城市耗水的“自然-社會”二元屬性及季節性特征研究
——以北京市為例

2021-01-04 08:06:58周晉軍劉家宏王忠靜張永祥

水利學報 2020年11期

關鍵詞：研究

周晉軍，王浩，劉家宏，王忠靜，張永祥

（1.北京工業大學建筑工程學院，北京 100124；2.中國水利水電科學研究院流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京 100038；3.清華大學水利水電工程系，北京 100084）

1 研究背景

城市是自然水循環和社會水循環深度耦合的二元水循環區域，其水循環的各個環節都呈現明顯的二元屬性[1-2]。城市區域水循環過程非常復雜，其原因主要是城市下墊面呈現高度異質性，水循環過程受到人類活動的強烈干擾[2-3]。城市耗水作為城市區域水循環的重要環節，不僅是城市水循環通量的重要組成部分，也是城市水汽的重要來源，水汽耗散量的大小對城市微氣候變化和水循環通量計算具有重要影響。但由于城市水汽耗散過程的復雜性高，直接監測的難度較大，城市耗水是城市水文研究的薄弱環節。

城市耗水是指發生在城市區域的各種輸水、用水過程中的水量耗散和硬化地面、土壤、植被、水面等下墊面的蒸散發，其水量特征是在水循環過程中沒有回歸到地表水體和地下水體的含水層[4]。本研究中將發生在城市區域各種水循環過程中的水汽耗散定義為狹義的城市耗水，并且以狹義的城市耗水量的計算及其自然和社會二元屬性為研究目標，分析北方城市耗水的季節性特征。傳統的城市蒸散發研究主要是城市區域土壤、植被（草地和樹木）、水面等自然下墊面的蒸散發，這也是本研究中自然側耗水的主要部分。傳統蒸散發計算方法包括水熱平衡法、空氣動力學方法、Penman-Mon?teith 算法等，也包括以點源為基礎的蒸散發計算方法，比如蒸滲儀法、梯度法、波文比法、渦度相關法等[5-10]。1970年代以來，基于遙感的蒸散發反演計算發展成為主要研究方向[5-6，9，11]，從Thom 在1972年提出基于植被特性的阻抗計算方法到1990年代的SEBI 及其衍生系列模型，再到2010年以后提出的REDRAW 及其系列模型[12-18]，學者們在自然蒸散發方面取得了豐碩研究成果。然而，傳統城市蒸散發研究大多低估甚至忽略了硬化地面和屋頂的截留雨水蒸發，對于人類用水過程產生的水汽耗散研究較少[19-20]。而隨著城市化進程推進，城市人工用水的水量和占比在持續增大，對應的用水活動所產生的水汽耗散量和耗水強度也在增大，城市耗水的二元屬性不斷增強[2，21-23]。

近年來，國內外學者逐漸關注城市區域的二元水循環過程研究，特別是關注人類活動及其取用水等社會行為引發的水循環過程研究。高學睿等[24]將城市不透水區域的蒸散發與草地、林地、水面進行比較。張俊娥等[25]模擬了天津市二元水循環，將城市耗水劃分陸面蒸散發、水面蒸發、第二和第三產業耗水。周琳[20]分別用水量平衡法、遙感反演法（有無人為熱兩種工況）、下墊面分類法計算了北京市的蒸散發，結果表明3種方法計算的城市蒸散發量呈遞增趨勢。Farooqui 等[26]和Renouf等[27]以澳大利亞典型城市為例，通過量化城市區域水系統規模，減少城市發展對自然水循環的不利影響。劉家宏等[28]提出了城市生活用水指標計算模型，分析了城市高耗水現象及其機理[22]。周晉軍等[29]提出了建筑物內部耗水的概念，研究了居住建筑物和辦公建筑物內部的耗水計算方法[30]，提出了城市耗水計算模型[31]，計算分析了考慮建筑物內部耗水的廈門市2000—2015 城市化進程中城市耗水變化特征[21]。通過前述文獻可以看出，學者們從單純考慮植被、土壤、水面的蒸散發到考慮硬化地面的蒸散發和第二、三產業的水耗散[32]，對城市耗水問題進行了深入研究。但是已有研究很少定量計算城市水汽蒸發中自然側的蒸散發與社會側的水汽耗散的結構特征，同時對于城市區域水汽耗散的季節性差異考慮不足，特別是在我國北方城市，耗水的季節性特征差異更為顯著，應該予以關注和研究。

本研究基于觀測實驗和統計數據，從城市下墊面的水循環過程出發，研究城市各類耗水的發生過程，識別城市耗水的自然和社會二元屬性，建立“自然-社會”二元城市耗水分析計算模型。選取北京市為研究區域，對比研究各城區建設用地在春、夏、秋、冬四個季節中自然側和社會側的耗水強度特征。研究結果可以為城市區域二元水循環研究，水循環通量計算提供科學依據和數據支撐，為城市區域微氣候變化及熱島效應變化分析提供參考依據。

2 研究區域概況及數據來源

北京市位于華北平原北部，屬于北溫帶半濕潤大陸性季風氣候，四季分明。通常夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥。多年平均降雨量585 mm，降水季節分配很不均勻，通常80%的降雨集中在6—8月（夏季）。北京市總面積1.64 萬km2，2015年底城鎮建設用地面積3044 km2。北京市共轄16個市轄區，轄區之間的人口密度、城市化率、下墊面特征差異較大。北京城六區為東城、西城、朝陽、海淀、石景山、豐臺6個區，是北京市的核心城區，屬于強人類活動區域。通州、昌平、大興、順義等區縣是快速城市化區域，但是發展程度差異較大，人類活動對水文循環過程影響顯著。延慶、密云、懷柔、平谷等區縣是生態涵養區域，人口密度低，城市化率低，人類活動對水文循環過程干擾程度也低。由于北京市各區的城鎮化進程差異明顯，因此以北京市為例開展研究。

本研究中各區土地利用數據來源于2014年TM 影像資料，分辨率是30 m，見圖1。其各區的城鎮建設用地數據、社會側的人口數量、建筑密度、道路面積等數據來源于《北京市區域統計年鑒（2017）》，以及各區的統計年鑒和相關專項規劃資料，社會側的供用水數據、污水排放數據等相關數據來源于《北京市水務統計主要指標數據》《北京市水資源公報（2015）》。為降低各區氣象數據差異對結果的影響，凸顯各區社會側與自然側的耗水特征差異，本研究中各區均采用相同站點的氣象要素數據計算自然側耗水。本文用于計算自然側蒸散發的氣象數據來源于清華大學校園氣象站。

圖1 北京市各區土地利用結構及其城鎮用地地面結構特征

3 研究方法

3.1 分析模型流域二元水循環的特征主要體現在服務功能、水循環結構和參數、水循環路徑、水循環驅動力這四個方面，其本質是服務功能的二元化，即流域水循環同時支撐自然生態系統和人類社會經濟系統[33]。城市中同樣存在綠地、水面等自然斑塊，這些斑塊是人類生活所必須的場所，同時服務于經濟社會發展。城市二元水循環的本質特征可以從水的來源體現，即天然來水和人工供水，其中天然來水包括天然降水和河流湖泊的來水，人工供水又可以分為城市自來水、自備井的供水和桶裝水、瓶裝水以及其他酒水飲料等商品水的供水。城市自然側水循環主要是指天然降水產生的降雨截留、入滲、地表地下徑流、蒸散發等過程。城市社會水循環主要是指人工供水產生的用水、耗水、排水、中水回用等過程。本文將城市的耗水地面類型劃分為水面、土壤、植被、硬化地面和建筑物。

圖2中展示了基于城市水源特征建立的城市耗水的“自然-社會”二元分析框架。天然來水中河流、湖泊的水所產生的耗散主要是指水面蒸發，天然降水所產生的水汽耗散是指由降雨引起的土壤蒸發、植被蒸騰、硬化地面和建筑物屋頂的蒸發，這部分的蒸發是城市自然側耗水的主要組成部分。人工供水中以商品形式提供的水主要是用于城市居民飲用，這部分水的主要耗散方式是人體汗液蒸發。以管道形式的供水主要提供到工廠、居民樓、辦公樓等建筑物內部的用水戶，也為室外的草坪、植被等綠化設施的灌溉和城市道路的人工灑水等提供水源。建筑物內部用水所產生的耗散發生在各種用水活動過程中，比如淋浴過程的水汽蒸發、烹飪過程的蒸汽釋放、濕衣服晾曬過程的水汽蒸發、地面、玻璃、墻壁、桌面等表面的擦洗所產生的蒸發等。澆灌在綠化設施和噴灑在道路的水以蒸發和蒸騰的形式返回大氣。這些由人工供水產生的水汽耗散被稱為城市社會側耗水。

本研究從供用水源頭將城市耗水劃分為自然側耗水和社會側耗水兩部分，城市區域的耗水是自然側耗水與社會側耗水之和，按照式（1）計算：

圖2 城市自然-社會二元耗水分析框架

式中： Dcity為城市區域的耗水強度；DN為自然側耗水強度；DS為社會側耗水強度，單位均為mm。

其中自然側的耗水按照式（2）計算：

式中： Ew為水面蒸發量；Ens為自然條件下的土壤蒸發量；Env為天然降水產生的植被蒸騰蒸發量；Enh為天然降水產生的硬化地面蒸發量；Ebr為天然降水產生的屋面截留雨水的蒸發量，單位均為mm。

社會側耗水按照式（3）計算：

式中： Ess為人工澆灌產生的土壤水分蒸發量；Esv為人工澆灌植被產生的蒸騰蒸發量；Esh為人工灑水產生的城市硬化地面的蒸發量；Dbi為城市區域建筑物內部各類用水活動產生的水汽耗散量在城市建成區面積上的平均耗水強度，單位均為mm。

3.2 計算模型分析模型中，自然側耗水項主要包括水面、土壤、植被、硬化地面、建筑物屋頂共5項，其中硬化地面和建筑屋頂都屬于截留雨水蒸發，計算方法一致；社會側耗水項主要包括裸土、植被、硬化地面、建筑物內部4項。具體計算中，基于前人研究基礎和前期對城市耗水的觀測和研究，分別確定了這9項耗水強度（共計8 類）的計算方法，見表1。

3.3 計算過程和驗證方法本研究擬通過選取接近多年平均降雨量的年份作為典型年進行研究。2015年北京市降雨量為583 mm，與多年平均降雨量基本持平，其他氣象要素也接近多年平均水平，同時綜合考慮與土地利用數據（2014）的年份相近，因此選擇2015年作為研究代表年。根據北京市多年的植被生長情況看來，通常是3月份開始，植被陸續發芽，長出新葉，到11月中下旬葉子掉落，進入冬季。本研究計算中，將3、4、5月劃分為春季，6、7、8 劃分為夏季，9、10、11月劃分為秋季，12、1、2月劃分為冬季。

基于圖1中的城鎮用地的結構數據和圖2中提供的計算分析框架，采用表1提供的計算方法，分別計算2015年北京市16個區的城市建設用地中各種地面類型的耗水強度，通過面積加權計算得到了各個區城鎮建設用地的自然側和社會側的耗水強度，并將計算結果展布在各個區的地形圖上。

自然側耗水計算結果通過與其他研究成果比較進行核準，社會側耗水計算結果基于水量平衡原理進行驗證，整體計算結果結合水資源公報和水務局統計數據進行驗證，典型耗水項的計算通過選取典型時段的監測數據驗證模型的可靠度與準確性。

表1 城市單元各類耗水的計算方法

4 結果與討論

本研究首先計算了各區城鎮建設用地中各類耗水地面的季節性耗水強度和年度耗水強度。本研究計算的年水面蒸發量是990.7 mm，與北京市地方標準《城市雨水利用工程技術規程》（DB11/T 685—2009）中北京市多年平均水面蒸發量1022.9 mm 相近。本研究計算的植被年蒸散量為667 mm，與鄭榮偉等[34]研究得出的北京市2005—2015年植被密集綠地的蒸散發量超過600 mm的結果相近。社會側的耗水計算公式已經在北京和廈門的城市耗水計算中得到驗證[21，29]，同時社會側整體的耗水結果通過水量平衡原理，結合供排水和漏損等數據進行校核，水量平衡得出的差值占總用水量的比例低于5%。

圖3 北京市各區2015年城鎮建設用地耗水強度及其二元結構

圖3展示了2015年北京市16個區的城鎮建設用地的耗水強度計算結果。從圖3（a）的結果來看，城六區年綜合耗水強度高于其他城區，東城和西城兩個區的耗水強度高于950 mm，海淀區和朝陽區的耗水強度高于850 mm，石景山、豐臺的年耗水強度也高于700 mm。從圖3（b）可以看出各個區的城鎮用地的自然側耗水強度分布在330～470 mm之間，分布相對集中，其中海淀區、朝陽區和石景山區的自然側耗水強度相對較高，超過400 mm。從圖3（c）結果來看，各區社會側的耗水強度分布40～670 mm 不等，城六區的社會側耗水強度明顯高于其他區，其中西城區的社會側耗水超過660 mm，東城區超過590 mm。主要原因是城六區的城市化程度較高，建筑物占城市建設用地的面積比例較高，人口密度高。例如東城區和西城區的人口密度超過21 000 人/km2，這是導致東城和西城社會側耗水強度明顯高于其他區的主要原因，也是這兩個區綜合耗水強度高于其他城區的主要原因。

圖4從春、夏、秋、冬四個季節展示了自然側和社會側的耗水強度。結果顯示各區夏季的自然側耗水強度最高，其次是秋季、春節和冬季。各區城鎮用地自然側耗水強度在夏季和秋季的耗水強度可以達到春季和秋季的3倍之多。城六區的社會側耗水強度在各個季節基本都高于50 mm，其中夏季都高于100 mm，而城六區外的其他區的城鎮用地的社會側耗水強度基本都低于50 mm，其中夏季也都低于100 mm。各區的社會側耗水強度也是夏季高于秋季、春季、冬季。

城鎮建設用地的自然側耗水主要來自綠地，北京市喬木以闊葉落葉林和常綠針葉林為主，因此自然側的耗水在夏季和秋季的值很高，春季和冬季的值較低，呈現明顯的季節性特征。在計算建筑物內部耗水時，根據用水量和耗水定額進行計算，北京市通常夏季人工用水量高于秋季、春季和冬季，導致夏季社會側耗水高于其他季節。

從圖4的結果可以看出，自然側耗水的季節性差異顯著，各城區夏秋季節的自然側耗水強度幾乎都高于100 mm，冬春季節的自然側耗水強度幾乎都低于60 mm。相比而言，社會側耗水的季節性差異低于自然側，社會側的耗水強度的差異主要體現在城區之間。分析可得出北京城六區綜合耗水強度在春、夏、秋、冬季的比值分布是（1.20～1.36）∶（2.84～3.88）∶（2.02～2.77）∶1；其他城區的綜合耗水強度在春、夏、秋、冬季的比值分布是（1.79～2.63）∶（6.37～8.85）∶（3.97～5.54）∶1。研究表明城市耗水強度的季節性差異顯著。

圖4 北京市各區2015年自然側、社會側耗水在春、夏、秋、冬的分布結果

圖5（a）顯示東城和西城兩個區的社會側耗水貢獻率明顯高于自然側耗水，社會側耗水貢獻率均高于60%。朝陽區的自然側和社會側貢獻率幾乎相等，從數據來看自然側貢獻率是50.15%，社會側是49.85%。海淀區的自然側耗水貢獻率（51.11%）略微高于社會側（48.89%）。其他區的自然側耗水比例均高于社會側比例，其中豐臺區和石景山區的自然側的貢獻率分別是54.67%和53.49%，自然側貢獻率與社會側貢獻率差值小于10%。城六區外的其他城區，自然側的耗水量占比均超過70%，其中自然側耗水占比最高是密云，達到87.33%。圖5（b）展示了北京各區2015年自然側的耗水貢獻率在春夏秋冬不同季節的分布，結果顯示各區自然側耗水在夏季和秋季的貢獻率高于春季和冬季，其中房山、順義、延慶的自然側貢獻率在四個季節分布相近。圖5（c）顯示各區社會側的耗水貢獻率的季節性差異明顯，總體呈現出春季和冬季的社會側貢獻率高于夏季和秋季的特征，這是因為北京屬于北方地區，春季和冬季的植被蒸散發量低，自然側的耗水比例小，導致社會側貢獻率高，由于冬季的自然側蒸發量最低，因此各個區冬季的社會側耗水貢獻率最高。

圖5 北京市各區2015年城鎮建設用地耗水的二元屬性及其季節性特征

從北京市各城區城鎮建設用地的耗水計算結果來看，社會側耗水的占比大小與城市化的發展程度密切相關，城六區是北京市城市化程度較高的城區，這六個區的社會側耗水的占比都接近或超過了50%。從各區自然側和社會側耗水的季節性分布特征來看，自然側耗水在夏季和秋季的占比高于春季和冬季，社會側耗水則是春節和冬季的占比高于夏季和秋季，主要因為北京是典型的北方城市，其夏季和秋季的植被蒸散發量明顯高于春季和冬季，而植被蒸散發是自然側耗水的主要組成部分。對于城六區以外的城區，由于城鎮建設用地的耗水中自然側耗水占主導，因此這些城區耗水強度的季節性差異更加顯著。城六區也呈現夏秋季節的自然側的耗水貢獻率高于或接近社會側耗水貢獻率的特征，由此進一步說明自然側耗水的季節性特征更加明顯。

5 結論