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华北地区是全球范围内水资源匮乏的典型区域之一。粮食种植结构调整直接影响我国水资源和粮食安全以及农民收益。亟需建立一套科学系统的方法，综合评价地下水压采、南水北调调水、粮食供给和农民收益增长等因素的互馈机制，形成多目标协同优化的区域种植结构可选方案，实现生态环境和农业经济协调发展，这也是未来地球计划（Future Earth）水资源和粮食纽带关系研究的方法性难题。
中国科学院遗传发育所农业资源研究中心杨永辉研究组基于地下水模型、经济模型和农业耗水模型，搭建了由地下水模块、作物经济模块与作物用水模块组成的多模型耦合系统。该系统通过引入NSGA-II遗传算法，创新性地将作物需水-灌溉-地下水开采、作物经济收益与粮食产量等关键变量按不同约束情景进行系统优化，实现了灌溉水-地下水-作物经济收益和粮食产量间的互馈与多目标权衡。
模型以保定平原为例，在对地下水模型进行参数校验的基础上，针对三种目标分别设计了无外调水、南水北调中线调水3亿方/年、6亿方/年和9亿方/年共12种情景，剖析了不同作物种植结构配置和不同调水情景下保定平原地下水-粮食-经济收益间的互馈效果。研究表明，当前作物种植模式导致地下水下降0.32米/年，年均超采6.1亿方；无外调水时，在不改变各作物总产的前提下调整作物种植可（S1）节水0.5亿方/年，增加农民收益1.6亿元；如果将本地区粮食目标调整为自给自足（S2），每年可减少地下水开采3.4亿方，增加利润0.5亿元；如果以维持地下水位稳定为前提（S3），则每年农业种植节水6.1亿方，降低农民收益33.4亿元。调水3亿方/年的情景下，仅S2情景可满足地下水-粮食-经济协同目标；调水大于6亿方/年，则S1/S2/S3情景均可同时实现地下水位不下降、粮食增产及农民增收。
相关研究成果以Hydro-Economic Model Framework for Achieving Groundwater, Food, and Economy Trade-Offs by Optimizing Crop Patterns为题，发表在Water Research上。研究工作得到国家重点研发计划和国家自然科学基金的支持。
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水文经济建模框架：（a）子模型互馈关系结构，（b）模拟流程，（c）作物、经济和地下水子模型。
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