陳平安，張廣興，孫林博

(四川興景水利工程設(shè)計(jì)有限公司，四川 成都 610041)

成都市生態(tài)需水量研究

陳平安，張廣興，孫林博

(四川興景水利工程設(shè)計(jì)有限公司，四川 成都 610041)

生態(tài)需水量；變化規(guī)律；成都市

為了解成都市生態(tài)需水量變化規(guī)律，從城市生態(tài)需水量的概念出發(fā)，對(duì)生態(tài)需水量進(jìn)行分類(lèi)，總結(jié)出成都市生態(tài)需水量主要包括生態(tài)基流需水量、綠地需水量和環(huán)境衛(wèi)生需水量。以2010年為計(jì)算水平年，經(jīng)計(jì)算成都市生態(tài)需水總量達(dá)55.54億m3，其中河道內(nèi)生態(tài)需水量每月基本保持穩(wěn)定，河道外生態(tài)需水量與綠地需水量呈正相關(guān)關(guān)系；從生態(tài)需水量年內(nèi)變化趨勢(shì)來(lái)看，當(dāng)年年末至翌年年初，需水量增加較快，而區(qū)外來(lái)水、區(qū)域降水與生態(tài)需水量變化趨勢(shì)存在一定的時(shí)間差，在年初和年末水資源不能滿足生態(tài)用水需求，可能存在缺水情況。

關(guān)于生態(tài)需水量的概念，目前還沒(méi)有形成一個(gè)系統(tǒng)、科學(xué)的理論體系和統(tǒng)一的定義[1]，筆者在查閱大量文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，認(rèn)為生態(tài)需水量是在一定的生態(tài)保護(hù)、恢復(fù)或建設(shè)目標(biāo)下，在特定的時(shí)空范圍內(nèi)，生態(tài)系統(tǒng)達(dá)到或維持某種生態(tài)平衡所需要的基本水量，即生態(tài)環(huán)境健康發(fā)展所需要的合理的水量[2]。生態(tài)需水量受生態(tài)系統(tǒng)功能控制，是生態(tài)系統(tǒng)的固有屬性，一般不受外界影響，是一個(gè)相對(duì)靜止的量。以往學(xué)者們對(duì)生態(tài)需水量的研究主要集中于河流、湖泊、濕地和陸地植被等單一生態(tài)系統(tǒng)，并形成了較為完善的計(jì)算方法，然而針對(duì)城市復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)需水量的研究成果還比較少，還有許多問(wèn)題亟待解決，比如城市間自然環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件存在極大差異，致使不同城市生態(tài)需水量的研究?jī)?nèi)容不同[3]?；谏鲜鲅芯?，筆者以成都市為研究區(qū)，根據(jù)研究區(qū)域的特點(diǎn)，構(gòu)建成都市生態(tài)需水量分類(lèi)體系，通過(guò)對(duì)各種生態(tài)需水量的計(jì)算，推求研究區(qū)在計(jì)算水平年——2010年的生態(tài)需水量，并分析其年內(nèi)的變化趨勢(shì)。

1 城市生態(tài)需水量的概念和分類(lèi)

城市生態(tài)系統(tǒng)是包含自然、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)3個(gè)子系統(tǒng)的復(fù)雜系統(tǒng)，其生態(tài)需水量主要指城市生態(tài)系統(tǒng)在特定區(qū)域水熱條件下的需水量，即城市生態(tài)系統(tǒng)為維持自身一定的結(jié)構(gòu)、功能和穩(wěn)定狀態(tài)需要消耗的水量[4]。

根據(jù)城市生態(tài)需水量的概念，可以按照以下分類(lèi)方式將其分為三級(jí)：一級(jí)分類(lèi)，根據(jù)空間位置區(qū)分；二級(jí)分類(lèi)，根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)區(qū)分；三級(jí)分類(lèi)，根據(jù)生態(tài)功能區(qū)分。目前比較常用的分類(lèi)方法見(jiàn)表1。

計(jì)算成都市生態(tài)需水量時(shí)，需考慮河道內(nèi)生態(tài)需水量和河道外生態(tài)需水量。河道內(nèi)生態(tài)需水量中：考慮到成都市河道尤其是城區(qū)河道已高度渠化且研究區(qū)域?qū)儆卺航杏?，河口生態(tài)需水量不在計(jì)算范圍內(nèi)；成都市內(nèi)河流泥沙含量較少， 因此可不考慮河道沖沙需水量[5]；生態(tài)基流需水量是河流達(dá)到生態(tài)環(huán)境對(duì)水量需求的最小水量，稀釋凈化需水量是河流生態(tài)環(huán)境對(duì)水質(zhì)需求的最小水量，根據(jù)“木桶短板原理”取二者中的最大值作為需要達(dá)到生態(tài)環(huán)境健康發(fā)展的最小河道生態(tài)需水量。根據(jù)成都市污水排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，污水需達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)規(guī)定的Ⅲ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)才能排放，研究區(qū)污水處理率較高，因此河道稀釋凈化需水量不作為河道內(nèi)主要生態(tài)需水量，即認(rèn)為稀釋凈化需水量少于河道基流需水量。

表1 城市生態(tài)需水量分類(lèi)

河道外生態(tài)需水量中：由于成都市土地利用分類(lèi)時(shí)已將林草地、濕地劃入綠地，因此將水土保持生態(tài)需水量中的降水性人工造林需水量、降水性人工種草需水量和濕地生態(tài)需水量并入城市凈化生態(tài)需水量中的綠地需水量統(tǒng)一計(jì)算；由于梯田、淤地壩壩地用水已歸入農(nóng)田灌溉用水，屬于生產(chǎn)用水，故不考慮降水性淤地壩壩地需水量和降水性梯田需水量；成都市地處濕潤(rùn)氣候區(qū)，可不考慮防護(hù)林草生態(tài)需水量；近年來(lái)成都市霧霾天氣出現(xiàn)日益頻繁，為減少空氣中懸浮顆粒數(shù)量，需增加城市環(huán)境灑水量，因此要計(jì)算城市凈化生態(tài)需水量中的環(huán)境衛(wèi)生需水量；成都市地下水靠地表水補(bǔ)給，在一年中基本維持平衡，因此不考慮地下水回灌需水量[6]。基于以上分析，成都市生態(tài)需水量分類(lèi)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 成都市生態(tài)需水量分類(lèi)結(jié)果

2 河道內(nèi)生態(tài)需水量

成都市河道內(nèi)生態(tài)需水量?jī)H需計(jì)算生態(tài)基流需水量。生態(tài)基流需水量計(jì)算方法主要有水文學(xué)方法、水力學(xué)方法、最小觀察流量法、基本功能假定法和綜合法等5種[7]。成都市內(nèi)主要河流有南河、西河、錦江、毗河、蒲陽(yáng)河等。根據(jù)市內(nèi)河道受人為干擾較大、河道高度渠化的特點(diǎn)，以及獲取河道斷面要素的難易程度，決定采用最小流量觀察法中河流最小月平均實(shí)測(cè)徑流量的多年平均值作為河流的基本生態(tài)需水量[8]。經(jīng)計(jì)算，2010年成都市河道生態(tài)基流量為21.30億m3。

3 河道外生態(tài)需水量

成都市河道外生態(tài)需水量包括綠地需水量和環(huán)境衛(wèi)生需水量，其計(jì)算公式為

(1)

式中：WRO為河道外生態(tài)需水量，億m3；Wf為綠地需水量，億m3；Wm為環(huán)境衛(wèi)生需水量，億m3。

目前估算河道外生態(tài)需水量中綠地需水量的方法大致有面積定額法、水熱平衡法、水量平衡法、潛水蒸發(fā)法、生物量法、遙感判讀法等6類(lèi)，其中：面積定額法和水熱平衡法(修正彭曼公式)可以直接計(jì)算出生態(tài)需水量，屬于直接計(jì)算法[9]；水量平衡法、潛水蒸發(fā)法、遙感判讀法是通過(guò)計(jì)算其他相關(guān)要素，反過(guò)來(lái)推求生態(tài)需水量的，屬于間接計(jì)算法。

3.1 綠地需水量

采用直接計(jì)算法中的水熱平衡法(修正彭曼公式)計(jì)算綠地需水量，計(jì)算公式為

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：ET為日最大需水量，mm/d；D為每月天數(shù)，d；F為綠地面積，km2；ET0為日平均參考需水量，mm/d；Kc為綠地植物系數(shù)；Kcbmin為缺少植被情況下的最小植物系數(shù)；Kcbfull為植被全覆蓋下的最大植物系數(shù)；fceff為有效植被覆蓋度，%；h為研究區(qū)的平均植被高度，m；P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，hPa；P為研究區(qū)平均氣壓，hPa；Δ為水氣壓變化率；γ為溫度計(jì)常數(shù)，值為0.66 hPa/℃；Rn為太陽(yáng)凈輻射值，mm/d；Ea為空氣干燥力，mm/d。

3.2 環(huán)境衛(wèi)生需水量

根據(jù)《四川省用水定額(修訂稿)》的規(guī)定，城市環(huán)境衛(wèi)生用水量為2 L/(m2·d)，按照城市建成區(qū)面積進(jìn)行計(jì)算。2010年成都市城市建成區(qū)面積456 km2，環(huán)境衛(wèi)生需水量共計(jì)3.30億m3。

4 生態(tài)需水量計(jì)算結(jié)果分析

成都市生態(tài)需水量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖1、表3。由圖表知，生態(tài)基流需水量占城市生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)需水量的38.35%，綠地需水量占55.71%，環(huán)境衛(wèi)生需水量占5.94%；總的生態(tài)需水量變化趨勢(shì)與河道外生態(tài)需水量變化基本一致，而河道內(nèi)生態(tài)需水量只是起到了基礎(chǔ)性作用，與其生態(tài)基流概念一致。

分析上述結(jié)果，從生態(tài)需水量的構(gòu)成來(lái)看，生態(tài)基流需水量和綠地需水量是成都市生態(tài)需水量的重要組成部分，所占比重較大，因此在城市生態(tài)水資源調(diào)配時(shí)應(yīng)充分重視并優(yōu)先滿足二者的水量供給，二者供應(yīng)不足時(shí)河道生態(tài)系統(tǒng)將受到威脅，綠地植被正常生長(zhǎng)將受到抑制，會(huì)嚴(yán)重破壞生態(tài)系統(tǒng)平衡。從成都市河道內(nèi)和河道外生態(tài)需水量的比較可以看出：河道內(nèi)生態(tài)需水量主要與生態(tài)基流需水量有關(guān)，年內(nèi)需水量變化較為平緩；河道外生態(tài)需水量主要受綠地需水量控制，其年內(nèi)變化趨勢(shì)與綠地需水量變化趨勢(shì)接近，即每年3—5月隨著溫度升高需水量快速增加，6—8月需水量處于較高水平，9—11月氣溫下降需水量逐漸下降，12月至翌年2月需水量保持較低水平。從3—5月需水量上升和9—11月需水量下降的兩個(gè)時(shí)段可以看出：上升階段的上升趨勢(shì)明顯快于下降階段的下降趨勢(shì)，上升階段需水量要求快速達(dá)到較高水平，而此時(shí)研究區(qū)還處于枯水期，因此可能出現(xiàn)供水不足的情況，對(duì)城市生態(tài)水量供應(yīng)提出挑戰(zhàn)；而在需水量下降階段，研究區(qū)通常處于雨季末期，水量供應(yīng)相對(duì)充分，因此該時(shí)段用水應(yīng)該能滿足生態(tài)用水需求。

圖1 2010年成都市生態(tài)需水量統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表3 2010年成都市生態(tài)需水量統(tǒng)計(jì) 億m3

通過(guò)分析可以看出，成都市生態(tài)需水量與水資源配置情況存在一定的時(shí)間差，在每年初春或年末可能存在缺水情況。

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(責(zé)任編輯 李楊楊)

S157

A

1000-0941(2017)04-0041-03

陳平安(1982—)，男，河南沈丘縣人，工程師，碩士，從事水土保持方面的研究工作。

2017-01-23