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水 利 学 报

２０２３年 ７月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５４卷 第 ７期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２３）０７ － ０８２９ － １４

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

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张礼兵 １，２ ，康传宇 ，金菊良 １，２ ，白亚超 ，章启兵 ，陈小凤 ３
（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）

摘要：对于水资源主要消耗用户和粮食重要生产基地的大型灌区，进行供需双侧调控是缓解灌区水资源供需矛
盾、提高区域高质量可持续发展的重要途径之一。为了揭示灌区水－ 能源－ 粮食复杂的协调关系，针对性地开展系
统优化调控。首先基于系统评价理论构建大型灌区水－ 能源－ 粮食系统耦合协调度评价模型，再基于灌区水资源系
统模拟模型，以灌区水－ 能源－ 粮食耦合协调度最大为目标，以灌区主要作物水稻种植比例、水库分级分期旱限水
位、水稻需水关键期限制供水比例作为优化调控变量，结合加速遗传算法，开展基于水资源供需双侧优化调控的
灌区水－ 能源－ 粮食系统耦合协调评价与优化调控研究。杭埠河灌区应用结果显示：优化调控确定的灌区水稻种植
比例、水库分级分期旱限水位、水稻需水关键期限供比例，相较于灌区运行现状能提高水－ 能源－ 粮食系统耦合协
调水平，双季稻种植面积一定程度恢复使粮食产量明显提高，优化的水库旱限水位及水稻需水关键期水库限供比
例，可在提升灌区干旱年份水资源利用效率的同时，较好地降低粮食作物因旱减产损失。可见，开展灌区供需双
侧优化调控能显著提高灌区水－ 能源－ 粮食系统耦合协调性和适配性，可为提高水资源利用效率、布局主要粮食作
物生产以及落实灌区水利高质量发展实施途径提供参考。
关键词：大型灌区；水－ 能源－ 粮食系统；耦合协调优化；供需双侧调控；水库旱限水位；种植比例；限供比例
文献标识码：Ａ
中图分类号：ＴＶ２１３．９ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２２１０１０
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。

收稿日期：２０２２ － １２ － １８；网络首发日期：２０２３ － ０５ － １８
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｋｃｍｓ?ｄｅｔａｉｌ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２３０５１７．１１０８．００３．ｈｔｍｌ
基金项目：国家自然科学基金项目（Ｕ２２４０２２３）；安徽省自然科学基金项目（２２０８０８５ＵＳ１６，２１０８０８５ＱＥ２５４，２２０８０８５ＵＳ０３）
作者简介：张礼兵（ １９７２ － ），博士，副教授，主要从事水资源系统工程研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｌｉｂｉｎｇ７７７＠１６３．ｃｏｍ
通讯作者：金菊良（１９６６ － ），博士，教授，主要从事结构水资源学研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ＪＩＮＪＬ６６＠１２６．ｃｏｍ
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