基于虚拟水贸易的引黄灌区种植结构优化调整模型

摘要

黄河流域开发历史悠久，不仅是中华民族的发祥地，也是中华文明的中心。新中国成立之后，引黄灌溉事业大力开展起来，黄河灌区发展成为我国重要的粮棉基生产基地和工业基地。自20世纪80年代以来，随着社会经济的迅速发展，国民经济各部门水资源消耗加大，而近年来受气候变化及人类活动的影响，黄河流域旱灾频发，水资源供需矛盾日趋紧张。
　　人民胜利渠灌区位于黄河中下游，是新中国成立后兴建的第一个大型引黄自流灌区。灌区不仅是河南省粮食核心区的重要支柱，也是工农业发展的重要支撑，对我省甚至全国的粮棉安全起到重要的保障作用。随着近年来社会的发展，水资源需求量激增，而沿黄地区重要水源的黄河来水持续减少，加之以灌区水资源配置不合理，农业种植结构调整比较缓慢，农业用水保障率降低，已影响到灌区的可持续发展。如何合理高效配置水资源，促进引黄灌区水资源高效利用成为人民胜利渠灌区今后发展面临的重要问题。传统的节水措施大都借助于工程手段或技术手段，“虚拟水贸易”作为一种非工程手段来缓解贫水国或地区的水资源危机，成为近年来国内外学者的研究热点。
　　本文针对人民胜利渠灌区农业水资源高效利用及种植结构方面存在的问题，以虚拟水理论为指导，对人民胜利渠灌区的种植结构进行优化调整，以提高灌区的水资源利用效率和效益。主要的研究内容及结论如下:
　　(1)系统的介绍了虚拟水理论，包括概念、内涵、特征、量化方法及我国虚拟水贸易状况，并详细阐述了在确保粮食安全的前提下，我国实施虚拟水贸易的可行性和必要性。
　　(2)对人民胜利渠灌区主要农作物的虚拟水含量进行了量化分析，得出棉花、油菜、水稻、花生、小麦和玉米的虚拟水含量依次为:6764.54m3/kg、1809.83m3/kg、1027.49m3/kg、884.43m3/kg、746.05m3/kg和657.26m3/kg。从虚拟水贸易的角度对灌区农作物种植结构现状进行分析，认为人民胜利渠灌区棉花、油菜和水稻的虚拟水含量相对较大，今后其种植比例应适当减少。
　　(3)综合考虑人民胜利渠灌区的经济效益、社会效益及生态效益，建立了多目标种植结构优化模型，以期在提高灌区经济效益的同时兼顾到灌区生态环境的保护。采用两步交互式优化算法对该模型进行求解，简单实用，在人机不断交互的求解过程中可以让决策者提出更多更合理的偏好信息，有利于得出令决策者满意的解。在得出模型优化结果的基础上，对该种植结构进行定性分析。
　　(4)以虚拟水理论为指导，对模型的优化结果做进一步调整。由于人民胜利渠灌区的棉花、水稻和油菜虚拟水含量较大，且高于全国平均水平，因此考虑对其实施虚拟水贸易，减少其种植面积，适当地从国内其他盛产该作物的地区通过购买来满足本地的需求。而对灌区虚拟水含量较低的作物即小麦、玉米和花生增加其种植比例。但考虑到灌区农业现状，最终确定进行虚拟水贸易的作物为棉花及水稻，且并未继续增加小麦的种植比例。通过设置不同的贸易方案，对比分析其综合效益和节约虚拟蓝水量，得出最优种植方案。该方案中主要作物的种植面积分别为:小麦8.06万hm2、玉米4.56万hm2、水稻1.25万hm2、棉花1.02万hm2、花生2.03万hm2及油菜1.05万hm2。
　　结果表明，通过对人民胜利渠灌区实施虚拟水贸易，灌区的种植结构得以优化，与现有种植结构相比，经济效益值增加了2.367亿元，社会效益值增加了1.387亿元，生态效益值增加了3.548亿元，节约虚拟蓝水量2148.74万m3。且灌区的粮食总产量达8.71亿kg，可以实现国家粮食安全中长期规划纲要的目标，保障灌区的粮食安全。由此可见，在确保人民胜利渠灌区粮食安全的前提下，虚拟水贸易的实施使得水资源通过粮食贸易的途径从用水效率高的地区转移至用水效率低的地区，通过非工程措施实现了水资源的优化配置，节约了调水成本，提高了农业综合效益，有利于灌区水资源高效利用。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 虚拟水与种植结构优化国内外研究进展

1．2．1 虚拟水国内外研究进展

1．2．2 种植结构优化调整的国内外研究现状

1．2．3 存在的主要问题和难点

1．3 主要研究内容和技术路线

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 技术路线

2 虚拟水理论及我国虚拟水贸易

2．1 虚拟水概念内涵及特征

2．2 农产品虚拟水含量计算方法

2．3 虚拟水贸易状况

2．3．1 我国农产品虚拟水贸易分析

2．3．2 农产品国内虚拟水贸易的可行性分析

2．3．3 我国粮食安全分析

2．4 本章小结

3 研究区概况

3．1 自然状况

3．1．1 地理位置

3．1．2 地形地貌

3．1．3 气候状况

3．1．4 水文地质条件

3．2 经济社会状况及存在的问题

3．2．1 社会状况

3．2．2 农业生产状况

3．2．3 存在的问题

3．3 灌区水资源开发利用状况及存在的问题

3．3．1 水资源开发利用状况

3．3．2 存在的问题

3．3．3 水资源高效利用措施

3．4 本章小结

4 构建基于虚拟水贸易的多目标种植结构优化调整模型

4．1 多目标种植结构调整优化模型的构建

4．1．1 指导思想

4．1．2 模型构建

4．1．3 基于虚拟水贸易的种植结构调整

4．2 交互式优化算法求解多目标优化模型

4．2．1 交互式优化算法的基本概念

4．2．2 交互式优化算法具体步骤

4．2．3 两步交互式多目标优化算法与其他算法比较

4．3 本章小结

5 基于虚拟水贸易的多目标种植结构优化调整模型的应用

5．1 灌区主要农作物虚拟水含量计算

5．1．1 计算方法及数据的选择

5．1．2 人民胜利渠灌区主要农作物虚拟水含量计算

5．2 人民胜利渠灌区虚拟水贸易途径分析

5．2．1 省内虚拟水贸易分析

5．2．2 国内虚拟水贸易分析

5．3 多目标作物种植结构优化模型的应用

5．3．1 人民胜利渠灌区作物种植结构优化调整模型构建

5．3．2 利用两步交互式多目标满意优化算法求解模型

5．4 考虑虚拟水贸易的种植结构调整

5．4．1 节水分析

5．4．2 经济效益、社会效益及生态效益分析

5．4．3 灌区粮食安全分析

5．5 本章小结

6 总结与展望

6．1 主要结论

6．2 新见解

6．3 研究展望

参考文献

致谢

个人简历、硕士研究生期间发表论文及研究成果