基于AquaCrop和NSGA-Ⅱ的灌溉制度多目标优化及其应用.pdfVIP

水 利 学 报 2018年10月 SHUILI XUEBAO 第49卷 第10期 文章编号：0559-9350（2018）10-1284-12 基于AquaCrop和NSGA-Ⅱ的灌溉制度多目标优化及其应用 1 1，2 1 1 1 1 宋 健 ，李 江 ，杨奇鹤 ，毛晓敏 ，杨 健 ，王 凯 （1. 中国农业大学 中国农业水问题研究中心，北京 100083； 2. 清华大学 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京 100084） 摘要：为了有助于在干旱区非充分灌水条件下制定合理的灌溉制度，构建了基于作物生长模型（AquaCrop）及多目 标遗传算法（NSGA-Ⅱ）的灌溉制度多目标模拟-优化模型。利用甘肃石羊河绿洲2014—2015年不同灌水和覆膜处 理下的春小麦田间试验数据对AquaCrop模型进行了率定与验证，并采用历史气象数据（1963—2016年）通过优化 适线法确定了降水量保证率为25 %、50 %、75 %的不同典型年，以最大产量及最小灌水量为目标对模型进行求 解，得到了不同条件下灌水量与产量之间的关系曲线，分析了覆膜对于优化结果的影响，并分别对农户与农场两 种类型的生产者进行了决策分析。结果表明：（1）作物的边际产量随着灌水总量的增加而减小，优化灌溉制度后 的作物水分生产函数可以表示为二次函数。（2）覆膜的增产效应随着灌水量的增加而减小。（3）灌水次数对不覆膜 条件下的产量影响较大，因此总灌水量小时应选择灌水次数少的灌溉制度，而总灌水量较大时，可采用灌水次数 多的灌溉制度。（4）对不同的决策者采用不同的功效系数可以实现多样化的灌溉决策。 关键词：AquaCrop；NSGA-Ⅱ；灌溉制度优化；覆膜；模拟-优化 中图分类号：S274 文献标识码：A doi：10.13243/ki.slxb 1 研究背景 ［1］ 在水资源短缺的干旱、半干旱地区，用水矛盾突出，农业灌溉可用水量逐渐减少 ，如何在非充 分灌水条件下制定合理的灌溉制度，对于提高该地区农业水分利用效率和促进农业可持续发展具有 重要意义。 灌溉制度优化是合理制定非充分灌水条件下灌溉制度的重要手段之一，其核心思想是确定有限 水量在作物生育期内如何分配，以实现作物产量最大或效益最高的目标。灌溉制度优化方法主要包 ［2］ 括线性规划、非线性规划及动态规划等，其中应用较多的是动态规划方法 。这些方法大多以生育阶 ［3］ 段、月、旬为时间尺度，解决不同阶段间的水量分配问题，以达到产量最大或效益最大的目的 。但 这些方法对不同灌溉制度下的农田蒸散发过程及其对作物产量的影响考虑比较简单，很难客观反映 出不同灌水条件下的产量变化，同时很难确定具体的灌水日期。作物生长模拟模型可以模拟不同灌 水条件下的作物产量变化，将模拟模型与优化模型相结合对作物灌溉制度进行优化为解决上述问题 提供了有效途径。 ［4］ 灌溉制度模拟-优化模型多采用Jensen水分生产函数模拟作物产量 ，通过经验公式将Jensen函 数的敏感指数降至日尺度，结合水量平衡模型及一定的优化技术对灌溉制度进行优化求解，以得到 ［5-7］ 产量最大或效益最高的单一优化目标 。该方法可以较准确地反映不同灌溉制度下的农田蒸散发过 收稿日期：2018-03-10；网络出版日期：2018-08-14 网络出版地