何 莉，杜 煜，張照壟，張思俊，吳 霜

·農(nóng)業(yè)水土工程·

基于農(nóng)牧業(yè)需水特性的洋河流域農(nóng)業(yè)水資源優(yōu)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(yè)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(huán)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(xiàn)水資源充分利用與環(huán)境保護的雙重目標，結合流域經(jīng)濟社會發(fā)展及水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀特點，以洋河流域為研究對象，考慮水質約束，構建了農(nóng)業(yè)水資源優(yōu)化配置模型。在保障考核斷面水質達標前提下，通過優(yōu)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(yǎng)殖數(shù)量，以實現(xiàn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟效益最大化。為提高水質和實現(xiàn)水資源充分利用，提出補水減排聯(lián)合控制水質達標方法，并基于農(nóng)牧業(yè)需水特性配水，可避免非均衡給水情形的發(fā)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(yōu)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(yǎng)殖數(shù)量，減少排污大的油料作物種植面積和小牲畜養(yǎng)殖數(shù)量，可實現(xiàn)考核斷面水質達標，且農(nóng)業(yè)配水量減少3.38%，經(jīng)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(yōu)化配置方案，結果表明：隨著可供水量的增大，農(nóng)業(yè)配水、河道補水量會相應增加，大部分需水用戶和子區(qū)的配水量也會隨之增加。子區(qū)中的懷來縣和宣化區(qū)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(nóng)作物。需水用戶的配水量增長率與其面積相關，子區(qū)間的配水量增長率與其區(qū)內(nèi)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(jīng)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(qū)域經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有重大意義，并對考慮水質的水資源優(yōu)化配置有一定的參考作用。

水資源；優(yōu)化；模型；農(nóng)牧業(yè)；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(nóng)副產(chǎn)品基地，其對流域生態(tài)環(huán)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(nóng)藥的大量施用，以及畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)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(qū)域的水資源充足以及水資源環(huán)境安全至關重要。而農(nóng)業(yè)用水約占總用水量的70%，不合理的農(nóng)業(yè)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(nóng)業(yè)水資源進行合理配置刻不容緩。

目前，已有很多學者對農(nóng)業(yè)水資源進行了研究[4]：張展羽等[5]建立了缺水灌區(qū)農(nóng)業(yè)水土資源優(yōu)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(qū)農(nóng)業(yè)水資源優(yōu)化配置模型。粟曉玲等[7]將水資源優(yōu)化配置模型和模擬模型耦合。Lu等[8]將兩階段隨機規(guī)劃應用于農(nóng)業(yè)水資源優(yōu)化配置，實現(xiàn)了地下水和地表水的聯(lián)合調(diào)度。梁美社等[9]提出基于虛擬水戰(zhàn)略的區(qū)域農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結構優(yōu)化模型。付強等[10]構建基于多目標模糊規(guī)劃的灌區(qū)多水源優(yōu)化配置模型，得到不同流量不同水源下的最優(yōu)配水方案。Khandelwal等[11]提出了一種水資源優(yōu)化配置與產(chǎn)業(yè)結構優(yōu)化模型，為管理者制定可持續(xù)的土地和水資源管理計劃。彭致功等[12]以農(nóng)業(yè)耗水總量及灌溉取水總量為約束條件，采用優(yōu)化灌溉制度和種植結構調(diào)整措施下京郊農(nóng)業(yè)發(fā)展面積閾值。農(nóng)業(yè)水資源配置在新的優(yōu)化技術和算法下更加細致準確，但現(xiàn)有研究大多側重于水量配置，而忽略生態(tài)系統(tǒng)中水質污染的影響，不符合農(nóng)業(yè)水資源可持續(xù)利用原則[13]。

為了實現(xiàn)水資源充分利用與環(huán)境保護的雙重目標，需要進行水質水量聯(lián)合配置[14]。目前，水質水量聯(lián)合配置研究中控制水質達標主要通過2種方式實現(xiàn)，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(yōu)化配置的水質模擬系統(tǒng)，提出基于水功能區(qū)納污能力的污染物總量分配優(yōu)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(tài)流量保障的水庫水量水質聯(lián)合調(diào)度模型。雖然采用這2種方式能實現(xiàn)水質達標，但是在短期內(nèi)很難實現(xiàn)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(wěn)定達標[19]。為保障水質達標，且實現(xiàn)農(nóng)業(yè)經(jīng)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(nóng)業(yè)水資源優(yōu)化模型。以2014年為例，通過農(nóng)業(yè)水資源合理配置，使當?shù)亟?jīng)濟實現(xiàn)科學發(fā)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(fā)利用和合理配置提供技術支撐。

1 模型構建

1.1 研究區(qū)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(wǎng)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(xiàn)狀，構建洋河流域水系概化圖，如圖1所示。張家口市境內(nèi)洋河干流全長106 km，控制流域面積約1.07萬km2，主要經(jīng)過尚義縣、懷安縣、萬全區(qū)、崇禮區(qū)、橋東區(qū)、橋西區(qū)、宣化區(qū)、下花園區(qū)、懷來縣、涿鹿縣10個子區(qū)。農(nóng)業(yè)包括種植業(yè)、林業(yè)、畜牧業(yè)、漁業(yè)、副業(yè)5種產(chǎn)業(yè)形式，由于洋河流域林、漁、副業(yè)用水少且污染小，因此本文將重點研究種植業(yè)和畜牧業(yè)。其中，種植業(yè)包括谷物、豆類、薯類、油料、蔬菜、水果六類；畜牧業(yè)包括大牲畜、小牲畜兩類?；诖?，本文配置對象為洋河流域10個子區(qū)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(lián)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(tài)穩(wěn)定且寬深比值小，污染物在較短的時間內(nèi)能基本混合均勻，可以由一維穩(wěn)態(tài)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]?；虿捎霉剑?）計算河道流量不變情形下，控制斷面水質達標的水環(huán)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(huán)境容量，g/s；為斷面距排污口的距離，m；為水質降解系數(shù)，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(diào)節(jié)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(xiàn)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(yè)與城鎮(zhèn)生活污染物處理入河量，農(nóng)村生活、城鎮(zhèn)生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)污染物直排入河量構成，于是，本文提出的補水減排聯(lián)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(nèi)工業(yè)與城鎮(zhèn)生活污染物處理入河總量，g；ns、cs、gy、ny分別為在時段?內(nèi)農(nóng)村、城鎮(zhèn)生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)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(nóng)業(yè)水資源優(yōu)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?shù)毓I(yè)、生活、生態(tài)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(nóng)業(yè)經(jīng)濟效益最大化為目標對農(nóng)業(yè)水資源進行優(yōu)化配置。

1.3.1 決策變量

決策變量由10子區(qū)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(yǎng)殖數(shù)量構成，決策變量集公式為

1.3.2 目標函數(shù)

研究目標為合理分配研究區(qū)內(nèi)有限的水資源，使農(nóng)業(yè)經(jīng)濟凈效益最大。目標函數(shù)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(yǎng)殖數(shù)量約束、水質約束。

1）可供水量約束

2）種植業(yè)需水約束

3）牲畜需水約束

4）作物種植面積約束

5）牲畜養(yǎng)殖數(shù)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(shù)、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(qū)同一作物、牲畜的各生育時期需水量不同[26]，而作物產(chǎn)量或牲畜產(chǎn)值一般處理為生長期總耗水量或總用水量的函數(shù)[27]。單從經(jīng)濟效益出發(fā)，則容易出現(xiàn)非均衡供水問題。為此，本文提出基于農(nóng)牧業(yè)需水特性的水量分配降維法，將年度配水量按照一致系數(shù)分得月度配水量。

2.1 基于農(nóng)牧業(yè)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(shù)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(chǎn)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(shù)，提高了求解效率。

2.2 參數(shù)設定

基于數(shù)據(jù)完備性，本文以2014年為例，社會經(jīng)濟指標、水資源供用水量、水質監(jiān)測數(shù)據(jù)、污染物排放量等數(shù)據(jù)主要來源于2015年《張家口經(jīng)濟年鑒》、2014年《張家口水資源公報》、《張家口環(huán)境公報》以及《官廳水庫生態(tài)安全調(diào)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(shù)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(chǎn)函數(shù)反映其全生育期總耗水量與產(chǎn)量之間的函數(shù)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(chǎn)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(qū)系數(shù)相差很大，需要對不同地區(qū)不同作物分別進行研究[30]。統(tǒng)計2006—2016年《張家口經(jīng)濟年鑒》中10子區(qū)6類作物的產(chǎn)量、面積、降雨量以及《張家口水資源公報》中的灌溉水量數(shù)據(jù)，通過擬合得到各子區(qū)各作物全生育期水分生產(chǎn)函數(shù)系數(shù)，統(tǒng)計2006—2016年《張家口經(jīng)濟年鑒》中大小牲畜產(chǎn)值以及《張家口水資源公報》中大小牲畜用水數(shù)據(jù)，擬合得到各子區(qū)各牲畜的用水產(chǎn)值函數(shù)。以尚義縣為例，6類作物水分生產(chǎn)函數(shù)圖見圖2。

圖2 尚義縣6類作物水分生產(chǎn)函數(shù)圖

2.3 求解方法

本文模型采用MTALAB優(yōu)化工具箱中所提供的fmincon函數(shù)進行優(yōu)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(shù)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(yōu)化解。模型經(jīng)過優(yōu)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(yōu)解。

3 結果與分析

3.1 2014年結果分析

3.1.1 各子區(qū)水量分配結果

基于2014年數(shù)據(jù)，采用本文提出的洋河流域農(nóng)業(yè)水資源優(yōu)化配置模型優(yōu)化結果見表1。表1為各區(qū)各類作物和牲畜的年度單位配水量和種植面積及養(yǎng)殖數(shù)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(chǎn)出，會優(yōu)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(yǎng)殖數(shù)量。表1各子區(qū)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(qū)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(yōu)化結果見圖3，其余各子區(qū)作物和牲畜的月配水量不再贅述。

表1 2014年優(yōu)化結果

從圖3可以看出尚義縣谷物月配水量呈現(xiàn)“拋物線”趨勢，配水量區(qū)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(qū)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(yōu)化前后情況對比結果如圖4所示。

由圖4可知，經(jīng)過優(yōu)化，八號橋監(jiān)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(nóng)業(yè)結構調(diào)整與不調(diào)整2種情形分別進行優(yōu)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(yōu)化前后對比

表2 不同模型優(yōu)化綜合對比

注：M0、M1、M2分別為實際值、不考慮農(nóng)業(yè)結構調(diào)整的水資源優(yōu)化模型、考慮農(nóng)業(yè)結構調(diào)整的水資源優(yōu)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(nóng)業(yè)配水量、提高了農(nóng)業(yè)經(jīng)濟效益，水質都達標。對比不同優(yōu)化模型的結果，可以看出M2比M1優(yōu)化效果更好。結構調(diào)整后，各作物面積、各牲畜數(shù)量發(fā)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(diào)整的各作物、牲畜比例對比見表3。通過優(yōu)化配水和結構調(diào)整后，配水量減少了3.38%，經(jīng)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(yōu)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(yōu)化配置方案。結合歷年資料以及規(guī)劃文件，對2020年供需水進行預測。在滿足當?shù)毓I(yè)、生活、生態(tài)用水需求的情況下，設定2020年不同來水情形，采用考慮農(nóng)業(yè)結構調(diào)整的水資源優(yōu)化模型（M2）進行計算，表4是洋河流域農(nóng)業(yè)總配水量、總種植面積、總養(yǎng)殖數(shù)量及經(jīng)濟效益等結果對比，圖5是10個子區(qū)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(nóng)業(yè)配水、經(jīng)濟效益、河道增補水量都會增加。結構調(diào)整是基于現(xiàn)有種植面積和牲畜數(shù)量進行優(yōu)化，設定為不超過現(xiàn)有種養(yǎng)規(guī)模。由計算結果可知，3種不同來水情形下，總養(yǎng)殖數(shù)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(nóng)作物而言，經(jīng)濟效益更大。對于洋河流域這類水資源匱乏地區(qū)，會盡量維持牲畜養(yǎng)殖規(guī)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(xiàn)了總種植面積減少情形。

圖5 不同來水情況10子區(qū)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(qū)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(nóng)作物（圖5a），說明農(nóng)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(nóng)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(qū)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?？梢?，各子區(qū)配水量增長率與子區(qū)內(nèi)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(jīng)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(fā)利用現(xiàn)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(qū)的農(nóng)業(yè)水資源進行優(yōu)化配置，尋求農(nóng)業(yè)經(jīng)濟效益最大化。求解過程中基于農(nóng)牧業(yè)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(xiàn)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(yǎng)殖數(shù)量，減少排污大的油料作物種植面積和小牲畜養(yǎng)殖數(shù)量，從而獲得較好的經(jīng)濟效益并且改善水質，體現(xiàn)了本文模型的優(yōu)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(yōu)化配置方案。隨著可供水量的增大，農(nóng)業(yè)配水、河道補水量、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟效益都有所增加，子區(qū)和需水用戶的配水量總體上增大。農(nóng)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(qū)間的配水量增長率與其區(qū)內(nèi)作物類型和面積相關。該研究為未來流域水資源開發(fā)利用和合理配置提供技術支撐，對于保障該地區(qū)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展及水質安全等具有重大意義。

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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(nóng)牧業(yè)需水特性的洋河流域農(nóng)業(yè)水資源優(yōu)化配置[J]. 農(nóng)業(yè)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(yōu)化配置研究。Email：heli@szu.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.04.009

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