王宗志，葉愛玲，劉克琳，金菊良

（1.南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，江蘇南京 210029；2.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽合肥 230009）

1 研究背景

流域水資源調(diào)控是指通過地面水利工程、地下蓄水空間和人類用水行為等方面的調(diào)節(jié)，使流域水資源時空分布與經(jīng)濟社會和生態(tài)環(huán)境需求盡可能相適應(yīng)的過程，通常包括水資源配置和水利工程調(diào)度兩個階段，是實現(xiàn)水資源合理利用、緩解水資源短缺矛盾的有效手段和核心任務(wù)。水資源配置研究經(jīng)過近30多年的發(fā)展，在理念上經(jīng)歷了以需定供、與宏觀經(jīng)濟結(jié)合、水量水質(zhì)一體化等多個階段［1］，但總體上都是把需水作為約束條件或邊界條件，以供水量最大、缺水量最小或經(jīng)濟效益最大為目標函數(shù)，建立區(qū)域水資源配置模型，提出盡可能滿足區(qū)域需水的水資源配置方案［2-5］，即更多關(guān)注的是供水側(cè)，而對供給側(cè)與需求側(cè)聯(lián)合調(diào)控考慮較少。農(nóng)業(yè)是流域用水的主要用戶，隨著人口增加、城市化進程加快和人們生活水平提高對水資源的高質(zhì)量要求，工業(yè)和生活用水呈現(xiàn)剛性增長態(tài)勢，為農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)適應(yīng)性調(diào)整、強化節(jié)水提出了迫切需求，因此灌區(qū)水資源配置成為區(qū)域水資源配置領(lǐng)域的重點研究對象［6］。

對于灌區(qū)水資源配置，大都以一定的水資源、土地資源為約束，通過優(yōu)化種植結(jié)構(gòu)和灌溉制度，實現(xiàn)水資源約束條件下的經(jīng)濟效益最大化［7-9］，通常是建立以可供水量作為約束條件或邊界條件、以作物種植效益最大為目標函數(shù)的水土資源優(yōu)化配置模型，對給定的可供水過程在灌區(qū)內(nèi)進行優(yōu)化分配［10-11］，鮮見供需雙側(cè)調(diào)控研究［12-13］。實際上，實施供需雙側(cè)調(diào)控，服務(wù)水資源集約化利用，是落實當(dāng)前“節(jié)水優(yōu)化、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”治水理念和實現(xiàn)最嚴格水資源管理制度考核的必然要求；此外，由于水利工程是水資源系統(tǒng)的重要組成部分，也是實現(xiàn)水資源優(yōu)化配置的微觀載體，把水利工程調(diào)度和水資源配置結(jié)合起來，是在流域水利工程特別是蓄水工程建設(shè)基本完善的條件下，實現(xiàn)水資源宏觀配置與微觀調(diào)控統(tǒng)一的重要需求［14-16］。然而，以往水資源配置與水利工程調(diào)度服務(wù)于不同目標，二者結(jié)合不緊密。前者旨在提出規(guī)劃建設(shè)湖庫工程、增加可供水量與強化節(jié)水、減少需求，壓縮供需缺口的策略，后者則服務(wù)于工程運行管理，提出湖庫工程運行調(diào)度規(guī)則和運行方式。

為此，針對目前水資源常規(guī)調(diào)控模式供需分離、配置與調(diào)度不結(jié)合，難以支撐水資源嚴格管理和集約化開發(fā)利用的新需求，本文嘗試建立流域水資源供需雙側(cè)調(diào)控模型，提出供需雙側(cè)協(xié)調(diào)、配置與調(diào)度緊密結(jié)合的水資源調(diào)控新模式，以南四湖流域為實例開展應(yīng)用研究，從經(jīng)濟效益、節(jié)水效益、供水保證率等方面評價模型的合理性和有效性。

2 流域水資源供需雙側(cè)調(diào)控模型

流域水資源供需雙側(cè)調(diào)控模型，包括數(shù)據(jù)錄入、模型構(gòu)建與結(jié)果分析三部分，如圖1所示。其中需水側(cè)模型（需水預(yù)測模型）與供水側(cè)模型（多水源配置模型、工程調(diào)度模型）構(gòu)建是核心。需水預(yù)測模型，涵蓋生活、工業(yè)、生態(tài)和農(nóng)業(yè)4個用戶，其中農(nóng)業(yè)需水模型是本文重點研究內(nèi)容之一；供水側(cè)模型，包括多水源配置與工程調(diào)度模型。需水側(cè)模型（農(nóng)業(yè)需水模型）、供水側(cè)模型（多水源配置模型與湖庫調(diào)度模型）都有各自的目標函數(shù)、約束條件，既具有一定的獨立性，又能通過“可供水過程”與“需水過程”的分解耦合，將需水側(cè)模型輸出作為供水側(cè)模型的輸入，將供水側(cè)模型的輸出作為需水側(cè)模型的輸入，實現(xiàn)流域水資源供需雙側(cè)之間的聯(lián)合調(diào)控；多水源配置模型與湖庫調(diào)度模型之間，通過前者給出的系統(tǒng)缺水量激勵湖庫調(diào)度模型進一步優(yōu)化，進而給出可供水量的分配方案，傳輸?shù)蕉嗨磁渲媚Ｐ停瑢崿F(xiàn)多水源配置與工程調(diào)度的統(tǒng)一。

圖1 流域水資源供需雙側(cè)調(diào)控模型框架

與水資源常規(guī)配置模式的本質(zhì)區(qū)別在于，供需雙側(cè)調(diào)控模型可通過同時優(yōu)化調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、種植結(jié)構(gòu)和水利工程調(diào)度運行方式，實現(xiàn)水資源與經(jīng)濟社會、生態(tài)環(huán)境的良好匹配，以及水資源宏觀分配方案與水利工程微觀調(diào)度方式的統(tǒng)一。該模型的時間尺度可選擇月、旬、日，既可針對不同年型進行模擬分析，也可進行長系列分析模擬。

2.1 需水側(cè)模型本研究考慮到生活和工業(yè)需水，受降水豐枯變化影響相對較小，且在流域需水結(jié)構(gòu)中比例不大，本文采用定額法進行預(yù)測分析；河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水，采用Tennant法，按照多年平均流量的10%標準確定。農(nóng)業(yè)需水受氣象水文、作物種植結(jié)構(gòu)等要素影響大，也是流域用水大戶，是需水側(cè)模型的重點考慮對象。作物產(chǎn)量模擬是農(nóng)業(yè)需水優(yōu)化模型的重要組成部分，常采用歷時作物產(chǎn)量調(diào)查統(tǒng)計法［17］、水分生產(chǎn)函數(shù)法［18-19］。本文基于非充分灌溉原理，采用Jensen水分生產(chǎn)函數(shù)模擬時段灌溉水量和最終產(chǎn)量的關(guān)系計算作物產(chǎn)量［20］，將供水過程對農(nóng)業(yè)的影響體現(xiàn)在最終產(chǎn)量上，旨在通過優(yōu)化農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)和灌溉制度，協(xié)調(diào)與來水條件匹配度更好的需水過程，在有限水資源量下提高水分利用效率，實現(xiàn)灌溉經(jīng)濟效益最大化。模型以不同作物的種植面積和每個計算時段內(nèi)分配給每種作物的灌溉水量作為決策變量。

（1）目標函數(shù)。以作物種植經(jīng)濟凈效益最大為目標函數(shù)，凈效益為種植農(nóng)產(chǎn)品經(jīng)濟效益與種植成本和灌溉水費之差，目標函數(shù)如下式：

式中：l為作物類型，m為作物生育階段；N1為作物種類數(shù)，N2為作物生育階段數(shù)；x為作物種植面積，km2；Ya為作物實際單產(chǎn)，kg/km2；Pc為作物單價，元/kg；C為作物生產(chǎn)所需投入除水費以外的固定費用，元/km2；I為作物生育階段內(nèi)分配到的毛灌溉水量，m3/km2；Pw為灌溉用水價格，元/m3。

作物實際產(chǎn)量Ya采用Jensen模型進行計算，其中作物實際蒸發(fā)量采用聯(lián)合國農(nóng)糧組織FAO推薦的Penman公式進行計算［21］，具體如下：

式中：N3為作物生育階段持續(xù)天數(shù)；Ym為作物充分供水條件下的最大產(chǎn)量，kg/km2；ETa為作物生育階段內(nèi)的實際蒸發(fā)蒸騰量；ETm為充分供水條件下作物蒸發(fā)蒸騰量，等于ETc，ET0為作物參考蒸騰蒸發(fā)量，mm；λ為水分敏感系數(shù)，反映作物在生育階段內(nèi)對缺水的敏感程度；Kc為作物系數(shù)，與作物種類和生育階段有關(guān)；Ks為水分脅迫系數(shù)，表示水分供應(yīng)充足情況，當(dāng)供水不充分時，作物生長消耗根區(qū)內(nèi)土壤水分，直至消耗量大于水分虧缺閾值時，水分脅迫系數(shù)將小于1，導(dǎo)致作物實際蒸騰蒸發(fā)量小于充分蒸發(fā)蒸騰量，即發(fā)生減產(chǎn)；TAW為作物根系土壤層總可利用水量，Dr為已消耗的土壤水量，mm；RAW為無水分虧缺狀態(tài)下可利用水量；θFC和θWP分別為田間持水率和凋萎點，%；p為系數(shù)，表示土壤水分可利用程度，與計算時段內(nèi)日均ETc及作物種類有關(guān)，p′l為世界農(nóng)糧組織推薦的參考值；H為根區(qū)土壤深度。

（2）約束條件。

①作物種植面積約束。充分尊重當(dāng)?shù)刈魑锓N植習(xí)慣是種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案得以落實的關(guān)鍵，作物種植面積約束如式（7）和式（8）所示：

式中：A為總灌溉耕地面積，km2；xmin為作物可種植面積下限，km2；xmax為作物可種植面積上限，km2，為使優(yōu)化結(jié)果更符合地區(qū)實際情況，將種植面積下限設(shè)置為該作物現(xiàn)狀種植面積的60%，上限設(shè)置為140%。

②土壤水分平衡約束。任意時段內(nèi)作物根區(qū)土壤水分遵循土壤水分平衡方程，同時土壤可利用水分不可大于田間持水量，且不能低于凋萎點含水量。

式中：τ為計算時段；W為時段初土壤含水量，mm；Pe為時段有效降雨量，mm；In為時段凈灌溉水量，mm；WΔH為根區(qū)土壤含水量因作物生長而發(fā)生變化的部分，mm；G為根區(qū)吸收利用地下水量，mm。

③水資源約束。時段灌溉水量和年灌溉水量不可超過時段可供水量和年可供水量。

式中：t為供水過程時間尺度；η為灌溉用水效率；Wa為時段內(nèi)水資源系統(tǒng)可用于灌溉的水量，萬m3。

2.2 供水側(cè)模型供水側(cè)模型包括多水源配置模型、湖庫調(diào)度模型兩部分。前者以不同用戶需水量和不同水源可供水量為輸入，按照一定的規(guī)則和目標實現(xiàn)多個水源在不同用戶之間的合理分配；后者把水資源系統(tǒng)缺水量（初始計算時，系統(tǒng)缺水量等于需水量），作為湖庫調(diào)度模型的附加需水量，輸入湖庫調(diào)度模型，進一步優(yōu)化水庫調(diào)度圖，實現(xiàn)配置與調(diào)度的緊密結(jié)合。

2.2.1 多水源優(yōu)化配置模型 首先對流域水資源進行分區(qū)，并將其概化為由水源、用水戶和傳輸系統(tǒng)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)圖，進而根據(jù)制定的模擬規(guī)則實現(xiàn)對水資源系統(tǒng)供-用-耗-排的全過程模擬。將水源分為水庫水、河網(wǎng)水、地下水、再生水、外調(diào)水五大類。其中，水庫水又分為聚合水庫、中型水庫和大型水庫。用水戶包括生活、農(nóng)業(yè)、工業(yè)和生態(tài)四大用戶；傳輸系統(tǒng)概化為四類，包括地表水傳輸系統(tǒng)、地下水庫之間的測滲補給與排泄系統(tǒng)、外調(diào)水傳輸系統(tǒng)以及污水再生利用傳輸系統(tǒng)。水源和用戶間的匹配關(guān)系，通過開關(guān)矩陣實現(xiàn)。聚合水庫（多個小型水庫、塘壩的聚合體）、中型水庫、地下水庫采用標準規(guī)則（Standard Operation Procedure，SOP）進行模擬［22-23］。大型水庫或湖泊，一般是流域水資源系統(tǒng)的控制性蓄水工程，是優(yōu)化調(diào)節(jié)的主要對象，本研究采用多目標離散對沖供水調(diào)度規(guī)則進行模擬［13，20］。

（1）目標函數(shù)。多水源優(yōu)化配置模型以系統(tǒng)缺水量最小為目標函數(shù)，具體可表示為：

式中：i為水源序號，j為用戶序號；α為用戶的重要性權(quán)重；D為用戶需水量，萬m3；為水源i向用戶j的供水量，萬m3；為水源i與用戶j之間的連接關(guān)系，取0或1；當(dāng)取0時，表示水源i不能向用戶j供水；以為元素的矩陣O即為開關(guān)矩陣。

（2）約束條件。

①可供水量約束。水源i供給各用戶的水量之和不能超過時段內(nèi)該水源的可供水量和供水能力：

式中：Ws為時段內(nèi)水源的可供水量，萬m3；Wsmax為水源輸水能力，萬m3。

②需水量約束。各水源向同一個用戶的供水量之和不可超過該用戶的需水量：

2.2.2 湖庫優(yōu)化調(diào)度模型 （1）湖庫多用戶離散對沖規(guī)則。根據(jù)水庫供水對象和優(yōu)先級設(shè)置若干條供水限制線將庫容分為多個分區(qū)，假如水庫供水用戶優(yōu)先級為生活→工業(yè)→生態(tài)→農(nóng)業(yè)（→表示優(yōu)先于），則需從上到下依次設(shè)置4條限制線，這4條限制線與庫容上限（正常蓄水位或汛限水位）、庫容下限（死水位）一起，把庫容分為5個區(qū)。當(dāng)水庫水位高于某一限制線時，完全滿足對應(yīng)用戶需水；當(dāng)水庫水位低于該限制線時則限制向該用戶供水［15，23］。記Si，t（i=1，2，3，4 分別表示生活、工業(yè)、生態(tài)、農(nóng)業(yè)用戶，t=1，2，…，N）為t時段內(nèi)第i個用戶的供水限制線，任意時段滿足

式中：Smin、Smax分別為水庫允許最小庫容和允許最大庫容。記水庫時段初始庫容為Vt、α1、α2、α3、α4分別為對應(yīng)不同用戶的供水限制系數(shù)，取值范圍為［0，1］，那么離散對沖供水規(guī)則如下：

①S4，t＜Vt＜Smax，每個用戶按照需水進行供水，Wlt=Dl1，t+Dl2，t+Dl3，t+Dl4，t

②S3，t＜Vt＜S4，t，限制用戶優(yōu)先級最低的農(nóng)業(yè)供水，其他用戶正常供水，Wlt=Dl1，t+Dl2，t+Dl3，t+α4Dl4，t

③S2，t＜Vt＜S3，t，限制生態(tài)與農(nóng)業(yè)供水，其他用戶正常供水，Wlt=Dl1，t+Dl2，t+α3Dl3，t+α4Dl4，t

④S1，t＜Vt＜S2，t，限制工業(yè)、生態(tài)與農(nóng)業(yè)供水，正常向生活供水，Wlt=Dl1，t+α2Dl2，t+α3Dl3，t+α4Dl4，t

⑤Smin＜Vt＜S1，t，限制所有用戶正常供水，Wlt=α1Dl1，t+α2Dl2，t+α3Dl3，t+α4Dl4，t。

需指出的是，也有研究以水庫初始庫容與時段來水之和，即Vt+qtΔt，作為限制用戶供水的判斷條件的。

（2）目標函數(shù)。以缺水量與水庫棄水量加權(quán)之和最小作為湖庫調(diào)度模型目標函數(shù)

式中：k為水庫序號；為單元i用戶j時段t的需水量，萬m3；為水庫k時段t向單元i用戶j的供水量，萬m3；Spt k為水庫k時段t的棄水量；β1與β2為權(quán)重系數(shù)，本研究中認為保證供水比棄水更重要，采用基于信息熵的AHP方法［23］獲得權(quán)重系數(shù)分別為0.75和0.25。

（3）約束條件。①水庫供水限制庫容約束。根據(jù)水庫對用戶供水的優(yōu)先級，水庫供水限制限即決策變量，滿足如下約束

②水庫水量平衡約束

式中：Vk，t、Vk，t+1、Wink,t分別為水庫k時段t初始庫容、末庫容、水庫入流或區(qū)間入流；和Wlossk，t分別為水庫棄水、蒸發(fā)滲漏損失。

2.3 模型分層求解

（1）需水側(cè)模型。模型決策變量數(shù)目多，屬于非線性復(fù)雜優(yōu)化問題，采用遺傳算法（Genetic Algo?rithm，GA）［24］進行求解。遺傳算法主要參數(shù)設(shè)置如下：種群規(guī)模N=300、交叉概率pc=0.8、變異率pm=0.02、演化代數(shù)T=2000。通過優(yōu)化可得到農(nóng)業(yè)需水過程，并與通過預(yù)測得到的生活、工業(yè)、生態(tài)用戶需水共同組成了流域需水過程。

（2）供水側(cè)模型。多水源配置模型，采用線性規(guī)劃或遺傳算法求解。湖庫調(diào)度模型采用遺傳算法和輪庫輪線迭代算法相結(jié)合的途徑進行求解，首先利用遺傳算法產(chǎn)生多組水庫初始調(diào)度圖（不同用戶供水限制線），然后針對某個水庫按優(yōu)先級從高到低的順序逐次優(yōu)化每條限制線，在優(yōu)化某條限制線時，其它限制線保持不變；所有限制線優(yōu)化完之后，再優(yōu)化下一個水庫。經(jīng)過多次迭代計算逼近最優(yōu)解，直到前后兩次計算的目標函數(shù)小于設(shè)定的閾值時停止計算。通過優(yōu)化可得到多水源供水過程和水庫調(diào)度圖。

圖2 流域水資源供需雙側(cè)模型

（3）實現(xiàn)過程。①啟動需水側(cè)模型。以現(xiàn)狀農(nóng)業(yè)供水過程為輸入，以灌溉經(jīng)濟凈效益最大為目標函數(shù)，通過優(yōu)化農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)和灌溉水量，給出農(nóng)業(yè)需水過程。②將農(nóng)業(yè)需水過程，連同其它用戶需水過程，作為供水側(cè)模型的輸入，啟動供水側(cè)模型，給出向不同用戶的可供水過程。③把②給出的可供水過程，替換原供水過程，重新啟動需水側(cè)模型。如此反復(fù)循環(huán)，直至前后兩次迭代的目標函數(shù)值之差小于設(shè)定的閾值，停止計算。統(tǒng)計分析計算結(jié)果，提出流域作物種植結(jié)構(gòu)、水資源配置方案和湖庫供水調(diào)度圖。求解框圖詳見圖2。

3 實例應(yīng)用

3.1 南四湖流域概況南四湖流域隸屬淮河流域沂沭泗水系，位于山東、江蘇、河南、安徽四省交界地區(qū)，由4個串聯(lián)湖泊組成，故稱南四湖，是我國北方最大的淡水湖，同時也是南水北調(diào)東線工程重要的調(diào)蓄場所。南四湖流域面積為3.17 萬km2，人均水資源占有量不足300 m3，屬于嚴重缺水地區(qū)。

從需水側(cè)角度來看，流域內(nèi)農(nóng)業(yè)用地面積占總面積的80%左右，農(nóng)業(yè)灌溉是流域內(nèi)最大的用水戶，農(nóng)業(yè)用水占總用水量的80%以上。隨著社會經(jīng)濟發(fā)展，流域內(nèi)水資源供需缺口逐年增大，農(nóng)業(yè)用水和其他用水之間的矛盾日益劇烈。南四湖流域?qū)贉貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，四季分明，氣候溫和，多年平均氣溫13.7 ℃，具有明顯雨熱同期的季風(fēng)性氣候特點。降水時空分布不均，湖東地區(qū)降水量大于湖西地區(qū)，汛期降水超過全年降水的70%。流域現(xiàn)狀灌溉耕地面積為11 313 km2，湖西7947.5 km2，湖東3365.5 km2，本次研究考慮的主要種植作物包括小麥、玉米、水稻、大豆、棉花，其中小麥和玉米占總面積的75.2%，水稻主要分布于湖周和南部徐州市境內(nèi)。

圖3 南四湖流域水資源系統(tǒng)概化圖

從供水側(cè)角度來看，南四湖流域水系復(fù)雜，水利工程多，由二級壩分割開來的南四湖梯級水庫（上級湖、下級湖）是流域控制性工程。上級湖正常蓄水位34.2 m，死水位33.0 m，興利調(diào)節(jié)庫容5.8億m3；下級湖正常蓄水位32.5 m，死水位31.5 m，興利調(diào)節(jié)庫容為4.6億m3。此外，湖東山丘區(qū)還建有尼山、西葦、馬河和巖馬4 座大型水庫和7 座中型水庫。供水水源包括河網(wǎng)、地表水庫、地下水庫，還有引黃水、引江水、非常規(guī)水等，包括湖西徐州、河西菏澤、湖西濟寧和湖東泰安、湖東濟寧和湖東棗莊6個計算單元，水資源系統(tǒng)概化圖見圖3。

3.2 方案設(shè)置和數(shù)據(jù)

3.2.1 方案設(shè)置 為了更好的說明模型在水資源短缺嚴重情況下的表現(xiàn)，采用1956—2010年水文長系列模擬計算，并進一步選擇平水年和枯水年情景進行統(tǒng)計分析。需水側(cè)模型以旬為時間尺度，決策變量為小麥、玉米、水稻、大豆、棉花在不同分區(qū)內(nèi)的種植面積和不同時段內(nèi)的灌溉水量；多水源配置模型以月為時間尺度，決策變量為時段內(nèi)不同水源向不同用戶的供水量；湖庫調(diào)度模型同樣以月為時間尺度，決策變量為水庫群調(diào)度規(guī)則，即南四湖上級湖和下級湖的面向不同用戶（生活、農(nóng)業(yè)、工業(yè)）的庫容限制線和供水限制系數(shù)。

3.2.2 數(shù)據(jù)來源與處理 所需數(shù)據(jù)包括流域各水源可供水量數(shù)據(jù)、大型水庫月入庫徑流數(shù)據(jù)、流域內(nèi)生活、工業(yè)和生態(tài)用戶月需水?dāng)?shù)據(jù)、水利工程供水能力數(shù)據(jù)、逐日氣象數(shù)據(jù)；作物生長特性數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、灌溉水價等。（1）水源數(shù)據(jù)。據(jù)統(tǒng)計，流域地表水75%和50%保證率可供水量分別為10.49億m3和14.58億m3，外調(diào)水75%和50%保證率可供水量分別為15.65億m3和15.74億m3（含引黃水和引江水），地下水多年平均可開采量為36.62億m3，非常規(guī)水源可供水量為8157萬m3。水庫逐月入庫徑流。（2）需水?dāng)?shù)據(jù)。生活、工業(yè)和河道外生態(tài)需水分別為7.98億m3、9.56億m3和0.79億m3，河道內(nèi)生態(tài)需水按Tennant方法、多年平均流量10%確定18條入湖河流的生態(tài)需水量為1.64億m3。模型計算時按各分區(qū)范圍輸入需水?dāng)?shù)據(jù)。（3）供水?dāng)?shù)據(jù)。現(xiàn)狀條件下蓄水、引水、取水和機電井工程供水能力分別為7.53億m3、17.12億m3、11.25億m3和38.31億m3，總供水能力為74.22億m3。（4）氣象數(shù)據(jù)。根據(jù)Penman公式，采用逐日氣象資料計算參考蒸騰蒸發(fā)量，包括日最高氣溫，最低氣溫，近地面風(fēng)速，短波輻射，比濕，氣壓，降雨等。（5）作物數(shù)據(jù)。計算作物需水量的作物系數(shù)和模擬作物產(chǎn)量的水分敏感指數(shù)參考有關(guān)文獻試驗數(shù)據(jù)成果［25-32］，作物生長期根區(qū)深度、作物最大單位產(chǎn)量和作物單價根據(jù)各地區(qū)實際情況進行統(tǒng)計，部分取值見表1。（6）其他數(shù)據(jù)。灌溉水價取0.25元/m3，土壤田間持水量和凋萎點數(shù)據(jù)根據(jù)地區(qū)土壤特性確定。

表1 作物單位成本和收益取值

3.3 結(jié)果分析討論利用流域水資源供需雙側(cè)調(diào)控模型，進行長系列（1956—2010）模擬計算。多次試驗均表明，協(xié)調(diào)3次之后，第4次協(xié)調(diào)結(jié)果與第3次協(xié)調(diào)結(jié)果（系統(tǒng)缺水量、灌溉凈效益等）相差很小，且第3 次協(xié)調(diào)結(jié)果水分效益最高，終止計算。圖4是不同協(xié)調(diào)次數(shù)多年平均效益與灌溉供水平衡關(guān)系，該圖表明隨著供需雙側(cè)協(xié)調(diào)優(yōu)化，灌溉需水逐步減少，而灌溉供水量則逐步提升增加，達到了通過供需雙側(cè)協(xié)調(diào)優(yōu)化，縮小供需缺口的目的。

圖5 是枯水年（75%）和平水年（50%）不同來水情景下，灌溉供水量及其效益與原始灌溉需水量，隨協(xié)調(diào)次數(shù)的對比關(guān)系。該圖表明，（1）當(dāng)協(xié)調(diào)次數(shù)為0，即供需雙側(cè)不協(xié)調(diào)時，灌溉效益較小（平水年21.27億元，枯水年20.74億元），但灌溉需水量很大（平水年15.70億m3，枯水年19.20億m3）；（2）隨著協(xié)調(diào)次數(shù)增加，種植結(jié)構(gòu)逐步優(yōu)化和水利工程調(diào)度規(guī)則逐步完善，灌溉效益有較大提升（優(yōu)化后平水年39.46億元，枯水年39.13億元），總水分生產(chǎn)效益持續(xù)增加，平水年和枯水年分別由0.77元/m3、0.69元/m3增加到1.40元/m3、1.39元/m3。

圖4 優(yōu)化前后灌溉效益和用水量變化

圖5 不同年型灌溉效益隨協(xié)調(diào)次數(shù)的變化

此時，南四湖上級湖和下級湖優(yōu)化調(diào)度圖如圖6所示。南四湖梯級水庫優(yōu)化調(diào)度圖，按照生活、工業(yè)、生態(tài)和農(nóng)業(yè)等四類用戶由低到高的優(yōu)先順序，把湖泊庫容分成了5個區(qū)間，可更好地指導(dǎo)水庫有序運行。模擬結(jié)果表明，流域生活、工業(yè)供水保證率穩(wěn)定在95%，生態(tài)供水保證率由53%提高到71%，農(nóng)業(yè)供水保證率由67%提高到75%，綜合供水保證率由78.1%提高到84.6%，經(jīng)濟社會效益顯著。流域不同分區(qū)優(yōu)化前后供需情況見表2，通過模型優(yōu)化需水、供水和水庫工程調(diào)度方式實現(xiàn)了有限水資源在不同分區(qū)間的合理調(diào)配，在實現(xiàn)流域綜合供水保證率由78.1%提高至84.6%的同時，不同分區(qū)綜合供水保證率更加趨于均衡，體現(xiàn)了水資源配置的公平性。

圖6 南四湖上下級湖供水調(diào)度圖

表2 優(yōu)化前后流域不同分區(qū)供需情況對比 （單位：億m3）

優(yōu)化后種植結(jié)構(gòu)結(jié)果見表3 和圖7。在枯水年情景下，僅湖東泰安小麥種植面積增加43.8 km2，流域其他分區(qū)小麥種植面積減少9.0～414.9 km2。其余作物的種植面積在大部分地區(qū)有所增加，僅湖東泰安的玉米種植面積減少42.4 km2，棉花減少0.6 km2，大豆減少0.8 km2，湖西徐州水稻種植面積減少了28.0 km2，湖西濟寧大豆種植面積減少4.7 km2。從流域整體來看，小麥種植比例減少8.22%，玉米和棉花種植比例增加較為明顯，分別為3.75%和3.66%，水稻和大豆種植比例分別增加0.35%和0.46%；平水年情景下流域種植結(jié)構(gòu)變化趨勢與枯水年結(jié)果類似，其中湖東泰安與湖東棗莊地區(qū)與枯水年情景結(jié)果一致，總體而言小麥種植比例減少7.03%，玉米、水稻、棉花和大豆種植比例分別增加2.22%、1.33%、2.65%和0.83%。此外，通過計算種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后作物生長期內(nèi)的有效降雨量表明（見表4），平水年和枯水年分別多利用了降雨0.48億m3和0.32億m3。優(yōu)化結(jié)果顯示，流域種植結(jié)構(gòu)變化幅度不大，既保證了原有的種植習(xí)慣，又能實現(xiàn)效益的提升。為了追求更高的經(jīng)濟效益和節(jié)水效益，模型趨向于將有限的水資源分配給效益更高的作物，地區(qū)間的差異，體現(xiàn)了時段可供水量的約束力，特別是隨著最嚴格水資源管理制度和節(jié)水型社會建設(shè)等政策的實施，每個月供給農(nóng)業(yè)灌溉的水量將受到越來越嚴格的約束。

通過模型優(yōu)化，將部分水土資源分配給灌溉需水量更少的玉米、棉花和大豆，充分地利用降水，確保作物發(fā)育關(guān)鍵期的需水要求，提高灌溉水利用效率，可實現(xiàn)枯水年情景下流域水分凈效益由0.69元/m3提升至1.39元/m3，平水年情景下水分凈效益由0.77元/m3提升至1.40元/m3。表明模型通過優(yōu)化水資源和耕地資源在不同作物間的分配，以及完善湖庫調(diào)度方式，既可提高農(nóng)民收入，又能保障水資源可持續(xù)利用。

表3 流域種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后對比 （單位：km2）

表4 流域種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后生育期內(nèi)有效降雨情況變化 （單位：億m3）

圖7 不同年型優(yōu)化前后種植結(jié)構(gòu)變化

4 結(jié)論

為解決現(xiàn)有水資源調(diào)控模式供需分離、配置與調(diào)度不結(jié)合，難以支撐水資源嚴格管理和集約化開發(fā)利用的問題，本文研究建立了流域水資源供需雙側(cè)調(diào)控模型，闡述了模型框架和建模步驟，并以南四湖流域為例開展了應(yīng)用研究，得到適應(yīng)流域來水條件的農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)、水資源配置方案和梯級水庫調(diào)度圖；從灌溉效益、灌溉水量和流域供水保證率等方面分析了優(yōu)化結(jié)果的合理性和有效性。

提出的流域水資源供需雙側(cè)調(diào)控模式，較水資源常規(guī)配置模式，既能體現(xiàn)有限水資源條件下的需水適應(yīng)性調(diào)整，也更能有效發(fā)揮工程對水資源的調(diào)控能力，提升經(jīng)濟效益和社會效益。南四湖流域在不改變現(xiàn)狀灌溉面積的情況下，枯水年流域水分效益提升了0.7元/m3，平水年灌溉水分效益提升了0.63元/m3，流域供水保證率由78.1%提高到84.6%，表明了所提出模型的有效性和合理性。

需指出的是，本文建立的流域水資源供需雙側(cè)調(diào)控模型是初步的，未來還需要從如下幾個方面對功能加以完善：（1）模型可分析計算水文典型年、歷史長系列情景下流域水資源供需雙側(cè)在提升水資源配置效率和效益中的表現(xiàn)，承認了水文序列一致性的假定。然而，受氣候變化和人類活動影響，水文一致性受到挑戰(zhàn)，因此進一步考慮來水隨機性、需水不確定性和水文序列非一致性對計算結(jié)果的影響，進而獲得魯棒性更強的種植結(jié)構(gòu)、水資源配置和工程調(diào)控方案，是未來需要完善的重要內(nèi)容。（2）模型在需水側(cè)重點考慮農(nóng)業(yè)需水結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題，對生活、工業(yè)和生態(tài)用戶的需水、節(jié)水彈性考慮較少，其需水過程是按照定額法等常規(guī)方法確定的。事實上，這些用水戶特別是生活和工業(yè)用水，也會隨管理政策趨緊、水價機制優(yōu)化與生產(chǎn)設(shè)備升級換代，存在一定的節(jié)水空間。因此，受管理政策變化的區(qū)域需水行為模擬是下一步需要補充完善的。