应用大系统理论建立二层优化配置结构的数学模型。首先根据灌区内区域差异与作物农时季节为基础划分灌区为k个子区域和l个灌溉时段。

第一层优化配置完成单作物非充分灌溉条件下灌水量在各生育期的最优分配。

对于每个子区域k，首先进行子区域建模：

定义灌溉制度包含灌溉次数n、每次的灌水日期T l和每次灌溉定额m l。首先考虑在最优灌溉气象条件下，作物相对产量y为灌溉制度的函数，即式中：T、m分别为n维灌溉日期向量和灌水定额向量。这部分工作由农作物需水预测模型完成，通过农田水量平衡模拟和作物水分生产函数模型估算作物相对产量与一定灌溉制度的函数关系。

第二层模型用以实现基于时空优化的大区域农作物水量分配模型。进一步考虑不同气象条件下灌溉时间的选择对产量效益的影响，即作物产量对灌溉时间点容忍弹性尺度的数学描述。

定义最优灌溉条件下产量效益随灌溉时间变化的包络函数为g(a，T l)，a为影响灌溉农时的气象条件，包络函数反映作物产量在a气象条件下灌水作物产量效益随T l变化的曲线。(www.daowen.com)

这样在二层结构模型框架下作物相对产量函数变为：

基于非充分灌溉理论，在一定的灌溉水量Ml下，作物的优化灌溉制度主要是确定合理的灌水日期和灌溉水量，使得全灌区作物产量达到最大。因此可以建立以灌水制度为决策变量的灌溉制度优化目标函数，即：

约束条件为：

根据应用区域特点，加上各单种作物物价权重w，也可直接形成以整体经济效益为目标函数的优化模型。