供需双侧调控下水稻灌区水-能源-粮食系统耦合协调评价与优化研究

张礼兵，康传宇，金菊良，白亚超，章启兵，陈小凤

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009；2.合肥工业大学 水资源与环境系统工程研究所，安徽 合肥 230009；3. 安徽省(水利部淮河水利委员会)水利科学研究院，安徽 蚌埠 233088)

1 研究背景

水安全、粮食安全和能源安全是人类文明不断进步、经济社会可持续发展的重要支撑。2011年11月德国在波恩召开的国际性会议首次将水安全、能源安全和粮食安全之间的关系定义为一种“纽带关系”，指出这三种资源间存在着复杂的关联关系，尤其是在生产、消耗与管理中普遍存在着潜在冲突而需要权衡取舍，任何基于单一资源的战略都将会产生严重的后果[1]。该观点自提出以来得到了国内外学界的持续关注与研究。学者们尝试从不同角度、采用不同方法对水-能源-粮食(以下简称“水-能-粮”)纽带关系进行探讨，目前理论探索与实证研究尚处于起步阶段，主要从两个方面开展研究：一是分析揭示水-能-粮纽带关系内在相互影响的机理[2-4]；二是模拟不同社会、经济等因素影响下的纽带关系响应特性[5-7]，并通过水-能-粮系统时空特征分析为区域协调发展规划提供新思路[8]。应用系统关系进行区域水-能-粮系统耦合评价[9-11]、资源时空优化配置[12-13]、水-能-粮系统间运行机理的定量化探究[14-15]，以及近年水-能-粮与生态、土地耦合的系统协同评价与优化调控[16-18]也始见报道。

同时，“水分生产率：重新审视水-能源-粮食链框架下的相关概念”被列为第23届国际灌排大会(2017年10月于墨西哥城)的两大议题之一。作为农业大国和灌排强国，截至2019年底，我国耕地灌溉面积已达10.3亿亩，占全国总耕地面积的 50.9%，灌溉耕地生产的粮食约占全国粮食总产量的75%、经济作物约占90%[19]。灌溉农业已成为我国农业生产的主力军和保障国家食物安全的基石[20]。灌区是自然与人工共同控制水的运动与分配区域，随着人类活动的不断加强，灌区水循环已逐渐转变以人工水循环为主导、天然水循环过程退居次位的自然-人工复合水循环系统[21]。作为自然-人工复合水资源系统，灌区不仅是我国粮食生产和水资源开发利用的主要载体，同时也是能源生产和消费重要区域，例如灌区水库水电站对水能资源的开发利用，抽水泵站对灌溉用水的提取、输送及分配等消耗能源，而粮食的生产加工和贮存运输等更需要同时消耗数量可观的水与能源。可见，灌区尤其是现代大型灌区是典型的水-能-粮耦合协联系统[14-15]。

随着我国城镇化与工业化的快速发展，灌区水资源系统在供需两侧皆发生了显著变化。在灌溉需水方面，因受非农业用水的挤占，我国南方地区近十年来持续出现双季稻改种单季稻现象，这种“双改单”季节性撂荒虽然减少了农田灌溉需水量，却使双季稻种植面积呈不断下降趋势，在一定程度上浪费了优良的水土光热条件，影响国家粮食安全[22-23]。在抗旱供水管理方面，为了应对干旱对区域经济社会及生态环境的影响，国家防办及水利部水文局于2011年和2014年先后提出了江河湖库旱限水位概念及其确定办法[24-25]。有关研究说明[26-28]，通过旱限水位对水库蓄、供控制能明显提高水资源利用效率，取得较为显著的抗旱保灌效果。由于旱限水位的制定目前大多是基于典型来水和供用水资料进行供水侧或需水侧单向调控，而面向灌区水-能-粮耦合协调系统关系结构[29]的实施供需双侧调控，可把水资源配置和水利工程调度结合起来，实现水资源宏观配置与微观调控相统一的重要目标[30]。

在前人工作的基础上，本文以灌区水-能-粮耦合协调关系作为研究对象，综合考虑灌区粮食产量、水资源供需、农业种植效益以及灌区能源生产与消耗等因素，通过优化调整需水侧作物种植比例、供水侧水库旱限水位、供需联动侧的作物需水关键期限制供水比例(以下简称“限供比例”)，分析灌区水-能-粮三者耦合协调度及其评价指标变化特点，以提高灌区水资源供需的适配性和水资源利用效率，为灌区水利高质量发展提供参考。

2 研究区域概况与数据来源

2.1 研究区域概况杭埠河灌区位于我国安徽省中西部，隶属于长江流域巢湖水系，是淠史杭灌区的重要组成部分。灌区总面积为3064 km2，农业灌溉是灌区最主要的用水户，其占灌区总用水量的80%左右，同时担负着城镇生活、工业生产、生态环境及向合肥引水的供水任务。随着灌区城镇化和工业化快速发展，其用水结构发生较大变化，灌区农业用水与非农业用水之间的矛盾日益加深，不利于灌区水利高质量发展。灌区骨干水源为龙河口水库，位于六安市舒城县境内杭埠河上游，是以防洪、灌溉为主，兼顾城镇供水、发电和生态旅游等综合利用的多年调节大(Ⅱ)型水库。水库流域面积1120 km2，按百年一遇洪水标准设计、万年一遇标准校核，总库容9.03亿m3。灌区从水库的牛角冲和梅岭进水闸以55 m3/s和50 m3/s设计流量分别通过舒庐、杭北干渠进行引水灌溉，水库设计灌溉面积为155万亩，近年实际灌溉面积一直稳定在136万亩左右。在建的龙河口引水工程完工运行后，每年将为合肥提供约1亿m3的优质水资源，以进一步保障皖中都市圈的快速发展。

2.2 数据来源本文所用数据主要包括1960—2014年杭埠河灌区舒城和庐江等气象站点的逐旬降水量、蒸发量，龙河口水库逐旬入库径流量以及灌区经济社会和农业种植等数据。数据主要来源于《中国统计年鉴》《安徽省水资源公报》《六安市水资源公报》《中国能源统计年鉴》《中国农村统计年鉴》《全国农产品资料汇编》以及《淠史杭灌区用水高峰期供水预案》等，个别缺失的数据通过内插补全。其中，降水蒸发等水文数据主要来源于中国气象数据网，水库来水量、引供水量、作物生育期及生长参数等主要由安徽省淠史杭灌区管理总局提供，水资源公报、水利普查以及统计年鉴等资料分别来源于合肥市和六安市水利局及统计局。综合相关资料统计，龙河口水库入库径流及杭埠河灌区降水量、蒸发量年系列如图2。

图2 龙河口水库入库径流及杭埠河灌区降水蒸发量年系列

通过对灌区1960—2014年入库径流数据进行P-Ⅲ型水文频率分析，得到龙河口水库不同水文频率下的水库来水量，其中多年平均入库径流量为9.32亿m3，80%来水频率下入库径流为6.77亿m3(80%干旱阈值)，95%来水频率下入库径流量为5.23亿m3(95%干旱阈值)。

3 灌区水-能-粮系统耦合协调优化模型构建

3.1 灌区水-能-粮系统模拟模型

3.1.1 灌区水资源系统供需结构 杭埠河灌区水系复杂，灌区内反调节水库、塘坝堰闸及下游巢湖提水泵站也是重要的供水单元，自上而下构成了典型的江淮丘陵区“长藤结瓜”式蓄引提灌溉系统。主要农作物包括：双季早稻(以下简称早稻)、中稻(因单季晚稻比例太小与中稻合并)、双季晚稻(以下简称晚稻)、小麦、玉米、大豆以及蔬菜7类。各用水部门的优先级顺序：城镇生活>工业生产>农业灌溉>生态基流>合肥引调。基于系统工程理论方法，以旬为时间尺度构建了灌区水资源系统长系列模拟模型，并分别从宏、中、微观多层面描述水资源供需水过程，详细过程参考文献[31]，其中水资源系统概化结构如图3。

图3 杭埠河灌区水资源供需结构示意

3.1.2 灌区作物产量计算模型 水分生产函数是作物产量与作物耗水量之间的数量关系函数，可以定量描述灌区作物水资源投入与粮食产出的数量关系，采用Jensen水分生产函数模拟计算灌区主要粮食水稻产量，公式如下[32]：

(1)

式中：Y和Ym分别表示实际供水与充分供水条件下的水稻产量；h为水稻的不同生育阶段；L为水稻生育期分段数；λh为水稻第h生育阶段的水分敏感系数；ETh和ETmh分别为水稻第h生育阶段的实际耗水量与充分灌溉条件下需水量。

3.1.3 灌区粮食生产主要能源投入分析 基于水-能-粮系统间互馈关系，在灌区能源子系统计算过程中主要考虑粮食生产引起的能源投入、水库的发电效益以及提水泵站的电力消耗。其中灌区主要粮食作物的效益数据及能源消耗情况见表1。

表1 灌区主要粮食作物生产及能源消耗统计数据

3.2 灌区水-能-粮系统耦合协调评价模型

3.2.1 灌区水-能-粮耦合关系评价指标选取 遵循系统性、独立性、代表性和可比较性等原则，在探究灌区子系统耦合协调变化驱动机制的基础上，参考国内外相关研究并结合本区域的实际情况，从水资源、能源和粮食3个子系统中选取15个指标构建灌区水-能-粮系统耦合协调评价指标体系，并采用专家打分法确定指标权重，如表2。

正向指标负向指标 (2)

3.2.2 灌区水-能-粮系统耦合评价模型构建 为消除各评价指标的量纲和绝对数值大小的影响，需要对灌区评价指标体系中各个指标进行标准化处理，以水资源子系统为例计算公式如下：

式中：Xij为第i年第j个评价指标标准化处理后的数值；xij为第i年第j个评价指标实际值；xmaxj、xminj分别是第j项指标的最大值、最小值，这里对各项指标边界值取灌区历史运行和模型模拟运算结果的上下限，其中正向指标代表该指标增长对系统有利，负向指标则表示对系统产生不利影响。

参考已有的研究成果[12，17]，构建如下灌区水-能源-粮食系统耦合度评价模型：

(3)

3.2.3 灌区水-能-粮子系统耦合协调评价模型构建 虽然系统耦合度可以综合反映三者耦合作用的强弱，但无法反映三者间相互发展水平的高低。而耦合协调度可用来衡量各子系统相互作用中协调度和耦合度的大小，进而体现各子系统协调状况的优劣程度。利用子系统综合评价指数构建耦合协调模型公式如下[8，12，17]：

Ti=αWi+βEi+γFi

(4)

(5)

式中：Ti为第i年灌区水-能-粮系统综合评价指数；Di为第i年灌区水-能-粮系统耦合协调度；α、β、γ为水、能、粮各子系统的权重。考虑灌区以粮食生产为根本而能源生产与消耗相对不高，经专家讨论将水、能、粮3个子系统的权重分别取0.4、0.1、0.5。

3.3 灌区水-能-粮系统耦合协调优化模型

3.3.1 优化决策变量 以灌区水-能-粮系统模拟为基础，从灌区水资源系统供需双侧展开优化调控研究，主要包括需水侧的水稻种植比例调整、供水侧的骨干水库分期分级旱限水位确定、供需联动的水稻需水关键期限供比例设置，变量取值范围分析如下：

(1)灌区水稻种植比例。本灌区水稻种植比例调整涉及早、晚稻轮作，并受灌区水田率约束，同时还对城镇供水、生态供水等保证率等硬性约束产生影响，当双季稻种植比例过高时，农业灌溉需水量显著提升，城镇供水保证率得不到满足。当中稻种植比例过高，农田灌溉关键期需水过于集中，导致灌区有限的供水能力满足不了灌溉需水量，进而导致农业干旱缺水程度进一步加深，甚至威胁到城镇的供水安全。根据灌区长年实际运行情况，在水稻传统种植比例上下浮动一定范围(如±10%～±40%)，将中稻种植比例优化区间定为[0.18，0.51]，而晚稻与中稻种植受灌区水田率的约束限制呈此消彼长关系，因此结合二者历年种植面积的变化情况将其差值的优化区间定为[0，0.10]。灌区小麦、玉米、大豆以及蔬菜等作物与水稻为轮作关系，或由于地形地势等条件的限制无法大范围改种，且种植面积与灌溉需水量较小，因此不考虑优化。

(2)水稻需水关键期限供比例。针对以往旱限水位确定过程中限供比例过于依赖经验且针对性不强等问题，根据灌区主要粮食作物水稻不同生育期水分敏感系数，将早稻、中稻以及晚稻的拔节孕穗期和抽穗开花期概化为各水稻需水关键期，并在传统限供比例上下浮动一定范围(如±20%～±50%)作为优化区间，本研究将旱警水位和旱枯水位对应的各水稻需水关键期限供比例优化区间分别设为[5%，30%]和[30%，50%]。

(3)骨干水库分级分期旱限水位。为了与《国家防汛抗旱应急预案》不同干旱预警的响应级别相匹配，本文确定应对轻度干旱的旱警水位以及严重干旱的旱枯水位，相应的水库设计来水分别取频率80%和95%年份来水过程，同时也作为水库旱限水位的启用条件。应用Fisher最优分割法[27]对龙河口水库入库径流进行水文分期为：10月—次年4月，5—6月，7—8月，9月共4个预警期。

3.3.2 用户需水特性 以灌区主要用水户作为水库干旱预警对象，包括城镇生产生活用水、生态用水、合肥引调水以及农业灌溉用水等，各用水户需水特性简述如下。

(1)城镇工业生活需水：主要供水对象为舒城、庐江县城及沿渠乡镇，生活需水采用人口用水定额法，工业生产需水采用万元GDP需水量进行估算。另外根据灌区管理部门相关规定，龙河口水库需要预留1.5亿m3的水量以保证灌区城镇需水安全。

(2)合肥引调需水：灌区规划于2023年龙河口引水工程建成并投入使用，届时该工程将以5.21 m3/s的设计流量向合肥引水，年需引水量约0.8～1.2亿m3。

(3)生态环境需水：采用杭埠河灌区运行管理相关规定，以龙河口水库多年平均入库径流量的10%作为维持杭埠河河道的生态环境需水量。

(4)农业灌溉需水：由于灌区设计灌溉保证率为80%，通过模型对作物种植结构优化区间模拟运行，并对1960—2014年水库需灌溉水量进行排频分析得到80%频率下需灌溉水量上下限值分别为5.13亿m3和6.84亿m3，超过设计灌溉保证率干旱时需灌溉水量亦不超此限，根据多年杭埠河灌区农业灌溉用水规律按月占百分比进行分配。

根据以上分析按文献[26]分析计算得到龙河口水库初始旱限水位变化范围如表3。

表3 龙河口水库主要特征水位及初始旱限水位区间 (单位：m)

3.3.3 目标函数 以需水侧的水稻种植比例、供水侧的水库旱限水位、供需联动的水稻需水关键期限供比例为优化调控变量，代入模拟模型计算获得评价指标输出值，并以评价模型式(5)灌区水-能-粮系统耦合协调度1960—2014年的多年均值最大为目标。

F=maxD(A(l)，Zdw(p)，Zdd(q)，Sdw(k)，Sdd(k))

(6)

式中：D是灌区水-能-粮耦合系统耦合协调度长系列平均值；A(l)为灌区水稻l的种植面积，l=1，2，3分别为早稻、中稻和晚稻；Zdw(p)和Zdd(q)分别是不同预警时期的水库旱警水位和旱枯水位，p=1、2、3、4分别为10月—次年4月、5—6月、7—8月以及9月共4个时段，q=1、2分别为10月—次年4月、5—9月两个时段；Sdw(k)和Sdd(k)分别为灌溉期第k个需水关键期的水库旱警、旱枯时限供比例，其中k=1，2，3分别为早、中、晚稻需水关键期。

3.3.4 主要约束条件

(1)库塘水量平衡约束：

Vt+1=Vt+Ft+Pt-Et-Wt-Qt-Wl，t

(7)

式中：Vt、Vt+1分别为库塘t时段初蓄水量和时段末蓄水量；基于水旱作物生长特点对各年计算时段采用不等距方式，即5月—10月t为旬、11月—次年4月t为月；Ft为t时段库塘来水量；Et、Pt分别为t时段水面蒸发量、降水量；Wt、Qt为时段t库塘的实际供水量、弃水量；Wl，t为库塘第t时段渗漏损失水量。

(2)需水量约束：

Wg，t≤Nu，t

(8)

式中：Wg，t为t时段灌区水利工程g实际供水量；Nu，t为t时段各用水户u实际需水量。

(3)水电站及泵站应满足系统出力约束：

Nmin≤Nt≤Nmax

(9)

式中：Nt为灌区水电站或泵站t时段的出力；Nmin、Nmax分别是水电站机组或泵站的最小出力和装机容量。

(4)骨干水库供水限制线约束：

Zmin，t≤Zdd，t≤Zdw，t≤Zmax，t

(10)

式中：Zmin，t为水库死水位；Zdd，t为水库第t时段旱枯水位；Zdw，t为水库第t时段旱警水位；Zmax，t为水库正常蓄水位或汛限水位。

(5)耕地面积约束：

(11)

式中：aic为第ic作物种植面积；Atot为灌区总灌溉耕地面积；nc为作物总数量。

(6)各用水户供水保证率约束：

城镇供水保证率95%以及生态供水保证率80%等灌区运行要求。

3.3.5 模型求解 上述构建的灌区水-能-粮系统耦合协调度评价模型和优化调控模型，优化决策变量包括灌区水稻种植面积2个、水库分级分期旱限水位及其限供比例各6个共计14个。采用实数编码的加速遗传算法进行求解[33]，该算法对于水利工程方案设计中的非线性、组合优化等问题的求解具有很强的适应能力。

4 结果与分析

为了直观展现不同优化措施对灌区水-能-粮耦合协调度的影响，这里选取了4种方案与灌区现状条件进行对比：方案①为灌区需水侧调控，即对灌区主要粮食作物水稻的种植比例进行优化；方案②③为水库供水侧调控，前者按文献[25]确定旱限水位，后者通过加速遗传算法(AGA)优化水库旱限水位和水稻需水关键期限供比例；方案④为灌区水-能-粮系统供需双侧联合优化调控，即水稻种植结构、水库分级分期旱限水位及水稻需水关键期限供比例同时作为调控变量。

4.1 不同方案灌区水-能-粮系统耦合协调度变化分析

4.1.1 灌区水-能-粮系统综合运行结果 为对比分析不同优化控制方案对灌区水-能-粮耦合系统综合运行效果的影响，以1960—2014年水文气象数据为输入，在水-能-粮系统现状运行基础上，分别采用以上4种优化方案对系统进行模拟控制运行，得到灌区水-能-粮耦合协调评价结果及各指标多年均值如表4。

表4 1960—2014年不同方案下灌区水-能-粮耦合系统耦合协调评价结果及各指标多年平均值

由表4可见，不同控制方案下系统运行的综合评价指数T都有改善，相较于系统现状，种植结构优化调整和旱限水位优化控制分别使T提高了1.12%和1.94%，而供需双侧调控的方案④提高达到了3.72%。现状和各方案的系统耦合度C都处于0.95以上的较高水平，说明本灌区水、能、粮子系统间具有紧密的协调互馈关系，即对任一子系统的调控同时会影响其他两个子系统的运行结果进而导致总系统运行效果的非线性改变。由于灌区是可以根据雨情、水情和工情，通过人为控制水利工程进行水量调配的水资源与经济社会复合系统，因此系统耦合协调度D现状已达0.759，按文献[8]定义的耦合协调阶段判别标准处于“中级耦合协调”状态，而各优化方案通过供、需调整对D都有不同程度的提高，尤其是供需双侧调控的方案④更是提高到0.802，达到“良好耦合协调”状态。以上结果也揭示出，通过调整灌区种植结构与水库供水规则可以实现水-能-粮系统耦合关系协调发展目的。

系统各指标表现方面，需水侧调控方案①与现状对比可知，种植面积增加19.53万亩，增幅为14.98%。种植结构的优化调整使得灌区水稻种植面积大幅提高，而水资源和能源子系统各指标呈现降低趋势，这是由于双季稻种植比例上升使得粮食增产和水资源得到进一步充分利用的同时，也激化了灌区水资源供需矛盾，使得各用水部门缺水程度加重，另外，种植结构的调整还导致农业种植过程中的能源消耗增大以及提水灌溉泵站耗能增加，因此水资源和能源子系统运行效果同步降低，但总体上水-能-粮系统耦合协调度是呈现小幅度提高的。

供水侧调控是通过干旱年份旱限水位和限供比例的启用，方案②和③与现状运行结果对比可知，供水侧调控通过“限前供后”能够针对性地降低农业灌溉用水的破坏深度和时长，同时也以牺牲部分农业用水保障非农业用水，其中合肥引水年缺水量、生态年缺水量和灌溉水分生产率等指标改善明显。相较于方案②，方案③在优化的旱限水位基础上，根据灌区水稻需水关键期优化确定不同阶段旱限水位对应的限供比例，从而在保障非农业用水部门供水安全的前提下，尽量降低对粮食生产的破坏，在一定程度上弥补传统旱限水位限供比例过于依赖经验而过度限供导致农业受旱更加严重的弊端，其作物因旱年减产量、农业灌溉年缺水量等较方案②表现更好。

方案④在方案①和③的基础上，通过水资源供需双侧调控，即同时优化水稻种植结构、旱限水位及其限供比例，能在提高灌区水资源供需适配性的同时，进一步提高灌区水-能-粮耦合协调关系，各子系统的多项指标相较于现状优化效果更为明显。

值得注意的是，以上系统及各指标运行结果是对1960—2014年55年的长系列多年平均而言，由于旱限水位控制及限制供水只在12个干旱年份(见图2，80%干旱阈值线以下)启用，其运行效果易在长系列数据中被均化稀释，而干旱年份由于水的严重不足更能体现水、能源、粮食之间的竞争互馈关系，因此需对灌区干旱年份的水-能-粮系统耦合变化情况展开进一步的分析。

4.1.2 干旱年份灌区水-能-粮系统耦合协调度变化分析 由图4可知，灌区不同干旱年份水-能-粮系统耦合度与该年水资源状况密切相关，即随着水资源短缺程度的加重，系统耦合协调度逐渐变差，其中以4年连旱的1965—1968年尤为严重。在前两年连续干旱的压迫下，现状系统耦合协调度由0.615降低为0.573，到1967年更是低至0.387，按文献[8]的标准判定处于“失调过渡区间”的“轻度失调衰退”危险状态，而各优化方案都能在一定程度上改善系统耦合协调度，其中方案④提高效果最为显著。同时由于水-能-粮系统耦合度一直维持在0.95以上，因此水-能-粮综合评价指数与其耦合协调度变化趋势大致相同。通过不同干旱年份水-能-粮系统耦合协调度与该年干旱程度对比，说明灌区水资源状况在水-能-粮系统中的核心地位。同时优化效果随着干旱程度的加深而愈加明显：主要原因是旱限水位的启用可以在干旱年份提高各用水部门的供水安全，同时优化水稻种植结构可以在来水一定的条件下提高粮食生产安全。

图4 灌区干旱年份水-能-粮耦合度评价结果

由其他干旱年份不同优化方案结果可知：方案①基于现状改变了水稻种植比例，在提高了粮食总产量的同时，也提升了灌区干旱年份供水与作物种植的适配性，提高了灌区水资源利用效率，从而使得灌区水-能-粮系统得到明显改善。方案③通过增加水稻需水关键期的应用，使得旱限水位实现对水资源在不同用水部门优化分配的同时，实现了水稻不同生育期供水的优化措施，在一定程度上避免了方案②中旱限水位对农业灌溉过度限供的弊端。方案④在方案①和③的基础上进行供需双侧调控，进一步提升干旱年份灌区水-能-粮耦合协调关系和水利高质量发展能力。

4.1.3 干旱年份不同方案下水-能-粮各子系统变化分析 (1)灌区粮食子系统。由图5可以看出：方案①通过对灌区水稻种植比例的优化调整提高了灌区复种指数，干旱年份粮食子系统综合评价指数年均值由0.361提高为0.471，增幅达到30.47%。由于方案②加入旱限水位调整了水库蓄供过程，改善非农业供水过程的同时也使得非农业用水部门在干旱年份缺水率有所上升，虽然这种旱限水位确定方法使得农业干旱过程更加均衡，但由于不合理的限供措施使灌区农业抗旱效果并不显著，甚至还导致作物因旱减产损失更加严重，反而令粮食子系统综合评价指数年均值降为0.329。方案③在水库旱限水位控制过程中增加了对水稻需水关键期的识别，使得水资源在不同作物以及同一作物不同生育期之间实现“以前补后”的目的，粮食因旱减产量进一步降低，最终粮食子系统评价指数提高到0.379。最后，方案④在方案①和③基础上对灌区供需双侧联合调控，在提高水资源供需适配性的同时也进一步提升了粮食子系统的运行效果，其综合评价指数达到了最大而提高到0.519。

图5 干旱年份粮食子系统不同方案综合评价指数变化

(2)灌区水资源和能源子系统。由图6可以看出，方案①在现状基础上提高了双季水稻种植面积，使干旱年份各用水部门的缺水程度有所加重，水资源子系统综合评价指数均值由现状的0.415降为0.329，这也是系统运行效果最低的方案。方案②只通过旱限水位改变水库的蓄供过程，实现干旱年份水资源在不同部门的分配，即主要通过对灌区农业用水进行部分削减，从而保障生态、城镇引水的用水安全，使得灌区水资源子系统干旱年份平均综合评价指数升高到0.477。方案③通过优化旱限水位和主要作物生育期需水特性的识别，使得在保证非农业用水部门用水安全的前提下，兼顾对农业生产供水过程的优化，较方案②明显降低了水稻需水关键期缺水量，也使得水能源子系统呈现小幅度下降至0.469。方案④在对灌区水资源供需双侧协调优化之后，明显提升了灌区水资源利用效率和各用水部门的保障程度，干旱年份水资源子系统综合评价指数多年平均值为0.402。由以上水资源子系统变化情况可知，调整灌区水稻种植比例在提高粮食产量的同时，也会增加干旱年份水资源供需矛盾，从而降低灌区水资源子系统综合评价指数，这是通过牺牲部分水资源子系统运行效率以提高粮食子系统和整体水-能-粮耦合协调系统的运行效果。由于灌区能源子系统与作物能源投入量密切相关，因此通过方案①对灌区水稻种植比例进行优化调整时，灌区农业种植需要消耗的能源数量也随之急剧增加，导致灌区能源消耗上升的同时，能源子系统评价指数显著下降，干旱年份该子系统综合评价指数年均值由现状条件下0.595降为了0.516。方案②和③在方案①的基础上通过水库旱限水位的控制，实现了对合肥供水量的提升以及提水泵站灌溉水量的增加，加剧了能源消耗，导致能源子系统综合评价指数干旱年份年均值较现状分别降为0.577和0.583。方案④由于水稻种植面积的进一步提升，导致了灌区能源子系统的进一步下降，综合评价指数的干旱年份均值则变为0.475。

图6 干旱年份不同方案水资源和能源子系统综合评价指数变化

综上可见，通过系统优化可以用较小的水资源子系统损失和较大的能源子系统消耗，换取粮食子系统运行效果的最大改善。

4.2 灌区水稻种植比例优化结果在综合考虑灌区水-能-粮系统协调关系的基础上，对灌区水稻种植比例进行优化得到不同方案对应的优化作物种植结构，如表5。

表5 灌区种植比例优化结果 (单位：%)

从表5可以看出，基于水-能-粮纽带关系对灌区作物水稻种植结构、分级分期旱限水位及作物需水关键期限供比例的逐步优化，在考虑灌区水-能-粮系统耦合协调优化的前提下实现了水稻种植面积16.81%的提升，显著地缓解了目前“双改单”季节性撂荒现象。由于在干旱年份灌区粮食子系统不仅仅与耕地面积与水田率等种植制度有关，还受到水资源量的限制，因此以下从干旱年份不同方案下灌区粮食产量进行分析。

由图7可知，作物种植结构的调整以及旱限水位的启用使得灌区干旱年份粮食产量发生了显著变化。其中，方案③在保障灌区非农业用水安全的前提下，通过优化水资源在不同作物以及不同生育阶段的供水，使得粮食产量得到一定幅度的提升的同时，促进了灌区水-能-粮耦合系统协调发展。方案④利用灌区作物种植结构、分级分期旱限水位及需水关键期限供比例的水资源供需双侧调控模式，与水资源常规配置模式相比，既能体现有限水资源条件下的需水适应性调整，也能更加有效发挥工程对水资源的调控能力，在干旱年份以及非干旱年份灌区粮食产量得到进一步提高。旱限水位主要通过适时适量地限供以牺牲部分早稻的产量换取晚稻需水关键期的供水保障，从而使得灌区在干旱年份整体粮食产量达到最高。

图7 灌区干旱年份不同控制方案下粮食产量与因旱减产量变化

4.3 水库旱限水位及限供比例优化结果龙河口水库针对P=80%和95%条件下的分级分期旱限水位，见图8。

图8 龙河口水库分级分期旱限水位及其它主要特征水位

图8表明，通过优化确定的水库分级分期旱限水位在早稻生育阶段旱限水位尽量提高，以牺牲早稻的供水量预留给晚稻关键期使用，可将灌区粮食整体因旱减产率降至最低，并最终实现提高灌区水-能-粮系统耦合协调关系的进一步优化。灌区水稻需水关键期水库优化限供比例如表6。

表6 灌区水稻需水关键期优化限供比例 (单位：%)

由表6结果可见，相较于依靠经验确定旱限水位的限供比例，在考虑作物不同生育期供水对作物产量影响的基础上，水稻需水关键期应该尽量少限，特别是灌溉末期晚稻需水关键期，体现灌区水资源系统对作物生育关键期制定不同供水策略的考量，同时也说明旱限水位作为水库抗旱特征水位，相应限供措施的优化确定具有同样重要的地位。

5 结论

基于系统工程理论方法构建了灌区水-能-粮系统耦合协调度评价模型，进而对灌区水资源系统供需双侧进行优化调控研究，即在一定的来水和用水条件下，根据灌区作物的需水特性，充分运用水库的调蓄能力，优化确定了水稻种植比例、水库分级分期旱限水位、水稻不同需水关键期限供比例，获得如下主要结论：

(1)针对我国南方水稻种植区水稻季节性撂荒现象引起的水稻种植比例失调问题，本研究基于水-能-粮纽带关系理论对灌区水稻种植比例进行优化确定，弥补了以往仅从产量或经济效益视角对水稻种植比例调整的局限性，得到了适合灌区高质量发展的水稻种植结构，为我国适水性农业种植结构调整提供参考。

(2)针对灌区多类作物对水资源竞争性较强，灌溉期内不同作物，以及同一作物不同生育期内水资源分配不合理，而导致的干旱年份各用水部门矛盾激化和农业生产损失严重等问题，本文优化确定了水库的分级分期旱限水位及水稻需水关键期不同阶段水库的限供比例，使得干旱年在非充分灌溉条件下水资源能够得到进一步地高效利用，可降低灌区粮食生产的因旱减产损失程度，提高水-能-粮三者的耦合协调关系与可持续高质量发展能力。

(3)为解决现有水库旱限水位的制定过程中供需分离、配置与调度不适配等问题，本研究对比分析了灌区水资源供、需单侧调控和双侧调控优化效果，结果显示，相较于常规配置模式，供需双侧调控既能体现有限水资源条件下的需水适应性调整，也能充分发挥水库对水资源的蓄供调控能力，从而实现灌区水-能-粮系统协调、高质量和可持续发展的目的。

实践证明，大型灌区水资源、能源和粮食生产之间存在着高度复杂、耦合互馈的纽带关系，单个资源系统中某个因素，如水的变化会对能源和粮食两个子系统产生显著影响，因此管理部门在制定相关政策时应综合考虑区域水-能-粮纽带关系。未来关于灌区水库群以及多水源的联合调度、生态环境系统要求等对灌区水-能-粮纽带关系影响，以及不同严重程度干旱年份的旱限水位及限供措施的启用问题有待进一步深入研究。