【《邯郸市农业用水结构优化模型的构建与优化分析案例》6600字】

邯郸市农业用水结构优化模型的构建与优化分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u21848邯郸市农业用水结构优化模型的构建与优化分析案例 158041.1农业用水结构 248801.1.1现状年灌水定额及灌溉次数 256861.1.2现状年种植结构及净需水量 3142081.2农业用水结构优化模型 5226211.2.1决策变量 563431.2.2目标函数 569031.2.3约束条件 512271.3农业用水结构优化模型求解 615581.4农业用水结构优化结果分析 7116951.5规划水平年水资源供需平衡分析 13223931.5.1规划水平年可供水量分析 13111151.5.2规划水平年需水量分析 14215921.5.3规划水平年供需平衡分析 14248831.6小结 16为缓解水资源紧缺局面，必须开源与节流并举、治污为本、综合利用为原则，通过水资源优化配置，为经济社会的进步和发展提供稳定的供水保障和良好的水环境基础。我国作为农业大国，自2004年起，农产品全面发展、供给充裕、品质不断提升，农业区域、产业结构更趋合理。但是，当前我国农业发展数量与质量、总量与结构、成本与效益、生产与环境等方面问题依然比较突出。资源环境硬约束与生产发展矛盾日益凸显，其中水资源是影响农业生产的最重要的环境硬约束。在我国，农业灌溉用水量大且用水效率低，是我国整体用水效率普遍偏低的重要因素，因此提高农业用水效率是实现社会节水的有效途径。有研究表明，根据地区的气候环境状况，因地适宜的调整农业用水结构不仅可以提高农民的收入水平，而且可以有效地减少农业用水量。因此，在新的历史时期，调整优化农业结构是高起点上的主动作为、主动调优。本章从供需平衡的理念出发，基于现有节水措施，为邯郸平原区未来构建新的农业用水结构体系，加快转变区域农业发展方式，努力在优化结构上开辟新途径，推动区域农业发展挖潜力、提质量、增效益。华北平原水资源严重短缺，邯郸平原区尤甚，地下水超采问题十分突出。农业用水量所占比重较大，约70%～80%，且主要为地下水供水。为缓解水资源供需矛盾，开展农业用水结构体系研究变得尤为重要，更是实现地下水动态平衡的关键措施。2014年起邯郸平原区开展了地下水超采综合治理项目，从农艺节水、工程节水、管理节水等方面加强了农业节水措施，具备了一定基础条件。本文以邯郸平原区为例，在现有节水措施的基础上，考虑区域水资源状况，继续加大力度推广高效节水灌溉措施，构建新的农业用水结构体系，达到水资源可持续利用，地下水动态平衡。本章分析了邯郸平原区的现有农业种植结构、灌溉方式、灌溉制度，构建农业用水结构体系优化模型，基于区域农业基础设施，确定区域新的种植结构（含休耕轮作）、不同灌溉方式占比、不同作物不同灌溉方式的灌溉制度，形成农业用水结构体系。1.1农业用水结构农业用水结构对农业用水效率及效益具有非常大的影响，广义而言，农业用水结构是代表农业、林业、牧业、渔业用水比例；就狭义而言，就是代表农作物彼此间的用水占比。以狭义的用水结构体系概念为基础，本文给出了农业用水结构体系的概念，即农作物种植结构（各种作物的种植面积和休耕面积）、节水灌溉方式（相应种植面积上采用的高标准管灌、喷灌、微喷灌、滴灌方式及覆盖面积）及灌溉制度。1.1.1现状年灌水定额及灌溉次数现状水平年农作物灌溉分为传统灌溉和高效节水灌溉方式。根据灌溉经验，分析确定丰平枯水年不同作物、不同灌溉方式的灌水定额及灌水次数。表1.1列出了平水年不同作物的灌溉制度。丰水年、枯水年的灌水次数在平水年基础上减少、增加一次灌水。表1.SEQ表\*ARABIC\s11现状年平水年农业灌溉方式、灌水定额及灌水次数Table1.1Agriculturalirrigationmethods,irrigationquotaandirrigationtimesinthecurrentlevelyear作物灌溉方式灌水定额（m3/亩）灌水次数小麦漫灌703喷灌355玉米漫灌701喷灌355棉花漫灌701高标准管灌631喷灌352叶菜漫灌300-滴灌200-林果地漫灌105-小管出流100-1.1.2现状年种植结构及净需水量邯郸平原区现有灌溉面积760.30万亩，其中农田有效灌溉面积728.99万亩，林果地面积31.31万亩。农田有效灌溉面积主要包括小麦、玉米，棉花和菜田，面积分别是519.05万亩，103.99万亩和105.96万亩。经统计分析现状水平年采用传统漫灌灌溉方式和高效节水灌溉方式的面积区域，可得传统灌溉方式和高效节水灌溉方式的面积，并采用灌溉实验定额计算分析传统灌溉方式和高效节水灌溉方式的需水量。经计算，现状水平年丰水年、平水年和枯水年的农业净需水量分别为144548.02万m3、188006.73万m3和229722.17万m3，具体见表1.2所示。表1.2现状水平年灌溉面积及需水量单位：万亩，万m3Table1.2AnnualIrrigationareaandwaterrequirementatpresentlevelunit:104mu,104m3行政分区农田有效灌溉面积灌溉林果地合计农业需水量水浇地菜田小计25%50%75%小麦玉米棉花磁县1.371.090.656.110.216.322021.492797.463147.89永年区35.221.6723.3360.223.2063.4215878.1418425.2020878.81复兴区15.521.073.9020.500.5121.004751.395931.927103.97邯山区26.991.876.7835.640.8836.528263.2910321.6112351.73丛台区21.961.736.2732.970.8133.787643.549547.4911428.12临漳县59.843.3210.2073.351.8075.1516148.7620562.1124940.94成安县22.5023.576.4452.505.1057.607136.579948.7212511.32魏县77.332.316.7086.347.4093.7417912.9123559.8328837.42广平县26.655.262.4031.310.8135.126152.588355.8410498.71肥乡区35.3711.687.4057.451.9559.409771.8613169.7916462.14曲周县41.9513.906.8262.671.3861.0510741.7414542.0518306.56鸡泽县25.651.736.3636.740.5137.257561.189631.2011688.92邱县11.1422.783.4040.321.1741.493231.555796.328250.56大名县76.383.147.4286.943.9090.8418190.4323707.3229127.36馆陶县32.182.877.8942.931.6841.619139.5911706.8714181.72合计519.05103.99105.96728.9931.31760.30144548.02188006.73229722.171.2农业用水结构优化模型1.2.1决策变量邯郸平原区的种植作物包括小麦、玉米、棉花、菜田和林果地，建立以农业用水效益为目标的优化模型，以不同区域、不同作物、不同灌水方式的种植面积作为优化决策变量，得到农业用水效益最大化条件下的作物种植面积分配情况。1.2.2目标函数农业用水效益采用区域农业总产值与区域农业总用水量的比值表示，目标函数的表达式如下： (1.SEQ(\*ARABIC\s11) (1.2) (1.3) (1.4)式中，表示农业用水效益指标，表示区域农业总产值，表示区域农业总用水量；表示作物单位产量价格，元/kg；表示作物单位面积的产量，kg/亩；表示作物总种植面积，表示作物种灌溉方式在地区的种植面积；表示作物种灌溉方式的灌水定额；表示作物种灌溉方式的灌溉次数。1.2.3约束条件模型考虑的约束条件包括：（1）种植面积约束 (1.5)该式表示区域内所有作物的种植面积不能超过区域的总面积，表示地区的可种植面积。（2）农业用水约束 (1.6)该式表示区域内所有作物的总用水量不能超过分配的农业用水量，表示地区分配的农业用水总量。（3）农业产值约束 (1.7)该式表示区域内基本的粮食保障约束，表示区域最低农业产值，可采用人均农业产值与人口数进行计算。（4）非负约束目标及约束条件涉及的所有变量均为非负变量。（5）其他约束农业种植结构优化是一类涉及因素广、决策维度高、结构层次强耦合的复杂优化问题，在实际应用中还需要同时考虑不同灌溉方式的配套基础设施等因素，保证种植结构调整的可行性，不同地区考虑的约束千差万别，在本文中研究首先根据地区实际情况构建模型进行优化求解，从而获取模型理论最优种植结构，并进一步结合研究区域实际情况进行校核修正，从而解决上述复杂问题。1.3农业用水结构优化模型求解本章建立的农业用水结构优化模型属于典型的线性规划（LinearProgramming简记LP），即目标函数和约束条件均为线性函数，是数学规划的一个重要分支，其理论已经相当成熟，尤其是随着计算机软硬件的发展以及各种商业求解器的研发，使得线性规划能够处理成千上万的约束条件，线性规划用的越来越广泛，已经成为各领域优化的基本方法之一。本章在求解农业用水结构优化模型时直接调用MATLAB内置linprog函数即可得到模型的最优解，即所有作物种灌溉方式在地区的种植面积，本章总体的研究流程如下：（1）资料收集，确定邯郸平原区各区县的种植作物、种植面积、灌水定额、作物产值及灌溉设施情况；（2）构建邯郸平原区农业用水结构优化模型，包括目标函数及约束条件，并明确模型常量；（3）采用MATLAB对模型进行求解，得出最优的种植结构；（4）根据地区不同灌溉方式的配套基础设施等因素对优化后的理论最优种植结构进行校核修正，得出满足实际情况的相对最优种植结构。1.4农业用水结构优化结果分析1.1.1灌水定额及灌溉次数确定根据灌溉经验，按照不同水平年确定不同种植作物的灌水定额及灌溉次数，以平水年为标准，表1.3给出了平水年不同作物的灌溉方式、灌水定额及灌溉次数，表中的灌水定额是净需水量，在计算农业毛需水量时，需根据灌溉水源采用不同的灌溉系数，灌溉水源来自地表水转换系数为0.75，灌溉水源来自地下水转换系数为0.95。丰水年的灌溉方式为小麦、玉米灌水定额在平水年的基础上减少1次灌溉；棉花灌水定额不变；菜田综合灌水定额降低为182.0m3/亩；林果灌水定额降低为50.0m3/亩。枯水年的灌溉方式为小麦、玉米灌水定额在平水年的基础上增加1次灌溉；棉花灌水定额不变；菜田综合灌水定额为236.0m3/亩；林果灌水定额为130.0m3/亩。表1.3平水年农业灌溉方式、灌水定额及灌水次数Table1.3Agriculturalirrigationmethods,irrigationquotaandirrigationtimesinnormalwateryears作物灌溉方式灌水定额（m3/亩）灌水次数小麦喷灌354高标准管灌503玉米喷灌351高标准管灌501棉花及油菜等经济作物高标准管灌501菜田-209-林果地-90-1.1.2种植结构优化为保证种植结构的稳定性，丰平枯水平年均采用平水年的灌水定额及灌水次数开展模拟计算，即在丰水年和枯水年的来水条件下也采用平水年的种植结构。同时由于小麦和玉米作物属于双季种植，故种植结构优化时采用二者中的一种参与计算。保持现状水平年的农业灌溉面积760.30万亩不变，采用上文模型对各个作物的种植面积进行优化计算，最终种植结构确定为：小麦、玉米双季种植面积480.27万亩、棉花142.76万亩、菜田105.96万亩和林果地31.31万亩。农业用水结构体系形成后，各种作物种植面积比逐年不变，休耕面积总量不变，但休耕地块可以逐年轮换，灌溉方式的各种灌溉设施及覆盖面积不变。由此可形成基本固定的丰平枯水年区域农业用水量。各区县种植结构见表1.4所示。 表1.4邯郸平原区农业种植结构优化表 单位：万亩 Table1.4Adjustmentofagriculturalplantingstructure unit:104mu行政分区小麦玉米棉花油菜等菜田林果地合计高标准管灌喷灌休耕高标准管灌喷灌休耕磁县3.550.8203.550.8201.090.650.216.32永年区16.2110.303.0016.2110.303.007.3823.333.2063.42复兴区9.765.260.509.765.260.501.073.900.5121.00邯山区13.387.212.5013.387.212.505.776.780.8836.52丛台区12.976.981.4012.976.981.405.346.270.8133.77临漳县25.5417.687.3025.5417.687.3012.6310.201.8075.15成安县16.3611.291.6016.3611.291.6013.826.445.1057.61魏县36.4122.305.0036.4122.305.0015.936.707.4093.74广平县16.339.331.0016.339.331.005.262.400.8135.12肥乡区18.9912.381.0018.9912.381.0011.687.401.9559.40曲周县22.2711.685.0022.2711.685.0013.906.821.3861.05鸡泽县13.259.721.3313.259.721.336.086.360.5137.25邱县15.108.400.5015.108.400.5012.923.401.1741.49大名县35.8020.872.9635.8020.872.9619.887.423.9090.84馆陶县16.239.812.0016.239.812.007.017.891.6841.62合计272.15167.0341.09272.15167.0341.09142.76105.9631.31760.301.1.3农业净需水量计算1.1.3.1优化后农业净需水量计算按照平水年的种植结构及不同水平年的灌水定额及灌溉次数，对不同水平年农业对水资源的需求情况进行核算，最终计算得出优化后的农业净需水量计算结果，邯郸平原区农业平水年需水量为116305.5万m3，丰水年需水量92362.4万m3，枯水年需水量为139267.8万m3，具体见表1.5～1.7所示。表1.5平水年农业灌溉净需水量成果 单位：104m3 Table1.5Resultsofagriculturalirrigationwaterdemandinnormalwateryears unit:104m3行政分区小麦玉米棉花菜田林果合计磁县730.6541.58121.61151.5763.001111.41永年区3873.501171.00368.904875.97288.0010577.37复兴区2200.43672.1553.50815.1045.543786.72邯山区3016.14921.31288.601417.0279.205722.28丛台区2922.97892.85266.901310.4373.265466.41临漳县6306.201895.80631.502131.80108.0011073.30成安县4031.181213.04691.051345.96306.007590.23魏县8583.502601.00796.401400.30740.0014121.20广平县3751.971142.83263.00501.6073.205735.60肥乡区4581.701382.80731.001546.60117.008362.10曲周县5395.701627.30695.001425.38121.509267.88鸡泽县3348.301002.70303.801329.2445.906029.94邱县3440.901048.98646.00710.6070.405916.88大名县8292.812520.741391.601550.78351.0014106.93馆陶县3807.901151.85350.501972.50151.507437.25合计64289.8519288.937605.3622481.852636.50116305.50 表1.6丰水年农业灌溉净需水量成果 单位：104m3 Table1.6Resultsofagriculturalirrigationwaterdemandinwetyears unit:104m3行政分区小麦玉米棉花菜田林果合计磁县281.91148.3519.75140.7342.00635.74永年区2702.51171.00368.904246.06160.008648.46复兴区1528.29672.1553.50709.8025.302989.03邯山区2091.83921.31288.601233.9641.004582.70丛台区2030.12892.85266.901141.1440.704371.71临漳县4411.221896.13631.501856.4072.008867.25成安县2821.141213.04691.051172.08201.006101.31魏县5982.502601.00796.501219.40441.0011043.40广平县2612.071142.80263.00436.8040.674495.34肥乡区3198.901382.81731.001346.8078.006740.51曲周县3768.661627.39695.001241.2469.177401.46鸡泽县2345.771002.76303.801157.5225.504835.35邱县2391.931048.98646.10618.8046.934752.74大名县5772.072520.74991.001350.44195.0010832.25馆陶县2653.051151.85350.501822.5981.176065.16合计44597.9619396.167103.1019693.761571.4492362.41表1.7枯水年农业灌溉净需水量成果 单位：104m3Table1.7Resultsofagriculturalirrigationwaterdemandindryyear unit:104m3行政分区小麦玉米棉花菜田林果合计磁县911.8046.50220.09123.6081.001388.99永年区5041.501171.00368.905505.88416.0012506.28复兴区2872.58672.1553.50920.4065.784581.40邯山区3937.46921.31288.601600.08111.406861.85丛台区3815.82892.85266.901479.72105.826561.11临漳县8203.481896.13631.502407.20141.0013282.31成安县5247.221213.04691.051519.84408.009079.15魏县11181.502601.00796.501581.201036.0017199.20广平县4897.671142.80263.00566.40105.736975.61肥乡区5961.511382.81731.001746.40156.009983.72曲周县7023.441627.39695.001609.52179.8311135.18鸡泽县4351.281002.76303.801500.9666.307225.10邱县4489.881048.98646.10802.4093.877081.22大名县10813.552520.74991.001751.12507.0016586.41馆陶县4962.751151.85350.502130.30218.838817.23合计83723.4419291.317303.4425245.023701.56139267.801.1.3.2优化前后农业净需水量对比种植结构在区域内部优化之后能够显著减少农业需水量，从而实现节水的目的，满足区域水资源供需平衡，提高区域水资源的承载力，表1.8及图1.1给出了区域农业种植结构调整前后需水量对比，数据分析结果表明，种植结构调整后丰水年农业需水量减少36.10%，平水年农业需水量减少38.14%，枯水年农业需水量减少39.38%，平均减少38.12%，种植结构优化后节水效果明显。 表1.8区域种植结构调整前后农业需水量对比 单位：104m3Table1.8Comparisonofagriculturalwaterdemandbeforeandafterplantingstructureadjustment水平年调整前调整后需水减少量减少率（%）丰水年（25%）144548.0292362.4152185.6136.10平水年（50%）188006.73116305.5071701.2338.14枯水年（75%）229722.17139267.7690451.4139.38平均值562276.90347935.70214341.3038.12图1.SEQ图\*ARABIC\s11农业用水体系调整前后需水量对比Figure1.1Comparisonofwaterdemandbeforeandafteradjustmentofagriculturalwaterusesystem不同行政区丰水年、枯水年、平水年种植结构调整前后的需水量详情见表1.9所示。从整个区域分析可知，丰、平、枯水平年农业用水分别减少52185.61万m3、71701.23万m3、90451.41万m3，农业用水结构的调整显著降低了农业需水量。 表1.9农业种植结构调整前后需水量对比 单位：104m3Table1.9Comparisonofwaterrequirementbeforeandafteradjustmentofagriculturalplantingstructure行政分区丰水年（25%）平水年（50%）枯水年（75%）调整后调整前调整后调整前调整后调整前磁县635.742021.491111.412797.461388.993147.89永年区8648.4615878.1410577.3718425.212506.2820878.81复兴区2989.034751.393786.725931.924581.407103.97邯山区4582.708263.295722.2810321.616861.8512351.73丛台区4371.717643.545466.419547.496561.1111428.12临漳县8867.2516148.7611073.3020562.1113282.3124940.94成安县6101.317136.577590.239948.729079.1512511.32魏县11043.4017912.9114121.2023559.8317199.2028837.42广平县4495.346152.585735.608355.846975.6110498.71肥乡区6740.519771.868362.1013169.799983.7216462.14曲周县7401.4610741.749267.8814542.0511135.1818306.56鸡泽县4835.357561.186029.949631.207225.1011688.92邱县4752.743231.555916.885796.327081.228250.56大名县10832.2518190.4314106.9323707.3216586.4129127.36馆陶县6065.169139.597437.2511706.878817.2314181.72合计92362.41144548.02116305.50188006.73139267.76229722.171.5规划水平年水资源供需平衡分析依据上文核算确定的农业用水情况，对未来2025年规划水平年农业用水基本需求进行确定，选择趋势法与定额法相结合的方法对除农业以外的其他行业的需求进行确定；根据水资源和水利工程条件，核算各类型水源的可供水量，对未来2025年规划水平年水资源的供需平衡进行分析。1.5.1规划水平年可供水量分析规划水平年以现状水平年供需水情况为基础，在进行供水量计算时，考虑未来微咸水的利用，同时通过岳城水库和东武仕水库空间和时间上的联合调度计算丰平枯水平年水库的可供水量，最后汇总所有水源可供水量，得到区域丰平枯水平年可供水量分别为264519.06万m3、231117.50万m3、218088.33万m3，区域不同供水来源供水情况见表1.10所示（不同行政区可供水量详见附录C）。 表1.10规划水平年可供水量情况 单位：万m3 Table1.10Availablewatersupplyinplanninglevelyear unit:104m3水平年自产水南水北调水引黄引卫水库再生水地下水微咸水合计丰水年10952.153520217896.431380066647.0614985.718518319852.71264519.06平水年6049.663520217896.43870043247.9914985.718518319852.71231117.50枯水年3183.253520217896.431015031635.2314985.718518319852.71218088.331.5.2规划水平年需水量分析在进行需水量分析时，农业需水量分析按照优化后的农业用水结构进行估算，其余行业按照增长率法进行估算。通过对不同用水户需水量的分析计算可知，邯郸平原区规划水平年丰平枯水年需水总量分别为175216.72万m3、199159.79万m3和222122.06万m3；规划水平年各行业需水量见表1.11所示（不同行政区需水量详见附录D）。表1.11规划水平年不同来水保证率需水量 单位：万m3Table1.11Waterdemandofdifferentguaranteedinflowrateinplanninglevelyearunit:104m3水平年生活需水第一产业（农业）第二产业（工业）第三产业环境需水合计枯水年26605.62102981.6718587.5016610.4310431.51175216.72平水年26605.62126921.7618587.5016610.4310431.51199159.79丰水年26605.62149887.0218587.5016610.4310431.51222122.061.5.3规划水平年供需平衡分析汇总以上可供水量及需水量，对各区县水资源供需平衡进行分析，表1.12及图1.2所示，丰平枯水平年余水量分别为89302.34万m3、31957.71万m3、-4033.73万m3，可以看出，区域在丰水年和平水年供水量均大于需水量，仅在枯水年存在水量缺口。 表1.1SEQ表\*ARABIC\s12邯郸平原区各区县供需平衡计算表 单位：万m3Table1.12CalculationofsupplyanddemandbalanceofcountiesinEasternPlainofHandan行政分区丰水年平水年枯水年供水需水余水量供水需水余水量供水需水余水量磁县9942.044165.845776.209547.314641.514905.809176.544919.094257.45永年区22155.9916926.485229.5119776.2018855.39920.8118575.2220781.30-2209.08复兴区14811.1310531.934279.2013246.5611329.611916.9512353.7412127.30226.44邯山区21431.6117700.793730.