城市高耗水現(xiàn)象及其機(jī)理分析

劉家宏，周晉軍，邵薇薇

(1.中國水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038; 2.水利部水資源與水生態(tài)工程技術(shù)研究中心，北京 100038; 3.清華大學(xué)水利水電工程系，北京 100084)

隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，城市面積增大，人口增多，用水量也持續(xù)增加[1-2]。城市耗水一般包括城市面積的蒸散發(fā)、入滲補(bǔ)給[3]、工業(yè)耗水[4]和產(chǎn)品輸出所包含水量等，是城市水文循環(huán)的重要環(huán)節(jié)。城市耗水量的大小決定了城市區(qū)域水循環(huán)通量的大小，同時(shí)直接影響城市供需水的規(guī)劃管理，其研究緊迫而重要。

由于城市下墊面的復(fù)雜性和強(qiáng)人類活動(dòng)干擾，城市的水循環(huán)過程相比流域自然水循環(huán)要復(fù)雜[5]。城市耗水是指發(fā)生在城市區(qū)域的各種形式的水的耗散，是重要的城市水循環(huán)過程[6]，既包括植被蒸騰蒸發(fā)，也包括城市建筑物內(nèi)部人類用水產(chǎn)生的水分耗散。城市耗水量的大小對(duì)空氣濕度影響較大。承德市監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，過去50年的城市化過程中，市區(qū)空氣濕度明顯增加[7]。蒸散發(fā)是典型的自然側(cè)耗水形式，城市區(qū)域地表蒸散發(fā)量通常基于能量平衡方程，通過遙感反演土地利用進(jìn)行計(jì)算[8-9]。城市化過程對(duì)城市區(qū)域的蒸散發(fā)也存在影響，其中人為熱源釋放對(duì)城市蒸散發(fā)影響較大[10]。另一方面，城市生活用水量的比例增大。2014年中國城市統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)表明，全國城市生活用水量占城市用水總量的1/3以上。隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，生活用水量比例增大，由此產(chǎn)生的耗水量也增大，水文效應(yīng)持續(xù)增強(qiáng)[11]。有學(xué)者研究了居民生活用水效率[12]、生活用水指標(biāo)[13]等方面內(nèi)容。除了居民生活用水，城市建筑物內(nèi)部用水也包括生產(chǎn)、室內(nèi)種植等其他用水，這些建筑物內(nèi)部用水同樣會(huì)產(chǎn)生水汽耗散，這部分耗水也是城市耗水的組成部分。在城市蒸散發(fā)計(jì)算方面，郭偉等[14]以佳木斯為例，將城市下墊面劃分為水面、不透水面和透水面進(jìn)行蒸發(fā)計(jì)算。Ramamurthy等[15]研究城市不透水地面的貢獻(xiàn)率。在城市耗水方面，Qin等[16]采用用水定額、耗水系數(shù)和水量平衡法計(jì)算城市耗水量，周晉軍等[6]建立了基于不同耗水特征的分布式城市耗水計(jì)算模型。由于城市下墊面的高度異質(zhì)性和人類活動(dòng)的干擾，城市區(qū)域的耗水過程呈現(xiàn)多樣性，耗水機(jī)理較為復(fù)雜。城市耗水作為城市水文循環(huán)的重要過程，耗水機(jī)理解析和耗水量計(jì)算，對(duì)城市水循環(huán)機(jī)理和水循環(huán)通量研究具有重要意義，因此，解析城市耗水機(jī)理，建立具有物理機(jī)制的城市耗水計(jì)算模型，既是城市水文研究的難點(diǎn)，也是的熱點(diǎn)。

1 城市高耗水現(xiàn)象

為描述城市高耗水現(xiàn)象，選取典型工廠、建筑物和小區(qū)3種不同尺度的城市典型下墊面開展用耗水及水循環(huán)研究，采用水平衡分析、實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)、水量平衡等方法解析典型城市耗水單元的耗水類型，為探究城市耗水機(jī)理做基礎(chǔ)。

1.1 典型工廠的水平衡測(cè)試數(shù)據(jù)分析

選取藍(lán)星石化有限公司天津石油化工廠作為水平衡分析對(duì)象，通過解析其“供-用-耗-排-循環(huán)再生-回用”過程，對(duì)其各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的耗水量進(jìn)行分析計(jì)算，從物理、化學(xué)機(jī)制上分析其水分的運(yùn)移轉(zhuǎn)化規(guī)律，查清高耗水的原因和水分的去向。重點(diǎn)分析其產(chǎn)品耗水、廠區(qū)辦公/生活耗水、廠區(qū)綠化耗水等，計(jì)算工廠耗水總量。對(duì)產(chǎn)品攜帶走的“自由態(tài)”水、“結(jié)晶態(tài)”水和“化合態(tài)”水進(jìn)行甄別計(jì)算，揭示工廠區(qū)超高強(qiáng)度耗水的內(nèi)在成因。分析結(jié)果顯示：藍(lán)星石化的新水取用量是3 843.55 m3/d，耗水量是2 242.84 m3/d，排水量1 600.77 m3/d。折合成年新水取用量為140.3萬m3/a，耗水量81.9萬 m3/a，排水量58.4萬 m3/a。按照工廠占地面積78.33 萬m2計(jì)算，藍(lán)星石化的人工取用水耗水強(qiáng)度為1 046 mm，疊加上降水造成的蒸發(fā)耗水量，藍(lán)星石化的單位面積的耗水量要遠(yuǎn)大于當(dāng)?shù)氐慕邓浚撬Y源的凈消耗區(qū)[17]。

1.2 典型城市建筑物耗水監(jiān)測(cè)研究

選取辦公樓和住宅公寓作為典型城市建筑物進(jìn)行耗水監(jiān)測(cè)研究，表1給出了典型建筑物基本信息。通過用水量、排水量的監(jiān)測(cè)，結(jié)合各用水活動(dòng)水量耗散的實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)，解析典型住宅樓和辦公樓的耗水過程，計(jì)算耗水量。建筑物用水量通過安裝在自來水供水管的水表計(jì)量，排水量通過中國水利水電科學(xué)研究院自主研發(fā)的間歇量水設(shè)備(專利號(hào)碼：CN104614030A)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。需要說明的是，所選兩個(gè)建筑物的供水水源均為自來水。建筑物排水監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝在建筑物內(nèi)部排水管末端，忽略建筑物內(nèi)部供水量檢測(cè)與排水監(jiān)測(cè)中的管道滲漏損失，認(rèn)為用水量減去排水量等于建筑物內(nèi)部耗水量。

表1 典型城市建筑物基本信息

圖1 辦公樓排水系數(shù)測(cè)定

圖1為典型辦公樓用水-排水過程曲線。從圖1可以看出，在單位小時(shí)時(shí)間尺度上，用水量在0.05～0.94 m3之間波動(dòng)，但是排水量始終低于用水量，并且排水系數(shù)(排水量與用水量之比)在0.76～0.95間波動(dòng)。根據(jù)前面的實(shí)驗(yàn)條件，可以得出建筑物對(duì)應(yīng)的耗水系數(shù)變化區(qū)間為0.05～0.24，說明建筑物內(nèi)部耗水現(xiàn)象存在，并且具有相對(duì)穩(wěn)定的變化特征。

分別對(duì)典型建筑物進(jìn)行2個(gè)月的供水和排水監(jiān)測(cè)，計(jì)算得出辦公建筑物的平均排水系數(shù)為0.89，住宅樓的平均排水系數(shù)為0.83。測(cè)量得到實(shí)驗(yàn)期內(nèi)典型辦公樓和住宅樓的日平均用水量分別是5.5 m3和10.6 m3。結(jié)合表1信息，知實(shí)驗(yàn)建筑物單位建筑面積年耗水強(qiáng)度為辦公樓37 mm，住宅樓 183 mm，由于典型建筑物樓層均為3層，因此對(duì)應(yīng)的單位地面面積的耗水強(qiáng)度分別是111 mm和549 mm。由此說明城市辦公樓和住宅樓屬于高耗水下墊面，建筑物耗水量與建筑物樓層成正比。

1.3 典型小區(qū)水循環(huán)觀測(cè)試驗(yàn)

選取典型小區(qū)作為區(qū)域典型代表，以2014年數(shù)據(jù)為例進(jìn)行區(qū)域耗水現(xiàn)象分析。耗水計(jì)算方法選用水量平衡方程進(jìn)行：

WD=WS+P-D-WSUR-ΔWG

(1)

式中：WD為區(qū)域年耗水總量，m3；WS為年供水總量，m3；P為年降雨總量，m3；D為區(qū)域年排水總量，m3；WSUR是地表徑流總量，m3；ΔWG是地下水變化量，m3。

所選區(qū)域面積是3.5 km2，居民60 000人，區(qū)域內(nèi)綠化率55%，氣象站區(qū)域內(nèi)測(cè)得2014年降水量為442 mm。區(qū)域具有相對(duì)獨(dú)立的供排水系統(tǒng)，由于地勢(shì)較高，周邊地區(qū)的降雨徑流不會(huì)流入該小區(qū)，因此地表徑流量數(shù)據(jù)與區(qū)域面積相對(duì)應(yīng)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示該區(qū)域2014年總供水量是432萬m3，總降雨量是155萬m3，區(qū)域的污水排放量是254萬m3，地表徑流總量是55萬m3，地下水變化量近似認(rèn)為是0，由此計(jì)算得出區(qū)域2014年單位面積耗水量是794 mm，高于遙感反演得到的蒸散發(fā)520 mm，說明區(qū)域耗水強(qiáng)度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)蒸散發(fā)計(jì)算結(jié)果。

周琳[18]以北京市為例，將北京市劃分為山區(qū)和平原，其中平原又分為城區(qū)和郊區(qū)，利用水量平衡原理研究北京市城市蒸散發(fā)，結(jié)果表明，城市不同分區(qū)的同期蒸散發(fā)量差異很大，2002—2013年計(jì)算結(jié)果顯示城區(qū)平均蒸散發(fā)量最大，599 mm，山區(qū)最小，479 mm。城區(qū)蒸發(fā)量大的主要原因是區(qū)域內(nèi)高密度的建筑和人類活動(dòng)。

2 城市高耗水機(jī)理分析

典型城市單元耗水現(xiàn)象研究表明，城市的耗水發(fā)生在城市的各個(gè)用水部位，除了城市綠地、水面等自然側(cè)蒸散發(fā)，還包括人類用水所產(chǎn)生的社會(huì)側(cè)蒸散發(fā)，特別是建筑體內(nèi)部人類活動(dòng)產(chǎn)生的水量耗散，而這部分耗水量在以往城市蒸散發(fā)研究中是被忽略的，因此將城市的耗水劃分為建筑體內(nèi)部耗水和建筑體外部耗水(即露天耗水，包括硬化地面的耗水和綠地、水面等自然側(cè)的下墊面蒸散發(fā))。

2.1 建筑物內(nèi)部耗水

建筑物內(nèi)部的耗水主要是水由液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)形式，然后隨著空氣流通，經(jīng)由建筑體的窗戶、門等部位(類似于植被葉片的氣孔)進(jìn)入室外的空氣中，參與水循環(huán)過程。根據(jù)建筑物分類標(biāo)準(zhǔn)，可以將建筑物分為生產(chǎn)性建筑物和非生產(chǎn)性建筑物。生產(chǎn)性建筑物包括工業(yè)建筑物和農(nóng)業(yè)建筑物。這些建筑物在城市建成區(qū)內(nèi)分布較少，大多分布在城郊，因此在本研究中不考慮生產(chǎn)性建筑物。非生產(chǎn)性建筑物也稱為民用建筑，相比生產(chǎn)性建筑物，民用建筑廣泛分布在城市建成區(qū)域內(nèi)，其耗水是有限的。不同功能的建筑物包含的耗水項(xiàng)不同，耗水特征也不同。相同功能的建筑物耗水量與人數(shù)、建筑面積相關(guān)。本文將城市民用建筑劃分為2級(jí)7種建筑大類，并與耗水類型建立關(guān)聯(lián)關(guān)系，構(gòu)建建筑物內(nèi)部耗水模型框架(圖2)。

圖2 建筑物內(nèi)部耗水結(jié)構(gòu)

基于仿生學(xué)原理，建筑物可以類比為城市的“建筑樹”組成的“混凝土森林”[2]，每一個(gè)建筑物相當(dāng)于“森林”中的一棵“樹”，通過類似于樹木的葉片氣孔的門、窗、通風(fēng)口等部位將建筑物的水汽釋放到空氣中，參與城市區(qū)域的大氣水循環(huán)。由于城市建筑物多數(shù)為多層建筑，建筑物的耗水在垂直空間上也呈均勻分層特征，對(duì)于上下均勻的多層建筑物，可以認(rèn)為不同樓層的耗水特征相同，建筑物投影面積的耗水強(qiáng)度與樓層數(shù)成正比。

2.2 城市露天耗水

城市露天耗水可以根據(jù)二元水循環(huán)原理劃分為自然側(cè)耗水和社會(huì)側(cè)耗水。自然側(cè)耗水主要指綠地、土壤、植被、水面等自然形式的下墊面的蒸騰蒸發(fā)量以及入滲補(bǔ)給；社會(huì)側(cè)耗水主要指人工澆灌植被、綠地的耗水，市政道路灑水，硬化地面截留雨水蒸發(fā)的耗水等?；诤乃卣骺梢詫⒊鞘邢聣|面劃分為建筑物屋頂、不透水硬化地面、透水硬化地面、綠地、水面、裸土5類。

建筑物屋頂、不透水硬化地面的耗水形式主要是截留雨水蒸發(fā)，其中部分城市道路的耗水來源還有市政灑水，這部分水量也全部蒸發(fā)到空氣中。由于建筑屋頂和不透水硬化地面的止水能力有限，同時(shí)與下層結(jié)構(gòu)水分隔絕，因此蒸發(fā)呈現(xiàn)間歇性，在有降雨或者灑水發(fā)生時(shí)表面截留水量會(huì)有蒸發(fā)現(xiàn)象發(fā)生[15]。對(duì)于城市道路，汽車車輪“霧化效應(yīng)”增強(qiáng)了蒸發(fā)的動(dòng)力項(xiàng)，提高了蒸發(fā)效率。

透水硬化地面主要包括部分鋪磚人行道和海綿城市建設(shè)中推行的透水鋪裝(透水磚、透水混凝土)[19]。與不透水地面相比，透水鋪裝增加了滲透的耗水方式，耗水量由蒸發(fā)和下滲共同組成。對(duì)于一場降雨，降雨量減去產(chǎn)流量即為耗水量。對(duì)于一次降雨，忽略期間的蒸發(fā)量。在月尺度、年尺度或者更長時(shí)間序列中，耗水量由蒸發(fā)量和深層滲漏水量組成。

綠地、水面和裸土的蒸散發(fā)過程，認(rèn)為與自然狀態(tài)的過程基本一致，也稱之為城市自然側(cè)耗水。不同的是，城市區(qū)域的綠地耗水在水源上增加了人工灌溉的水量來源，在一定程度降低了水量限制。同時(shí)由于城市人為熱源的釋放以及城市熱島效應(yīng)的影響[12]，城市自然側(cè)的蒸散發(fā)的能量約束力減弱，一定程度上了增加了蒸散發(fā)的動(dòng)力項(xiàng)。

3 城市耗水計(jì)算模型

圖3 城市建成區(qū)耗水計(jì)算方法

基于城市水循環(huán)的“供水-用水-耗水-排水-循環(huán)再生-回用”過程，耗水量及耗水機(jī)理是較為核心的內(nèi)容。筆者以耗水量的計(jì)算作為切入點(diǎn)，建立不同類型城市斑塊耗水計(jì)算的理論范式，采用“自上而下”和“自下而上”兩種思路進(jìn)行耗水量計(jì)算(圖3)，并在過程中搜集、計(jì)算其他水循環(huán)過程數(shù)據(jù)，系統(tǒng)解析了典型城市單元水循環(huán)的結(jié)構(gòu)和路徑，最終完成了城市耗水計(jì)算理論框架的構(gòu)建。 “自上而下”，即將耗水量作為輸出水量的未知項(xiàng)，再分別計(jì)算區(qū)域水量的總輸入和輸出，通過水量平衡關(guān)系計(jì)算耗水量；“自下而上”，即將耗水量按下墊面類型進(jìn)行分類計(jì)算，如計(jì)算水面蒸發(fā)、綠地蒸散發(fā)、硬化地面蒸發(fā)、建筑耗水等，最后通過不同面積上的耗水積分得到總的耗水量。

該耗水計(jì)算方法是適用于城市不同類型斑塊上的“雙源”(天然降水和人工供水)耗水定量計(jì)算模型。模型以模擬城市耗水過程為基礎(chǔ)，進(jìn)行城市耗水單元的劃分，模型突出耗水發(fā)生的界面和產(chǎn)生的物理機(jī)制，主要包括硬化地面及建筑物截留蒸發(fā)模塊、馬路灑水蒸發(fā)模塊、各建筑體(住宅、辦公、商場、工廠等)內(nèi)用水的蒸發(fā)耗散計(jì)算模塊、城市綠地蒸發(fā)/蒸騰計(jì)算模塊、城市水面蒸發(fā)計(jì)算模塊等。

基于上述城市耗水機(jī)理和耗水計(jì)算方法，對(duì)模型進(jìn)行概化，基于“自下而上”思路，建立城市區(qū)域耗水計(jì)算模型：

WD=0.365PNPDI+(AHEH+AGEG+AWEW+ASES)/1000

(2)

式中：PN為區(qū)域內(nèi)常住人口量，人；PDI為人均日耗水量，L/d；AH為區(qū)域硬化地面面積，m2；EH為硬化地面年蒸散發(fā)強(qiáng)度，mm；AG為區(qū)域綠地面積，m2；EG為綠地年蒸散發(fā)強(qiáng)度，mm；AW為區(qū)域水面面積，m2；EW為水面年蒸散發(fā)強(qiáng)度，mm；AS為區(qū)域裸土地面面積，m2；ES為裸土地面年蒸散發(fā)強(qiáng)度，mm。

同樣地，基于北京市的土地利用類型建立覆蓋北京市城區(qū)和郊區(qū)的耗水計(jì)算模型，根據(jù)2014年TM影像，30 m分辨率(云覆蓋較多的用2013年補(bǔ)充，其余選擇5—9月份遙感影像)解譯制作，主要土地利用類型包括耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)和工礦建設(shè)用地，以及未利用土地6種類型。其中城鄉(xiāng)和工礦建設(shè)用地耗水量通過式(2)計(jì)算得到，其他土地利用類型的蒸散發(fā)通過彭曼公式計(jì)算，2014年耗水計(jì)算結(jié)果見圖4中。需要說明的是，本研究沒有計(jì)算北京市工業(yè)的耗水量，在城鄉(xiāng)和工礦用地中沒有考慮人工灑水產(chǎn)生的蒸散發(fā)。耗水空間分布格局表明人類活動(dòng)和用水量集中的城市區(qū)域耗水量高于郊區(qū)。圖4中紅色區(qū)域?yàn)楸本┦薪ǔ蓞^(qū)主要區(qū)域，說明城市區(qū)域人類用水產(chǎn)生的耗水量不容忽視，也證實(shí)了城市是高耗水區(qū)域的判斷。

圖4 北京市2014年耗水空間格局

4 結(jié)論和展望

以不同尺度的城市單元為例，描述了城市高耗水現(xiàn)象，分析了城市耗水過程，解析了城市耗水機(jī)理，提出了城市耗水計(jì)算方法，得出了以下主要結(jié)論：①城市高耗水現(xiàn)象確實(shí)存在，其主要原因是受人類用水活動(dòng)的影響，建筑物內(nèi)部耗水是其高耗水的主要增加項(xiàng)；②城市耗水是二元水循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，耗水量的大小不僅影響城市供排水管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)，同時(shí)影響城市區(qū)域的水熱平衡關(guān)系；③城市的耗水可以分為建筑物內(nèi)部耗水和露天耗水，基于耗水特征差異，露天耗水可以劃分為建筑屋頂與不透水硬化地面、透水硬化地面、綠地、水面和裸土耗水；④考慮人類用水過程中產(chǎn)生的耗水，北京市城區(qū)的耗水量高于郊區(qū)，同時(shí)高于林地、草地、耕地以及未利用土地。

本研究基于水平衡數(shù)據(jù)分析，以及典型小區(qū)、典型耗水過程的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，初步闡釋了城市耗水的機(jī)理，建立了相關(guān)的計(jì)算模型。但研究成果還是初步的，需要在未來的研究中進(jìn)一步深化，同時(shí)城市耗水強(qiáng)度與城市局部的水熱平衡關(guān)系密切，與城市熱島效應(yīng)等的內(nèi)在聯(lián)系和相互作用機(jī)理也有待進(jìn)一步研究揭示。

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