基于不确定性分析的农业水土资源多尺度优化配置方法与模型研究

发布时间：2017-12-12 13:24

  本文关键词：基于不确定性分析的农业水土资源多尺度优化配置方法与模型研究

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【摘要】：发展节水高效农业是农业可持续发展的战略选择,农业水土资源合理配置是提高农业资源利用效率的重要途径。不同空间尺度下的农业水土资源配置具有不同的特点,存在差异性。同时,气候变化和人类活动导致了农业水土资源配置系统的不确定性。因此,研究不确定性条件下农业水土资源多尺度优化配置方法及模型对促进变化环境下农业可持续发展具有十分重要的意义。本文以黑河中游绿洲为研究对象,针对农业水土资源配置系统中存在的诸多不确定性,在明晰各尺度农业水土资源相互作用关系的基础上,构建适合不同尺度的农业水土资源优化配置不确定性模型体系并探讨其解法。主要研究内容及结论如下:(1)区域水土资源配置。构建了考虑来水随机性的双层线性分式规划模型并采用交互式模糊算法进行求解。该模型可以综合上下层不同决策主体的利益,定量处理效益最大和用水量最小两个目标并提高配置效率,反映来水随机性。结果表明,黑河中游绿洲的农业、工业、生活、生态4个用水部门的优化总配水量比实际减少0.24亿m3。高、中、低流量情况下,农业用水量比重分别为87.6%、84.2%、82.4%。在总种植面积不变的条件下,优化的各类作物面积较实际有所调整,整体效益增加3.2亿元。(2)灌区水土资源配置与风险分析。构建了基于供需水随机模拟的灌区配水模型和基于随机模糊数的种植结构优化模型。两个模型的框架均为区间两阶段随机规划模型,共同特点为可获得当随机事件发生时最小资源缺失情况下的最大效益,均衡资源分配获益与损失之间的矛盾。此外,灌区配水模型能够充分反映输入参数的随机特性,获得具有概率分布的优化配置结果,而配土模型定量处理了输入参数中同时具有随机和模糊的双重不确定性。结果表明,黑河干流灌区优化总配水量比实际减少0.54亿m3,配水效率略微增加。优化总土地面积比实际减少3.17万hm2,单方效益提高1.28元/hm2。黑河中游绿洲缺水风险处于可接受风险和濒临风险范围之间。(3)渠系水土资源配置。以盈科灌区为典型灌区,构建了干支渠流量和时间分配模型、分支渠/斗渠轮灌组划分模型及种植结构优化模型。所构建的模型注重减少输配水过程中的渗漏损失,提高水土资源配置效率。结果表明,盈二支在夏灌一轮、夏灌二和三轮、秋灌一和二轮的配水流量分别为3.32 m3/s、3.42 m3/s、3.38 m3/s,各轮期内配水流量均匀,利于管理和工程实施。(4)田间水资源配置。构建了基于作物区间水分生产函数的区间线性分式规划模型。该模型在考虑田间输配水区间不确定性的基础上,平衡配水效益与节水之间的矛盾,以获得最大的灌溉水分生产力。在此基础上,为协调灌区内管理者和农民的利益矛盾,将灌区-作物作为一个整体,构建线性分式-二次双层规划模型,并采用拉格朗日函数构造结合库恩塔克条件的方法求解。结果表明,区间线性分式规划模型的水分生产力较常规线性规划模型提高1.25 kg/m3,而线性分式-二次双层规划模型的水分生产力比基于二次函数的作物全生育期配水模型提高4%。(5)农业水土资源规划。采用统计学方法和智能算法相结合的方法对黑河中游绿洲水文要素及社会经济要素进行模拟和预测。采用模糊识别模型结合尖点突变模型的方法计算各行政区的农业用水安全阈值。采用边际效益理论结合节水潜力分析方法估算黑河中游17个灌区的用水阈值区间。在此基础上,综合各尺度建模思想,对黑河中游农业水土资源进行综合规划并动态分析农业用水安全情况,构建农业水土资源配置决策支持系统,为实现黑河中游农业水土资源的系统和自动化管理提供参考。
【学位授予单位】：中国农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：F323.213;S274

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本文编号：1282672