基于農牧業需水特性的洋河流域農業水資源優化配置

何 莉，杜 煜，張照壟，張思俊，吳 霜

·農業水土工程·

基于農牧業需水特性的洋河流域農業水資源優化配置

何 莉1，杜 煜2，張照壟2，張思俊2，吳 霜2

（1. 深圳大學機電與控制工程學院，深圳 518060；2. 湖北工業大學電氣與電子工程學院，武漢 430068）

針對洋河流域水資源短缺與水環境污染問題日益突出，以及考核斷面水質難以達標等問題，為了實現水資源充分利用與環境保護的雙重目標，結合流域經濟社會發展及水資源開發利用現狀特點，以洋河流域為研究對象，考慮水質約束，構建了農業水資源優化配置模型。在保障考核斷面水質達標前提下，通過優化各月份不同作物和牲畜的配水量，以及作物種植面積和牲畜養殖數量，以實現農業經濟效益最大化。為提高水質和實現水資源充分利用，提出補水減排聯合控制水質達標方法，并基于農牧業需水特性配水，可避免非均衡給水情形的發生。同時，能有效降維，提升模型求解效率。以2014年為例，采用該模型優化計算，通過增加高效益的蔬菜、薯類種植面積和大牲畜的養殖數量，減少排污大的油料作物種植面積和小牲畜養殖數量，可實現考核斷面水質達標，且農業配水量減少3.38%，經濟效益增長11.96%，驗證了該模型的有效性。再模擬分析2020年豐平枯3種典型水文年的優化配置方案，結果表明：隨著可供水量的增大，農業配水、河道補水量會相應增加，大部分需水用戶和子區的配水量也會隨之增加。子區中的懷來縣和宣化區的配水量增量較大，需水用戶中谷物和水果的配水量增量較大，牲畜配水量增量小于農作物。需水用戶的配水量增長率與其面積相關，子區間的配水量增長率與其區內作物類型和種植面積相關，以及水量分配是可供水量、污染排放量、經濟效益綜合權衡結果。該配置模型對于保障洋河流域的水質安全及區域經濟可持續發展具有重大意義，并對考慮水質的水資源優化配置有一定的參考作用。

水資源；優化；模型；農牧業；水量水質；降維；洋河流域

0 引 言

張家口市將建設京津冀綠色農副產品基地，其對流域生態環境安全有較高要求[1]。洋河流域是張家口市重要水源，本身水資源嚴重匱乏。又由于化肥農藥的大量施用，以及畜禽養殖、農村生活污染物的排放，洋河水資源問題越來越嚴重[2]。張家口市作為2020年冬奧會的重要舉辦地，保障該區域的水資源充足以及水資源環境安全至關重要。而農業用水約占總用水量的70%，不合理的農業水資源管理會加劇水資源浪費與水質污染[3]。因此，對洋河流域農業水資源進行合理配置刻不容緩。

目前，已有很多學者對農業水資源進行了研究[4]：張展羽等[5]建立了缺水灌區農業水土資源優化配置模型，提出了多階段人工魚群算法。劉博等[6]考慮灌溉用水總量約束和時段可供水量約束，建立了基于DP-PSO算法的灌區農業水資源優化配置模型。粟曉玲等[7]將水資源優化配置模型和模擬模型耦合。Lu等[8]將兩階段隨機規劃應用于農業水資源優化配置，實現了地下水和地表水的聯合調度。梁美社等[9]提出基于虛擬水戰略的區域農業產業結構優化模型。付強等[10]構建基于多目標模糊規劃的灌區多水源優化配置模型，得到不同流量不同水源下的最優配水方案。Khandelwal等[11]提出了一種水資源優化配置與產業結構優化模型，為管理者制定可持續的土地和水資源管理計劃。彭致功等[12]以農業耗水總量及灌溉取水總量為約束條件，采用優化灌溉制度和種植結構調整措施下京郊農業發展面積閾值。農業水資源配置在新的優化技術和算法下更加細致準確，但現有研究大多側重于水量配置，而忽略生態系統中水質污染的影響，不符合農業水資源可持續利用原則[13]。

為了實現水資源充分利用與環境保護的雙重目標，需要進行水質水量聯合配置[14]。目前，水質水量聯合配置研究中控制水質達標主要通過2種方式實現，一是減少污染物入河量；二是給河道補水。對于前者，張守平等[15]構建供需平衡、耗水平衡和基于水資源優化配置的水質模擬系統，提出基于水功能區納污能力的污染物總量分配優化模型。瞿一清等[16]建立了考核斷面水質與概化排口污染源響應關系，計算出控制斷面水質達標時各個概化排口所允許的排污量。對于后者，白露等[17]建立了河流自凈需水量的計算模型，計算出水質達標時的自凈需水量。高曉琦等[18]構建了生態流量保障的水庫水量水質聯合調度模型。雖然采用這2種方式能實現水質達標，但是在短期內很難實現大量削減污染物入河量，大量補水也會降低效益值。洋河入官廳水庫八號橋考核斷面化學需氧量（COD）平均濃度為22 mg/L，最高達到29 mg/L，遠超過水質考核目標20 mg/L，氨氮（NH3-N）濃度也不能穩定達標[19]。為保障水質達標，且實現農業經濟效益最大化，本文將結合減少污染物入河量和增補河道水量2種方法來控制水質達標，構建洋河流域的農業水資源優化模型。以2014年為例，通過農業水資源合理配置，使當地經濟實現科學發展的同時，改善河流水質，達到“水十條”考核標準。并對2020年水資源配置進行分析，從而為流域水資源開發利用和合理配置提供技術支撐。

1 模型構建

1.1 研究區域概況

洋河全長278 km，流域總面積約1.6萬km2，主要有東洋河、南洋河、西洋河、洪塘河、清水河、龍洋河等較大支流，河網密集，與桑干河匯流后形成永定河，最后注入官廳水庫。針對洋河流域現狀，構建洋河流域水系概化圖，如圖1所示。張家口市境內洋河干流全長106 km，控制流域面積約1.07萬km2，主要經過尚義縣、懷安縣、萬全區、崇禮區、橋東區、橋西區、宣化區、下花園區、懷來縣、涿鹿縣10個子區。農業包括種植業、林業、畜牧業、漁業、副業5種產業形式，由于洋河流域林、漁、副業用水少且污染小，因此本文將重點研究種植業和畜牧業。其中，種植業包括谷物、豆類、薯類、油料、蔬菜、水果六類；畜牧業包括大牲畜、小牲畜兩類。基于此，本文配置對象為洋河流域10個子區的6類作物、2類牲畜。

圖1　洋河流域水系概化圖

1.2　補水減排聯合控制水質達標計算模型

洋河流域多年平均流量小于3 m3/s，水流狀態穩定且寬深比值小，污染物在較短的時間內能基本混合均勻，可以由一維穩態水質模型進行描述[20]。

式中￠為排污口污水與流域混合后的濃度，mg/L；為控制斷面的濃度，mg/L；p為排污口污水濃度，mg/L；p為排污口污水流量，m3/s；0為流域上游初始濃度，mg/L；0為流域上游初始流量，m3/s。

以往研究中，采用公式（3）計算污染物總量不變情形下，控制斷面水質達標的河流自凈需水量[21]。或采用公式（4）計算河道流量不變情形下，控制斷面水質達標的水環境容量[22]。

式中S為水質目標濃度，mg/L；s為河流達標自凈需水量，m3/s；為水環境容量，g/s；為斷面距排污口的距離，m；為水質降解系數，d-1；為流速，m/s；為流域容積，m3。

上述分別是從河道補水和控源截污2種不同的方式去改善水質達標，前者直接、見效快，但無法從根本上消除水污染，調節能力有限；后者從污染源頭控制，是治本措施但見效慢[23-24]。基于此，本文將2種方式結合，以控源截污為主，河道補水為輔，共同改善水質狀況。通過污染物入河量來計算控制斷面濃度用公式（5）表示[25]。

式中為單位時間污染物入河量，g/s。

該模型中，考慮到控制斷面濃度不僅與污染物入河量呈正相關性，還隨著河道流量的增大而減小，在公式（5）的基礎上引入增補水量￠，將部分可用水量用作河道稀釋，提高水質和實現水資源充分利用。同時，結合實際情況分析，本文中，污染物入河總量由工業與城鎮生活污染物處理入河量，農村生活、城鎮生活、工業、農業污染物直排入河量構成，于是，本文提出的補水減排聯合控制水質達標計算模型具體公式如下

式中cl為在時段?內工業與城鎮生活污染物處理入河總量，g；ns、cs、gy、ny分別為在時段?內農村、城鎮生活、工業、農業污染物直排入河總量，g；?為時間，s；￠為流域增補水量，m3。

1.3 洋河流域農業水資源優化配置模型的構建

本文以洋河流域水資源可供總水量為核心，在滿足當地工業、生活、生態用水需求，八號橋斷面水質達到“水十條”考核要求（地表水Ⅲ類）的前提下，以農業經濟效益最大化為目標對農業水資源進行優化配置。

1.3.1 決策變量

決策變量由10子區6類作物、2類牲畜的月度配水量以及6類作物的種植面積、2類牲畜的養殖數量構成，決策變量集公式為

1.3.2 目標函數

研究目標為合理分配研究區內有限的水資源，使農業經濟凈效益最大。目標函數如下

1.3.3 約束條件

模型主要考慮供需水約束、作物種植面積約束、牲畜養殖數量約束、水質約束。

1）可供水量約束

2）種植業需水約束

3）牲畜需水約束

4）作物種植面積約束

5）牲畜養殖數量約束

6）水質約束

2 模型求解

由于決策變量多達10′[(12′(6+2)+(6+2)]=1 040個，且目標函數、水質約束、可供水量約束均存在非線性關系，導致該模型求解難度大。考慮到作物、牲畜的需水特性：不同作物、牲畜有不同的生育時期，以及不同地區同一作物、牲畜的各生育時期需水量不同[26]，而作物產量或牲畜產值一般處理為生長期總耗水量或總用水量的函數[27]。單從經濟效益出發，則容易出現非均衡供水問題。為此，本文提出基于農牧業需水特性的水量分配降維法，將年度配水量按照一致系數分得月度配水量。

2.1 基于農牧業需水特性的水量分配降維法

此方法將“月尺度”轉為“年尺度”，決策變量數減少到10′[(6+6)+(2+2)]+12=172個，既避免了作物、牲畜在全年用水相同的情況下，個別月配水過多或過少導致的產量或效益值計算不準確、各月欠缺程度不同的非均衡供水問題，同時降低了決策變量維數，提高了求解效率。

2.2 參數設定

基于數據完備性，本文以2014年為例，社會經濟指標、水資源供用水量、水質監測數據、污染物排放量等數據主要來源于2015年《張家口經濟年鑒》、2014年《張家口水資源公報》、《張家口環境公報》以及《官廳水庫生態安全調查與評估報告》等。2014年，洋河月流速為0.344～0.434 m/s，COD、NH3-N的降解系數參考文獻[28]，為0.06～0.15 d-1、0.06～0.17 d-1。作物全生育期水分生產函數反映其全生育期總耗水量與產量之間的函數關系。大量研究表明，相比灌溉水量，用灌溉水量與有效降雨量之和來表示耗水量能更準確的反應作物產量與水分之間的關系[29]，且由于氣候條件、土壤類型、作物種類等因素的影響，不同地區系數相差很大，需要對不同地區不同作物分別進行研究[30]。統計2006—2016年《張家口經濟年鑒》中10子區6類作物的產量、面積、降雨量以及《張家口水資源公報》中的灌溉水量數據，通過擬合得到各子區各作物全生育期水分生產函數系數，統計2006—2016年《張家口經濟年鑒》中大小牲畜產值以及《張家口水資源公報》中大小牲畜用水數據，擬合得到各子區各牲畜的用水產值函數。以尚義縣為例，6類作物水分生產函數圖見圖2。

圖2 尚義縣6類作物水分生產函數圖

2.3 求解方法

本文模型采用MTALAB優化工具箱中所提供的fmincon函數進行優化求解。在不考慮“需水特性”時，模型求解變量為10′[(12′(6+2)+(6+2)]=1 040個，且目標函數和約束條件中均存在非線性，求解困難，在電腦配置為Inel(R) Core(TM) i3-3217U CPU @ 1.80GHz，64位MATLAB R2014b條件運行下，迭代3 000次仍無法收斂，尋不到優化解。模型經過優化后，求解變量減少為10′[(6+6)+(2+2)]+12=172個，電腦配置不變，計算用時為124 s，能得到最優解。

3 結果與分析

3.1 2014年結果分析

3.1.1 各子區水量分配結果

基于2014年數據，采用本文提出的洋河流域農業水資源優化配置模型優化結果見表1。表1為各區各類作物和牲畜的年度單位配水量和種植面積及養殖數量。

由表1可以看出，水資源有限的情況下，為提高單位水量的產出，會優先給高效益的薯類、蔬菜、大牲畜配水；為了削減污染物入河量，會減少排污大的油料作物種植面積和小牲畜養殖數量。表1各子區作物和牲畜的年度單位配水量結合公式（20）、（21）可以計算得到各月單位配水量。所有子區中，各種作物和牲畜的配水量趨勢相似，本文以尚義縣的谷物和小牲畜為例，其各月配水量優化結果見圖3，其余各子區作物和牲畜的月配水量不再贅述。

表1 2014年優化結果

從圖3可以看出尚義縣谷物月配水量呈現“拋物線”趨勢，配水量區間值為0～400 m3/hm2，最大配水時段在8月份，因為8月是其需水量最大的時段，雖然降雨量在該時段也較多，但仍然遠遠不夠。尚義縣小牲畜月配水量變化幅度小，區間值為0.99～1.05 m3/頭。

3.1.2 八號橋考核斷面水質達標情況

八號橋考核斷面各月COD、NH3-N的水質優化前后情況對比結果如圖4所示。

由圖4可知，經過優化，八號橋監測斷面NH3-N、COD濃度得到明顯控制，滿足NH3-N≤1 mg/L，COD≤20 mg/L，達到水質要求Ⅲ類標準。

進一步，針對洋河流域的農業結構調整與不調整2種情形分別進行優化，并與實際值進行對比，見表 2。

圖4 八號橋斷面各月水質優化前后對比

表2 不同模型優化綜合對比

注：M0、M1、M2分別為實際值、不考慮農業結構調整的水資源優化模型、考慮農業結構調整的水資源優化模型。

Note:M0, M1, and M2 are actual values, a water resource optimization model that does not consider agricultural structure adjustment, and a water resource optimization model that considers agricultural structure adjustment, respectively.

從表2可以看出，M2、M1相比M0降低了農業配水量、提高了農業經濟效益，水質都達標。對比不同優化模型的結果，可以看出M2比M1優化效果更好。結構調整后，各作物面積、各牲畜數量發生了改變，谷物、豆類、油料、水果、小牲畜所占比例都略有下降，與結構不調整的各作物、牲畜比例對比見表3。通過優化配水和結構調整后，配水量減少了3.38%，經濟效益增加了11.96%，表明水資源得到了高效利用，從而驗證了該模型的有效性。

表3 各作物、牲畜比例結構優化前后對比

3.2 2020年不同來水情況及分析

以2020年為例，考慮豐平枯3種典型水文年來水情況下的優化配置方案。結合歷年資料以及規劃文件，對2020年供需水進行預測。在滿足當地工業、生活、生態用水需求的情況下，設定2020年不同來水情形，采用考慮農業結構調整的水資源優化模型（M2）進行計算，表4是洋河流域農業總配水量、總種植面積、總養殖數量及經濟效益等結果對比，圖5是10個子區8種需水用戶配水量對比。

表4 2020年不同來水情況下的綜合對比分析表

由表4可以看出，隨著可供水量的增大，農業配水、經濟效益、河道增補水量都會增加。結構調整是基于現有種植面積和牲畜數量進行優化，設定為不超過現有種養規模。由計算結果可知，3種不同來水情形下，總養殖數量維持不變，而在枯水年，種植面積略有減少。這是由于牲畜相比農作物而言，經濟效益更大。對于洋河流域這類水資源匱乏地區，會盡量維持牲畜養殖規模。而隨著可用水量減少，單位用水效益低的作物面積會逐漸減少，枯水年期間出現了總種植面積減少情形。

圖5 不同來水情況10子區及8種需水用戶配水量對比

從圖5可以看出，整體上，需水用戶和子區的配水量會隨著可供水量的增大而增大。8種需水用戶中，牲畜的配水量小于農作物（圖5a），說明農作物是主要需水用戶。同時，大部分作物和牲畜在平水年和豐水年的配水量都有增加，而薯類和蔬菜略有減少。這說明隨著可供水量增大，薯類和蔬菜這類效益高但污染大的作物會減少配水量，以保障水質達標；從配水量變化程度看，6種農作物中，谷物和水果的變化較為明顯，蔬菜、油料次之。以枯水年總配水量為基準，谷物和水果在平水年的配水量增長率分別為12.97%和11.43%，在豐水年則分別為35.15%和9.41%，而其他作物都低于3%。谷物和水果收益較高污染較低，而面積較大，這說明這類作物的配水量增長率與其種植面積相關。大部分子區在平水年和豐水年的配水量都有增加，而涿鹿、萬全和崇禮略有減少（圖5b）。從配水量變化程度看，懷來和宣化的配水量增大較為明顯，崇禮、橋東、橋西、下花園變化不明顯，懷來和宣化的谷物和水果的種植面積都較大，而橋東、橋西、下花園的各種作物種植面積都很小。可見，各子區配水量增長率與子區內需水用戶相關。通過上述分析可知，并不是所有作物、牲畜配水量都會隨著可供水量的增大而增大，因為配水量的多少不是僅僅取決與水量，而是由水量、污染排放量、經濟效益三者相互權衡后決定的。

4 結 論

本研究主要針對洋河流域水資源匱乏，水質達標困難等問題，結合流域水資源開發利用現狀特點，以保障考核斷面水質達標為前提，對洋河流域10子區的農業水資源進行優化配置，尋求農業經濟效益最大化。求解過程中基于農牧業需水特性進行水量分配可有效降維，同時采用削減排污量和河道補水增大稀釋能力2種方法實現水質達標。以2014年為例，采用本文模型進行計算，方案中八號橋考核斷面NH3-N、COD濃度得到控制，滿足NH3-N≤1 mg/L，COD≤20 mg/L。通過增加高效益的蔬菜、薯類種植面積和大牲畜的養殖數量，減少排污大的油料作物種植面積和小牲畜養殖數量，從而獲得較好的經濟效益并且改善水質，體現了本文模型的優化效果。最后，設計2020年豐平枯3種典型水文年，對比分析不同來水情況下的優化配置方案。隨著可供水量的增大，農業配水、河道補水量、農業經濟效益都有所增加，子區和需水用戶的配水量總體上增大。農作物是主要需水用戶。需水用戶的配水量增長率與其面積相關，子區間的配水量增長率與其區內作物類型和面積相關。該研究為未來流域水資源開發利用和合理配置提供技術支撐，對于保障該地區經濟可持續發展及水質安全等具有重大意義。

[1]崔丹，吳昊，吳殿廷. 京津冀協同治理的回顧與前瞻[J]. 地理科學進展，2019，38(1)：1－14. Cui Dan, Wu Hao, Wu Dianting. A review and prospect of regional governance in the Beijing-Tianjin-Hebei region[J]. Progress in Geography, 2019, 38(1): 1－14. (in Chinese with English abstract)

[2]陳平，傅長鋒，及曉光，等. 洋河水庫流域面源污染負荷的空間分布特征[J]. 水生態學雜志，2018，39(6)：58－64. Chen Ping, Fu Changfeng, Ji Xiaoguang, et al. Spatial distribution of non-point source pollution loading in Yanghe Reservoir watershed[J]. Journal of Hydroecology, 2018, 39(6): 58－64. (in Chinese with English abstract)

[3]付強，李佳鴻，劉東，等. 考慮風險價值的不確定性水資源優化配置[J]. 農業工程學報，2016，32(7)：136－144. Fu Qiang, Li Jiahong, Liu Dong, et al. Allocation optimization of water resources based on uncertainty of stochastic programming model considering risk value[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(7): 136－144. (in Chinese with English abstract)

[4]齊學斌，黃仲冬，喬冬梅，等. 灌區水資源合理配置研究進展[J]. 水科學進展，2015，26(2)：287－295. Qi Xuebin, Huang Zhongdong, Qiao Dongmei, et al. Research advances on the reasonable water resources allocation of in irrigation district[J]. Advances in Water Science, 2015, 26(2): 287－295. (in Chinese with English abstract)

[5]張展羽，司涵，馮寶平，等. 缺水灌區農業水土資源優化配置模型[J]. 水利學報，2014，45(4)：403－409. Zhang Zhanyu, Si Han, Feng Baoping, et al. An optimal model for agriculture water and soil resources configuration in water shortage irrigation area[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2014, 45(4): 403－409. (in Chinese with English abstract)

[6]劉博，崔遠來，尹杰杰，等. 基于DP-PSO算法的灌區農業水資源優化配置[J]. 節水灌溉，2016(8)：117－121. Liu Bo, Cui Yuanlai, Yin Jiejie, et al. Optimal allocation of irrigated agriculture water resources based on DP-PSO algorithm[J]. Water Saving Irrigation, 2016(8): 117－121. (in Chinese with English abstract)

[7]粟曉玲，康紹忠. 石羊河流域多目標水資源配置模型及其應用[J]. 農業工程學報，2009，25(11)：128－132. Su Xiaoling, Kang Shaozhong. Multi-objectives allocation model of water resources and its application in Shiyang River Basin[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2009, 25(11): 128－132. (in Chinese with English abstract)

[8]Lu Hongwei, Huang Guohe. Inexact rough-interval two-stage stochastic programming for conjunctive water allocation problems[J]. Journal of Environmental Management, 2009, 91(1): 261－269.

[9]梁美社，王正中. 基于虛擬水戰略的農業種植結構優化模型[J]. 農業工程學報，2010，26(增刊1)：130－133. Liang Meishe, Wang Zhengzhong. Optimal regional agricultural planting structure under the virtual water strategy[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2010, 26(Supp.1): 130－133. (in Chinese with English abstract)

[10]付強，肖圓圓，崔嵩，等. 基于多目標模糊規劃的灌區多水源優化配置[J]. 農業機械學報，2017，48(7)：222－227，221. Fu Qiang, Xiao Yuanyuan, Cui Song, et al. Multi-water resources optimal allocation of irrigation district based on fuzzy multi-objective programming[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery, 2017, 48(7): 222－227, 221. (in Chinese with English abstract)

[11]Khandelwal S, Dhiman S D. Optimal allocation of land and water resources in a canal command area in the deterministic and stochastic regimes[J]. Water Resources Management. 2018, 32(5): 1569－1584.

[12]彭致功，張寶忠，劉鈺，等. 基于灌溉制度優化和種植結構調整的用水總量控制[J]. 農業工程學報，2018，34(3)：103－109. Peng Zhigong, Zhang Baozhong, Liu Yu, et al. Constraint of total water consumption amount based on optimized irrigation schedule and planting structure adjustment[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(3): 103－109. (in Chinese with English abstract)

[13]李晨洋，于偉銘，陳正銳，等. 考慮生態的灌區水資源區間兩階段隨機規劃模型建立與應用[J]. 農業工程學報，2017，33(21)：105－114. Li Chenyang, Yu Weiming, Chen Zhengrui, et al. Two-stage interval parameters water resources model considering ecology and application in irrigation distric[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(21): 105－114. (in Chinese with English abstract)

[14]孫金華，王思如，朱乾德，等. 水問題及其治理模式的發展與啟示[J]. 水科學進展，2018，29(5)：607－613. Sun Jinhua, Wang Siru, Zhu Qiande, et al. Development and enlightenment of water issues and its governance[J]. Advances in Water Science, 2018, 29(5): 607－613. (in Chinese with English abstract)

[15]張守平，魏傳江，王浩，等. 流域/區域水量水質聯合配置研究Ⅰ：理論方法[J]. 水利學報，2014，45(7)：757－766. Zhang Shouping, Wei Chuanjiang, Wang Hao, et al. Basin/ region water quality and quantity allocation I. Theory and method[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2014, 45(7): 757－766. (in Chinese with English abstract)

[16]瞿一清，逄勇. 基于龍王廟斷面水質達標的城南河流域水環境容量[J]. 水資源保護，2018，34(5)：76－80. Qu Yiqing, Pang Yong. Water environmental capacity of Chengnan River Basin based on water quality standard of Longwangmiao Section[J]. Water Resources Protection, 2018, 34(5): 76－80. (in Chinese with English abstract)

[17]白露，肖娟，范肖予，等. 基于河道斷面自凈需水要求的自凈補水研究[J]. 水電能源科學，2017，35(7)：62－64，108.

Bai Lu, Xiao Juan, Fan Xiaoyu, et al. Self-purification supplement research based on water requirement of river self-purification of China cross-section[J]. Water Resources and Power, 2017, 35 (7): 62-64, 108. (in Chinese with English abstract)

[18]高曉琦，董增川，周濤，等. 基于不同生態需水計算方法的水量水質聯合調度研究[J]. 水電能源科學，2018，36(12)：25－29. Gao Xiaoqi, Dong Zengchuan, Zhou Tao, et al. Study on joint of water quantity and quality based on different ecological water requirement calculation methods[J]. Water Resources and Power, 2018, 36(12): 25－29. (in Chinese with English abstract)

[19]王闖，單保慶，唐文忠，等. 官廳水庫典型入庫河流(洋河)表層沉積物重金屬賦存形態特征[J]. 環境科學學報，2017，37(9)：3471－3479. Wang Chuang, Shan Baoqing, Tang Wenzhong, et al. Heavy metal speciation in the surface sediments of Yang River System(Guanting reservoir)[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2017, 37(9): 3471－3479. (in Chinese with English abstract)

[20]李大鳴，栗琪程，卜世龍，等. 洋河水庫流域非點源污染遷移特性及流域數學模型的構建[J]. 西北農林科技大學學報，2019，47(11) ：143-154. Li Daming, Li Qicheng, Bu Shilong, et al. Migration characteristics of non-point source pollution and construction of watershed mathematical model in Yanghe Reservoir Basin[J]. Journal of Northwest Agriculture and Forestry University, 2019, 47(11): 143-154. (in Chinese with English abstract)

[21]宋進喜，曹明明，李懷恩，等. 渭河(陜西段)河道自凈需水量研究[J]. 地理科學，2005(3)：3310－3316. Song Jinxi, Cao Mingming, Li Huaien, et al. Water requirements of the streams self-purification of the Weihe River in Shanxi Province [J]. Scientia Geographica Sinica, 2005(3): 3310－3316. (in Chinese with English abstract)

[22]宋為威，逄勇. 基于國考七橋甕斷面水質達標秦淮河流域水環境容量計算[J]. 中國農村水利水電，2017(10)：80－84. Song Weiwei, Pang Yong. The calculation of water environment capacity of Qinhuai River Basin based on the national test of QB-CS water quality standards[J]. China Rural Water Resources and Hydropower, 2017(10): 80－84. (in Chinese with English abstract)

[23]逄敏，逄勇，宋為威，等. 控源截污和生態補水對秦淮河水質的影響[J]. 揚州大學學報，2018，21(1)：73－78. Pang Min, Pang Yong, Song Weiwei, et al. Effects of pollution interception and ecological water diversion on water quality of Qinhuai River in NanJing[J]. Journal of Yangzhou University, 2018, 21(1): 73－78. (in Chinese with English abstract)

[24]侯曉幫，孫春燕，孔宇. 瀍河水環境整治中的水質保障措施[J]. 給水排水，2016，52(增刊1)：124－127. Hou Xiaobang, Sun Chunyan, Kong Yu. Water quality assurance measures in the water environment improvement of the Hanhe River[J]. Water and Wastewater Engineering, 2016, 52(Supp. 1): 124－127.

[25]鮑琨，逄勇，孫瀚. 基于控制斷面水質達標的水環境容量計算方法研究—以殷村港為例[J]. 資源科學，2011，33(2)：249－252. Bao Kun, Pang Yong, Sun Han. A water environment capacity calculation method based on water quality standards at the control sections: A case study of the Yincun Port [J]. Resource Science, 2011, 33(2): 249－252. (in Chinese with English abstract)

[26]郭冬蘭，錢誠，程福厚. 不同作物需水特性的比較研究[J]. 節水灌溉，2013(6)：67－69. Guo Donglan, Qian Cheng, Cheng Fuhou. Comparative study on water requirement characteristics of different crops[J]. Water Saving Irrigation, 2013(6): 67－69.

[27]崔昊杰，郭萍，李茉. 基于不確定性的區間分式規劃灌區優化配水模型[J]. 中國農業大學學報，2018，23(3)：111－121. Cui Haojie, Guo Ping, Li Mo. Interval fractional programming optimization model for irrigation water allocation under uncertainty[J]. Journal of China Agricultural University, 2018, 23(3): 111－121. (in Chinese with English abstract)

[28]楊喆，程燦，譚雪，等. 官廳水庫及其上游流域水環境容量研究[J]. 干旱區資源與環境，2015，29(1)：163－168. Yang Zhe, Cheng Can, Tan Xue, et al. Analysis of water environment capacity of Guanting Reservoir and its upstream basin [J]. Journal of Arid Land Resources and Environment, 2015, 29(1): 163－168. (in Chinese with English abstract)

[29]張祎茗，徐婧，康靜雯，等. 作物非充分灌溉研究進展[J]. 安徽農業科學，2010，38(9)：4423－4426. Zhang Yiming, Xu Jing, Kang Jingwen, et al. Advances in research on inadequate crop irrigation[J]. Journal of Anhui Agricultural Sciences, 2010, 38(9): 4423－4426.

[30]宋健，李江，楊奇鶴，等. 基于AquaCrop和NSGA-Ⅱ的灌溉制度多目標優化及其應用[J]. 水利學報，2018，49(10)：1284－1295. Song Jian, Li Jiang, Yang Qihe, et al. Multi-objective optimization and its application on irrigation scheduling based on AquaCrop and NSGA-II[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2018, 49(10): 1284－1295. (in Chinese with English abstract)

Optimal allocation of agricultural water resources in Yanghe River Basin based on water demand characteristics of agricultural and animal husbandry

He Li1, Du Yu2, Zhang Zhaolong2, Zhang Sijun2, Wu Shuang2

(1.,518060,; 2.,,430068,; )

With the growth of population and the rapid development of social economy, the shortage of water resources and the pollution of water environment in Yanghe River Basin have become increasingly prominent, which leads to the water quality in the assessment section of Yanghe River Basin is difficult to meet the water quality standard. In order to achieve the efficient utilization of water resources and environmental protection, combining with the characteristics of economic development and water resources utilization, an optimal allocation model of agricultural water resources was established with the water quality constraints for Yanghe River Basin. Therefore, under the premise of the water quality of assessment section, the monthly water allocation of different crops and livestock, as well as the crop planting area and the livestock number were optimized to maximize agricultural economic benefit. The paper proposed a method to control water quality by supplying water and reducing pullution simultaneously. Moreover, based on the water water requirement of agriculture and animal husbandry, this paper introduced a method to avoid unbalanced water supply problems and reduce the dimension to improve the solution efficiency. The optimization results showed that the assessment section of the Bridge 8 could be adjusted to meet the water quality standard by increasing the planting area of the vegetables and the tubers with higher benefit, as well as the large livestock number, and decreasing the planting area of oilseeds with severer emission, as well as the small livestock number. Comparing with the actual values in 2014, the agricultural water allocation decreased by 3.38%, and the economic benefit increased by 11.96%. Therefore, the model was verified effectively. Furthermore, the paper analyzed the optimization allocation schemes under different conditions of the low, median and high flow years in 2020. The results showed that, the more water quantity available, the more agricultural water allocation and river recharge correspondingly. In this condition, water allocation of most water users and subzones were also increased, of which Huailai and Xuanhua had larger increments. Besides, the water allocation of crops was larger than that of livestock, and the grains and fruits had larger increments. The increase rate of water users was relative to planting area, while the increase rate of subzones was relative to the crop type and planting area, and water allocation was the comprehensive tradeoff among available water for agriculture, pollution emissions and economic benefits. The proposed model is of great significance for ensuring water quality safety and sustainable development of regional economy in Yanghe River Basin, and has a certain reference value for optimizing allocation of water resources considering water quantity and quality.

water resources; optimization; models; agriculture and animal husbandry; water quantity and quality; dimension reduction; Yanghe River Basin

何 莉，杜 煜，張照壟，張思俊，吳 霜. 基于農牧業需水特性的洋河流域農業水資源優化配置[J]. 農業工程學報，2020，36(4)：72－81. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.04.009 http://www.tcsae.org

He Li, Du Yu, Zhang Zhaolong, Zhang Sijun, Wu Shuang. Optimal allocation of agricultural water resources in Yanghe River Basin based on water demand characteristics of agricultural and animal husbandry[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(4): 72－81. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.04.009 http://www.tcsae.org

2019-09-04

2020-01-22

國家水體污染控制與治理科技重大專項（2017ZX07101003-08）；國家自然科學基金（51309094）

何 莉，博士，教授，主要從事水資源優化配置研究。Email：heli@szu.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.04.009

TV122

A

1002-6819(2020)-04-0072-10