第1章 绪论
1.1 研究概述
全书研究以多元化理论为基础，以农业水土资源可持续规划为研究对象，以科学实验、数学建模、数值与模拟等技术为主要方法，以东北内陆典型灌区为实验和实证研究区域，对灌区水土资源利用、水-土-肥资源综合管理、水-粮食-能源纽带关系分析及调控、可持续农业建设等主要问题展开系统的研究，旨在达到以下目的。
（1）研究的理论目的主要是以系统工程理论、不确定研究方法以及可持续发展等理论为基础一步拓展农业水土工程相关理论。本书在对以往学者的研究成行归结的基础上，针对不同尺度农业水土资源的规划特点，结合农田水利学、水文水资源学、土壤环境科学、系统工程学、生态学等理论，针对不确定环境下农业系统水土资源的运行特点、演化机理等内容展开深入的研究，旨在多元理论融合，从而对相关理论研行有益补充。
（2）可持续农业建设。水土资源是保障生产与生活的基本自然条件，是维系生态环境可持续发展不可或缺的自然支持因子，更是关系农业生产和粮食的核心战略资源。生态环境恶化已成为制约我国农业可持续发展的重要因素，提高农业用水效率、保障农业用水及改善农业生态环境是保障农业可持续发展的重要手段。相关研究指出，到50年，全球人口将突破95亿，粮食供给需增加60%才能满足需求，而要确保粮食供给，预计全球农业括旱地农业和灌溉农业）用水量届时将增加19%[1]，与此同时，气候变化、生态破坏、水质恶化所导致的淡水供应短缺和耕地缩减将成为全球众多地区面临的普遍问题。因此，科学开发与利用水土资源、优化水土资源配置，是应对水土资源需求增长的有效手段[2]，是可持续农业建设和实现社会可持续发展的重要保障。
（3）提高农业水土资源利用效率，保障农业水土资源科学转移，维护我国水。我国农业水土资源利用效率低下且农业用水占水资量比重较高，如我国农业年用水量约为3682.3亿m3，量的61.2%，其中灌溉用水量占农业用量的90%以上，但灌溉水平均利用率却不足55%[3， 4]。我国属于水土资源严重匮乏地区之一，年平均缺水量达500亿m3[5]，人均耕地面积不及世界平均水平的一半[6]。因此，提高农业水土资源利用效率是保障我国水的有效手段之一。同时，随着工业程的快速发展，、三产业的水土资源需求量不断增加而加快农业水土资源向、三产业转移，但由于缺乏系统的规划，水土资源的不合理转移导致了水土资源竞争日益加剧，并成为影响我国水的重要因素[7]。因此，基于复合系统的宏观视角，深化不同尺度、不同资源供给条件下的农业水土资源耦合规划的相关研究，对系统地评估农业水土资源节约潜力、保障农业水土资源科学转移以及维护我国水具有重要的现实意义。
（4）推动黑龙江大型生态灌区建设，保障我国粮食。黑龙江省是我国重要的商品粮基地，省内分布着多个大型灌区，粮食年均产量占全量的10%[8]，位居。但多年来，不合理的灌溉技术与管理制度，致使农业水土资源供需矛盾日益突显，并引发灌区生态环境持续恶化，严重限制农业生产及耕地的开发[9]，极大地影响了当地农业一步发展。因此，加强黑龙江大型生态灌区建设对保障我国粮食具有重要意义。灌区作为由水库、渠道、田地、作物组成的综合体，是农业引水、输水、配水和粮食生产的重要基地。灌区内水资源、土地资源、粮食呈现出极强的耦合作用关系，从可持续发展的研究视角，科学地优化灌区的农业水土资源配置结构是推动我国生态灌区建设的有效途径，也是我国粮食的有力保障。
（5）探索农业水土资源复杂复合系统的运行机理及不确定影响，为农业防灾减灾提供科学支撑。，农业水土资源优化配置是复杂复合系统优化问题，具有多尺度、复杂耦合、不确定等特点[10]。农业水土资源优化配置具有明显的尺度特征，即在不同尺度下，农业水土资源配置目标不同、配置内容存在显著差异，且受资源、社会经济和生态环境的限制程度也存在差别。，农业水土资源优化配置具有复杂耦合特征，即在区域内不同尺度间及尺度内的农业水土资源优化配置过程相互制约，同时，区域内水-粮食-能源相互关联，需对各尺度的农业水土资源及相关要行系统的耦合协调，才能充分农业的可持续发展。第三，农业水土资源规划系统表现出极强的不确定特征[11]，即农业水土资源规划系统具有复杂、开放、系统组分和过程的等特征，导致系统与自然条件、社会经济状况以及人类活动等多方面因素存在着极强的关联而致使研究过程中涉及多重不确定干扰，尤其是在气候变化和人类活动的影响下，不确定对农业水土资源配置的影响更为突出，如水文要素时空变化的、社会经济发展过程中涉及的模糊与区间等。《联合国世界水发展报告》（第四版）中发表的“不确定和风险条件下的水管理”中[2]强调了对水资源管行不确定研究的必要与重要。传统的优化配置模型和方法将不确定优化问题简化成确定规划问题，考虑的信息量不足，不能反映系统的不确定因素，导致优化结果具有局限。因此，将不确定要素量化并引入灌区水资源配置的相关研究中以更客观地反映农业水土资源系统的真实情况，不仅能对相关理论研究做有益补充，还可以有效地提高水资源规划的科学、降低灌区水资源管理的风险。本书于上述三方面内容的深入研究，旨在和强化农业防灾减灾能力。
综上所述，基于不确定分析和复合系统理论研究黑龙江省典型灌区农业水土资源优化配置问题，构建适合灌区不同尺度的农业水土资源优化配置不确定模型，探讨不同尺度水土能资源配置的相互响应关系将有助于加强黑龙江省典型灌区农业水土资源集约化管理，对农业可持续发展具有重要的理论研究价值和现实指导意义。
1.2 国内外研究现状及评述
1.2.1 农业水资源优化配置相关研究综述
农业水资源指农业生产使用的水资源，主要来源于天然水和灌溉水[12]，我国灌溉水资源约占农业水资量的90%，本书的研究范畴为农业灌溉水资源。农业灌溉水资源优化配置是指在满足的约束条件下，在整个灌溉季节，将可利用的、有限的农业灌溉水资源在时空行合理的分配，以达到预先设定的某种目标。其不仅直接关系水资源和土地资源的利用，而且还可能影响、三产业结构发展与生态环境保护等重大问题，需要以可持续发展战略为指导，通过对水资源时空变化规律的科学分析，提出农业灌溉水资源系统内部*佳的配水方法。农业灌溉水资源优化配置属于水资源优化配置范畴，国外从世纪60年代初开始对农业灌溉水资源优化配行研究，七八十年代的数学规划技术、控制原理、模拟技术等的引入，使农业灌溉水资源优化配置的研究得到迅速发展[13， 14]。90年代，为了解决水资源紧缺、水污染加剧造成的水环境问题，传统的以水量为主的优化配置开始转为注重水质约束、环境效益及水资源可持续利用研究。21世纪以来，新的优化求解算法的提出与应推动了农业灌溉水资源优化配置的研究。此外，相关学者开展了水资源的产权界定、组织安排和经济机理对配置效益影响下的水资源配置机理的研究[15， 16]，成果显著。国内从世纪80年代才开始重视农业灌溉水资源优化配置的相关研究[17， 18]，但发展较快，国内水资源优化配置研究先后经历了“水论水配置”“宏观经济配置”“面向生态配置”“广义水资源配置”“大系统配置”“量质一体化配置”等阶段[19]。其中，“水论水配置”研究即以“以需定供”为主要模式，以解决经济用户缺水*少，用户水量配置*均衡等问题为主；“宏观经济配置”研究即以水资源作为资源条件，以经济效益*大为配水目标，在形成水与经济双向反馈机制的基础上优化配置农业灌溉水资源以保证供需动态平衡；“面向生态配置”是世纪80年代兴起的，主要是在农业灌溉水资源优化配置过程中考虑水资源过度开发和不合理利用带来的生态问题；“广义水资源配置”的主要思路为基于耗水控制的优化配置，即从真实节水概念出发，在配置过程中保耗水不超过可消耗的耗水要求；“大系统配置”既考虑了水量配置的效益，又考虑了调水工程的优化调度效应，体现在水量分配的多用户、多水源、多阶段、多目标、多决策主体上。浩等提出的“三次平衡分析”的理论与方法，为大系统水资源配置提供了可行的分析途径[]。“量质一体化配置”即在配水过程中，将水量、水质结合起来，来满足不同用户对水质的不同要求。
农业灌溉水资源优化配置方法的*初思想源于系统工程[7]。1955年美国哈大学首先制订了水资源大纲，研究现代水资源系统工程的方。世纪60年代开始，人们对水资源系统的优化工作开展大量研究，其方法归类划分为动态规划（dynamic programming，DP）法[21]、动态规划（stochastic dynamic programming，SDP）法[22]、线规划（linear programming，LP）法[23]、机会约束线规划（chance constrained linear programming，CCLP）法[24]和非线规划（non-linear programming，NLP）法[25]等。DP法是求解决策过程*优化的数学方法，并且适用于非线系统[26]；SDP法是在DP法的基础上，考虑水文过程的；LP法是处理线目标函数和约束条件的有效方法；CCLP法可以处理风险概率情况下具有参数的线问题；NLP法可以解决非线系统规划问题或用其他算法得不到全局*优解的规划问题[27]。这些经典的数学方法在水资源优化配置领域中被广泛应用并推动水资源优化配置的发程。然而，这些传统的方法在处理复杂系统问题时具有局限，如DP法的维数灾、LP法和NLP法不能够处理非凸问题等。因此，系统工程学家对水资源优化配置的研究由对复杂系统问题的求解转向在“学”中寻求*优的变化，从而形成了系统学和系统论，主括人工智能（世纪50年代）、混沌算法（1963年）、模糊集合（1965年）、协同学（1969年）、突变论（1969年）、耗散结构（1969年）、超循环（1971年）、知识工程（1977年）等[7]。由于水资源系统是一个复杂的大系统，为了反映系统内部各子系统、各要素之间的相互作用与联系，大系统优化理论被广泛应用。大系统优化是世纪70年代发展起来的一门新的学科，也是系统工程发展到新阶段的标志之一，其核心是分解协调原理[28]。Yaron和Dinar[29]提出了求解多种作物灌溉水量*优分配的二层结构大系统模型。张长江等[30]提出了基于大系统递阶模型的农业水资源优化配置模型。1982年在美国举行的“水资源多目标分析”会议和1987年“可持续发展”概念的提出，使多目标规划（multiple objective programming，MOP）也被相继用于水资源优化配置中以协调经济、社会、环境、生态等系统的发展[31]，并与大系统理论耦合起来，形成大系统多目标递阶分析，这是系统分析解决复杂问题的重要发展途径[32]。我国11年中央一号文件《 关于加快水利改革发展的决定》中指出“要坚持人水和谐。顺应自然规律和社会发展规律，合理开发、优化配置、节约、有效保护水资源。”因此，研究中应着重将水资源、社会经济以及生态环境相互协调，水资源多目标优化配置的深入探讨。同时，模拟技术与优化技术的耦合使得水资源优化配置模型更能地刻画土壤水、地下水的运动[33]，并广泛应用于农业灌溉水资源优化配置中[34， 35]。随着计算机技术的飞速发展，一些新的优化算法被应用于农业灌溉水资源优化配置中括遗传算法（geic algorithm，GA）[36]、人工神经网络（artificial neural work，ANN）[37]、模拟退火算法（simulated annealing algorithm，SA……