农业灌溉水资源优化配置研究进展

水资源短缺是制约农业可持续发展的关键因素,因此农业灌溉水资源的优化配置对于保障粮食安全和水安全具有重要意义。该研究基于农业灌溉水资源优化配置的主要类型,对单一作物灌溉优化决策、多作物水土资源优化配置和灌溉渠系水资源优化调度3个方面的研究进展进行了系统综述。同时指出了当前农业灌溉水资源优化配置中存在的主要问题和未来研究方向,研究认为当前的农业灌溉水资源优化配置应在如下4个方面进行完善：1）建立更具生理意义的作物水分-产量-品质模型;2）在气候变化和人类活动的情景下实现农业灌溉水资源的优化配置;3）构建全面考虑水源、渠系、灌区面积、作物配置以及生育阶段的系统性农业灌溉水资源优化配置模型;4）建立以棵间蒸发最小为目标的动态灌溉优化决策模型。研究可为中国的粮食安全和水安全提供理论指导。     

土地资源优化配置模型研究现状及发展趋势

土地资源优化配置是实现土地资源可持续利用的根本保证。土地资源优化配置模型对于科学有效和合理利用土地资源起到了重要的作用。介绍了土地资源优化配置模型,包括线性规划模型、系统动力学模型、多目标规划模型及GIS综合优化模型等,并从研究和应用的角度分析了土地资源优化配置模型存在的不足,探讨了今后的发展趋势:系统化、机理化、精确化、实用化。     

土地资源配置的可拓目标规划模型及其应用初探

从不同角度生成各种决策方案,可为土地资源优化配置提供充分的信息和备选方案,也是实现土地资源优化配置的基础,但目前对如何生成决策方案这一问题却研究得较少。该文通过可拓工程与目标规划模型相结合,建立了从不同角度生成各种方案的可拓目标规划模型方法,并以山西省隰县试区为例,探讨了可拓目标规划模型的应用及其方案生成的方法。结果表明：土地资源配置的可拓目标规划模型及其规划方案生成的方法,可通过变换规划目标、约束条件、决策变量等途径来实现,该方法是从不同角度生成各种土地资源配置方案的较好方法。     

基于随机机会约束规划的农村风/水/光发电容量配置

开发利用农村丰富的风、水、光资源是缓解农村能源供需矛盾的有效途径,因地制宜多能源互补发电系统的优化配置方法是亟待解决的实际问题。该文采用逆变换法对农村风速和微水流量进行随机抽样,建立了风力和水力发电量的随机模型,在此基础上提出了基于随机机会约束规划的农村风水光发电系统优化配置数学模型。该模型以投资和年费用最小、供电可靠性和资源利用率尽可能高为目标,满足发用电功率平衡约束和机组发电功率符合资源条件约束。用蒙特卡罗模拟—遗传算法求解该模型可以得到在各种置信水平下满足目标和约束的若干优化配置方案以及各方案的评价指标,为用户提供决策支持。     

曹妃甸新区土地资源优化配置与模拟

采用线性规划模型,设定生态效益和经济效益作为目标函数,在土地面积、社会经济、生态环境等方面设置约束条件,对曹妃甸新区目标年土地利用结构进行优化配置研究,并将其结果作为CA-ANN模型约束条件,模拟曹妃甸新区土地利用空间布局。研究结果:(1)曹妃甸新区优化后,沿海滩涂和盐田减少较为明显,耕地略有所减,建设用地、港口码头和林地呈现增加趋势;优化后经济效益和生态效益均有所增加。(2)运用CA-ANN模型进行空间结构优化。模拟结果在空间布局以及其他规划的衔接上较为合理,为土地资源可持续利用提供借鉴。基于线性规划的CA-ANN模型能够实现土地资源的优化配置,研究方法较为合理,拓展了土地资源优化配置研究思路。     

基于混合遗传算法的红兴隆分局水资源优化配置

针对区域水资源开发利用模式不合理、传统优化算法运行效率不高的问题,以红兴隆分局为例,对其水资源优化配置模型进行研究。基于大系统分解协调理论,以经济、社会、环境综合效益最大,考虑可供水量、用户需水量、水质为约束,构建了基于混合遗传算法的大系统多目标红兴隆分局规划年（2015年,2020年）水资源优化配置模型。结果表明:农业用水量是导致红兴隆分局水资源短缺的主要原因,应充分利用地表水和过境水,减少对当地地下水的开采,经过合理的优化配置,使得规划年缺水状况得到了改善。另外,优化后的水量较现实水量相比较显著减少,各目标效益也均呈现改善趋势,增加了配置结果的可信度;混合遗传算法克服了传统算法的不足,在运行速度上也有大幅度的提升。     

RS和GIS支持的城市土地资源优化配置模型

城市土地资源是城市社会经济发展的基础。城市土地资源的数量和质量及其分配 ,直接影响城市的经济社会环境及综合效益。利用RS航片对城市土地利用现状进行判读 ,并对土地质量进行适宜性评价 ,在获得数据基础上 ,利用系统动力学 (SD)模型和多目标规划模型对城市各用地类型的面积进行优化计算 ,实现城市各类用地空间的优化配置。与传统的城市土地优化配置方法相比 ,RS和GIS支持的城市土地资源优化配置模型 ,使土地资源适宜性评价更加准确 ,使土地资源利用更加合理。     

内蒙古自治区农业生产——农业工程发展多目标综合规划模型的研究

本文论述了内蒙古自治区农业生产——农业工程发展多目标综合规划模型的建模目的、原则和依据,比较了线性规划和多目标规划方法在农业规划上应用时的各自特点和局限性,在充分利用内蒙古自治区已有的各项区划和规划成果的基础上,建立了内蒙古农业生产——农业工程发展多目标综合规划模型,同时讨论了较大规模农业生产——农业工程发展规划模型的分解优化技术及其应用。本研究可为其他省(区)或区域进行类似规划提供借鉴。     

基于喀什市新农村建设的土地资源优化配置研究

土地资源优化配置是新农村建设过程中面临的重要问题。文章从土地资源优化配置的基本内涵入手,探讨土地资源优化配置与新农村建设的关系;阐述了喀什市土地资源利用现状及存在问题;提出要制定科学的土地利用总体规划和新村规划。创新投入机制,加大投入力度,合理配置农业土地类型,尝试土地流转,集约节约用地,建设农村中心村,统筹土地利用,探索城乡一体化发展新模式。通过优化喀什市土地资源配置,确保新农村高效、迅速发展。     

车路沟流域坝系水资源优化配置研究

根据车路沟流域的特点,设置GDP最大为经济目标、粮食产量增加为社会目标、水土流失最少为环境目标,在此基础上筛选决策变量,以经济条件、水土流失、水平衡、投资和农业生产水平作为约束条件,选择合适的决策变量,运用大系统多目标规划理论,建立了车路沟流域坝系水资源优化配置模型。模型计算表明,优化的水资源配置可使全流域经济目标增加,粮食产量明显提高,水土流失大幅减少。与实际情况对比,模型的相对误差较小、可靠度较高。     

基于多目标遗传算法的西宁市水资源优化配置研究

对基于多目标遗传算法的水资源优化配置模型进行研究,可为城市水资源可持续利用和规划管理提供一定的参考依据。根据西宁市的水资源实际情况,建立水资源优化配置模型,并利用多目标遗传算法对该区域水资源进行了优化配置。结果表明,在各水平年不同保证率条件下,西宁市水资源经优化配置后的总供水量有所减少,各个水源的供水量亦有不同程度的减少,其中地表水和地下水减少的供水量较为明显。研究结果表明,多目标遗传算法在水资源优化配置中的应用效果较好,优化结果合理可靠。     

海涂土地资源适宜性空间分析与优化开发模式研究

海涂是沿海地区重要的后备土地资源,适宜性评价与优化利用结构是科学开发海涂的前提.选取典型海涂围垦区,把GIS空间分析与数学规划模型结合起来,首先基于GIS空间分析技术,对海涂土地资源适宜性进行评价;然后针对研究区内的新围海涂,运用数学规划模型对其土地利用数量结构进行优化,优化结果中总土地开发利用系数为0.629,在开发投资效益最大化的基础上兼顾了海涂生态环境保护.结合海涂开发用地规划,提出土地利用结构的优化配置模式,实现海涂土地资源开发中定性分析、定位配置与定量优化的结合.     

基于水资源高效利用的农业种植结构及灌溉制度优化——以民勤灌区为例

在非充分灌溉条件下,为解决灌区内作物之间和单作物生育期内不同生育阶段的灌水配置问题,依据大系统递阶分析原理,建立了一个能同时优化作物灌溉制度、种植结构和灌溉定额的双层模型。模型第一层以作物相对产量最大为目标,采用动态规划,优化了作物灌溉制度;第二层以灌区内农业净效益最大为目标,采用非线性优化,优化了作物种植结构和灌溉定额。该模型应用范围较广,既能为政府部门提供宏观决策,又能为农民提供具体的灌水办法。以民勤灌区为例,优化结果表明,在75%保证率下比现状节水1.29亿m³,农业生产总值和净效益分别增加5.99,4.25亿元。     

村级土地利用情景决策系统及其应用

本研究试图构建一个村级土地利用情景决策系统, 使该系统采用一种交互方式来探索村级土地利用配置问题。以重庆市渝北区龙兴镇为研究对象, 运用3 种多目标线性规划方法[目标规划法、逐步宽容约束法和Lu 等的方法(文献[9]方法)]进行土地资源优化配置并评价其结果。结果表明: 建立的村级土地利用情景决策系统可用各种方式将多个目标合并成一个单一目标, 从而为给定问题提供不同的解决方案; 对不同方法的资源优化配置结果进行了检查, 以协调和权衡不同目标优先级情形下的冲突, 使最终的决策更具有明确的指向性。只要研究区满足以下几个标准, 村级土地利用情景决策系统就可以进行调整, 以适用于新的研究背景:(1)研究区接近城市; (2)研究区有较为明显的旅游特征或潜质; (3)研究区是以农业生产为主的区域; (4)研究区有较多样的农业活动。村级土地利用情景决策系统是基于可用的信息和精确的方法, 所以不仅使规划更加“透明”, 还整合协调了各种利益冲突     

基于多智能体遗传算法的土地利用优化配置

土地利用优化配置是促进土地资源可持续利用的必要手段,然而现有模型在解决土地利用优化配置问题时存在一定缺陷。该文将多智能体系统的建模框架与遗传算法的计算框架有机结合,设计了土地利用规划多智能体决策框架,将多智能体在空间决策行为与遗传进化算子相结合,构建基于多智能体遗传算法的土地利用优化配置模型,促进土地利用数量结构与空间布局向可持续方向发展。该文选取武汉市蔡甸区开展了实例应用研究,试验结果表明:模型能够合理地对区域土地利用数量结构与空间布局进行配置,协调不同土地利用决策主体的需求,明显提高了区域土地利用经济、社会和生态效益,促进区域土地资源可持续利用。     

基于两阶段随机规划方法的灌区水资源优化配置

灌区水资源优化配置的不确定性研究,对于提高水分的利用效率,减少农业灌溉用水,建立节水型社会具有重要的意义,尤其是对于中国的干旱半干旱地区。该文针对灌区水资源系统中存在的不确定性,以西营灌区、清源灌区、永昌灌区为研究区域,运用区间2阶段随机规划的方法,建立了地表水和地下水联合调度的灌区之间水资源优化配置模型。该模型以多灌区、多水源联合调度系统的成本最小为目标函数,引入随机数和区间数表示该系统中存在的不确定性,将地下水和地表水水资源在不同地区之间进行优化,并以配置结果为输入数据,以作物全生育期的水分生产函数为基础,建立灌区不同农作物灌溉定额的非线性区间不确定性水资源优化配置模型,将优化配置水量分配到灌区典型农作物。2个模型均以区间的形式给出优化配置的结果,为决策者提供更为准确的决策空间,更真实地反映实际的水资源优化配置形式。     

城市化进程中水土资源系统耦合配置研究

在当前城市水土资源供需矛盾日趋尖锐的背景下,开展水土资源系统耦合研究,可使区域内系统水资源和土地资源利用实现优化配置。通过建立水土资源系统耦合配置模型,并运用遗传算法解决多目标求解问题,对模型进行计算,最大限度地挖掘资源系统内在的潜力,实现水土资源可持续利用的发展目标。以西安市浐灞生态区为例进行了实证求解,得出了水土资源耦合最优结果,为城市化进程中水土资源系统耦合的配置研究提供依据。     

基于改进的GPU并行NSGA-Ⅲ的土地利用优化配置

土地利用优化配置是实现土地资源可持续利用的重要途径。该研究根据地理单元发展演变特点对基于参考点的非支配排序的遗传算法进行针对性改进,并耦合多目标优化方法,构建了土地利用空间优化模型。针对目前空间优化模型耗时过长,效率低的问题,该研究将GPU（Graphics Processing Unit, GPU）并行计算和土地利用优化配置模型有机结合,提升模型的优化效率。该研究选取武汉市东西湖区进行实证研究,对比了模型在CPU（central processing unit, CPU）串行计算和GPU并行计算两种方式下的运行耗时,并从最终优化结果中选取生态保护优先和经济发展优先2种典型方案进行分析。结果表明：1）GPU并行计算能够显著提升模型的优化效率,模型运行耗时由原来的158.08 h缩短到了1.68 h;2）模型能够统筹协调多个目标,对研究区域土地的数量结构和空间布局进行合理配置,为规划决策者提供多个可行方案。生态保护优先方案中,生态效益降低了6.16%,经济效益增长了13.64%;经济发展优先方案中,生态效益降低了6.19%,经济效益增长了15.86%。     

岔路河流域水资源合理配置研究

水资源合理配置是实现水资源可持续利用的有效调控措施之一。以岔路河流域为研究对象,对该流域的水资源特征进行了分析,采用多目标规划建立流域水资源配置模型,以2007年为规划水平年,以经济效益最大和用水量最小为规划目标,对水资源进行配置。结果表明：在保证生活及生态用水的前提下,节约农业灌溉用水,以发展乡镇工业,从而实现可利用水资源量效益的最大化。     

南水北调东线工程江苏段水资源优化配置

为更好地解决跨流域调水工程水资源配置问题,该文在水资源常规配置的基础上,将模拟技术与离散微分动态规划方法(DDDP)相结合,提出了"河-湖-梯级泵站"系统水资源优化配置模型。模型以整个系统的缺水量及抽水量最小作为综合目标:首先根据一定的湖泊运行规则按逆水流方向依次对各湖泊区间来用水进行模拟计算,以确定各湖泊区间在各时段的最大可供水量及可外调水量;在此基础上,以整个系统总抽水量最小为目标函数,各湖泊在每个时段的抽(弃)水量作为决策变量,建立多湖泊联合调度动态规划数学模型,采用DDDP法对其进行求解。以南水北调东线工程江苏段为例,采用该模型进行水资源优化配置,结果表明,该模型提高了整个系统的供水保证率,同时实现了可供水量在各区间各时段的均衡分配;在50%、75%和95%频率时,江苏可实现最大外调出省水量达14.08、14.18和12.70亿m3;同时,供水系统总抽水量分别可减少51.34、94.87和28.19亿m3,可见通过优化调度,降低了系统运行成本,实现了本地水和外调水的联合优化配置。