虎海燕

(甘肅省疏勒河流域水資源管理局，甘肅 玉門 735211)

1 概況

1.1 水資源現(xiàn)狀

甘肅省疏勒河流域水資源管理局(以下簡(jiǎn)稱省疏管局)轄昌馬、雙塔、花海三個(gè)灌區(qū)管理處和一個(gè)水庫(kù)電站管理處，疏勒河流域干流全長(zhǎng)670km，流域面積17萬(wàn)km2[1]。流域內(nèi)土地資源豐富，現(xiàn)有灌溉面積134.42萬(wàn)畝，多年平均來(lái)水量10.31億m3，地表水不重復(fù)部分0.73億m3，流域內(nèi)水資源總量為11.55億m3。工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總供水量10.27億m3，其中：河道引水8.35億m3，占81%，提取地下水1.92億m3，占19%。2012年流域總耗水量14.37億m3，其中農(nóng)田灌溉耗水量12.07億m3，林牧漁畜耗水量1.24億m3，工業(yè)耗水量0.33億m3，城鎮(zhèn)生活耗水量0.09億m3，農(nóng)村生活耗水量0.06億m3，生態(tài)環(huán)境耗水量0.58億m3[2]。根據(jù)流域供需水實(shí)際情況，說(shuō)明疏勒河流域農(nóng)田灌溉用水明顯偏高，流域工業(yè)及生活用水比例明顯偏低，水資源嚴(yán)重缺乏。

1.2 種植結(jié)構(gòu)情況

疏勒河流域2006—2016年調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，主要種植作物為經(jīng)濟(jì)作物，其次為糧食作物，最后為林草地。其中：糧食作物主要種植在昌馬灌區(qū)，占總量的82.49%；經(jīng)濟(jì)作物主要種植在昌馬灌區(qū)和雙塔灌區(qū)，占總量的47.87%和43.44%；林草地在昌馬灌區(qū)、雙塔灌區(qū)、花海灌區(qū)種植占比均值分別為61.82%、30.22%和8.30%。在糧食作物中，三大灌區(qū)均以小麥和玉米為主要作物；在經(jīng)濟(jì)作物中，雙塔灌區(qū)以瓜菜和棉花為主導(dǎo)作物，兩者之和超過(guò)90%，其中棉花的占比均超過(guò)70%，昌馬和花海灌區(qū)經(jīng)濟(jì)作物以大麥、瓜菜、孜然、棉花和其它為主，其它類中主要包含食葵、洋蔥、茴香、枸杞、花卉、藥材等品種。

按照水資源總量分配情況和作物種植結(jié)構(gòu)，疏勒河流域農(nóng)業(yè)用水占總用水量的約90%左右，灌區(qū)內(nèi)種植作物多以高耗水作物為主，并且水分利用效率、綜合效益均比較低，嚴(yán)重制約了灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展和水分效益提升。因此，為了改變畸形的用水結(jié)構(gòu)和流域生態(tài)惡化局面，亟需開(kāi)展基于水資源分配的作物種植結(jié)構(gòu)模型優(yōu)化研究，調(diào)整流域內(nèi)現(xiàn)狀種植結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展，將一定的水資源合理地分配到各種作物之間，使灌區(qū)獲得最大效益是灌溉管理者目前研究的主要課題之一。

2 構(gòu)建種植結(jié)構(gòu)模型

2.1 建立目標(biāo)函數(shù)

本次研究所建立的種植結(jié)構(gòu)模型，基于水資源優(yōu)化配置，以保證灌區(qū)糧食產(chǎn)量、生態(tài)平衡及經(jīng)濟(jì)效益最大化為目標(biāo)，綜合考慮了經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)效益[3- 6]，目標(biāo)函數(shù)為：

(1)

約束條件：

式中，N—選入目標(biāo)函數(shù)中的種植作物種類；Aj—第j種糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物的種植面積，畝；pj—第j種糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物產(chǎn)品的單價(jià)，元/kg；yj—第j種糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物灌溉條件下產(chǎn)量，kg/畝；Yjsp—根據(jù)社會(huì)人口、經(jīng)濟(jì)條件和人民生活水平而設(shè)定的灌區(qū)糧食產(chǎn)量閾值，kg。A3—林草地的種植面積，畝；A3sp—保障生態(tài)系統(tǒng)平衡而設(shè)定的林草地種植面積閾值，畝。

2.2 確定模型參數(shù)

2.2.1 決策變量

根據(jù)種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型目標(biāo)函數(shù)，模型的決策變量為糧食作物、經(jīng)濟(jì)作物和林草地的種植面積，模型函數(shù)中還包括糧食作物產(chǎn)量閾值、林草地種植面積閾值、疏勒河流域種植總面積閾值等參數(shù)[7- 8]，見(jiàn)表1。

表1 疏勒河流域種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化決策變量(一)

當(dāng)優(yōu)化模型以糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物的子類種植面積作為優(yōu)化目的時(shí)，決策變量由選定的作物種類決定，疏勒河流域現(xiàn)狀糧食作物主要以小麥和玉米為主，被調(diào)查的經(jīng)濟(jì)作物包括油料、啤酒大麥、籽瓜、啤酒花、甜菜、瓜菜、果園、棉花、孜然和其他，根據(jù)前面對(duì)疏勒河主要作物的綜合篩選，經(jīng)濟(jì)作物主要以棉花、蜜瓜、洋蔥等為主。見(jiàn)表2。

2.2.2 閾值等參數(shù)確定

根據(jù)疏勒河流域2006—2016年糧食作物產(chǎn)量、草地種植面積和總種植面積調(diào)查數(shù)據(jù)資料，分別對(duì)并進(jìn)行甄別篩選，修正數(shù)據(jù)之后繪制繪制了疏勒河流域2006—2016各參數(shù)數(shù)據(jù)圖，如圖1—3所示。

表2 疏勒河流域種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化決策變量(二)

圖1 疏勒河糧食作物產(chǎn)量/萬(wàn)kg

圖2 疏勒河林草地種植面積/萬(wàn)畝

圖3 疏勒河種植面積/萬(wàn)畝

根據(jù)圖1—3中數(shù)據(jù)趨勢(shì)可知近年來(lái)糧食作物產(chǎn)量、林草地面積和種植總面積呈現(xiàn)出一定的趨勢(shì)，并有一定相關(guān)性。為保障灌區(qū)糧食產(chǎn)量和生態(tài)平衡，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)糧食安全和社會(huì)穩(wěn)定，在種植結(jié)構(gòu)調(diào)整中應(yīng)設(shè)定相應(yīng)閾值，從圖中數(shù)據(jù)資料信息可知，可將糧食作物閾值設(shè)定為最小值Yjsp=8000萬(wàn)kg和多年均值9737萬(wàn)kg，林草地種植面積閾值A(chǔ)3sp閾值設(shè)定為多年均值，即A3sp=13.00萬(wàn)畝，疏勒河流域種植面積圖中數(shù)據(jù)趨勢(shì)可知近年來(lái)總體平穩(wěn)，即A=130萬(wàn)畝。

3 模型優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析

3.1 優(yōu)化模型

在確定了優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)、約束條件和相關(guān)參數(shù)之后，可知決定優(yōu)化模型最終結(jié)果的是畝均產(chǎn)量和市場(chǎng)價(jià)格，本次優(yōu)化通過(guò)對(duì)作物產(chǎn)量和市場(chǎng)價(jià)格的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并結(jié)合上節(jié)約束條件和相關(guān)參數(shù)進(jìn)行模型優(yōu)化設(shè)計(jì)，如圖4—7所示。

圖4 疏勒河糧食作物畝均產(chǎn)量/kg

圖5 疏勒河糧食作物平均價(jià)格/(元/kg)

圖6 疏勒河經(jīng)濟(jì)作物畝均產(chǎn)量/kg

圖7 疏勒河經(jīng)濟(jì)作物平均價(jià)格/(元/kg)

根據(jù)上述圖標(biāo)分析，以畝均產(chǎn)量和平均價(jià)格作為變化因子，設(shè)定模型優(yōu)化方案。根據(jù)糧食、經(jīng)濟(jì)作物產(chǎn)量曲線可知，產(chǎn)量變幅整體呈現(xiàn)較小且增長(zhǎng)趨勢(shì)，因此選定2012年為現(xiàn)狀年，在現(xiàn)狀年的基礎(chǔ)上認(rèn)為產(chǎn)量仍然呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，近期2015年產(chǎn)量增加以5%計(jì)算，遠(yuǎn)期2020年產(chǎn)量增加以10%計(jì)算。根據(jù)糧食、經(jīng)濟(jì)作物平均價(jià)格的曲線趨勢(shì)和現(xiàn)狀分析可知，平均價(jià)格的波動(dòng)較大，且整體呈現(xiàn)出周期趨勢(shì)，因此以2009—2013年五年內(nèi)的最大和最小值代表現(xiàn)狀可能會(huì)出現(xiàn)的市場(chǎng)價(jià)格極值，未來(lái)的平均價(jià)格范圍為現(xiàn)狀極值的110%，并對(duì)糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物的價(jià)格極值進(jìn)行組合，共生成四種未來(lái)可能的市場(chǎng)平均價(jià)格，見(jiàn)表3—4。

表3 產(chǎn)量預(yù)測(cè)方案

表4 平均價(jià)格預(yù)測(cè)方案

3.2 模型優(yōu)化分析

根據(jù)產(chǎn)量和平均價(jià)格的未來(lái)預(yù)測(cè)變化，并以Yjsp=8000萬(wàn)kg和9737萬(wàn)kg，A3sp=13.00萬(wàn)畝，A=130萬(wàn)畝，共可設(shè)計(jì)16組優(yōu)化方案，對(duì)優(yōu)化模型和擬定預(yù)測(cè)方案利用規(guī)劃求解算法進(jìn)行求解，得到種植面積和總產(chǎn)值，并對(duì)方案優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié)，給出產(chǎn)量和價(jià)格變化情況下的疏勒河流域種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。

根據(jù)糧食產(chǎn)量閾值選擇的不同可以分為兩個(gè)情景：

情景一：Yjsp=8000萬(wàn)kg，A3sp=13.00萬(wàn)畝，A=130萬(wàn)畝；

情景二：Yjsp=9737萬(wàn)kg，A3sp=13.00萬(wàn)畝，A=130萬(wàn)畝。

在上述兩情景下，得出的各方案優(yōu)化后產(chǎn)值結(jié)果見(jiàn)表5—6。

表5 情景一下各優(yōu)化模型方案產(chǎn)值單位：億元

表6 情景二下各優(yōu)化模型方案產(chǎn)值單位：億元

根據(jù)上節(jié)產(chǎn)量及價(jià)格預(yù)測(cè)方案可以得到畝均產(chǎn)值預(yù)測(cè)方案，見(jiàn)表7，由表中數(shù)據(jù)可知，在不同方案設(shè)計(jì)下糧食作物的畝均產(chǎn)值均小于經(jīng)濟(jì)作物的畝均產(chǎn)值，因此在以總產(chǎn)值最大為目標(biāo)的優(yōu)化方案設(shè)計(jì)和計(jì)算過(guò)程中，計(jì)算結(jié)果由畝均產(chǎn)值作為約束條件來(lái)決定。

表7 畝均產(chǎn)值預(yù)測(cè)方案 單位：元/畝

根據(jù)對(duì)優(yōu)化計(jì)算結(jié)果的分析總結(jié)可知，優(yōu)化結(jié)果根據(jù)糧食畝均產(chǎn)量和糧食產(chǎn)量閾值組合可以分為4類(此時(shí)A3sp=13.00萬(wàn)畝，A=130萬(wàn)畝)，見(jiàn)表8。

表8 畝均產(chǎn)量與產(chǎn)量閾值組合方案

根據(jù)對(duì)上述4種方案的總結(jié)，最終得到的種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果，見(jiàn)表9。

表9 2015年種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果表單位：萬(wàn)畝

從表9的計(jì)算結(jié)果可知，糧食作物的種植面積約占13%～16%，經(jīng)濟(jì)作物的種植面積占總面積的74%～77%，林草地的種植面積在約束條件的邊界達(dá)到，占總種植面積的10%。糧食作物、經(jīng)濟(jì)作物和林草地的種植面積由糧食作物的畝均產(chǎn)量和糧食產(chǎn)量的閾值確定。由于經(jīng)濟(jì)作物的畝均產(chǎn)值高于糧食作物的畝均產(chǎn)值，因此經(jīng)濟(jì)作物仍然是疏勒河流域的主導(dǎo)作物，通過(guò)培育新品種，改善種植方式等提高糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物的畝均產(chǎn)量，對(duì)于保障疏勒河糧食安全、提高流域農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值及保障生態(tài)安全具有重要意義。

4 結(jié)論與討論

本文基于水資源合理分配，開(kāi)展了農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案研究，以糧食畝均產(chǎn)量和糧食、經(jīng)濟(jì)作物單價(jià)作為變量進(jìn)行模型優(yōu)化計(jì)算，結(jié)果顯示產(chǎn)值總量由市場(chǎng)價(jià)格和畝均產(chǎn)量共同決定，但市場(chǎng)價(jià)格作用更為明顯，并且優(yōu)化結(jié)果與糧食作物畝均產(chǎn)量、糧食作物產(chǎn)量和林草地種植面積閾值有關(guān)，且最優(yōu)解均為滿足約束條件邊界處，且計(jì)算分析，糧食作物種植面積應(yīng)占13%～16%，經(jīng)濟(jì)作物的種植面積占總面積的74%～77%，林草地的種植面積占總種植面積的10%，這個(gè)種植比例既能保證水資源合理分配，又能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量總值最大化。目前，灌區(qū)作物種植面積和種類在很大程度上受主客觀因素的影響，在一定程度上還不能按照優(yōu)化模型來(lái)生產(chǎn)，所有還需要進(jìn)一步調(diào)查，形成更加易于推廣的模型研究。