基于水资源高效利用的农业种植结构优化

论文摘要

我国水资源总量虽多,但人均占有量偏少,并且水资源时空分布与需水量的时空要求不协调,供需矛盾日趋尖锐。西北地区是我国缺水最严重、生态环境最脆弱的地区之一,农业用水占总用水比例最大。因此该地区水资源的高效利用研究将对区域水资源持续利用、生态环境改善具有重要的意义。论文以西北内陆河流域中水资源短缺和生态环境恶化最严重的石羊河流域下游民勤县为例,通过对该县农业节水潜力的计算分析,从农业种植结构优化和灌溉制度优化等水资源管理角度,探索区域农业水资源的高效利用途径。论文的主要研究内容和结论如下:(1)系统归纳分析了国内外关于农业种植结构优化和作物优化配水的研究进展,提出该领域的研究存在研究作物种类不全面以及多层优化模型建模相对比较复杂等问题。(2)在对民勤水资源开发利用现状分析的基础上,提出了民勤农业水资源利用中存在着农业种植结构和灌溉制度不合理、生态用水得不到保障、水资源重复利用率高、水权矛盾突出等问题,需要通过农业水资源优化配置,实现水资源的高效持续利用。(3)建立了区域农业节水潜力计算模型,提出了理论节水潜力和实际节水潜力的计算方法。理论节水潜力是现状年的灌溉实际用水量与当地农业灌溉需水量之差;民勤县农业节水潜力的计算结果表明,在50%、75%和95%水文年,分别只有1.0209、0.4208和0.4753亿m3的节水空间,但与《石羊河流域综合治理规划》要求尚有很大差距。说明传统的工程型节水模式已经不能解决当地水资源短缺的问题,远不能达到当地规划用水的要求。对于资源性缺水地区,还须通过调整农业种植结构和优化灌溉制度来实现水资源的高效利用。(4)在前人研究种植结构和灌溉制度优化理论的基础上,建立了一个基于大系统递阶分析理论的包含灌溉制度优化和种植结构优化的两层水资源优化模型。第一层,是在基于Jensen模型的基础上建立了农作物灌溉制度优化模型,采用动态规划递阶逼近法(DPSA)求解;第二层基于非线性优化理论,建立了作物种植结构优化模型,采用非线性规划求解,并编制MATLAB程序实现优化算法。模型结构简洁,便于应用。(5)民勤县75%水文年种植结构与灌溉制度优化结果表明,在灌溉面积不变的情况下,通过优化种植结构和灌溉制度,可以节水1.09亿m3,使当地农民人均增收1607元;在灌溉面积减少到《石羊河近期重点治理规划》要求的情况下,通过模型的优化计算,可以节约农业用水2.9353亿m3,比现状农业用水节约了39.1%,并且农民人均增收364.2元;与现状相比优化后的种植结构,增加了白兰瓜、辣椒和棉花等经济效益相对较高、灌水量相对较少的作物种植面积,减少了苜蓿、小麦、玉米和籽瓜等经济效益相对较低、灌水量相对较多的作物种植面积。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的目的意义
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 研究目的
• 1.1.3 研究意义
• 1.2 国内外研究进展
• 1.2.1 单层优化模型及其求解方法
• 1.2.2 多层优化模型及其求解方法
• 1.2.3 灌溉决策支持系统
• 1.2.4 存在问题
• 1.3 研究内容
• 1.3.1 研究方法
• 1.3.2 技术路线
• 第二章 研究区概况
• 2.1 自然概况
• 2.1.1 自然地理
• 2.1.2 地形地貌
• 2.1.3 气候条件
• 2.1.4 河流水系
• 2.2 社会经济条件
• 2.2.1 区域经济
• 2.2.2 产业结构
• 2.3 水资源及时空分布
• 2.3.1 水资源量
• 2.3.2 灌区概况
• 2.4 水资源开发利用现状
• 2.4.1 供水及水利设施现状
• 2.4.2 民勤用水分类
• 2.4.3 水资源开发利用程度分析
• 2.5 水资源开发利用存在的问题
• 2.5.1 种植结构与灌溉制度不合理
• 2.5.2 水权问题矛盾突出
• 2.5.3 水资源的重复利用率高
• 2.5.4 生态用水得不到保障
• 2.6 解决措施
• 2.7 本章小结
• 第三章 灌区节水潜力
• 3.1 节水潜力概念
• 3.2 节水潜力计算方法
• 3.3 民勤农业灌溉需水量
• 3.3.1 主要农作物需水量
• 3.3.2 净灌溉定额
• 3.3.3 毛灌溉定额
• 3.3.4 民勤农业灌溉需水量计算
• 3.4 民勤农业节水潜力分析
• 3.4.1 理论节水潜力
• 3.4.2 实际节水潜力
• 3.5 讨论
• 3.6 本章小结
• 第四章 水资源高效利用的种植结构及配水优化模型
• 4.1 理论基础
• 4.1.1 非充分灌溉原理
• 4.1.2 大系统递阶分析理论
• 4.2 种植结构和灌溉配水优化的两层模型
• 4.3 模型的建立与求解
• 4.3.1 第一层模型——单作物优化灌溉制度模型
• 4.3.2 第二层模型——作物种植面积的优化和作物间的配水优化模型
• 4.4 本章小结
• 第五章 基于水资源高效利用的民勤种植结构及灌溉制度优化
• 5.1 基础数据的确定
• 5.1.1 民勤典型年的划分
• 5.1.2 各水文年型作物生育阶段有效降雨量的确定
• 5.1.3 各年型作物生育阶段蒸发蒸腾量的确定
• 5.2 各作物水分生产函数及曲线的拟合
• 5.2.1 各作物灌水量及相应产量的计算
• 5.2.2 作物水分生产函数及曲线的拟合
• 5.3 种植结构及作物灌溉定额的优化
• 5.3.1 已知资料
• 5.3.2 各作物种植面积及灌溉制度的优化
• 5.4 结果分析
• 5.4.1 第一种约束条件分析
• 5.4.2 第二种约束条件分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论与建议
• 6.1 结论
• 6.2 建议
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介