1 绪论
1.1 研究背景及意义
1.1.1 研究背景
水是维系人类生存并从事一切活动的基础性物质，又因其不可再生且无可取代性而弥足宝贵，然而随着人类社会膨胀式的发展，以水为起点引发了一系列问题，一方面水资源的需求量与日俱增，有限的自然水资源难以支撑如此庞大的需求，尤其对需水量最大的农业部门，粮食生产安全遭到威胁；另一方面，由于缺水，人类大规模不合理的开采利用水资源，由此引发了一系列环境生态问题，包括水环境，这进一步加重了可用水资源的不足。因此，如何可持续开发、高效合理利用水资源，是关于水一个重要的研究课题。
我国水资源总量位居世界第四，但人口基数大，人均占有量不达世界平均水平的 1/4，加上水资源分配不均、浪费污染、利用率低等问题，最终可用的水资源严重不足。我国是一个农业大国，据统计，农业用水量约占总用水量的 63%，最多消耗于灌溉，是我国最消耗水资源的部门，而干旱缺水正制约着农业的发展，水资源优化配置由此得到广泛关注，种植结构优化配置就是水资源优化的一种非工程措施。2016 年通过的（中共中央关于制定国民经济和社会发展第十三个五年规划的建议）中明确提出要“优化农业生产结构和区域布局”，以保证粮食自给为绝对前提，基本形成与市场需求和资源条件相结合的现代农业格局；中央一号文件连续 14 年关注了三农问题，提出推进农业供给侧结构性改革[2,3]，这都要求研究粮食稳定、高产值、自然资源可持续下的种植业结构优化。
陕西省大荔县位于关中渭南市，优越的自然条件为农业生产提供了天然保障，因此历来是一个以农业为主的大县，农作物种类多，区域特色突出，其中棉花、红枣、果蔬等在国内各地畅销，然而在长时间传统的种植中，大荔县农业生产存在效率低、产业结构不合理、投入与产出不成比例等问题，另一方面，大荔县灌溉水源主要有洛惠渠灌溉工程、东雷抽黄灌溉工程、交口抽渭灌溉工程以及抽水站和井灌，其中绝大部分面积为洛惠渠灌区覆盖，是洛惠渠洛东灌区的主产区，洛惠渠灌区属于资源性缺水灌区，其河源来水在时空上与灌溉需水差异较大，故利用效率不高。近年来，在不合理的开发利用下，大荔县出现了地下水位下降、过境客水污染严重等问题，严重影响了当地农业生产与可持续发展。有限的水资源在不合理的使用中最终必将造成水资源的枯竭，成为制约地区发展的瓶颈，因此很有必要对大荔县农业水资源合理利用进行研究。
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1.2 国内外研究进展
本文主要通过构建种植结构优化不确定模型，并以大荔县为例展开研究，所涉及内容的国内外研究进展如下：
1.2.1 虚拟水和绿水
虚拟水一般定义为生产和服务农产品所需要的水资源量，由 Tony Allan 教授 1993 年第一次提出，但起初并没有引起过多反响，之后随着研究的深入，人们慢慢发现虚拟水可以作为缺水地区的一种水资源调节方式，虚拟水真正引起大范围的关注是 2002 年在荷兰举行的国际虚拟水贸易专家会议以及 2003 年第三届世界水论坛，这两次会议标志着对虚拟水研究的肯定，虚拟水研究逐渐步入成熟，此后，许多学者从多个角度对虚拟水展开了探讨，虚拟水的相关概念陆续被提出，更加丰富了虚拟水理论。由虚拟水衍生的研究主要有水足迹、虚拟水战略、绿水和蓝水，2002 年 Hoekstra 首次提出水足迹的概念，水足迹是以生态足迹的理论为蓝板提出的，定义为特定时间特定范围特定个体的水资源消耗量，其中包含所有消耗的产品及服务中固有的水资源，可形象理解成是水在生产和消费过程中的痕迹，水足迹外延了水资源评价体系，所反应的实际水资源需求也更真实，Hoekstra 等先后研究了 100 多个国家从 1995 至 1999 年由农产品贸易带动的虚拟水流动量及流向,还计算了部分国家的总水足迹及个人水足迹，此外还研究了水足迹的主要影响因素等；Mekonnen 研究了全球小麦的绿水、蓝水和灰水足迹空间特征，后又从生产和消费两个角度对国家的水足迹进行量化，并估算国际虚拟水流量以及贸易带来的国家和全球节水量，整个计算分绿水，蓝水和灰水三个部分说明；Gleeson 等利用多个数据源结合地下水足迹对美国和印度的地下水压力进行评估[13]；虚拟水战略是一种基于产品贸易的水流通，主要是通过从富水国向缺水国贸易水资源密集的产品，最早将此理论应用为实践的国家是以色列，它开启了不同学者多角度全方位的探讨虚拟水。Allan 对中东地区的虚拟水流通进行研究，得出中东国家每年可通过虚拟水产品进口占当地 1/4 淡水资源的水量，可有效缓解当地缺水状况；Zimmer 等对不同产品虚拟水含量作分类计算；Yang 等从评估了国际食品贸易的用水效率，分析表明，虚拟水主要是从作物水分生产率高的国家流向低的国家，且虚拟水贸易总量以绿色虚拟水为主，该研究还呼吁要重视雨养农业，以改善全球粮食安全和环境可持续性。
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2 大荔县概况
2.1 自然地理
2.1.1 地理位置
大荔县位于陕西省关中渭北平原东部，黄、洛、渭三河汇流地区，地理坐标介于北纬34°36'～35°02'，东经 109°43'～110°19'之间。县境以三水环绕、南有沙苑、北峙镰山为自然地理特征，南界渭河与潼关、华县、华阴市为邻；西绕洛河与蒲城县、渭南市毗连；北沿台原与澄城、合阳县接壤；东濒黄河与山西省永济县相望。全县境内东西长大约 52km，南北宽约 48km，总面积 1776.3km2。大荔县地理位置如图 2-1。
2.1.2 地质地貌
大荔地处渭河断陷盆地东部偏北拗陷区，属渭河断陷地堑构造，地质构造特征为北部（台原）断块隆起，形成黄土塬区；中部（洛灌区）断坡阶梯状，形成渭河的一、二、三、四级阶地；南部（沙苑）和东部（黄河滩）为地堑构造深陷区，分别形成了渭河、黄河的河漫滩区，由此有黄土台塬、渭河阶地、洛南沙苑沙、黄河滩地多级格局的地貌。大荔地史屡经地堑断裂，湖河交替沉积、深切，现状地势西北高，东南低，依次下降，地面趋向渭、洛倾斜，海拔在 330～500m。
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2.2 社会经济
大荔县地处陕西关中平原东部，辖 15 个镇，415 个行政村，总人口约 75 万，耕地面积 9.3 万公顷，是渭南第四人口大县，第一面积大县。当地自然资源条件优越，地势平坦，土壤肥沃，农作物种类繁多，在历史上其主导产业一直以农业种植为主，在陕西省经济结构中占有重要的地位，是全国粮食、棉花及四季蔬菜等农作物较大的生产基地之一。
近年来，大荔县积极致力于发展农业，充分利用县域地理优势，因地制宜，开发特色农业项目，以果树、蔬菜等为主的产业面积不断扩大，逐步形成了独具特色的农业格局，截止 2013 年底，大荔县全年实现生产总值 109.84 亿元，同上年同期比增长 11.9%，其中，农业产值 39.8 亿元，增长 4.7%。
大荔县境内黄、洛、渭河三河环流，属黄河水系的多泥沙河流，水质化学成分为重碳酸盐类，离子总数低于 300mg/L,矿化度小于 1g/L，属于理想的灌溉水资源，历史上水量非常充沛，开采价值较高。大荔县地表水资源的利用是以黄、渭、洛三河的过境客水为主，主要利用的较大的引水工程有抽黄提水工程、交口提水工程、洛惠渠灌区以及沿洛抽水站提水工程。黄河流域在大荔县境内的流程为 47.65km，境内流域面积 80km2，河道年平均输水量 31.6 亿 m3，超过一半集中于 7～10 月份，最大径流年份 1937 输水量达 504 亿 m3，年均流量 1060m³/s，洪枯期水位变幅大，抽黄提水工程利用黄河引水 2100 万 m3；渭河干流在大荔县境内流程为 84 km，流域面积 45km2，属弯曲型河道，年平均径流量 83.05 亿m3，多集中于 7～10 月，约占 60%，洪枯水变幅较大，年均流量 273m³/s，渭河属于季节性多泥沙河流，交口提水工程引渭河客水450 万 m3；洛河流域在大荔县境内流程121.5 km，由县域中部穿流，河道多年径流量 7.13 亿 m3，汛期 7～10 月水量占全年河道径流量 58%，年均流量24.6m³/s，洛河曾在 1954 年和 2001～2004 连续四年出现断流的现象，洛惠渠灌区引洛河客水 6000 万 m3，沿洛抽水站引洛河客水 195 万 m3 。
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3 农作物种植结构与用水结构分析........................18
3.1 主要农作物品种及种植现状......................18
3.2 农作物种植结构演变.....................18
4 大荔县种植结构多目标优化模型..................27
4.1 模型概述..................27
4.2 模型的建立......................27
5 蒙特卡洛模拟耦合遗传算法求解种植结构优化不确定模型...........47
5.1 应用 Monte Carlo 模拟模型中不确定参数...................47
5.1.1 Monte Carlo 模拟简介.........................47
5.1.2 Monte Carlo 模拟步骤............................48
6 不确定因素敏感性分析
6.1 敏感性分析结果
具体来说，本文进行敏感性分析主要目的就是找出影响作物经济效益和用水效率最大的因素。本处以第四章建立的模型为基础，以模型中的不确定因素为分析对象，分析每个变动因素对目标效益的影响程度。
为计算方便，首先在 excel 中建好电子表格模型，然后按照上节 Crystal Ball 软件使用方法点运行按钮，选择分析下拉列中的敏感图，即可得到变量对模型的敏感度分析图， 敏感度分析图是由不确定因子和指标变化比率组成，目标随各变量的变化比率由条形图示意，变化比率可正可负，当其为正值时，表示目标值随着该变量的增大而增大，反之，当显示为负值时，表示目标值随着该变量的增大而减小。变量的条形图越长，指标变化比率也就越大，表示其对目标值的影响也越大。
综上分析，果树对维持大荔县经济效益有至关重要的作用，蔬菜也占据了一定影响比例，不容忽视。回顾第五章种植结构优化结果，都是在向着果树和蔬菜面积增加的方向调整，这点与历年来大荔县的种植结构总体发展趋势也是一致的。换言之，这个敏感性分析结果与上章的优化结果是一致的。
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7 结论与建议
7.1 结论
本文首先通过分析大荔县作物种植结构现状以及与农业生产息息相关的水资源的现状，提出种植结构优化调整的水资源配置方案，然后以种植结构调整基本理论为指导，构建基于不确定性的种植结构优化模型，把经济、生态、社会效益一同纳入模型，最后应用于大荔县，对优化结果进行探讨，并分不同水平年作出预测，获得的主要成果如下：
（1）大荔县农业生产效率低，其内部产业结构不够合理，农业水资源利用率低，其历年种植结构不稳定，作物用水结构时间差异比较大，系统不够稳定，均衡度不高。
（2）对现状年种植结构优化，并对比优化前后经济效益和节水情况，结果表明，通过合理调整种植结构，可以提高经济效益，降低农业用水量，从而节约水资源。
（3）对模型中的单产和单价两个不确定因素进行敏感性分析，结果表明，单产对经济效益的敏感度高于单价，其中以果树相关度最高，蔬菜敏感度仅次于果树；果树、小麦、玉米对节水目标敏感性较高，其中，果树和玉米呈正相关性，小麦呈负相关性。
（4）综合优化结果与敏感性分析结果，本文建议大荔县总种植面积保持在 10.25～12.81hm2，其中粮食作物占总种植面积 50%-60%，果树可在 30%的基础上适当减少，蔬菜可以增加种植。
参考文献（略）