农业用水转移对灌溉面积的影响机制及多智能体模拟方法研究

In the process of industrialization and urbanization in China, increased reallocation of water resources between agricultural and non-agricultural sectors is inevitable. As irrigated area is vital for food security, keeping the stability and growth of irrigated area is an important problem relating to food security and social stability under the condition of agricultural water transfer (AWT). Taking the Peoples’ Victory Canal Irrigation District (PVCID) in Henan Province as a research area, we will analyze the characteristics and key driving factors of effective irrigation area and actual irrigation area evolution. Impact of AWT on the spatial temporal evolution of the irrigated area will be analyzed. On the basis of analyzing the independent behaviors and interbehaviors of irrigation management bureau of the irrigation distinct, irrigation water suppliers in the villages and farmers using empirical research method, we will analyze the relationship of microcosmic subject behaviors and macroscopic evolution of irrigated area and reveal the impact mechanism of AWT on irrigated area from a new aspect of multiagent’ s behaviors. A new spatial temporal simulation model will be developed to simulate the dynamic variation of irrigated area using the multi-agent system and GIS to improve the precision of the traditional model in simulating the spatial dynamic change of irrigated area. We will put forward some suggestions on AWT based on simulating the variation of irritated area in the PVCID. This research can provide a scientific basis for evaluating the impact of AWT, establishing water rights system, and for guaranteeing food security.

工业化和城市化进程中，我国农业用水向非农行业的转移不可避免且日趋增多。灌溉面积是保障粮食安全的基础，农业用水转移条件下，如何保持灌溉面积的稳定和增长是关系到粮食安全和社会稳定的重要问题。以河南省人民胜利渠灌区为研究区，解析灌区有效灌溉面积和实际灌溉面积的时空演变特征，辨识灌溉面积演变的关键驱动因素，探明农业用水转移对灌溉面积时空演变的影响程度；从宏观、中观和微观尺度实证研究灌区管理机构、村级供水者和农户在灌溉过程中的独立行为和交互行为，深入剖析主体的微观行为与灌溉面积宏观演变间的关系，从“行为”新视角揭示农业用水转移对灌溉面积的多尺度影响机制；针对已有模型难以模拟灌溉面积空间动态变化的局限，采用多智能体和GIS耦合的方法，创建农业用水转移影响下灌溉面积时空动态变化的模拟模型，模拟设计情景下的灌溉面积变化，优选调控措施。旨在为农业用水转移影响评估、水权制度建设、粮食安全保障等提供科学依据。

工业化和城市化进程中，农业用水向非农行业的转移不可避免且日趋增多。灌溉面积是保障粮食安全的基础，如何保持灌溉面积的稳定和增长是关系到粮食安全和社会稳定的重要问题。为此，本项目开展了以下研究：1）基于NDVI时间序列数据构建了灌区不同水源灌溉面积的遥感分类方法，实现了典型灌区每年渠水、井水以及井渠结合灌溉面积的有效分类，分类精度可达73.58%。2）在宏观上通过解析典型灌区有效灌溉面积和实际灌溉面积的时空演变特征，辨识了灌溉面积演变的关键驱动因素。发现灌区管理机构收入和支出、农业水费收入、地下水埋深、引水量（农业用水转移）显著影响灌区有效灌溉面积的时间变化；引水量（农业用水转移）显著影响灌区实际灌溉面积的时间变化；耕地与渠道的距离显著影响实际灌溉面积的空间分布。3）在微观上研究了农户对渠水灌溉推迟的心理承受能力、实际承受能力及其影响因素。发现农户能承受的小麦、玉米和水稻的最大供水推迟天数分别为30天、20天和15天。农户的主要收入来源、户主年龄、最大一块地离可用机井的距离、井水的水质显著影响农户对灌溉供水推迟的承受能力。基于柯布-道格拉斯生产函数和Blank水分生产函数建立了农户单次灌溉的生产函数，采用BDI模型构建了农户的灌溉水源选择模型。4）以NetLogo模型为平台，耦合多智能体模型、元胞自动机模型和GIS技术构建了灌溉面积时空动态变化的模拟模型，模型的综合准确率为71.4%。模拟了不同模拟周期、渠首流量以及替代水源成本下的灌溉面积时空变化，发现灌区渠首流量（农业用水转移）和替代水源的成本变化均可对渠灌面积和井灌面积造成很大影响，但对河水灌溉面积的影响不大。本研究扩大了遥感分类在灌区尺度的应用范围，加深了对灌溉面积演变的驱动机制的认识，弥补了已有模型不能模拟灌溉面积空间动态变化的缺憾，可为农业用水转移影响评估、灌区管理、水权制度建设、区域水土资源优化配置等提供科学依据。