基于種植結(jié)構(gòu)調(diào)整的農(nóng)業(yè)灌溉用水優(yōu)化配置方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種農(nóng)業(yè)灌溉用水優(yōu)化配置。特別是涉及一種基于種植結(jié)構(gòu)調(diào)整的農(nóng) 業(yè)灌溉用水優(yōu)化配置方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前我國人均水資源量只有2100m3,僅為世界人均水平的28%，全國年平均缺水 量500多億m 3。在非常有限的水資源條件下，我國要以占全世界7%的耕地資源養(yǎng)活占全球 22%的人口。與此同時(shí)，人口仍在增長，糧食需求日益增加，水資源過度開發(fā)問題突出，不少 地方水資源開發(fā)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出水資源承載能力，并引發(fā)了一系列生態(tài)和環(huán)境問題。從全國總用 水量來看，僅農(nóng)業(yè)用水量就占到了總用水量的60% -70%。農(nóng)業(yè)用水量的多少直接影響到 總用水量的多少。農(nóng)業(yè)水資源能否持續(xù)利用，將對水資源的可持續(xù)利用產(chǎn)生重大影響。目 前越來越多的農(nóng)業(yè)用水被用在滿足中國快速發(fā)展的城市及工業(yè)用水之上，中國農(nóng)用水源的 急劇減少已日益威脅到糧食總產(chǎn)量乃至食物安全。這就需要對農(nóng)業(yè)灌溉用水做優(yōu)化配置， 才能在不增加農(nóng)業(yè)供水的條件下增大農(nóng)業(yè)種植效益，滿足我國對糧食日益增加的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種能夠調(diào)整農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)，進(jìn)而優(yōu)化農(nóng)業(yè) 灌溉用水分配，增大種植效益和提高糧食產(chǎn)量的基于種植結(jié)構(gòu)調(diào)整的農(nóng)業(yè)灌溉用水優(yōu)化配 置方法。
[0004] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種基于種植結(jié)構(gòu)調(diào)整的農(nóng)業(yè)灌溉用水優(yōu)化配置方 法，是以種植業(yè)灌溉凈效益最大為目標(biāo)函數(shù)，以參與優(yōu)化的作物的種植面積和其對應(yīng)分配 到的水量為決策變量，以作物種植面積、灌溉水量、糧食安全需求、優(yōu)勢作物產(chǎn)量4個(gè)方面 為約束條件，建立基于種植結(jié)構(gòu)調(diào)整的農(nóng)業(yè)灌溉用水優(yōu)化配置數(shù)學(xué)模型，采用遺傳算法對 所述模型進(jìn)行計(jì)算，具體包括如下步驟：
[0005] 1)設(shè)定目標(biāo)函數(shù)；
[0006] 2)確定決策變量，以參與優(yōu)化的作物的種植面積和參與優(yōu)化的作物所對應(yīng)分配到 的水量作為決策變量；
[0007] 3)設(shè)定約束條件，所述的約束條件包括：作物種植面積約束、灌溉水量約束、糧食 安全需求約束、優(yōu)勢作物產(chǎn)量約束及非負(fù)約束；
[0008] 步驟1)至步驟3)構(gòu)成了基于農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整的灌溉用水優(yōu)化配置數(shù)學(xué)模型。
[0009] 步驟1)所述的目標(biāo)函數(shù)是采用如下公式獲得：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于種植結(jié)構(gòu)調(diào)整的農(nóng)業(yè)灌溉用水優(yōu)化配置方法，其特征在于，是以種植業(yè)灌 溉凈效益最大為目標(biāo)函數(shù)，以參與優(yōu)化的作物的種植面積和其對應(yīng)分配到的水量為決策變 量，以作物種植面積、灌溉水量、糧食安全需求、優(yōu)勢作物產(chǎn)量4個(gè)方面為約束條件，建立基 于種植結(jié)構(gòu)調(diào)整的農(nóng)業(yè)灌溉用水優(yōu)化配置數(shù)學(xué)模型，采用遺傳算法對所述模型進(jìn)行計(jì)算， 具體包括如下步驟： 1) 設(shè)定目標(biāo)函數(shù)； 2) 確定決策變量，以參與優(yōu)化的作物的種植面積和參與優(yōu)化的作物所對應(yīng)分配到的水 量作為決策變量； 3) 設(shè)定約束條件，所述的約束條件包括：作物種植面積約束、灌溉水量約束、糧食安全 需求約束、優(yōu)勢作物產(chǎn)量約束及非負(fù)約束； 步驟1)至步驟3)構(gòu)成了基于農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整的灌溉用水優(yōu)化配置數(shù)學(xué)模型。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于種植結(jié)構(gòu)調(diào)整的農(nóng)業(yè)灌溉用水優(yōu)化配置方法，其特征在 于，步驟1)所述的目標(biāo)函數(shù)是采用如下公式獲得：
其中，Yik-Q ik*Yikm/ (Sik ?qikm) 式中：i為一年內(nèi)的作物分茬，一年內(nèi)共分m茬；k為作物種類，共n種；Yik為第i茬第k種作物的單位面積實(shí)際產(chǎn)量，單位：公斤/畝；Yikm為第i茬第k種作物的單位面積最高產(chǎn) 量，單位：公斤/畝；Pk為第k類作物的單價(jià)，單位：元/公斤；Ck為種植單位面積k種作物 的生產(chǎn)成本，單位：元/畝；Sik為第i茬第k種作物的種植面積，單位：畝；Qik為第i茬第k 種作物全生育期分配到的總灌溉水量，單位：m3;qikm為第k種作物充分灌溉時(shí)的灌溉定額， 單位:m3/畝。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于種植結(jié)構(gòu)調(diào)整的農(nóng)業(yè)灌溉用水優(yōu)化配置方法，其特征在 于，步驟3)所述的作物種植面積約束包括有： (a) 接茬作物面積約束：接茬作物面積約束即接茬作物種植面積不超過前茬作物占地 面積，即
(b) 每種作物的面積約束：各種作物的種植面積大于等于所述作物允許種植面積下 限，小于等于所述作物允許種植面積上限，即 minSik^Sik^maxSik 式中：s為耕地總面積，單位：畝；Sik第i茬k種作物的種植面積，單位：畝；s mk、s(m_1)k 分別為第m荏和第m-1荏k種作物的種植面積，單位：畝；minSik、maxSik為第i荏k種作 物的最小、最大可能種植面積，單位：畝。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于種植結(jié)構(gòu)調(diào)整的農(nóng)業(yè)灌溉用水優(yōu)化配置方法，其特征在 于，步驟3)所述的灌溉水量約束是： 每種作物分配到的總水量之和等于總的實(shí)際灌溉水量，即
各作物分配到的灌溉水量介于零和充分灌溉所需水量之間，即 0. Qikm *Sik 式中：Qik為第i茬k種作物全生育期內(nèi)分配到的總灌溉水量，m3;Q為總的灌溉水量，m3;Sik為第i茬k種作物的種植面積，畝；qikm為第i茬k種作物充分灌溉時(shí)的灌溉定額，單 位:m3/畝。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于種植結(jié)構(gòu)調(diào)整的農(nóng)業(yè)灌溉用水優(yōu)化配置方法，其特征在 于，步驟3)所述的糧食安全需求約束是： 糧食產(chǎn)量要滿足該地區(qū)人民的最低需求，即Y ik ? Sik 式中：Dik為允許的第i茬k種作物的最低糧食量，Dik=yik ?POP ;POP為總?cè)丝?，人；yik為人們對第i茬k種作物的人均需求量，kg/人；Yik為第i茬k種作物的單位面積實(shí)際 產(chǎn)量，公斤/畝；Sik為第i茬k種作物的種植面積，單位：畝。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于種植結(jié)構(gòu)調(diào)整的農(nóng)業(yè)灌溉用水優(yōu)化配置方法，其特征在 于，步驟3)所述的優(yōu)勢作物產(chǎn)量約束是： 優(yōu)勢作物要保持自身的優(yōu)勢性，即K Y ik ? Sik 式中：Yik(l為優(yōu)勢作物為保證自身的優(yōu)勢性所必須滿足的最低產(chǎn)量，單位：公斤；Yik為 第i茬k種作物的單位面積實(shí)際產(chǎn)量，單位：公斤/畝；Sik為第i茬k種作物的種植面積， 單位：畝。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于種植結(jié)構(gòu)調(diào)整的農(nóng)業(yè)灌溉用水優(yōu)化配置方法，其特征在 于，步驟3)所述的非負(fù)約束是： 模型中所有變量均大于等于零，即Sik、Qik多〇。
【專利摘要】一種基于種植結(jié)構(gòu)調(diào)整的農(nóng)業(yè)灌溉用水優(yōu)化配置方法，是以種植業(yè)灌溉凈效益最大為目標(biāo)函數(shù)，以參與優(yōu)化的作物的種植面積和其對應(yīng)分配到的水量為決策變量，以作物種植面積、灌溉水量、糧食安全需求、優(yōu)勢作物產(chǎn)量4個(gè)方面為約束條件，建立基于種植結(jié)構(gòu)調(diào)整的農(nóng)業(yè)灌溉用水優(yōu)化配置數(shù)學(xué)模型，采用遺傳算法對所述模型進(jìn)行計(jì)算。本發(fā)明模型簡單易行，可以調(diào)整農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)，進(jìn)而優(yōu)化農(nóng)業(yè)灌溉用水的分配，增大種植效益和提高糧食產(chǎn)量，為區(qū)域合理分配各作物種植面積及相應(yīng)灌溉水量提供參考。
【IPC分類】A01G25-16
【公開號】CN104770275
【申請?zhí)枴緾N201510174817
【發(fā)明人】徐國賓, 孫秋慧, 武永新
【申請人】天津大學(xué)
【公開日】2015年7月15日
【申請日】2015年4月14日