白 丹,王 新,2

(1.西安理工大學(xué) 水電學(xué)院,西安 710048;2.新疆維吾爾自治區(qū)水利廳,烏魯木齊,830000)

0 引 言

干旱地區(qū)土地資源豐富,水資源短缺。近年來隨著工業(yè)、生活和生態(tài)用水量的增加,灌溉用水緊張的矛盾進(jìn)一步突出,在這種情況下,要進(jìn)一步擴(kuò)大灌溉面積,推動區(qū)域農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,就必須大力發(fā)展農(nóng)業(yè)節(jié)水,其中調(diào)整作物種植結(jié)構(gòu)和發(fā)展節(jié)水灌溉是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)的兩項重要措施,如何協(xié)調(diào)兩者的關(guān)系,制定最經(jīng)濟(jì)的農(nóng)業(yè)節(jié)水規(guī)劃方案,是農(nóng)業(yè)節(jié)水規(guī)劃要解決的關(guān)鍵問題。

國內(nèi)外對區(qū)域作物種植結(jié)構(gòu)最優(yōu)規(guī)劃問題研究較多[1-10],其主要思路是根據(jù)農(nóng)業(yè)灌溉可供水量,確定各種作物最優(yōu)種植規(guī)模,以滿足作物灌溉用水需求;但對區(qū)域節(jié)水灌溉工程最優(yōu)規(guī)劃問題研究較少[11]。實際上農(nóng)業(yè)節(jié)水最優(yōu)規(guī)劃問題,應(yīng)該同時考慮這兩個問題,因為有時在水資源嚴(yán)重短缺的情況下,單靠某一項節(jié)水措施不一定是最經(jīng)濟(jì)的,應(yīng)該綜合運(yùn)用多種農(nóng)業(yè)節(jié)水措施,但目前這方面研究報道很少。

在農(nóng)業(yè)灌溉可利用水量和灌溉面積一定的條件下,有多種農(nóng)業(yè)節(jié)水的可行方案,每個方案的作物種植結(jié)構(gòu)和節(jié)水灌溉發(fā)展規(guī)模都不同,其節(jié)水灌溉工程的投資也不同,如何在眾多的方案中尋求投資最小的農(nóng)業(yè)節(jié)水規(guī)劃方案,是本文要解決的問題。

1 最優(yōu)規(guī)劃數(shù)學(xué)模型

1.1 目標(biāo)函數(shù)

以區(qū)域內(nèi)新增節(jié)水灌溉工程總投資最小為目標(biāo)函數(shù):

式中z為規(guī)劃年區(qū)域內(nèi)新增節(jié)水灌溉工程總投資,元;i為節(jié)水灌溉技術(shù)類型序號;I為采用節(jié)水灌溉技術(shù)類型總數(shù);j為種植作物序號;J為種植作物總數(shù);k為水源類型,k=1地面水,k=2地下水;cijk為新增節(jié)水灌溉工程單位面積投資,元/ hm2;xijk為規(guī)劃年新增節(jié)水灌溉工程面積,hm2。

1.2 約束條件

1.2.1 灌溉用水量約束

規(guī)劃年各種以地面水作為灌溉水源的灌溉(包括節(jié)水灌溉和地面灌溉)用水量之和不大于地表水灌溉可供總水量;規(guī)劃年各種以地下水作為灌溉水源的灌溉 (包括節(jié)水灌溉和地面灌溉)用水量之和不大于地下水灌溉可供總水量:

1.2.2 作物種植結(jié)構(gòu)約束

各種作物的各類節(jié)水灌溉工程規(guī)劃發(fā)展面積之和應(yīng)在規(guī)劃年該種作物規(guī)劃面積允許范圍(上下限)以內(nèi):

1.2.3 節(jié)水灌溉技術(shù)適宜面積約束

主要考慮各種不同的節(jié)水灌溉技術(shù)對水源、地形、作物適宜性,據(jù)此確定各種節(jié)水灌溉規(guī)劃發(fā)展的面積上限值,各類節(jié)水灌溉工程計劃發(fā)展面積之和不大于區(qū)域內(nèi)技術(shù)條件允許適宜面積:

1.2.4 面積約束

規(guī)劃年各種作物灌溉面積之和應(yīng)等于總灌溉面積:

式中T為規(guī)劃年總灌溉面積,hm2。

1.2.5 非負(fù)約束

非負(fù)約束可用下式表示:

2 模型的計算

這是一個線性規(guī)劃模型,決策變量為 xijk和yjk,可采用MATLAB[12]計算。

3 算 例

3.1 基本資料

新疆和田地區(qū)農(nóng)田灌溉面積計劃由現(xiàn)在的28.54×104hm2發(fā)展到 2020年的 42.93×104hm2,該地區(qū) 2020年農(nóng)業(yè)灌溉可利用水量為368 692.48×104m3,其中地下水可利用量為2 875.04×104m3。各種灌溉技術(shù)單位面積投資和灌溉水利用系數(shù)見表1和表2;節(jié)水灌溉工程現(xiàn)狀見表3;各種節(jié)水灌溉工程適宜發(fā)展面積上限值見表4;各種作物凈灌溉定額和2020年規(guī)劃年各種作物種植面積的上下限值見表5。

3.2 最優(yōu)規(guī)劃方案

將以上數(shù)據(jù)代入所建立的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型,得到和田地區(qū)2020年農(nóng)業(yè)節(jié)水最優(yōu)規(guī)劃方案,見表6,表6為新增節(jié)水灌溉和常規(guī)地面灌面積,新增節(jié)水灌溉工程總投資為133 514.90萬元。

3.3 與常規(guī)方法制定的規(guī)劃方案對比

采用常規(guī)方法制定的和田地區(qū)2020年農(nóng)業(yè)技術(shù)規(guī)劃方案見表7,表7為新增節(jié)水灌溉和常規(guī)地面灌面積,其新增節(jié)水灌溉工程總投資為166 731.00萬元,與原方案相比,最優(yōu)規(guī)劃方案減少投資33 216.10萬元,節(jié)省投資19.92%。

表1 各種灌溉工程單位面積投資和灌溉水利用系數(shù)(地表水水源)Table1 Unit area investment and irrigation water use coefficient of each irrigation engineering(surface water)

表2 各種灌溉工程單位面積投資和灌溉水利用系數(shù)(地下水水源)Table 2 Unit area investment and irrigation water use coefficient of each irrigation engineering(umderground water)

表3 節(jié)水灌溉工程現(xiàn)狀Table 3 Status of water-saving irrigation engineering /104hm2

表4 各種節(jié)水灌溉工程適宜發(fā)展面積上限值Table 4 Area upper limit of each water saving irrigation engineering /104hm2

表5 各種作物凈灌溉定額和2020年規(guī)劃種植面積上下限值Table 5 Net irrigation quota and area bound of each crop in 2020

表6 和田地區(qū)2020年農(nóng)業(yè)節(jié)水最優(yōu)規(guī)劃方案Table 6 Hotan area water saving irrigation engineering optimal plan in 2020 /104hm2

表7 和田地區(qū)2020年農(nóng)業(yè)節(jié)水規(guī)劃原方案Table 7 Hotan area water saving irrigation engineering original plan in 2020 /104hm2

4 結(jié) 語

本文建立了區(qū)域農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉最優(yōu)規(guī)劃模型,這是一個線性規(guī)劃模型,應(yīng)用這一模型,可根據(jù)區(qū)域的水源、地形、作物種植結(jié)構(gòu)和各種節(jié)水灌溉技術(shù)的適用性等條件,在有限的農(nóng)業(yè)水資源條件下,獲得投資最小的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉最優(yōu)規(guī)劃方案,實現(xiàn)區(qū)域農(nóng)業(yè)水土資源的優(yōu)化配置。

[1]Tsakiris,G.,Spiliotis,M..Cropping Pattern Planning Under Water Supply from Multiple Sources[J]. Irrigation and Drainage Systems,2006,20(1):57-68.

[2]El-Awar,Faraj A.,Darwish,M.Ragy,et al.Optimal Cropping Pattern for Limited Water Supply:A Case Study in Lebanon[J].Applied Engineering in Agriculture,2001,17(3):391-397.

[3]Ghahraman,Bijan,Sepaskhah,Ali-Reza.Optimal Allocation of Water from a Single Purpose Reservoir to an Irrigation Project with Pre-determined Multiple Cropping Patterns[J].Irrigation Science,2002,21(3): 127-137.

[4]Georgiou,P.E.,Papamichail,D.M.Optimization Model of an Irrigation Reservoir for Water Allocation and Crop Planning Under Various Weather Conditions [J].Irrigation Science,2008,26(6):487-504.

[5]Sethi,Laxmi Narayan,Panda,Sudhindra N.,et al. Optimal Crop Planning and Water Resources Allocation in a Coastal Groundwater Basin,Orissa,India[J]. Agricultural Water Management,2006,83(3):209-220.

[6]張運(yùn)鳳,劉 發(fā),張澤中.單目標(biāo)化局勢決策在灌區(qū)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整中的應(yīng)用 [J].節(jié)水灌溉,2006,(2): 5-7.

[7]周惠成,彭 慧,張 弛,等.基于水資源合理利用的多目標(biāo)農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)調(diào)整與評價 [J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2007,23(9):45-49.

[8]陳守煜,馬建琴.作物種植結(jié)構(gòu)多目標(biāo)模糊優(yōu)化模型與方法[J].大連理工大學(xué)學(xué)報,2003,43(1):12-15.

[9]劉建國,季新江,殷 華,等.石河子大學(xué)教學(xué)實驗農(nóng)場種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計 [J].石河子大學(xué)學(xué)報 (自然科學(xué)版),2005,23(4):464-467.

[10]高明杰,羅其友.水資源約束地區(qū)種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究—以華北地區(qū)為例 [J].自然資源學(xué)報,2008,23 (12):204-210.

[11]李英能,黃修橋,吳景社,等.水土資源評價與節(jié)水灌溉規(guī)劃[M].北京:中國水利水電出版社,1998.

[12]蘇金明.MATLAB6.1實用指南:下冊[M].北京:電子工業(yè)出版社,2002.