灌溉方案中水土资源优化配置方法研究进展

王 晶，白清俊

(1.陕西省土地工程建设集团有限责任公司/陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司/国土资源部退化及未利用土地整治重点实验室/陕西省土地整治工程技术研究中心，陕西 西安 710075；2.西安理工大学，陕西 西安 710048)

1 引言

水资源和土地资源是自然地理系统的重要组成因子，两者之间相互联系，又相互制约。在灌溉规划中，尤其是处在大型水系中的灌溉系统，因为土壤和环境不同，不同作物的水土资源优化配置是一个复杂的过程。我国是水资源贫乏国家，尤其是西北干旱地区，水资源瓶颈尤其突出。因此，在水资源有限的灌区，结合当地实际情况，探索公平有效的水土资源优化配置的研究方法，制定提高生产力且兼顾生态的灌溉方案，对缺水地区灌溉方案的规划具有科学的指导意义。

2 水土资源优化配置

2.1 水土资源优化配置概念

水土资源优化配置是指在一定条件下，为了实现经济、社会、生态效益的协调统一，依据水土资源的特性和系统原理，对区域有限的水资源和土地资源在时空上进行安排、设计、组合和布局，以提高水土资源利用效益，维持土地生态系统的相对平衡，实现水土资源的可持续利用[1]。

2.2 灌溉方案中水土资源优化配置应用

国内外已有很多以农业灌溉用水规划为目的的水土资源优化配置研究，Gorantiwar[2]在供水有限的灌溉方案中，考虑了作物和种植模式、土壤、灌溉间隔、初始水库储存量、效率以及出水和渠道容量，在不同的灌溉方案中以最佳的方式将土地和水资源分配给不同的作物，应用于印度的中等灌溉计划。国内，任志远[3]、雷志栋[4]分别以不同地区灌区为例，根据这一地区水土资源特点和灌区规划对水土资源的需求规律，分析水土资源的内部结构，建立了主要作物在不同灌区的优化模型；李亚平等[5]建立的应用于平原丘陵地区的水土资源联合优化配置模型，既对水资源在时间和区域上进行了合理的布局，又对农业种植结构进行了调整。目前，大部分灌溉用水管理模式只考虑作物需水量[6]或经济因素[7]。但在许多情况下，也需要考虑生态需水量。

3 国内外研究方法进展

灌区的水土资源优化配置研究方法主要有两种。一种是基于系统工程理论的方法，主要模型有线性规划模型、动态规划模型、多目标规划模型，使用相对广泛；另一种是基于系统动力学理论的方法，包括系统动力学模型等[8]。大多数模型以建立数学模型求解相对最优的资源供需配置，从模型应用目的上看，主要为针对提高灌溉效率的模型。

3.1 线性规划(LP)模型

线性规划数学模型在水土资源优化配置方法中应用最早，也较为广泛，但它多用于研究单一阶段的静态分析，具有局限性，因此常与其他规划方法相结合来解决水土资源优化配置。例如，Reca[9]考虑了作物系统、灌溉区、整个流域3个独立的优化问题，根据水边际效益最大化原则，建立了缺水灌溉系统水文规划的经济优化模型；Das[10]开发了利用线性规划模型进行最佳土地和水资源分配的软件，用于在印度东部马哈纳迪河上的多功能灌溉项目。白丹等[11]在考虑了区域农业灌溉可利用水量、节水灌溉工程现状、各种节水灌溉技术适应性、综合灌溉定额和亩投资等条件基础上，建立了区域节水灌溉工程最优规划模型。

3.2 动态规划(DP)模型

动态规划模型是解决多阶段优化配置问题的数学方法，多用于单一作物和多种作物最优灌溉制度的确定。例如，在严重缺水的条件下，Shangguan Z[12]提出了一种针对整体最大效率的灌溉水资源区域优化配置的递归控制模型，可以应用于干旱和半干旱地区，该模型由三个层次组成，第一级涉及用于优化作物灌溉调度的动态编程，第二级涉及各种作物之间水资源的最佳分配，最后一级涉及不同区域之间水资源的最佳分配。崔远来[13]依据稻田灌溉的特点，以灌区总效益最大为总目标，针对水稻灌区建立两层分解协调模型(DP-SDP迭代法)，分别用于求解单一作物非充分灌溉条件下最优灌溉制度，以及有限水土资源在多种作物之间的最优分配。于艳玲[14]改进了动态规划方法，采用加速遗传算法(RAGA)对模型进行计算，模型既对水库进行优化调度，又考虑了灌区水资源优化配置。实例计算结果表明，建立的模型能有效提高灌区灌溉效益(尤其是干旱年份)。

3.3 多目标规划模型

多目标规划是在线性规划的基础上，为解决资源管理中多个目标最优化决策的复杂问题而发展起来的方法[15]。水土资源优化配置通常要考虑经济发展、生态保护以及社会效益等多个方面的因素，为达到综合效益最优化的目的，就需要采用多目标规划模型进行水土资源配置。例如，为解决厄瓜多尔塞拉地区水资源分配效率低下和不公平的问题，Evans[16]以土地、水资源、劳动力、人口、作物、牲畜为约束条件，建立兼顾效率和公平的多目标综合测度模型，为灌溉水资源优化配置提供方案；在国内，王新等[17]建立了区域农业节水最优规划模型，模型中充分考虑了农业可用水量、水源类型、作物种植面积、节水灌溉工程现状情况、各种节水灌溉技术适用性等条件，根据农业灌溉可用水量，在保证各种作物灌溉用水量的条件下，可获得总投资最小的各种节水灌溉技术发展面积，达到水土资源优化配置；孙博等[18]结合研究区土地、水、肥和作物种植模式，以优化经济效益、作物产量和劳动力为目的，提出多目标模糊线性规划模型，达到了合理分配土地和水资源，提高水资源利用率、作物产量和净效益的目的。

3.4 系统动力学(SD)模型

系统动力学是模拟社会经济、生态系统动态行为的计算机仿真技术[19]。动态模型的研究和应用相对较晚，但由于其定性与定量相结合，系统、分析、综合与推理集成的方法，目前已经逐渐成为现代科学决策和预测的有效工具，所以被广泛应用在资源承载力分析和动态优化中，尤其是对资源优化配置方案的评价选优[1,8]。系统动力学模型可以模拟系统动态过程，求解非线性、复杂时变的系统问题。如任望兵[20]通过建立区域水土资源协调开发的SD模型，得出哈密市在一定水资源利用状况下的土地开发规模以及相应的耗水结构和作物种植结构；童芳等[21]建立了区域水土资源优化配置的系统动力学流率基本入树模型，将需水、供水、土地需求及供给和生态环境影响等相关要素与社会、经济、环境系统耦合成一个复杂的水资源-土地资源-社会经济-生态模拟系统，制定了苏南丘陵地区水土资源联合配置及可持续利用的实施方案。

4 存在问题及对策

随着社会和科学技术的进步，水土资源优化配置在基础理论和模型方法上不断发展和完善。解决的目标上，从单目标发展为综合经济效益、社会效益和生态效益协调统一的多目标，实现了宏观尺度上的水土资源优化配置；研究方法上，由单一的数学规划模型发展为数学规划与模拟技术等结合的组合模型，使模型对系统模拟更客观、实际，特别3S技术以其强大的信息获取技术、处理技术、表达技术，广泛应用于水土资源优化配置的决策支持系统(DSS)[22]。

然而，由于水土资源优化配置所涉及的不仅是两种自然资源，而是由经济、社会、生态、环境、资源、人口组成的复杂系统，特别是可持续发展战略的实施，对水土资源配置的要求越来越高。因此，目前的国内外研究还有许多不足。

(1)将水土资源有效结合的整体研究较少。已有研究单纯优化水资源或土地利用结构，将另一种资源作为一种约束条件而不加优化配置，或者以经济效益为主导因素，社会效益和生态效益为约束条件，没有同灌区生态环境或粮食安全等实际问题相结合。因此，灌区水土资源优化配置应更加全面地认识水土资源复杂系统，建立的多目标函数模型不但应注重水资源或土地资源单一配置研究，还要将生态环境等其它方面的水土资源利用与效益相结合。

(2)许多文献对土地和水资源分配方法只集中在优化生产率，没有考虑资源在土地单元上的分配，因此公平的问题并没有解决；那些关注公平的模型研究没有将优化或者公平最大化作为目的，或者由于种种原因公平最大化不能实现。因此，应借助数学工具，寻求能合理解决效益和公平，对水土资源复杂系统进行量化分析的新方法，进一步明确水土资源内在的制约关系及各子系统的整体耦合问题。

ResearchesonOptimalAllocationofWaterandSoilResourcesinIrrigationSchemes

Wang Jing1,2, Bai Qingjun2

(1.KeyLaboratoryofDegradedandUnusedLandConsolidationEngineering,ShaanxiProvincialLandEngineeringConstructionGroupCo.,Ltd.,InstituteofLandEngineeringandTechnology,ShaanxiProvincialLandEngineeringConstructionGroupCo.,Ltd,theMinistryofLandandResource,ShaanxiProvincialLandConsolidationEngineeringTechnologyResearchCenter,Xi’an,Shaanxi, 710075,China； 2.Xi’anUniversityofTechnology,Xi’an,Shaanxi, 710048,China)

Abstract: The optimal allocation of water and soil resourcesis of great significance to irrigation schemes and sustainable management. This paper introducesthe concept and applicationof optimal allocation of water and soil resources, the research status of water and soil resources allocation methods and models in domestic and international irrigation schemes. It alsoanalyzes the existing problems and countermeasures.

Keywords: water and soil resources; optimal allocation; irrigation