Uncertain and multi-objective programming models for crop planting structure optimization

Crop planting structure optimization is a significant way to increase agricultural economic benefits and improve agricultural water management. The complexities of fluctuating stream conditions, varying economic profits, and uncertainties and errors in estimated modeling parameters, as well as the complexities among economic, social, natural resources and environmental aspects, have led to the necessity of developing optimization models for crop planting structure which consider uncertainty and multi-objectives elements. In this study, three single-objective programming models under uncertainty for crop planting structure optimization were developed, including an interval linear programming model, an inexact fuzzy chance-constrained programming (IFCCP) model and an inexact fuzzy linear programming (IFLP) model. Each of the three models takes grayness into account. Moreover, the IFCCP model considers fuzzy uncertainty of parameters/variables and stochastic characteristics of constraints, while the IFLP model takes into account the fuzzy uncertainty of both constraints and objective functions. To satisfy the sustainable development of crop planting structure planning, a fuzzy-optimization-theory-based fuzzy linear multi-objective programming model was developed, which is capable of reflecting both uncertainties and multi-objective. In addition, a multi-objective fractional programming model for crop structure optimization was also developed to quantitatively express the multi-objective in one optimization model with the numerator representing maximum economic benefits and the denominator representing minimum crop planting area allocation. These models better reflect actual situations, considering the uncertainties and multi-objectives of crop planting structure optimization systems. The five models developed were then applied to a real case study in Minqin County, north-west China. The advantages, the applicable conditions and the solution methods of each model are expounded. Detailed analysis of results of each model and their comparisons demonstrate the feasibility and applicability of the models developed, therefore decision makers can choose the appropriate model when making decisions.     

石羊河流域民勤绿洲生态需水与生态建设

目的比较石羊河流域综合治理前后民勤盆地生态环境的变化情况,为石羊河流域综合治理乃至西北内陆河流域生态恢复政策的实施提供理论依据。方法以石羊河下游典型的荒漠绿洲生态系统——民勤盆地为研究区,以Landsat影像为数据源,通过基于NDVI像元二分模型的植被覆盖度反演方法研究了2000年(治理前)、2006年(治理开始)、2010年(治理Ⅰ期)和2016年(治理Ⅱ期)不同时期植被覆盖度时空变化情况。结果(1) 2000—2016年,整个研究区低和高植被覆盖度的面积分别增加了7.71%和0.71%,平均植被覆盖度年增幅为0.13%,轻度和中度改善的面积分别达到了6.39%和0.56%,尤其以治理Ⅱ期(2010—2016年)的生态恢复最为明显。(2) 综合治理后,2016年绿洲区低和高植被覆盖面积较2000年分别增加了1.05%和2.88%;荒漠区无植被面积从56.98% (2000年)减少至47.27% (2016年),而低植被覆盖面积则增加了11.30%。(3) 以青土湖、黄岸滩和老虎口的生态恢复最为典型。结论随着石羊河流域综合治理的实施,民勤盆地植被覆盖度和面积均有明显向好的发展趋势,石羊河流域综合治理生态恢复效果明显。     

基于双区间两阶段随机规划的黑河中游主要农作物种植结构优化

为优化有限农业水资源量下的种植结构以实现最大经济效益,考虑种植结构优化过程中存在的水文要素与社会经济要素中存在的不确定性,构建以经济效益最大为目标的双区间两阶段随机规划模型。在农业水资源量测算时出现了双区间特点,故使用双区间理论对农业水资源量进行表征计算。将构建的模型用于黑河中游甘肃省张掖市甘州区、临泽县、高台县的5种水文年(枯水年、较枯水年、平水年、较丰水年以及丰水年)下的种植结构优化,比较了优化结果与现状水平年种植结构与经济收益。结果表明:通过双区间两阶段随机规划模型得到的3种种植结构优化方案即保守决策方案、趋于平均决策方案和乐观决策方案产生的经济效益比现状水平年种植结构下的经济效益分别提高[1.97,8.53]、[4.20,11.04]、[6.43,13.56]亿元。     

潮白河上游1961—2005年径流变化趋势及原因分析

基于潮白河上游流域内的气象资料和水文资料,利用时间序列对比法分析了1961—2005年该流域年径流变化特征和变化趋势,研究了气候变化和人类活动因素对径流变化的影响,揭示了流域径流变化的成因。结果表明:潮白河上游径流的年内分配极不平衡,年际变化大;年径流量总体上呈现出明显减少的趋势,20世纪90年代的流域径流量平均值仅为60年代的75.8%,减少幅度较大。通过分析认为:降水、气温变化不是造成年径流量显著下降的主要影响因素,流域径流量的减少在很大程度上受水资源利用、土地利用、修建水库以及跨流域调水等人类活动因素的影响。     

降雨和水保措施对无定河流域径流和产沙量影响

基于无定河流域降雨、泥沙、径流和水土保持措施的历年统计数据,根据M-K-S检验得到径流和侵蚀产沙序列的突变点,将研究期分为基准期(1957—1972年)和措施期(1973—1996年)。采用双累积曲线、经验公式和修正系数法,研究该流域降雨变化和水保措施对径流和产沙量变化的影响,并采用多元回归模型分离了降雨和水保措施对径流和产沙量变化的贡献。结果表明:与基准期相比,水保措施引起径流减少3.16亿～3.42亿m3,占基准期年均径流量的23.0%～24.4%;引起产沙量减少0.71亿～1.07亿t,占基准期年均产沙量的47.1%～57.3%。措施期降雨变化引起径流量减少0.46亿m3,产沙量减少0.13亿t,分别占措施期水、沙实际减少总量的11.6%和11.4%。水土保持措施建设是流域径流和侵蚀产沙减少的主要原因,其对水、沙减少的贡献率分别为80.3%和60.5%。其中,植被措施(林地+草地)对径流影响显著,引起径流量减少2.78亿m3,占径流减少总量的70.2%;工程措施(梯田+坝地)对产沙影响显著,引起产沙量减少0.46亿t,占产沙减少总量的40.3%。降雨变化、植被及工程措施对水沙量变化的影响表现出阶段性变化,主要原因在于降雨的丰枯变化和工程措施对水土流失防治功能的时限性。因此,在水保措施建设过程中,需合理配置工程和植被措施比例,重视对已建梯田、坝地等工程的维护和废弃工程的替换,以增强水土保持措施体系功能的持续性。     

基于水文分析法评估水保措施对潮河上游年径流量的影响

该文基于潮河流域内的降水资料和水文资料,对流域1961—2005年降水--径流关系以及水土保持--径流关系进行了分析,并利用不同的水文分析法评估了流域水土保持措施对年径流量的影响程度。结果表明:①不同方法计算出来的水土保持措施的年均减水效应是不同的;利用经验公式法、径流系数还原法、双累积曲线法和不同系列对比法,计算出1981—2005年(措施期)水土保持措施的年均减水效应分别为23.79%、30.67%、30.79%和31.69%。②不同方法计算出的不同时段的水土保持措施的减水效应,其变化趋势是一致的;2001—2005年的年均减水效应最大,1981—1990年的年均减水效应次之,1991—2000年的年均减水效应最小。③水土保持措施对枯水时段的减水效应更为突出。