基于不确定性的农业水资源优化配置及应用

我国农业一直是用水需求量的产业，需水量常年占比超过60%。随着生活用水和生态用水的需求占比逐渐增大，农业用水面临的压力日益增长。2021年中共中央、国务院印发的《黄河流域生态保护和高质量发展规划纲要》明确提出要“针对农业生产中用水粗放等问题，严格农业用水总量控制，以大中型灌区为重点推进灌溉体系现代化改造，推进高标准农田建设，打造高效节水灌溉示范区，稳步提升灌溉水利用效率”。

我国在经济快速发展的过程中，农业发展却相对滞后，面临着诸多问题，例如农业水资源量不足，用水量逐年降低；供给侧结构不合理，无效供给过剩；农业水资源利用率低，农业灌溉用水水资源浪费严重；农业种植结构存在突出问题等。这些问题都制约着农业质量效益和竞争力的提高。灌区作为我国粮食生产的主要基地，面对日益严峻的水资源问题，急需优化灌溉管理方案和农业种植结构。同时，灌区灌溉管理优化模型中存在着多种不确定性因素，例如降水、可用水量、经济参数等。这些不确定性因素可能给农业系统造成很大的损失甚至带来灾难性的风险，但其在以往的确定性模型中都是无法反映的，因此研究和应用不确定性优化理论对农业系统的三个主要单元——农业水资源、灌溉系统、农作物种植结构进行优化具有非常重要的意义。

为提高农业水资源利用效率与管理水平，从20 世纪60年代开始，国内外学者就开始将系统运筹优化理论应用于水资源的优化配置研究。之后又将作物生长模型和随机动态规划相结合用于灌溉用水的分配研究，也出现了很多模型成果，如多水源联合运用的灌溉规划模型、灌区水资源优化配置序列模型、分层耦合的水资源实时优化调度模型、地表地下水联合调度递阶优化模型等大量成果。农业水资源的优化配置也逐渐由经验管理向更精准的优化管理转变。20世纪90年代初，Gordon Huang教授提出了区间优化算法，将各种各样的不确定性优化技术应用到农业水资源优化模型中，并开发出了大量具有区间、模糊、随机特性的不确定性资源优化管理模型。以中国农业大学郭萍教授为代表的学者也开发了大量既实用又有创造性的不确定性优化管理模型，如两阶段模糊机会约束规划模型、模糊机会约束线性分式模型、基于区间两阶段模糊可信性约束的灌区水资源优化配置模型、基于模糊定权的模糊可信性约束二次规划模型、基于不确定性的区间分式规划灌区优化配水模型、基于双区间作物灌溉水量优化模型等上百种模型，为农业水资源高效配置的管理提供了丰富的理论基础。

随着不确定性模型的型式越来越复杂，求解方法越来越丰富，迫切需要有关介绍不确定性模型及其应用的参考书籍。本书从农业系统中存在的问题及其不确定性因素出发，介绍了相关的常用基本规划模型及其求解方法，并结合国内部分灌区的应用实践，建立了若干农业水资源优化配置模型、农业结构优化模型、灌溉水质评价模型、农业水资源与社会经济协调发展预测模型，并简单介绍了两个决策支持系统。这些模型和系统等均以不确性理论为核心，旨在为从事农业水资源优化配置、水环境管理等的工程技术人员、科研人员和管理人员提供理论依据、技术参考和案例借鉴，也可供高等学校环境科学与工程、生态工程、农业工程及相关专业师生参考。

本书由杨改强著，在撰写过程中得到了中国农业大学郭萍教授的悉心指导，东北农业大学李茉教授、太原科技大学霍丽娟教授、山西电子科技学院丁丽瑞老师给予了大力支持，太原科技大学刘亚红、徐云飞、夏爽、赵俊楠等参与了本书的编排和校对工作。另外，化学工业出版社在本书的策划和组织方面做了大量工作；国家自然科学基金（51709195、U21A20524）、山西省基础研究计划（20210302123213）和山西省社会经济统计科研项目（KY[2021]146）对本书的撰写和出版予以了经费支持，在此一并表示衷心的感谢！

由于著者水平所限，撰写时间仓促，书中难免存在不足和疏漏之处，敬请广大读者提出修改建议，以助本书进一步完善。

著  者      

2021年6月于太原

本书从农业系统中存在的问题及其不确定性因素出发，以不确定性农业水资源模型为主线，主要介绍了常用不确定性农业水资源优化模型的形式及其求解方法、农业水资源优化配置模型（包括基于多重不确定性的作物间水资源多目标优化模型、区间模糊两阶段随机规划模型、基于区间的灌区水资源优化模型）、农业种植结构优化模型（包括不确定性多目标种植结构优化模型、基于双层分式规划的种植结构优化模型）、农业系统评价方法（包括模糊综合评判方法、基于区间数的模糊综合评判方法、农业水资源与社会经济协调发展预测分析方法）、决策支持系统（区间模糊农业水资源优化配置决策支持系统、基于排队论的灌溉优化管理决策支持系统），并结合国内部分灌区的实际情况说明应用过程，旨在提高农业水资源的利用效率并降低未来可能的风险。

本书专业性、可读性强，可供农业、水利或环境领域的科研人员、工程技术人员和管理人员参考，也可供高等学校环境科学与工程、生态工程、农业工程及相关专业师生参阅。

杨改强，太原科技大学环境科学与工程学院副教授，毕业于中国农业大学，主要从事水资源优化管理方面的研究，承担环境规划学、环境工程设计基础、水污染控制工程等课程教学；参与及承担的项目包括不确定条件下半湿润偏旱灌区多目标水资源优化配置模型和应用研究、基于Copula-VaR的多重不确定性农业水资源风险度量与优化模型研究、土壤孔隙中铁氧化物修复材料迁移行为及其与砷的稳定化反应机制等。

第1章  绪论

1.1  概况 2

1.1.1  农业系统存在的现实问题 2

1.1.2  农业系统中存在的不确定性因素 4

1.2  国内外研究现状 6

1.2.1  灌溉水资源优化配置研究现状 7

1.2.2  种植结构规划配置研究现状 12

1.2.3  不确定优化模型研究现状 14

1.2.4  水质评价方法研究现状 16

1.2.5  农业供给侧结构性改革的研究现状 17

1.2.6  相关决策支持系统研究现状 18

1.3  本书的主题内容及意义 20

1.3.1  主题内容 20

1.3.2  本书研究的意义 21

第2章  系统优化基础理论

2.1  农业水资源优化配置原则 24

2.2  农业系统优化建模方法及求解算法 25

2.2.1  区间线性规划 25

2.2.2  区间线性半无限规划 31

2.2.3  模糊线性规划 32

2.2.4  分数规划 35

2.2.5  双层分式规划 36

2.2.6  多目标规划 39

2.3  农业系统评价方法 42

2.3.1  层次分析法 43

2.3.2  模糊综合评判方法 44

2.3.3  灰色聚类法 48

2.3.4  区间数排列方法确定 50

2.3.5  协调度发展评价方法 50

第3章  农业水资源优化配置模型

3.1  基于多重不确定性的作物间水资源多目标优化模型 58

3.1.1  模型建立 58

3.1.2  应用实例 61

3.1.3  结果分析 64

3.2  区间模糊两阶段随机规划模型 66

3.2.1  模型建立 66

3.2.2  应用实例 69

3.2.3  结果分析 76

3.3  基于区间的灌区水资源优化模型 78

3.3.1  模型建立 79

3.3.2  模型求解 81

3.3.3  结果分析 83

第4章  农业种植结构优化模型

4.1  不确定性多目标种植结构优化模型 93

4.1.1  模型建立 93

4.1.2  种植结构单目标规划模型结果分析 97

4.1.3  种植结构多目标规划模型结果分析 100

4.2  基于双层分式规划的种植结构优化模型 103

4.2.1  模型建立 103

4.2.2  模型求解 105

4.2.3  结果分析 112

第5章  农业系统评价方法

5.1  模糊综合评判方法用于灌区水质评价 117

5.1.1  模糊综合评判方法 117

5.1.2  冶河灌区水质评价 120

5.2  基于区间数的模糊综合评判方法和灰色聚类法的地表水水质评价 125

5.2.1  地下灌溉用水水质评价方法 125

5.2.2  灌溉用水水质评价 126

5.3  农业水资源与社会经济协调发展预测分析 129

5.3.1  模型应用 129

5.3.2  评价结果及分析 132

第6章  决策支持系统开发及应用

6.1  区间模糊农业水资源优化配置决策支持系统 139

6.1.1  模型 139

6.1.2  系统设计 142

6.1.3  应用实例 152

6.2  基于排队论的灌溉优化管理决策支持系统 156

6.2.1  模型 158

6.2.2  系统设计 161

6.2.3  应用实例 165

第7章  结论与趋势分析

7.1  主要结论 174

7.2  本书特色 175

7.3  主要存在问题 176

7.4  研究展望 177

附录

附录1  单目标模糊区间农业水资源优化配置代码 182

附录2  区间模糊农业水资源优化配置决策支持系统主要代码 188

附录3  粒子群优化算法代码 213

参考文献

 

本书从农业系统中存在的问题及其不确定性因素出发，以不确定性农业水资源模型为主线，主要介绍了常用不确定性农业水资源优化模型的形式及其求解方法、农业水资源优化配置模型（包括基于多重不确定性的作物间水资源多目标优化模型、区间模糊两阶段随机规划模型、基于区间的灌区水资源优化模型）、农业种植结构优化模型（包括不确定性多目标种植结构优化模型、基于双层分式规划的种植结构优化模型）、农业系统评价方法（包括模糊综合评判方法、基于区间数的模糊综合评判方法、农业水资源与社会经济协调发展预测分析方法）、决策支持系统（区间模糊农业水资源优化配置决策支持系统、基于排队论的灌溉优化管理决策支持系统），并结合国内部分灌区的实际情况说明应用过程，旨在提高农业水资源的利用效率并降低未来可能的风险。

本书专业性、可读性强，可供农业、水利或环境领域的科研人员、工程技术人员和管理人员参考，也可供高等学校环境科学与工程、生态工程、农业工程及相关专业师生参阅。

杨改强，太原科技大学环境科学与工程学院副教授，毕业于中国农业大学，主要从事水资源优化管理方面的研究，承担环境规划学、环境工程设计基础、水污染控制工程等课程教学；参与及承担的项目包括不确定条件下半湿润偏旱灌区多目标水资源优化配置模型和应用研究、基于Copula-VaR的多重不确定性农业水资源风险度量与优化模型研究、土壤孔隙中铁氧化物修复材料迁移行为及其与砷的稳定化反应机制等。