（农业水土工程专业论文）灌区节水高效灌溉实时决策研究.pdf

灌区节水高效灌溉实时决策研究 摘要 本文主要针对我国北方地区水资源紧缺，灌溉用水匮乏的现状，从支持 灌区管理科学决镶的角度出发，研究灌区实时优化配水的问题。针对我国目 前本研究领域的薄弱环节，在学习和吸收以往对于作物非充分灌溉理论、灌 区水资源优化调度、实时优化配水等方面的众多专家的宝贵知识和经验的基 础上，应用系统优化等理论，利用先进的计算机技术与决策支持系统相结合， 建立相关的知识库，将水利专家的经验、农业专家的知识和计算机技术综 合，研制了通用性较强的决策支持系统软件。在决策支持系统模型库中主要 开发了作物水分生产函数推求、灌区有限水量优化分配计算、作物生育期水 分实时优化分配计算等模型。 目前，我国处于传统农业向现代农业转变的时期，农业科技的总体水平 还较低。灌区节水高效灌溉实时决策支持系统的研究，将对我国北方缺水地 区合理确定灌区类型，为农业水资源的科学管理与优化调配提供科学的决策 依据与决策方案。这对于普及、推广节水型的灌溉农业，将起到推动作用， 对提高劳动者素质、推动农业生产发展和实现农业现代化，将产生重大影响， 对于提高灌区综合灌溉管理水平具有重要的应用价值。 本文把所编制的决策支持系统软件应用于渠村灌区，得到了很好的效 果，系统具有很好的可靠性和稳定性。 关键词高效灌溉，动态规划，优化配水，实时修正，决策支持 r e a l - t i m ei r l i g a t i o nd s si ni r r i g a t i o na r e a a b s t r a c t 1 1 h et h e s i sm a i n l ya i m sa tt h ea c t u a l i t yt h a tw a t e rr e s o u r c ei si ns h o r ta r l di 晡g a t i o nw a t e r i sp i n c hi nn o n hc h i i l a ，矗o m 也ev i e w p o i mo fs u p p o n i n gs c i e n t i d e c i s i o na b o mh i g 撕0 n a 唧m a n a g e m e n t ，s t u d i e st h ep r o b l e n l st 1 1 a tr e a l t i m eo p t i m a ld i s t r i b u t i n g 、v a t e ln o wa i m i n g a tu 1 1 s u b s t a n t i a lt a c h ei nt h i sr e s e a r c hf i e l di no u rc o u n t r y ，o nt h eb a s i so fs t u d y i n ga n d a b s o r b i n gv 啦u a b l ek n o w 王e 趣e 鞠de x p e e n c eo fe x p e r t sa b o u te v a p o n 毽n s p i r a t i o nd e f i c i t i 戚g a t i o n 如e o 劬o p t i m a la 圭l o 札i 壬l go fi r r i g a t i o n a r e aw a t e rr e s o u r c e s ，r e a l w 蛙】啦eo p t i m a l d i s 衄b “n g 、v a t e re t c ，a p p l y i n gs y s t e mo p t i m i z a t i o nt l l e o r i e s ，c o m b i m n gc o m p u t e rt e c h n o l o g y 硒md s s ，b u i l dr e l 蹴d 妇。埘e d g ed a t a b a s e ，a n de o m b i i l i n ge x p e r i e n c eo fw a t e r c o n s e w a n c ye x p e n s ，k n o w l e d g eo fa g r i e u l n 聃s c i e n c ea i l dt e c h n o l o g ys p e c i 对i s t sw i t h c o m p u t e rt e c h n o l o g y ，e x c o g i t a t em o r ec o m m o nd s ss o n o nt h eb a s eo fd s s ，m a i n l y e m p o l d e r s e v e 糟lm o d e l s，i n c i u d i n gt h ea s c e r t a i n m e n to ft h e c r o p 、v a t e rp r o d u c t 觚t i ，攮e 印t i m a ld i s 拄i b u t i n gc a l e u l a t i n g 嘏l i m i t e dw a 托贯r e s o l 聃e sm 确g a t i o na r e a ， r c a l t i m e 印t i m a ld i s t r i b u t i n gc a l c 试a t i n ga tc r o pg r o w ms t a g ee t c a tp r 。s e n ，o wc o h n 打y 括融h ep 鲥o d 如a tm o d e ma g 西c u j m r ei s 挑嫩s 您m 娃n g ! 孢m t r a d i t i o n a la 酣e 斑t l l r e ，t kl e v e lo fa 酾c l l l 包r es c i c n c ea n dt e c h n o l o g yi ss t i l ll o m tt h e 咖d y o fo p t i m a ls e l e c t i o no fi r r i g a t i o nm o d e la n dr e a l - t i m ei r r i g a t i o nd s si ni “i g a l i o na r e aw i l l p r o v i d es c i e n t 谊cd e c i s i o nb a s i s dd e s i g ns c h e m ef o rr e a s o n a b l ya s e e n a i n i n gt l e 娜eo f i 撑谵越i o na r e a ，c o r 豫c t l ys e l e c t i n gm ei 喇g a t i o nm o d e l a 珏ds c i e n t 浓cm a n a g e m e n ta n d o p t i m a l a l l o 魄培o fa 鲥c u l t u r e 嘣e rr e s o m c e si nn o n hc h m a t h a tw i l l b eu 唱i n g 缸l c t i o nf o r p 婶u l 蕊z i n ga n de x t 。n d i 堇l gw 融e rs a v i n g 诚g a t i o n 鹋r i c d ，a n db 五n gi m p o r 妇n i n f l u e e f o ri m p r o v i n gd i a t h e s i so f1 a b o r 鹄p r o 啦。畦n gd e v e l o p m e n to fa g 畦c u l 姐a la c t i v i t ya n d f c a l i z i n ga g f i e u l t u r mm o d 锄i z a t i o n 1 h e r ew i l lb ei m p o r t a n ta p p l i c a t i o nc o s tf o ri m p r o v i n g c o m p 溅e | l s i v e 珧躺a g e m e n ti e v e lo f 撕g a t i o n a r e a 瓢ed d ss o f 、v a f ed e s i g n c dw a s8 p p l i c di nt h cq u c u ni r r i g a t i o na r c 8 ，躺d 壕ee c tw a s w e l l ，w h i c he o n f i n n 也破i ti sd e p e n d 曲l ea n ds 切b l e 。 k 蹿w o r d s ：h i g h 。缳c i e h c yi 盯g a t i o n ，d y n 鑫m i cp f o g 掰拽m i n g ，o p t i m a ld i s 蜮b u t i n gw a l e r ， r e a l t i m ec o r r e c t i o n ，d e c s i o n m a k i n gs 啦) p o 难 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包括其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 学位论文作者( 签字) ：椰仓 咿6 年f 只p b 华北水利水电学院硕士学位论文 l 绪论 1 论文选题背景及研究的目的意义 1 选题背景 水是一切生命过程中不可替代匏基本要素，穗是维系国民经济和社会发袋的重要基 础资源。节约用水，既是关系人口、资源、环境可持续发展的长远战略，也是当前经济 和社会发展的一项紧迫任务。十五届三中全会指出：要制定促进节水的政策，大力发展 节冰农业，把捺广节水灌溉作为一项革命性的措施来抓，大幅痰提高水的嗣蠲率，努力 扩大农嬲有效灌溉殛积。这是由我潮水土资源短缺和农业严重干旱缺水的基本国情决定 的。 我国是世界上1 3 个贫水国家之一，人均水资源占有量仅2 3 0 0 1 3 ，不足世界入均水 平的l 4 ，屠世界第1 0 9 位；每公顷平均水资源占有量2 7 0 0 0m 3 ，只有世界每公顷平均 水平的2 3 。水资源在时空上分布很不均匀，南多北少，东多西少，夏秋多，冬脊少， 农渡的季节性、区域性干旱缺水问题十分突出。部分地区地表水资源不足导致地下永超 采，全国区域性地下承降落漏斗面积己达8 。2 1 0 4k m 2 。按现状用水景统计，全国中等 干早年缺水量为3 5 8 1 0 9 m 3 ，其中农业灌溉缺水3 0 0 1 0 9 m 3 。水资源的短缺已成为制 约国民经济和社会发展的瓶颈“”。 我匿l e 方地区麦于特定豹遍理位置、气候条件造成了水资源不足，多发性于翠一直 是阻碍这一地区农业生产持续发展的主要因素。我国作为一个人口大国、农业大豳，粮 食生产的任务十分巨大。农业是用水大户，目前我国农业水资源利用量约占总水资源利 用量豹7 3 左右，因此农韭用永研究显褥龙为重要。大力发展节承型农业，进一步提高 粮食单产量，是解决这一问题的主要途径。 随着国民经济的发展及人口的增长，对水的需求不断增加，水的供求矛盾日蘸突出。 近年来对永闺隧的研究越来越缮到人们豹重视。糖着区域社会经济的发展，人们对生态 发展、环境保护意识的增强，生态、环境用水也将目益增多。生态用水、景观用水、工 业用水、城乡仪水和农业用水间的矛盾势必加剧，农业用水面临目益严峻的挑战。因此 发展节永农业，一方西是为了农监持续发展的自身需要，另一方面可以挤溉更多的水量 支持工业和城市化的发展，这也是世界各国在用水量上重新分配的一个必然趋势1 。 华北水利水电学院硕士学位论文 我国一方面水资源短缺，另一方面农业用水浪费现象严重。目前，我国灌溉水利用 率平均仅为o ，4 5 左右，与发达国家相比，差距很大，但同时也说明我国农业节水潜力很 大。水量损失还往往引起灌区地下水位升高，土壤赫碱渍害，导致农业减产，恶化灌区 生态环境。采用节水灌溉管理技术，对缓解我国水资源供需矛盾将起到积极的作用。为 此，实施节水型的灌溉农业，已成为事关我国农业可持续发展乃至国民经济发展的一项 战略性的根本大事“。 自计算机问世以来，计算机技术以其独有的态势发展起来，几乎超越了其他任何科 学技术的发展速度，并在广泛的领域里起到了带动作用，促进了整个科学技术的发展。 计算机的高速运算功能使大量繁重的计算工作变的轻松而快捷，极大提高了科学计算的 速度和准确性。特别是2 0 世纪9 0 年代以来，计算机技术呈现了迅猛发展的势头。它对 农业的科技化发展亦起到了不可忽视的作用。计算机主要应用于数值计算、数据库与信 息管理、计算机辅助设计、计算机控制与遥测等方面。但从计算机的全部功能来说，在 灌溉管理方面还尚未能得到充分应用“。近几年随着可视化语言的发展，面向对象 技术的不断提高，灌溉管理中的应用也逐步展开。例如，有一些针对特定灌区、特定条 件而研制的灌区管理决策支持系统等；利用计算机进行节水灌溉管理决策专家系统的研 究等。计算机的应用，以及相应具有智能推理功能的决策支持系统的出现，为灌溉系统 更有效的评价开辟了广阔的前景。但是，目前这些系统有的仅仅只是管理而言，谈不上 真正的宏观规划和智能决策支持；另外，现有的灌区实时灌溉系统方面的软件在实用性 上还有待完善和提高。 针对上述问题，本论文进行“灌区节水高效灌溉实时决策研究”理论探讨以及相应 软件的开发与完善。 1 1 2 研究的目的和意义 国际公认，农业节水潜力5 0 在管理，可见提高灌区管理水平对搞好我国农业节水 工作具有重要意义。 将先进的水资源系统优化和作物非充分灌溉理论，模拟技术结合起来，建立具有交 互功能的灌区节水高效灌溉实时自修正的决策系统，可利用已有专家、学者的宝贵经验 和综合当代先进的科学理论，制定科学、合理、易操作的灌溉模式和制度。可显著提高 灌区水资源调度及灌溉管理水平，提高水资源的有效利用率和灌溉效益，改善农业生态 环境，其研究成果可在北方平原地区不同类型灌区推广应用。 近年来，各国都致力于发展节水型农业，提高农业用水的效率。我国，党中央、国 肇就承利承电学院硕士学位论文 务院、地方各级政府对节水工作郝给予了相当的重视。党的十五大提出我国在2 1 世纪 “要把农业节水当作一场革命来抓”。灌溉水资源优化管理怒农业节水的重要研究工佟 之一。近年来我国在j 毙方面也有一些研究成果，但绝大部分仅限于应用系统工程理论进 行水资源优化调度。姐多以单项研究为主。在灌区灌溉管理、水资源高效利用方面，国 外尤其怒以色歹0 和欧荚等发达羽家均有不少成泶，但由于自然条件、经济水平和管理体 蒂等诸多方面的较大差异，其成果对我国是不完全适用的。箍我国目前仅开展了以信息 管理系统和灌溉制度设计为主的研究，其存在的问题是：单项研究多，综合研究少，各 转技零的综合更少。 将计算机技术和软科学技术应用蓟节水灌溉工程的规划、设计及管理工作中，将取 得投资少、效益大、工程运行科学合理，事半功倍的效果。 河南省是水资源短缺地区，人均永资源量约3 0 0m 3 ，仅相当与全国水资源平均数蚋 1 7 左右。但目前承资源浪费现苏仍很严重，懿前引黄灌区水资源有效利用率仅为o 4 5 左右，井灌区灌溉水资源有效利用率也仅为o 6 。0 7 ，该数字说明我省农业灌溉水资源的 节水涛力还很大。强前水资源浪费的主要原因霄涎个方面，一是工程设施建设标准低、 工程设施老化。二是管理水平低下。 针对以上问题，从支持灌区管理科学决策的角度出发，本论文采用模拟技术、系统 工程理论与专业知识紧密结合的方法，磅翻理论先进、实溺瞧强、易于操传豹灌溉管理 软件，以弥补目前水资源配置，联合调控中存在的反映复杂的系统困难，误差大，应用 效果差簿问题。为我省灌溉管理水平上台阶，提高灌溉管理工作中的科技宙量做出贡献。 为未来实瑰灌溉自动化，逐步囱穗准农业、精准灌溉的方翔发展打下基姻。 1 2 相关领域研究现状 本论文研究的最终嚣标是研制密“灌区节永高效灌溉实时决策支持系统”。开发领 域管理系统，首先需要大量先进的对应研究领域的专业基础理论和最新研究成果做理论 支撑。在本研究中，除涉及灌区灌溉管理软件研究领域外，还涉及到灌区优化配水等专 、韭研究领域。现对本论文拟涉及的主要研究领域研究现状及荐在的瓣题进行概述e 1 2 1 灌区实时优化灌溉研究现状 非充分灌溉优化配水技术一蠹有很多专家从事着这方丽研究。非充分灌溉条件下农 掣量载衣和术电学院联士学位论文 作物间的最优水量分配，包括农作物的经济灌溉定额、最优灌溉制度、最优种植比例， 农作物间灌溉永量最优分配，灌溉渠系最优分配及地区间灌溉水量调配等问题。 目前较多是采罔线性规划模型( l p ) 求解一定水量在作物之问分配比铡最佳问躐。 而对于己定种植比例，作物全生长期及生长期的各个阶段的水量优化问蹶，常以阶段水 分生产函数为依据，利用大系统优化技术，采用d p 或聚合l p d p 模型求解。 k u m a r 和 强e p a r ( 1 9 8 0 年) ，将作物全生育期水分生产函数分为若干段，然后采罔 可分规划技术，用l p 模型求解了作物最优布局问题；1 9 8 9 年，姚崇仁提出了一个l p 模型，用于求勰限额供水对，在不同灌水定额时作物最优灌溉面积问题 1 9 9 2 年，r a u m a n 和m o b a n 开发了一个干旱管理专家系统。该系统模型麾中 扭采用了l p 模型用于撤据历 史干旱经验及对于未来的干旱预测，确定缺水条件下的最优作物布局；1 9 9 6 年，d e j u a i l 在水分生产函数中考虑灌水均匀发对产量的影响，以此为熬础用l p 模型求解了最优作 物布局；1 9 9 3 年，a l i x a d e h 提出了一个一定水量下求像物最优种植灏积的n l p 模型， 用于确定不同效益费用比时某种作物的最优种植面积”1 。 曾赛鬓帮夺寿声( 1 9 9 1 年) ，用t p d p 模越对井渠缝合灌区优化灌水技术进行了研 究。衣第二层l p 模型中，同时考虑了地蕊水鄹地下水备时段( 月) 在务子系统( 作物) 之阅的协调分配；嶷宏源等( 1 9 9 1 年) ，用n l p d p 模型求解了多作物阎水量忧化分 配问题；v e d u l a 和l ( 馘1 8 r ( 1 9 9 6 年) ，考虑来水的随枫性，提出了一个求解灌水最最优 分配豹l p s d p 模型。其中水麾库褰、季内入流爨被处理必随机变量。由于采用了l p 或d l p 模型，不足之处在予当灌水量与灌溉效益关系为非线性时l p 模型无法应用，或 难于恕以连续变量表示的模型所褥缩果应耀予实际农羽布置和它的灌溉设施。为此r a o 等人( 1 9 9 0 ) 、郭宗楼( 1 9 9 4 ) 及崔远来等( 1 9 9 7 ，1 9 9 9 ) 都用d p d p 模疆求熬了这 一模型“。 榱建新、谷红梅臼1 ( 2 0 年) ，采用动态规划方法进行了已定种植结构下，作物水 最优化分嚣己及渠系实时灌溉酌研究，并研制了相应豹软件程序。 徐建新鑫雪梅沈晋等n ”，针对北方水资源短缺妁特点，在一定农铭物静檀比铡条 牛下。将有限水资源分嚣绘各零中作物，进行非充分灌溉，使有效水资源发挥最大效蘸e 并以模拟技术为手段，以控制作物不同生裔期壤最 氐含水率为方法，结合潜水的随搬 性，进行灌区优化酝水过程设计及可实施自修正韵灌溉决策软j 牛磅青4 。 张疑羽等( 1 9 9 3 年) ，认识到各阶段灌水鲞对产量影响模糊性，将摸糊动态髋划技 4 华北水剥水电学院顼士学位论文 术应用于非充分灌溉制度的设计。其中某阶段及其以前灌水量之和为模糊状态变量，各 生育阶段灌水量为模糊决策交量；同年张展器等基于m o r g a n 模型，用二维动态规划模 型求解了冬小麦灌溉制度。 武汉水利电力大学李远华、崔远来等( 1 9 9 4 至1 9 9 5 年) ，以水稻非充分灌溉的试验 资料为基础，分析了适用于我国北方中稻的水分生产函数模登，提出了应用中稻水分生 产函数在水源不足条件下水稻优化灌溉制度设计方法。1 9 9 9 年，又将降雨视为随机变量， 用隧机动态规划模型求解了稻田非充分灌溉的最优灌溉制度。与以往模型相比，其主要 改进为模型基于水分敏感指数累积函数，求待了以旬为时段的敏感指数僖，使优化配水 适合短期配水的要求“7 “1 。 综观以土研究成果，在我翻，优化配水过程还仅仅局限于研究确定环境条 牛下的优 化问题，考虑随机因子，进行实时灌溉修正的研究尚不多觅。而利用计算枫开发可视仡 优化配水软件进行灌区有限水资源的优化分配的成累也不多，现有的能够进行实时优化 灌溉的计算软件还有很大的局限性和不完善的撼方。 1 2 2 灌溉决策支持系统研究现状 决策支持系统d s s 是在管理信惠系统( m a n a g e m e ml n 向h n a 蛀o ns y s t e m 篱称m i s ) 基石出上发展起来的。最早于7 0 年代初由美国m s s o c tm o n o n 教授在管理决策系统 文中营先提出决策支持系统的概念。 我国开始对d s s 的研究是在8 0 年代中期。在d s s 发展初期，由于模翟系统这一新 概念。使得d s s 的研究受到一定的阻碍，d s s 发展较缓慢，直到8 0 年代末才逐渐有较 好的研究成果出现。最近几年，我国已经进入怼d s s 深入广泛磺究阶段。 近年来，专家系统( e s ) 等技术开始应用予决策支持系统，即所谓智能决策支持系 统( h 她l l i g e n td e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m 简称i d s s ) 。专家系统和决策支持系统几乎建同 时兴超，各自沿着自己的道路发展起来煞，他们都能起到辅助决策的作用，但辅助决策 的方式不同。把这两者结合起来，辅助决策的效果将会大大改善，达蓟定性辅助和定量 辅助决策榴结合。这种专家系统和决策支持系统的结合形成的系统称为智能决策支持系 统。它是决策支持系统的发展方向“叫”1 。 随羞科学技术的发展，计算机在各个领域应用的普及，自8 0 年代队来，决策支持 系统在灌溉系统管理方面逐步开始应用“8 ”北”。近几年在国内进行此方瑶的磺究主要有 华北水利水电学院硕士学位论文 些灌区管理的专家系统软4 孛和一些针对特定灌区、特定条件丽研制的灌区管理决策支 持系统软件。 王德次札”( 1 9 9 7 年) 初步进行了“节水灌溉综台评价决策专家系统”方丽的研究， 并采用了t m b o p r o l o g 与t u r b o c 语言，混合编稷，研制了w s i p e s 系统软件。 汪志农“”( 2 0 0 0 年) 在节水灌溉管理决策专家系统研究中，采糟雄风3 1 专家系统 开发工其结合生产实际，分别建立了灌溉预报与节水灌溉决策、灌溉管理体制改革和山 鹾旱情决策等3 令专家系统，取得了良好的社会效益。 谷红梅”1 ( 1 9 9 9 年) 采用专家系统进行了灌医灌水技术选择方面的初步研究。 徐建新”( 2 0 0 0 年) ，采用b o r l a l l d d e l p h i 3 o 编程语言，并外挂f o n r a n p o r e rs t a t i o n 语言写始计算模块，进行医域水资源舰划及灌区节承增产灌溉专家系统研制。 宋松柏“( 2 0 0 0 年) 研制了内蒙古河套灌区灌排信息管理次策支持系统。 中国灌溉摊水技术开发培训中心吉晔“2 1 等( 2 0 0 0 年) ，建立了“大型灌区管理信息 系统”，主要为有关部f 及对了解大型灌医工程及管理现状服务，具有基本的数据库维 护功能及对灌区信息动态查询排序、统计分析功能，并以多种形式输出信怠。 夏继红、周明耀”等( 2 0 0 1 年) 结合江苏省锡山市安镇农田灌溉管理的具体情况 研制了农田灌溉凌策支持系统，系统根据采集的壤墒情、作物犁情、水源本情等信息， 进彳亍计算、分析、决策，做出灌溉预报，确定出灌水时间和灌水量，利用决策结果对灌 溉设各进行自动数控与媳测。 上甯周平”日( 2 0 0 1 年) 在p e n m a l l 公式的基础上结合现有瑶j e 干旱区的农学知识、 模型及经验进行系统集成，建立了旱地作物需水量预报决策辅助系统计算机软件，主要 为陕谣关中地区的冬小麦、夏玉米做出灌溉方案的决策咨询。 徐建新王萍隅1 ( 2 0 0 2 年) 以半结构多目标模糊优选理论为理论基础，进行了灌溉 模式选择翅能决策支持系统软件的研制，并在典型区得到了应用，取得了良好的效果。 周明耀蔡守华等“( 2 0 0 4 年) 在分丰厅灌溉用水管理主要内套秘决策流程以及确定 的系统开发原则慕础上，提出了具有系统结构合理、软件设计先进、实用性强、扩充性 能好、适应实时决策要求的灌溉用水管理决策支持系统。总体设计方案以数据库和知识 庠作为信息基础，以模型库作为管理决策的重要支撑手段，针对以上三库相互之间在概 念和结构上存在交叉，在运行中存在数据流交换的特点，建立总控系统。通避多组件之 阍的接口集成整个决策支持系统，实现信息查询、灌水预报、水量分配等功能。 6 肇北水v 剩水电学豌颈士学位避文 郑世宗( 2 0 0 0 年5 月) 以山西省霍泉灌区为示范医，在建立灌区实时信息系统 的基础上，运焉计算执模拟和系统分析技术，对灌区的各级渠道的实聪硝承计划作出决 策，以达到节水的嗣的。并初步建立了灌溉用水决策支持系统框架。 贾金生“1 ( 1 9 9 9 年) “农网用水动态管理决策支持系统”针对目前农业水资源短缺， 藜水资源利用率不簿的现实，以非灌溉原理、运筹学和预测学等为理论基础，结合计算 机技术、决策支持系统等方法解决农田用水管理问题的产物。 焦艳平“”( 1 9 9 9 年) “灌区灌溉用水优化利用决策支持系统”针对中国干旱、半干 旱地区水资源紧缺，灌溉用术匮乏的现状，开发的灌溉用水管理软件。该系统应用数学 分析、数学规划等方法，并与决策支持系统稽结合，旨在为农暖水利工作者进行科研生 产提供决策支持，合理实施非充分灌溉，实现滋溉用水的优化利用。在模型库中着重开 发了水分生产函数分析计算、大系统分解协调优化分配供水嶷、确定经济合理灌溉定额、 非充分灌溉优化灌水预报、灌溉制度模拟等五种模型。其中论文主要对厩四种模型进行 了介绍。 蹬军仓”1 ( 1 9 9 8 年) “干旱地区节永灌溉及扬水灌区灌溉调配智能决策支持系统” 采用非充分灌溉、回归通用旋转设计等多种灌溉试验方法、以水资源系统工程优化技术、 数据库技术、专家系统及决策支持系统为手段，以宁夏固海扬水灌区为例，对干旱地区 豹节永滋溉及扬本灌区灌溉调酝进行了系统研究。 刘玉春“”( 1 9 9 7 年) “农业水资源优化分配决策支持系统的开发应用”，模型库着 重开发了水资源供需分析、作物水分生产函数分析和农业水资源优化分配三种模型。并 毅望郝瀵溉试验菇葶瑟最荽实测资料进学分辑，检测a 帆o a d s s 性能。 以上研究成果较多，但从整体上讲，多以理论性、探索性或专家咨询性研究成果为 主。且多数研究成果都尚不完善，真正在生产中实用，通用性较强，实用灵活，得到举 专业同行一致认可，且应用篱便，达到商业纯应用的程痔软件豹研究成粟尚未见掇道。 可以说到目前为止，我国农业灌溉管理决策支持系统方面的研究尚处于探索研究阶段a 。3 论文主要磺究疼容及技术路线 1 3 1 主簧研究内容 灌送节农离效 蓑溉实爵决策研究内容主要为：首先建立作扬非充分灌溉条传下水分 生产函数及不同作物间、单一作物不同生育时段间优化配水模型。然后针对季节性来水 7 一一 兰! ! 查型垄鱼鲎茎堡圭兰焦笙兰 灌区优化水资源与实际灌溉过程性矛盾的特点进行灌区灌溉过程实时自修正研究，以水 资源的优先利用、作物计划湿润层含水量、作物阶段灌溉效益等为主要影响因素，然后 根据灌区实际来水过程，在全生长期任一时段，把适宜水量分配给各种作物，求供水过 程的满意解。各阶段的优化过程及信息管理用计算机实现，即实时灌溉软件的研制，并 把该研究应用于某灌区，得到了很好的效果。系统软件总体模块结构见图1 1 ；论文整 体结构体系见圈1 2 。 1 3 2 研究技术路线 论文从分析灌区实际情况入手，蓠先建立整体研究挺架，明确需要解决的闽题，将 闽题划分为有区别棚对独立的子阀题，然后分别研究各个子闼题，硪制予模块，最后将 予摸块协调连接建立完整的决策支持系统款4 牛。对予问题的研究也视研究问题的不网， 分层解决。 以灌区水资源总量及其分布为蔌据，在种植结构已定的情况下，利月动态规划原理 将水资源在不同 乍物阈进行分配，并以此为依据将菜一作物所分配的水量在该作物的不 同生长期内进行优化分配，然看根据实际簿丽以及灌区内水资源的实际状况进行灌区配 水过程修正，以寻求实际来水过程中的灌溉过程最优解或者满意辩。以理论研究为基础， 进行决策支持系统软 孛豹研铡，分别对子模块系统化，协调、集成一个实用性较强的决 策支持系统软仕。在系统研制双d e l p h i 7 o 软件编写系统主界面，最终实现对灌医各种 属性数据库豹添加、删除、修改等功能。 华j e 水利承电学院碗士学位论文 决策支持系统e 控模块 ( 人机交互界面) 辩i 式毖 奉情况 模块 摸型数 据管理 模块 数据输出 水资源起 多种作物 蝴优化模 块 优化绡 粜输出 根掘实际泉 水及降雨过 f 进玎实时 优化； i _ 溉 优化修1 i ： 结粜输出 决策支持系统决策成亲 剧户 圈l l 决策支持系统软伟总体模块结梅 鞘gl lt h eg e n e 翔lm o d h kc o 聃堍驵指t i o no f d e c i s i o 韩哪a k 虹gs 珏那。n 印s t e m 楣应领域研究状况概述 相应领域专业纂础理论分析、研究 水分生尹一函数理沦与求磐方法 l 实时优化醒水理论及方法 水分 生产 函数 的理 论研 究 作物 水分 生产 函数 的模 型的 及参 数根 求 i r 系统软什研制 有限 水餐 卉作 物间 优化 分配 绌台 实际 来水 降雨 进行 实时 优化 灌溉 子系统软什研静 豳1 2 研究内容结构体系 f 逅l 。2 攮e n 葑薯i | r 鑫t i o ns y s t e l no f 攮e r 蜉e a r c h 9 华北水嗣水电学院硕士学位论文 2 作物水分生成添数的建立与求解 水分是作物生长发育的主要生态与环境因豢。作物体内的水分含量极为丰富，作用 也最戈广泛，水分参加几乎掰有生物物理裙生物化学过程。作物钵外水分起着重要的环 境稳定作用。因此，水分的多少与作物生长发育的整个过程有着密切的关系，最终影响 侔物的产量。作物水分主要来自土壤水。传统灌溉的目标是在充分供水条件下，实现单 位耕地瑟积上的伟物产鳖最高。根据这一鑫标憨开展的研究、设计与管理工千# ，如作物 需水量与需水规律研究、灌溉锘度设计、灌溉用水量推算、灌溉工程规模的选定以及灌 区用水计划管理等等，郝是建立在充分灌溉原理的基础之上的。随着全球经济的离速发 展，各行各业对水的需求不断增力匿，本资源短缺已成为整赛性豹难鼹，各国农业可用农 量不断减少，受旱面积曰趋扩大。因此，在关注促进水分应用的工稷问题和灌水技术问 题的同时，应更加重视经济用水，羲力提高水分的利用效枣。 # 充分灌溉理论就是这 客观现实条件下产生的，都不但要获褥离额的擎位产量，瓣黾要获得最优豹缀济效懿。 当水量有限时，便会产生灌溉水量在彳乍物不问生育阶段或对不同作物如何分配以获得灌 溉最大经济效益的问题。现代灌溉科学已i 经开始采用灌溉经济学祁系绕工程学原理来评 价灌溉行为。作物产蕴与水分关系的微观揭示和宏观鬃化分柝仍是农业水管理的理论基 础和应用基础。 2 。1 作物水分生涡数扮基本概念 2 1 1 作物生产函数 ( 1 ) 定义 从投入与产出的观点认为，撼述作物产爨( 于甥质或籽粒产量) 与其主要影响因索 ( 或投入资源) 之间的数学关系称为生产函数，其足髓关系称为作物产量特征蟪线。虽 然影响产量( y ) 的主要因索比较多，如气镁、水分、莽分、盐分( 溶质浓度) 、品种的 遗传特性和管理水平等，它们构成复杂的函数关系，但在一定的生产条件下，总有典囊 身发展的一般兢律，经研究揭示w 用于指导生产，生产函数的般公式为 y ：= 厂( x ) x = ( x i ，x 2 ，x n ) ( 2 一1 ) 1 0 一 望j ! 查型查皇兰堕堡主兰垡堡塞 ( 2 ) 影响因素 作物生活的五大基本要素：光、热、水分、养分和空气，具有同等重要性和不可替 代性。每一要素都是作物生命活动新陈代谢所必需的，虽然需要量各有不同，但缺不 可。忽视任何一项基本要素的作用或企图用某一项要素代替其它要素的作用，都会造成 作物产出的失败。 作物基本要素之间存在着相互联系和相互制约关系，它们的交互作用促成作物高 产。某一要素的数量不足将会限制其它要素发挥作用，进而影响产量。因此在一定的生 产环境条件下，产量是由相对数量最低因素所决定的，即作物的产出水平不会超过作物 基本生活因素中处于最低限制数量的因素所允许的程度。对于干旱和半干旱地区的作物 生产，虽然温度、光照和肥力条件良好，但降水量不足，也就限制了其它因素发挥作用， 作物产量的高低在很大程度上视水分这个最低量因素的变化而产生相应的变化。据计 算，从我国东北的半干旱到西北极干旱区水资源的严重不足，只能满足光、热资源所要 求水分的5 6 5 。上述相对数量最小因素称为生产函数的限制性因素，称为增产的主 要方面，构成生产函数的重要自变量。 作物产量的形成离不开生产资源( 包括自然资源、各种物质资源和劳动资源) 的投 入，且投入数量不同，所能获得的产出量也不相同。反映这种投入与产出之间技术经济 数量关系的函数称为生产函数。由于农业生产是一个十分复杂的大系统，在投入的资源 中，有些因素( 水分、肥料、种子等) 是可以控制的，而有些因素( 如气候等) 则是无 法控制的，且它们与产量之间的因果关系也不完全清楚，所以要想构造出一个完整的生 产函数还是一件十分困难的事。因此，在科学研究与生产实践中，人们多从实用目的出 发，在研究作物与水分生产关系时，主要选择探求少数几个可控制且数量有限的，如水 分施加量与产量之间的函数关系，对于不能控制的和供应数量变化的另外一些因素，一 般视为特定条件下保持一致或固定因素，来分析研究这些自变量与产量之间的函数关 系。作物水分生产函数即属于这种类型，亦即：作物水分生产函数( 又称作物水模型) ， 就是在其它农业生产水平基本一致的前提下，仅仅描述作物生长过程中水分变化与产量 之间的技术、经济数量关系的数学模型。模型中表征水分变化的自变量有三种指标，即 灌水量、田间总供水量( 灌水量+ 有效降雨量+ 土壤储水量) 和实际蒸发量。而表征产量 变化的因变量只有一个，即产量。 华北术利水电学院硕士学位论文 2 。1 2 作物水分生产函数 ( 1 ) 定义 作物产量与水分因子之间的数学关系称为作物水分生产函数。 水分作为生产函数的自变量一般用三种指标表示：灌水量( w ) 、土壤含水量( 8 幻、 实际腾发( 蒸发蒸腾) 量( e t a ) 。表示因变量产量的指标也有三种指标：单位面积产量 ( y ) 、供水效率( a p w = r ) 、边际产量( m p w = d y ，d w ) 。 边际产量指水量变动时引起的产麓变动率，为水分生产函数的一阶倒数。从数学定 义角度可知，边际产量怒产量特征曲线上任一点的斜率。 ( 2 ) 特征 水分生产函数的特征曲线一般包括递增部分和递减部分。当水分成为y 的限制性因 素时，表示为递增函数。当水分成为非限制性因素或过量施加而造成减产时，表现为递 减函数。利用y 、k 、y w 关系，水分生产函数分为三个阶段，以分析水资源的利用 效率和适宜的限水生产范围，如图2 一l 所示 弱2 一l 作耪水分生产函数的边雾分辑 f i g2 1t h eb o u n d a r ya n 8 i y s i so f c r o p w a t e rp r o d u c t 如n c t i o n 大量的灌溉试验证明了作物产量和投入水量的关系曲线如图中上半部分所示，图中 的下半部分为供水效率、边际产艇与投入水量的关系曲线。从图中我们可以看出他们之 间的关系，存在着三个明显的变化阶段，图中在阶段1 内作物产量与投入水量的关系近 似直线，产量随投入水量的增加而增加，阶段2 内产量随投入水堂的增加也呈增加趋势， 但其增加幅度较阶段1 有明显的降低，阶段3 内作物产量随投入水量的增加而减少，水 华北承利水电学院硕士学位论文 量投入越多减产幅度越大。 另外，第一阶段中，供水效率随增加而增大。边际产量总是大于平均产量，至阶 段末，两者才相等，也就是此阶段产薰增加的幅度大于投入量渺的增加幅度。因此，只 要供水条件允许，就不应对供水量限制，瑟应戳获得最大产量为追求掰标。 第二阶段是从平均产量最高点到总产量最高点的阶段。其特点是边际产爨低于平均 产量，即产量增加幅度小于水的投入量增加幅度。因此，出现了“报酬递减规律， 水蘑投入仍可继续增高，直至边际产量为零时，产量达到最高。 第三除段为边际产量转为负值阶段，投入的水越多越减产。显然这是不合理阶段。 如果以获得最高产量为目标，则应根据第二阶段末对应的值确定灌溉供水准则， 如果以获得最高的供水效率为目标，则应根据第二阶段初对应的慎确定灌溉供水准 则。显然，这两种目标不可能同时达到。由于我国幅员辽阔，番地自然条件不同，应根 据具体情况确定灌溉供水准刚，这也是在试验基稿上确定出作物永分生产函数豹原因。 2 2 作物水分缴产函数的数学模型 在作物的生长过程中，影响农作物产爨的因素主要商：水、气、光、热、肥、作物 的晶种、赫质等。焉在干旱、半干旱地区，其产量水平主要取决于水分这个最低因素。 作物产量与水分因子之间的数学关系称为作物的水分生产函数。 作物水分生产函数所描述的生产过程可以是全生育期或作物生长发育的某个特定 的狯毅，也可隧是由分阶段缀成的全生育期，与照耀对应的模式可翔绐为两大类：是 作物产量与全生育期总蒸发蒸腾量的关系；二是作物产量与各生育阶段蒸发蒸腾量的关 系。除此之外的另一种模式，是从作物水分生理角度出发，考虑水分变化对作物生长发 育、干物质形成与积累的最总产量影响豹动态模型。 2 2 1 全生育期的作物水分生产函数模型 该函数以作物全生育期总耗水最为自变量，反映其全生育期总耗水量与产量之间的 函数关系。这种模垄是经验半经验型，可以通过对菲充分灌溉实验数据的蘧翔分车斤寒确 定，适用予全生育期总水量亏缺的宏观规划颓测和由水分亏缺造成的作物实际减产，用 华乾承利农电学貌磺士学位论文 于预测不同水分亏缺引起的减产量。 ( 1 ) 全生育期灌永量的数学模整 线挫关系：y = 8 。1b 。w( 2 2 ) 二次抛物线关系：y = a 【+ b ，w + c ；w 2( 2 3 ) 式( 2 2 ) 、( 2 3 ) 中，y 为单位面积作物产量( k g h 舻) 、w 为单位面积灌水蘸( m 3 h 群) 、 8 。、b 。、a 。、b 。、c ；为经验系数。 作物全生育期灌水量的数学模型采用灌水量作为水分的代表指标，结构简单，使用 方便，有利于从数量经济角度研究水量投入的生产效率，在宏观经济分析中得到了广泛 的应糟。然而作耪全生育期灌水量的数学模型实际隐含有作物各个生育阶段缺水域相应 灌水量具有同等有效的假定，即认为只要投入相同的灌溉定额，而不管其灌溉时间，所 获得的产出应该是相同的，但事实并非如此。同一灌溉定额在不同时间( 作物生育阶段) ， 不同分配，往往会产生不同豹产量。此稳含假设容易掩盖耱网的灌水量对不同时阔缺水 受到不同产出的影昀。另外，灌水量在羽问商一定的损失，劳a e 作物实际刹艄的水分， 在构成像物产量与水分关系中灌水薰并非最佳自变量。 ( 2 ) 作物全生育期腾发爨酌数学模溅 俸物全生育期的腾发量的数学模型主要有两张形式： 线性模型： _ y = q + 岛e 疋 ( 2 4 ) 非线性模型：y = 檀2 + 6 2 露瓦+ c 2 嚣碍 ( 2 5 ) 式中：q 、反、d 。、6 ：、c 2 为经验系数， 大量研究表明，只有在一定范围内，才随线性增热。当y 达到一定求平磊，若继 续增加就要靠其它农业接麓。因此，线饯关系一般只适用予灌溉水源不足和管理水平不 高的中低产蟾区。随着水源条件的改善和管理水平的提高，y 与的关系出现了一个鞠显 的界限值。当小于此界限值时，y 随的增加而增加，开始增加的幅度较大，然后减小； 当达到该界限僮时，产量不再增加，其后隧y 的增加而减小，因此呈现出二次抛物线关 系。 作物全生育期腾发量的数学模型类钕于作物全生育期灌承量的数学模型，键翊腾发 量替代灌水量，能较好地揭示俸物产量与水分的宏观统计关系。由于气候条件、壤类 华北水利水电学院硕士学位论文 型、作物种类和品嵇等因素的影响，故不同地区经验系数相差很大。大量研究表明，用 相对产鼙与相对腾发量的关系表示县有较好的稳定性。 h i l e r 和c l a r k 模型： k 引b 1 娟一是) 2 】 6 ) b 魁专= 爱 髀， 畔黜，一毒喝( ，一番 协s ， 式( 2 6 ) 、( 2 7 ) 、( 2 8 ) 中，丘、托分别为作物的实啄产量稠最大产量；e t 。、e l 分别为全生育期作物的实际蒸腾萋和最大蒸腾量；a 、b 为经验系数；髯为作物产量反应 系数或敏感系数。作物敏感系数的物理意义为一相对缺水量为单位数值时的相对产量比 傣。 d k 模型适用估计仅仅由于水分亏缺而造成作物的减产，用于预测不同水分亏缺产 生的减产估计，广泛应用于规划设计和宏观经济分析，但仍不能揭示同一腾发量在不同 时间分配会产生不同产量的机制。0 一k 模型也可以用于作物的不阕生育阶段，成为作物 生育阶段水分的模型。 2 2 2 生育阶段作物水分生产函数 炸物生育阶段水分的数学模型包食供水时间和数量多少两方蕊对炸物产量的影响， 称为时间水分生产函数。作物生育阶段水分的数学模型建模是将作物的连续