灌區(qū)水資源優(yōu)化配置決策支持系統(tǒng)

(新疆烏蘇市水利局，新疆 烏蘇 833000)

灌區(qū)水資源優(yōu)化配置決策支持系統(tǒng)

杜秀

(新疆烏蘇市水利局，新疆 烏蘇 833000)

本文利用系統(tǒng)優(yōu)化理論，將灌區(qū)整體水資源的數(shù)量作為主要約束條件，構(gòu)造整個灌區(qū)作物總產(chǎn)量最大的目標函數(shù)，運用線性規(guī)劃思想進行求解，優(yōu)化整個灌區(qū)水資源配置。以windows操作系統(tǒng)為開發(fā)環(huán)境， 選用Vb6.0編程語言，Access數(shù)據(jù)庫管理數(shù)據(jù)，開發(fā)整個灌溉區(qū)水資源優(yōu)化配置決策支持系統(tǒng)，實現(xiàn)整個灌區(qū)水資源優(yōu)化配置的自動化及可視化。

灌區(qū)水資源；優(yōu)化配置；系統(tǒng)優(yōu)化理論；決策支持系統(tǒng)

1 引 言

由于近年來溫室效應(yīng)加劇，氣候變化異常，灌區(qū)降雨極不穩(wěn)定，加上水庫常年失修，造成庫容降低，灌區(qū)水資源常常得不到優(yōu)化配置，造成整個灌區(qū)農(nóng)業(yè)產(chǎn)量大量減產(chǎn)。優(yōu)化配置灌區(qū)水資源，降低干旱對農(nóng)業(yè)減產(chǎn)的影響，是關(guān)系著國計民生的大事。

針對灌區(qū)水資源優(yōu)化配置問題，國內(nèi)眾多專家學者做過相關(guān)研究探索。張臻等[1]從決策支持系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能角度,概括總結(jié)了決策支持系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)灌溉方面的應(yīng)用；楊玲等[2]引入系統(tǒng)工程分解協(xié)調(diào)理論，構(gòu)造以總效益最大為目標的灌區(qū)灌溉水資源遞階控制優(yōu)化模型，實現(xiàn)灌區(qū)水資源優(yōu)化配置；馮克鵬[3]構(gòu)造多目標水資源優(yōu)化配置模型，并運用3S技術(shù),開發(fā)水資源優(yōu)化配置決策支持系統(tǒng)；鹿星等[4]考慮水資源、社會、經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境因素，整合水資源多過程模擬和優(yōu)化配置決策支持分析系統(tǒng),實現(xiàn)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(gòu)造水庫優(yōu)化調(diào)度模型和渠系工作制度優(yōu)化模型。其中水庫優(yōu)化調(diào)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(shù)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(shù)。李晨洋等[6]考慮灌區(qū)水資源系統(tǒng)的不確定性與復雜性，借助區(qū)間數(shù)、模糊數(shù)、隨機變量，構(gòu)造區(qū)間兩階段模糊隨機規(guī)劃模型，優(yōu)化配置水資源。以上文獻雖然對灌區(qū)水資源配置進行了相關(guān)研究，但是很少從系統(tǒng)角度考慮，將整個灌溉區(qū)的農(nóng)作物總產(chǎn)量作為目標函數(shù)；設(shè)計的決策支持系統(tǒng)人機交互界面失去人性化，不利于相關(guān)人員使用。

2 模型建立

2.1 作物水分生產(chǎn)函數(shù)

水分生產(chǎn)函數(shù)是指供水時間、數(shù)量與作物產(chǎn)量之間的函數(shù)。本文利用相乘模型，具體如下：

(1)

式中Xb—— 農(nóng)作物單位面積實際產(chǎn)量，kg/hm2；

Xt—— 作物得到充分灌溉，不缺水是單位面積產(chǎn)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(shù)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(yīng)，而且將各個階段聯(lián)系考慮，采用相乘方式，推算多階段缺水對總產(chǎn)量的影響，這樣搭建了生長水資源與總產(chǎn)量的關(guān)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(guī)律；第二，作物缺水時，作物耗水量不符合潛在規(guī)律，與土壤的水分多少相關(guān)。具體規(guī)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(qū)水資源優(yōu)化配置模型

設(shè)定作物數(shù)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(guī)律，研究水資源的合理配置，使得作物總產(chǎn)量最大。具體協(xié)調(diào)分配模型見圖1。

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

圖1 具體協(xié)調(diào)分配模型

3 決策支持系統(tǒng)開發(fā)

3.1 水資源決策支持系統(tǒng)

水資源決策支持系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)庫、 模型庫、方法庫和人機交互界面。數(shù)據(jù)庫的主要功能是存儲各相關(guān)數(shù)據(jù)及各模塊間數(shù)據(jù)傳輸。模型庫主要是各數(shù)學模型的集合。方法庫主要存儲數(shù)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(guān)信息，并將運算結(jié)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(jīng)驗等，無法用量化的數(shù)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(jīng)驗判斷輸入水資源決策支持系統(tǒng)建立智能型決策支持系統(tǒng)，其框架圖見圖2。

圖2 水資源智能決策支持系統(tǒng)框架圖

3.2 灌區(qū)水資源優(yōu)化配置決策軟件的開發(fā)

軟件開發(fā)環(huán)境是windows操作系統(tǒng)， 選用Vb6.0編程語言。數(shù)據(jù)庫的開發(fā)和管理選取Access。依據(jù)系統(tǒng)工程理論，借助水資源優(yōu)化配置數(shù)學模型，在人機交互界面內(nèi)輸入所調(diào)查數(shù)據(jù)資料，通過決策支持系統(tǒng)內(nèi)部程序的運算，在人機交互界面中獲得水資源優(yōu)化配置的結(jié)果，從而達到總體產(chǎn)量最大的效果。開發(fā)該決策系統(tǒng)的主要工作包括如下幾個方面：

a. 基礎(chǔ)資料子模塊( 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng))。本系統(tǒng)應(yīng)用Access系統(tǒng)存儲并管理調(diào)用基礎(chǔ)資料，其基礎(chǔ)資料包含：灌區(qū)總體資料；灌區(qū)分區(qū)資料；灌區(qū)作物資料；灌區(qū)地下水資源資料；灌區(qū)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(shè)計應(yīng)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(shè)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(shù)學模型及計算方法，是決策支持軟件的關(guān)鍵模塊。其計算數(shù)據(jù)主要來源于數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)及人機交互界面人為輸入的信息，通過數(shù)據(jù)調(diào)用及傳輸進入數(shù)學模型，相應(yīng)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(yōu)化配置模型計算模塊。計算所需基礎(chǔ)數(shù)據(jù)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(chǎn)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(shù)量，從而達到增產(chǎn)的效果，其中計算程序和數(shù)據(jù)合理有效調(diào)用是水資源合理配置的關(guān)鍵。

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

?子灌區(qū)水資源優(yōu)化配置計算模塊。該模塊建立在?、?的基礎(chǔ)上，主要解決子灌溉區(qū)的水資源優(yōu)化配置問題。

?整個灌區(qū)水資源優(yōu)化配置計算模塊。該模塊建立在?的基礎(chǔ)上，考慮多個子灌溉區(qū)相互協(xié)調(diào)、資源共享的條件下，如何水資源優(yōu)化配置實現(xiàn)整個灌溉區(qū)整體產(chǎn)量最大化。

各計算模塊互相聯(lián)系，計算模塊與數(shù)據(jù)庫獨立且互為支撐，這種動態(tài)關(guān)系形成了本文的決策支持系統(tǒng)。

d. 方法子模塊。主要應(yīng)用系統(tǒng)最優(yōu)化理論及相關(guān)線性規(guī)劃方法解析模型。

4 總 結(jié)

本文基于系統(tǒng)優(yōu)化理論，將灌溉區(qū)水資源的數(shù)量作為主要約束條件，構(gòu)造灌區(qū)總效益最大的目標函數(shù)，開發(fā)決策支持系統(tǒng)，通過內(nèi)部運算，實現(xiàn)灌區(qū)水資源優(yōu)化配置，達到灌溉區(qū)作物產(chǎn)量總體最大。

[1] 張臻, 王龍昌, 趙虎. 農(nóng)業(yè)資源優(yōu)化配置決策支持系統(tǒng)[J]. 農(nóng)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(qū)水資源優(yōu)化配置模型及決策軟件研究[J]. 節(jié)水灌溉, 2012(2):53- 56.

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

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

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

[6] 李晨洋, 張志鑫. 基于區(qū)間兩階段模糊隨機模型的灌區(qū)多水源優(yōu)化配置[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報, 2016(12):107- 114.

[7] 張靜萍. 水資源水質(zhì)水量優(yōu)化配置分析[J]. 水資源開發(fā)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