到极显著水平。故本模拟系统填补了河西地区降雨量预测的空白。 4.技术关键和技术指标：技术的关键就在于我们对于数据的处理，对于收集来的数据我们首先进行了五点三次平滑对数据做了预处理，然后再利用高斯函数对数据进行平滑和模拟；对模拟结果进行方差分析，拟合优度、残差、F值，达到极显著水平。用该模型模拟出来的数据更为准确。
科学性、先进性
- 本作品和以往的预测所不同的是，以往都是将收集到的大量数据进行求平均数然后用其来预测，这样做并不能够很准确的预测下一阶段的数据，而本作品突破以往的思维，采用科学的数学方法五点三次平滑将采集到的数据进行了一次改进，提高了数据质量，从而使模拟数据更加符合现实。 参考文献有： 1：周复恭，汪叔夜，黄运成.应用数理统计[M].北京：中央广播电视大学出版社，1987. 2： 张小咏，刘耕年，李永化，等.高斯函数参数法及其在山区降水计算中的应用[J].地理研究，2008，27（3）：594-601.
获奖情况及鉴定结果
- 作品的论文《甘肃河西绿洲灌区农作物生育期降雨量的模拟分析》一文，已被国家权威期刊《农业系统工程与综合研究》录用。
作品所处阶段
- 实验阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 现场演示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明：安装本系统到电脑，然后连接按照其配置要求，电脑必须要安装Microsoft access（数据库）方可使用。此系统还可以修改、查询、删除原始数据插入当地的数据，使预测值更准确地反映当地的降雨量。 技术特点及优势：如拟合优度，原数据经过平滑处理与没有经过处理，两者的数值分别为0.96108和0.93046；残差值也有所下降，分别为3.23207和6.19959；值虽然都达到极显著水平，但是前者的数值为147.19356，高于后者79.79598。因此在建立河西绿洲灌区精确灌溉决策支持系统中，对自然降雨量进行模拟和预报。同时也为实施适时适量的精确灌溉，提高灌溉利用率，提高农业生产力提供有效的辅助决策。 我们所研究的系统运用范围主要在河西地区，特别是以张掖为中心相同气候环境下的农业地区。此系统可做这些地区农业用水中有关降雨量模拟，实现了农业节水，为当地的农业生产，生态建设带来巨大的经济效益。二本产品只有应用于基层农业单位，乃至农民家中，才能发挥其在农业上的巨大的经济效益！
同类课题研究水平概述
- 对于天气的预报和预测，是一项世界级的难题，没有一个国家能够对中长期的天气做出精确预报，如我国2010年春季西南地区的大旱,没有事先做出预报，造成了巨大的损失。天气预报的模式，一般是根据过去的观测数据，对未来的天气变化进行模拟与预测。而进行精确模拟的关键条件有两个：高质量的模拟数据和选取正确的数学模型。由于降雨量的观测数据带有很强的随机性，如果直接利用这些数据进行模拟、预测分析，定会带来较大的误差。因此必须应用有关的数学模型，对原始数据进行改造，从而力争消除随机误差的影响，提高观测数据的质量，目前多数采用的方法是数据平滑以及插值方法。其数学原理都是对原始数据进行改进，以获得更优的模拟数据，为下一步的数学模拟分析奠定坚实的基础。 目前，对降水的空间插值研究较多。概括起来，包括统计模型法、空间插值法和综合性方法这三大类。统计模型法，根据实际观测站的信息，建立降水因子与位置、地形、气象等因子间的关系，模拟降水信息的空间变化规律。空间插值法，利用多种数学模型，拟合未采样点的降水信息。关于采样数据的最佳内插方法，科学工作者多年来进行了系统的研究。其中包括趋势面法、泰森多边形、反距离加权法、克里金插值法和样条法等。综合性方法，是将统计模型与空间插值相结合的方法。上述模型在具体应用中，模拟的精度受所处环境的影响。 通过对河西绿洲灌区多年降雨资料的分析，从中可以看出，虽然该地区每个月的降雨量带有较大的随机性，但多年来也形成一定的规律，即一般是春、冬季节降雨量少，夏秋季节降雨量多，主要集中于5、6、7三个月份。降雨量观测数据的散点图，大致上呈现开口向下的抛物线形状，这就为我们选择模拟模型提供了依据。在以上分析的基础上，我们采用以下的模拟分析步骤，首先对观测数据进行改造（数据平滑），然后再利用其它能够描述抛物线形状的数学模型，比如高斯函数对自然降水过程进行进一步模拟，这样就能有效提高降雨量预报的精度。
