基于最低耗水農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)模型探析

呂玉華

（山東海陽市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，山東海陽 265100）

引言

我國作為一個人口大國，對糧食的產(chǎn)量需求一直較高，但種植過程中對于水資源會產(chǎn)生許多浪費，因此，在進(jìn)行農(nóng)業(yè)種植時，農(nóng)作物的分配結(jié)構(gòu)十分重要[1]。本文通過考慮最低耗水的農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)模型對其進(jìn)行設(shè)計，最終達(dá)到節(jié)約水資源的目的。本文通過五個步驟對農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行設(shè)計，通過預(yù)測農(nóng)業(yè)種植所需要的水量，對其設(shè)置多目標(biāo)優(yōu)化模型函數(shù)，根據(jù)函數(shù)的具體公式，確定該模型主要的參數(shù)值，對參數(shù)值的選取過程需要結(jié)合農(nóng)作物的不同比例與種類，確定模型參數(shù)值后[2]，需要對該模型運行的條件進(jìn)行設(shè)置，并根據(jù)目標(biāo)函數(shù)的公式與參數(shù)值之間的關(guān)系，最終達(dá)成模型運行條件，從而獲得多目標(biāo)優(yōu)化模型的優(yōu)化結(jié)果。

1 考慮最低耗水的農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)模型設(shè)計

1.1 預(yù)測農(nóng)業(yè)種植需水量

當(dāng)前僅憑經(jīng)驗制定了灌溉方法，灌水時間沒能根據(jù)農(nóng)作物自身的具體需求進(jìn)行把控，造成當(dāng)前農(nóng)田整體對農(nóng)作物的灌水效率低下，農(nóng)作物的總體灌溉水量消耗基數(shù)較大[3]。此外，目前對于糧食作物的需求較高，其本身需要大量的水源進(jìn)行灌溉，消耗水量較高；而糧食作物本身帶來的經(jīng)濟效益較低，因此造成很多灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水成本過高，經(jīng)濟效益較低。對不同農(nóng)作物用水量進(jìn)行預(yù)測，棉花、小麥等需要在較早的季節(jié)進(jìn)行播種，其整體耗水量較高。為此，可以根據(jù)土壤地質(zhì)的不同，采用地下水對農(nóng)作物進(jìn)行澆灌。本文根據(jù)不同農(nóng)作物的用水比例，對其進(jìn)行種植需水量的預(yù)測，其具體數(shù)據(jù)如表1所示[4]。

表1 單位面積內(nèi)主要農(nóng)作物凈灌溉需水量 單位（mm）

如上表所示，水文年型是與種植物相關(guān)的水文情況相適應(yīng)的一種專用年度，按照選擇供給河流水源自然轉(zhuǎn)變的時間，即從?？康叵滤崔D(zhuǎn)變到地面水源增多的時候以及根據(jù)與地面水文氣象相適應(yīng)的時候，選擇降水量極少，地表徑流接近停止兩種情況和標(biāo)準(zhǔn)對水文年度進(jìn)行劃分。根據(jù)表格可以看出，小麥單位面積內(nèi)所需要的凈灌溉需水量最高，并且隨著年度的變化呈現(xiàn)出明顯的上漲趨勢。種植面積增加意味著種植總規(guī)模擴大，種植數(shù)量也較多，因此需要更大的需水量。因此，小麥需水量最高，當(dāng)年種植面積達(dá)到55%時，小麥的需水量為489.32mm/d，并且隨著每年種植面積的增加，其需水量也隨之增加[5]。因此，根據(jù)上述不同種類的農(nóng)作物需水量進(jìn)行預(yù)測，以此為基礎(chǔ)，對目標(biāo)優(yōu)化模型進(jìn)行函數(shù)設(shè)置，為模型構(gòu)建奠定基礎(chǔ)。

1.2 設(shè)置目標(biāo)優(yōu)化模型函數(shù)

考慮最低耗水農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)分配模型，對其設(shè)置目標(biāo)共同優(yōu)化的模型函數(shù)設(shè)計，從提高產(chǎn)品產(chǎn)量、單位產(chǎn)量和總產(chǎn)量的基礎(chǔ)上設(shè)施單目標(biāo)優(yōu)化模型，能夠?qū)r(nóng)作物的種植結(jié)構(gòu)進(jìn)行最優(yōu)化處理，減少水資源的浪費[6]。最終目標(biāo)是在控制用水量的基礎(chǔ)上實現(xiàn)產(chǎn)量的最大化。

根據(jù)上述多種農(nóng)作物類型的需水量預(yù)測表，進(jìn)行目標(biāo)優(yōu)化模型的函數(shù)設(shè)置，該模型以農(nóng)業(yè)種植農(nóng)作物的總產(chǎn)量增加量為最終目標(biāo)，其中農(nóng)作物總產(chǎn)量的增加量為優(yōu)化前農(nóng)業(yè)種植產(chǎn)量與優(yōu)化后農(nóng)業(yè)種植產(chǎn)量，兩者之間的差值為農(nóng)作物總產(chǎn)量的增加量。在公式中考慮水資源消耗問題，綜合不同的灌溉方法與模型，設(shè)置單目標(biāo)優(yōu)化模型函數(shù)如下所示[7]。

式中maxf為農(nóng)業(yè)農(nóng)作物種植總產(chǎn)量增加量，ai為根據(jù)不同灌溉方法下各類農(nóng)作物的單位凈產(chǎn)值，xi為不同農(nóng)作物的種植面積，F(xiàn)為原來種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化前各類農(nóng)作物的總凈產(chǎn)值。

當(dāng)各類農(nóng)作物單位凈產(chǎn)值或種植面積增加后，導(dǎo)致總產(chǎn)量也隨之增加，因此，上述公式中主要變量在于各類農(nóng)作物的種植面積與不同的灌溉方法，根據(jù)這兩種可控制的變量進(jìn)行模型優(yōu)化，從中選取最合適的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，最終達(dá)成增加量f的max值[8]。

1.3 確定模型主要參數(shù)值

設(shè)置目標(biāo)優(yōu)化模型函數(shù)后，需要對該模型函數(shù)的主要參數(shù)值進(jìn)行確定，可以根據(jù)多重影響因素進(jìn)行分析討論，從而得出最優(yōu)化的主要參數(shù)值，將其代入到公式模型中，加以條件設(shè)置，最終得出相對應(yīng)的優(yōu)化模型的優(yōu)化結(jié)果[9]。

在對模型進(jìn)行參數(shù)取值時，主要包含以下五個參數(shù)：耕地資源參數(shù)、可利用水資源參數(shù)、灌溉定額、單位面積凈產(chǎn)值以及農(nóng)作物總產(chǎn)量凈產(chǎn)值。本文根據(jù)上述公式，主要進(jìn)行灌溉定額參數(shù)取值的工作[10]。

根據(jù)各類農(nóng)作物的需水量、灌溉用水定額等多種因素，確定其參數(shù)取值范圍，具體數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 灌溉定額參數(shù)取值表 （單位：m3/hm2）

如上表2所示，對各種農(nóng)作物的灌溉定額進(jìn)行參數(shù)取值，確定模型參數(shù)后，需要對模型運行條件進(jìn)行設(shè)置。

1.4 運行模型條件設(shè)置

確定模型參數(shù)后，需要對模型運行條件進(jìn)行設(shè)置。本模型運行的約束條件主要包括：種植面積約束、農(nóng)業(yè)用水量約束、綜合生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)等。本文主要對農(nóng)業(yè)用水量約束條件進(jìn)行分析[11-12]。農(nóng)作物單位產(chǎn)量受到品種、生存的自然地理位置、氣候條件、澆灌類型和效率等影響。因此，各種因素在很大程度上制約模型的運行和發(fā)展。同時灌溉方式和類型也成為了約束農(nóng)作物產(chǎn)量的重要因素。灌區(qū)的約束條件公式為[13]：

式中i表示農(nóng)作物類別，j表示不同的灌溉技術(shù)，n表示農(nóng)作物種類數(shù)量，m表示灌溉方式的數(shù)量。cij表示各類農(nóng)作物在不同的灌溉技術(shù)下的灌溉定額，xij表示各類農(nóng)作物在不同灌溉技術(shù)下的種植面積，WA為總用水量，bj表示其在不同灌溉技術(shù)下不同的農(nóng)作物在種植過程中占有總面積的比例[11]。在根據(jù)公式（2）對農(nóng)業(yè)用水量條件進(jìn)行約束后，再統(tǒng)計不同灌溉方式下農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)狀況，最后運行模型。

1.5 獲得目標(biāo)優(yōu)化模型優(yōu)化結(jié)果

通過上述過程對模型的構(gòu)建，可以將目標(biāo)函數(shù)與參數(shù)取值兩者結(jié)合起來，并利用對影響因素的約束

條件，得到目標(biāo)優(yōu)化模型的農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)的優(yōu)化結(jié)果[14]。此外，還要考慮農(nóng)業(yè)種植的需求情況以及當(dāng)?shù)氐膶嶋H地理概況與用水條件，并基于上述函數(shù)公式進(jìn)行計算，通過該模型得到對應(yīng)的種植結(jié)構(gòu)。此外，經(jīng)過上述分析，在眾多農(nóng)作物中，小麥、水稻等農(nóng)作物對用水量需求較高，在對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化時，應(yīng)合理分配種植面積以及灌溉的先后順序，從而達(dá)到水資源最低消耗值，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)種植節(jié)約水源的目標(biāo)。

2 實驗論證分析

2.1 實驗準(zhǔn)備階段

本文通過考慮最低耗水的農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，通過對目標(biāo)函數(shù)的確定以及相關(guān)約束條件的分析，實現(xiàn)多目標(biāo)優(yōu)化模型，最后，通過實驗研究，論證本文設(shè)計的種植結(jié)構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化模型與傳統(tǒng)種植結(jié)構(gòu)分配方法[3]相比的可靠性。

選取兩塊地質(zhì)情況相似、面積相同的農(nóng)田進(jìn)行對比試驗，實驗A組的種植結(jié)構(gòu)與灌溉方式根據(jù)本文設(shè)計的優(yōu)化模型的輸出結(jié)果進(jìn)行種植與灌溉，實驗B組根據(jù)傳統(tǒng)方法進(jìn)行種植與灌溉，最終實驗結(jié)果以用水量為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比論證。最佳的灌水頻率為一天兩次，灌水周期能夠較為穩(wěn)定的保持日常每天灌溉，灌溉定額根據(jù)農(nóng)產(chǎn)品自身的需水量和自然條件來進(jìn)行優(yōu)化配置。

2.2 實驗結(jié)論及分析

通過兩組實驗對比分析，不同組別的澆灌頻次是不一樣的，每天不同的灌溉頻次會在連續(xù)的60天后出現(xiàn)明顯的變化。分別經(jīng)過60天灌溉，由于不同的種植結(jié)構(gòu)，其灌溉方式不同，最終將用水量不斷累加，其最終實驗結(jié)果對比數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 實驗A、B兩組農(nóng)田種植用水量增長對比曲線圖

如圖1所示，在實驗前期，實驗A組用水量較多，實驗B組用水量較少；后期實驗A組處于穩(wěn)定狀態(tài)時，實驗B組用水量增長速度逐漸增加。其中，實驗A組的用水量增長幅度較小，增長速度較慢，最終在實驗結(jié)束60天時，有效地控制總用水量38噸。實驗B組增長幅度較大，增長速度后期逐漸加快，最終在實驗結(jié)束的第60天時，其用水總量達(dá)到53噸。兩者之間用水量相差15噸，在第50天時，兩者用水量相同，隨后實驗B組用水量不斷增加，實驗A組用水量趨于穩(wěn)定，增長速度逐漸減慢。

綜上所述，本文設(shè)計的種植結(jié)構(gòu)模型能夠在進(jìn)行農(nóng)業(yè)種植工作中，有效節(jié)約用水量，實現(xiàn)最低耗水量的目標(biāo)。

3 結(jié)束語

本文以最低耗水為目標(biāo)設(shè)計農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)模型，通過對不同地區(qū)具體情況的預(yù)測，確定農(nóng)業(yè)種植需要的用水量，設(shè)置目標(biāo)優(yōu)化模型函數(shù)，通過預(yù)測的指標(biāo)確定模型的主要參數(shù)值。本文還對該模型運行過程中的條件進(jìn)行了設(shè)置，當(dāng)模型運行后，會根據(jù)輸入數(shù)值的不同，輸出不同的優(yōu)化分配結(jié)果。并對目標(biāo)優(yōu)化模型的結(jié)果進(jìn)行分析，得出相應(yīng)的農(nóng)業(yè)種植方案，再根據(jù)不同方案進(jìn)行農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)的分配。最后，本文通過實驗論證證明本文設(shè)計方法更能夠節(jié)約水源，實現(xiàn)對多種農(nóng)作物用水量的分配優(yōu)化。