成都市生態需水量研究

陳平安，張廣興，孫林博

(四川興景水利工程設計有限公司，四川 成都 610041)

成都市生態需水量研究

陳平安，張廣興，孫林博

(四川興景水利工程設計有限公司，四川 成都 610041)

生態需水量；變化規律；成都市

為了解成都市生態需水量變化規律，從城市生態需水量的概念出發，對生態需水量進行分類，總結出成都市生態需水量主要包括生態基流需水量、綠地需水量和環境衛生需水量。以2010年為計算水平年，經計算成都市生態需水總量達55.54億m3，其中河道內生態需水量每月基本保持穩定，河道外生態需水量與綠地需水量呈正相關關系；從生態需水量年內變化趨勢來看，當年年末至翌年年初，需水量增加較快，而區外來水、區域降水與生態需水量變化趨勢存在一定的時間差，在年初和年末水資源不能滿足生態用水需求，可能存在缺水情況。

關于生態需水量的概念，目前還沒有形成一個系統、科學的理論體系和統一的定義[1]，筆者在查閱大量文獻資料的基礎上，認為生態需水量是在一定的生態保護、恢復或建設目標下，在特定的時空范圍內，生態系統達到或維持某種生態平衡所需要的基本水量，即生態環境健康發展所需要的合理的水量[2]。生態需水量受生態系統功能控制，是生態系統的固有屬性，一般不受外界影響，是一個相對靜止的量。以往學者們對生態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系統，并形成了較為完善的計算方法，然而針對城市復雜生態系統生態需水量的研究成果還比較少，還有許多問題亟待解決，比如城市間自然環境、社會經濟條件存在極大差異，致使不同城市生態需水量的研究內容不同[3]?；谏鲜鲅芯浚P者以成都市為研究區，根據研究區域的特點，構建成都市生態需水量分類體系，通過對各種生態需水量的計算，推求研究區在計算水平年——2010年的生態需水量，并分析其年內的變化趨勢。

1 城市生態需水量的概念和分類

城市生態系統是包含自然、社會和經濟3個子系統的復雜系統，其生態需水量主要指城市生態系統在特定區域水熱條件下的需水量，即城市生態系統為維持自身一定的結構、功能和穩定狀態需要消耗的水量[4]。

根據城市生態需水量的概念，可以按照以下分類方式將其分為三級：一級分類，根據空間位置區分；二級分類，根據生態系統結構區分；三級分類，根據生態功能區分。目前比較常用的分類方法見表1。

計算成都市生態需水量時，需考慮河道內生態需水量和河道外生態需水量。河道內生態需水量中：考慮到成都市河道尤其是城區河道已高度渠化且研究區域屬于岷江中游，河口生態需水量不在計算范圍內；成都市內河流泥沙含量較少， 因此可不考慮河道沖沙需水量[5]；生態基流需水量是河流達到生態環境對水量需求的最小水量，稀釋凈化需水量是河流生態環境對水質需求的最小水量，根據“木桶短板原理”取二者中的最大值作為需要達到生態環境健康發展的最小河道生態需水量。根據成都市污水排放標準規定，污水需達到《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)規定的Ⅲ類水質標準才能排放，研究區污水處理率較高，因此河道稀釋凈化需水量不作為河道內主要生態需水量，即認為稀釋凈化需水量少于河道基流需水量。

表1 城市生態需水量分類

河道外生態需水量中：由于成都市土地利用分類時已將林草地、濕地劃入綠地，因此將水土保持生態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需水量并入城市凈化生態需水量中的綠地需水量統一計算；由于梯田、淤地壩壩地用水已歸入農田灌溉用水，屬于生產用水，故不考慮降水性淤地壩壩地需水量和降水性梯田需水量；成都市地處濕潤氣候區，可不考慮防護林草生態需水量；近年來成都市霧霾天氣出現日益頻繁，為減少空氣中懸浮顆粒數量，需增加城市環境灑水量，因此要計算城市凈化生態需水量中的環境衛生需水量；成都市地下水靠地表水補給，在一年中基本維持平衡，因此不考慮地下水回灌需水量[6]?；谝陨戏治?，成都市生態需水量分類結果見表2。

表2 成都市生態需水量分類結果

2 河道內生態需水量

成都市河道內生態需水量僅需計算生態基流需水量。生態基流需水量計算方法主要有水文學方法、水力學方法、最小觀察流量法、基本功能假定法和綜合法等5種[7]。成都市內主要河流有南河、西河、錦江、毗河、蒲陽河等。根據市內河道受人為干擾較大、河道高度渠化的特點，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測徑流量的多年平均值作為河流的基本生態需水量[8]。經計算，2010年成都市河道生態基流量為21.30億m3。

3 河道外生態需水量

成都市河道外生態需水量包括綠地需水量和環境衛生需水量，其計算公式為

(1)

式中：WRO為河道外生態需水量，億m3；Wf為綠地需水量，億m3；Wm為環境衛生需水量，億m3。

目前估算河道外生態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、潛水蒸發法、生物量法、遙感判讀法等6類，其中：面積定額法和水熱平衡法(修正彭曼公式)可以直接計算出生態需水量，屬于直接計算法[9]；水量平衡法、潛水蒸發法、遙感判讀法是通過計算其他相關要素，反過來推求生態需水量的，屬于間接計算法。

3.1 綠地需水量

采用直接計算法中的水熱平衡法(修正彭曼公式)計算綠地需水量，計算公式為

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：ET為日最大需水量，mm/d；D為每月天數，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；Kcbmin為缺少植被情況下的最小植物系數；Kcbfull為植被全覆蓋下的最大植物系數；fceff為有效植被覆蓋度，%；h為研究區的平均植被高度，m；P0為標準大氣壓，hPa；P為研究區平均氣壓，hPa；Δ為水氣壓變化率；γ為溫度計常數，值為0.66 hPa/℃；Rn為太陽凈輻射值，mm/d；Ea為空氣干燥力，mm/d。

3.2 環境衛生需水量

根據《四川省用水定額(修訂稿)》的規定，城市環境衛生用水量為2 L/(m2·d)，按照城市建成區面積進行計算。2010年成都市城市建成區面積456 km2，環境衛生需水量共計3.30億m3。

4 生態需水量計算結果分析

成都市生態需水量計算結果見圖1、表3。由圖表知，生態基流需水量占城市生態系統生態需水量的38.35%，綠地需水量占55.71%，環境衛生需水量占5.94%；總的生態需水量變化趨勢與河道外生態需水量變化基本一致，而河道內生態需水量只是起到了基礎性作用，與其生態基流概念一致。

分析上述結果，從生態需水量的構成來看，生態基流需水量和綠地需水量是成都市生態需水量的重要組成部分，所占比重較大，因此在城市生態水資源調配時應充分重視并優先滿足二者的水量供給，二者供應不足時河道生態系統將受到威脅，綠地植被正常生長將受到抑制，會嚴重破壞生態系統平衡。從成都市河道內和河道外生態需水量的比較可以看出：河道內生態需水量主要與生態基流需水量有關，年內需水量變化較為平緩；河道外生態需水量主要受綠地需水量控制，其年內變化趨勢與綠地需水量變化趨勢接近，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時段可以看出：上升階段的上升趨勢明顯快于下降階段的下降趨勢，上升階段需水量要求快速達到較高水平，而此時研究區還處于枯水期，因此可能出現供水不足的情況，對城市生態水量供應提出挑戰；而在需水量下降階段，研究區通常處于雨季末期，水量供應相對充分，因此該時段用水應該能滿足生態用水需求。

圖1 2010年成都市生態需水量統計結果

表3 2010年成都市生態需水量統計 億m3

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

[1] 賈寶全,張志強,張紅旗,等.生態環境用水研究現狀、問題分析與基本架構探索[J].生態學報,2002,22(10):1734-1740.

[2] 楊愛民,唐克旺,王浩,等.生態用水的基本理論與計算方法[J].水利學報,2012,35(12):39-45.

[3] 田英,楊志峰,劉靜玲,等.城市生態環境需水量研究[J].環境科學學報,2003,23(1):100-106.

[4] 胡習英,李海華,申燦杰.鄭州市城市生態環境需水量研究[J].河南科學,2006,24(5):745-748.

[5] 呂明強,都金康.城市水文與水資源導論[M].北京:中國科學技術出版社,1993:163-175.

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[7] 吳春華,牛治宇.河流生態需水量研究進展[J].中國水土保持,2006(12):20-22.

[8] 劉昌明,門寶輝,宋進喜.河道內生態需水量估算的生態水力半徑法[J].自然科學進展,2007,17(1):42-48.

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(責任編輯 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