灌區水資源優化配置決策支持系統

(新疆烏蘇市水利局，新疆 烏蘇 833000)

灌區水資源優化配置決策支持系統

杜秀

(新疆烏蘇市水利局，新疆 烏蘇 833000)

本文利用系統優化理論，將灌區整體水資源的數量作為主要約束條件，構造整個灌區作物總產量最大的目標函數，運用線性規劃思想進行求解，優化整個灌區水資源配置。以windows操作系統為開發環境， 選用Vb6.0編程語言，Access數據庫管理數據，開發整個灌溉區水資源優化配置決策支持系統，實現整個灌區水資源優化配置的自動化及可視化。

灌區水資源；優化配置；系統優化理論；決策支持系統

1 引 言

由于近年來溫室效應加劇，氣候變化異常，灌區降雨極不穩定，加上水庫常年失修，造成庫容降低，灌區水資源常常得不到優化配置，造成整個灌區農業產量大量減產。優化配置灌區水資源，降低干旱對農業減產的影響，是關系著國計民生的大事。

針對灌區水資源優化配置問題，國內眾多專家學者做過相關研究探索。張臻等[1]從決策支持系統的結構與功能角度,概括總結了決策支持系統在農業灌溉方面的應用；楊玲等[2]引入系統工程分解協調理論，構造以總效益最大為目標的灌區灌溉水資源遞階控制優化模型，實現灌區水資源優化配置；馮克鵬[3]構造多目標水資源優化配置模型，并運用3S技術,開發水資源優化配置決策支持系統；鹿星等[4]考慮水資源、社會、經濟和生態環境因素，整合水資源多過程模擬和優化配置決策支持分析系統,實現可視化配置；王瑩等[5]考慮水資源分配及管理方面的問題，構造水庫優化調度模型和渠系工作制度優化模型。其中水庫優化調度模型是基于庫容約束、引水量約束、引水溝過流限制、水庫庫容瞬時約束以及非負約束5個約束條件，建立目標函數是：年總引水量最大及各水庫月引水量之和最大的多目標函數。李晨洋等[6]考慮灌區水資源系統的不確定性與復雜性，借助區間數、模糊數、隨機變量，構造區間兩階段模糊隨機規劃模型，優化配置水資源。以上文獻雖然對灌區水資源配置進行了相關研究，但是很少從系統角度考慮，將整個灌溉區的農作物總產量作為目標函數；設計的決策支持系統人機交互界面失去人性化，不利于相關人員使用。

2 模型建立

2.1 作物水分生產函數

水分生產函數是指供水時間、數量與作物產量之間的函數。本文利用相乘模型，具體如下：

(1)

式中Xb—— 農作物單位面積實際產量，kg/hm2；

Xt—— 作物得到充分灌溉，不缺水是單位面積產量，kg/hm2；

i—— 作物生長期階段；

ETbi—— 作物生長i階段實際蒸騰量，m/hm3；

ETti—— 作物生長i階段潛在蒸騰量，m/hm3；

n—— 作物生長階段數量；

λi—— 作物生長i階段缺水靈敏度。

相乘模型不僅考慮各個生長階段缺水效應，而且將各個階段聯系考慮，采用相乘方式，推算多階段缺水對總產量的影響，這樣搭建了生長水資源與總產量的關系變化。

2.2 作物各階段耗水變化

作物的耗水變化分為兩種情況：第一，作物不缺水時，作物耗水量符合潛在規律；第二，作物缺水時，作物耗水量不符合潛在規律，與土壤的水分多少相關。具體規律如下：

(2)

Yj=666.7γHθj-θwp

(3)

式中ETb—— 作物得不到充足水分時日耗水量，m3/(hm2·d)；

ETt—— 作物得到充足水分時日耗水量，m3/(hm2·d)；

Y—— 土壤中在作物生長到生長末期的儲水量，m3/(hm2·d)；

Yj—— 作物可獲得的土壤儲水量，m3/(hm2·d)；

γ—— 可供作物水分的土壤干容量，t/m3；

H—— 可供作物水分的土層深度，m；

θ—— 可供作物水分土壤含水百分比；

θwp—— 作物生長末期可供作物水分土壤含水百分比。

2.3 灌區水資源優化配置模型

設定作物數量比例一定，且總灌溉水資源總量一定，運用上述作物水分生長及各生長時期需水的變化規律，研究水資源的合理配置，使得作物總產量最大。具體協調分配模型見圖1。

由圖1可見，該優化配置模型由3個模塊組成：?底層單一作物水資源優化配置模型；?中間層子灌區多種作物間水資源優化配置模型；?頂層整個灌區水資源優化配置模型。

圖1 具體協調分配模型

3 決策支持系統開發

3.1 水資源決策支持系統

水資源決策支持系統主要包括數據庫、 模型庫、方法庫和人機交互界面。數據庫的主要功能是存儲各相關數據及各模塊間數據傳輸。模型庫主要是各數學模型的集合。方法庫主要存儲數學模型的求解算法，作為模型庫的工具存在。人機交互界面用于工作人員人為輸入相關信息，并將運算結果以圖表形式或文字形式展示給工作人員。因水資源配置問題涉及很多專家的主觀因素經驗等，無法用量化的數學模型表示，主要憑借專家的判斷選擇。為解決此問題，將專家們的經驗判斷輸入水資源決策支持系統建立智能型決策支持系統，其框架圖見圖2。

圖2 水資源智能決策支持系統框架圖

3.2 灌區水資源優化配置決策軟件的開發

軟件開發環境是windows操作系統， 選用Vb6.0編程語言。數據庫的開發和管理選取Access。依據系統工程理論，借助水資源優化配置數學模型，在人機交互界面內輸入所調查數據資料，通過決策支持系統內部程序的運算，在人機交互界面中獲得水資源優化配置的結果，從而達到總體產量最大的效果。開發該決策系統的主要工作包括如下幾個方面：

a. 基礎資料子模塊( 數據庫系統)。本系統應用Access系統存儲并管理調用基礎資料，其基礎資料包含：灌區總體資料；灌區分區資料；灌區作物資料；灌區地下水資源資料；灌區需水量資料；氣候降水資料。

b. 人機交互界面子模塊。人機交互界面設計應該符合用戶的邏輯思維，盡量做到全面且簡潔，人性化。本文設計成條狀下拉菜單形式，具體見圖3。

圖3 人機交互界面

c. 計算子模塊。計算子模塊包含數學模型及計算方法，是決策支持軟件的關鍵模塊。其計算數據主要來源于數據庫系統及人機交互界面人為輸入的信息，通過數據調用及傳輸進入數學模型，相應的計算方法啟動，進行運算。其計算模塊分為如下4個方面：

?單一作物水資源優化配置模型計算模塊。計算所需基礎數據包含兩部分：作物的生長時期、各時期時間、缺水靈敏度λ、臨界土壤有效水量、最大需水量、各生長時期需水量；土壤最初墑情、每次可灌水量、每畝作物最大產量、田間持水量。

通過一系列計算，求得總體灌水量后，需要考慮將水資源分配到各生長時期的數量，從而達到增產的效果，其中計算程序和數據合理有效調用是水資源合理配置的關鍵。

?作物水分生產函數計算模塊。該計算模塊主要是反復比較作物灌水量與產量的關系，計算大量離散數據，借助最小二乘法擬合出灌水量—產量函數，并作圖，將圖形通過人機交互界面展示給用戶。

?子灌區水資源優化配置計算模塊。該模塊建立在?、?的基礎上，主要解決子灌溉區的水資源優化配置問題。

?整個灌區水資源優化配置計算模塊。該模塊建立在?的基礎上，考慮多個子灌溉區相互協調、資源共享的條件下，如何水資源優化配置實現整個灌溉區整體產量最大化。

各計算模塊互相聯系，計算模塊與數據庫獨立且互為支撐，這種動態關系形成了本文的決策支持系統。

d. 方法子模塊。主要應用系統最優化理論及相關線性規劃方法解析模型。

4 總 結

本文基于系統優化理論，將灌溉區水資源的數量作為主要約束條件，構造灌區總效益最大的目標函數，開發決策支持系統，通過內部運算，實現灌區水資源優化配置，達到灌溉區作物產量總體最大。

[1] 張臻, 王龍昌, 趙虎. 農業資源優化配置決策支持系統[J]. 農機化研究, 2010(12):6- 10.

[2] 楊玲, 邱苑梅, 張慧穎, 等. 基于非充分灌溉原理的灌區水資源優化配置模型及決策軟件研究[J]. 節水灌溉, 2012(2):53- 56.

[3] 馮克鵬. 寧夏水資源優化配置決策支持系統研究[D]. 銀川:寧夏大學, 2014.

[4] 鹿星, 倪紅珍, 楊明祥, 等. 水資源優化配置的可視化決策支持系統分析平臺[J]. 水利水電技術, 2014(1):24- 27+31.

[5] 王瑩, 余航, 楊茂靈, 等. 灌區水資源優化配置決策支持系統——以蜻蛉河灌區為例[J]. 中國農村水利水電, 2016(9):145- 148+152.

[6] 李晨洋, 張志鑫. 基于區間兩階段模糊隨機模型的灌區多水源優化配置[J]. 農業工程學報, 2016(12):107- 114.

[7] 張靜萍. 水資源水質水量優化配置分析[J]. 水資源開發與管理, 2016(4):59- 62.

Decisionsupportsystemofwaterresourcesoptimizationinirrigationarea

DU Xiu

(XinjiangWusuWaterConservancyBureau,Wusu833000,China)

In the paper, the theory of system optimization is utilized, the overall water resources quantity in the irrigation area is regarded as main constraint conditions for constructing the objective function of maximum crops production in the irrigation area. The idea of linear planning is utilized to solve and optimize water resources allocation in irrigation area. Windows operating system is regarded as the development environment. Vb6.0 is selected to programming language and Access database is used to manage data. On the basis, water resources optimal allocation decision support system is developed in the irrigation area, thereby realizing automation and visualization of irrigation water resources optimal allocation in the whole irrigation area.

irrigation area water resources; optimization; system optimization theory; decision support system

10.16616/j.cnki.10- 1326/TV.2017.010.014

TV213.9

A

2096-0131(2017)010-0047-04