基于改进多目标遗传算法的灌区地表水地下水联合利用模拟优化模型

Irrigation district is very important to our socio-economic development and food security. Climate change and human activities have greatly influenced the water cycle and the water resource availability, as a result water shortage is now an important issue in irrigation district, which also caused the water security problem. Rational allocation of water resources in irrigation district based on conjunctive use of surface and subsurface water is a quite potential and good way to solve the problem. By coupling the SWAT model and MODFLOW model based on water cycle process, this research will first develop a new efficient distributed hydrological model for irrigation district. By considering economical, environmental, social and ecological objectives, this research will then propose a multi objective optimization model for the conjunctive use of surface and subsurface water in irrigation district. By applying improved multi objective genetic algorithm the model will be solved based on simulation and optimization. Take the Jinghuiqu irrigation district in Shaanxi Province as an example, this research will present an efficient and secure way to the conjunctive use of surface and subsurface water. This research is very important in both theory and practice to the sustainable socio-economic development and the maintenance of ecological sustainability in irrigation district.

灌区对我国社会经济发展和粮食安全起着重要的支撑作用。随着气候变化的加剧和人类活动影响的增强，灌区的水循环和水资源状况发生了巨大的变化，农业水资源供需矛盾加剧，引发了水安全问题。对以地表水和地下水为主的农业水资源进行合理配置是解决灌区水问题的重要基础、关键技术和重要手段。本研究基于灌区水循环环节将SWAT和MODFLOW进行紧密耦合以构建一个新的灌区分布式水文模型。考虑经济、环境、社会和水生态文明目标，建立多目标灌区地表水地下水联合利用合理配置模型。将经过改进的多目标遗传算法和灌区分布式水文模型进行耦合，并研发一个新的模拟优化模型，基于该模拟优化模型求解所建立的灌区水资源合理配置模型。在实例研究的基础上，提出渠井结合灌区地表水地下水联合利用时高效安全的农业水资源合理配置方案。该研究对灌区水资源的可持续利用、灌区社会经济的可持续发展和生态环境的良性循环具有重要的理论意义和实用价值。

灌区对我国社会经济发展和粮食安全起着重要的支撑作用。气候变化的加剧和人类活动影响的增强导致灌区的水循环和水资源状况发生了巨大的变化，农业水资源供需矛盾加剧，引发了水安全问题。对以地表水和地下水为主的农业水资源进行合理配置是解决灌区水问题的重要基础、关键技术和重要手段。本研究在分析灌区“自然-人类活动”复合水循环模式的基础上，明确了灌区分布式水文模型应重点概化和模拟的水循环环节，在此基础上基于SWAT和GMS分别构建了灌区SWAT模型和地下水数值模拟模型，并基于SWAT-MODFLOW实现了二者基于灌区水循环环节的耦合，构建了灌区地表水地下水联合利用模拟模型，并针对灌区的特点进行了模型参数率定和模型验证。针对灌区水资源合理配置模型的特点改进了常规的多目标遗传算法，分别采用基于矩阵的编码和基于生成树（spanning tree）的编码两种方式对决策变量进行了编码，在此基础上研究了合法初始种群的生成方法，并确定了较好的编码方式，重新设计了遗传算子（交叉、变异），使得交叉和变异操作后所产生的后代均能满足约束（无不可行和不合理的后代），避免了采用复杂的罚函数而降低遗传算法的效率，提高了多目标优化算法求解灌区水资源合理配置模型的效率。在考虑经济目标（灌区总缺水最小、灌区总经济效益最大）、环境目标（地下水水位在合理范围内）的基础上，基于GWM构建了渠井结合灌区地表水地下水联合利用的多目标水资源合理配置模型，并以泾惠渠灌区为例进行了模型的构建与求解。相关模型均在典型渠井结合灌区——陕西省泾惠渠灌区进行了具体的应用，已经初步获得了泾惠渠灌区高效安全的水资源合理配置方案。本研究从多个方面丰富了灌区地表水和地下水联合利用模拟优化模型，研究结果对于灌区水资源的可持续利用、灌区社会经济的可持续发展和生态环境的良性循环具有重要的理论意义和应用价值。