滦河下游灌区生态作物优化布局与地下水调控

周科; Ke ZHOU

中国农村水利水电 ›› 2021 ›› (3) : 123-127,133.

农田水利

滦河下游灌区生态作物优化布局与地下水调控

周科

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Crop Pattern and Underground Regulation in Luanhe Irrigaiton Area

Ke ZHOU

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摘要

选择我国沿海灌区－滦河下游灌区，构建地下水模拟模型（GBM）和水资源优化配置模型（OPM），通过模型验证、模型耦合与优化控制计算，得出地下水的储蓄动态变量，合理调控地下水，得出土地优化利用和生态作物优化布局方案。结果显示，从2016年到2030年，地下水净储量恢复10 万m³/a，地下水储量恢复79.2%。预测到2030年基本恢复地下水下降漏斗。滦河下游灌区生态作物优化布局结果显示，到2030年可获得作物种植效益33.326 1 亿元。与传统种植模式对比，生态作物种植总收益提高一倍以上。生态环境与社会经济效益十分显著。研究方法与成果可供制定农业水管理战略参考。

Abstract

Based on Luanhe downstream irrigation area， the underground water simulation model （GBM） and optimum model were set up. Through model verification， model coupling and optimization control calculation， the groundwater dynamic variables， reasonable groundwater regulation， land optimal use and crop optimization layout scheme were achieved. The results show that from 2015 to 2030， the net groundwater storage would recover 10×10⁴ m³/ years， which will recover to 79.2%. It is predicted that the groundwater drop will be basically restored by 2030. The results of crop optimization in the irrigation area show that the benefit of crop planting would be 3.332 61 billion yuan by 2030. Compared with the traditional planting pattern， the total income from crop cultivation has more than doubled. The ecological environment， social and economic benefits are very remarkable. The research methods can be used as a reference for formulating agricultural water management strategies.

关键词

土地利用 / 地下水调控 / 作物布局 / 模型构建 / 可持续发展

Key words

land use pattern / groundwater regulation / crop layout / model construction / sustainable development

基金

水利部公益基金项目(200801015)

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周科. 滦河下游灌区生态作物优化布局与地下水调控[J].中国农村水利水电, 2021(3): 123-127,133

Ke ZHOU. Crop Pattern and Underground Regulation in Luanhe Irrigaiton Area[J].China Rural Water and Hydropower, 2021(3): 123-127,133

0 引言

全球气候变化对地表水和地下水产生了直接影响。人口增长、城市化、经济发展和粮食生产加剧了世界各地水管理挑战。目前国内外大部分灌区都存在着生态湿地萎缩、土地使用目标不断被修改，生态环境受到严重威胁等问题。

由于近年来我国大部分灌区采取了强化节水措施，这些措施在实现节水的同时，也切断了地表水与地下水的联系，使得地下水失去了天然补给条件。全国尤其是华北地区大多数灌区，由于地表水资源的短缺，当地经济社会发展不得不大量开采地下水，地下水采补失衡使得地下水位下降、水源枯竭。地下水的过度开采使得本来就缺水的华北平原大部分地区更是雪上加霜，部分沿海灌区海水入侵。

2012年国务院国发〔2012〕3号文件《关于实行最严格水资源管理制度的意见》发布以来，加强了对地下水资源的管控。全国各地因地制宜，出台了地下水管控计划。

近年来，关于灌区地下水的合理开采、水资源合理配置等问题，国内外做了大量研究工作。2016年Watt等人对美国加利福尼亚灌区的农业生态景观、湿地、土地利用等进行了研究，提出地下水水箱模型的应用策略。2011年HANAK等人研究了水库、地下水、远距离调水复杂水资源系统与生态保护研究，提出了工业、农业、人口协调发展模型。2017年JÄGERMEYR等人研究了水资源短缺地区灌溉农业的发展模式，得出了灌区水资源多目标优化利用方案。2016年CADWR等人研究了地下水过度开采地区可持续性管理问题，提出了地下水过度开采地区的地下水管理模式。我国有关专家学者针对灌区地下水合理开采问题也进行了大量研究。2008年周振民教授承担的水利部公益项目“滦河下游区域水资源高效利用关键技术研究”，以“自然－人工”二元水循环理论为基础，从解决流域水资源管理与生态环境保护所面临的实际问题出发，结合原型观测实验，构建了一套具有物理机制的分布式水文模型，该模型广泛应用于灌区水资源管理。2011年赵明亮研究了“节水灌溉对滦河下游灌区地下水动态影响的研究”，通过工程实例，研究节水改造工程实施前后，滦河下游灌区地下水动态变化。2012年韩拙开展了“滦河下游灌区地下水动态变化及海水入侵”研究，结合滦河下游灌区基本情况，开展了灌区生态环境、海水入侵、地下水动态变化等多项研究。

综合分析各项研究成果，发现缺乏针对强制性节水措施条件下的地下水调控理论研究，缺乏将地下水模拟与作物优化布局相耦合的联合调控对策，缺乏以经济社会效益极大化为目标的研究方案，尤其是缺乏沿海灌区面临海水入侵威胁的地下水调控与作物布局一体化研究思路。因此，本文选择我国沿海灌区－滦河下游灌区，构建地下水模拟模型（水箱模型GBM）和水资源优化利用模型（OPM），通过模型验证、模型耦合与优化控制，计算地下水的储蓄动态变量，提出滦河下游灌区土地利用优化方案、滦河下游灌区灌溉面积与作物优化布局、灌区地下水调控方案、经济效益分析等系统性研究成果。

1 模型构建、验证与耦合

1.1 地下水模型构建

分别构建地下水模拟模型（GBM）、基于遥感数据的地下水平衡模型（RSM）和灰色系统GM（1，1）预测模型。

1.1.1 地下水模拟模型构建（GBM）

基于水平衡原理描述地下水系统，见式（1）：

Δ S_{i} = I_{i} - O_{i}

（1）

式中：ΔS_i 为地下水储存动态变量，m³；I_i 为地下水补给量，m³；O_i 为地下水系统开采或排出水量，m³；i表示时段序号；所有变量均以年为计算时段。

1.1.2 基于遥感数据的地下水平衡模型（RSM）

地下水补给量的计算采用公式（2）：

R = P - S - E_{T} - Δ S

（2）

式中：R为地下水补给量，mm；P为降水量，mm；S为多年平均径流量，mm；E_T 为蒸散发量，mm；ΔS为地下水储存变量，mm。

1.1.3 GM（1，1）模型

GM（1，1）模型是灰色系统理论的核心内容，它是由一个只包含单变量的微分方程构成的模型，设已知原始数据序列为GM（1，1），建模序列：

x^{(0)} = [x^{(0)} (1), x^{(0)} (2), . . ., x^{(0)} (n)]

（3）

利用一次累加生成1-AGO，设x ^（1）为x ^（0）的AGO序列，其中，x ^（1）（1）=x ^（0）（1），因此：

x^{(1)} = [x^{(1)} (1), x^{(1)} (2), . . ., x^{(1)} (n)]

（4）

令z（1）为x（1）的均值序列，则GM（1，1）的定义型，即GM（1，1）的灰色微分方程模型如下：

z^{(1)} (k) = 0.5 x^{(1)} (k) + 0.5 x^{(1)} (k - 1)

（5）

z^{(1)} = [z^{(1)} (2), z^{(1)} (3), . . ., z^{(1)} (n)]

（6）

x^{(0)} (k) = a z^{(1)} (k) = b

（7）

以k=2，3，…，n代入上式，则：

[\begin{matrix} - z^{(1)} (2) & 1 \\ - z^{(1)} (3) & 1 \\ ⋮ & ⋮ \\ - z^{(1)} (n) & 1 \end{matrix}]

（8）

由方程（4）~（8）可以转化为以下矩阵方程：

y_{n} = B P

（9）

式中：B为数据矩阵；y_n 为数据向量；P为参数向量。

利用最小二乘法原理，求解得：

p = {(a, b)}^{T} = (B^{T} {B)}^{- 1} B^{T} y_{n}

（10）

把得到的系数

P = [a, b]

代入到式（10），解下面微分方程：

x^{(1)} (k) = x^{(0) (1)} - (\frac{b}{a}) e^{- α (k - 1)} + \frac{b}{a}

（11）

也称为时间响应函数（白化方程）。对模拟值进行还原，得到预测值：

x^{(0)} (k + 1) = x^{(1)} (k + 1) - x^{(1)} (k)

（12）

1.2 模型验证

年蓄水变量的计算方法是区域总入流减去总出流。GBM计算灌区年总入流量为2 460~9 660万m³，年总出流量为 4 070~9 860万m³，RSM模型计算的年入流总量为1 600~10 300 万m³，年总出流为3 080~9 000 万m³。图1为GBM和RSM模型分别计算的地下水净储量动态变量。

图1 不同模型方法计算结果对比

Fig.1 Comparison between (RSM) and(GBM)

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GBM模型参数统计分析结果为：（R ² = 0.945，d = 0.932，NSE = 0.699，PBIAS=5.4），NSE和PBIAS两个参数的统计结果十分理想。因此，可以认为GBM模型的运算结果是可靠的。

在所有参数中，E_T 是最敏感的参数，因为它决定了总需水量的计算结果。用水效率也是一个非常不确定的变量，因为它与灌溉系统的类型、灌溉方法组成等有关。表1是不同时期用水效率验证对比。

表1 地下水GBM模型验证的灌溉水有效利用系数

Tab.1 Irrigation application efficiency used to calibrate groundwater box model(GBM)

作物类型

时段

计算值

验证

灌木类

2000-2010

2010-2018

0.755

0.798

0.750

0.780

草本类

2000-2010

2010-2018

0.676

0.772

0.623

0.788

藤曼类

2000-2010

2010-2018

0.678

0.780

0.712

0.788

灌区实测与计算作物需水量对比见图2。本文采用的拟合度标准为确定性系数（R ²）、一致性指数（d）、Nash-Sutcliffe用水效率系数（NSE）和百分比偏差（PBIAS）系数。利用统计分析方法对两种模型计算的结果进行评价。经统计分析计算，R ²=0.907；d=0.892；NSE =0.559；PBIAS=-2.32。精度满足有关规定标准。

图2 不同模型方法作物需水量计算结果对比

Fig.2 Comparison between (RSM) and(GBM)

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1.3 优化模型（OPM）

本文研究的优化问题是利用灌区有限的水资源，规划灌区（内陆与沿海地区）农业最优生态作物布局，实现社会经济效益最大化。优化问题的目标函数如下：

\begin{array}{l} M a x F = \sum_{i = 1}^{n} [B_{i}^{n} A_{i}^{n} - (A_{i}^{n} \times A W D_{i}) C W_{i}] + \\ \sum_{c = 1}^{n} [B_{c}^{n} A_{c}^{n} - (A_{c}^{n} \times A W D_{c}) C W_{c}] \end{array}

（13）

式中：

A_{i}^{n}

为灌区内陆地区i类作物第n年的允许种植面积，hm²；

B_{i}^{n}

为灌区内陆地区i类作物第n年的效益，元；AWD_i 为灌区内陆地区作物需水量，m³；CW_i 为内陆地区用水费用，元；

A_{c}^{n}

为灌区沿海地区i类作物第n年的允许种植面积，hm²；

B_{c}^{n}

为灌区沿海地区i类作物第n年的效益，元；AWD_c 为灌区沿海地区作物需水量，m³；CW_C 为灌区沿海地区用水费用，元。

式（13）中的第一项为内陆地区作物的净效益，第二项为灌区沿海地区作物的净效益。式（13）为线性规划优化模型，可以在MATLAB的优化工具箱中用内点法pro求解。

约束条件如下：

（1）最大最小面积约束；每类作物种植面积大于或等于历史最小种植面积，小于或等于历史最大种植面积（hm²）。

（2）土地可利用面积约束；分为内陆和沿海耕地面积约束（hm²）。

（3）可利用水资源量约束，根据当地水资源评价，地下水最大开采量按照不同时段限制（m³）。

（4）需水量约束；根据历史资料，生态景观类作物不大于农业传统种植作物的30%。

1.4 模型耦合与控制

模型耦合目的在于将OPM模型与GBM地下水模型耦合，将OPM模型优化计算的结果反馈到GBM模型，模拟计算地下水动态变化，并进行调控。本文分别选择常规和优化两种背景条件进行耦合。常规背景条件按照通常的水资源开发利用和生态作物种植习惯进行预测，未附加额外的水或土地使用限制性约束条件。

模型耦合与控制是生态作物布局和水资源优化配置的基础，耦合过程中，各项资料的传输、拟合和协调是实现联合控制的基础。

两类模型的连接通过资料变换和模型同步耦合实现。根据系统信息识别与控制目标的满意度，OPM模型将信息反馈给GBM模型，GBM模型进行调控修改，逐步实现优化目标。模型耦合参数见表2。

表2 GBM模型与OPM模型耦合参数表

Tab.2 Model composition of integrated GBM and OPM

模型	模型目标	解决问题	核心理论	模型参数	输出参数
GBM	地下水开发	控制超采	水量平衡	I_i；O_i	ΔS_i
COPM	作物优化布局	效益最优	目标优化理论	CW_i；Aⁿ _c；B_c ⁿ	Q_S (i,j,t);Q_R (x,t)

GBM模型模拟使用资料系列为50 a（1966-2015年），预测系列为15 a（2016-2030年）。评估不同背景条件下地下水动态变化与水资源优化配置的耦合程度，一个完整的运算过程处理时间为30 min。

2 滦河下游灌区生态作物优化布局与地下水调控

2.1 灌区概况

滦河下游灌区位于河北省唐山南部滦河以西、滨海平原地区。灌区主要受益范围为唐海、滦南、乐亭、丰南4县区及两个军垦农场。灌区总面积4 985 km²，设计灌溉面积11.2万hm²，实灌面积8.53万hm²，见图3。

灌区属暖温带大陆性季风亚湿润气候。多年平均降水量571.5~604 mm。其中6-9月份占全年降水量的82%，7、8两个月占全年降水量的62.64%。

灌区滦河引水总干渠长65.4 km，设计流量117 m³/s，干、支、斗渠道1 035 条，平均年引水量10 亿m³。

滦河下游灌区由于大气降水补给不足，地表水资源不足，工农业需水强度大，地下水长期处于过度开采状态，地下水下降漏斗区面积不断扩大，灌区范围内出现大面积地面沉降，近海岸地带出现了海水入侵，对当地生态环境与社会经济发展造成了影响。因此，开展灌区作物优化布局与地下水调控研究，对于合理开发利用水资源，提高经济社会与生态效益具有非常重要的意义。

2.2 生态作物需水计算方法

2.2.1 生态作物需水计算方法

生态作物灌溉需水预测，根据规划灌溉面积和综合灌溉定额计算。规划水平年为2030 年，用下式计算：

W_{需} = \sum_{i = 1}^{I} \sum_{j = 1}^{J} A_{i} M_{j}

（13）

式中：W _需为灌溉总需水量，m³；A_i 为不同种植作物灌溉面积，hm²；M_j 为第j类作物灌溉定额，m³/hm²。

采用用经济定额法计算，两者结果对比。经济定额法预测需水主要根据时间序列建立数学模型，应用较多的有指数模型、多项式模型、多元回归模型、人工神经网络模型ARMA模型等。本文综合考虑经济预测及定额预测的适用性，选取GM（1，1）模型进行预测。

2.2.2 资料水平年

以2015年水平价格为准。生态作物效益按照当地环保部门2015年年报中的经济贡献率估算，折算单位面积效益。根据农作物与生态格局分类效益计算结果，计算总效益。各类作物的年成本包括土地整备、育苗、肥料、杀虫剂、收获、用工费、设备费、灌溉等。

降水量采用1966-2016年50年的资料系列。土地利用以2015年遥感调查资料为基础开始优化计算。

3 结果与讨论

3.1 土地利用类型

根据滦河下游区域土地利用规划，应用本文构建模型，对灌区土地利用类型进行了优化。灌区土地利用类型分为八大类，包括耕地、林地、生态景观用地、水面、生态湿地、鱼塘养殖、建设用地（农村建设、交通运输）、沿海滩涂荒地等。不同阶段土地利用类型优化结果见表3。

表3 滦河下游灌区土地利用类型优化计算成果表 (km²)

Tab.3 Lang use pattern in irrigation area

土地利用类型	2015	2020	2030	平均面积占比/%
合计	4 895.56	5 056.7	5 181.9	100.00
耕地（各类农作物）	2 806.57	2 910.0	2 950.5	57.27
林地（包括果树园林）	80.50	90.5	110.6	1.86
生态景观用地（河湖滨水）	110.00	125.5	150.3	2.55
河湖水面（包括河湖景观）	593.26	570.5	560.0	11.39
生态湿地（自然、人工）	135.00	150.2	160.0	2.94
鱼塘养殖（淡水、海水利用）	210.00	230.0	240.5	4.50
建设用地（新农村、交通道路）	626.78	750.0	850.0	14.71
沿海滩涂荒地（待开发）	333.44	230.0	160.0	4.78

表3可知，灌区土地利用类型以耕地为主，占灌区总土地面积的57.2%。从2015年的2 806.57 km²发展到2030年的 2 950.50 km²，耕地面积扩大了5.1%。由于水资源利用效率的提高，灌区总覆盖面积也有所提高，从2015年的4 895.56 km²提高到2030年的5 181.9 km²。灌区受益面积扩大了5.8%。沿海滩涂荒地面积从2015年的333.44 km²，减少到160.0 km²，减少了52.01%。

3.2 灌溉面积与生态作物优化布局

根据河北省水利部门规划基础资料，通过优化计算，得出灌区不同阶段灌溉与作物优化布局，见表4。

表4 滦河下游灌区不同阶段灌溉面积、生态作物优化布局成果表 (万hm²)

Tab.4 Irrigation area and crop pattern in different periods

作物种类	2020			2025			2030
作物种类	种植面积	灌溉面积	占总灌溉面积/%	种植面积	灌溉面积	占总灌溉面积/%	种植面积	灌溉面积	占总灌溉面积/%
合计	11.450 9	10.686 9	100	12.596 0	11.723 0	100.00	13.855 6	12.895 4	100.00
水稻	5.509 0	5.509 0	51.55	6.018 0	6.018 0	51.33	6.619 8	6.619 8	51.33
旱作	1.532 6	1.532 6	14.34	1.685 9	1.685 9	14.38	1.854 5	1.854 5	14.38
林地	1.205 0	1.205 0	11.28	1.326 5	1.326 5	11.32	1.459 2	1.459 2	11.32
果树	1.120 3	1.120 3	10.48	1.240 6	1.240 6	10.58	1.364 7	1.364 7	10.58
草坪	0.556 0	0.556 0	5.20	0.611 6	0.611 6	5.22	0.672 8	0.672 8	5.22
芦苇	1.528 0	0.764 0	7.15	1.680 8	0.840 4	7.17	1.848 9	0.924 4	7.17

近年来，灌区管理部门重视生态景观，改善农业生产小气候，模型优化中，保留了原有的芦苇面积，并且伺机补水。表4中的作物种植和果树林木种植灌溉定额，参考《滦河下游灌区水资源规划》有关成果。由表4可知，2020年灌区种植面积11.450 9 万hm²，灌溉面积10.686 9 万hm²，灌溉面积占种植面积的93.32%，到2030年发展到13.855 6 万hm²，灌溉面积12.895 万hm²，灌溉面积占种植面积的93.07%.

3.3 灌区水资源供需平衡分析

参考河北省实行最严格水资源管理“三条红线”中水资源总量控制指标、水资源利用效率指标和水功能区纳入能力指标，经计算，得出滦河下游灌区水资源供需平衡方案，见表5。

表5 滦河下游灌区水资源供需分析成果表 (万m³)

Tab.5 Water availability and demand in the irrigation area of downstream Luanhe river

分区

可供水量

需水量

缺水量

供需比/

说明

地表水

地下水

非常规水

合计

工业

农业

生活

合计

平原区

13.815

2.287

0.389 0

16.491

1.605

15.338

0.892

17.835

1.021 4

92.46

地表水包

沿海区

6.970

1.191

0.194 8

8.356

0.829

7.919

0.460

9.208

0.852 0

90.75

括外引水

由表5可见，考虑到灌区种植作物布局，基于本文构建模型计算，灌区基本实现水资源供需平衡。一般年份平原地区水资源供水保证率为92.46%。沿海地区可达到90.75%。

3.4 灌区地下水调控分析

根据灌区水文地质条件，考虑地下水补给与工农业生产与生活需未来发展，综合考虑当地地表水、潘家口水库、大黑汀水库等供水，雨水收集利用，非常规水资源开发利用，按照灌区分区，计算灌区地下水可开采利用量，结果见表6。

表6 灌区地下水可开采量分析成果表 (万m³)

Tab.6 Underground water availability analysis in the Irrigation are

分区	2020	2025	2030
合计	34 781	46 850	58 920
唐海	1 673	2 254	2 835
滦南	16 086	21 668	27 250
乐亭	9 588	12 915	16 242
丰南	7 434	10 013	12 593

由于当地工农业生产发展的需求，从1980年以来，地下水开采一直处于超采状态。连年的地下水超采，引起大面积地下水下降漏斗区，尤其是沿海地区，导致海水入侵。2010-2015年资料统计分析地下水超采分布情况见表7。

表7 2010-2015年灌区地下水超采监测成果表

Table7 Underground water overdraft in the irrigation area

分区	地下水位下降速率/ (m·a^－1)	地面沉降速率/ (mm·a^-1)	开采系数K	超采程度
丰南	1.40	10~50	4.41	重超采区
唐海	0.84	10~17	1.54	超采区
滦南	1.07	10~20	1.31	超采区
乐亭（西）	1.05	10~30	1.25	超采区
乐亭（东）	0.37	0~5	0.97	未超采区

据资料统计，2001年淡水区的地下水位平均埋深为21.10 m，与1996年相比下降2.86 m，监测点周各庄、新庄、及乐亭沿海地区地下水位埋深最大值高达40 m。其余地区地下水埋深为11～40 m。

根据本研究方案，合理调控地下水，预测2020-2030年地下水下降漏斗区面积明显减少，逐步实现采补平衡。表8为灌区内代表性观测点2020-2030年的预测地下水位平均埋深。

表8 滦南灌区地下水埋深预测值 (m)

Tab.8 Underground water level forecast

测点编号	2015	2020	2025	2030	地下水动态变化
1	10.15	6.45	5.35	3.25	+6.90
2	15.16	10.12	7.15	5.15	+10.01
3	8.12	6.10	5.11	3.12	+5.00
4	13.45	9.89	7.01	4.01	+9.44
5	12.11	8.12	6.15	3.10	+9.01
6	8.90	5.68	5.21	3.15	+5.75
7	9.56	5.70	5.34	3.21	+6.35
8	9.45	5.65	5.35	3.16	+6.29
9	9.78	6.10	5.21	2.89	+6.89
10	10.11	6.12	5.15	2.90	+7.21
平均	10.68	6.99	5.70	3.39	+7.29

由表8预测结果可知，采用本方案，合理调控地下水，预测到2030年基本恢复地下水下降漏斗，地下水埋深平均保持在3.0 m左右。

3.5 经济效益分析

根据灌区统计资料，按照2015年水平价格计算，灌区采用本方案可获得的直接经济效益见表9。社会效益和生态环境效益十分显著。

表9 滦河下游灌区生态作物优化布局经济效益估算成果表

Tab.9 Economic Benefit of crop pattern in the Irrigation Area

作物种类	2020			2025			2030
作物种类	种植面积/ 万hm²	单位净效益/ (元·hm^-2)	总效益/ 亿元	种植面积/ 万hm²	单位净效益/ (元·hm^-2)	总效益/ 亿元	种植面积/ 万hm²	单位净效益/ (元·hm^-2)	总效益/ 亿元
合计	11.450 9		16.252 4	12.596 0		24.276 7	13.855 6		33.326 1
水稻	5.509 0	20 700	11.403 6	6.018 0	27 600	16.610 0	6.619 8	34 500	22.838 3
旱作	1.532 6	8 500	1.302 7	1.685 9	11 330	1.910 0	1.854 5	14 162	2.626 3
林地	1.205 0	4 600	0.554 3	1.326 5	9 500	1.260 2	1.459 2	11 875	1.732 8
果树	1.120 3	16 700	1.870 9	1.240 6	22 266	2.762 3	1.364 7	27 832	3.798 2
草坪	0.556 0	3 210	0.178 5	0.611 6	3 210	0.196 3	0.672 8	3 210	0.215 9
芦苇	1.528 0	6 150	0.939 7	1.680 8	9 150	1.537 9	1.848 9	11 437	2.114 6

由表9可见，按照本项目研究的滦河下游灌区作物布局方案，到2025年可获得总经济效益24.276 7亿元，2030年可获得作物种植效益33.326 1亿元。与传统种植模式对比，2018年灌区作物种植效益为12.38亿元。土地生态和作物种植总受益提高一倍以上。

4 结论

应用控制手段，实现灌区生态作物优化布局与地下水可持续管理是一个复杂的过程。滦河下游灌区是一个典型的农业区，地下水资源是实现农业发展的主要水源。由于过度开采使得地下水位不断下降，地下水储量耗竭，导致海水入侵。本项研究利用灌区历史资料，以社会经济、水文和农业生产条件为基础，对农业生态作物布局及其经济效益进行了优化计算。

本文构建了地下水GBM模型，通过土地管理和生态作物优化布局，以经济效益和优化用水为目标，对地下水可持续开发利用进行了模拟和预测。

GBM模拟计算结果显示，从2015年到2030年，地下水净储量恢复10 万m³/a，地下水储量恢复79.2%。通过地下水调控，提高灌区的整体经济受益，改善生态环境。

研究结果说明，灌区水管理存在很大的改进空间。通过模拟与优化技术耦合，调整土地利用类型和作物布局，减少地下水耗竭，优化利用灌区水资源，满足灌区生产、生活和未来工农业发展需水是一个十分可行的途径。

本文研究结果可供制定农业水管理战略参考，为农业、经济社会、生态环境等提供支撑资料。在改善水管理策略中也有很大的应用潜力。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序

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基金
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0 引言
1 模型构建、验证与耦合
1.1 地下水模型构建
1.1.1 地下水模拟模型构建（GBM）
1.1.2 基于遥感数据的地下水平衡模型（RSM）
1.1.3 GM（1，1）模型
1.2 模型验证
图1 不同模型方法计算结果对比
表1 地下水GBM模型验证的灌溉水有效利用系数
图2 不同模型方法作物需水量计算结果对比
1.3 优化模型（OPM）
1.4 模型耦合与控制
表2 GBM模型与OPM模型耦合参数表
2 滦河下游灌区生态作物优化布局与地下水调控
2.1 灌区概况
2.2 生态作物需水计算方法
2.2.1 生态作物需水计算方法
2.2.2 资料水平年
3 结果与讨论
3.1 土地利用类型
表3 滦河下游灌区土地利用类型优化计算成果表 (km2)
3.2 灌溉面积与生态作物优化布局
表4 滦河下游灌区不同阶段灌溉面积、生态作物优化布局成果表 (万hm2)
3.3 灌区水资源供需平衡分析
表5 滦河下游灌区水资源供需分析成果表 (万m3)
3.4 灌区地下水调控分析
表6 灌区地下水可开采量分析成果表 (万m3)
表7 2010-2015年灌区地下水超采监测成果表
表8 滦南灌区地下水埋深预测值 (m)
3.5 经济效益分析
表9 滦河下游灌区生态作物优化布局经济效益估算成果表
4 结论
参考文献

收稿日期	出版日期
2020-04-28	2021-03-15
发布日期
2021-04-07

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1 模型构建、验证与耦合

1.1 地下水模型构建

1.1.1 地下水模拟模型构建（GBM）

1.1.2 基于遥感数据的地下水平衡模型（RSM）

1.1.3 GM（1，1）模型

1.2 模型验证

图1 不同模型方法计算结果对比

表1 地下水GBM模型验证的灌溉水有效利用系数

图2 不同模型方法作物需水量计算结果对比

1.3 优化模型（OPM）

1.4 模型耦合与控制

表2 GBM模型与OPM模型耦合参数表

2 滦河下游灌区生态作物优化布局与地下水调控

2.1 灌区概况

2.2 生态作物需水计算方法

2.2.1 生态作物需水计算方法

2.2.2 资料水平年

3 结果与讨论

3.1 土地利用类型

表3 滦河下游灌区土地利用类型优化计算成果表 (km2)

3.2 灌溉面积与生态作物优化布局

表4 滦河下游灌区不同阶段灌溉面积、生态作物优化布局成果表 (万hm2)

3.3 灌区水资源供需平衡分析

表5 滦河下游灌区水资源供需分析成果表 (万m3)

3.4 灌区地下水调控分析

表6 灌区地下水可开采量分析成果表 (万m3)

表7 2010-2015年灌区地下水超采监测成果表

表8 滦南灌区地下水埋深预测值 (m)

3.5 经济效益分析

表9 滦河下游灌区生态作物优化布局经济效益估算成果表

4 结 论

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参考文献

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表3 滦河下游灌区土地利用类型优化计算成果表 (km²)

表4 滦河下游灌区不同阶段灌溉面积、生态作物优化布局成果表 (万hm²)

表5 滦河下游灌区水资源供需分析成果表 (万m³)

表6 灌区地下水可开采量分析成果表 (万m³)

4 结论