基于双层分式规划的种植结构多目标模型研究

构建了基于双层分式规划的种植结构多目标优化模型,并通过交互式模糊规划方法进行求解。该模型可以定量得到研究区域在最小灌溉水量情况下的最大种植收益,避免多目标模型求解过程中的主观性;可以兼顾并综合上层管理者和下层管理者的种植方案决策。将构建的模型及相应求解方法应用于黑河中游甘州区、临泽县、高台县的种植结构优化中,并将优化结果与实际结果进行对比,结果发现:优化的种植结构整体效益增加3.2×108元,整体用水量减少1.3×109m3,单方水种植效益比实际增加了1.94元/m3,得到的结果验证了模型及求解方法的可行性。构建的模型与得到的优化结果可为黑河中游及类似地区作物种植结构优化提供理论依据与决策支持。     

考虑气象因子的不确定性灌溉水资源优化配置

基于不确定性区间作物水分生产函数,选取春小麦、玉米、棉花和白兰瓜这4种典型作物,建立不确定性条件下灌溉水资源优化配置模型,并将气象因子(蒸发蒸腾量和相对湿度)的不确定性引入其中,以反映气候变化对灌区配水的影响.结果表明,在石羊河流域民勤地区,玉米单方水经济效益较低,故其优化灌溉定额相比现状灌溉定额变化较大.棉花是单方水经济效益最大的作物,其次是白兰瓜,所以当可用水量短缺时,在确保粮食安全的前提下,为降低因灌溉缺水而带来的经济损失,要优先保证棉花和白兰瓜灌溉用水.引入气象因子的灌区水资源优化配置模型区间优化配水定额范围更广,反映出气象因子对灌区配水的影响.本研究验证了不确定性方法在实际应用的可行性,可为灌区水资源合理分配提供更可靠的科学依据.     

基于评价的水资源优化模型适用性比较

为了比较不同目标的水资源优化配置模型在黑河中游的适用性,在充分考虑地表径流随机性的基础上,分别构建以灌区农业水生产力最大、农业灌溉损失最小、净经济效益最大为目标函数的灌区水资源优化配置模型,并引入多指标综合评价法以及熵权法对3个优化模型的配置结果进行综合效应评价．评价结果显示,基于黑河中游水资源利用现状,以灌区农业水生产力最大为目标函数的模型,更适合现阶段黑河中游灌区水资源配置要求．使用灌溉水生产力最大为目标函数的优化模型对有限水资源进行优化后的配水方案整体用水比现状水平年减少了334×108 m3,灌溉水生产力增加了0453 kg／m3,用水成本比实际减少了421×107元．评价结果验证了水资源优化配置模型方案评价的可行性．     

基于区间两阶段模糊可信性约束模型的灌区水资源配置

针对灌区水资源配置系统中的复杂性和不确定性,以湖北省漳河灌区为例,构建区间两阶段模糊可信性约束规划模型,实现灌区各用水户间水资源优化配置。模型以系统经济收益最大为目标函数,引入模糊变量、离散区间和概率分布表征系统中的多重不确定性,设置可信性置信水平解决带有违规概率的模糊风险问题。求解模型得到多种情景下水量、灌溉面积优化配置结果以及系统收益,结果表明,模型可以有效处理配置系统的不确定性问题,反映系统收益与风险之间的权衡,实现灌区水资源高效配置。优化结果有助于灌区管理者协调各用水户的利益冲突,制定合理的决策方案。     

基于2型模糊集的多目标农业-生态水土资源优化配置

针对西北干旱区灌区生态环境脆弱、水资源短缺、复杂不确定性等问题,以石羊河流域红崖山灌区为例,耦合2型模糊集、模糊可信度约束规划和多目标规划等理论方法,构建了基于2型模糊集的多目标农业-生态水土资源优化配置模型。模型以灌溉水损失最小、生态植被灌溉水满意度最大、生态植被灌溉水费用最小和主要粮食作物经济效益最大为目标,对红崖山灌区10个决策单元的地表水、地下水和粮食作物种植面积进行优化配置。求解模型得到不同可信度水平和不确定性程度下的水土资源优化配置方案。结果表明：耦合2型模糊集的模型能够提供丰富的配置方案,水量对可信度水平的敏感性高于不确定性程度,作物种植结构对可信度水平不敏感。以不确定性程度参数为0.5、可信度水平为0.7时为例,生态植被均通过地表水灌溉,作物通过地表水、地下水联合灌溉,玉米的产量和经济效益均大于小麦。相比前人研究,本研究考虑生态植被灌溉需求,优化结果更加真实合理。本研究可为决策者提供较为符合灌区实际的配置方案,为西北干旱区灌区现代化建设提供科学指导。     

基于两层协调模型的多级扬水灌区供水调配优化

针对宁夏回族自治区扬水灌区水资源紧缺、供水扬程高、不同灌溉方式并存、供水调配困难、运行成本高等问题,开展了多级扬水灌区的供水调配优化研究。考虑研究区供水具有多层次、相互联系、组成复杂、影响因素众多等特点,建立了具有二层递阶结构的供水调配多目标优化模型。模型以各层缺水量平方和最小和运行功耗最小为目标,考虑不同灌溉时段影响,第1层建立单个泵站供水调度优化模型,以进行单个泵站控制区内各时段输蓄水量分配优化;第2层建立多级泵站供水调配优化模型,以优化系统内各级泵站系统各时段供水量和提水量。两层之间以供水量作为协调变量,依据大系统分解-协调原理进行求解,充分考虑了不同层次之间水量调配和主体利益的协调。灌区应用表明,所构建模型能有效进行多级扬水灌区水量调配优化,给出了核定水量下各级泵站系统水量分配优化方案,优化方案较好地缓解了各级泵站间的供水调配时空矛盾,显著减小了系统缺水量。研究结果可为灌区管理者进行实际水量调配和管理提供决策支持和技术支撑。     

灌区灌溉用水时空优化配置方法

将传统的灌溉水量在作物间的优化分配模型和建立的渠系工作制度多目标优化模型与地理信息系统相集成,提出了基于空间决策支持系统的灌区灌溉用水优化配置的新方法.综合考虑了灌区内作物、土壤、气象站点、渠系布置的空间差异、年季间气象以及作物不同生育阶段对应参数的时间差异.与传统优化方法相比,该方法可根据管理者对优化精度的要求,灵活选择优化尺度,同时,简化了求解时空优化配水问题的繁琐程度,结果表现形式更加丰富.在此基础上建立的空间决策支持系统界面友好,运行效率高,可移植性和通用性强.经实例验证,优化后的配水方案与原配水方案相比较,灌溉总用水量减少296％,产量增加243％,水分生产率提高05 kg／m3,灌溉净效益增加168％.优化后配水方案具有将有限的水资源向经济价值较高作物转移的趋势.该方法为灌区灌溉用水优化配置提供了新思路.     

月灌溉用水量分布式优化模型

针对大型灌区作物种植结构复杂、不同区域作物需水量差异较大的特点,以GIS为平台,建立了灌区月灌溉用水量分布式优化模型.模型将灌区栅格化,以每个栅格的月灌溉用水量作为决策变量,以作物生育阶段作物水分生产函数为基础,以灌区作物产量最大为优化目标,考虑了水量平衡、渠系配水能力、水资源投入量、灌水时间、可供水量以及非负共6个约束条件.以澳大利亚马兰比季灌区2006—2007年8月、10月和12月的优化结果为例,优化后月灌溉用水的高峰期与河流径流的高峰期同期,且优化后的灌溉用水量小于同期观测值.此外,优化后的配水结果存在将有限的水资源向经济价值高的作物转移的趋势.因此,月灌溉用水量分布式优化模型可以用于大型灌区内不同尺度月灌溉用水量的优化模拟,且优化后的配水方案更加节水高效.     

基于多目标模糊规划的灌区多水源优化配置

以黑龙江省和平灌区为例,构建基于多目标模糊规划的灌区多水源优化配置模型,该模型能够在提高农业灌溉用水净效益的同时有效减少农业灌溉水量,促进和平灌区多水源高效配置。采用具有非线性隶属度函数的模糊多目标规划求解模型,得到不同流量不同水源下的最优配水方案。结果表明:不同流量水平下水稻不同生育阶段均存在缺水现象,低流量下需从柳河水库引入外调水才能保证水稻的最小需水量。为保证灌区整体效益,按照引水工程、提水工程、井灌工程的先后顺序进行配水,并得到多目标配水模型在不同情景下的运行稳定情况。该模型可以高效地进行灌区多水源在作物各生育阶段的优化配置。     

灌溉渠系优化配水模型研究

灌溉渠系的优化配水问题可分为两类:一是以某种指标最优为目标的灌溉水量分配;二是以水量损失最小为目标的灌区各级渠道流量的优化调度。在非充分灌溉试验的基础上,做出了西北干旱灌区棉花膜下滴灌水分生产函数。根据作物水分生产函数,以农业效益和灌溉管理部门总体的经济效益最高为目标,建立了灌溉渠系优化配水模型。在提高灌区经济效益的同时,建立了配水渠道流量优化调度0-1线性整数规划模型,模型适用于支渠以下各级配水渠道在来水流量确定,分水渠道流量彼此相同且按"定流量,变历时"方式轮灌时的优化配水决策,通过实例对模型进行了求解。     

Optimization model of an irrigation reservoir for water allocation and crop planning under various weather conditions

This paper develops a non-linear programming optimization model with an integrated soil water balance, to determine the optimal reservoir release policies, the irrigation allocation to multiple crops and the optimal cropping pattern in irrigated agriculture. Decision variables are the cultivated area and the water allocated to each crop. The objective function of the model maximizes the total farm income, which is based on crop–water production functions, production cost and crop prices. The proposed model is solved using the simulated annealing (SA) global optimization stochastic search algorithm in combination with the stochastic gradient descent algorithm. The rainfall, evapotranspiration and inflow are considered to be stochastic and the model is run for expected values of the above parameters corresponding to different probability of exceedence. By combining various probability levels of rainfall, evapotranspiration and inflow, four weather conditions are distinguished. The model takes into account an irrigation time interval in each growth stage and gives the optimal distribution of area, the water to each crop and the total farm income. The outputs of this model were compared with the results obtained from the model in which the only decision variables are cultivated areas. The model was applied on data from a planned reservoir on the Havrias River in Northern Greece, is sufficiently general and has great potential to be applicable as a decision support tool for cropping patterns of an irrigated area and irrigation scheduling.     

A model for regional optimal allocation of irrigation water resources under deficit irrigation and its applications

It is important to promote efficient use of water through better management of water resources, for social and economical sustainability in arid and semi-arid areas, under the conditions of severe water shortage. Based on the developments in deficit irrigation research, a recurrence control model for regional optimal allocation of irrigation water resources, aiming at overall maximum efficiency, is presented, with decomposition-harmonization principles of large systems. The model consists of three levels (layers). The first level involves dynamic programming (DP) for optimization of crop irrigation scheduling. The second level deals with optimal allocation of water resources among various crops. The last level concerns optimal allocation of water resources among different sub-regions. As a test, this model was applied to the combined optimal allocation of multiple water resources (surface, ground and in-take from the Weihe river) of Yangling, a semi-arid region on the Loess Plateau, China. Exemplary computation showed that not only are the results rational, but the method can also effectively overcome possible “dimensional obstacles” in dynamic programming of multiple dimensions. Furthermore, each sub-model is relatively independent by using various optimization methods. The model represents a new approach for improving irrigation efficiency, implementing water-saving irrigation, and solving the problem of water shortage in the region studied. The model can be extended in arid and semi-arid areas for better water management.     

基于线性规划和MODFLOW耦合技术的人民胜利渠灌区水资源优化配置研究

【目的】确定人民胜利渠灌区合理的农业水资源优化配置方案,为灌区水资源管理和机井布置提供科学依据。【方法】针对人民胜利渠灌区水资源分配不合理及灌区生态环境恶化问题,按照灌区地形地貌、工程类型和灌溉水源特点将灌区分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ共3个计算单元,基于线性规划方法和MODFLOW地下水数值模型对灌区各计算单元进行不同水文年水资源优化配置,并模拟优化配置后地下水位动态变化。【结果】确定了不同水文年灌区的水资源优化配置方案:灌区计算单元Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区不同水文年的井渠比例有所不同,平水年井渠比分别为1/3.14、1/3.25、1/2.92,丰水年分别为1/3.47、1/3.66、1/3.24,枯水年分别为1/2.75、1/2.77、1/2.60;平水年计算单元Ⅰ区模拟地下水埋深相比初始埋深下降0.01 m,水资源总量基本处于平衡状态;计算单元Ⅱ、Ⅲ区模拟地下水埋深相对于初始埋深分别上升了0.12、0.15 m;丰水年灌区计算单元Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区模拟地下水埋深相比初始埋深分别上升了0.1、0.23、0.3 m;枯水年灌区计算单元Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区模拟地下水埋深相比初始埋深分别下降了0.17、0.08、0.04 m。【结论】线性规划方法和MODFLOW地下水数值模型相结合能较好地模拟灌区地下水流场和预测地下水动态变化趋势,进而确定合理的水资源优化配置方案。     

基于Kuhn-Tucker条件的灌溉水量优化分配

建立了基于作物水分生产函数的灌溉水量优化分配模型。采用Kuhn-Tucker条件获取该模型的最优解条件,并给出了最优解的计算方法,包括单一作物全生育期缺水条件下灌溉水量在不同阶段的优化分配计算,以及多种作物某同一生育期缺水条件下灌溉水量在不同作物之间的分配方法。利用2个实例对所给方法进行了分析,与传统优化方法相比,思路清楚,计算过程简单,工作量少,便于灌区管理人员在实际生产中应用。     

Model for performance based land area and water allocation within irrigation schemes

This paper focuses on irrigation schemes under rotational water supply in arid and semiarid regions. It presents a methodology for developing plans for optimum allocation of land area and water, considering performance measures such as productivity, equity and adequacy. These irrigation schemes are characterized by limited water supply and heterogeneity in soils, crops, climate and water distribution network, etc. The methodology proposed in this paper, therefore, uses a previously developed simulation–optimization model (Area and Water Allocation Model, AWAM) that considers the heterogeneity of the irrigation scheme in the allocation process, and modifies this to take account of equity and adequacy of supply to irrigated areas. The AWAM model has four phases to be executed separately for each set of irrigation interval over the irrigation season: 1. generation of irrigation strategies for each crop–soil–region combination (CSR unit), 2. preparation of irrigation programmes for each irrigation strategy, 3. selection of specified number of irrigation programmes for each CSR unit and 4. optimum allocation of land area and water to different parts of the irrigation scheme (allocation units) for maximizing productivity. In the modified AWAM model, the adequacy is included at Phase-2 (by including only the irrigation programmes for full irrigation of each CSR unit) and equity is included at Phase-4 (by including the constraints for equity). The paper briefly discusses the applicability of the modified AWAM model for a case study of Nazare medium irrigation scheme in Southern India. The results of the case study indicated that the performance measures of productivity, equity and adequacy conflict with each other.     

作物优化灌溉制度理论与方法研究进展

重点论述了国内外作物优化灌溉制度理论与方法的研究进展,其中问题有：在单一作物模型中基于SPAC理论的研究不够充分,作物需水时间划分不够具体;多种作物水资源优化配置注重经济效益而在面向生态的综合效益研究较少。文中还比较了在模型设计中多种方法的优缺点,提出了在今后作物灌溉制度研究中应运用多种模型组合优化方法,加强学科交流以解决灌溉决策支持系统的问题,以期为解决区域内不同节水模式下作物优化灌溉制度和面向生态的水资源配置提供灵活可行的科学依据。