北京市懷柔區生態用水計算研究*

張東,賀康寧,寇中泰,張益源

(1.北京林業大學水土保持學院,北京100083;2.北京市懷柔區水務局,北京101400)

北京是一個嚴重缺水的大都市,水資源量逐年減少,缺水問題十分突出,水資源問題已成為影響和制約首都社會和經濟發展的主要因素。懷柔區地處北京市北部,是首都重要的飲用水源采水、補水區和應急備用水源區,其中區域面積的97.1%為水源保護區,是阻滯西北風沙侵襲北京城重要的綠色生態屏障,懷柔區生態用水安全將直接關系到首都居民的用水安全[1]。本研究計算了北京市懷柔區現狀生態用水量,為水資源合理配置確立了基礎依據。

1 研究區概況

懷柔區地處燕山南麓,北京市東北部,全區總面積2 128.7 km2,從北到南依次形成深山、淺山、平原三種類型,其中山地面積 195 865.2 km2,約占92%,平原面積17 006.8 km2,約占8%。懷柔區屬暖中緯大陸性暖溫帶季風性半濕潤氣候,四季分明,全區最大的植被類型為中旱生次生落葉灌叢和草本群落,根據懷柔水務部門統計,懷柔區多年平均水資源總量3.56億m3,平水年水資源總量3.48億m3,枯水年水資源總量2.64億m3。

2 懷柔生態用水類型界定與生態分區

2.1 生態用水類型界定

“生態用水”的定義有很多,目前還沒有形成統一的定論,隨著對生態用水認識的加深,生態用水的研究從最初的河流系統開始,逐步擴展到其他類型的生態系統(包括城市生態系統、湖泊生態系統、濕地生態系統、防護林草系統、地下水體系以及水土保持體系等)[2]。由此將生態用水定義為：在一定的時空范圍內,維持特定生態系統和環境處于穩定狀態所需要的水量[3-7]。

為將生態用水與傳統水資源統一起來,進行降水資源平衡分析,結合以上生態用水量的界定,可按水資源的消耗變化情況分為消耗生態用水和非消耗生態用水。對懷柔區來說,消耗生態用水與河道外生態用水,非消耗生態用水與河道內生態用水在分類內容上是一致。從生態系統角度看,消耗生態用水即為綠色植物用水,非消耗生態用水即為無機環境生態用水。因此,本文在生態用水研究和計算采用以下劃分方案(圖1)。

圖1 北京市懷柔區生態用水類型

2.2 生態分區及特征

為了使研究的各項生態用水類型能夠符合懷柔區生態建設和水土保持分區方案,便于生態用水按行政區域、水系流域進行管理,在空間能反映生態用水規律,以便較準確地反映生態環境與生態用水之間的關系[8]。本文將北京市懷柔區劃分相互獨立的兩級生態區,以分區面積大小,分別稱為一級生態區、二級生態區,作為生態用水計算的基礎。

2.2.1 以水土流失類型為依據的一級生態區 懷柔區主要是水力侵蝕形成的地貌,這種地貌也基本反映了其相應的生態景觀,包括植被、土壤、作物等。由水力等外營力形成的水土流失地貌區即可分為山區和平原區,可作為2個一級生態區。山區面積1 958.65 km2,平原區面積170.07 km2。一級生態分區的分布和基本特征見表1。

2.2.2 以鄉域土地利用為依據的二級生態分區二級生態區是以鄉(鎮)域作為劃分單元,各二級生態區的基本情況見表2。

表1 一級生態區基本特征表

3 計算結果

3.1 林草植被生態用水量計算

林草植被生態用水量可看作是其實際蒸散量,也就是耗水量[9-10]。實際蒸發散與林草的生理生態需求及降水情況有關,年內和年際之間均是動態變化的,一般通過實測或水量平衡法取得。為了解決這一問題,引入潛在蒸發散的概念,即在充分供水條件下的蒸發散量,通過研究確定實際蒸散量與潛在蒸發散的比例關系(即植物耗水系數),可以推定不同區域的耗水量(即生態用水量)。

表2 二級生態區的基本特征

計算中最常用的方法是先用氣象因素計算各階段參考植物蒸散量(Reference crop evapotranspiration)：高度一致、生長旺盛、完全覆蓋地面而不缺水的低矮綠色下墊面的蒸散量,其只與氣象因素有關,稱為最大可能蒸散量或潛在蒸散量,潛在蒸散量乘以用水系數求算各階段的林木耗水量。這里采用桑斯維特公式(Thornthwaite)來計算潛在蒸散量。該公式通過月平均氣溫計算植物參考蒸散量,進而推算實際蒸散量[11-13]。其公式為

其中：

式中：PE——月蒸發散量(mm);H——熱量指數,等于12個月的和;h——月熱量指數,當 T≤0℃時,h=0;T——月平均氣溫(℃);A——指數,是年熱量指數的非線性函數;k——訂正系數。

通過計算各階段潛在蒸發散量PE,然后利用具體林木的植物需水系數Kc和耗水系數K修正,便可得到該林木的需水量和耗水量,即：

本文計算時根據北京市懷柔區氣象局資料室匯編的《北京市懷柔區地面氣候資料》(1998-2007年)中各地市實測氣象資料,得到多年月平均溫度,計算出月潛在蒸散量,采用在懷柔區懷沙河流域對蒸散量的觀測結果,計算出各林草種的植物系數Kc值和耗水量系數K值：

3.1.1 月潛在蒸散量PE 利用月均氣溫T、熱量指數 H、指數 A及公式PE=k×16.2(10)A可求得北京市懷柔區各級生態區各月的潛在蒸散量PE。

表3 植被潛在蒸散量特征值 mm

3.1.2 林草植物需水系數Kc與耗水系數K的確定 根據北京市懷柔區林地面積及林種組成,通過綜合分析,按喬木林、灌木、經濟林、作物、草地分類,并根據氣候條件權衡加以調整,確定計算不同類型林木、作物、草地需水量的植物系數Kc值和耗水量系數K值如表4-5。

表4 平原地區不同類型林木的植物需水系數

表5 懷柔區主要旱農作物及牧草的耗水系數Kc

3.2 森林植被生態用水量

通過各地地區月平均潛在蒸散量計算出了北京市懷柔區各主要生態類型區及各行政地區的森林生態用水量,林木蒸散量特征值及森林生態用水量如表6-7所示。

表6 懷柔區的林木蒸散量特征值

表7 懷柔區各級生態類型區森林生態用水統計

由懷柔區旱農作物系數Kc(表5)和根據桑斯維特公式計算出的壞柔區年均潛在蒸散量(表4),計算出各級草地的生態用水量,見表8。

表8 懷柔區各級生態區草地的生態用水量

3.3 城鎮綠地生態用水

在懷柔區城市綠地中包括城鎮綠化面積共421.6 hm2。由于具備一定的灌溉條件,因此林木生長實際水分消耗標準應按林木需水量的定額進行計算。計算得出城鎮綠化(包括防護林建設)生態用水量總量為0.02億m3/a。

3.4 農作物的耗水量

根據確定的作物系數,計算出全區農作物耗水量為0.39億m3/a。

表9 懷柔區旱作條件下作物實際耗水量表

3.5 水土保持生態用水量計算

通過分析水土保持各項措施對徑流的影響,水土保持生態用水可將其理解為小流域綜合治理所保持在流域中的水量,也就是由于小流域綜合治理所引起的流域的年徑流減少量。這里我們將進行水土保持治理前后徑流量的差值看作是水土保持生態用水量,依據實測資料來計算水土保持生態用水量。

研究中抽取懷柔區三個小流域綜合治理典型工程：莊戶溝、三渡河、神堂峪來計算興建水土保持工程后,小流域的徑流減少率,進而可以得到水土保持生態用水量。

表10 小流域綜合治理減少年徑流量統計表

由表10可知,懷柔區水土流失治理后,年徑流減少率平均為51.17%。據統計,懷柔區水土流失總面積547 km2,占土地總面積的26%;其中北部山區水土流失面積為465 km2,南部平原區水土流失面積為82 km2;2007年全區共治理4條小流域,新增治理面積70 km2。所以得到水土流失綜合治理減少的年徑流平均為75.22 mm,也就是說水土保持生態用水定額是75.22 mm/a。全區水土流失治理面積1 101 km2,生態用水量為0.83億m3/a。

3.6 河流生態系統用水定額的計算

考慮河流生態系統生態用水量的一般特性,狹義的生態用水是指為維持地表用水體特定的生態環境功能,天然水體必須儲存和消耗的最小水量。根據這一概念在實際計算中生態用水可分解為：①河流生態系統基本生態用水量,是維持河流生態系統最基本的生態功能所需要的最小水量;②維持河流水沙平衡的需水量,指為維持河流形態的穩定,在一定輸沙、排鹽要求的條件下所需要的水量。③人工湖泊濕地生態用水量,是指用以維持水庫庫區水體功能而消耗與蒸發的水量。就懷柔區具體情況來說,主要是在降雨過后產生洪水徑流過程,所以河流生態系統基本生態用水量和維持河流水沙平衡的需水量很少,對于總的生態用水來說,可以忽略不計。但根據懷柔區現狀調查表明,區域內水庫、塘壩、截流等人工湖泊、濕地有一定的水量,所以下面我們就對這些人工湖泊濕地的生態用水量進行研究。

人工湖泊濕地生態環境用水量主要考慮為維持庫區蓄水、水生生態條件一年內消耗的水量。根據水量平衡的原理,在無取水的自然條件下,對于人工湖泊有：

式中：ΔW1——水庫蓄水量的變化量;P——降水量 ;Ri——入湖水量;Rf——出庫水量;E ——蒸發量;ΔWg——地下水變化量。

為維持庫區生態環境功能,要求庫區水量不發生變化,即ΔW1=0。對北方河流而言,由于蒸發E大于降水P,因此在地下水位維持動態平衡的條件下(ΔWg=0),必須有相當一部分的入庫水量消耗于水面蒸發。因此,可以認為,庫區的生態環境用水主要是用以維持庫區水量平衡而消耗于蒸發的水量,其計算公式如下：

式中：W1——水面蒸發量,可以表示庫區生態環境用水量;Ai——水面面積;Ei——相應的水面蒸發能力。

根據懷柔區生態建設結論,懷柔多年平均降水量為513.4 mm,水面蒸發量高達946.9 mm/a。懷柔區蒸發的生態用水量見表11。經計算水庫蓄水蒸發總量為0.4億m3/a。

表11 懷柔區人工湖泊蒸發生態用水量

3.7 生態用水量總量

計算出北京市懷柔區的年生態用水總量7.19 億m3,各級生態區生態用水量及用水類型見表12。

表12 各級生態區生態用水量及其用水類型現狀解析 億m3

4 結論與建議

(1)北京市懷柔區的年生態用水總量為7.19億m3,消耗性生態用水占生態用量的94.44%,森林植被與河川分布很大程度上決定著該地區生態用水量的總量。各級生態區生態用水量的統計結果見表12。(2)從總體分析,全區現狀生態用水總量為7.19億m3/a,山區森林植被生態用水量為4.37億m3/a,占生態用水總量的60.78%,平原區森林植被生態用水量為 0.28億 m3/a,占生態用水總量的3.89%,森林植被生態用水量為4.65億m3/a;水土保持生態用水量為0.83億m3/a,占生態用水總量的11.54%;城鎮綠地生態用水量為0.02億m3/a,占生態用水總量的0.28%;草地生態用水量1.29億m3/a,占生態用水總量的17.94%;河流生態系統生態用水為0.4億 m3/a,占生態用水總量的5.56%。在總的生態用水中,消耗性生態用水量為6.79億m3/a,其中降水消耗性生態用水量為5.96億m3/a,占生態用水總量的81.64%;徑流消耗性生態用水量為 0.83億m3/a,占生態用水總量的11.54%;而非消耗性生態用水量為0.4億m3/a,占生態用水總量的5.56%。可以說,懷柔區森林植被生態用水在總的現狀生態用水中所占的比例最大,降水消耗性生態用水是現狀生態用水的主體。

(3)根據研究結論,懷柔區水資源可利用量受出境水量控制,供水與用水矛盾日趨突出,建議加快多種新水源工程和水利設施改造建設,尤其需要加快雨水利用措施建設,通過提高大氣降水利用率等措施進一步穩定和增加可供水資源量。

(4)生態用水問題研究為水資源合理配置提供了基礎依據,但目前生態用水的理論體系還不完善,需要從基礎理論、計算方法,以及評價體系等進一步建立完整的理論體系,為水資源配置提供科學合理的依據。

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