臨港區(qū)域的生態(tài)環(huán)境需水量研究

宋向群，于海洋，王文淵，張 祺

（大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部，遼寧 大連 116024）

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臨港區(qū)域的生態(tài)環(huán)境需水量研究

宋向群，于海洋，王文淵，張 祺

（大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部，遼寧 大連 116024）

摘要：港口建設(shè)改變了區(qū)域的生態(tài)環(huán)境要素，為研究其對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境需水的影響，本文以大連市長(zhǎng)興島為例，基于RS、GIS技術(shù)和生態(tài)學(xué)方法對(duì)臨港區(qū)域進(jìn)行景觀生態(tài)分類，構(gòu)建臨港區(qū)域植被需水、濕地需水和城市需水的計(jì)算模型，并對(duì)臨港區(qū)域各類生態(tài)環(huán)境需水量進(jìn)行對(duì)比，分析臨港區(qū)域開發(fā)建設(shè)前后的生態(tài)環(huán)境需水量增加程度，從生態(tài)環(huán)境需水量的視角，為港口建設(shè)提供決策依據(jù)。

關(guān)鍵詞：臨港；生態(tài)環(huán)境需水量；RS；GIS；景觀生態(tài)

引 言

臨港區(qū)域是人類社會(huì)活動(dòng)最為活躍的區(qū)域，由于開發(fā)強(qiáng)度的不斷加大，臨港區(qū)域的生態(tài)問題日漸突出。臨港產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，使其用水量不斷增加，占用部分生態(tài)用水，臨港區(qū)域生態(tài)環(huán)境需水矛盾突出。

近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)各類情景下的生態(tài)環(huán)境需水進(jìn)行了較多研究[1~5]，并給出需水量估算方法。但已有研究或集中在草地、林地、河流等自然區(qū)域，或是對(duì)城市需水進(jìn)行預(yù)測(cè)，尚無(wú)整個(gè)臨港區(qū)域的生態(tài)環(huán)境需水研究。本研究以長(zhǎng)興島臨港區(qū)域?yàn)槔瑢⒀芯繀^(qū)域內(nèi)的土地按生態(tài)屬性不同進(jìn)行景觀生態(tài)分類，對(duì)各分類的生態(tài)環(huán)境需水情況進(jìn)行歸納分析，建立相應(yīng)的需水模型，對(duì)整個(gè)臨港區(qū)域空間內(nèi)的生態(tài)環(huán)境需水進(jìn)行估算。

1 臨港區(qū)域生態(tài)環(huán)境需水計(jì)算模型

臨港區(qū)域生態(tài)環(huán)境需水包括植被需水、濕地需水和城市需水。植被需水為林地、草地中植被蒸散產(chǎn)生的需水。濕地需水主要為濕地土壤需水、濕地蒸發(fā)需水、濕地生物生境地需水3類。臨港區(qū)域的發(fā)展產(chǎn)生城市需水，包括城市生活需水、臨港產(chǎn)業(yè)需水2類。

1.1 臨港區(qū)域植被需水

臨港區(qū)域內(nèi)植被需水的計(jì)算采用基于Penman-Monteith公式的改進(jìn)方法，其影響因素包括研究區(qū)域的氣候條件、土壤情況及生長(zhǎng)植物本身的屬性[4,6]，其方法如下：

式中：ET0為潛在蒸散量，主要由氣候條件決定；Ks為指土壤水分修正系數(shù)，與土壤類型及含水量有關(guān)；Kc為植被修正系數(shù)，與植被種類及生長(zhǎng)狀態(tài)有關(guān)。

對(duì)于植被潛在蒸散量ET0的計(jì)算，采用聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織FAQ推薦的標(biāo)準(zhǔn)估算方法，其原理基于能量平衡和空氣動(dòng)力學(xué)方程，適于估算較長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)（以年為單位）植被覆蓋區(qū)的潛在蒸散量[2]，計(jì)算公式如下：

植被生長(zhǎng)阻滯土壤含水量Sr和暫時(shí)凋萎土壤含水量St是維持正常生長(zhǎng)狀態(tài)和基本生存狀態(tài)的最低土壤含水量，其對(duì)應(yīng)的水分消耗量分別可作為植被的適宜生態(tài)需水量和最小生態(tài)需水量，根據(jù)Jensen公式[7]，可確定土壤水分修正系數(shù)：

式中：S為土壤實(shí)際含水量；Sw為土壤凋萎含水量；*S為土壤臨界含水量。

采用Saxton等的方法[1]，可以求出研究區(qū)域一年內(nèi)各月相關(guān)土壤參數(shù)*S、Sw、Sr、St。當(dāng)S為Sr、 S時(shí)，可獲得植被適宜生態(tài)需水量、最小生態(tài)需水量的Ks值。

植被修正系數(shù)Kc采用FAQ推薦的天然植被在非完全覆蓋條件下的計(jì)算方法。植被生長(zhǎng)初期采用植物系數(shù)、土壤濕潤(rùn)頻率與日平均ET0的關(guān)系圖，植被生長(zhǎng)中后期采用公式（4）進(jìn)行計(jì)算，各參數(shù)計(jì)算步驟均參考FAQ給出的方法：

1.2 臨港區(qū)域濕地需水

臨港區(qū)域的濕地主要包括灘涂、小型水庫(kù)、少部分水田和季節(jié)性河流等。濕地生態(tài)需水主要用以維持自身生態(tài)過程，提供臨港周邊生態(tài)多樣性的必需用水，主要表現(xiàn)為濕地土壤需水、濕地蒸發(fā)需水、濕地生物生境地需水。

考慮到臨港區(qū)域濕地生態(tài)系統(tǒng)的生境特征和生態(tài)平衡由海水侵入和淡水輸入共同作用，研究該區(qū)域的濕地生態(tài)環(huán)境需水應(yīng)當(dāng)充分考慮海水侵入程度的影響[8]。本研究在常規(guī)濕地需水的基礎(chǔ)上，引入海水侵入系數(shù)確定臨港區(qū)域濕地生態(tài)環(huán)境需水量，其取值為研究區(qū)域濕地水中鹽度ηs與周邊海域鹽度ηh的比值。

濕地土壤需水量主要由其土壤含水量反映，按照臨港區(qū)域濕地的生態(tài)需水特征，暫不考慮滲漏需水，結(jié)合已有研究[9]，采用以下公式對(duì)濕地土壤需水量進(jìn)行計(jì)算：

式中：Wst為臨港濕地土壤需水量；為飽和持水量百分比，根據(jù)研究區(qū)域內(nèi)的濕地土壤類型而定；Hst為土壤厚度；Ast為濕地土壤面積；為濕地海水侵入系數(shù)。

濕地蒸發(fā)需水量主要考慮研究區(qū)域內(nèi)濕地的水面蒸發(fā)情況，臨港區(qū)域的濕地蒸發(fā)需水量可根據(jù)下式計(jì)算：

式中：Wsz為蒸發(fā)引起的生態(tài)需水量；Asz為研究區(qū)域濕地蒸發(fā)面積；Esz為相應(yīng)的水面蒸發(fā)能力。

濕地生物生境地需水即濕地內(nèi)動(dòng)植物正常生存所需要的基本水量，以區(qū)域正常年份主要物種繁衍棲息所需生態(tài)水位確定生物生境地需水量[10]，方法見公式（7）：

式中：Wsj為濕地生境地需水；As為計(jì)算濕地面積；B為水面面積百分比；Hsj為相應(yīng)生態(tài)水位。

1.3 臨港區(qū)域城市需水

臨港區(qū)域開發(fā)建設(shè)后，伴隨人口的遷入、企業(yè)數(shù)量的增加，必然引起臨港區(qū)域城市需水的增加，主要來自城市生活需水和臨港產(chǎn)業(yè)需水兩方面。

臨港城市生活需水包含居民生活用水和公共建筑用水。居民生活用水主要受人口總數(shù)量、人均日用水量及氣候條件等因素影響；公共建筑用水主要受城市建設(shè)規(guī)模、城市發(fā)展水平、公共服務(wù)設(shè)施狀況等因素影響。城市生活需水量可采用人均綜合用水定額法計(jì)算：

式中：1P、2P為研究區(qū)域相應(yīng)時(shí)間段內(nèi)常住人口、外來人口數(shù)量；Klc為人均綜合用水定額。

臨港產(chǎn)業(yè)需水與臨港區(qū)域的GDP、工業(yè)增加值、建設(shè)用地面積等諸多因素有關(guān)，可采用萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量指標(biāo)法和單位工業(yè)用地用水量指標(biāo)法等方法估算臨港產(chǎn)業(yè)需水量，由于研究本區(qū)域產(chǎn)業(yè)發(fā)展尚不夠成熟，本文采用單位工業(yè)用地用水量指標(biāo)法估算臨港產(chǎn)業(yè)需水，需要分析確定區(qū)域產(chǎn)業(yè)構(gòu)成、用水量指標(biāo)、產(chǎn)業(yè)用地面積3個(gè)需水影響因素。

2 長(zhǎng)興島地區(qū)生態(tài)環(huán)境需水量

長(zhǎng)興島臨港工業(yè)區(qū)及受其影響的周邊部分地區(qū)，位于遼東半島西側(cè)中部，遼東灣東岸，本文研究區(qū)域面積為693 km2，主要為低山丘陵式的海島地形，年平均氣溫10.5 ℃，極端氣溫最高37.8 ℃，最低-19.13 ℃，年降水量550~950 mm。區(qū)域內(nèi)主要林木為刺槐、楊、油松等，同時(shí)區(qū)域內(nèi)有大量濕地分布。2013年末，研究區(qū)域內(nèi)常駐人口約6.0萬(wàn)，外來人口約6.2萬(wàn)，主要工業(yè)部門為石油化工、裝備制造、船舶海工和港口物流等。

2.1 長(zhǎng)興島地區(qū)景觀生態(tài)分類

本研究采用2013年8月Landsat TM遙感影像，分辨率為30 m×30 m。臨港區(qū)域的用地類型復(fù)雜，景觀生態(tài)類型繁多，考慮到本研究的實(shí)際需求，將研究區(qū)域劃分為林地、草地、濕地、建設(shè)用地共4個(gè)類型，利用RS技術(shù)和GIS技術(shù)完成研究區(qū)域的景觀生態(tài)分類（圖1、表1）。

圖1 研究區(qū)域景觀生態(tài)分類結(jié)果

表1 各類景觀生態(tài)分類用地面積及百分比

2.2 長(zhǎng)興島地區(qū)植被需水

按公式（1）～（4），根據(jù)已有生態(tài)需水研究和對(duì)研究區(qū)域內(nèi)林地、草地的植被種類、生長(zhǎng)狀況、土壤類型及含水量進(jìn)行的調(diào)研，并參考遼寧省多年氣候、土壤墑情監(jiān)測(cè)報(bào)告，研究區(qū)域內(nèi)各植被類型的實(shí)際面積、植物修正系數(shù)平均值、土壤水分修正系數(shù)平均值、相應(yīng)的生態(tài)需水定額和生態(tài)需水量研究結(jié)果見表2。

表2 植被生態(tài)需水量

2.3 長(zhǎng)興島地區(qū)濕地需水

長(zhǎng)興島地區(qū)濕地范圍內(nèi)的土壤類型為沼澤鹽土、濱海鹽土及少部分草甸鹽土。由于沼澤土所占比例較大且土壤含水量較大，根據(jù)研究區(qū)域的濕地土壤含水特征、土層厚度、持水狀況，可獲得臨港區(qū)域的濕地土壤需水量見表3；對(duì)海水侵入系數(shù)取長(zhǎng)興島地區(qū)6處濕地觀測(cè)點(diǎn)鹽度平均值2.35 %，取長(zhǎng)興島附近遼東灣海域冬夏平均表層鹽度3.19 %[11]。

表3 濕地土壤需水量

對(duì)于濕地蒸發(fā)需水量，根據(jù)已有文獻(xiàn)，研究區(qū)域多年水面蒸發(fā)量為700～1 000 mm，由蒸發(fā)引起的最小生態(tài)需水、適宜生態(tài)需水等級(jí)系數(shù)分別為0.94、1.00[12]。

表4 濕地蒸發(fā)需水量

研究區(qū)域主要植物為浮游植物、藻類、菖蒲、蘆葦?shù)?，?dòng)物主要為灘涂養(yǎng)殖的蝦類、魚類、貝類及部分野生動(dòng)物等，對(duì)于以上動(dòng)植物，其濕地生境地的最小生態(tài)水位為0.3～1.0 m，適宜生態(tài)水位為1.0～2.5 m。

表5 濕地生物生境地需水量

2.4 長(zhǎng)興島地區(qū)城市需水

對(duì)于本文研究區(qū)域的城市生活需水，根據(jù)長(zhǎng)興島臨港工業(yè)區(qū)2013年末的人口統(tǒng)計(jì)情況，研究時(shí)間段內(nèi)常住人口6.0萬(wàn)人，外來人口6.2萬(wàn)人?？紤]研究區(qū)域內(nèi)企業(yè)眾多，外來人口比重較大，人均綜合用水額定按300 L/(人·d) 取值。經(jīng)核算，長(zhǎng)興島臨港區(qū)域城市生活需水13.4×106m3。

臨港產(chǎn)業(yè)需水占用臨港區(qū)域建設(shè)開發(fā)后新增需水的主要部分，根據(jù)《大連長(zhǎng)興島臨港工業(yè)區(qū)總體規(guī)劃（2010-2030）》和《大連長(zhǎng)興島石油化工園區(qū)發(fā)展規(guī)劃》，研究區(qū)域石化產(chǎn)業(yè)用地為54.2 km2，其他產(chǎn)業(yè)用地為47.9 km2，忽略周邊村鎮(zhèn)其他建設(shè)用地需水。參照大連市其他區(qū)域及上海、天津等工業(yè)用地用水量數(shù)據(jù)，用水量指標(biāo)及臨港工業(yè)園區(qū)完全建成后需水量估算結(jié)果見表6。

表6 研究區(qū)域臨港產(chǎn)業(yè)需水量

3 結(jié) 論

根據(jù)上述研究，可獲得長(zhǎng)興島港區(qū)域各類生態(tài)環(huán)境需水，其中植被適宜生態(tài)需水為146.0×106m3，濕地適宜生態(tài)需水為185.0×106m3，臨港區(qū)域完成開發(fā)建設(shè)后，城市需水為285.2×106m3，以適宜生態(tài)需水量計(jì)，長(zhǎng)興島臨港區(qū)域生態(tài)環(huán)境總需水量為616.2×106m3。

表7 各類生態(tài)環(huán)境需水量及需水強(qiáng)度

由表7可見，臨港區(qū)域開發(fā)建設(shè)會(huì)導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境需水量的急劇增加，需水強(qiáng)度有顯著增強(qiáng)。長(zhǎng)興島臨港區(qū)域開發(fā)前，原有生態(tài)環(huán)境需水量為118.4×106m3；開發(fā)后，由于建設(shè)用地增加，臨港產(chǎn)業(yè)發(fā)展引起的需水增加量為166.8×106m3，較原有生態(tài)環(huán)境需水量增加141 %，對(duì)所開發(fā)區(qū)域的水資源承載能力提出較大的考驗(yàn)。故在臨港區(qū)域規(guī)劃建設(shè)中，應(yīng)綜合考慮建設(shè)規(guī)模，合理控制生態(tài)環(huán)境需水量的變化程度，避免嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境需水矛盾。

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Research on Water Requirement for Port-neighboring Ecological environment

Song Xiangqun，Yu Haiyang，Wang Wenyuan，Zhang Qi
(The Faculty of Infrastructure Engineering, Dalian University of Technology, Dalian Liaoning 116024, China)

Abstract:Port construction changes the factors of ecological environment within a region. In order to research its influence on water requirement for regional ecological environment, based on Dalian Changxing island, the port-neighboring area has been classified from the aspect of landscape ecology by using RS, GIS techniques and ecological method. And the calculation models have been built to meet the water requirements for vegetation, wetland and urban area. The above different water requirements are compared to analyze the increment of water demand due to the exploitation of port-neighboring area. The above analysis will serve as a port construction decision basis from the aspect of water requirement for ecological environment.

Key words：port-neighboring; water demand for ecological environment; RS; GIS; landscape ecology

作者簡(jiǎn)介：宋向群（1959-），女，教授，主要從事港口規(guī)劃研究。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（51279026）生態(tài)型港口時(shí)空演化機(jī)理與開發(fā)模式研究。

收稿日期：2015-03-18

DOI:10.16403/j.cnki.ggjs20160115

中圖分類號(hào)：U652.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-9592（2016）01-0063-04