基于虚拟水贸易的灌区种植结构多目标优化模型

为提高地区农业综合效益的同时节约灌溉用水量,促进地区水资源高效利用,以人民胜利渠灌区为例,在分析计算农作物虚拟水量的基础上,建立了基于虚拟水贸易的灌区种植结构多目标优化模型。结果表明,灌区虚拟水量相对较大的作物为棉花、油菜和水稻,虚拟水量较小的作物为花生、小麦和玉米。通过模型的优化调整,最终优化方案与现有方案相比,水稻和油菜的种植面积均有所减少,而花生的种植面积有所增加。优化后灌区粮食总产量可达6.4亿kg,灌区的粮食安全得以保障。经济效益值增加了1.8亿元,占现状年效益的15.4%;生态效益值增加了1.2亿元,占现状年效益的3.1%;节约灌溉水6 370.7万m3,占现状年用水量的15.6%;节约虚拟水1 659.5万m3,占现状年虚拟水量的2.0%。可见,考虑虚拟水贸易来指导种植结构的调整,在提高灌区综合效益的同时,还促进了灌区水资源的高效利用,缓解了水资源压力,为灌区种植结构调整提供了一种新途径。     

北京市粮食作物种植结构调整对水资源节约利用的贡献研究

研究作物种植结构调整对水资源节约利用的影响,可以为缺水地区农业产业结构调整和水资源优化配置提供参考。采用联合国粮农组织推荐的作物需水量和灌溉需水量计算方法,分析了北京市主要粮食作物近年来的种植结构调整情况,定量评估了粮食作物种植结构调整对全市水资源节约利用的贡献率。结果表明:11990—2012年,北京市由于粮食作物种植结构调整节约的灌溉需水量为7.50×108 m3,占同期农业用水减少量的60.29%;21990—2012年,冬小麦种植结构调整对北京市水资源节约利用的贡献率最大,相对于水资源总量和农业用水量的贡献率分别为13.07%和55.51%。结合目前的种植结构和不同作物的灌溉需水特征,北京市未来粮食作物种植结构调整的对象首先是冬小麦。     

节水压采区农业种植结构多目标优化研究——以衡水市为例

针对节水压采区水资源紧缺、种植结构不合理、灌溉定额较大等问题,提出了基于作物水分生产函数的多目标种植结构优化模型。以衡水市为例,以种植结构和灌水量为优化变量,以经济效益最大和总灌溉水量最小为优化目标,建立了多目标优化模型,通过改进的NSGA-II算法进行优化计算,得出了不同灌溉水价水平下对应的种植结构和灌水量调整方案。结果表明,小麦种植面积比现状种植面积有所减少,玉米、花生等耗水量小的作物面积有所增加。通过优化,合理提高灌溉水价可促进高耗水作物种植面积的减少,扩大低耗水作物种植面积。     

基于NSGA-Ⅱ的灌区水资源优化配置模型及应用

【目的】解决灌区水资源短缺、农业用水效率不高的问题,为灌区水资源管理提供科学依据。【方法】基于大系统分解协调原理构建了包含灌区作物种植结构和作物灌溉制度的层次优化模型,并剖析第1层模型中灌水时间对灌溉制度优化的影响,以及第2层模型中生态效益对作物种植结构优化的影响。以宝鸡峡五泉灌区为研究对象,构建了2层协调优化模型,并利用非支配排序遗传算法,实现了灌区水资源的优化配置。【结果】(1)以灌水量和灌水时间为优化对象的优化设计方案,可以提高灌区整体经济效益。第2层模型不考虑生态效益时,灌水量与灌水时间同时优化时的经济效益较只优化灌水量时增加1.87%,而第2层模型考虑生态效益时,对应的增长率为1.32%。(2)在作物种植结构的优化模型层引入生态效益优化目标,虽然经济效益有所降低,但优化后的经济效益依然显著高于现状种植结构下的经济效益,方案1、方案2、方案3和方案4与现状情况下的经济效益相比,增长率分别为15.72%、15.27%、15.99%和15.07%。(3)考虑生态效益后,优化后的生态耦合度值与现状相比也有所提升,提高23.5%。【结论】采用第1层模型优化灌溉水量和灌水时间,且第2层模型考虑经济效益和生态效益的方案,可实现水资源最优配置。     

水压采区农业种植结构多目标优化研究——以衡水市为例

针对节水压采区水资源紧缺、种植结构不合理、灌溉定额较大等问题,提出了基于作物水分生产函数的多目标种植结构优化模型。以衡水市为例,以种植结构和灌水量为优化变量,以经济效益最大和总灌溉水量最小为优化目标,建立了多目标优化模型,通过改进的NSGA-II算法进行优化计算,得出了不同灌溉水价水平下对应的种植结构和灌水量调整方案。结果表明,小麦种植面积比现状种植面积有所减少,玉米、花生等耗水量小的作物面积有所增加。通过优化,合理提高灌溉水价可促进高耗水作物种植面积的减少,扩大低耗水作物种植面积。     

“三条红线”约束下的种植结构多目标优化模型研究

【目的】通过调整种植结构,达到水资源利用与配置更加合理化,以有限的水资源促进当地农业可持续发展。【方法】根据玛纳斯县农业结构种植特点,建立了基于遗传算法的多目标作物种植结构优化模型,并结合"三条红线"相关指标,运用MATLAB软件进行求解,提出了2020、2030年玛纳斯县主要农作物种植结构优化方案。【结果】现状年小麦种植面积可以维持现状,适当增加玉米、葵花和甜菜的种植面积,减少棉花种植面积,优化后灌溉节水量为137.01万m3,2020、2030年优先增加玉米和葵花的种植面积,当种植面积一定时,随着灌溉水利用系数的提高,可以增加棉花的种植面积。【结论】通过种植结构的调整,可以在兼顾经济、社会和节水效益的基础上缓解农业用水供需矛盾。     

宁夏汉延渠灌区灌溉用水量变化影响因素分析

汉延渠灌区农业灌溉历史悠久,近年来灌溉用水量持续减少。开展汉延渠灌区用水量规律分析研究,探索用水量变化影响因素,对于灌区优化水资源配置和现代化节水型灌区建设意义重大。以宁夏汉延渠灌区为研究对象,分析灌区灌溉制度、有效灌溉面积及种植结构的变化趋势,建立了3种影响因素与灌溉用水节水量数学模型,计算分析几种影响因子贡献率,得出该灌区灌溉用水量减少原因的排序是灌溉面积萎缩及种植结构调整、渠系水利用系数提升、优化灌溉制度的结论,对类似灌区水资源优化配置和现代化节水型灌区建设具有一定参考价值。     

北京市农业节水与作物种植结构调整

从农业供水资源对作物种植结构的影响，作物种植结构对农业用水量，农业水资源供需平衡的影响以及作物种植结构对农业节水灌溉方式的要求和对灌溉效益的影响等几方面，研究探讨了农业节水与作物种植结构这种既相互制约，又相互促进的关系，并就北京市作物种植结构调整和今后农业节水灌溉工程建设提出几点建议。     

分式两阶段随机优化模型在作物种植结构优化中的应用

以甘肃省武威市民勤县为例,构建了以单方水效益期望值最大为目标的分式两阶段随机规划模型对地区5种主要作物进行种植结构优化,该模型可以在满足粮食安全基础上得到不同水文年不同可用水量下的作物种植结构。比较优化结果与现状水平年种植结构下的指标,现状种植面积比优化结果种植面积多出50.68%,耗水量多出36.91%,但现状水平年的种植收益比优化结果少了0.33亿元,单方水效益低1.33元/m~3。优化结果充分满足了作物的灌溉需求,极大提高了农业生产的用水效率,为民勤县以及类似灌区作物种植结构优化提供了理论依据与决策支持。     

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.     

大型灌区农业高效用水的对策

为探讨在水资源短缺和干旱条件下，大型灌区如何实现农业高效用水，提出了优化配置和联合运用灌区内的各种水资源，调整灌区的作物种植结构，采用节水灌溉制度，因地制宜选用节水灌溉技术，节水灌溉与农业综合技术相结合，改革灌区的用水管理等对策措施。     

变化环境下泾惠渠灌区净灌溉需水的响应

灌溉需水是科学制定灌溉计划和水资源规划的依据,气候变化和种植结构等变化环境是灌区灌溉需水变化的驱动因素。基于泾惠渠灌区4个气象站近30年逐日气象资料和作物种植面积资料,采用FAO推荐的Penman-Monteith方法和作物系数法,计算灌区主要作物需水量、净灌溉定额及灌区净灌溉需水量,分析气候变化和种植结构调整对灌区净灌溉需水量的影响,采用多元线性回归法研究灌溉需水量变化的主要因子。结果表明:气候变化使灌区降雨呈减少趋势,ET0呈增加趋势,导致主要作物净灌溉定额呈增加趋势;种植结构的调整,减少了粮食作物和棉花的种植面积,增加了其他经济作物的种植面积,使灌区净灌溉需水量呈减少趋势;在总种植面积下降、种植结构调整和气候变化的综合作用下,灌区净灌溉需水量呈小幅度的增加趋势;影响净灌溉需水量变化的主要因子是ET0和种植面积;除1996和2003年湿润年份外,各年净灌溉需水量比实际灌溉水量大,灌区存在缺水。未来应进一步调整种植结构,以适应气候变化,缓解灌区水资源供需矛盾。     

泾惠渠灌区作物种植结构变化对灌溉需水量的影响

研究种植结构变化对灌区作物需水量和灌溉需水量的影响,能够为作物生育期的灌溉用水管理和农业水资源规划提供基础数据。依据泾惠渠灌区实测降水和蒸发蒸腾等气象数据,采用FAO推荐的Penman-Monteith公式和作物系数法计算灌区主要作物需水量;通过频率计算和配线法确定灌区丰水年(25%)、平水年(50%)和枯水年(75%)的有效降水量;根据1988—2014年Landsat卫星遥感影像提取的泾惠渠灌区不同历史时期农业种植结构数据,计算典型水文年份灌区总灌溉需水量,并分析作物需水量和灌溉需水量在不同典型水文年的年际和月际变化。结果表明,随着泾惠渠灌区农业种植结构的变化,灌区总的作物需水量和灌溉需水量都呈现显著下降趋势。但泾惠渠灌区在1988—2005年间,单位面积平均作物需水量和平均灌溉需水量都基本保持不变,随后均呈小幅下降趋势。各月份作物总需水量和总灌溉需水量除6月份之外,其余各月份都呈现显著下降趋势;但在此期间,灌区单位面积平均作物需水量和平均灌溉需水量除在4、8、9月份呈下降趋势,而6月份呈显著增加趋势外,其余各月份基本保持不变。灌区总的作物需水量和灌溉需水量的下降主要是由农作物种植面积大量减少所致,种植结构的变化对其影响较小,但灌区种植结构调整后的作物需水量状况更符合区域有效降水特点。     

基于遗传算法的西北旱区灌溉效益决策模型研究

研究西北旱区在水资源严重短缺和粮食安全要求的前提下,如何将有限的灌溉水资源合理的在不同作物以及作物不同生长阶段进行分配,使灌溉效益最大化.为此建立了多区域多作物优化种植的灌溉效益决策模型,模型充分考虑了粮食的市场价格、投入的各种农业生产要素成本以及国家农业补贴政策等因素.通过对大同地区玉米和黄豆联合种植试验区灌溉收益模型建立,采用遗传算法对模型进行了求解,在特定的一组遗传算法参数设定下,得到了模型的最优解,即水资源最优分配、产量和种植收益.从模型计算结果来看,在非充分灌溉条件下,玉米与黄豆的产量都随着灌溉水量的增加而增加,黄豆分配的灌溉水量较多,玉米得到的灌溉水量较少,黄豆的净收益比玉米高.这对该区域种植结构的调整、农民增收以及指导灌溉过程具有重要的现实意义.     

西藏拉萨河谷灌溉供需水分析

以拉萨河下游河谷地区为研究对象,依据1989-2010年拉萨、墨竹工卡气象站气象资料和Landsat卫星遥感影像提取的主要作物(青稞、冬小麦及油菜)种植面积,计算不同典型年份研究区总灌溉需水量;结合拉萨水文站1989-2010年径流序列资料,分析区域灌溉用水的供需平衡.结果表明:拉萨河谷地区的种植模式以粮食作物为主,河谷区种植面积在1990-2010年间增长约8%,作物种植结构没有发生显著性的变化.农作物种植面积的增加引致灌溉需水量大幅度增加,2010年的灌溉需水量达到16亿m³,比1990年增长约35%,青稞为灌溉需求最大的作物.河流径流量及灌溉用水需求的季节性变化存在差异,每年4-6月灌溉供需关系较为紧张,灌溉量占径流量近10%~20%,每年12月至次年4月正值河流枯水季,尽管该期间灌溉需水量较低,但对水资源造成的压力也是不容忽视的.拉萨河谷地区水资源供需关系较为紧张.     

节水灌溉与水资源优化配置对农业种植结构影响研究

安徽省水资源紧缺,发展节水灌溉是缓解水资源供需矛盾,实现水资源优化配置,促进农业种植结构调整,实现农业可持续发展的根本措施.建立了相应的水资源优化配置数学模型,分析了节水灌溉和水资源优化配置对农业种植结构的影响,并给出实例分析,对安徽省8个节水灌溉分区分别提出了不同的农业种植模式.     

基于遥感和蚁群算法的多目标种植结构优化

针对农业种植结构与水资源不匹配的问题,以主要作物不同生育期需水特点和区域降水特点吻合性为基础,建立了考虑灌区节水效益、经济效益和生态效益的多目标种植结构优化模型,并以宝鸡峡五泉灌区为例,利用遥感快速获取灌区种植结构信息,并以不同口粮面积约束为条件建立2种优化方案,采用蚁群算法对模型在不同约束下的2种优化方案进行优化求解.结果表明：方案1,2的灌区需水总量为现状的85.4%和83.4%,纯收入比现状在平水年低5.4%和高7.1%,在干旱年低5.9%和高7.3%,降雨耦合度分别在平水年高12.6%和15.6%,干旱年高17.5%和28.6%,对2种不同约束方案优化结果比较得出,方案2为最优调整方案.该研究在未改变原有灌区种植面积的条件下,经种植结构优化调整后,既可保持灌区生态环境的可持续发展,又使灌区经济收入有很大的提高.这对农业节水规划具有较高的实用价值和理论意义.     

Web下节水灌溉远程监控系统——评《节水灌溉规划》

我国水资源人均占有量仅为全球人均水量的25%左右,是世界贫水大国。在水资源消耗中,农业用水量约为总用水量的90%左右。在开展大棚种植及大规模的农田种植中,传统需要进行人工灌溉,以确保农业种植的产量。现如今,农业灌溉系统采用多个传感器分布节点进行水量控制,实现多点灌溉。为减少灌溉用水量,达成节水灌溉,要求开展节水灌溉的远程监控系统设计,依托监控系统对灌溉点出水量进行监测,并开展智能调节,进而确保灌溉效率。     

地下水超采区农业种植结构与作物耗水时空演变研究

针对河北省受农业生产活动和降水量变化影响,社会用水与水资源承载能力严重失衡的问题,基于河北省水资源变化特征,利用Penman-Monteith公式和作物系数法计算区域主要作物需水量,分析种植结构变化对灌溉需水量的影响。结果表明：进入21世纪以来,河北省水资源总量、地表水资源量和地下水资源量比1956—2017年年均值分别减少22.36%、42.15%和9.01%,地下水开采量和农田灌溉量逐年下降,但地下水超采量仍高达3.31×109m3,典型深层地下水漏斗区地下水位埋深依然处于60.34~70.46m。同一作物年际间的需水量呈现弱降低趋势,蔬菜、水稻、水果、棉花、薯类、冬小麦、油料、大豆、玉米和谷子的需水量依次降低,分别为750.56~893.09mm、698.25~832.60mm、653.93~773.28mm、506.30~634.23mm、481.42~594.37mm、401.66~504.60mm、406.26~510.68mm、335.28~429.74mm、309.72~399.54mm、269.94~345.77mm。冬小麦的水分亏缺指数最高,为0.72;蔬菜、水稻和水果的水分亏缺指数依次降低,分别为0.47、0.46和0.36。冬小麦、蔬菜和水果年均灌溉需水总量分别占作物总灌溉需水量的46.87%、12.94%和12.24%。与1980—1989年相比,2010—2017年蔬菜和水果种植面积分别增加了186.01%和59.98%,灌溉需水量相应增加了143.75%和18.91%,而其他作物灌溉需水量均有所降低,蔬菜和水果种植面积增加成为农业灌溉需水量保持高位运行的主导因素。从实现主要农产品供需平衡、水资源平衡和国家粮食安全考虑,大幅减少高耗水作物（蔬菜和水果）种植面积是未来降低作物灌溉总需水量的有效途径。在保证京津冀市场需求的基础上,河北省蔬菜和水果的种植面积分别缩减至1.72×105、1.97×105hm2,年灌溉总需水量可减少3.31×109m3。     

基于山东省农业用水合理利用的多目标农作物种植结构调整

山东省是水资源极度匮乏的农业大省,农业用水依然是用水大项。为节约农业用水,在保证粮食安全的前提下,结合山东省农业供给侧改革内容,从种植效益和节水效益角度出发,运用多目标优化模型对农作物种植结构进行调整研究。结果表明:调整后山东省农作物种植结构由原粮、经2类变为粮、经、饲3类,种植比例也由3∶1转变为10∶5∶1,调整后7类作物（小麦、玉米、水稻、棉花、花生、大豆及蔬菜）种植净利润增加59.49亿元,节约农业用水量490.66万m3。种植结构优化调整达到了农业节水目的,同时增加了农业产值,且饲草种植比例的增加也符合农业供给侧改革调整方向。