疏勒河灌區水資源分配與種植結構調整研究

虎海燕

(甘肅省疏勒河流域水資源管理局，甘肅 玉門 735211)

1 概況

1.1 水資源現狀

甘肅省疏勒河流域水資源管理局(以下簡稱省疏管局)轄昌馬、雙塔、花海三個灌區管理處和一個水庫電站管理處，疏勒河流域干流全長670km，流域面積17萬km2[1]。流域內土地資源豐富，現有灌溉面積134.42萬畝，多年平均來水量10.31億m3，地表水不重復部分0.73億m3，流域內水資源總量為11.55億m3。工農業生產總供水量10.27億m3，其中：河道引水8.35億m3，占81%，提取地下水1.92億m3，占19%。2012年流域總耗水量14.37億m3，其中農田灌溉耗水量12.07億m3，林牧漁畜耗水量1.24億m3，工業耗水量0.33億m3，城鎮生活耗水量0.09億m3，農村生活耗水量0.06億m3，生態環境耗水量0.58億m3[2]。根據流域供需水實際情況，說明疏勒河流域農田灌溉用水明顯偏高，流域工業及生活用水比例明顯偏低，水資源嚴重缺乏。

1.2 種植結構情況

疏勒河流域2006—2016年調查數據顯示，主要種植作物為經濟作物，其次為糧食作物，最后為林草地。其中：糧食作物主要種植在昌馬灌區，占總量的82.49%；經濟作物主要種植在昌馬灌區和雙塔灌區，占總量的47.87%和43.44%；林草地在昌馬灌區、雙塔灌區、花海灌區種植占比均值分別為61.82%、30.22%和8.30%。在糧食作物中，三大灌區均以小麥和玉米為主要作物；在經濟作物中，雙塔灌區以瓜菜和棉花為主導作物，兩者之和超過90%，其中棉花的占比均超過70%，昌馬和花海灌區經濟作物以大麥、瓜菜、孜然、棉花和其它為主，其它類中主要包含食葵、洋蔥、茴香、枸杞、花卉、藥材等品種。

按照水資源總量分配情況和作物種植結構，疏勒河流域農業用水占總用水量的約90%左右，灌區內種植作物多以高耗水作物為主，并且水分利用效率、綜合效益均比較低，嚴重制約了灌區農業生產發展和水分效益提升。因此，為了改變畸形的用水結構和流域生態惡化局面，亟需開展基于水資源分配的作物種植結構模型優化研究，調整流域內現狀種植結構，實現經濟、社會、生態環境的協調可持續發展，將一定的水資源合理地分配到各種作物之間，使灌區獲得最大效益是灌溉管理者目前研究的主要課題之一。

2 構建種植結構模型

2.1 建立目標函數

本次研究所建立的種植結構模型，基于水資源優化配置，以保證灌區糧食產量、生態平衡及經濟效益最大化為目標，綜合考慮了經濟效益、社會效益和生態效益[3- 6]，目標函數為：

(1)

約束條件：

式中，N—選入目標函數中的種植作物種類；Aj—第j種糧食作物和經濟作物的種植面積，畝；pj—第j種糧食作物和經濟作物產品的單價，元/kg；yj—第j種糧食作物和經濟作物灌溉條件下產量，kg/畝；Yjsp—根據社會人口、經濟條件和人民生活水平而設定的灌區糧食產量閾值，kg。A3—林草地的種植面積，畝；A3sp—保障生態系統平衡而設定的林草地種植面積閾值，畝。

2.2 確定模型參數

2.2.1 決策變量

根據種植結構優化模型目標函數，模型的決策變量為糧食作物、經濟作物和林草地的種植面積，模型函數中還包括糧食作物產量閾值、林草地種植面積閾值、疏勒河流域種植總面積閾值等參數[7- 8]，見表1。

表1 疏勒河流域種植結構優化決策變量(一)

當優化模型以糧食作物和經濟作物的子類種植面積作為優化目的時，決策變量由選定的作物種類決定，疏勒河流域現狀糧食作物主要以小麥和玉米為主，被調查的經濟作物包括油料、啤酒大麥、籽瓜、啤酒花、甜菜、瓜菜、果園、棉花、孜然和其他，根據前面對疏勒河主要作物的綜合篩選，經濟作物主要以棉花、蜜瓜、洋蔥等為主。見表2。

2.2.2 閾值等參數確定

根據疏勒河流域2006—2016年糧食作物產量、草地種植面積和總種植面積調查數據資料，分別對并進行甄別篩選，修正數據之后繪制繪制了疏勒河流域2006—2016各參數數據圖，如圖1—3所示。

表2 疏勒河流域種植結構優化決策變量(二)

圖1 疏勒河糧食作物產量/萬kg

圖2 疏勒河林草地種植面積/萬畝

圖3 疏勒河種植面積/萬畝

根據圖1—3中數據趨勢可知近年來糧食作物產量、林草地面積和種植總面積呈現出一定的趨勢，并有一定相關性。為保障灌區糧食產量和生態平衡，實現灌區糧食安全和社會穩定，在種植結構調整中應設定相應閾值，從圖中數據資料信息可知，可將糧食作物閾值設定為最小值Yjsp=8000萬kg和多年均值9737萬kg，林草地種植面積閾值A3sp閾值設定為多年均值，即A3sp=13.00萬畝，疏勒河流域種植面積圖中數據趨勢可知近年來總體平穩，即A=130萬畝。

3 模型優化設計與分析

3.1 優化模型

在確定了優化模型的目標函數、約束條件和相關參數之后，可知決定優化模型最終結果的是畝均產量和市場價格，本次優化通過對作物產量和市場價格的歷史數據進行分析，并結合上節約束條件和相關參數進行模型優化設計，如圖4—7所示。

圖4 疏勒河糧食作物畝均產量/kg

圖5 疏勒河糧食作物平均價格/(元/kg)

圖6 疏勒河經濟作物畝均產量/kg

圖7 疏勒河經濟作物平均價格/(元/kg)

根據上述圖標分析，以畝均產量和平均價格作為變化因子，設定模型優化方案。根據糧食、經濟作物產量曲線可知，產量變幅整體呈現較小且增長趨勢，因此選定2012年為現狀年，在現狀年的基礎上認為產量仍然呈增長趨勢，近期2015年產量增加以5%計算，遠期2020年產量增加以10%計算。根據糧食、經濟作物平均價格的曲線趨勢和現狀分析可知，平均價格的波動較大，且整體呈現出周期趨勢，因此以2009—2013年五年內的最大和最小值代表現狀可能會出現的市場價格極值，未來的平均價格范圍為現狀極值的110%，并對糧食作物和經濟作物的價格極值進行組合，共生成四種未來可能的市場平均價格，見表3—4。

表3 產量預測方案

表4 平均價格預測方案

3.2 模型優化分析

根據產量和平均價格的未來預測變化，并以Yjsp=8000萬kg和9737萬kg，A3sp=13.00萬畝，A=130萬畝，共可設計16組優化方案，對優化模型和擬定預測方案利用規劃求解算法進行求解，得到種植面積和總產值，并對方案優化結果進行分析總結，給出產量和價格變化情況下的疏勒河流域種植結構優化方案。

根據糧食產量閾值選擇的不同可以分為兩個情景：

情景一：Yjsp=8000萬kg，A3sp=13.00萬畝，A=130萬畝；

情景二：Yjsp=9737萬kg，A3sp=13.00萬畝，A=130萬畝。

在上述兩情景下，得出的各方案優化后產值結果見表5—6。

表5 情景一下各優化模型方案產值單位：億元

表6 情景二下各優化模型方案產值單位：億元

根據上節產量及價格預測方案可以得到畝均產值預測方案，見表7，由表中數據可知，在不同方案設計下糧食作物的畝均產值均小于經濟作物的畝均產值，因此在以總產值最大為目標的優化方案設計和計算過程中，計算結果由畝均產值作為約束條件來決定。

表7 畝均產值預測方案 單位：元/畝

根據對優化計算結果的分析總結可知，優化結果根據糧食畝均產量和糧食產量閾值組合可以分為4類(此時A3sp=13.00萬畝，A=130萬畝)，見表8。

表8 畝均產量與產量閾值組合方案

根據對上述4種方案的總結，最終得到的種植結構優化結果，見表9。

表9 2015年種植結構優化結果表單位：萬畝

從表9的計算結果可知，糧食作物的種植面積約占13%～16%，經濟作物的種植面積占總面積的74%～77%，林草地的種植面積在約束條件的邊界達到，占總種植面積的10%。糧食作物、經濟作物和林草地的種植面積由糧食作物的畝均產量和糧食產量的閾值確定。由于經濟作物的畝均產值高于糧食作物的畝均產值，因此經濟作物仍然是疏勒河流域的主導作物，通過培育新品種，改善種植方式等提高糧食作物和經濟作物的畝均產量，對于保障疏勒河糧食安全、提高流域農業總產值及保障生態安全具有重要意義。

4 結論與討論

本文基于水資源合理分配，開展了農業種植結構優化方案研究，以糧食畝均產量和糧食、經濟作物單價作為變量進行模型優化計算，結果顯示產值總量由市場價格和畝均產量共同決定，但市場價格作用更為明顯，并且優化結果與糧食作物畝均產量、糧食作物產量和林草地種植面積閾值有關，且最優解均為滿足約束條件邊界處，且計算分析，糧食作物種植面積應占13%～16%，經濟作物的種植面積占總面積的74%～77%，林草地的種植面積占總種植面積的10%，這個種植比例既能保證水資源合理分配，又能實現產量總值最大化。目前，灌區作物種植面積和種類在很大程度上受主客觀因素的影響，在一定程度上還不能按照優化模型來生產，所有還需要進一步調查，形成更加易于推廣的模型研究。