区域农业水资源优化模糊集分析及其应用研究
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摘要
本文首先阐述了水文水资源的不确定性及模糊水文水资源学的发展现状，分析了我国农业水资源现状及其可持续利用，在论述区域农业水资源优化领域研究现状的基础上，鉴于农业水资源系统优化的多目标、多层次、多功能、多阶段、多维与随机的特征，针对系统中普遍存在的模糊性和随机性开展研究，主要研究内容和研究成果概括如下：
1、基于陈守煜提出的多目标模糊优选动态规划理论，提出复杂水资源系统的多维多目标模糊优选动态规划问题的两种求解办法：多维多目标的决策序列相对优属度总和最大法和多维多目标阶段模糊优选动态规划方法。其中，多维多目标决策序列相对优属度总和最大法适于解决不涉及时间维的“静态”多阶段优化问题，而多维多目标阶段模糊优选动态规划方法不仅适用于“静态”问题，而且适用于“动态”的任一阶段或任一层次的优化问题。针对不同的情况，本文提出了多目标模糊优选与多维动态规划相结合的求解方法，并给出具体的求解步骤。多维多目标模糊优选动态规划方法拓展了模糊优选理论的应用范围。
2、最优灌溉制度是实行非充分灌溉的关键问题之一，同时也是非充分灌溉条件下灌溉水量时、空优化分配的基础。针对现行非充分灌溉制度优化设计模型中约束的不合理性，致使作物在敏感性指数小的阶段末土壤含水率易趋于凋萎系数，生产中存在风险的不足，本文提出了考虑作物种植风险指标情况下，非充分灌溉制度的多目标优化模型；并采用本文提出的多维多目标动态规划方法进行模型求解。实例证明了解法的可行性和模型的实用性。
3、从可持续发展的观点出发，为解决灌区多作物间争水问题和合理种植面积问题，提出了作物种植结构的多目标模糊优化模型，对灌区有限的水、土资源进行优化配置，克服了以往方法中只注重经济效益，而忽视社会效益和环境效益的不足。应用实例表明，模型理论严谨，物理意义明晰，计算方法简洁，为区域农业可持续发展规划提供了较完善的多目标模糊优化理论、模型与方法。
4、为合理利用水资源，使渠井结合灌区的地表、地下水联合调度决策与实际结合更紧密，本文在陈守煜建立的多指标模糊关系优选决策理论基础上，提出了考虑时段指标变权重的多指标模糊关系优选决策方法，模型中各指标的权重随作物所处生长阶段的不同发生变化，并将模型与算法应用于实际例子中，取得了较为满意的结果。
5、针对复杂大系统多层次、多因素、多指标的特点，在陈守煜建立的多级模糊模式识别理论基础上，提出了适用于系统任一层次的多指标模糊模式识别方法。在优选的过程中采用主、客观相结合的方法来确定指标权重，并将该方法应用于节水灌溉系统，对田间节水灌溉技术方案进行了优选，实例证明了方法的可行性与实用性。
6、在多维多目标动态规划工作的基础上，结合水文过程的随机性和具有时序性的
特点，提出了多维多目标随机模糊优选动态规划方法;并根据所研究问题的性质，给出
两种解法:随机多维决策序列相对优属度总和最大法和随机多维多目标阶段模糊优选法。
解法具有普遍适用性，不仅适用于“静态”问题，而且适用于“动态”的任一阶段或任
一层次的多维问题，随机的引入使得系统决策更为符合实际情况，进一步拓展了模糊优
选理论的应用范围。
7、由于降雨对作物生长影响较大，而且实际生产过程中面临阶段的降雨是随机过
程的情况，本文建立了考虑随机降雨情况下，农作物非充分灌溉制度的多目标优化设计
模型，并将多维多目标随机模糊优选方法应用于灌溉制度优化设计中，实例证明了解法
的可行性和模型的实用性。
8、将本文所提出的作物灌溉制度的确定性与随机性模型、种植结构模型、多维与
随机多维多目标动态规划方法，并运用大系统分解协调理论，结合河南省的有关科研项
目，在典型区系统的进行了应用，构建了区域农业水资源可持续利用的模糊集分析决策
综合模型，对区域农业水资源进行了时、空优化配置，初步形成了一个全面考虑社会、
经济、环境协调发展的水资源分配框架体系，是对水资源综合优化模型的‘种尝试。
最后对全文作了总结，并对有待进一步研究的问题作了展望。
This paper first presents the uncertainty of water resources and the process of fuzzy set theory in this field, then analyzes the current conditions of agricultural water resources and its sustainable developments in our country. Based on the researches in this field, considering its character of multi-objective, multi-layer, multi-function and multistage, this paper mainly deals with the fuzziness and stochastic uncertainty of agricultural water resources system. The major contents and research results are as follows:
1 Based on Chen Shouyu's fuzzy set theory, this paper presents a fuzzy optimal multi-dimension and multi-objective dynamic programming model, then two methods are given. One is multi-dimension maximum sum of relative membership degree; the other is staged multi-dimensional fuzzy optimization method. The first method is suitable for the static program that time is not involved, and the second method can be used to solve any multistage problem, especially for those problems time is involved, In the end, these methods are explained in detail one by one. These methods enlarge the range of fuzzy optimal theory.
2 Inadequate irrigation schedule is not only the key for deficit irrigation, but also the basis for optimal allocation of agricultural water resources. Because of the unreasonable restriction of actual models, soil water content at the end of the stage that its sensitivity parameter is small is always close to the wilting coefficient, this makes planting risk. To deal with the planting risk of inadequate irrigation schedule, this paper develops a new multi-objective model for inadequate irrigation schedule programming, and uses the staged multi-dimensional fuzzy optimization method to get the decision-making. The case study proves that the model is reliable, and the method is applicable.
3 Based on analysis of the relationship between agricultural water resources and its sustainable development. This paper presents a multi-objective fuzzy optimization model for planting structure and water allocation, which overcomes the shortcoming of current models that only considered the economic object, ignored the society and environment objects The case study proves that the model is reliable, and the results are reasonable and practical. And it is useful for agricultural water management and its sustainable development.
4 In order to make.the decision adjust to the practice, and use the limited water resources more rationally. A multi-objective fuzzy decision method for irrigation district is presented considering fuzzy connection, then a method is given to get the changeable objective weight of each stage. This model can solve the decision in conjunctive use of ground and surface water. The result of the case study is satisfactory.
5 Considering the characteristic of large complex system, based on Chen's fuzzy pattern recognition theory, a multi-layer and multi-objective fuzzy pattern recognition method is
presented in this paper. It can resolve the optimum selection in decision-making in complex large system, which contains many objects and many .factors that are usually at different layers. During the process, a method named subject combined with objective is used to get the objective weight. Then the model is used in selecting water saving irrigation technology. The case study proved that the model is reasonable and the method is practical.
6 Based on the fuzzy optimal multi-dimension and multi-objective dynamic programming model, this paper presents a stochastic multi-dimensional and multi-objective fuzzy dynamic programming, it can be used in decision making among complex systems, which characterized by random inputs. Two different methods are given, one is named stochastic maximum sum of relative membership degree, and the other is named stochastic multi-dimension staged fuzzy optimization theory. They are explained in detail and can be used under different conditions. These two methods enrich the fuzzy optimal theory.
7 Because rainfall affects crops deeply and the rainfall is st
1、基于陈守煜提出的多目标模糊优选动态规划理论，提出复杂水资源系统的多维多目标模糊优选动态规划问题的两种求解办法：多维多目标的决策序列相对优属度总和最大法和多维多目标阶段模糊优选动态规划方法。其中，多维多目标决策序列相对优属度总和最大法适于解决不涉及时间维的“静态”多阶段优化问题，而多维多目标阶段模糊优选动态规划方法不仅适用于“静态”问题，而且适用于“动态”的任一阶段或任一层次的优化问题。针对不同的情况，本文提出了多目标模糊优选与多维动态规划相结合的求解方法，并给出具体的求解步骤。多维多目标模糊优选动态规划方法拓展了模糊优选理论的应用范围。
2、最优灌溉制度是实行非充分灌溉的关键问题之一，同时也是非充分灌溉条件下灌溉水量时、空优化分配的基础。针对现行非充分灌溉制度优化设计模型中约束的不合理性，致使作物在敏感性指数小的阶段末土壤含水率易趋于凋萎系数，生产中存在风险的不足，本文提出了考虑作物种植风险指标情况下，非充分灌溉制度的多目标优化模型；并采用本文提出的多维多目标动态规划方法进行模型求解。实例证明了解法的可行性和模型的实用性。
3、从可持续发展的观点出发，为解决灌区多作物间争水问题和合理种植面积问题，提出了作物种植结构的多目标模糊优化模型，对灌区有限的水、土资源进行优化配置，克服了以往方法中只注重经济效益，而忽视社会效益和环境效益的不足。应用实例表明，模型理论严谨，物理意义明晰，计算方法简洁，为区域农业可持续发展规划提供了较完善的多目标模糊优化理论、模型与方法。
4、为合理利用水资源，使渠井结合灌区的地表、地下水联合调度决策与实际结合更紧密，本文在陈守煜建立的多指标模糊关系优选决策理论基础上，提出了考虑时段指标变权重的多指标模糊关系优选决策方法，模型中各指标的权重随作物所处生长阶段的不同发生变化，并将模型与算法应用于实际例子中，取得了较为满意的结果。
5、针对复杂大系统多层次、多因素、多指标的特点，在陈守煜建立的多级模糊模式识别理论基础上，提出了适用于系统任一层次的多指标模糊模式识别方法。在优选的过程中采用主、客观相结合的方法来确定指标权重，并将该方法应用于节水灌溉系统，对田间节水灌溉技术方案进行了优选，实例证明了方法的可行性与实用性。
6、在多维多目标动态规划工作的基础上，结合水文过程的随机性和具有时序性的
特点，提出了多维多目标随机模糊优选动态规划方法;并根据所研究问题的性质，给出
两种解法:随机多维决策序列相对优属度总和最大法和随机多维多目标阶段模糊优选法。
解法具有普遍适用性，不仅适用于“静态”问题，而且适用于“动态”的任一阶段或任
一层次的多维问题，随机的引入使得系统决策更为符合实际情况，进一步拓展了模糊优
选理论的应用范围。
7、由于降雨对作物生长影响较大，而且实际生产过程中面临阶段的降雨是随机过
程的情况，本文建立了考虑随机降雨情况下，农作物非充分灌溉制度的多目标优化设计
模型，并将多维多目标随机模糊优选方法应用于灌溉制度优化设计中，实例证明了解法
的可行性和模型的实用性。
8、将本文所提出的作物灌溉制度的确定性与随机性模型、种植结构模型、多维与
随机多维多目标动态规划方法，并运用大系统分解协调理论，结合河南省的有关科研项
目，在典型区系统的进行了应用，构建了区域农业水资源可持续利用的模糊集分析决策
综合模型，对区域农业水资源进行了时、空优化配置，初步形成了一个全面考虑社会、
经济、环境协调发展的水资源分配框架体系，是对水资源综合优化模型的‘种尝试。
最后对全文作了总结，并对有待进一步研究的问题作了展望。
This paper first presents the uncertainty of water resources and the process of fuzzy set theory in this field, then analyzes the current conditions of agricultural water resources and its sustainable developments in our country. Based on the researches in this field, considering its character of multi-objective, multi-layer, multi-function and multistage, this paper mainly deals with the fuzziness and stochastic uncertainty of agricultural water resources system. The major contents and research results are as follows:
1 Based on Chen Shouyu's fuzzy set theory, this paper presents a fuzzy optimal multi-dimension and multi-objective dynamic programming model, then two methods are given. One is multi-dimension maximum sum of relative membership degree; the other is staged multi-dimensional fuzzy optimization method. The first method is suitable for the static program that time is not involved, and the second method can be used to solve any multistage problem, especially for those problems time is involved, In the end, these methods are explained in detail one by one. These methods enlarge the range of fuzzy optimal theory.
2 Inadequate irrigation schedule is not only the key for deficit irrigation, but also the basis for optimal allocation of agricultural water resources. Because of the unreasonable restriction of actual models, soil water content at the end of the stage that its sensitivity parameter is small is always close to the wilting coefficient, this makes planting risk. To deal with the planting risk of inadequate irrigation schedule, this paper develops a new multi-objective model for inadequate irrigation schedule programming, and uses the staged multi-dimensional fuzzy optimization method to get the decision-making. The case study proves that the model is reliable, and the method is applicable.
3 Based on analysis of the relationship between agricultural water resources and its sustainable development. This paper presents a multi-objective fuzzy optimization model for planting structure and water allocation, which overcomes the shortcoming of current models that only considered the economic object, ignored the society and environment objects The case study proves that the model is reliable, and the results are reasonable and practical. And it is useful for agricultural water management and its sustainable development.
4 In order to make.the decision adjust to the practice, and use the limited water resources more rationally. A multi-objective fuzzy decision method for irrigation district is presented considering fuzzy connection, then a method is given to get the changeable objective weight of each stage. This model can solve the decision in conjunctive use of ground and surface water. The result of the case study is satisfactory.
5 Considering the characteristic of large complex system, based on Chen's fuzzy pattern recognition theory, a multi-layer and multi-objective fuzzy pattern recognition method is
presented in this paper. It can resolve the optimum selection in decision-making in complex large system, which contains many objects and many .factors that are usually at different layers. During the process, a method named subject combined with objective is used to get the objective weight. Then the model is used in selecting water saving irrigation technology. The case study proved that the model is reasonable and the method is practical.
6 Based on the fuzzy optimal multi-dimension and multi-objective dynamic programming model, this paper presents a stochastic multi-dimensional and multi-objective fuzzy dynamic programming, it can be used in decision making among complex systems, which characterized by random inputs. Two different methods are given, one is named stochastic maximum sum of relative membership degree, and the other is named stochastic multi-dimension staged fuzzy optimization theory. They are explained in detail and can be used under different conditions. These two methods enrich the fuzzy optimal theory.
7 Because rainfall affects crops deeply and the rainfall is st
引文
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