粟曉玲
?專家評述?
農(nóng)業(yè)水資源優(yōu)化配置研究進(jìn)展
粟曉玲
(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 楊凌 712100;2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院,陜西 楊凌 712100)
【目的】變化環(huán)境下我國水資源供需矛盾加劇,農(nóng)業(yè)是我國主要用水部門,農(nóng)業(yè)水資源優(yōu)化配置是緩解缺水、提高水資源利用效率的有效途徑?!痉椒ā炕谵r(nóng)業(yè)水資源的概念和優(yōu)化配置內(nèi)容,對作物灌溉制度優(yōu)化、灌區(qū)種植結(jié)構(gòu)與空間布局優(yōu)化、灌區(qū)多水源聯(lián)合調(diào)控、區(qū)域農(nóng)業(yè)水資源承載力評價與優(yōu)化配置、水-糧食-能源協(xié)同優(yōu)化以及優(yōu)化配置方法等方面的研究進(jìn)展進(jìn)行了系統(tǒng)綜述?!窘Y(jié)論】指出了農(nóng)業(yè)水資源優(yōu)化配置研究存在的問題與挑戰(zhàn),提出進(jìn)一步對考慮氣候變化、虛擬水貿(mào)易和水碳足跡的種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化、基于二元水循環(huán)轉(zhuǎn)化模擬的灌區(qū)多水源優(yōu)化調(diào)控、水-糧食-能源-生態(tài)協(xié)同優(yōu)化以及灌區(qū)適宜生態(tài)結(jié)構(gòu)與耕地規(guī)模的研究。
農(nóng)業(yè)水資源;種植結(jié)構(gòu);空間布局;耕地規(guī)模;水-糧食-能源-生態(tài)
水資源短缺是一個全球性問題,農(nóng)業(yè)是我國主要的用水部門,2020年農(nóng)業(yè)用水量占我國用水總量的62.1%,農(nóng)業(yè)耗水量占耗水總量的74.9%。根據(jù)《全國現(xiàn)代灌溉發(fā)展規(guī)劃(2012—2020)》,與基準(zhǔn)年2012年相比,2030年西北內(nèi)陸干旱區(qū)和華南沿海地區(qū)灌溉用水量需要分別減少116億m3和64億m3[1]。然而盲目減少灌溉用水量,將導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力的下降,威脅糧食安全和農(nóng)產(chǎn)品供給。因此,貫徹適水發(fā)展,有效管理農(nóng)業(yè)水資源以滿足可持續(xù)的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求面臨巨大的挑戰(zhàn)。如何根據(jù)水資源承載力發(fā)展適水農(nóng)業(yè),在保障優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的前提下,提高用水效率,減少農(nóng)業(yè)用水,是破解當(dāng)前農(nóng)業(yè)用水短缺和保障糧食安全的關(guān)鍵[2]。農(nóng)業(yè)水資源優(yōu)化配置是水資源合理配置的重要方面,也是水資源持續(xù)利用的有效調(diào)控措施[3]。本文的目的是綜述農(nóng)業(yè)水資源優(yōu)化配置的研究進(jìn)展,分析存在的問題與挑戰(zhàn),提出未來研究的重點(diǎn),為進(jìn)一步開展農(nóng)業(yè)水資源優(yōu)化配置研究提供參考和方向。
從供水水源角度,農(nóng)業(yè)水資源是指農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中可潛在利用的水資源,包括有效降水和灌溉水。灌溉水不僅包括由地表水、地下水所表征的藍(lán)水,還包括污水處理再利用、雨水集蓄利用、微咸水利用等用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的其他水源。從用水構(gòu)成分析,農(nóng)業(yè)水資源包括農(nóng)田灌溉用水和林牧漁畜用水。農(nóng)業(yè)水資源優(yōu)化配置是指在特定區(qū)域內(nèi),以節(jié)水高效、生態(tài)健康為原則,采用系統(tǒng)分析理論和優(yōu)化技術(shù),對有限的、不同形式的農(nóng)業(yè)水資源在作物不同生育階段、不同作物間和渠系間、不同農(nóng)業(yè)部門間的優(yōu)化分配,以期實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)水資源利用的綜合效益最大。因此是一個涉及多時空尺度的優(yōu)化問題,內(nèi)容包括作物灌溉制度優(yōu)化、灌區(qū)種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化及空間布局優(yōu)化、渠系配置優(yōu)化、灌區(qū)多水源聯(lián)合調(diào)控、區(qū)域或灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源承載力評價及優(yōu)化配置、水-糧食-能源協(xié)同優(yōu)化等內(nèi)容。
水分生產(chǎn)函數(shù)和灌溉制度優(yōu)化是農(nóng)業(yè)水資源優(yōu)化配置的基礎(chǔ)[4]。灌溉制度優(yōu)化是根據(jù)作物產(chǎn)量與灌溉供水之間的關(guān)系,把有限的灌溉水量,在作物不同生育階段進(jìn)行優(yōu)化分配,以確定合理的灌溉次數(shù)、灌水時間及灌水定額,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量或效益最高的目標(biāo)。根據(jù)作物水分關(guān)系模擬方法,灌溉制度優(yōu)化可分為2種類型:即基于作物水分生產(chǎn)函數(shù)的優(yōu)化和基于作物生長過程模擬的優(yōu)化。作物水分生產(chǎn)函數(shù)根據(jù)產(chǎn)量與總耗水量的關(guān)系,可描述為線性和非線性關(guān)系,相應(yīng)的灌溉制度優(yōu)化模型有線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃[5]及動態(tài)規(guī)劃[6],其中動態(tài)規(guī)劃應(yīng)用最廣泛[7]。但這類方法難以反映不同階段灌水條件下的產(chǎn)量變化,也很難確定具體灌水時間[8]。Jensen模型通過建立產(chǎn)量和分階段耗水量的關(guān)系描述作物水分生產(chǎn)函數(shù),結(jié)合水量平衡原理及動態(tài)規(guī)劃對灌溉制度優(yōu)化求解,可準(zhǔn)確反映不同灌溉制度下的農(nóng)田蒸散發(fā)過程及其對作物產(chǎn)量的影響,并獲得具體的灌水日期[9]。然而,以水量平衡及水分生產(chǎn)函數(shù)為基礎(chǔ)的作物模擬模型,多是基于大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析擬合,并以經(jīng)驗(yàn)公式表達(dá)作物產(chǎn)量,難以從機(jī)理上描述不同灌溉管理措施影響下的作物生長過程[8]。
近年來,基于作物生長過程的模擬模型為研究農(nóng)田水分循環(huán)機(jī)理和灌溉制度優(yōu)化提供了有力的工具[10],如DSSAT模型、CERES模型、SWAP模型和AquaCrop模型等。利用作物模型優(yōu)化灌溉制度,與基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得的水分生產(chǎn)函數(shù)方法相比,具有成本低、效率高、變量可控等優(yōu)點(diǎn),可以更全面地描述土壤水分動態(tài)和作物生長發(fā)育過程[8],已廣泛應(yīng)用于春小麥[8, 11]、有機(jī)稻[12]、冬小麥[13]、無膜滴灌棉花[17]等各種作物的灌溉制度優(yōu)化。
種植結(jié)構(gòu)的變化影響作物需水量和灌溉需水量[15],在灌溉工程規(guī)劃時決定取水水源及渠系規(guī)模,在農(nóng)業(yè)節(jié)水高效管理中,是估算區(qū)域農(nóng)業(yè)需水量的重要基礎(chǔ)[16]。種植結(jié)構(gòu)的選擇,取決于可利用的水資源、氣候、土壤、市場需求和收入等因素。依據(jù)作物適宜生長環(huán)境,在一定的水土資源約束下,將有限的可利用農(nóng)業(yè)水資源在作物間進(jìn)行合理分配,提高區(qū)域作物水分利用效率及效益,實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、社會及生態(tài)環(huán)境等綜合效益最大化的目標(biāo)[17],也是非工程農(nóng)業(yè)節(jié)水的主要方式。
種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究始于20世紀(jì)七八十年代,經(jīng)歷了從單目標(biāo)到多目標(biāo)、從結(jié)構(gòu)優(yōu)化到空間布局優(yōu)化的發(fā)展過程。在給定灌溉制度下,單目標(biāo)通常以糧食總產(chǎn)或效益最大[18]、或農(nóng)業(yè)用水量(或費(fèi)用)最小[19]為目標(biāo)。隨著水資源短缺和生態(tài)環(huán)境問題的出現(xiàn),以提高經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)約用水[20]、或凈效益最大和施肥量最小[21]等為目標(biāo),建立更加科學(xué)合理的糧、經(jīng)、飼三元種植結(jié)構(gòu)。如王玉寶[22]考慮生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會目標(biāo),建立了黑河中游節(jié)水型農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化模型;Zeng等[23]提出模糊多目標(biāo)作物種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型。隨著藍(lán)綠水概念的提出,種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型以農(nóng)業(yè)凈效益最大、藍(lán)水利用量最小、綠水利用率最大為目標(biāo)[24]。同時考慮灌溉制度優(yōu)化和作物結(jié)構(gòu)調(diào)整的水資源優(yōu)化是一個復(fù)雜的大系統(tǒng)問題。由于大系統(tǒng)理論可降低問題維數(shù),且概念清楚,求解方便,得到了廣泛應(yīng)用[25]。隨著節(jié)水灌溉的發(fā)展,考慮來水不確定性及節(jié)水潛力的種植結(jié)構(gòu)調(diào)整受到關(guān)注[26]。
上述種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化通常僅優(yōu)化作物種植比例,在生產(chǎn)實(shí)踐中,難以因地制宜地指導(dǎo)作物空間布局。作物空間布局反映了作物種類和分布特征等重要信息,是作物結(jié)構(gòu)調(diào)整的依據(jù)[27]。作物空間布局優(yōu)化,本質(zhì)上是對作物種類與農(nóng)業(yè)水土資源等生產(chǎn)要素的最優(yōu)組合問題。相關(guān)研究并不多,最初以土地利用空間優(yōu)化研究為主,始于20世紀(jì)70年代,分3步實(shí)現(xiàn):農(nóng)業(yè)土地適宜性評價、需求評估以及作物空間格局優(yōu)化分布[28]。自20世紀(jì)90年代以來,土地利用空間變化的研究無論在理論還是方法上都取得了全面的進(jìn)展[29],在GIS、RS 等空間分析技術(shù)和智能優(yōu)化算法、元胞自動機(jī)的綜合應(yīng)用基礎(chǔ)上[30],逐步實(shí)現(xiàn)了土地資源數(shù)量和空間布局的統(tǒng)一配置,生成可視化的空間優(yōu)化布局。由于作物種植對土地屬性的要求更高,不僅考慮土地自然屬性,還要考慮經(jīng)濟(jì)、社會、管理水平等影響,相比其他土地利用優(yōu)化,作物空間布局優(yōu)化問題更加復(fù)雜。1972年聯(lián)合國世界糧農(nóng)組織(FAO)利用土壤特征、地形特征和作物特征的空間數(shù)據(jù),開發(fā)了全球尺度的作物種植適宜性地圖,但空間分辨率較低,無法滿足區(qū)域或灌區(qū)尺度的應(yīng)用要求。之后一些研究依據(jù)FAO開發(fā)的作物適宜性框架開展不同區(qū)域的土地耕種適宜性評價[31-33],但沒有將考慮水資源約束的種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化與土地適宜性空間優(yōu)化相結(jié)合。Hao等[34]基于ArcGIS平臺耦合作物種植適宜性、現(xiàn)狀農(nóng)業(yè)土地利用以及人口空間分布數(shù)據(jù)等多源遙感信息確定作物種植綜合適宜性空間分布,以種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果為約束,利用最小交叉信息熵原理構(gòu)建了作物空間布局優(yōu)化模型,得到黑河中游主要作物種植空間優(yōu)化布局,實(shí)現(xiàn)了水土資源的空間布局優(yōu)化。
灌區(qū)的水循環(huán)及水資源演變受自然水循環(huán)和人類活動作用下的水循環(huán)共同影響,涉及“降水-地表水-土壤水-地下水”多要素多過程循環(huán),水文要素的變化增加了灌區(qū)多水源配置的復(fù)雜性,如何在不確定性條件下考慮農(nóng)田水循環(huán)過程,將有限的不同來源的水量高效地分配到作物不同生育階段,對促進(jìn)灌區(qū)精準(zhǔn)灌溉具有重要意義[35]。渠井結(jié)合灌溉模式通過地表水、地下水聯(lián)合調(diào)控,考慮地下水采補(bǔ)平衡和鹽分補(bǔ)排平衡約束,獲得滿足耕地農(nóng)作物用水需求的渠井水配置比例、配水時間及分布等,以提高灌溉水有效利用率。聯(lián)合調(diào)控常用的方法有基于水資源平衡原理的方法[36]、非線性相關(guān)分析法[37]、地下水-隨機(jī)動態(tài)預(yù)測模型[38],多目標(biāo)優(yōu)化方法[39]、大系統(tǒng)分解協(xié)調(diào)法[40]等。然而渠井灌區(qū)水資源配置受地下水可開采量及水質(zhì)的約束,而不同的水資源利用時空格局導(dǎo)致地下水補(bǔ)排關(guān)系及水質(zhì)的變化,進(jìn)而導(dǎo)致地下水可開采量的變化。上述以地下水可開采量為約束的聯(lián)合調(diào)控優(yōu)化方法,難以反映規(guī)劃年地下水補(bǔ)排關(guān)系的變化。為解決該問題,Safavi等[41]耦合水資源優(yōu)化模型與基于支持向量機(jī)的模擬模型,優(yōu)化配置流域地表水和地下水,解決了地下水對灌溉用水的響應(yīng)問題。然而支持向量機(jī)模型缺乏物理機(jī)制,對于具有自然人工二元水循環(huán)轉(zhuǎn)化模式的渠井灌區(qū),將地下水?dāng)?shù)值模擬模型與水資源優(yōu)化模型耦合是渠井灌區(qū)水資源優(yōu)化的有效途徑。如基于SWAT和MODFLOW的耦合模型[42]、地下水模擬與水資源優(yōu)化的動態(tài)耦合模型[43-44]、線性規(guī)劃方法和MODFLOW的耦合模型[45]等,這些耦合模型可以模擬水資源利用的地下水位動態(tài)響應(yīng),但多為松散耦合式模型,難以模擬灌區(qū)水管理措施下水文生態(tài)過程的復(fù)雜響應(yīng)關(guān)系。
近年來為化解水質(zhì)型缺水危機(jī),實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)水資源充分利用與環(huán)境保護(hù)的雙重目標(biāo),多水源下水質(zhì)水量聯(lián)合調(diào)控受到關(guān)注。研究方法可分為2類:以水質(zhì)或分質(zhì)供水為約束的優(yōu)化模型[46]和量質(zhì)一體化雙層配置模型[47]。何莉等[46]針對洋河流域水資源短缺與水環(huán)境污染問題日益突出,以及考核斷面水質(zhì)難以達(dá)標(biāo)等問題,以洋河流域?yàn)檠芯繉ο螅紤]水質(zhì)約束,構(gòu)建了農(nóng)業(yè)水資源優(yōu)化配置模型,并提出補(bǔ)水減排聯(lián)合控制水質(zhì)達(dá)標(biāo)方法,以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益最大化。袁緣等[47]基于系統(tǒng)分解協(xié)調(diào)理論提出“以供限配、按需分質(zhì),由質(zhì)定供”原則,構(gòu)建了多目標(biāo)水資源量質(zhì)一體化雙層配置模型。
農(nóng)業(yè)水資源承載力,是指區(qū)域、流域或灌區(qū)在一定的農(nóng)業(yè)可用水資源條件下,能夠支撐農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的能力??蓺w納為水資源支撐的農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展能力論和最大農(nóng)業(yè)規(guī)模論2種觀點(diǎn),農(nóng)業(yè)規(guī)??梢允枪喔让娣e,也可以是農(nóng)業(yè)總產(chǎn)量。研究方法主要分為基于指標(biāo)體系的承載力綜合評價[48]和基于經(jīng)驗(yàn)公式的承載產(chǎn)量規(guī)模評價[49-50]。綜合評價方法包括主成分分析、可拓分析、模糊綜合評價[51]、LMDI-SD耦合[52]、半偏減法集對勢方法[53]等方法,產(chǎn)量規(guī)模評價方法包括單一線性目標(biāo)[50]、多目標(biāo)規(guī)劃[54]等。隨著節(jié)水灌溉的發(fā)展,許多灌區(qū)把節(jié)約的水量用于擴(kuò)大灌溉面積,導(dǎo)致擠占生態(tài)環(huán)境用水。承載規(guī)模研究向區(qū)域或流域適宜的耕地灌溉規(guī)模研究發(fā)展,即以水定地。當(dāng)前的研究集中在西北內(nèi)陸河流域,主要基于水熱平衡原理和綠洲分帶理論[55],但缺乏對生態(tài)系統(tǒng)健康的綜合評價。Hao等[56]耦合風(fēng)沙動力學(xué)原理、水熱平衡理論和綠洲生態(tài)健康評價構(gòu)建了基于生態(tài)健康的綠洲適度農(nóng)業(yè)規(guī)模模型(SASM-EHA),為確定綠洲適度農(nóng)業(yè)規(guī)模提供了有效的途徑。
農(nóng)業(yè)水資源優(yōu)化配置是提高農(nóng)業(yè)水資源承載力的主要措施。區(qū)域農(nóng)業(yè)水資源優(yōu)化配置,是在遵循生態(tài)平衡原則、效率原則以及公平性原則下,對可利用的農(nóng)業(yè)水資源在區(qū)域或流域內(nèi)進(jìn)行配置。如粟曉玲等[57]分別以流域生態(tài)需水滿足度最大、凈效益最大、計算單元人均凈效益變率的均方差最小為優(yōu)化目標(biāo),建立了水資源配置多目標(biāo)評價函數(shù),一些研究以凈效益最大和綠水利用比例最大為目標(biāo)[58-59],或以單位面積水足跡凈收益最大為目標(biāo)[60],構(gòu)建農(nóng)業(yè)水資源優(yōu)化配置模型。上述模型沒有考慮來水的不確定性。李茉等[35]在徑流與降水聯(lián)合不確定性條件下,建立了基于水循環(huán)過程的灌區(qū)多水源高效配置多目標(biāo)模型,該模型耦合了Jensen模型與水短缺足跡模型,以實(shí)現(xiàn)節(jié)水增效的目的,并獲得灌區(qū)高效配水方案對徑流-降水聯(lián)合不確定性的響應(yīng)特征。
水、能源和糧食是人類生存和發(fā)展不可或缺的資源,隨著世界范圍內(nèi)水資源短缺、能源短缺和糧食不足導(dǎo)致的區(qū)域沖突加劇,驅(qū)動了水、糧食和能源三要素關(guān)聯(lián)的發(fā)展。三者關(guān)聯(lián)被視為應(yīng)對水安全、糧食安全、能源安全多重風(fēng)險的綜合性解決措施[61]。水-糧食-能源協(xié)同優(yōu)化是一個復(fù)雜大系統(tǒng)問題,當(dāng)前的研究尚處于起步階段,經(jīng)歷了從水或能或糧的單一要素為中心,向水-能、水-糧、糧-能的二元關(guān)聯(lián),再到水-糧-能三者紐帶關(guān)系耦合的發(fā)展歷程,目前研究在三要素系統(tǒng)分析框架、協(xié)同與權(quán)衡效應(yīng)分析、氣候變化與貿(mào)易影響評估、耦合模型研發(fā)等方面取得進(jìn)展[62-63]。包括:揭示了能源和糧食生產(chǎn)消耗之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系與反饋機(jī)制,探索了互動關(guān)系方法,提出了應(yīng)對水-糧食-能源系統(tǒng)風(fēng)險的措施,并從作物品種改良、用水效率改進(jìn)、水權(quán)交易、水足跡和虛擬水貿(mào)易等方面探討解決問題的途徑[64]。在方法學(xué)上發(fā)展了包括生命周期評價、可計算的一般均衡模型、系統(tǒng)動力學(xué)模型、多主體建模、計量經(jīng)濟(jì)分析、生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析、綜合指數(shù)分析、協(xié)同學(xué)原理、多目標(biāo)優(yōu)化、水足跡理論等研究手段[64-66]。
農(nóng)業(yè)水資源優(yōu)化配置研究始于20世紀(jì)40年代由Masse提出的水庫優(yōu)化調(diào)度問題。20世紀(jì)70年代以后,水資源優(yōu)化配置的理論與方法研究步入快速發(fā)展。隨著計算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,優(yōu)化配置模型與方法經(jīng)歷了由常規(guī)的線性規(guī)劃[67]至非線性規(guī)劃[68]和動態(tài)規(guī)劃[69],由單目標(biāo)至多目標(biāo)[70]、由確定性至不確定性[71]、由解析模型至數(shù)值模型、由單一系統(tǒng)至復(fù)雜大系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變過程,隨著研究工作的不斷深入,模型考慮的因素更多,功能更強(qiáng)[3],由優(yōu)化模型向優(yōu)化與模擬耦合模型發(fā)展[44],且隨著模型考慮的變量和目標(biāo)的增加,優(yōu)化方法也由傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)優(yōu)化方法,大系統(tǒng)分解協(xié)調(diào)理論,發(fā)展到智能優(yōu)化算法的應(yīng)用,如遺傳算法[72]、蟻群算法[73]、粒子群算法[74]、人工魚群算法[44]等。相對于傳統(tǒng)的優(yōu)化方法, 智能算法由于對初值的要求不高,不要求目標(biāo)函數(shù)和約束的連續(xù)性與凸性,甚至有時連有沒有解析表達(dá)式都不要求,對計算中數(shù)據(jù)的不確定性也有很強(qiáng)的適應(yīng)能力,是求解復(fù)雜優(yōu)化問題的有效工具。
盡管國內(nèi)外農(nóng)業(yè)水資源優(yōu)化配置研究已取得了長足的進(jìn)展,為區(qū)域和灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源管理提供了豐富的理論指導(dǎo)和方案支持。但由于其涉及氣候、農(nóng)業(yè)、水文、生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、遙感等多學(xué)科交叉,是一個復(fù)雜的系統(tǒng)問題。當(dāng)前我國提出實(shí)現(xiàn)綠色低碳、生態(tài)優(yōu)先和高質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略又對農(nóng)業(yè)水資源優(yōu)化配置提出了新挑戰(zhàn)。以下問題需進(jìn)一步研究。
1)在種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面,目前主要依據(jù)確定的來水和作物需水條件,較少考慮氣候變化對農(nóng)業(yè)可利用水資源量與作物物候及作物灌溉制度的影響,以及市場價格波動等不確定性因素對種植結(jié)構(gòu)的影響。
2)在農(nóng)業(yè)水資源優(yōu)化配置方面,目前主要考慮地表水、地下水、非常規(guī)水等實(shí)體水的水量配置,較少考慮多水源水量水質(zhì)分布特性實(shí)現(xiàn)量質(zhì)空間優(yōu)化配置。另外,在缺水地區(qū),如何優(yōu)化配置虛擬水與實(shí)體水,解決水資源空間分布不均和糧食安全問題,實(shí)現(xiàn)在更大區(qū)域的水資源高效利用。
3)在考慮水循環(huán)的灌區(qū)多水源優(yōu)化方面,目前研究集中在構(gòu)建地下水模擬與水資源優(yōu)化的松散耦合模型,難以模擬水-鹽-污-生之間的互饋機(jī)制,需要考慮灌區(qū)自然-人類二元水循環(huán)轉(zhuǎn)化過程以及節(jié)水的生態(tài)環(huán)境響應(yīng),發(fā)展基于分布式生態(tài)水文模型的灌區(qū)多水源聯(lián)合調(diào)控的緊密耦合模型。
4)在水-糧食-能源協(xié)同優(yōu)化方面,目前的研究多以水資源為關(guān)鍵要素進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化[64],主要考慮水-糧食-能源三元關(guān)聯(lián),對水-糧食-能源-生態(tài)系統(tǒng)的四元關(guān)聯(lián)機(jī)制考慮不夠[65]。需要在水資源承載力剛性約束下協(xié)同調(diào)控糧食、能源、生態(tài)系統(tǒng)各目標(biāo)間的復(fù)雜競爭關(guān)系,優(yōu)化配置灌區(qū)或流域水資源。
5)在灌區(qū)水資源承載力方面,目前主要考慮常規(guī)水資源,缺乏對藍(lán)綠水資源與非常規(guī)水資源協(xié)同的灌區(qū)尺度全口徑水資源承載力評價、灌區(qū)適宜的山水林田湖草系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、考慮節(jié)水潛力的適宜農(nóng)業(yè)規(guī)模等方面的研究。
國際上農(nóng)業(yè)水資源優(yōu)化配置研究更加關(guān)注氣候變化、虛擬水貿(mào)易、水碳足跡、生態(tài)環(huán)境影響以及水-糧食-能源-生態(tài)的協(xié)同優(yōu)化問題,因此,未來我國農(nóng)業(yè)水資源優(yōu)化配置研究建議圍繞以下內(nèi)容開展。
模擬氣候變化下的農(nóng)業(yè)可利用水資源;預(yù)估氣候變化下的作物物候及需水演變規(guī)律;探尋適應(yīng)氣候變化的種植結(jié)構(gòu)調(diào)整及空間布局優(yōu)化方案;氣候變化和市場價格波動的不確定性對種植結(jié)構(gòu)的影響;構(gòu)建虛擬水視角下(廣義農(nóng)業(yè)水資源)的區(qū)域種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型,優(yōu)化配置虛擬水與實(shí)體水;構(gòu)建以流域糧食生產(chǎn)水碳足跡最小為目標(biāo)的種植結(jié)構(gòu)調(diào)控多目標(biāo)優(yōu)化模型與智能優(yōu)化方法,以減少糧食生產(chǎn)的資源投入,促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境協(xié)同發(fā)展。
研發(fā)灌區(qū)分布式農(nóng)業(yè)水文生態(tài)模型,模擬灌區(qū)自然-人工二元水循環(huán)轉(zhuǎn)化過程,研究灌區(qū)不同程度節(jié)水的生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)過程,探明灌區(qū)土壤鹽漬化演變與節(jié)水灌溉的動態(tài)響應(yīng)關(guān)系;構(gòu)建耦合水循環(huán)轉(zhuǎn)化與水鹽動態(tài)模擬的灌區(qū)多水源優(yōu)化配置模型,揭示不同灌溉用水方式、節(jié)水程度、排水方式下農(nóng)田灌溉的水循環(huán)過程、水鹽運(yùn)移過程以及農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的耗水過程,探尋灌區(qū)綠色高效、生態(tài)健康的灌溉用水方式、節(jié)水水平、排水方式以及多水源優(yōu)化配置方案。
分析流域糧食生產(chǎn)、水資源利用、能源消耗、生態(tài)系統(tǒng)的變化特征,揭示流域糧食、能源及生態(tài)系統(tǒng)對用水的協(xié)同與競爭機(jī)制;構(gòu)建適用于流域水-糧食-能源-生態(tài)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)作用的耦合模型,模擬分析水-糧食-能源-生態(tài)之間的關(guān)聯(lián)機(jī)制和演化特征,識別氣候和社會驅(qū)動因素;考慮農(nóng)業(yè)灌溉、能源消耗及經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求,確立生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和糧食能源安全等多目標(biāo)下的水資源可利用量及需求;開展水資源剛性約束下流域水-糧食-能源-生態(tài)多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化的情景模擬,提出不同情景下水-糧食-能源-生態(tài)協(xié)同發(fā)展的水資源優(yōu)化配置方案及風(fēng)險應(yīng)對策略;評價水-糧食-能源-生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性。
研發(fā)水量與水質(zhì)統(tǒng)籌、藍(lán)綠水資源與非常規(guī)水資源協(xié)同的灌區(qū)尺度全口徑水資源承載力計算方法;明晰灌區(qū)農(nóng)業(yè)-水文-環(huán)境-生態(tài)之間驅(qū)動-狀態(tài)-響應(yīng)的多元互饋關(guān)系,基于多維臨界調(diào)控理論,揭示灌區(qū)農(nóng)業(yè)-水文-環(huán)境-生態(tài)系統(tǒng)協(xié)同調(diào)控機(jī)制,考慮農(nóng)業(yè)、水文、環(huán)境及生態(tài)需求,構(gòu)建灌區(qū)多要素協(xié)同調(diào)控模型,生成灌區(qū)水資源利用的協(xié)同調(diào)控方案集,通過模擬與優(yōu)化,提出不同水文年和經(jīng)濟(jì)發(fā)展情景的協(xié)同調(diào)控方案。發(fā)展灌區(qū)山水林田湖草生態(tài)系統(tǒng)分布式需水模型,模擬主要生態(tài)要素的需水時空變化特征,提出合理生態(tài)需水閾值。構(gòu)建考慮水資源承載力剛性約束和維持基本生態(tài)功能條件的山水林田湖草系統(tǒng)的適宜結(jié)構(gòu)模型,優(yōu)化灌區(qū)生態(tài)結(jié)構(gòu)方案;構(gòu)建以水資源高效利用和灌區(qū)生態(tài)健康為目標(biāo)的適度灌溉規(guī)模模型,提出考慮節(jié)水水平與水資源承載力的灌區(qū)適度灌溉規(guī)模方案。
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Advance of Optimal Allocation of Water Resources in Agriculture: A Review
SU Xiaoling
(1.Key Laboratory for Agricultural Soil and Water Engineering in Arid Area of Ministry of Education,Northwest A & F University, Yangling 712100, China;2. College of Water Resources and Architectural Engineering, Northwest A & F University, Yangling 712100, China)
【Objective】Climate change will increase the frequency of extreme weathers like drought and flooding, worsening the already imbalance between water supply and water demand in some regions such as northern China. Since agricultural use is the main water consumption in many countries, optimizing water allocation in agriculture is one of the most effective ways to alleviate water shortage and improve water resource utilization efficiency. 【Method】This review covers the recent advance in the following areas: optimization of crop irrigation system, crop planting structure, spatial optimization of cropping systems, joint control on irrigation water, evaluation of water carrying capacity, optimal allocation of regional agricultural water resources, joint optimization of water, food and energy, and methods used for optimal water resources allocations. 【Conclusion】We outline the challenges and problems facing research and application of optimal allocation of water resources in agriculture, and propose perspective including optimizing cropping structure to adapt to climate change. Future research and application should consider virtual water trade, water and carbon footprint of agricultural production, optimization of multiple water sources for irrigation water, synergistic optimization of water-food-energy-ecology nexus, optimizing ecological structure and cultivated land in irrigation districts.
agricultural water resources; cropping pattern; spatial distribution; suitable agricultural area; water-food-energy-ecology nexus
2021-12-03
國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(52079111,51879222)
粟曉玲(1968-),女。教授,博士生導(dǎo)師,主要從事水文模擬及水資源配置研究。E-mail: xiaolingsu@nwafu.edu.cn
1672 - 3317(2022)07 - 0001 - 08
S275
A
10.13522/j.cnki.ggps.2021599
粟曉玲. 農(nóng)業(yè)水資源優(yōu)化配置研究進(jìn)展[J]. 灌溉排水學(xué)報, 2022, 41(7): 1-7, 34.
SU Xiaoling. Advance of Optimal Allocation of Water Resources in Agriculture: A Review[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2022, 41(7): 1-7, 34.
責(zé)任編輯:白芳芳