基于水足迹与水-能源-粮食关联关系的提水灌溉系统种植结构优化.pdf
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1、 年 月水利学报 第 卷第 期文章编号:()收稿日期:;网络首发日期:网络首发地址:?基金项目:国家自然科学基金项目(,);江苏省自然科学基金项目();中央高校基本科研业务费项目()作者简介:崔思梦(),博士生,主要从事农业水土资源规划与利用研究。:通信作者:操信春(),教授,博士生导师,主要从事农业水碳中和研究。:基于水足迹与水 能源 粮食关联关系的提水灌溉系统种植结构优化崔思梦,吴梦洋,王小军,操信春,(河海大学 农业科学与工程学院,江苏 南京 ;南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏 南京 ;江苏省农业水土资源高效利用与固碳减排工程研究中心,江苏 南京 )摘要:
2、灌溉系统是农业生产与用水的关键载体,其水 能源 粮食关联关系的协调性对区域可持续发展有重要影响。相较于传统的灌溉水高效分配研究,水足迹理论明晰了农业生产水资源消耗总量及其利用类型。针对提水灌溉系统水资源、能源供需配置不紧密及其生态影响考虑不全面的问题,联合水足迹理论与水 能源 粮食关联关系,统筹社会、资源、生态和经济多维系统,构建了考虑水资源调配、农业生产用水及粮食生产转移全过程的提水灌溉区种植结构多目标优化评价模型。将该模型应用于涟水灌溉区,通过调整粮食作物(水稻、小麦、玉米和大豆)的种植结构,运用 方法对比评价了现状和优化配置情况的相对贴近度。优化结果表明:在保障粮食安全的基本前提下,应增
3、大玉米的播种面积,减少大豆的播种面积;相较于现状,优化后的年均粮食单方水经济净效益提升 ,作物碳足迹在农作物种植基线改变时呈现下降态势,且 年优化后的碳足迹降低 。优化方案的相对贴近度均大于现状,对促进提水灌溉系统资源高效利用和农业可持续性具有可靠的支撑作用。关键词:水 能源 粮食;作物水足迹;多目标优化;提水灌溉系统;评价法中图分类号:文献标识码:?研究背景中国灌溉农田占总耕地面积的一半以上,消耗了大量灌溉用水的同时贡献了全国粮食产量的四分之三 。灌溉区粮食生产高效用水对保障国家粮食安全和缓解区域水短缺均具有重要的作用 。灌区水管理还涉及区域生态、环境和社会功能的实现 ,如绿洲生态维护、面源
4、污染防控、农业农村发展等。因此,灌区农业和水资源调控被视为社会发展的重要内容,也一直受到学界的关注 。以水资源高效利用为核心、优化模型构建与解析为基础的种植结构调整是改进灌区农业管理的重要手段之一 。当前,针对特定对象的现实条件,学者在涉及灌区种植结构调整的原理、目标、模型和策略上开展了大量创新性研究和探索 。传统模型在农业用水及其效率量化中大多以灌溉水为对象,难以有效兼顾来自天然降水的绿水和农业生产对水环境的负面影响 。水足迹概念的提出及其在农业用水评价和管理中的应用促进了该领域的发展。农作物水足迹为作物生育过程中所有水资源消耗和潜在污染量,包含蓝、绿和灰水足迹三个部分 。蓝水即从地表或地下
5、取用的灌溉水,绿水是未产生径流被作物以蒸发蒸腾形式消耗的降水,灰水足迹则为将一定的污染负荷吸收同化所需要的水量 。水足迹被视为衡量粮食生产与水资源耗用关系最为全面的指标,已被广泛用于农业用水及其效率评估 。不仅如此,已有学者开展了基于水足迹工具的灌区农业种植结构优化探索 。然而,囿于田间视角的水足迹中蓝绿水耗用量核算并不能反映出灌区输配水效率及其影响,表现出系统局限性。在灌溉农业系统中,粮食生产过程依赖于水、土地和能源等各种环境资源的投入;与此同时,水资源的获取和分配过程消耗能源,能源的生产也离不开水,几乎所有粮食生产和供应阶段都消耗大量的水和能源 。近年来,水 能源 粮食关联关系在资源管理和
6、区域发展研究领域备受关注 。衡量水 能源粮食关联关系的评价指标虽因研究视角和目的的不同而存在差异,但其系统性思维为农业生产单元资源高效管理提供了新的方向 。基于水 能源 粮食关联关系的农业系统优化研究已见诸报道:等 对典型灌区的水 能源 粮食系统开展了优化;等 进行河南省农业管理优化并建议大力发展小麦、薯类和水果生产;等 面向作物种植和生物质利用协同管理对河北省开展了种植结构调整研究。农业种植结构优化是水 能源 粮食协同管理的落脚点之一 。因而,当前相关研究大多着眼于灌溉水的高效分配与利用,未从水足迹视角统筹考虑作物生产对绿水资源和水环境的影响 。联合作物水足迹与水 能源 粮食关联关系两者优势
7、的研究思路将会为区域作物种植结构优化的科学研究和管理实践扩展有价值的视角。本文面向提水灌溉系统水资源输配、耗用过程和粮食产出全过程,构建基于水足迹与水 能源 粮食关联关系的种植结构多目标优化模型。对典型南方末级提水灌溉区开展粮食种植结构优化和结果评价研究,以期为相关研究领域和区域的资源高效利用和农业可持续性提供方法参考。方法与数据图 提水灌溉系统种植结构多目标优化研究框架 种植结构多目标优化研究框架末级提水灌溉系统种植结构优化研究框架如图 所示。图中水 能源 粮食关联关系由作物水足迹、作物碳足迹、用电量和产量等要素构成。本文将基于此开展种植结构多目标优化模型的构建与求解,并利用耦合熵权法和 评
8、价法对优化方案和结果进行评价。种植结构多目标优化模型优化模型基于水足迹理论和水 能源 粮食关联关系,权衡经济和生态效益,目标函数为单方水经济净效益最大与作物碳足迹最小。约束条件包括蓝水资源压力约束、电能资源压力约束、粮食安全压力约束、播种面积约束和非负约束。目标函数()单方水经济净效益最大。根据不同作物单位面积的成本、收入和作物水足迹来计算单方水经济净效益(此处用 表示第一个目标函数,元?),以表征灌区经济效益:()?()式中:下标 为作物编号,分别对应水稻、小麦、玉米和大豆;和 分别为作物单位面积收入和成本,元?;为作物播种面积,;为作物水足迹,。()灌溉取水过程碳足迹最小。通过水泵取水的灌
9、溉会产生电能消耗,根据生命周期理论电能生产过程会导致碳排放。因此,以灌溉取水中耗电产生的碳排放,即这一部分作物碳足迹(此处用 表示第二个目标函数,单位为 ),来表征灌区生态效益:()()()?()()式中:为排放因子 ;为单位面积用电量,?;下标 为年份编号,分别对应 年;为 作物在 年份的用电量,。约束条件()蓝水资源压力约束。作物蓝水足迹不得超过农田灌溉用水量,即 ,()(),()?()(),(,)()式中:为灌溉用水量,为 的多年最大值,;,为 作物的单位面积蓝水足迹,?;,为 作物在 年份的蓝水足迹量,;,和 ,分别为 作物与 年份的有效降雨量和作物蒸发量,。()电能资源压力约束。各作
10、物灌溉消耗的用电量之和不得超过最大用电量,即 ()()式中:为灌溉用电量,为 的 多 年 最 大 值,;为 作 物单 位 面 积 用电 量,?。()粮食安全约束。为确保粮食生产安全,各作物产量之和不得低于社会最低需求。()()式中 为粮食需求量,为 的多年最大值,。()播种面积约束。在同一时段内,各种作物播种面积之和不得超过耕地面积。()()式中 为耕地面积,为其多年最大值,。()非负约束。()模型求解及评价采用基于精英策略的快速非支配排序遗传算法 求解种植结构多目标优化问题。等 于 年首次提出非支配排序遗传算法(),等 在其基础上,引入精英策略及拥挤度计算规则,形成了改进的非支配排序遗传算法
11、。非支配排序遗传算法求解步骤包括:种群初始化,非支配排序,拥挤距离的计算,选择、交叉与变异,重组并选择等 。基于水 能源 粮食关联关系的提水灌溉系统种植结构优化模型评价体系如表 所示。利用耦合熵权法的 评价方法,结合粮食生产过程对社会、资源、生态和经济多维度系统造成的影响选取评价指标,进行优化方案综合评价。研究中评价三个方案(现状 ,优化方案 、)在 、和 年的情况,并分析比较优化结果与现状之间的差异。熵权法可用于多指标权重的确定,而 评价方法根据接近和远离最优、最劣解的距离来评价优化结果的优劣 。耦合熵权法的 评价模型计算步骤如下。步骤 :计算 个年份三种方案的 项评价指标,得出待评价指标矩
12、阵为 。步骤 :按照效益型和成本型指标公式对 进行归一化处理,得到 。()()()(效益型指标)()()()()(成本型指标)()步骤 :借助熵权法 计算各指标权重,得出相关权重矩阵 ,。步骤 :将归一化标准矩阵与熵权法得出的权重矩阵相乘,并运行 算法求出各方案的欧式距离 和最差组合的欧式距离,以及相对贴近度,相对贴近度越大,则对应方案的综合评价越优。水 能源 粮食关联关系评价指标作物水足迹 包括蓝水 、绿水 和灰水 足迹三个部分:()(,)()()式中:和 分别为作物蒸发量和有效降水量,;和 利用 模型结合作物需水量法计算;根据 水足迹评价手册 中的测算方法得到:()()()式中:为作物单位
13、产量的灰水足迹,?;为使用的化学物质进入淡水的比例,即淋溶、径流损失率 ,氮取 ;为田间氮肥施用量,?;和 分别为受纳水体中该营养物质的最大可接受浓度和自然浓度,?;为作物单产,?;为作物产量,。作物生产水足迹 (?)为单位粮食产量水足迹?()作物消费水足迹 :()()?()式中:为当地居民消耗的粮食所产生的水足迹,;和 分别为研究区粮食需求量和全国粮食产量,;为人均粮食占有量,?人;和 分别为研究区和全国的人口。用电量 ()为提水灌溉系统中所有泵站灌溉时所消耗的电能:()()?()()?()式中:为水泵电动机功率,;为水泵编号;为水泵 的进水时间,由需水量和水泵参数决定,;为泵站总抽水量,;
14、为水泵效率,无量纲;为水泵流量,?;为灌溉效率,无量纲。虚拟水输出 是指粮食输出量所承载的水足迹 :()()式中:为粮食输出量,;为虚拟水输出,。作物水分生产率 (?)为消耗单位水足迹所生产的作物产量?()电能生产率 (?)为消耗单位用电量所生产的作物产量?()表 评价指标的计算方法及含义评价系统评价指标计算方法含义指标类型社会系统 作物水分生产率 式()相对水足迹作物产量效益型虚拟水输出 式()粮食生产安全保障效益型资源系统 蓝水利用率 蓝水足迹与作物水足迹的比值水资源利用效率成本型电能生产率 式()相对电量作物产量效益型生态系统 作物碳足迹 式()灌溉系统生态效益成本型灰水足迹 式()生态
15、负面效益成本型经济系统 单方水经济净效益 式()灌溉用水效益比效益型经济净效益 作物种植净收益灌溉系统经济效益效益型 研究区域与数据来源涟水灌溉区地处江苏北部、淮河下游、淮安东北部,东经 ,北纬 ,由淮涟、涟东、涟西三个灌溉片区组成。作物播种面积约 万 。全年总日照为 ,多年平均气温在 左右,年均降水量 。选取水稻、小麦、玉米和大豆四种粮食作物为研究对象,在 时段中选取 、和 年为分析年份。涟水灌溉区在绿水无法满足作物生长需水要求时,需消耗电能提取蓝水进行灌溉,从电能来源过程考虑碳排放;同时,满足灌溉区内部粮食需求后,粮食可作为虚拟水载体向外贡献水资源。日照时数、降水、温度、相对湿度和风速等气
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