一种干旱主粮区水-土-粮多目标动态协同优化配置方法

本发明涉及农业资源调控，更具体的说是涉及一种干旱主粮区水-土-粮多目标动态协同优化配置方法。

背景技术：

1、干旱区普遍存在水资源时空分布失衡、水土资源空间错配、耕地退化严重、生态系统脆弱等问题。干旱主粮区，粮食生产高度依赖人工灌溉，水资源呈现春旱夏丰特征，主粮返青关键期供水缺口大，汛期径流大量流失；同时区域内耕地盐碱化、沙化问题突出，后备耕地开发与生态保护矛盾尖锐，对干旱主粮区进行资源配置具有重要意义。

2、但是，现有资源配置技术存在诸多缺陷：一是多采用单一资源静态优化模式，仅针对水资源或土地资源独立调控，未考虑水、土、粮三大要素的互馈耦合关系，优化方案系统性不足；二是未纳入气候变化、冰川消融、跨境径流波动等动态因子，模型预测与实际演化偏差大，长期适应性差；三是生态约束仅作为外部限定条件，未深度融入优化目标，易出现粮食增产与生态破坏冲突；四是忽略农户种植习惯、政策接受度等主体行为因素，理论方案落地难度高；五是研究尺度单一，宏观区域布局无法有效下沉至县域、地块微观单元，调控精度不足。

3、因此，研发一种适配干旱区特征、融合多模型、兼顾经济-粮食-生态目标、可动态迭代的水-土-粮协同优化配置方法，是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种干旱主粮区水-土-粮多目标动态协同优化配置方法，通过融合多源监测数据、气候预测模型、水文作物模型与系统动力学，构建多尺度、多目标、动态化优化体系，实现水资源调度、土地整治、主粮布局、生态保护、农户行为的一体化协同优化，为干旱区主粮区资源统筹规划提供技术支撑。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、本发明公开了一种干旱主粮区水-土-粮多目标动态协同优化配置方法，包括：

4、步骤1：采集干旱主粮区的多源基础数据，预处理后构建资源数据库；

5、步骤2：基于所述资源数据库，对研究区水资源、土地资源、主粮生产进行禀赋评价，计算水-土-粮综合匹配度，通过聚类算法对研究区进行划分；

6、步骤3：根据步骤2划分的各分区的资源数据，解析水资源、土地资源、主粮生产之间的互馈关系，计算系统耦合协调度，并基于所述耦合协调度筛选核心驱动因子；

7、步骤4：基于步骤3筛选的驱动因子，构建多目标动态优化模型，并求解得到基础配置方案；

8、步骤5：基于离散选择模型分析农户行为特征，校验并优化所述基础配置方案；

9、步骤6：设置不同模拟情景，对优化后的基础配置方案进行长时序动态模拟与综合效益评估，按照固定周期迭代更新优化方案。

10、进一步的，所述多源基础数据包括干旱主粮区研究范围内的：水资源数据、土地资源数据、主粮生产数据、环境与气候数据以及社会行为数据；

11、所述预处理包括：采用线性插值法补齐缺失数据，基于3σ准则剔除异常数据；利用克里金插值将点数据向面数据转换，统一所有空间数据坐标系；采用极差标准化进行归一化处理。

12、进一步的，所述步骤2具体包括：

13、采用数据包络分析模型评价水资源利用效率与主粮生产全要素生产率，采用ahp-熵权组合权重法评价耕地质量；

14、计算水-土-粮综合匹配度，公式为：；式中，为综合匹配度，为水资源匹配指数，为土地资源匹配指数，为粮食生产匹配指数；

15、通过k-means聚类算法将研究区划分为高匹配区、中匹配区和低匹配区，并进一步划分功能分区。

16、进一步的，所述步骤3中，采用结构方程模型识别水资源、土地资源、主粮生产之间的互馈路径与关联强度；采用耦合协调度模型计算系统耦合度与协调度，并划分协调等级；采用面板数据固定效应回归模型，以耦合协调度为因变量，结合逐步回归法筛选核心驱动因子。

17、进一步的，所述步骤4具体包括：

18、基于所述驱动因子，构建并集成cmip6气候预测子模型、swat水文子模型、dssat作物生长子模型、系统动力学sd子模型，构建多目标函数并设定约束条件，得到所述多目标动态优化模型；所述多目标函数包括：经济收益最大化目标、粮食产量稳定化目标和生态风险最小化目标的目标函数；所述约束条件包括：资源约束、生态约束、技术约束和政策约束；

19、采用nsga-ⅱ非支配排序遗传算法对所述多目标动态优化模型进行求解，生成最优解集；结合topsis优劣解距离法，从所述最优解集中筛选综合效益最优的基础配置方案。

20、进一步的，所述步骤5中采用离散选择模型量化农户种植决策影响因素，并设定农户接受度阈值，基于所述接受度阈值对基础配置方案进行修正，针对不同分区制定差异化的水资源调度、耕地整治、主粮种植结构方案。

21、进一步的，所述步骤6中，模拟情景包括基准情景、技术优化情景、政策优化情景和综合优化情景；通过系统动力学模型开展设定年限的长时序动态模拟，并构建经济-粮食-生态综合效益评价体系，以5年为一个评估周期，根据外部环境变化迭代修正模型与配置方案。

22、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供了一种干旱主粮区水-土-粮多目标动态协同优化配置方法，具有以下有益效果：

23、1、水资源利用效益：有效解决干旱区主粮区春灌缺水、汛期弃水的时空错配问题，灌溉水有效利用系数提升至0.65以上，地下水超采现象逐步消除，跨境水资源波动带来的供水风险显著降低。

24、2、土地资源利用效益：实现盐碱化、沙化耕地分类整治，耕地质量稳步提升；科学划定后备耕地开发范围，严格规避生态脆弱区，兼顾耕地扩容与生态安全。

25、3、粮食安全效益：优化区域种植结构，实现作物类型与水土资源禀赋精准匹配，主粮总产量长期稳定，产量波动系数控制在5%以内，持续巩固区域粮食自给能力。

26、4、生态与社会效益：保障河流、湿地生态用水，遏制土地沙化、土壤退化趋势；差异化补贴与种植方案兼顾农户收益，提升农户参与积极性，助力边疆农业产业稳定与乡村振兴。

27、5、技术推广价值：方法通用性强，可直接推广至中亚、中东、我国西北其他干旱农业区，为全球干旱区水-土-粮资源统筹配置提供标准化技术方案。

1.一种干旱主粮区水-土-粮多目标动态协同优化配置方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种干旱主粮区水-土-粮多目标动态协同优化配置方法，其特征在于，所述多源基础数据包括干旱主粮区研究范围内的：水资源数据、土地资源数据、主粮生产数据、环境与气候数据以及社会行为数据；

3.根据权利要求1所述的一种干旱主粮区水-土-粮多目标动态协同优化配置方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：

4.根据权利要求1所述的一种干旱主粮区水-土-粮多目标动态协同优化配置方法，其特征在于，所述步骤3中，采用结构方程模型识别水资源、土地资源、主粮生产之间的互馈路径与关联强度；采用耦合协调度模型计算系统耦合度与协调度，并划分协调等级；采用面板数据固定效应回归模型，以耦合协调度为因变量，结合逐步回归法筛选核心驱动因子。

5.根据权利要求1所述的一种干旱主粮区水-土-粮多目标动态协同优化配置方法，其特征在于，所述步骤4具体包括：

6.根据权利要求1所述的一种干旱主粮区水-土-粮多目标动态协同优化配置方法，其特征在于，所述步骤5中采用离散选择模型量化农户种植决策影响因素，并设定农户接受度阈值，基于所述接受度阈值对基础配置方案进行修正，针对不同分区制定差异化的水资源调度、耕地整治、主粮种植结构方案。

7.根据权利要求1所述的一种干旱主粮区水-土-粮多目标动态协同优化配置方法，其特征在于，所述步骤6中，模拟情景包括基准情景、技术优化情景、政策优化情景和综合优化情景；通过系统动力学模型开展设定年限的长时序动态模拟，并构建经济-粮食-生态综合效益评价体系，以5年为一个评估周期，根据外部环境变化迭代修正模型与配置方案。