基于区间多阶段随机规划模型的灌区多水源优化配置

灌区多水源灌溉系统中存在许多不确定性因素,随着系统环境的变化及不确定性因素的影响,导致其配水过程具有动态特征。针对灌区多水源灌溉系统的配水特点,该文建立基于区间多阶段随机规划的灌区多水源优化配置模型。同时,考虑灌溉水对作物产量的影响,引入水分敏感指数权重系数,并以黑龙江省和平灌区水稻不同生育阶段灌溉水资源优化配置进行实例研究。结果表明,在不同来水情境下,管理者可根据各个生育阶段水分敏感指数权重系数,判断作物不同生育阶段的需水敏感程度,当来水情境的来水量多时,会产生余水量,可调配给下一生育阶段;当来水情境的来水量少时,管理者可在减少灌溉水量与增加外调水之间进行权衡,并根据需水关键期与需水非关键期做出决策,使水资源在作物生育阶段间及作物生育阶段内进行分配,实现灌区多水源灌溉系统的动态配水。该模型的应用在确保作物产量的同时,使灌溉水资源在作物各个生育阶段进行合理配置,有效地避免了水资源浪费,对提高灌溉水利用效率、保证水资源的可持续利用具有重要意义。     

基于遗传算法求解的冬小麦优化灌溉产量模型研究

为了在有限灌溉水量条件下研究作物最大产量与不同生育阶段水量分配的关系,该文以静态的作物水分生产函数Jensen模型为基础,建立基于产量最大的有限灌水量优化灌溉模型,并应用最优保存策略遗传算法对建立的多约束非线性模型进行求解。结果显示遗传算法能在不同的灌溉情况下,搜索到模型的最优解,并且能对有限的灌水量在作物不同生育期进行优化分配。     

冬小麦-夏玉米轮作体系灌溉制度多目标优化模型

该文针对望都灌溉试验站全年作物种植模式,分别建立冬小麦及夏玉米水分生产函数模型,运用粒子群优化算法(PSO)求解模型中的敏感指数,并以该模型为基础建立冬小麦-夏玉米全周期灌溉制度多目标优化模型,利用改进分组非支配排序遗传算法(GNSGA-Ⅱ)对模型进行求解,得出全年不同可用灌溉水量情况下的灌水日期与灌水量。结果显示,随着可用总灌水量的增加,冬小麦和夏玉米的灌水量与产量均随之增加,但由于受到两种作物不同敏感指数的影响使得二者增加的趋势有所不同。当全年总灌水量为472mm时两种作物均接近充分灌溉,若继续增加灌溉水量,则灌水的边际效益逐渐减小。依据优化结果可在全年合理分配利用有限的水资源以获得较高的作物总产值。     

基于最优保留策略遗传算法的玉米小麦优化灌溉模型研究

在综合考虑灌溉水量、作物水分需求、作物种植结构、水分生产函数、降雨量、土壤水分平衡、缺水敏感指数、粮食市场价格、农田灌溉用水价格、最低产量需求和灌溉成本等因素的基础上,建立了适合中国国情的基于灌水收益最大的多作物多约束非线性优化灌溉模型,同时应用遗传算法的搜寻功能,对模型的实数编码解空间进行搜索。求解结果显示该模型很好地解决了玉米和小麦联合种植的优化灌溉问题,遗传算法在求解该模型中显示出了较好的搜寻能力,能在很短时间内搜寻到模型的最优解。     

基于粒子群的大系统优化模型在灌区水资源优化配置中的应用(简报)

针对灌区水资源优化配置模型存在等式约束的特点,在分析粒子群算法寻优策略的基础上,建立了基于粒子群的大系统优化模型.同时.提出有效的控制粒子速度大小的方法, 克服了粒子因速度过大易逃出约束空间而造成程序中断的不足,成功地将粒子群优化算法应用于作物灌溉制度的寻优中.利用此模型将有限的水资源分配到灌区中的不同子区、子区中的不同作物以及作物的各生育阶段,取得了较好的效果.     

基于超平面实码遗传算法的灌溉制度优化设计

针对传统实码遗传算法(RGA)在求解等式约束的优化问题时,存在精度低、易早熟的缺点,该文提出了超平面实码遗传算法(HRGA),在超平面内进行各种遗传操作的运算,并将改进后的遗传算法应用于作物最优灌溉制度问题之中。计算结果表明：应用超平面遗传算法解决等式约束的优化问题,不但方法简单、计算速度快,而且寻优精度明显高于传统实码遗传算法,大大提高了算法的性能,有较高的推广应用价值。     

多级灌溉渠系配水优化编组模型与算法研究

合理安排各级渠道的配水时间和流量,实现灌溉渠系大流量短历时输配水,减小整个渠系的渗水损失,是目前灌区管理中亟需解决的技术问题.该文基于大系统分解协调的思想,以陕西省冯家山灌区为例,建立了一种解决多级渠系配水优化编组问题的分解协调模型.针对模型中存在多约束条件和大搜索空间问题,设计了基于自适应遗传算法模型求解方法,并比较分析了用该文方法与传统方法确定的配水编组方案性能,结果表明该文确定的算法能实现多约束条件下模型的稳定快速求解,确定的优化配水方案下级渠道配水过程搭配合理,上级渠道配水流量较为均匀且总输水损失小等优点,能解决多级渠系配水优化编组问题,可满足灌区管理需要.     

基于模拟技术及遗传算法的作物灌溉制度优化方法

通过土壤水量平衡模型对作物生育期内的土壤含水率及田间腾发过程进行动态模拟,并利用作物水分生产函数的Jensen模型估算作物产量,建立了以灌溉日期为决策变量、最大相对产量为决策目标的灌溉制度优化模型,并采用保留最佳个体的遗传算法求解作物最优灌溉制度。结合山西潇河灌区2003年冬小麦返青后的实际气象状况,用上述模型对冬小麦灌溉制度进行了优化与分析。对动态规划、单纯形搜索法及遗传算法的求解结果进行了比较,表明保留最佳个体的遗传算法能搜索到全局最优解,且结果稳定。不同情况下的灌溉制度优化结果表明抽穗初期是冬小麦的生长关键期,其次是拨节期。随着灌溉水量的增加,最优灌溉制度下的田间腾发量及冬小麦产量也相应增加,但增加幅度逐渐减小。     

几种大田作物水分-产量模型及其应用

本文介绍了几种大田作物(小麦、玉米、棉花等)水分-产量模型(即水分生产函数)国内外研究现状, 阐明了各种模型之间的本质区别与内在联系.依据部分灌区的田间试验数据, 在全生育期采用二次抛物线模型、各生育阶段采用Jensen模型, 并且运用最小二乘法原理, 拟合了不同作物的水分生产函数, 得出作物不同生育阶段的水分敏感指数, 发现不同作物敏感指数值呈前期小、中期大、后期又变小的变化趋势且与农业灌溉实际相符, 这一结论可为资源性缺水区域制定优化灌溉制度提供理论依据.     

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。     

混沌人工鱼群算法及其在灌区优化配水中的应用

对人工鱼群算法进行了改进,结合灌区优化配水问题,建立了灌区优化配水的混沌人工鱼群算法模型。通过对山东省威海市节水灌溉示范区进行优化计算,算法能有效地搜索到灌区净效益最高点,优化后与现状种植结构相比,粮食作物面积减少,经济效益较高的果树面积增大,灌区净效益提高56％。优化结果表明,混沌人工鱼群算法应用于灌区优化配水计算切实可行,为复杂的灌区优化配水问题提供了新的思路和方法。     

基于RAGA-DP的饲草料作物非充分灌溉制度优化模型

中国北方牧区水资源极其匮乏,灌溉饲草料基地优化配水时,通过对非充分灌溉条件下饲草料作物进行灌溉制度优化可以有效地提高水分利用率及作物产量。该文采用基于实数编码的加速遗传算法（RAGA）与多维动态规划法（DP）相结合,建立了遗传动态规划（RAGA-DP）模型,对内蒙古锡林郭勒典型草原区灌溉饲草料地非充分灌溉条件下青贮玉米、披碱草和苜蓿进行了灌溉制度优化,试验验证结果较好,有效地解决了有限水量条件下不同生育期进行优化配水的问题,并通过相对产量与供水量、水分生产率函数和边际产量的关系得到了3种作物的适宜供水量范围。该模型解决了多维动态规划法在作物非充分灌溉条件下灌溉制度优化过程中的早熟现象及易陷入局部最优而难于求得真正最优解的问题。     

基于粒子群人工蜂群算法的灌区渠-塘-田优化调配耦合模型

为了缓解农业水资源供需矛盾,减少南方季节性干旱造成的损失,该文结合南方灌区渠、塘、田地复杂的水量转化关系,建立了以灌溉区域效益最大为目标的渠-塘优化调控与田间多种作物优化配水相结合的耦合模型;根据该模型的特点,提出了模型求解的粒子群-人工蜂群混合算法。将模型应用于漳河灌区,并与常规的渠-塘调控和作物配水模型和只考虑作物优化配水模型相比较。结果表明,渠-塘-田地协同调配效果显著,耦合模型计算所得特别枯水年(降雨频率为95%)下灌溉用水效益比采用其他2种模型分别提高了20.7%和6.9%。粒子群-人工蜂群混合算法能快速求解该优化调配耦合模型,有利于解决多水源、长距离输配水、库塘共同调控等复杂情况下的高效用水模型的求解问题。     

基于水氮管理与种植结构优化的作物丰产高效管理策略

河西走廊农业生产受到水资源短缺与农业资源利用效率低的限制,制约着该地区的种子、粮食生产与农业可持续发展战略。该研究构建了考虑作物水氮需求量、降雨量、土壤初始含氮量的水氮管理制度优化方法,并结合所构建的考虑空间尺度作物产量与水氮利用效率的多目标种植结构优化方法,为河西走廊制种玉米、大田玉米和小麦制定丰产高效的水氮管理与种植结构调整策略,从而实现作物产量和水氮利用效率的协同提升。结果显示：优化的水氮管理制度相比管理现状可减少单位面积灌水量9.1%～27.3%、施氮量26.6%～50.0%;以作物产量和水氮利用效率最大为目标,以种植面积、产量需求和水氮投入量为约束,调整制种玉米、大田玉米和小麦的种植面积与空间分布,优化后制种玉米和小麦种植面积减少、大田玉米种植面积增加,总种植面积减少4 874.8 hm2,且作物种植空间分布较优化前差异明显;水氮管理与种植结构优化协同作用可以在水氮用量分别减少0.29×109 m3和3.36×107 kg的情况下,作物总产量提升0.16×109 kg,区域灌溉水生产力和氮肥利用效率分别提升0.62 kg/m3和18.97 kg/kg。该研究可以为产粮区和缺水区的作物丰产高效和农业可持续发展提供科学指导与决策参考。     

南疆丰收灌区水资源多目标优化配置方案优选

针对灌区水资源多目标优化配置模型求解算法的不确定性和最优方案选择问题,以新疆阿克苏地区阿瓦提县丰收灌区为研究对象,以灌区可持续发展为目标,建立基于优选算法的灌区水资源多目标优化配置及方案优选模型。对比改进的NSGA-II算法(Non-dominated Sorting Genetic Algorithm-II,带精英策略的非支配排序遗传算法)、NSGA-III算法(Non-dominated Sorting Genetic Algorithm-III,基于参考点的非支配排序遗传算法)、MOEA/D算法(AMulti-Objective Evolutionary Algorithm based on Decomposition,基于分解的多目标进化算法),最终选取性能最好的CNSGA-III算法作为优化算法对水资源配置模型进行求解;建立水资源配置方案评价体系,利用熵权-TOPSIS(Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution,优劣解距离法)综合评价模型对符合决策制定者期望的配置方案进行对比筛选,选出灌区水资源最佳配置方案。结果表明:优化后的方案相较于传统配置方案,在"三条红线"用水限额下,经济净效益增加1.0%,灌区总缺水量减少8.4%,碳吸收总量增加4.5%。建立的灌区水资源多目标优化配置及方案优选模型可为管理者制定灌区水资源配置方案提供参考,也可适用于其他干旱灌区,有一定的理论意义。     

基于LMDI的灌溉需水量变化影响因素分解

为研究灌溉需水量的驱动因素,该文以甘肃省武威市为研究区,基于扩展的Kaya恒等式构建灌溉需水量因素分解模型,利用对数平均迪氏指数分解法(logarithmic mean Divisia index,LMDI)对武威市1995—2012年总体及不同时段灌溉需水量驱动因子进行因素分解,并计算灌溉需水量的影响因素的效应值。结果表明:近18 a来,武威市各行政区以节水高效为目的对武威种植结构进行了大幅调整,减少了高耗水作物小麦的种植面积,增加了耐旱的玉米、棉花等作物的种植面积;在1995—2012年间,武威市灌溉需水量减少了5.023×108 m~3,种植规模效应、种植结构效应、气候变化效应、节水工程效应分别为2.435×108 m~3、?3.994×108 m~3、?1.286×108 m~3、?2.178×108 m~3;不同作物对灌溉需水量增长的效应不同,其中小麦抑制灌溉需水量增长,是灌溉需水量减少的最主要影响因子;4个分解效应在不同时段对武威市各区县灌溉需水量作用不同,但除在2000—2005年对凉州区灌溉需水量增加有微弱的促进作用外,种植结构效应在不同时段均表现为抑制灌溉需水量增长的作用。研究结果为合理调控农业发展规模,制定武威市灌溉用水规划提供参考。