灌溉方案中水土資源優化配置方法研究進展

王 晶，白清俊

(1.陜西省土地工程建設集團有限責任公司/陜西地建土地工程技術研究院有限責任公司/國土資源部退化及未利用土地整治重點實驗室/陜西省土地整治工程技術研究中心，陜西 西安 710075；2.西安理工大學，陜西 西安 710048)

1 引言

水資源和土地資源是自然地理系統的重要組成因子，兩者之間相互聯系，又相互制約。在灌溉規劃中，尤其是處在大型水系中的灌溉系統，因為土壤和環境不同，不同作物的水土資源優化配置是一個復雜的過程。我國是水資源貧乏國家，尤其是西北干旱地區，水資源瓶頸尤其突出。因此，在水資源有限的灌區，結合當地實際情況，探索公平有效的水土資源優化配置的研究方法，制定提高生產力且兼顧生態的灌溉方案，對缺水地區灌溉方案的規劃具有科學的指導意義。

2 水土資源優化配置

2.1 水土資源優化配置概念

水土資源優化配置是指在一定條件下，為了實現經濟、社會、生態效益的協調統一，依據水土資源的特性和系統原理，對區域有限的水資源和土地資源在時空上進行安排、設計、組合和布局，以提高水土資源利用效益，維持土地生態系統的相對平衡，實現水土資源的可持續利用[1]。

2.2 灌溉方案中水土資源優化配置應用

國內外已有很多以農業灌溉用水規劃為目的的水土資源優化配置研究，Gorantiwar[2]在供水有限的灌溉方案中，考慮了作物和種植模式、土壤、灌溉間隔、初始水庫儲存量、效率以及出水和渠道容量，在不同的灌溉方案中以最佳的方式將土地和水資源分配給不同的作物，應用于印度的中等灌溉計劃。國內，任志遠[3]、雷志棟[4]分別以不同地區灌區為例，根據這一地區水土資源特點和灌區規劃對水土資源的需求規律，分析水土資源的內部結構，建立了主要作物在不同灌區的優化模型；李亞平等[5]建立的應用于平原丘陵地區的水土資源聯合優化配置模型，既對水資源在時間和區域上進行了合理的布局，又對農業種植結構進行了調整。目前，大部分灌溉用水管理模式只考慮作物需水量[6]或經濟因素[7]。但在許多情況下，也需要考慮生態需水量。

3 國內外研究方法進展

灌區的水土資源優化配置研究方法主要有兩種。一種是基于系統工程理論的方法，主要模型有線性規劃模型、動態規劃模型、多目標規劃模型，使用相對廣泛；另一種是基于系統動力學理論的方法，包括系統動力學模型等[8]。大多數模型以建立數學模型求解相對最優的資源供需配置，從模型應用目的上看，主要為針對提高灌溉效率的模型。

3.1 線性規劃(LP)模型

線性規劃數學模型在水土資源優化配置方法中應用最早，也較為廣泛，但它多用于研究單一階段的靜態分析，具有局限性，因此常與其他規劃方法相結合來解決水土資源優化配置。例如，Reca[9]考慮了作物系統、灌溉區、整個流域3個獨立的優化問題，根據水邊際效益最大化原則，建立了缺水灌溉系統水文規劃的經濟優化模型；Das[10]開發了利用線性規劃模型進行最佳土地和水資源分配的軟件，用于在印度東部馬哈納迪河上的多功能灌溉項目。白丹等[11]在考慮了區域農業灌溉可利用水量、節水灌溉工程現狀、各種節水灌溉技術適應性、綜合灌溉定額和畝投資等條件基礎上，建立了區域節水灌溉工程最優規劃模型。

3.2 動態規劃(DP)模型

動態規劃模型是解決多階段優化配置問題的數學方法，多用于單一作物和多種作物最優灌溉制度的確定。例如，在嚴重缺水的條件下，Shangguan Z[12]提出了一種針對整體最大效率的灌溉水資源區域優化配置的遞歸控制模型，可以應用于干旱和半干旱地區，該模型由三個層次組成，第一級涉及用于優化作物灌溉調度的動態編程，第二級涉及各種作物之間水資源的最佳分配，最后一級涉及不同區域之間水資源的最佳分配。崔遠來[13]依據稻田灌溉的特點，以灌區總效益最大為總目標，針對水稻灌區建立兩層分解協調模型(DP-SDP迭代法)，分別用于求解單一作物非充分灌溉條件下最優灌溉制度，以及有限水土資源在多種作物之間的最優分配。于艷玲[14]改進了動態規劃方法，采用加速遺傳算法(RAGA)對模型進行計算，模型既對水庫進行優化調度，又考慮了灌區水資源優化配置。實例計算結果表明，建立的模型能有效提高灌區灌溉效益(尤其是干旱年份)。

3.3 多目標規劃模型

多目標規劃是在線性規劃的基礎上，為解決資源管理中多個目標最優化決策的復雜問題而發展起來的方法[15]。水土資源優化配置通常要考慮經濟發展、生態保護以及社會效益等多個方面的因素，為達到綜合效益最優化的目的，就需要采用多目標規劃模型進行水土資源配置。例如，為解決厄瓜多爾塞拉地區水資源分配效率低下和不公平的問題，Evans[16]以土地、水資源、勞動力、人口、作物、牲畜為約束條件，建立兼顧效率和公平的多目標綜合測度模型，為灌溉水資源優化配置提供方案；在國內，王新等[17]建立了區域農業節水最優規劃模型，模型中充分考慮了農業可用水量、水源類型、作物種植面積、節水灌溉工程現狀情況、各種節水灌溉技術適用性等條件，根據農業灌溉可用水量，在保證各種作物灌溉用水量的條件下，可獲得總投資最小的各種節水灌溉技術發展面積，達到水土資源優化配置；孫博等[18]結合研究區土地、水、肥和作物種植模式，以優化經濟效益、作物產量和勞動力為目的，提出多目標模糊線性規劃模型，達到了合理分配土地和水資源，提高水資源利用率、作物產量和凈效益的目的。

3.4 系統動力學(SD)模型

系統動力學是模擬社會經濟、生態系統動態行為的計算機仿真技術[19]。動態模型的研究和應用相對較晚，但由于其定性與定量相結合，系統、分析、綜合與推理集成的方法，目前已經逐漸成為現代科學決策和預測的有效工具，所以被廣泛應用在資源承載力分析和動態優化中，尤其是對資源優化配置方案的評價選優[1,8]。系統動力學模型可以模擬系統動態過程，求解非線性、復雜時變的系統問題。如任望兵[20]通過建立區域水土資源協調開發的SD模型，得出哈密市在一定水資源利用狀況下的土地開發規模以及相應的耗水結構和作物種植結構；童芳等[21]建立了區域水土資源優化配置的系統動力學流率基本入樹模型，將需水、供水、土地需求及供給和生態環境影響等相關要素與社會、經濟、環境系統耦合成一個復雜的水資源-土地資源-社會經濟-生態模擬系統，制定了蘇南丘陵地區水土資源聯合配置及可持續利用的實施方案。

4 存在問題及對策

隨著社會和科學技術的進步，水土資源優化配置在基礎理論和模型方法上不斷發展和完善。解決的目標上，從單目標發展為綜合經濟效益、社會效益和生態效益協調統一的多目標，實現了宏觀尺度上的水土資源優化配置；研究方法上，由單一的數學規劃模型發展為數學規劃與模擬技術等結合的組合模型，使模型對系統模擬更客觀、實際，特別3S技術以其強大的信息獲取技術、處理技術、表達技術，廣泛應用于水土資源優化配置的決策支持系統(DSS)[22]。

然而，由于水土資源優化配置所涉及的不僅是兩種自然資源，而是由經濟、社會、生態、環境、資源、人口組成的復雜系統，特別是可持續發展戰略的實施，對水土資源配置的要求越來越高。因此，目前的國內外研究還有許多不足。

(1)將水土資源有效結合的整體研究較少。已有研究單純優化水資源或土地利用結構，將另一種資源作為一種約束條件而不加優化配置，或者以經濟效益為主導因素，社會效益和生態效益為約束條件，沒有同灌區生態環境或糧食安全等實際問題相結合。因此，灌區水土資源優化配置應更加全面地認識水土資源復雜系統，建立的多目標函數模型不但應注重水資源或土地資源單一配置研究，還要將生態環境等其它方面的水土資源利用與效益相結合。

(2)許多文獻對土地和水資源分配方法只集中在優化生產率，沒有考慮資源在土地單元上的分配，因此公平的問題并沒有解決；那些關注公平的模型研究沒有將優化或者公平最大化作為目的，或者由于種種原因公平最大化不能實現。因此，應借助數學工具，尋求能合理解決效益和公平，對水土資源復雜系統進行量化分析的新方法，進一步明確水土資源內在的制約關系及各子系統的整體耦合問題。

ResearchesonOptimalAllocationofWaterandSoilResourcesinIrrigationSchemes

Wang Jing1,2, Bai Qingjun2

(1.KeyLaboratoryofDegradedandUnusedLandConsolidationEngineering,ShaanxiProvincialLandEngineeringConstructionGroupCo.,Ltd.,InstituteofLandEngineeringandTechnology,ShaanxiProvincialLandEngineeringConstructionGroupCo.,Ltd,theMinistryofLandandResource,ShaanxiProvincialLandConsolidationEngineeringTechnologyResearchCenter,Xi’an,Shaanxi, 710075,China； 2.Xi’anUniversityofTechnology,Xi’an,Shaanxi, 710048,China)

Abstract: The optimal allocation of water and soil resourcesis of great significance to irrigation schemes and sustainable management. This paper introducesthe concept and applicationof optimal allocation of water and soil resources, the research status of water and soil resources allocation methods and models in domestic and international irrigation schemes. It alsoanalyzes the existing problems and countermeasures.

Keywords: water and soil resources; optimal allocation; irrigation