基于农业水资源生产函数的灌溉管理优化模型在极端干旱条件下的应用——以中国长江上游地区为例

《Journal of Hydrology: Regional Studies》：Agricultural water production function-driven water resources optimization model for irrigation management under extreme drought- a case study for the upper reaches of Yangtze River, China

农业灌溉优化与干旱应对策略研究——以成都地区为例

　　
成渝地区农业水资源优化配置与干旱应对策略研究

（总字数：约2350字符）

一、研究背景与问题
成都平原作为中国重要粮食生产基地，年灌溉用水量达23.6亿立方米，占农业总用水量的82%。然而，近五年干旱频率增加30%，2024年夏季特旱导致作物减产面积达206万亩，经济损失超18亿元。传统灌溉模式存在三大缺陷：1）时空分辨率不足，多采用年际或季度尺度；2）作物生长动态耦合性差，忽视分月敏感期差异；3）多水源协同优化机制缺失，地表水、地下水、其他水源统筹不足。本研究基于作物水分生产函数与水资源耦合模型，提出分月动态优化策略。

二、方法创新与模型构建
（一）作物水分响应模型
采用改进型Jensen模型，通过双阶段耦合机制实现水分生产函数动态优化。建立分月敏感性指数体系，将作物生长周期细分为36个动态阶段（表1），其中水稻关键生长期（5-9月）敏感性指数达0.98-1.25，玉米（4-8月）为0.51-0.72，小麦（10-5月）为0.03-0.11。通过概率密度函数生成8种复合干旱情景（表3），涵盖春旱、夏旱、连旱等典型模式。

（二）多水源协同优化机制
构建包含地表水、地下水、其他水源的三维分配模型（图1），创新性引入价格杠杆调节系数（表4）。通过影子价格法测算灌溉水价，地表水影子价0.85元/m3，地下水1.12元/m3，其他水源0.63元/m3。建立"优先保障水稻、次选玉米、补充小麦"的差异化配水策略。

（三）动态优化算法
开发改进型NSGA-II算法，实现多目标优化（图2）。通过分月敏感性指数累计函数（式2b），将全年划分为36个动态响应单元。采用对数转换技术（式3a-3b），将非线性的作物水分生产函数转化为可计算形式，使模型收敛速度提升40%。

三、关键发现与优化策略
（一）时空分配特征
1. 季节分配：春旱期（3-4月）地表水占比达72%，夏旱期（7-8月）地下水占比升至65%
2. 区域差异：青白江（QBJ）区水稻需水量较均质区高38%，但节水效率提升27%
3. 作物优先级：水稻灌溉优先级系数为1.83，玉米1.56，小麦0.89

（二）多情景优化结果
1. 单纯春旱（SD）：灌溉用水量减少19%，但通过精准配水使水稻减产控制在8%以内
2. 复合夏旱（SEMSD）：地下水调配效率提升42%，玉米减产15%降至29.5万吨
3. 极端复合干旱（SEMSD）：通过"水-粮"替代机制，水稻单产保持3.2吨/公顷，较传统灌溉模式提升22%

（三）节水增效平衡点
1. 经济阈值：当灌溉成本超过作物收益的120%时启动节水模式
2. 敏感性阈值：月均需水缺口超过30%时触发应急配水
3. 临界种植密度：大于5000亩/乡镇时建议采用间作套种模式

四、实施建议与政策启示
（一）区域优化策略
1. 重点保障区：青白江、双流等5个核心产粮区保持80%以上灌溉覆盖率
2. 水源替代区：蒲江、都江堰等区建立地下水-地表水应急置换机制
3. 节水示范区：新津、简阳等区推广滴灌技术，节水效率达35%

（二）作物管理规范
1. 水稻：建立"4-8月"双峰配水模型，关键期供水量达120-150%
2. 玉米：实施"4-6月"精准灌溉，非关键期降水利用率达65%
3. 小麦：构建"10-2月"越冬期保水机制，维持土壤墒情指数≥0.8

（三）政策工具箱
1. 水权交易：建立跨流域水权交易平台，允许30%额度转让
2. 价格调控：实施阶梯水价（0.6-1.2元/m3），特旱期上浮50%
3. 保险机制：开发"降水指数-产量损失"联动保险产品

五、技术经济指标
（一）节水效能
1. 全年节水潜力达12.7亿立方米，占灌溉总量的5.3%
2. 水稻单产稳定性提升28%，年均可减少3.2万吨粮食损失

（二）经济效益
1. 灌溉成本降低18.7%，亩均收益增加210元
2. 特旱年份经济损失降低至历史均值的43%

（三）生态效益
1. 土壤盐渍化面积缩减62%
2. 水污染负荷降低29%，符合《成都平原农业面源污染控制规划》要求

六、研究局限与展望
1. 现有模型未考虑极端气候突变（如2022年成都地区连续5日＞35℃高温）
2. 需补充农业废弃物循环利用对水资源的影响因子
3. 推荐开展无人机遥感监测与地面传感器网络的融合验证

（研究团队：徐新、吴振通、谢云岭等）
（资助单位：广东省生态安全与绿色发展重点实验室）
（通讯作者：胡金辉，邮编610041）

本模型已在成都平原12个区县试点应用，2025年试验期实现灌溉用水量同比下降14.3%，主要作物产量波动率控制在8%以内，为同类地区提供可复制的优化方案。