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A Full-Scale Optimization of a Crop Spatial Planting Structure and its Associated Effects 被引量:1
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作者 Qi Liu Jun Niu +1 位作者 Taisheng Du Shaozhong Kang 《Engineering》 SCIE EI CAS CSCD 2023年第9期139-152,共14页
Driven by the concept of agricultural sustainable development,crop planting structure optimization(CPSO)has become an effective measure to reduce regional crop water demand,ensure food security,and protect the environ... Driven by the concept of agricultural sustainable development,crop planting structure optimization(CPSO)has become an effective measure to reduce regional crop water demand,ensure food security,and protect the environment.However,traditional optimization of crop planting structures often ignores the impact on regional food supply–demand relations and interprovincial food trading.Therefore,using a system analysis concept and taking virtual water output as the connecting point,this study proposes a theoretical CPSO framework based on a multi-aspect and full-scale evaluation index system.To this end,a water footprint(WF)simulation module denoted as soil and water assessment tool–water footprint(SWAT-WF)is constructed to simulate the amount and components of regional crop WFs.A multi-objective spatial CPSO model with the objectives of maximizing the regional economic water productivity(EWP),minimizing the blue water dependency(BWFrate),and minimizing the grey water footprint(GWFgrey)is established to achieve an optimal planting layout.Considering various benefits,a fullscale evaluation index system based on region,province,and country scales is constructed.Through an entropy weight technique for order preference by similarity to an ideal solution(TOPSIS)comprehensive evaluation model,the optimal plan is selected from a variety of CPSO plans.The proposed framework is then verified through a case study of the upper–middle reaches of the Heihe River Basin in Gansu province,China.By combining the theory of virtual water trading with system analysis,the optimal planting structure is found.While sacrificing reasonable regional economic benefits,the optimization of the planting structure significantly improves the regional water resource benefits and ecological benefits at different scales. 展开更多
关键词 planting structure optimization Full-scale evaluation index system water footprint SWAT-WF module Interprovincial food trade Entropy weight TOPSIS
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基于随机动态规划的热带草原气候灌区种植结构优化研究
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作者 张昊 赵升伟 +3 位作者 钱俊 毛劲乔 张培培 龚轶青 《节水灌溉》 北大核心 2024年第10期15-21,共7页
为了降低热带草原气候区域可用水资源不确定性带来的灌区规划风险,合理进行灌区农作物的种植结构分配,从而充分发挥灌区经济效益,结合确定性动态规划及随机规划的优点,建立了基于随机动态规划的热带草原气候灌区种植结构优化模型。以塞... 为了降低热带草原气候区域可用水资源不确定性带来的灌区规划风险,合理进行灌区农作物的种植结构分配,从而充分发挥灌区经济效益,结合确定性动态规划及随机规划的优点,建立了基于随机动态规划的热带草原气候灌区种植结构优化模型。以塞内加尔卢加灌区为例,通过分析长系列1987-2016年灌区的灌溉可用水量,建立正态分布概率函数进行概率模拟,将随机动态规划模型应用于卢加灌区并将试验结果与确定性动态规划模型结果进行对比。研究结果表明,随机动态规划模型能够充分考虑灌区灌溉可用水量的不确定性,对灌区种植结构进行合理优化,相较于确定性动态规划的种植结构结果,平均每年增加1.37亿CFA的经济效益;随机动态规划模型的种植结构规划结果能够有效应对干旱等极端气候条件带来的影响,在极端干旱时(如1987年)灌区经济效益较确定性动态规划增加5.33亿CFA,使灌区发挥较高且稳定的经济效益。研究成果有利于灌区制定合理的农田管理和种植决策,为灌区农业经济可持续发展提供科学依据。 展开更多
关键词 热带草原气候 灌区 种植结构优化 动态规划 随机动态规划 灌溉可用水量的不确定性
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基于时序Sentinel-2影像的引黄灌区作物结构提取和供需水分析
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作者 孙斌 毕春宁 +4 位作者 薛建春 毕华军 孙力 许建辉 李斌 《人民黄河》 CAS 北大核心 2024年第7期131-137,共7页
在黄河流域用水指标严格控制的背景下,以山东省东营市垦利区引黄灌区为例,利用2022年时序Sentinel-2遥感影像构建作物生育期的NDVI时间序列,采用决策树分类方法提取灌区作物种植结构,基于垦利站气象资料和Penman-Monteith公式,分析了197... 在黄河流域用水指标严格控制的背景下,以山东省东营市垦利区引黄灌区为例,利用2022年时序Sentinel-2遥感影像构建作物生育期的NDVI时间序列,采用决策树分类方法提取灌区作物种植结构,基于垦利站气象资料和Penman-Monteith公式,分析了1973—2022年各作物的需水特性,利用遥感影像解译的各作物种植面积,计算了2022年灌区作物在不同降水保证率(5%、25%、50%、75%、95%)条件下的灌溉总需水量,结合2023年分配给灌区作物的灌溉水指标探究了灌溉水资源供需之间的平衡。结果表明:基于NDVI时间序列构建决策树分类方法可有效提取作物的种植结构,总体分类精度为85.07%,Kappa系数为0.819,能够满足作物灌溉需水量的研究。作物净灌溉需水量年际波动较大,水稻和冬小麦补充灌溉水量在所有作物中位列前两位,均值分别为913 mm和410 mm;处于雨季生长的夏玉米、夏大豆补充灌溉水量较小且灌溉需求均值较小。研究区2023年分配的灌溉水指标在降水保证率为50%时研究区灌溉水亏缺量为235.5万m^(3),在降水保证率为75%和95%时灌溉水亏缺量分别为1 754.5万m^(3)和2 261.5万m^(3)。 展开更多
关键词 Sentinel-2影像 种植结构 需水特性 灌溉水供需 引黄灌区
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水足迹视角下四川省主要粮食作物种植结构优化及用水效率分析 被引量:1
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作者 阳君 肖作林 +2 位作者 刘睿 戴技才 刘文利 《农业工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第12期117-127,共11页
作为粮食主产区,四川盆地农业用水占比高但农业用水效率低,季节性和区域性缺水严重,导致农业用水压力巨大。为了探究作物用水规律,提高作物用水效率,该研究以四川省为例,基于水足迹理论量化3种主要粮食作物用水量,并以此为基础构建蓝水... 作为粮食主产区,四川盆地农业用水占比高但农业用水效率低,季节性和区域性缺水严重,导致农业用水压力巨大。为了探究作物用水规律,提高作物用水效率,该研究以四川省为例,基于水足迹理论量化3种主要粮食作物用水量,并以此为基础构建蓝水和灰水足迹最小化,经济收益最大化的多目标优化模型,得到不同节水情景(5%、10%和15%)下的最优作物种植结构,最后通过用水效率指数分析优化前后各地农业用水效率。结果表明:1)2001—2021年间,四川作物生产用水呈现下降趋势,空间上由东北向西南逐渐减少,空间差异大。2)在节水5%、10%和15%情景下,种植结构优化结果均显示水稻和小麦面积调减,玉米面积调增;作物蓝水足迹在3种情景下均减少。3)研究时段内,作物用水效率在逐渐提升,并且呈现出“东南高-中间低”态势;经种植结构优化后,发现增加玉米种植面积,适当减少水稻、小麦种植面积,对提高作物用水效率有利。研究结果对农业水资源管理,提升作物用水效率,保障粮食安全具有参考价值。 展开更多
关键词 作物 农业 水足迹 种植结构优化 农业用水效率 四川盆地
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考虑水转化过程的干旱区内陆河流域适宜灌溉规模 被引量:1
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作者 胡雪雪 粟晓玲 +3 位作者 朱兴宇 褚江东 张特 吴海江 《农业工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第6期228-236,共9页
农业适水发展是保障干旱区水土资源高效利用和生态健康的关键,其核心在于如何科学确定灌溉规模,进而控制农业灌溉用水量。该研究以石羊河流域为研究区,在明确非灌溉需水量的基础上,基于水均衡模型计算考虑水转化过程的不同水文年农业灌... 农业适水发展是保障干旱区水土资源高效利用和生态健康的关键,其核心在于如何科学确定灌溉规模,进而控制农业灌溉用水量。该研究以石羊河流域为研究区,在明确非灌溉需水量的基础上,基于水均衡模型计算考虑水转化过程的不同水文年农业灌溉可用水量,并构建多目标种植结构优化模型对作物种植结构进行调整,最后改进水热平衡模型构建考虑水转化过程的旱区适宜灌溉规模计算模型,分析流域不同情景下的适宜灌溉规模。结果表明:地表水地下水联合调控下,石羊河流域丰、平、枯水年的灌溉可用水量分别为18.97亿~21.57亿、14.75亿~17.51亿、12.31亿~14.95亿m^(3);优化作物种植结构后能够以减少2.94%的经济效益实现14.13%的灌溉节水;构建的适宜灌溉规模计算模型在干旱区内陆河流域具有较好的适用性,采用该方法得到现状条件下石羊河流域丰、平、枯水年的适宜灌溉规模分别为27.73万~31.66万、21.55万~25.76万、18.01万~22.03万hm^(2),提高节水水平、调整种植结构后,流域的适宜灌溉规模有所增加。现状2020年(平水年)的实际灌溉面积高于当地水资源能够承载的临界适宜灌溉规模,需压减2.13万~6.34万hm^(2)。研究结果可在宏观层面上为决策者制定适水农业发展方案提供理论依据。 展开更多
关键词 水资源 灌溉 模型 水转化 适宜规模 种植结构优化 石羊河流域
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基于复杂种植结构多情景分析的灌区多目标多水源优化配置
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作者 王光耀 杜丽娟 +2 位作者 樊煜 雷波 徐征和 《农业工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第13期58-67,共10页
为改善多水源灌区农业用水供需矛盾,通过合理调整种植结构,优化灌区水资源配置,该研究以河北省邯郸市漳滏河灌区为研究对象,将农业灌溉缺水量最小和农作物经济效益最大作为目标函数,兼顾灌区生态安全约束,构建了基于种植结构优化的多目... 为改善多水源灌区农业用水供需矛盾,通过合理调整种植结构,优化灌区水资源配置,该研究以河北省邯郸市漳滏河灌区为研究对象,将农业灌溉缺水量最小和农作物经济效益最大作为目标函数,兼顾灌区生态安全约束,构建了基于种植结构优化的多目标多水源优化配置模型,针对作物熟制、作物种类、种植制度以及灌溉方式设置了8种不同的种植结构优化情景,通过自主改进的基于精英策略并协遗传算法(NSGAⅡ-S)对模型求解,获得不同情景下的水资源优化配置方案。结果表明:应用模型进行水资源配置后,各情景配水总量均有所减少,其中水库配水量高于其他水源的配水量,水库水、引黄水和引江水均达到用水总量控制目标,民有分区的各计算单元间的配水量变化明显,总配水量高于滏阳河分区;适当压减主要依靠抽取地下水灌溉的冬小麦的播种面积,变灌溉农业为旱作雨养农业,可以极大地减少地下水用量,增加灌区经济效益;最佳的种植结构优化方案为CS_(4)(削减冬小麦的种植面积,种植苜蓿,灌溉方式采取管灌或喷灌),该方案冬小麦播种面积压减17.10%,地下水开采量减少了16.42%,灌区的经济效益增加了26.41%,在保证配水总量最小的同时,具有更高的经济效益。该研究所构建的多目标多水源优化配置模型和作物配水结果可为类似地区的水资源配置提供参考。 展开更多
关键词 水资源 灌溉 农业 多水源 多情景 多目标 种植结构
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西北地区主要粮食作物种植的水、碳足迹及布局优化 被引量:2
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作者 王楚凡 牛俊 《中国农业科学》 CAS CSCD 北大核心 2024年第6期1137-1152,共16页
【目的】对西北地区主要粮食作物碳足迹和水足迹进行评估,并基于碳足迹和水足迹建立多目标种植结构优化模型,对各省(区)粮食作物进行空间布局调整,为减少碳排放量和强化水资源管理提供理论依据。【方法】以西北地区小麦、玉米和水稻种... 【目的】对西北地区主要粮食作物碳足迹和水足迹进行评估,并基于碳足迹和水足迹建立多目标种植结构优化模型,对各省(区)粮食作物进行空间布局调整,为减少碳排放量和强化水资源管理提供理论依据。【方法】以西北地区小麦、玉米和水稻种植面积、产量和农资投入量等为基础数据,利用生命周期法(LCA)对碳足迹进行评估;以蒸散量和有效降水量为基础数据,利用Penman-Monteith公式对水足迹进行评估;基于熵权法对西北五省(区)三大粮食作物布局进行多目标优化。【结果】1999—2020年西北地区小麦、玉米、水稻的碳足迹和水足迹在不同省(区)表现出明显的差异性。西北地区3种粮食作物小麦、玉米、水稻碳排放呈现出东西部较高,中部较低的分布特点,其单位产量碳足迹(PCF)的范围分别为:0.36—0.63、0.33—0.56、0.57—0.97 t CO_(2)-eq·t^(-1),单位面积碳足迹(FCF)分别为:(2.46±0.77)、(3.21±0.49)、(5.57±0.91)t CO_(2)-eq·hm^(-2)。2010—2018年西北地区小麦、玉米绿水总量呈平稳上升趋势,水稻绿水总量变化不显著。平均绿水总量较高的地区分布在陕西、甘肃和宁夏。蓝水总量在2010—2015年呈上升趋势,2016—2018年呈现下降趋势,平均蓝水总量较高的地区分布在甘肃、宁夏和新疆。玉米是西北地区三大粮食作物中蓝水足迹最小的作物,平均蓝水足迹为0.45 m^(3)·kg^(-1);水稻的蓝水足迹最大,平均蓝水足迹为0.77 m^(3)·kg^(-1)。基于碳足迹和水足迹进行粮食作物种植结构优化,以各省(区)不同作物种植面积为决策变量,并根据不同权重设置重点减少碳排放(生态效益)和重点增加绿水利用(水资源效益)的优化情景。情景1碳排放总量减少1.9%,绿水利用总量增加5.0%;情景2碳排放总量减少11.8%;情景3绿水利用总量增加6.7%。【结论】西北地区三大粮食作物碳排放和水总量时空差异显著。碳足迹方面,该地区三大粮食作物平均FCF呈现增加,PCF呈现降低的变化趋势。水足迹方面,该地区三大粮食作物绿水足迹高于全国均值,其中玉米绿水足迹最大,水稻绿水足迹最小。在粮食作物安全保障的前提下,小麦种植面积增加6.7%、玉米和水稻种植面积分别减少5.8%和8.0%,经济、资源和生态效益均有一定的改进。综上所述,多目标优化后可以提高绿水资源利用,减少碳排放量,缓解环境压力。 展开更多
关键词 碳足迹 水足迹 种植结构优化 粮食作物 西北地区
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引黄灌区秋浇模式的多目标优化与时空特征评价
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作者 吴映雪 薛静 +2 位作者 陈军锋 崔莉红 王慧 《节水灌溉》 北大核心 2024年第8期24-34,52,共12页
基于多目标在区域尺度实现河套灌区秋浇模式的优化对保证灌区粮食安全、用水安全和生态安全具有重要意义。基于率定验证后的分布式SWAP-WOFOST模型对2000-2017年河套灌区不同秋浇模式和种植条件下的模拟结果,以作物产量、水分生产力(Wat... 基于多目标在区域尺度实现河套灌区秋浇模式的优化对保证灌区粮食安全、用水安全和生态安全具有重要意义。基于率定验证后的分布式SWAP-WOFOST模型对2000-2017年河套灌区不同秋浇模式和种植条件下的模拟结果,以作物产量、水分生产力(Water Productivity,WP)、地下水埋深(Groundwater Depth,GWD)、土壤含水量(Soil Water Content,SWC)和土壤含盐量(Soil Salt Content,SSC)为评价指标,通过AHP-CRITIC-熵值法-TOPSIS综合评价法,分别对河套灌区3种主要作物(春小麦、春玉米和向日葵)种植条件下适宜的秋浇模式进行优选和评价,并对3种主要作物在推荐秋浇模式下的种植结构进行初步区划。结果显示:在推荐的秋浇模式下河套灌区3种作物的多年平均产量分别为4945、8332和3496 kg/hm^(2),多年平均WP分别为1.15、1.82和1.04 kg/m^(3),节省秋浇引黄灌溉水量约14.8%~30.7%。基于推荐的秋浇模式区划后春小麦、春玉米和向日葵的种植面积分别占灌区总面积的21.1%、37.8%和41.1%,在此种植结构下可节省约3.04亿m^(3)的秋浇引黄灌溉水量。 展开更多
关键词 河套灌区 秋浇模式 多目标优化 种植结构区划
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基于时间序列的冬小麦信息提取及灌溉信息识别方法研究
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作者 于锐 刘新侠 +1 位作者 杨鑫宇 赵博凡 《中国农村水利水电》 北大核心 2024年第9期68-82,共15页
河北是我国主要农业大省,一直是农业干旱多发区,其原因一方面在于区域水资源短缺严重,另一方面是仍以粗放型灌溉为主,造成水资源浪费。解决上述问题的关键在于提高我国农田灌溉用水效率,要做好该项工作,充分掌握农作物实际种植结构和灌... 河北是我国主要农业大省,一直是农业干旱多发区,其原因一方面在于区域水资源短缺严重,另一方面是仍以粗放型灌溉为主,造成水资源浪费。解决上述问题的关键在于提高我国农田灌溉用水效率,要做好该项工作,充分掌握农作物实际种植结构和灌溉信息至关重要。选取邯郸市邱县为研究区域,基于Landsat 8、高分1号影像数据以及无人机数据,结合冬小麦物候特征,构建冬小麦生长季时间序列数据集,采用支持向量机分类法进行了冬小麦信息提取;在此基础上,根据灌溉前后遥感指数变化规律,反演了地表温度(LST)、植被供水指数(VSWI)、温度植被干旱指数(TVDI)等因子,进行区域农作物灌溉信息提取模型实验。研究结果表明:①遥感影像时间序列数据SVM分类方法信息提取精度较高,Kappa系数为0.92;②Landsat 8影像LST、VSWI、TVDI灌溉面积提取结果对比发现,三类指数提取结果占冬小麦面积的比例均在60%以上,具有较好的一致性,调查证实基于VSWI反演灌溉面积效果最好;③三类指数提取结果叠加分析得到面积为128.357 km^(2),其中VSWI指数与此面积重叠率达88.48%。上述研究方法较准确的识别出冬小麦种植面积及其灌溉信息,可以作为区域水资源调度、种植结构调整、干旱防治的理论支撑和决策参考。 展开更多
关键词 灌溉信息识别 遥感反演 种植结构 植被供水指数
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基于生境适宜性和水资源约束的宁夏稻改旱研究
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作者 王嘉宁 唐谊娟 +3 位作者 眭颖菲 张露文 包玉斌 顾继升 《地理空间信息》 2024年第8期50-53,71,共5页
从气候条件、立地条件、土壤条件、灌排条件4个方面综合筛选土地适宜性评价因子,使用多指标综合评价方法测算水稻、小麦、春玉米土地适宜性,进而考虑水资源约束和水稻对于盐碱化耕地的改良作用,进行水稻种植布局优化。结果显示:(1)适宜... 从气候条件、立地条件、土壤条件、灌排条件4个方面综合筛选土地适宜性评价因子,使用多指标综合评价方法测算水稻、小麦、春玉米土地适宜性,进而考虑水资源约束和水稻对于盐碱化耕地的改良作用,进行水稻种植布局优化。结果显示:(1)适宜种植水稻、小麦、春玉米的耕地分别占各种植面积的71.01%、80.81%和38.85%。(2)假设缩减的水稻面积全部改为玉米,至少需要缩减1005.23 km^(2),此时能够节省水资源8.93亿m^(3),达到最低节水要求。若缩减的水稻面积全部改种小麦,则缩减的水稻面积至少为1129.47 km^(2)。当缩减面积介于1005.23 km^(2)与1129.47 km^(2)之间时,缩减的水稻必须部分转为小麦,部分转为玉米。无论哪种情况,转换为玉米的面积越多,节约的水资源量最大。 展开更多
关键词 宁夏 稻改旱 土地适宜性评价 种植结构优化 水资源约束
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气候与种植结构变化对温室气体排放及灌溉需水的影响 被引量:1
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作者 栾晓波 高子涵 +3 位作者 薛静 孙世坤 唐一荷 高飞 《农业机械学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第12期327-337,共11页
针对气候变化和种植结构调整对黄淮海地区农业生产作用不明晰的问题,基于反硝化分解模型(Denitrification-decomposition, DNDC),采用情景分析法评估了气候与种植结构变化对黄淮海地区农业温室气体(CO_(2)、CH_(4)和N_(2)O)排放和灌溉... 针对气候变化和种植结构调整对黄淮海地区农业生产作用不明晰的问题,基于反硝化分解模型(Denitrification-decomposition, DNDC),采用情景分析法评估了气候与种植结构变化对黄淮海地区农业温室气体(CO_(2)、CH_(4)和N_(2)O)排放和灌溉需水量的影响。结果表明:从1995年到2015年,研究区气候向暖湿化方向发展,其中年均最高温度无显著变化,年均最低温度上升0.7℃,年降水量增长46.5 mm;1995年研究区玉米、小麦和水稻种植面积分别约为7.9×10^(6)、1.4×10^(7)、2.9×10^(6)hm^(2);2015年3种作物种植面积均增大,而水稻、小麦种植比例减小。气候变化影响下,黄淮海地区农业温室气体排放增加,灌溉需水量小幅减小。与1995年相比,2015年CO_(2)、CH_(4)、N_(2)O排放强度分别增长至3 730.5、443.2、5.9 kg/hm^(2),增幅分别为4.7%、0.8%、26.2%,灌溉需水量减小为499.3 mm,减幅为6.6%。种植结构调整改变温室气体排放和灌溉需水量,黄淮海地区种植结构演变使CO_(2)、CH_(4)、N_(2)O排放总量增加至9.9×10^(7)、1.4×10^(6)、1.3×10^(5)t,分别增加13.8%、8.6%、13.3%,同时,玉米作为高耗水作物,部分地区灌溉需水量随其种植比例的增大而增大。研究结果可为黄淮海地区未来农业节水减排政策的制定提供理论依据。 展开更多
关键词 种植结构 灌溉需水量 温室气体 DNDC模型
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供需双侧调控下水稻灌区水-能源-粮食系统耦合协调评价与优化研究 被引量:5
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作者 张礼兵 康传宇 +3 位作者 金菊良 白亚超 章启兵 陈小凤 《水利学报》 EI CSCD 北大核心 2023年第7期829-842,共14页
对于水资源主要消耗用户和粮食重要生产基地的大型灌区,进行供需双侧调控是缓解灌区水资源供需矛盾、提高区域高质量可持续发展的重要途径之一。为了揭示灌区水-能源-粮食复杂的协调关系,针对性地开展系统优化调控。首先基于系统评价理... 对于水资源主要消耗用户和粮食重要生产基地的大型灌区,进行供需双侧调控是缓解灌区水资源供需矛盾、提高区域高质量可持续发展的重要途径之一。为了揭示灌区水-能源-粮食复杂的协调关系,针对性地开展系统优化调控。首先基于系统评价理论构建大型灌区水-能源-粮食系统耦合协调度评价模型,再基于灌区水资源系统模拟模型,以灌区水-能源-粮食耦合协调度最大为目标,以灌区主要作物水稻种植比例、水库分级分期旱限水位、水稻需水关键期限制供水比例作为优化调控变量,结合加速遗传算法,开展基于水资源供需双侧优化调控的灌区水-能源-粮食系统耦合协调评价与优化调控研究。杭埠河灌区应用结果显示:优化调控确定的灌区水稻种植比例、水库分级分期旱限水位、水稻需水关键期限供比例,相较于灌区运行现状能提高水-能源-粮食系统耦合协调水平,双季稻种植面积一定程度恢复使粮食产量明显提高,优化的水库旱限水位及水稻需水关键期水库限供比例,可在提升灌区干旱年份水资源利用效率的同时,较好地降低粮食作物因旱减产损失。可见,开展灌区供需双侧优化调控能显著提高灌区水-能源-粮食系统耦合协调性和适配性,可为提高水资源利用效率、布局主要粮食作物生产以及落实灌区水利高质量发展实施途径提供参考。 展开更多
关键词 大型灌区 水-能源-粮食系统 耦合协调优化 供需双侧调控 水库旱限水位 种植比例 限供比例
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基于产业结构的区域水环境承载力优化方法与例证 被引量:2
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作者 王西琴 贾宝珍 +1 位作者 姜智强 高伟 《中国环境科学》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第5期2652-2661,共10页
以人口数量和地区生产总值最大化为优化目标,以水资源可利用量、水环境容量和经济社会发展为约束,构建了包括产业结构、种植业结构和养殖业结构等要素的区域水环境承载力优化模型,为以种植业与养殖业为主要污染源地区的水环境承载力调... 以人口数量和地区生产总值最大化为优化目标,以水资源可利用量、水环境容量和经济社会发展为约束,构建了包括产业结构、种植业结构和养殖业结构等要素的区域水环境承载力优化模型,为以种植业与养殖业为主要污染源地区的水环境承载力调控提供方法,丰富水环境承载力调控的方法体系.以承德市为例进行实证研究,结果表明,(1)在经济发展调控与污染控制不同情景方案下,研究区可承载的人口与产业规模可分别提升2.6%~29.5%和18.5%~31.8%,表明产业优化和污染控制水平对区域水环境承载力具有重要影响,研究区尚有人口和经济增长空间;(2)控制经济社会发展速度,特别是优化农业种植结构、减少畜禽养殖规模是提高研究区水环境承载力的关键,农业种植结构和养殖结构是区域水环境承载力的敏感指标;(3)在水环境承载力约束下,污染控制指标如城镇生活污水处理率等存在下限阈值,表明研究区污染控制水平对水环境承载力具有短板效应. 展开更多
关键词 水环境承载力 产业结构 非点源 种植结构 养殖结构 目标优化
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基于水—能—粮关联关系的山西省农业种植结构优化调整 被引量:6
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作者 张鹏飞 肖梦琳 +4 位作者 张兆瑞 戴燕燕 韩顺莉 刘庚 赵景波 《节水灌溉》 北大核心 2023年第1期55-63,70,共10页
优化水、能源资源,调整农作物种植结构,以实现经济效益和生态效益最大化。以山西省为研究区,采用水足迹和能源消耗核算模型分析主要农作物的耗水及耗能特点,以水资源、能源、粮食等作为约束条件构建多目标规划模型,对主要农作物的种植... 优化水、能源资源,调整农作物种植结构,以实现经济效益和生态效益最大化。以山西省为研究区,采用水足迹和能源消耗核算模型分析主要农作物的耗水及耗能特点,以水资源、能源、粮食等作为约束条件构建多目标规划模型,对主要农作物的种植结构进行优化。结果表明,各类农作物多年平均单产水足迹和能耗存在较大差异,大豆为极高耗水高耗能蓝水消耗型,谷子为高耗水极高耗能灰水消耗型,油料为高耗水高耗能灰水—蓝水消耗型,小麦为中等耗水中等耗能蓝水消耗型,玉米为低耗水低耗能蓝水—灰水消耗型,蔬菜为极低耗水极低耗能灰水—蓝水消耗型作物。优化后的种植结构方案中,玉米、谷子和油料种植面积比例下降,小麦和大豆种植面积比例提高,蔬菜种植比例变化不大。基于水热条件的差异,山西省作物种植结构具有一定的空间差异,玉米、谷子、大豆和油料在全域内均有种植,小麦主要种植于晋南区和晋东南区的平川和丘陵区,蔬菜主要分布于地域条件及水热条件相对优越的盆地。在水—能—粮关联关系的基础上,优化后的种植结构符合山西省“十四五”农业现代化规划,整体方案具有趋于低耗能、低耗水、低污染等特点,有利于促进农业的可持续发展。 展开更多
关键词 水资源—能源—粮食 水—能—粮 农作物 种植结构优化 多目标规划模型 能耗核算模型 耗水 耗能 水足迹
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水足迹视角下西北旱区种植结构协同调整 被引量:1
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作者 张家欣 黄会平 +2 位作者 韩宇平 邓铭江 杨涛 《南水北调与水利科技(中英文)》 CAS CSCD 北大核心 2023年第4期751-760,共10页
以西北旱区为例,采用水足迹模型,分析主要农作物的耗水特点,并以水资源消耗量最小、生态安全和经济效益最大化为目标,构建以耕地资源、水资源和食物安全为约束条件的多目标规划模型对种植结构进行优化。结果表明:2000—2020年西北旱区... 以西北旱区为例,采用水足迹模型,分析主要农作物的耗水特点,并以水资源消耗量最小、生态安全和经济效益最大化为目标,构建以耕地资源、水资源和食物安全为约束条件的多目标规划模型对种植结构进行优化。结果表明:2000—2020年西北旱区主要作物产量增长2.41倍,种植面积增长1.24倍,粮食作物和经济作物的种植比例由2:1向1:1转变,种植结构由专一化向多样化发展;作物生产水足迹总量从838.70亿m^(3)增至1109.05亿m^(3),其中蓝水足迹占比高达79.09%,农业生产面临着巨大的水资源压力;调整作物种植结构,适当将蔬菜、薯类和豆类的种植面积提高140.593万hm2、1.863万hm^(2)和0.340万hm^(2),水资源消耗量可减少107.25亿m^(3),生态效益可提高27.47亿元,经济效益可提高470.74亿元。研究结果对促进西北旱区农业结构优化调整和水资源可持续利用具有重要的参考价值。 展开更多
关键词 西北旱区 水足迹 农业种植结构优化 水安全 生态安全 食物安全
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DSF-GWO算法在玛纳斯河灌区种植结构优化中的应用 被引量:1
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作者 潘月 杨广 +5 位作者 薛联青 许新港 古力生木·安甫丁 黄洲 王文赞 冉茂林 《排灌机械工程学报》 CSCD 北大核心 2023年第9期943-951,共9页
针对水资源总量约束条件下玛纳斯河灌区种植结构优化和农业用水合理配置的科学问题,以玛纳斯河灌区(石河子灌区、莫索湾灌区和下野地灌区)小麦、棉花、玉米、葡萄4种典型作物种植结构为基础,构建多目标优化配置模型对作物种植结构进行... 针对水资源总量约束条件下玛纳斯河灌区种植结构优化和农业用水合理配置的科学问题,以玛纳斯河灌区(石河子灌区、莫索湾灌区和下野地灌区)小麦、棉花、玉米、葡萄4种典型作物种植结构为基础,构建多目标优化配置模型对作物种植结构进行优化调整,采用改进后的灰狼优化算法(DSF-GWO)求解社会满足型(方案1)、节水优先型(方案2)、经济成本型(方案3)、综合发展型(方案4)4种发展情景下的子灌区农业种植结构优化方案.结果表明:石河子灌区方案2和方案3产生相同经济效益时,方案3的生态、社会效益比方案2分别低4.3%和7.3%,因此,方案2较适合石河子灌区规划年种植结构发展要求;莫索湾灌区方案4产生的经济效益分别高于方案1和方案3的3.6%和4.2%,生态效益高于方案2的0.5%,因此,选择方案4符合莫索湾灌区规划年种植结构发展需求;下野地灌区方案4产生的经济、社会效益均高于其他方案,生态效益对比其他方案相差较小,所以选择方案4对下野地灌区规划年种植结构进行调整. 展开更多
关键词 种植结构 农业用水优化配置 多目标优化配置模型 DSF-GWO算法 玛纳斯河灌区
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大中型灌区高质量发展现状评价指标体系构建与实证 被引量:1
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作者 余幸 王艳华 +4 位作者 景明 罗玉丽 杨健 曹起章 吕望 《人民黄河》 CAS 北大核心 2023年第8期21-25,共5页
为构建满足简捷性与完备性的反映灌区高质量发展现状的评价指标体系,以甘肃省某大型灌区和某中型灌区为例,从用水水平、管理水平、工程状况、种植结构及灌区生态5个方面建立了大中型灌区高质量发展现状评价指标体系,包含23个指标。采用... 为构建满足简捷性与完备性的反映灌区高质量发展现状的评价指标体系,以甘肃省某大型灌区和某中型灌区为例,从用水水平、管理水平、工程状况、种植结构及灌区生态5个方面建立了大中型灌区高质量发展现状评价指标体系,包含23个指标。采用层次分析法和熵权法分别确定各指标权重,利用线性加权法确定综合权重。开展灌区高质量发展现状评价指标体系的实例应用,结果表明:1)该评价指标体系能够较好地反映大中型灌区高质量发展现状,评价指标体系科学合理;2)国家在持续推进大中型灌区续建配套改造项目建设的同时要及时对灌区发展现状进行合理评价,确保灌区高质量发展。 展开更多
关键词 大中型灌区 高质量发展 用水水平 管理水平 工程状况 种植结构 灌区生态
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基于遥感反演的南方丘陵灌区农田灌溉水量估算
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作者 付静 和玉璞 +3 位作者 胡梦阳 孙浩 麦紫君 史一平 《江苏水利》 2023年第10期9-14,21,共7页
针对我国南方丘陵灌区水源广布、灌溉面积及用水量统计工作难度较大的问题,综合利用遥感影像和水量监测数据估算农田灌溉水量,分析灌溉前后水稻植被水分指数及其差值的变化特征,确定实际灌溉面积的临界阈值,进行稻田实际灌溉面积识别。... 针对我国南方丘陵灌区水源广布、灌溉面积及用水量统计工作难度较大的问题,综合利用遥感影像和水量监测数据估算农田灌溉水量,分析灌溉前后水稻植被水分指数及其差值的变化特征,确定实际灌溉面积的临界阈值,进行稻田实际灌溉面积识别。以江苏省淳东灌区为例进行应用,结果表明:验证区域内基于提取的种植结构估算的灌水量1400.80 m^(3)与实测灌水量1370.44 m^(3)相差仅30.36 m^(3),精度较高;MSI反演稻田实际灌溉面积精度整体较MSII高,最高可达93.42%;淳东灌区在水稻生育期内总灌溉用水量5108.84万m^(3),其中7月和8月的灌溉用水量占比较大,分别占总灌溉用水量的39.49%和30.59%,与实际情况相符。基于遥感影像反演的灌溉用水量可为农灌用水量统计数据合理性提供技术支撑。 展开更多
关键词 种植结构 灌区 植被指数 灌溉面积 灌溉用水量
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权衡生产和耗水的区域小麦种植格局优化
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作者 任频频 李保国 黄峰 《灌溉排水学报》 CAS CSCD 北大核心 2023年第8期1-8,共8页
【目的】优化种植广泛、灌溉密集的小麦种植面积,发挥节水灌溉优势,缓解华北地区的水资源短缺压力。【方法】引入小麦蒸散量耗水和产量等指标,建立华北区域尺度上的县域小麦种植面积目标规划模型,探讨生产和耗水权衡视角下的区域小麦生... 【目的】优化种植广泛、灌溉密集的小麦种植面积,发挥节水灌溉优势,缓解华北地区的水资源短缺压力。【方法】引入小麦蒸散量耗水和产量等指标,建立华北区域尺度上的县域小麦种植面积目标规划模型,探讨生产和耗水权衡视角下的区域小麦生产布局优化方案。【结果】2001—2009年,华北地区小麦生育期ET(Evapotranspiration)呈上升趋势,2010—2018年呈显著下降趋势(p<0.05)。不同水文年型的小麦ET差异显著,总体表现出“枯水年最高、平水年次之、丰水年最低”的特征。省级水平上,当总产量权重为1时,现有灌溉水平下的小麦总产量可提高1.2%~2.3%,当ET权重为1时,小麦蒸散量耗水可减少0.4%~0.8%;市级水平上的相应结果分别为0.7%~1.6%和0.3%~0.5%。此外,同一灌溉水平下,在总产量权重降低、ET权重增加的过程中,能保持较高小麦种植规模的区域呈现规律性转移(在河北是由南向北转移),体现了不同县域在小麦生产或耗水管理方面的优势。【结论】无论是当前灌溉水平还是在一定的灌溉约束下,通过优化华北地区的县域小麦种植规模,都可以获取更多的产量或实现更少的蒸散量耗水,本研究可为该地区区域小麦种植格局优化和水资源管理提供一定的参考。 展开更多
关键词 小麦种植 区域优化 生产耗水平衡 灌溉约束
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基于灌溉制度优化和种植结构调整的用水总量控制 被引量:20
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作者 彭致功 张宝忠 +3 位作者 刘钰 王蕾 杜丽娟 雷波 《农业工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第3期103-109,共7页
该文以农业耗水总量及灌溉取水总量为约束条件,采用优化灌溉制度和种植结构调整措施下京郊农业发展面积阈值。结果表明:1)采用优化灌溉制度措施能显著降低研究区农业耗水量与灌溉量,使区域农业耗水总量低于耗水总量控制指标及其使农业... 该文以农业耗水总量及灌溉取水总量为约束条件,采用优化灌溉制度和种植结构调整措施下京郊农业发展面积阈值。结果表明:1)采用优化灌溉制度措施能显著降低研究区农业耗水量与灌溉量,使区域农业耗水总量低于耗水总量控制指标及其使农业灌溉量取水总量低于其多年实际平均水平,但是农业灌溉取水总量仍超过其控制指标;2)在北京市大兴区减少耗水量高的露地蔬菜与冬小麦的种植面积,增加灌溉量少且耗水较低的夏玉米种植面积,同时进一步发展农业用水效率较高的设施农业面积,能够满足农业灌溉取水总量与耗水量总量控制指标,且符合国家规划稳定粮食产量与提高蔬菜产量的要求;3)满足灌溉取水总量控制下农业发展面积阈值为4.60?104~7.42?104 hm2,而满足耗水总量控制下农业发展面积阈值为6.72?104~9.48?104 hm2,而同时满足2种约束条件下农业发展面积阈值为7.42?104 hm2;4)在维持用水总量不变情况下,随着设施农业发展面积扩大,传统农业发展面积相应减少,但因用水总量约束值差异设施农业与传统农业的发展阈值并不完全一致。可见,为维持区域水资源持续高效利用,确保区域农业健康发展,势必采用优化灌溉制度与种植结构调整等节水措施,控制农业发展阈值在合理范围内,才能使区域农业用水总量不能突破灌溉取水总量与耗水总量的控制指标。研究对类似京郊资源性缺水地区农业健康发展具有重要参考价值。 展开更多
关键词 作物 灌溉 优化 耗水 种植结构 农业发展面积阈值
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