灌区水资源优化配置决策支持系统

(新疆乌苏市水利局，新疆 乌苏 833000)

灌区水资源优化配置决策支持系统

杜秀

(新疆乌苏市水利局，新疆 乌苏 833000)

本文利用系统优化理论，将灌区整体水资源的数量作为主要约束条件，构造整个灌区作物总产量最大的目标函数，运用线性规划思想进行求解，优化整个灌区水资源配置。以windows操作系统为开发环境， 选用Vb6.0编程语言，Access数据库管理数据，开发整个灌溉区水资源优化配置决策支持系统，实现整个灌区水资源优化配置的自动化及可视化。

灌区水资源；优化配置；系统优化理论；决策支持系统

1 引 言

由于近年来温室效应加剧，气候变化异常，灌区降雨极不稳定，加上水库常年失修，造成库容降低，灌区水资源常常得不到优化配置，造成整个灌区农业产量大量减产。优化配置灌区水资源，降低干旱对农业减产的影响，是关系着国计民生的大事。

针对灌区水资源优化配置问题，国内众多专家学者做过相关研究探索。张臻等[1]从决策支持系统的结构与功能角度,概括总结了决策支持系统在农业灌溉方面的应用；杨玲等[2]引入系统工程分解协调理论，构造以总效益最大为目标的灌区灌溉水资源递阶控制优化模型，实现灌区水资源优化配置；冯克鹏[3]构造多目标水资源优化配置模型，并运用3S技术,开发水资源优化配置决策支持系统；鹿星等[4]考虑水资源、社会、经济和生态环境因素，整合水资源多过程模拟和优化配置决策支持分析系统,实现可视化配置；王莹等[5]考虑水资源分配及管理方面的问题，构造水库优化调度模型和渠系工作制度优化模型。其中水库优化调度模型是基于库容约束、引水量约束、引水沟过流限制、水库库容瞬时约束以及非负约束5个约束条件，建立目标函数是：年总引水量最大及各水库月引水量之和最大的多目标函数。李晨洋等[6]考虑灌区水资源系统的不确定性与复杂性，借助区间数、模糊数、随机变量，构造区间两阶段模糊随机规划模型，优化配置水资源。以上文献虽然对灌区水资源配置进行了相关研究，但是很少从系统角度考虑，将整个灌溉区的农作物总产量作为目标函数；设计的决策支持系统人机交互界面失去人性化，不利于相关人员使用。

2 模型建立

2.1 作物水分生产函数

水分生产函数是指供水时间、数量与作物产量之间的函数。本文利用相乘模型，具体如下：

(1)

式中Xb—— 农作物单位面积实际产量，kg/hm2；

Xt—— 作物得到充分灌溉，不缺水是单位面积产量，kg/hm2；

i—— 作物生长期阶段；

ETbi—— 作物生长i阶段实际蒸腾量，m/hm3；

ETti—— 作物生长i阶段潜在蒸腾量，m/hm3；

n—— 作物生长阶段数量；

λi—— 作物生长i阶段缺水灵敏度。

相乘模型不仅考虑各个生长阶段缺水效应，而且将各个阶段联系考虑，采用相乘方式，推算多阶段缺水对总产量的影响，这样搭建了生长水资源与总产量的关系变化。

2.2 作物各阶段耗水变化

作物的耗水变化分为两种情况：第一，作物不缺水时，作物耗水量符合潜在规律；第二，作物缺水时，作物耗水量不符合潜在规律，与土壤的水分多少相关。具体规律如下：

(2)

Yj=666.7γHθj-θwp

(3)

式中ETb—— 作物得不到充足水分时日耗水量，m3/(hm2·d)；

ETt—— 作物得到充足水分时日耗水量，m3/(hm2·d)；

Y—— 土壤中在作物生长到生长末期的储水量，m3/(hm2·d)；

Yj—— 作物可获得的土壤储水量，m3/(hm2·d)；

γ—— 可供作物水分的土壤干容量，t/m3；

H—— 可供作物水分的土层深度，m；

θ—— 可供作物水分土壤含水百分比；

θwp—— 作物生长末期可供作物水分土壤含水百分比。

2.3 灌区水资源优化配置模型

设定作物数量比例一定，且总灌溉水资源总量一定，运用上述作物水分生长及各生长时期需水的变化规律，研究水资源的合理配置，使得作物总产量最大。具体协调分配模型见图1。

由图1可见，该优化配置模型由3个模块组成：ⓐ底层单一作物水资源优化配置模型；ⓑ中间层子灌区多种作物间水资源优化配置模型；ⓒ顶层整个灌区水资源优化配置模型。

图1 具体协调分配模型

3 决策支持系统开发

3.1 水资源决策支持系统

水资源决策支持系统主要包括数据库、 模型库、方法库和人机交互界面。数据库的主要功能是存储各相关数据及各模块间数据传输。模型库主要是各数学模型的集合。方法库主要存储数学模型的求解算法，作为模型库的工具存在。人机交互界面用于工作人员人为输入相关信息，并将运算结果以图表形式或文字形式展示给工作人员。因水资源配置问题涉及很多专家的主观因素经验等，无法用量化的数学模型表示，主要凭借专家的判断选择。为解决此问题，将专家们的经验判断输入水资源决策支持系统建立智能型决策支持系统，其框架图见图2。

图2 水资源智能决策支持系统框架图

3.2 灌区水资源优化配置决策软件的开发

软件开发环境是windows操作系统， 选用Vb6.0编程语言。数据库的开发和管理选取Access。依据系统工程理论，借助水资源优化配置数学模型，在人机交互界面内输入所调查数据资料，通过决策支持系统内部程序的运算，在人机交互界面中获得水资源优化配置的结果，从而达到总体产量最大的效果。开发该决策系统的主要工作包括如下几个方面：

a. 基础资料子模块( 数据库系统)。本系统应用Access系统存储并管理调用基础资料，其基础资料包含：灌区总体资料；灌区分区资料；灌区作物资料；灌区地下水资源资料；灌区需水量资料；气候降水资料。

b. 人机交互界面子模块。人机交互界面设计应该符合用户的逻辑思维，尽量做到全面且简洁，人性化。本文设计成条状下拉菜单形式，具体见图3。

图3 人机交互界面

c. 计算子模块。计算子模块包含数学模型及计算方法，是决策支持软件的关键模块。其计算数据主要来源于数据库系统及人机交互界面人为输入的信息，通过数据调用及传输进入数学模型，相应的计算方法启动，进行运算。其计算模块分为如下4个方面：

ⓐ单一作物水资源优化配置模型计算模块。计算所需基础数据包含两部分：作物的生长时期、各时期时间、缺水灵敏度λ、临界土壤有效水量、最大需水量、各生长时期需水量；土壤最初墒情、每次可灌水量、每亩作物最大产量、田间持水量。

通过一系列计算，求得总体灌水量后，需要考虑将水资源分配到各生长时期的数量，从而达到增产的效果，其中计算程序和数据合理有效调用是水资源合理配置的关键。

ⓑ作物水分生产函数计算模块。该计算模块主要是反复比较作物灌水量与产量的关系，计算大量离散数据，借助最小二乘法拟合出灌水量—产量函数，并作图，将图形通过人机交互界面展示给用户。

ⓒ子灌区水资源优化配置计算模块。该模块建立在ⓐ、ⓑ的基础上，主要解决子灌溉区的水资源优化配置问题。

ⓓ整个灌区水资源优化配置计算模块。该模块建立在ⓒ的基础上，考虑多个子灌溉区相互协调、资源共享的条件下，如何水资源优化配置实现整个灌溉区整体产量最大化。

各计算模块互相联系，计算模块与数据库独立且互为支撑，这种动态关系形成了本文的决策支持系统。

d. 方法子模块。主要应用系统最优化理论及相关线性规划方法解析模型。

4 总 结

本文基于系统优化理论，将灌溉区水资源的数量作为主要约束条件，构造灌区总效益最大的目标函数，开发决策支持系统，通过内部运算，实现灌区水资源优化配置，达到灌溉区作物产量总体最大。

[1] 张臻, 王龙昌, 赵虎. 农业资源优化配置决策支持系统[J]. 农机化研究, 2010(12):6- 10.

[2] 杨玲, 邱苑梅, 张慧颖, 等. 基于非充分灌溉原理的灌区水资源优化配置模型及决策软件研究[J]. 节水灌溉, 2012(2):53- 56.

[3] 冯克鹏. 宁夏水资源优化配置决策支持系统研究[D]. 银川:宁夏大学, 2014.

[4] 鹿星, 倪红珍, 杨明祥, 等. 水资源优化配置的可视化决策支持系统分析平台[J]. 水利水电技术, 2014(1):24- 27+31.

[5] 王莹, 余航, 杨茂灵, 等. 灌区水资源优化配置决策支持系统——以蜻蛉河灌区为例[J]. 中国农村水利水电, 2016(9):145- 148+152.

[6] 李晨洋, 张志鑫. 基于区间两阶段模糊随机模型的灌区多水源优化配置[J]. 农业工程学报, 2016(12):107- 114.

[7] 张静萍. 水资源水质水量优化配置分析[J]. 水资源开发与管理, 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