張改紅,趙 凡

1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 渭南 714000

2.西安思源學(xué)院,陜西 西安 710038

2015年11月習(xí)主席提出“供給側(cè)改革”，在經(jīng)濟(jì)新常態(tài)背景下供給側(cè)改革對(duì)提升經(jīng)濟(jì)發(fā)展質(zhì)量與經(jīng)濟(jì)發(fā)展內(nèi)涵具有高屋建瓴的作用。就農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理與農(nóng)業(yè)研究領(lǐng)域而言，如何在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)供給側(cè)改革？以江河管理與研究為例，如何有效增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水資源灌溉的能力，以及如何有效降低洪災(zāi)發(fā)生的可能性，都是對(duì)農(nóng)業(yè)供給側(cè)改革的有效實(shí)踐。在此背景下，研究選定徑流分析與徑流預(yù)測(cè)為突破口。希望通過(guò)對(duì)該問(wèn)題的研究，找到實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)供給側(cè)改革的突破口。就該領(lǐng)域的研究，已有成果集中于三個(gè)方面，第一個(gè)方面為單個(gè)河流或者流域徑流量變化特征研究，第二個(gè)方面為徑流量變化與外部環(huán)境等關(guān)聯(lián)性研究，第三個(gè)方面為徑流變化預(yù)測(cè)研究。在第一個(gè)方面，代表性成果有楊明金等[1]、侯欽磊等[2]、劉新春等[3]的研究。楊明金等對(duì)黑河流域展開(kāi)研究，確定了黑河徑流量變化并不均勻的特征，進(jìn)一步分析明確了在黑河流域用集中度RCD表示徑流年內(nèi)分配更為合適。侯欽磊等對(duì)渭河近50年徑流量變化展開(kāi)分析，通過(guò)對(duì)其1950年至2004年變化規(guī)律深入分析，確定了人類(lèi)活動(dòng)造成了其徑流量大幅度變化。劉新春等對(duì)阿克蘇河流域徑流量分析，劃定了夏季徑流量顯著高于其它季節(jié)的特征，并明確了人類(lèi)開(kāi)荒等活動(dòng)對(duì)徑流量變化起到的決定性影響。在第二個(gè)方面，代表性成果有謝平等[4]，其就氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)河流徑流量變化展開(kāi)宏觀分析，明確這二者在徑流量變化中所起到的作用日漸強(qiáng)烈，必須高度重視，防止對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)造成不可挽回的影響。在第三個(gè)方面，王義民等[5]提出最鄰近方法進(jìn)行徑流量預(yù)測(cè)，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)徑流量的成功預(yù)測(cè)。需要強(qiáng)調(diào)的是，方面三的研究成果較少，因此在徑流量理論研究和實(shí)證研究中尚存在不少需要填補(bǔ)的空間?；谶@一現(xiàn)實(shí)背景，研究以提出有針對(duì)性的徑流分析與預(yù)測(cè)方法為著眼點(diǎn)，就水資源管理與預(yù)測(cè)方面的供給側(cè)改革如何展開(kāi)進(jìn)行了具體分析與研究。

1 理論研究

理論研究就具有周期性、類(lèi)單峰形態(tài)的徑流變化預(yù)測(cè)問(wèn)題展開(kāi)，通過(guò)兩步分析，提出了類(lèi)正態(tài)分布預(yù)測(cè)分析方法解決此問(wèn)題。

1.1 分析框架確定與論述

對(duì)于徑流分析，已有的研究較少進(jìn)行模型化分析，多是宏觀類(lèi)分析。在少量的模型分析中，學(xué)者提出了采用單維數(shù)據(jù)拓展為多維數(shù)據(jù)，并采用線性回歸方法進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合與數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)分析方法[5]。這種分析方法對(duì)具有自回歸特征的數(shù)據(jù)有效，但是對(duì)于不符合這種特征的數(shù)據(jù)是無(wú)效的。從徑流變化特征來(lái)看，在四季特征顯著地區(qū)徑流變化具有顯著的周期性。以年為周期單位，在同一年內(nèi)的變化基本趨同，呈現(xiàn)出單峰或者是雙峰的特質(zhì)。在四季特征顯著地區(qū)出現(xiàn)徑流單峰特質(zhì)，一般而言，徑流的高峰出現(xiàn)在夏季，其低峰則在冬季和初春出現(xiàn)。在四季特征顯著地區(qū)出現(xiàn)徑流雙峰特質(zhì)，一般而言，徑流的第一個(gè)高峰出現(xiàn)在春季，第二個(gè)高峰出現(xiàn)在夏季，其低峰則在冬季和初春出現(xiàn)。

在數(shù)學(xué)經(jīng)典模型中，正態(tài)分布是具有對(duì)稱(chēng)特性與單峰特性。其高峰出現(xiàn)在樣本均值附近，其低峰則在均值的兩側(cè)最外端出現(xiàn)。這一特征與上述談到的徑流變化（四季特征顯著地區(qū)的徑流變化）具有相似性，因此可以考慮用正態(tài)分布對(duì)徑流變化給予擬合。在正態(tài)分布中加入振幅變化參數(shù)，可以將正態(tài)分布的變化范圍進(jìn)行適度擴(kuò)大，適應(yīng)徑流變化的范圍。同時(shí)，考慮到官方提供的徑流數(shù)據(jù)多以月為單位，因此年度樣本數(shù)據(jù)為12個(gè)，而經(jīng)過(guò)擴(kuò)展后的正態(tài)分布有三個(gè)變量---振幅、均值、方差。對(duì)于12個(gè)樣本數(shù)據(jù)而言，三個(gè)未知變量是可以得到所需解。通過(guò)這種方式，對(duì)于歷年徑流數(shù)據(jù)可以得到其類(lèi)正態(tài)分布回歸結(jié)果。對(duì)于不同年份，樣本的時(shí)間范圍均是恒定的（從1月至12月，共計(jì)12個(gè)時(shí)間點(diǎn)），不同之處僅在于三個(gè)變量（振幅、均值、方差）。對(duì)這三個(gè)變量進(jìn)行回歸分析（不同年份模型下的同一變量的線性回歸分析）可以得到三個(gè)變量各自的變化趨勢(shì)，利用這三個(gè)變化趨勢(shì)再帶入到類(lèi)正態(tài)分布中，即可得到所需的徑流變化。

1.2 類(lèi)正態(tài)分布預(yù)測(cè)法提出與驗(yàn)證

在前述理論分析中已經(jīng)明確，當(dāng)徑流變化具有單峰特征時(shí)，采用類(lèi)正態(tài)分布對(duì)其進(jìn)行擬合，具有顯著效果。在這種類(lèi)正態(tài)擬合時(shí)，限定實(shí)際觀測(cè)值與預(yù)測(cè)值間誤差平方和最小，顯然是必要的。由此，得到下述優(yōu)化模型（式1）：

Yi為徑流實(shí)際值，其取值序號(hào)為i；Ypi為徑流預(yù)測(cè)值，其取值序號(hào)為i；徑流樣本總量為n。Xi為徑流Yi對(duì)應(yīng)的時(shí)間序列值，其取值序號(hào)同樣為i。U為樣本總量為n前提下的徑流時(shí)間序列值Xi的樣本平均值；δ為樣本總量為n前提下的徑流時(shí)間序列值Xi的樣本方差。

需要注意的是，在式1中出現(xiàn)的變量U和變量δ為預(yù)測(cè)變量。采用最優(yōu)化分析方法，可以對(duì)其進(jìn)行求解，從而得到以下約束解，具體見(jiàn)式2、3。

從式2與式3的結(jié)果可以看到，無(wú)法得到顯示解，所得解為隱式解。對(duì)此可以采用迭代法得到滿足限定條件解。U取值為觀測(cè)值的平均值，即單峰所在位置；δ2取值從EX2-(EX)2開(kāi)始，進(jìn)行迭代求解；C取值則相機(jī)而動(dòng)。通過(guò)迭代求解，確保在式2與式3中體現(xiàn)的誤差保持在一個(gè)較小范圍內(nèi)，即得到所需的數(shù)值解（關(guān)于U、δ2、C）。利用每一年通過(guò)上述方式確定的三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)值，依次分別進(jìn)行回歸性分析可以得到三個(gè)參數(shù)的變化規(guī)律（線性變化規(guī)律）。利用這一確定的關(guān)鍵參數(shù)變化特征，即可對(duì)短期內(nèi)的徑流量變化進(jìn)行有效預(yù)測(cè)。以上所提出的預(yù)測(cè)方法在研究中簡(jiǎn)稱(chēng)為“類(lèi)正態(tài)分布預(yù)測(cè)分析法”。

2 實(shí)證應(yīng)用研究

實(shí)證應(yīng)用研究通過(guò)歷史特征分析與預(yù)測(cè)分析，不僅確定理論研究提出的“類(lèi)正態(tài)分布預(yù)測(cè)分析法”對(duì)主要研究對(duì)象存在適用性，而且對(duì)主要對(duì)象徑流量變化給出準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。為主要對(duì)象及其下游地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供三點(diǎn)具體建議。

2.1 黃河主要節(jié)點(diǎn)徑流歷史特征分析

在之前的理論分析中已經(jīng)提出了位于四季特征顯著的江河，其徑流量變化符合單峰或者多峰特征，由此推出了具體的徑流量擬合與徑流量預(yù)測(cè)方法。在實(shí)證分析中，必須確定研究對(duì)象符合這一特征，才能采用對(duì)應(yīng)的理論分析成果給予探究。因此，在實(shí)證研究中，選取了5個(gè)研究對(duì)象，依次為---蘭州、三門(mén)峽、咸陽(yáng)、潼關(guān)、包頭。采用黃河水文觀測(cè)站觀測(cè)所得的五地黃河徑流量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以本月內(nèi)平均徑流量作為月徑流量進(jìn)行分析。通過(guò)曲線擬合得到了對(duì)應(yīng)的徑流量月度變化數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖1、2）。

圖1 2016年蘭州觀測(cè)站黃河徑流變化Fig.1 Variation of Yellow River runoff in Lanzhou observation station for 2016

圖2 2016年潼關(guān)觀測(cè)站黃河徑流變化Fig.2 Variation of Yellow River runoff in Tongguan observation station for 2016

圖中數(shù)據(jù)來(lái)自黃河網(wǎng)，具體信息來(lái)自http://61.163.88.227:8006/hwsq.aspx。其中圖縱軸代表徑流量，單位為m3/s；橫軸代表對(duì)應(yīng)月份（1代表1月，2代表2月，以此類(lèi)推）。

從圖1、2數(shù)據(jù)來(lái)看，蘭州黃河徑流量月度變化符合單峰特征，潼關(guān)黃河徑流量月度變化符合雙峰特征，其它兩地（三門(mén)峽、咸陽(yáng)）黃河徑流量月度變化也符合單峰特征或者雙峰特征，只有包頭黃河徑流量月度變化不符合單峰特征或者雙峰特征。由此確定，對(duì)于包頭黃河徑流量預(yù)測(cè)不能采用前述理論研究中確定的方法，對(duì)于其它四地，進(jìn)行徑流量預(yù)測(cè)可以采用前述理論研究確定的方法。

2.2 黃河主要節(jié)點(diǎn)徑流預(yù)測(cè)研究

基于前述研究確定的四地（蘭州、三門(mén)峽、咸陽(yáng)、潼關(guān)）徑流量符合單峰和雙峰特質(zhì)，采用已有的分析方法進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。主要是對(duì)2000年至2016年的結(jié)果進(jìn)行分析，確定了自行確定的預(yù)測(cè)方法具有顯著的成效（表1）。

表1 主要節(jié)點(diǎn)徑流量預(yù)測(cè)對(duì)比結(jié)果表Table 1 Comparison results of main node runoff forecast

從上表數(shù)據(jù)來(lái)看，預(yù)測(cè)值偏離實(shí)際的幅度最高不超過(guò)15%，因此在0.85的置信度下認(rèn)為上述預(yù)測(cè)結(jié)果是符合要求的。由于篇幅所限，在此僅列出2016年的預(yù)測(cè)結(jié)果，對(duì)其它年份結(jié)果不再詳細(xì)舉。

基于該分析方法，研究還利用已有數(shù)據(jù)對(duì)2017年四地徑流量進(jìn)行預(yù)測(cè)。通過(guò)預(yù)測(cè)確定，蘭州2017年7月份徑流量與2016年7月持平，三門(mén)峽2017年7月份徑流量略高于2016年7月水平，潼關(guān)2017年7月徑流量顯著高于2016年7月（增高幅度介于10%至20%之間），咸陽(yáng)2017年7月徑流量顯著高于2016年7月（增高幅度介于20%至30%之間）。同時(shí)，對(duì)2017年8月至10月四地徑流量水平進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果表明四地徑流量變化幅度與7月同比變化幅度具有相似性。

3 結(jié)論

基于該結(jié)果，對(duì)四地及其下游農(nóng)業(yè)進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到以下三點(diǎn)結(jié)論：

（1）四地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不存在由于灌溉水資源缺乏所導(dǎo)致的欠收問(wèn)題

從以上分析結(jié)果可以看出，2017年7月至10月，四地黃河徑流量均不同程度地高于2016年同期水平。因此，在不發(fā)生其它要素變化的前提下，四地由黃河水提供的灌溉水資源量與去年同期基本保持一致。采取與2016年同期相似的農(nóng)業(yè)措施，勢(shì)必能實(shí)現(xiàn)對(duì)本地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的堅(jiān)實(shí)支撐，不會(huì)發(fā)生因?yàn)樗Y源匱乏而導(dǎo)致的農(nóng)業(yè)欠收現(xiàn)象。

（2）四地下游存在農(nóng)業(yè)豐收的基礎(chǔ)條件

從已有分析結(jié)果來(lái)看，2017年7月至10月，四地黃河徑流量均不同程度地高于2016年同期水平。這說(shuō)明，與去年同期相比，四地水資源存在盈余。因此，在四地采取與2016年同期相似的農(nóng)業(yè)措施基礎(chǔ)上，可以保證對(duì)各自下游地區(qū)提供更多水資源。由此，為各自下游地區(qū)農(nóng)業(yè)豐收提供了充分條件。

（3）四地黃河防洪壓力有所提升，但并不嚴(yán)峻

就已有分析結(jié)果來(lái)看，2017年7月至10月，四地黃河徑流量均不同程度地高于2016年同期水平，其中部分地區(qū)徑流量增長(zhǎng)幅度顯著。因此，防洪壓力勢(shì)必增加。建議以水源地蓄水為主，以疏導(dǎo)河道為輔，確保水流既在合理利用下，又在安全穩(wěn)定管理下，從而形成對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活用水的有效幫助。

4 討論

如何有效、準(zhǔn)確地進(jìn)行徑流量預(yù)測(cè)，重點(diǎn)是對(duì)四季特征顯著地區(qū)的河流徑流量進(jìn)行預(yù)測(cè)。研究通過(guò)對(duì)徑流量變化相關(guān)的三個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域研究成果分析，不僅確定了已有研究成果未能很好地回答這一問(wèn)題，而且受到啟迪決定采用最優(yōu)化分析與河流管理等領(lǐng)域的理論與方法就其進(jìn)行分析。研究通過(guò)理論分析，自主提出了一套預(yù)測(cè)分析方法---“類(lèi)正態(tài)分布預(yù)測(cè)分析法”。在此基礎(chǔ)上，將該方法具體應(yīng)用與我國(guó)黃河流域的五個(gè)節(jié)點(diǎn)（這五個(gè)節(jié)點(diǎn)依次為蘭州、三門(mén)峽、咸陽(yáng)、潼關(guān)、包頭)，確定了該方法在四個(gè)節(jié)點(diǎn)（蘭州、三門(mén)峽、咸陽(yáng)、潼關(guān)）有效。該方法在上述四地有效的主要原因在于四地徑流量變化具有單峰或者雙峰特征?；诖耍瑢?duì)上述四地歷史徑流量進(jìn)行預(yù)測(cè)，確定了預(yù)測(cè)結(jié)果的偏離度小于15%，因此歷史預(yù)測(cè)具有高度可信度。更進(jìn)一步，還對(duì)上述四地及其下游地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提出建議，主要集中在三個(gè)方面---四地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不存在由于灌溉水資源缺乏所導(dǎo)致的欠收問(wèn)題，四地下游存在農(nóng)業(yè)豐收的基礎(chǔ)條件，四地黃河防洪壓力有所提升但并不嚴(yán)峻。

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