CN113793006A - 一种基于尺度效应的农业节水潜力分析方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于尺度效应的农业节水潜力分析方法，包括以下步骤：设定不同尺度的农业节水潜力理论；基于不同尺度的农业节水潜力理论建立不同尺度农业节水潜力计算方法体系；构建并基于不同尺度农业节水潜力计算方法体系将植被生长模型、土壤侵蚀模型、水循环模型和水资源合理配置模型进行耦合，以构建WACM模型；获取并根据目标区域的不同尺度的节水措施信息通过WACM模型计算和评价目标区域的不同尺度的农业节水潜力，生成分析评价结果。涉及农业节水分析技术领域。本发明还公开了一种基于尺度效应的农业节水潜力分析系统。本发明可有效计算和评价目标区域不同尺度的农业节水潜力，提高评估的全面性和精准性。
Description
技术领域
本发明涉及农业节水分析技术领域，具体而言，涉及一种基于尺度效应的农业节水潜力分析方法及系统。
背景技术
我国是一个水资源极度短缺的国家，水资源短缺和浪费的矛盾随着社会经济的迅速发展变得更加突出。干旱缺水也是一个世界性的问题，全球干旱和半干旱地区的耕地面积约占总耕地面积的43％。如果不立即采取行动和措施保护和合理利用水资源，水资源危机将会严重制约全球的经济与社会发展，解决这一危机的根本出路，是大力发展农业高效节水、挖掘农业节水潜力。
不同尺度节水措施的采用必然会对作物、田间、灌区和流域各个尺度产生一定的影响，只有了解节水的尺度效应，才能对拟采取的节水措施在不同尺度上的真实节水潜力做出正确的评估，从而选择正确的节水灌溉措施以及水资源调配策略。
目前，由于缺乏不同尺度间节水灌溉技术相互影响的定量研究，特别是田间节水灌溉技术大范围推广应用后对灌区和区域/流域尺度的水循环规律、水分生产率、水分利用效率、植被干物质重、作物产量的定量研究，使得目前从灌溉试验田块得出的节水灌溉技术在推广应用到灌区、区域/流域及其效果评估和评价上受到限制。
发明内容
为了克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，本发明实施例提供一种基于尺度效应的农业节水潜力分析方法及系统，结合不同尺度下的节水措施进行分析，可有效计算和评价目标区域不同尺度的农业节水潜力，提高评估的全面性和精准性。
本发明的实施例是这样实现的：
第一方面，本发明实施例提供一种基于尺度效应的农业节水潜力分析方法，包括以下步骤：
设定不同尺度的农业节水潜力理论；
基于不同尺度的农业节水潜力理论建立不同尺度农业节水潜力计算方法体系；
构建植被生长模型、土壤侵蚀模型、水循环模型和水资源合理配置模型，基于不同尺度农业节水潜力计算方法体系将植被生长模型、土壤侵蚀模型、水循环模型和水资源合理配置模型进行耦合，以构建WACM模型；
获取并根据目标区域的不同尺度的节水措施信息通过WACM模型计算和评价目标区域的不同尺度的农业节水潜力，生成分析评价结果。
为了对农业节水潜力进行全面精准的分析，结合不同尺度的节水措施对目标区域的节水潜力进行分析评估，以得到一个全面精准的评估结果。为了后续可以进行明确的数据分析，首先需要确定好各个尺度的农业节水潜力理论，明确好什么是农业节水潜力，然后基于确定好的农业节水潜力理论中的相关参数选择对应尺度下的农业节水潜力计算方法，然后形成一个不同尺度农业节水潜力计算方法体系，以便后续进行针对性的计算。然后构建植被生长模型、土壤侵蚀模型、水循环模型和水资源合理配置模型等多个模型，并将植被生长模型、土壤侵蚀模型、水循环模型和水资源合理配置模型进行耦合，作为WACM的各个子模块，以构建一个完整的WACM模型，通过各个模型对目标区域的农业相关情况进行模拟。模型构建完成后，获取并根据目标区域的不同尺度的节水措施信息通过WACM模型计算和评价目标区域的不同尺度的农业节水潜力，结合多个尺度对目标区域的节水能力进行全面评估，生成一个全面准确的分析评价结果。
本方法从理论的确定到具体尺度的节水潜力计算方法的构建，再到构建一个全面的WACM模型对目标区域进行模拟分析并使用构建的WACM模型，模拟不同年份水分胁迫情况下的目标区域的植被干物质重和作物产量，从灌溉节水和资源节水的角度计算作物—田间—灌区—流域不同尺度的节水潜力，对农业节水潜力进行全面的评估。
基于第一方面，在本发明的一些实施例中，上述基于不同尺度的农业节水潜力理论建立不同尺度农业节水潜力计算方法体系的方法包括以下步骤：
基于不同尺度的农业节水潜力理论设定作物尺度的农业节水潜力计算方法；
基于不同尺度的农业节水潜力理论设定田间尺度的农业节水潜力计算方法；
基于不同尺度的农业节水潜力理论设定灌区尺度的农业节水潜力计算方法；
基于不同尺度的农业节水潜力理论设定流域/区域尺度的农业节水潜力计算方法；
根据各个尺度的农业节水潜力计算方法构建农业节水潜力计算方法体系。
基于第一方面，在本发明的一些实施例中，上述构建植被生长模型、土壤侵蚀模型、水循环模型和水资源合理配置模型的方法包括以下步骤：
获取并根据不同尺度下的节水措施后的作物和植被生长数据模拟作物和植被生长过程，以构建植被生长模型；
获取并根据不同尺度下的节水措施后土壤变化数据模拟土壤侵蚀程度，以构建土壤侵蚀模型；
获取并根据不同尺度下的节水措施后水循环数据构建土壤侵蚀模型；
获取并根据不同尺度下的节水措施后水资源合理过程数据构建土壤侵蚀模型。
基于第一方面，在本发明的一些实施例中，上述将植被生长模型、土壤侵蚀模型、水循环模型和水资源合理配置模型进行耦合，以构建WACM模型的方法包括以下步骤：
采用预置的数据获取途径和分析模拟方法模拟不同尺度下的水循环和作物生长过程的尺度现象，对尺度效应的本征进行描述，以得到尺度效应本征信息；
利用预置的数学工具对不同尺度的信息进行尺度转换，生成转换信息；
根据转换信息和尺度效应本征信息将植被生长模型、土壤侵蚀模型、水循环模型和水资源合理配置模型进行耦合，以得到WACM模型。
基于第一方面，在本发明的一些实施例中，上述利用预置的数学工具对不同尺度的信息进行尺度转换的方法包括以下步骤：
根据预设的尺度估计理论或统计方法建立水平衡要素和节水效果与尺度的数学关系，基于一个尺度上的信息推测另一尺度上的信息并进行尺度转换。
基于第一方面，在本发明的一些实施例中，上述获取并根据目标区域的不同尺度的节水措施信息通过WACM模型计算和评价目标区域的不同尺度的农业节水潜力，生成分析评价结果的方法包括以下步骤：
获取并根据目标区域的不同尺度的节水措施信息建立节水方案集合；
通过WACM模型对节水方案集合中的各个节水方案的节水能力进行预测分析，生成各个节水方案对应的节水能力预测数据；
根据各个节水方案对应的节水能力预测数据通过WACM模型对目标区域的不同尺度的农业节水潜力进行评估，生成分析评价结果。
基于第一方面，在本发明的一些实施例中，该基于尺度效应的农业节水潜力分析系统还包括以下步骤：
根据预置的率定方式、率定条件和率定精度对WACM模型进行率定，以得到目标WACM模型。
第二方面，本发明实施例提供一种基于尺度效应的农业节水潜力分析系统，包括理论确定模块、方法设定模块、模型耦合模块以及潜力评估模块，其中：
理论确定模块，用于设定不同尺度的农业节水潜力理论；
方法设定模块，用于基于不同尺度的农业节水潜力理论建立不同尺度农业节水潜力计算方法体系；
模型耦合模块，用于构建植被生长模型、土壤侵蚀模型、水循环模型和水资源合理配置模型，基于不同尺度农业节水潜力计算方法体系将植被生长模型、土壤侵蚀模型、水循环模型和水资源合理配置模型进行耦合，以构建WACM模型；
潜力评估模块，用于获取并根据目标区域的不同尺度的节水措施信息通过WACM模型计算和评价目标区域的不同尺度的农业节水潜力，生成分析评价结果。
为了对农业节水潜力进行全面精准的分析，结合不同尺度的节水措施对目标区域的节水潜力进行分析评估，以得到一个全面精准的评估结果。为了后续可以进行明确的数据分析，首先通过理论确定模块需要确定好各个尺度的农业节水潜力理论，明确好什么是农业节水潜力，然后方法设定模块基于确定好的农业节水潜力理论中的相关参数选择对应尺度下的农业节水潜力计算方法，然后形成一个不同尺度农业节水潜力计算方法体系，以便后续进行针对性的计算。然后通过模型耦合模块构建植被生长模型、土壤侵蚀模型、水循环模型和水资源合理配置模型等多个模型，并将植被生长模型、土壤侵蚀模型、水循环模型和水资源合理配置模型进行耦合，作为WACM的各个子模块，以构建一个完整的WACM模型，通过各个模型对目标区域的农业相关情况进行模拟。模型构建完成后，潜力评估模块获取并根据目标区域的不同尺度的节水措施信息通过WACM模型计算和评价目标区域的不同尺度的农业节水潜力，结合多个尺度对目标区域的节水能力进行全面评估，生成一个全面准确的分析评价结果。
本系统从理论的确定到具体尺度的节水潜力计算方法的构建，再到构建一个全面的WACM模型对目标区域进行模拟分析并使用构建的WACM模型，模拟不同年份水分胁迫情况下的目标区域的植被干物质重和作物产量，从灌溉节水和资源节水的角度计算作物—田间—灌区—流域不同尺度的节水潜力，对农业节水潜力进行全面的评估。
第三方面，本申请实施例提供一种电子设备，其包括存储器，用于存储一个或多个程序；处理器。当一个或多个程序被处理器执行时，实现如上述第一方面中任一项的方法。
第四方面，本申请实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述第一方面中任一项的方法。
本发明实施例至少具有如下优点或有益效果：
本发明实施例提供一种基于尺度效应的农业节水潜力分析方法及系统，为了对农业节水潜力进行全面精准的分析，结合不同尺度的节水措施对目标区域的节水潜力进行分析评估，以得到一个全面精准的评估结果。本发明从理论的确定到具体尺度的节水潜力计算方法的构建，再到构建一个全面的WACM模型对目标区域进行模拟分析并使用构建的WACM模型，模拟不同年份水分胁迫情况下的目标区域的植被干物质重和作物产量，从灌溉节水和资源节水的角度计算作物—田间—灌区—流域不同尺度的节水潜力，对农业节水潜力进行全面的评估。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例一种基于尺度效应的农业节水潜力分析方法的流程图；
图2为本发明实施例对徒骇马颊河流域的农业节水潜力分析示意图；
图3为本发明实施例尺度转换过程示意图；
图4为本发明实施例区域节水潜力研究框架示意图；
图5为本发明实施例WACM模型的开发与应用流程示意图；
图6为本发明实施例水循环模型结构图；
图7为本发明实施例植被生长模型结构示意图；
图8为本发明实施例土壤风蚀模型结构图；
图9为本发明实施例一种基于尺度效应的农业节水潜力分析系统的原理框图；
图10为本发明实施例提供的一种电子设备的结构框图。
图标：100、理论确定模块；200、方法设定模块；300、模型耦合模块；400、潜力评估模块；101、存储器；102、处理器；103、通信接口。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
实施例
如图1-图8所示，第一方面，本发明实施例提供一种基于尺度效应的农业节水潜力分析方法，包括以下步骤：
S1、设定不同尺度的农业节水潜力理论；
在本发明的一些实施例中，为了后续可以进行明确的数据分析，首先需要确定好各个尺度的农业节水潜力理论，明确好什么是农业节水潜力。开展不同尺度的农业节水潜力研究，以可持续发展、植被生理学理论、水循环理论和水资源合理配置理论为理论基础，探讨不同尺度农业节水潜力的概念、区分理论节水潜力和实际节水潜力以及资源节水潜力和灌溉节水潜力，分析不同尺度的农业节水模式和机理，同时对典型区域作物生理节水潜力－农田节水潜力－区域节水潜力的耦合关系进行初步探讨。目前有很多学者给出了节水潜力的概念和内涵，但是缺乏一个统一的标准，不同的概念对应的节水潜力是不同的，究竟哪一个节水潜力值能够代表现状的节水潜力无法判断，因此首先要对节水潜力的概念进行明确的界定。
本发明中首先设定好不同尺度的农业节水潜力理论，确定节水潜力是指采取可能的社会、经济和科技措施，保持区域生态稳定和经济社会可持续发展的前提下，与现状用水水平相比，区域最大的节水能力，它体现了维持区域经济社会系统可持续发展的节水量阈值，是一个地区的最大节水能力。
农业节水涉及到作物、田间、灌区和区域/流域等四个不同的尺度层面。作物节水潜力：就是在作物尺度上，根据不同作物的需水规律，对作物生育期的某些需水阶段施加一定的水分胁迫且不影响作物正常产量的情况下，较现状最大的节水能力。田间节水能力：在田间尺度上采用工程或非工程等措施后，在不影响作物产量的情况下田间较现状最大的节水能力。灌区节水潜力：在灌区尺度上通过对灌区的种植结构调整、渠系衬砌等一系列灌区节水措施后，在不影响灌区作物正常的产量、灌区内部及周边的生态环境的情况下，较灌区现状的最大节水能力。流域/区域节水潜力：指对作物、田间、灌区不同尺度节水措施进行组合，在保持区域生态稳定和经济社会可持续发展的前提下，与现状用水水平相比，区域最大的节水能力，它体现了维持区域经济社会系统可持续发展的节水量阈值，是一个地区的最大节水能力。
S2、基于不同尺度的农业节水潜力理论建立不同尺度农业节水潜力计算方法体系；
进一步地，基于不同尺度的农业节水潜力理论设定作物尺度的农业节水潜力计算方法；基于不同尺度的农业节水潜力理论设定田间尺度的农业节水潜力计算方法；基于不同尺度的农业节水潜力理论设定灌区尺度的农业节水潜力计算方法；基于不同尺度的农业节水潜力理论设定流域/区域尺度的农业节水潜力计算方法；根据各个尺度的农业节水潜力计算方法构建农业节水潜力计算方法体系。
在本发明的一些实施例中，将农业节水分为作物尺度、田间尺度、灌区尺度和流域/区域尺度，基于对不同尺度节水潜力现状的研究和对不同尺度的农业节水潜力理论基础和理论的分析，不同尺度的节水潜力计算方法也不相同，考虑到在进行由点到面推广的时候水的重复利用问题，考虑节水的尺度效应建立一个不同尺度农业节水潜力计算方法体系，以便后续进行准确的计算分析。通过理论和作物的生长原理、土壤侵蚀原理、水循环的原理和水资源合理配置的原理，以便后续将几个独立的模型就行有机耦合，有理论支撑才能建立模型，作为一种方法体系，为后续模型耦合提供基础。
S3、构建植被生长模型、土壤侵蚀模型、水循环模型和水资源合理配置模型，基于不同尺度农业节水潜力计算方法体系将植被生长模型、土壤侵蚀模型、水循环模型和水资源合理配置模型进行耦合，以构建WACM模型；
进一步地，获取并根据不同尺度下的节水措施后的作物和植被生长数据模拟作物和植被生长过程，以构建植被生长模型；获取并根据不同尺度下的节水措施后土壤变化数据模拟土壤侵蚀程度，以构建土壤侵蚀模型；获取并根据不同尺度下的节水措施后水循环数据构建土壤侵蚀模型；获取并根据不同尺度下的节水措施后水资源合理过程数据构建土壤侵蚀模型。
在不同尺度采取节水措施后模拟作物和植被的生长过程，重点是对作物产量和干物质重的影响；模拟这些措施对土壤产生的侵蚀程度，以及对整个研究区域的水循环和水资源合理过程会产生什么影响。
进一步地，采用预置的数据获取途径和分析模拟方法模拟不同尺度下的水循环和作物生长过程的尺度现象，对尺度效应的本征进行描述，以得到尺度效应本征信息；利用预置的数学工具对不同尺度的信息进行尺度转换，生成转换信息；根据转换信息和尺度效应本征信息将植被生长模型、土壤侵蚀模型、水循环模型和水资源合理配置模型进行耦合，以得到WACM模型。
进一步地，根据预设的尺度估计理论或统计方法建立水平衡要素和节水效果与尺度的数学关系，基于一个尺度上的信息推测另一尺度上的信息并进行尺度转换。
在本发明的一些实施例中，构建植被生长模型、土壤侵蚀模型、水循环模型和水资源合理配置模型等多个模型，并将植被生长模型、土壤侵蚀模型、水循环模型和水资源合理配置模型进行耦合，作为WACM的各个子模块，以构建一个完整的WACM模型，通过各个模型对目标区域的农业相关情况进行模拟。对于不同尺度之间的耦合关系，一方面需要借助各种数据获取途径和分析模拟方法，再现水循环和作物生长过程的尺度现象，对尺度效应的本征进行描述，另一方面需要利用一定的数学工具进行尺度转换，即借助尺度估计理论或统计方法建立水平衡要素、节水效果等与尺度的数学关系，用一个尺度上的信息去推测另一尺度上的信息进行尺度转换，以便实现不同尺度农业节水潜力的全面评估。
例如，研究不同尺度农业节水潜力之间的耦合关系，可以基于RS和GIS构建适合灌溉系统的分布式水文模型，将分布式水分模型与植被生长模型、土壤侵蚀模型进行耦合，在试验观测、理论分析和模型模拟的基础上，分析在不同的尺度采取不同类型的节水措施的资源和灌溉节水潜力关系，同时可以分析响应的节水措施下对流域水均衡的影响、对植被干物质重和作物产量的胁迫关系，以及节水对流域周边地区生态环境产生的影响。
S4、获取并根据目标区域的不同尺度的节水措施信息通过WACM模型计算和评价目标区域的不同尺度的农业节水潜力，生成分析评价结果。
进一步地，获取并根据目标区域的不同尺度的节水措施信息建立节水方案集合；通过WACM模型对节水方案集合中的各个节水方案的节水能力进行预测分析，生成各个节水方案对应的节水能力预测数据；根据各个节水方案对应的节水能力预测数据通过WACM模型对目标区域的不同尺度的农业节水潜力进行评估，生成分析评价结果。
在本发明的一些实施例中，模型构建完成后，获取并根据目标区域的不同尺度的节水措施信息通过WACM模型计算和评价目标区域的不同尺度的农业节水潜力，结合多个尺度对目标区域的节水能力进行全面评估，生成一个全面准确的分析评价结果。流域农业节水潜力评价首先要进行流域所有节水措施方案的评价分析，设定可能的节水方案集合，预测每个方案的区域经济、社会、生态与环境需水，进行广义水资源配置，模拟水循环转化过程，研究区域农业节水措施实施引起的水循环转化和耗用水规律，分析其产生的经济、社会、生态、环境响应和不同口径(灌溉和资源)的节水能力，对不同节水措施的节水效应进行综合评价，寻求保障区域经济技术合理、生态环境健康、水资源利用高效的农业节水潜力。
水资源合理配置模型建立包括：
(1)目标函数：根据水资源合理配置研究区域的特点，水资源合理配置目标可以是以供水的净效益最大为基本目标，也可以考虑以供水量最大、水量损失最小、供水费用最小或缺水损失最小等为目标函数。如选取系统缺水总量最少的目标函数：
(2)约束条件：系统约束条件主要包括水量平衡约束、水资源消耗量约束、水库蓄水约束、引提水能力约束、地下水使用量约束、地下水位约束、当地可利用水资源量约束、生态稳定性约束、经济效益约束等。1)水量平衡约束，区域耗水总量约束：
计算单元水量平衡约束：
QSH(m,u,k)＝QDM(m,u,k)-QYHS(m,u,k)-QRS(m,u,k)-QGS(m,u,k)-QRUS(m,u,k)-QFS(m,u,k)
式中：QSH(m,u,k)表示第m时段第u计算单元第k用水类型的缺水量；QDM(m,u,k)表示第m时段第u计算单元第k用水类型的需水量；QYHS(m,u,k)表示第m时段第u计算单元第k用水类型的河道供水量；QRS(m,u,k)表示第m时段第u计算单元第k用水类型的水库供水量；QGS(m,u,k)表示第m时段第u计算单元第k用水类型的地下水使用量；QRUS(m,u,k)表示第m时段第u计算单元第k用水类型的再生水回用量；QFS(m,u,k)表示第m时段第u计算单元第k用水类型的山区洪水供用量。
河渠节点水量平衡约束：
H(m,n)＝H(m,n-1)+QH(m,r)+QRX(m,i)+QRec(m,n)-QRC(m,i)-QI(m,n)-QL(m,n)
式中：H(m,n)表示第m时段河渠节点n的过水量；H(y,m,n-1)表示第m时段河渠节点n-1的过水量；QH(m,r)表示第m时段河渠上下断面区间第r河流汇入水量；QRX(m,i)表示第m时段河渠上下断面区间第i水库的下泄水量；QRec(m,n)表示第m时段河渠上下断面区间的回归水汇入量；QRC(m,i)表示第m时段河渠上下断面区间第i水库的存蓄水变化量；QI(m,n)表示第m时段河渠上下断面区间的引水量；QL(m,n)表示第m时段河渠上下断面间的蒸发渗漏损失水量。
水库枢纽水量平衡约束：
VR(m+1,i)＝VR(m,i)+VRC(m,i)-VRX(m,i)-VL(m,i)
式中：VR(m+1,i)表示第m时段第i个水库枢纽末库容；VR(m,i)表示第m时段第i个水库枢纽初库容；VRC(m,i)表示第m时段第i水库枢纽的存蓄水变化量；VRX(m,i)表示第m时段第i个水库枢纽的下泄水量；VL(m,i)表示第m时段第i个水库枢纽的水量损失。
河渠回归水量平衡约束：
式中：QRec(m,n)表示第m时段河渠上下断面区间的回归水汇入量；QRECD(m,u)表示第m时段河渠上下断面区间生活退水量；QRECI(m,u)表示第m时段河渠上下断面区间工业退水量；QRECA(m,u)表示第m时段河渠上下断面区间灌溉退水量；QFL(m)表示第m时段河渠上下断面区间山洪水量；
2)蓄水库容约束：Vmin(i)≤V(m,i)≤Vmax(i)；Vmin(i)≤V(m,i)≤V/ max(i)；式中：Vmin(i)表示第i个水库的死库容；V(m,i)表示第i个水库第m时段的库容；V'max(i)表示第i个水库的汛限库容；Vmax(i)表示第i个水库的兴利库容。
3)引提水量约束：QP(m,u)≤QPmax(u)，式中：QP(m,u)表示第u计算单元第m时段引提水量；QPmax(u)表示第u计算单元的最大引提水能力。
4)地下水使用量约束：G(m,u)＜P'max(u)；
式中：G(m,u)表示第m时段第u计算单元的地下水开采量；P'max(u)表示第u计算单元的时段地下水开采能力；Gmax(u)表示第u计算单元的年允许地下水开采量上限，M表示时段总数。
5)地下水埋深约束：Lmin(m,u)≤L(m,u)≤Lmax(m,u)；式中：Lmin(m,u)表示第m时段第u单元的最浅地下水埋深；L(m,u)表示第m时段第u单元的地下水埋深；Lmax(m,u)表示第m时段第u单元的最深地下水埋深。
6)当地可利用水量约束：N(i,t)≤Nmax(i)；式中：Nmax(i),N(i,t)分别表示第i个计算单元使用的当地水资源量和当地水资源可利用量。
7)最小供水保证率约束：β(m,u,k)≥βmin(m,u,k)；式中：β(m,u,k)表示第u计算单元第m时段第k类用户的供水保证率；βmin(m,u,k)表示第u计算单元第m时段第k类用户要求的最低供水保证率。
8)河湖最小生态需水约束：QRVE(i,t)≥QREVEmin(i)；QRVE(i,t),QREVEmin(i)分别表示第i条河道实际流量和最小需求流量，最小需求流量可根据水质、生态、航运等要求综合分析确定。
9)生态稳定度约束：λ(u)≥λmin(u)；式中：λ(u)表示第u计算单元的生态稳定度；λmin(u)表示第u计算单元的最小生态稳定度；
10)经济效益约束：i≥θ；式中：i表示区域总体工程内部收益率；θ表示预期的最小内部收益率。
11)非负约束。
水循环模拟模型建立的目的主要是为了分析不同水资源开发利用情况下区域的水资源演变效应，以寻求最佳的水资源高效利用方式。模型以水量平衡为基础，以人工灌溉区域和排水区域包含的类似子流域的区域作为计算单元划分基础，分别计算水域、植被、裸地、农田、不透水域等不同土地利用状况下蒸散发量。模型在任一个计算单元上沿垂直方向分为植被冠层、地表储流层、土壤浅层、土壤深层、潜水含水层、承压含水层。
植被生长模型主要目的用来考虑水分胁迫情况下，植被生长发育过程中的干物质和作物产量进行模拟，以分析不同节水措施对其植被生长的影响。植被生长模拟主要包括三个过程(如图7所示)：(1)作物的生育阶段的模拟，模型主要根据作物各生育期需要的有效积温以及临界和最适温度与生长速率的非线性关系进行模拟；(2)碳循环的模拟，包括光合作用、呼吸作用和同化物分配三个方面，光合作用主要考虑温度、CO2浓度、水分、氮素等的影响进行叶片的光合作用和冠层的光合作用模拟，呼吸作用分为光呼吸、维持呼吸和生长呼吸三个过程；同化物的累积与分配主要模拟群体净同化量和干物质积累量，并分配到叶、茎、根和储存器官的过程；(3)水循环模块，主要与水循环模型进行耦合，计算不同水分条件限制下的作物的干物质分配和产量情况。
土壤侵蚀模型(土壤风蚀模拟模型)是在WACM模型基础上，开发土壤风蚀模块，构建基于过程的、连续的、以日为时间尺度的分布式土壤风蚀模拟模型，可以模拟气象变化、人工供用水和农业耕作等影响下的区域土壤风蚀事件。土壤风蚀模型结构如图8所示。
WACM模型是水资源配置、水循环、植被生长和土壤侵蚀耦合模型，其需要的数据包括经济社会数据、自然地理数据、水文气象数据、水资源开发利用数据、地下水数据信息以及植被生长模拟和土壤侵蚀模拟数据信息。
为了对农业节水潜力进行全面精准的分析，结合不同尺度的节水措施对目标区域的节水潜力进行分析评估，以得到一个全面精准的评估结果。本方法从理论的确定到具体尺度的节水潜力计算方法的构建，再到构建一个全面的WACM模型对目标区域进行模拟分析并使用构建的WACM模型，模拟不同年份水分胁迫情况下的目标区域的植被干物质重和作物产量，从灌溉节水和资源节水的角度计算作物—田间—灌区—流域不同尺度的节水潜力，对农业节水潜力进行全面的评估。
本发明在对不同尺度的农业节水潜力概念和资源节水潜力和灌溉节水潜力进行科学界定的基础上，对不同尺度农业节水潜力的概念和理论进行了积极的探索，建立了不同尺度的农业节水潜力理论。根据植被生长发育原理构建植被生长模型，与水循环模型进行耦合，作为WACM模型的子模块。和其它与水循环模型耦合的作物生长模型相比，本次构建的植被生长模型更注重植被生长的机理。
基于第一方面，在本发明的一些实施例中，该基于尺度效应的农业节水潜力分析系统还包括以下步骤：
根据预置的率定方式、率定条件和率定精度对WACM模型进行率定，以得到目标WACM模型。
WACM模型的开发和应用流程主要包括：资料收集、模型建立、模型率定和模型应用，如图5所示。资料收集包括空间信息和属性信息；模型建立包括模型时空单元界定、实施条件确定、地表地下水分配、实时调度模型、水循环模型、作物耕作模拟、植被生长模拟、土壤侵蚀模拟和模型的时空尺度耦合；模型率定主要有率定技术、率定条件和率定精度组成；模型的应用包括：水资源配置、水循环模拟、土地利用管理、农业节水评价影响、水资源利用评价、植被生长模拟和土壤侵蚀模拟。
如图9所示，第二方面，本发明实施例提供一种基于尺度效应的农业节水潜力分析系统，包括理论确定模块100、方法设定模块200、模型耦合模块300以及潜力评估模块400，其中：
理论确定模块100，用于设定不同尺度的农业节水潜力理论；
方法设定模块200，用于基于不同尺度的农业节水潜力理论建立不同尺度农业节水潜力计算方法体系；
模型耦合模块300，用于构建植被生长模型、土壤侵蚀模型、水循环模型和水资源合理配置模型，基于不同尺度农业节水潜力计算方法体系将植被生长模型、土壤侵蚀模型、水循环模型和水资源合理配置模型进行耦合，以构建WACM模型；
潜力评估模块400，用于获取并根据目标区域的不同尺度的节水措施信息通过WACM模型计算和评价目标区域的不同尺度的农业节水潜力，生成分析评价结果。
为了对农业节水潜力进行全面精准的分析，结合不同尺度的节水措施对目标区域的节水潜力进行分析评估，以得到一个全面精准的评估结果。为了后续可以进行明确的数据分析，首先通过理论确定模块100需要确定好各个尺度的农业节水潜力理论，明确好什么是农业节水潜力，然后方法设定模块200基于确定好的农业节水潜力理论中的相关参数选择对应尺度下的农业节水潜力计算方法，然后形成一个不同尺度农业节水潜力计算方法体系，以便后续进行针对性的计算。然后通过模型耦合模块300构建植被生长模型、土壤侵蚀模型、水循环模型和水资源合理配置模型等多个模型，并将植被生长模型、土壤侵蚀模型、水循环模型和水资源合理配置模型进行耦合，作为WACM的各个子模块，以构建一个完整的WACM模型，通过各个模型对目标区域的农业相关情况进行模拟。模型构建完成后，潜力评估模块400获取并根据目标区域的不同尺度的节水措施信息通过WACM模型计算和评价目标区域的不同尺度的农业节水潜力，结合多个尺度对目标区域的节水能力进行全面评估，生成一个全面准确的分析评价结果。
本系统从理论的确定到具体尺度的节水潜力计算方法的构建，再到构建一个全面的WACM模型对目标区域进行模拟分析并使用构建的WACM模型，模拟不同年份水分胁迫情况下的目标区域的植被干物质重和作物产量，从灌溉节水和资源节水的角度计算作物—田间—灌区—流域不同尺度的节水潜力，对农业节水潜力进行全面的评估。
如图3所示，第三方面，本申请实施例提供一种电子设备，其包括存储器101，用于存储一个或多个程序；处理器102。当一个或多个程序被处理器102执行时，实现如上述第一方面中任一项的方法。
还包括通信接口103，该存储器101、处理器102和通信接口103相互之间直接或间接地电性连接，以实现数据的传输或交互。例如，这些元件相互之间可通过一条或多条通讯总线或信号线实现电性连接。存储器101可用于存储软件程序及模块，处理器102通过执行存储在存储器101内的软件程序及模块，从而执行各种功能应用以及数据处理。该通信接口103可用于与其他节点设备进行信令或数据的通信。
其中，存储器101可以是但不限于，随机存取存储器101(Random Access Memory，RAM)，只读存储器101(Read Only Memory，ROM)，可编程只读存储器101(ProgrammableRead-Only Memory，PROM)，可擦除只读存储器101(Erasable Programmable Read-OnlyMemory，EPROM)，电可擦除只读存储器101(Electric Erasable Programmable Read-OnlyMemory，EEPROM)等。
处理器102可以是一种集成电路芯片，具有信号处理能力。该处理器102可以是通用处理器102，包括中央处理器102(Central Processing Unit，CPU)、网络处理器102(Network Processor，NP)等；还可以是数字信号处理器102(Digital Signal Processing，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field－Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的方法及系统和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的方法及系统实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本申请的多个实施例的方法及系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
另外，在本申请各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。
第四方面，本申请实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器102执行时实现如上述第一方面中任一项的方法。所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器101(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器101(RAM，RandomAccess Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (10)
1.一种基于尺度效应的农业节水潜力分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
设定不同尺度的农业节水潜力理论；
基于不同尺度的农业节水潜力理论建立不同尺度农业节水潜力计算方法体系；
构建植被生长模型、土壤侵蚀模型、水循环模型和水资源合理配置模型，基于不同尺度农业节水潜力计算方法体系将植被生长模型、土壤侵蚀模型、水循环模型和水资源合理配置模型进行耦合，以构建WACM模型；
获取并根据目标区域的不同尺度的节水措施信息通过WACM模型计算和评价目标区域的不同尺度的农业节水潜力，生成分析评价结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于尺度效应的农业节水潜力分析方法，其特征在于，所述基于不同尺度的农业节水潜力理论建立不同尺度农业节水潜力计算方法体系的方法包括以下步骤：
基于不同尺度的农业节水潜力理论设定作物尺度的农业节水潜力计算方法；
基于不同尺度的农业节水潜力理论设定田间尺度的农业节水潜力计算方法；
基于不同尺度的农业节水潜力理论设定灌区尺度的农业节水潜力计算方法；
基于不同尺度的农业节水潜力理论设定流域/区域尺度的农业节水潜力计算方法；
根据各个尺度的农业节水潜力计算方法构建农业节水潜力计算方法体系。
3.根据权利要求1所述的一种基于尺度效应的农业节水潜力分析方法，其特征在于，所述构建植被生长模型、土壤侵蚀模型、水循环模型和水资源合理配置模型的方法包括以下步骤：
获取并根据不同尺度下的节水措施后的作物和植被生长数据模拟作物和植被生长过程，以构建植被生长模型；
获取并根据不同尺度下的节水措施后土壤变化数据模拟土壤侵蚀程度，以构建土壤侵蚀模型；
获取并根据不同尺度下的节水措施后水循环数据构建土壤侵蚀模型；
获取并根据不同尺度下的节水措施后水资源合理过程数据构建土壤侵蚀模型。
4.根据权利要求1所述的一种基于尺度效应的农业节水潜力分析方法，其特征在于，所述将植被生长模型、土壤侵蚀模型、水循环模型和水资源合理配置模型进行耦合，以构建WACM模型的方法包括以下步骤：
采用预置的数据获取途径和分析模拟方法模拟不同尺度下的水循环和作物生长过程的尺度现象，对尺度效应的本征进行描述，以得到尺度效应本征信息；
利用预置的数学工具对不同尺度的信息进行尺度转换，生成转换信息；
根据转换信息和尺度效应本征信息将植被生长模型、土壤侵蚀模型、水循环模型和水资源合理配置模型进行耦合，以得到WACM模型。
5.根据权利要求1所述的一种基于尺度效应的农业节水潜力分析方法，其特征在于，所述利用预置的数学工具对不同尺度的信息进行尺度转换的方法包括以下步骤：
根据预设的尺度估计理论或统计方法建立水平衡要素和节水效果与尺度的数学关系，基于一个尺度上的信息推测另一尺度上的信息并进行尺度转换。
6.根据权利要求1所述的一种基于尺度效应的农业节水潜力分析方法，其特征在于，所述获取并根据目标区域的不同尺度的节水措施信息通过WACM模型计算和评价目标区域的不同尺度的农业节水潜力，生成分析评价结果的方法包括以下步骤：
获取并根据目标区域的不同尺度的节水措施信息建立节水方案集合；
通过WACM模型对节水方案集合中的各个节水方案的节水能力进行预测分析，生成各个节水方案对应的节水能力预测数据；
根据各个节水方案对应的节水能力预测数据通过WACM模型对目标区域的不同尺度的农业节水潜力进行评估，生成分析评价结果。
7.根据权利要求5所述的一种基于尺度效应的农业节水潜力分析系统，其特征在于，还包括以下步骤：
根据预置的率定方式、率定条件和率定精度对WACM模型进行率定，以得到目标WACM模型。
8.一种基于尺度效应的农业节水潜力分析系统，其特征在于，包括理论确定模块、方法设定模块、模型耦合模块以及潜力评估模块，其中：
理论确定模块，用于设定不同尺度的农业节水潜力理论；
方法设定模块，用于基于不同尺度的农业节水潜力理论建立不同尺度农业节水潜力计算方法体系；
模型耦合模块，用于构建植被生长模型、土壤侵蚀模型、水循环模型和水资源合理配置模型，基于不同尺度农业节水潜力计算方法体系将植被生长模型、土壤侵蚀模型、水循环模型和水资源合理配置模型进行耦合，以构建WACM模型；
潜力评估模块，用于获取并根据目标区域的不同尺度的节水措施信息通过WACM模型计算和评价目标区域的不同尺度的农业节水潜力，生成分析评价结果。
9.一种电子设备，其特征在于，包括：
存储器，用于存储一个或多个程序；
处理器；
当所述一个或多个程序被所述处理器执行时，实现如权利要求1-7中任一项所述的方法。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-7中任一项所述的方法。
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