Przestrzenna wielozadaniowa optymalizacja rolniczych praktyk ochronnych z wykorzystaniem modelu SWAT i algorytmu ewolucyjnego

Summary

Ta praca demonstruje integrację modelu jakości wody z komponentem optymalizacyjnym wykorzystującym algorytmy ewolucyjne do rozwiązania optymalnego (najtańszego) rozmieszczenia praktyk ochrony rolnictwa dla określonego zestawu celów poprawy jakości wody. Rozwiązania są generowane przy użyciu podejścia wieloobiektywnego, co pozwala na jednoznaczne określenie ilościowe kompromisów.

Abstract

Znalezienie opłacalnych (tj. najtańszych) sposobów ukierunkowania inwestycji w praktyki ochrony przyrody w celu osiągnięcia określonych celów jakości wody w całym krajobrazie ma pierwszorzędne znaczenie w zarządzaniu zlewnią. Tradycyjne metody ekonomiczne polegające na znalezieniu najtańszego rozwiązania w kontekście działu wodnego (np. ^5,12,20) zakładają, że oddziaływanie poza terenem zakładu można dokładnie opisać jako proporcję zanieczyszczeń generowanych na miejscu. Jest mało prawdopodobne, aby takie podejścia były reprezentatywne dla rzeczywistego procesu zanieczyszczenia w dziale wodnym, w którym wpływ źródeł zanieczyszczeń jest często determinowany przez złożone procesy biofizyczne. Wykorzystanie nowoczesnych, opartych na fizyce, przestrzennie rozproszonych modeli symulacji hydrologicznych pozwala na większy stopień realizmu w zakresie reprezentacji procesów, ale wymaga opracowania ram symulacyjno-optymalizacyjnych, w których model staje się integralną częścią optymalizacji.

Algorytmy ewolucyjne wydają się być szczególnie użytecznym narzędziem optymalizacyjnym, zdolnym do radzenia sobie z kombinatoryczną naturą problemu symulacji i optymalizacji zlewni i pozwalającym na wykorzystanie pełnego modelu jakości wody. Algorytmy ewolucyjne traktują określoną przestrzenną alokację praktyk ochronnych w dziale wodnym jako potencjalne rozwiązanie i wykorzystują zestawy (populacje) proponowanych rozwiązań, iteracyjnie stosując stochastyczne operatory selekcji, rekombinacji i mutacji, aby znaleźć ulepszenia w odniesieniu do celów optymalizacji. Celem optymalizacji w tym przypadku jest zminimalizowanie zanieczyszczeń niepochodzących ze źródeł punktowych w zlewni, przy jednoczesnym zminimalizowaniu kosztów praktyk ochronnych. Niedawny i stale rozwijający się zestaw badań próbuje wykorzystać podobne metody i integruje modele jakości wody z szeroko pojętymi metodami optymalizacji ewolucyjnej^{3,4,9,10,13-15,17-19,22,23,25}. W tej aplikacji demonstrujemy program, który jest zgodny z podejściem Rabotyagov i in. i integruje nowoczesny i powszechnie stosowany model jakości wody SWAT⁷ z wieloobiektywnym algorytmem ewolucyjnym SPEA2²⁶ oraz określonym przez użytkownika zestawem praktyk ochronnych i ich kosztów w celu poszukiwania pełnych granic kompromisu między kosztami praktyk ochronnych a celami jakości wody określonymi przez użytkownika. Granice określają ilościowo kompromisy, z jakimi borykają się zarządcy działów wodnych, przedstawiając pełny zakres kosztów związanych z różnymi celami poprawy jakości wody. Program pozwala na wybór konfiguracji zlewni osiągających określone cele poprawy jakości wody oraz tworzenie map optymalnego rozmieszczenia praktyk ochronnych.

Protocol

1. Przygotuj model zlewni i podaj dane wejściowe do optymalizacji

1. Utwórz bazę danych i_SWAT.
   1. Korzystając z programu o nazwie "rotator", zbuduj bazę danych z wielu wejściowych baz danych, w tym gleb, pogody, zarządzania i nawozów.
   2. Alternatywnie, istniejący przebieg SWAT (ewentualnie utworzony za pomocą ArcSWAT lub AVSWAT) można zaimportować za pomocą i_SWAT.exe. W takim przypadku program "swat_rewrite" może zostać wykorzystany do zastąpienia informacji zarządczych lub innych informacji dotyczących HRU opartych na danych na poziomie pola.
   3. W tym momencie należy przeprowadzić kalibrację i walidację modelu SWAT. Model SWAT (wer....

Discussion

Budujemy zintegrowaną platformę symulaccyjno-optymalizacyjną w celu poszukiwania wydajnych w Pareto zestawów konfiguracji zlewni obejmujących najniższy koszt mieszanki i lokalizację rolniczych praktyk ochronnych, aby osiągnąć szereg celów w zakresie redukcji składników odżywczych na poziomie zlewni. Schemat koncepcyjny systemu symulacyjno-optymalizacyjnego przedstawiono na rysunku 8. Symulacja działu wodnego, w tym symulacja wpływu praktyk ochrony rolnictwa na jakość wody, jest obsługiwana przez model hy.......