北京城市化進程中綠地生態系統水循環優化研究

王軍

（青海省瑪可河林業局，西寧 810001）

城市化發展和水資源合理利用是一種相互依存相互制約的關系［1］。城市化進程的加快導致城市規模的急劇擴張，不僅影響著城市產業結構、人口數量、生態環境，而且影響著城市用水規模和結構。城市化的發展給城市水資源環境帶來了巨大壓力，北京作為世界嚴重缺水的城市之一，城市水資源短缺逐漸成為城市可持續發展的制約因素［2，3］。在城市化發展的同時，城市生態環境的不斷惡化使社會各界對城市生態系統的保護和建設的需求不斷提高。綠地生態系統作為城市生態系統的重要組成部分，在固碳釋氧、降溫增濕、美化環境等方面發揮著重要的生態功能，但其規模的迅猛發展也伴隨著大量水分的消耗［4］，灌溉用水已成為城市生態用水的重要方面［5］。因此，探究北京城市化水平與生態用水的相互關系和變化規律以及綠地生態系統水資源利用情況能夠明確城市化過程中生態用水方面的問題，對實現城市水資源合理利用和城市可持續發展具有深遠意義。

城市化是人口、經濟、社會和環境發展與相互作用的結果。目前評價城市化水平的方法主要包括單一指標法和綜合評價法［6］。單一指標法主要是通過城鎮人口占總人口比重指標評估城市化水平，評價角度過于單一易導致評價結果誤差較大［7］。綜合評價法是通過構建包括城市發展諸方面的評價指標體系對城市化水平進行綜合評價，力求全面合理地評估地區城市化發展水平，研究者更傾向于采用綜合評價法對區域城市化水平進行評價［8］。城市綠地生態系統耗水是指維持綠地正常生長和生態功能正常發揮所消耗的水量即綠地蒸散發量（Evapotranspiration，ET），包括植物蒸散發用水和地表蒸散發用水［9，10］。研究者從實現城市綠地生態系統水資源合理利用角度出發結合實驗法、渦度相關法以及能量平衡法等多種方法對其用水特征和規律進行了系統的分析［11-13］。但目前研究大多采用單年份監測數據進行分析并忽略了雨水對綠地生態用水的影響，且研究尺度大多局域于某一公園或居民區尺度上，研究結論普遍性不足。在探究城市綠地生態系統水資源利用的同時，國外研究者自19世紀末開始就針對城市綠地生態系統水循環優化進行了大量的系統研究和實踐，目前已形成了較為完整的理論體系，主要包括美國研究者提出的最佳雨水管理措施［14］（Best management practices，BMPs）和低影響開發措施［15］（Low impact development，LID）、英國學者提出的綠色基 礎設施理論［16］（Theory of green infrastructure，GI）以及澳大利亞相關專家提出的水敏性城市建設理論［17］（Water sensitive urban design，WSUD）。上述理論均認為城市海綿體的恢復和構建是提高城市雨水收集和利用能力的有效途徑。國內學者在城市水循環系統優化的相關理論基礎上對城市雨水資源化利用潛力、開發方式等方面進行了深入的研究，結果表明中國潛力巨大，通過恢復自然排水系統、構建城市雨水花園和生態屋頂等措施能夠提高城市雨水利用效率［18，19］。但關于城市綠地生態系統雨水利用與資源化的研究仍處于基礎階段，結合綠地生態系統用水情況對城市綠地生態系統水循環優化分析的研究仍不多見。

本研究立足北京市具體情境，圍繞資源節約的主題，針對北京城市化進程中生態用水和綠地生態系統水循環問題展開深入研究。首先，通過構建城市化水平綜合評價指標體系對北京城市化水平進行系統評價；其次，量化分析北京城市化水平與生態用水的相互關系；最后，結合水量平衡的思想分析城市綠地生態系統用水狀況并識別其潛在的用水問題，在此基礎上提出城市綠地生態系統水循環優化措施，從而為實現城市化發展和水資源合理利用提供科學依據。

1 研究區概況

北京市位于華北平原與內蒙古高原交界處，瀕臨渤海灣。地勢西北高，東南低，西北部地區山地綿延起伏，東南部地區以平原為主，平均海拔為43.5 m。北京市為典型的溫帶半濕潤大陸性季風氣候，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥，年均氣溫10～12℃，全年無霜期180～200 d。北京市年均降雨量為448 mm，降雨大都集中在7—9月且極端降雨現象頻發，汛期雨水資源豐富。北京市2019年總人口為2 153.6萬，其中城鎮人口比重為86.6%，比2001年增長8.54%；人均地區生產總值達16.40萬元，比2001年增長13.87萬元。伴隨著經濟社會快速發展，北京水資源短缺問題日益嚴峻，人均水資源占有量不足150 m3，平原地區地下水平均埋藏深度已超過25 m，水資源短缺將嚴重制約著城市的社會穩定和可持續發展［20］。

2 研究方法與數據來源

2.1 研究方法

2.1.1 城市化水平與生態用水相互關系分析首先，結合相關研究從人口、經濟、社會和環境城市化4個方面共選取15個二級指標，構建綜合評價指標體系（表1），對北京2001—2015年城市化水平進行評價。其次，在對比各類綜合評價方法的基礎上，運用熵權法確定各指標權重，對城市化水平進行綜合評價。

1）原始數據標準化。采用極值法對原始數據進行標準化。其中，正向、負向指標分別采用式（1）、式（2）進行標準化。

式中，yij為第i個指標在j年的標準化數據，取值范圍為［0，1］；xij為第i個指標在j年的原始數據；xmax、xmin為第i個指標的最大值和最小值。

2）熵值計算。在對原始數據進行標準化后，采用式（3）對各指標熵值（hi）進行計算。

3）指標權重確定。利用計算出的各指標熵值，結合式（4）對各指標權重（wi）進行確定（表1）。

表1 北京城市化水平綜合評價指標體系及指標權重

4）城市化水平計算。在各指標權重的基礎上利用式（5）評估研究期間內北京城市化水平（Uj）。

最后，結合Pearson相關系數法和一元線性回歸法對城市化水平與各類城市用水的相互關系進行分析，通過對比各類城市用水與城市化水平的變化趨勢，明確城市化過程中生態用水是否存在問題。其中，構建一元線性回歸模型時自變量均為城市化水平，因變量分別為農業用水（z1）、工業用水（z2）、生活用水（z3）和生態用水（z4）。

2.1.2 城市綠地生態系統水資源利用分析基于水量平衡分析法，從綠地耗水、理論灌溉、雨水資源化潛力方面對北京綠地生態系統水資源利用進行分析。

1）城市綠地生態系統耗水分析。首先，借助ARCGIS 10.2軟件，對北京市2000年與2010年土地利用類型數據進行疊加分析，利用屬性提取工具提取城市綠地斑點數據。其次，通過疊加分析綠地斑點數據和ET-Watch數據，提取并計算2002—2013年北京城市綠地單位面積年均耗水量。最后，結合尺度擴展法對研究時段內各年耗水總量進行計算。計算公式如下：

式中，WETj表示綠地生態系統第j年的蒸散發總量（m3）；ET表示綠地生態系統年均單位面積耗水量（mm）；Aj表示綠地生態系統第j年的面積（m2）。

2）城市綠地生態系統理論灌溉分析。在城市綠地生態系統耗水分析的基礎上，本研究利用水量平衡公式對綠地生態系統理論灌溉量進行估算。由于北京市地下水埋藏深度已超過25 m，平均地下水水位已超過植物根系所能吸水的范圍之外，因此，在計算過程中不考慮地下水供給量。計算公式如下：

式中，WIj表示綠地生態系統第j年的理論灌溉總量（m3）；WPj表示第j年的有效降雨利用總量（m3）；μ表示降雨有效利用系數，該系數與區域內降雨量相關，本研究借用孫紅等［9］評估的北京市有效降雨利用系數（0.70）進行估算；Pj表示第j年的單位面積降雨量（mm）。

3）城市綠地生態系統雨水資源化潛力分析。實地調研發現目前北京城市綠地生態系統的主要水分來源為人工灌溉，雨水等中水資源利用率相對較低。因此，本研究從實現雨水資源有效利用角度出發，結合城市雨水資源化潛力計算公式，對北京綠地生態系統雨水資源化潛力進行估算，并與理論灌溉量進行對比分析，探究雨水資源是否能夠滿足綠地生態系統耗水需要。綠地生態系統雨水資源化潛力計算公式如下：

式中，WRj表示綠地生態系統第j年的雨水資源化潛力（m3）；α表示季節折減系數（汛期降雨量/年降雨量）；β表示徑流系數，相關研究表明北京綠地生態系統降雨徑流系數為0.15，本研究在分析過程中將采用該經驗系數［20］。

2.2 數據來源

北京市2001—2015年經濟社會發展的相關數據源于《北京市統計年鑒》，城市綠化相關數據源于《北京城市綠化資源公報》，水資源相關數據源于《北京市水資源公報》。土地利用類型數據源于中國科學院生態十年遙感監測項目研究成果，分類體系采用IPCC土地覆被分類體系與LCCS土地覆被分類體系，空間分辨率為30 m。蒸散數據為中國科學院遙感所生產的北京市2002—2013年ET-Watch數據，空間分辨率為1 km。該系列數據利用改進的SEBS模型和SEBAL模型反演地表蒸散發，其數據在海河流域通過了多種途徑的驗證，其反演結果與地面觀測結果擬合程度較高。降雨數據源于中國氣象局（http：//data.cma.cn/）監測的北京市2000—2013年站點數據。

3 結果與分析

3.1 北京城市化水平評價結果

2001—2015年北京城市化水平總體呈波動變化趨勢，城市化水平由2001年的0.184上升至2015年的0.818（圖1a）。但不同研究年份間變化趨勢存在一定差異，具體而言可以分為波動變化（2001—2005年）、緩慢上升（2006—2009年）、快速上升（2010—2015年）3個階段。研究期間內城市化水平變化趨勢差異與人口、經濟、社會和環境城市化水平變化趨勢密切相關。第1階段城市化水平最大值出現在2004年（0.384），呈波動變化趨勢主要是社會城市化和環境城市化在該階段內均呈波動變化趨勢，且在2004年均出現峰值。第2階段城市化水平緩慢上升，由0.388上升至0.524，一方面是由于人口、經濟和環境城市化水平上升速度相對較慢，另一方面是由于社會城市化呈下降趨勢。第3階段城市化水平快速上升，由0.524上升至0.818，主要是由于人口、經濟、社會和環境城市化水平均呈快速上升趨勢，變化速度明顯高于其他階段。同時，對比人口、經濟、社會和環境城市化水平變動趨勢可以看出，除2004—2005年外，環境城市化水平均呈上升趨勢，上升程度明顯超過人口和經濟城市化，這說明北京城市生態環境建設水平不斷提高，城市生態系統規模快速擴大，推動了城市化進程（圖1b）。

圖1 2001—2015年北京城市化水平（a）與人口、經濟、社會和環境城市化水平（b）

3.2 北京城市化水平與城市用水關系量化分析

利用R語言對北京市2001—2015年城市化水平與城市用水的相關關系進行分析（表2）。城市化水平與農業用水、工業用水、生活用水、生態用水的相關系數分別為-0.962、-0.891、0.924、0.959，且均在0.01水平上呈顯著相關，該研究結果表明伴隨著北京城市化水平的提高，農業用水和工業用水均呈下降趨勢，而生活用水和生態用水均呈上升趨勢。農業用水和城市化水平的負相關程度大于工業用水和城市化水平的負相關程度，說明農業用水降低幅度高于工業用水降低幅度。生態用水和城市化水平的相關程度大于生活用水和城市化水平的相關程度，說明城市化過程中生態用水增長幅度高于生活用水增長幅度。

表2 北京城市化水平與城市用水相關系數矩陣

在城市化水平和城市用水相關分析的基礎上，本研究分別構建城市化水平與城市用水回歸分析模型，以量化分析城市化水平變化時各類城市用水的變化情況。構建的回歸分析模型如下：

回歸分析模型中R2均大于0.750說明，城市化水平與各類城市用水的回歸模型擬合程度均較高。但不同回歸分析模型的R2存在一定差異表明生態用水與城市化水平的擬合程度最高。從各回歸模型F檢驗結果可以看出，F1、F2、F3和F4均大于顯著性水平為0.005時的臨界值11.75，表明各類城市用水均與城市化水平呈顯著線性關系。同時，根據回歸模型的變量參數可以將城市化水平與各類城市用水的關系分為以下兩類：①農業用水和工業用水均隨著城市化水平提高呈顯著下降，但農業用水的下降趨勢高于工業用水；②生活用水和生態用水均隨著城市化水平提高呈顯著上升，其中生活用水增長趨勢低于生態用水。由此表明城市化水平提高帶來生態用水的快速增加，有效降低生態用水、提高生態用水效率將成為城市水資源合理利用的關鍵。

3.3 北京綠地生態系統水資源利用情況分析

通過疊加分析提取北京市2002—2013年綠地生態系統年均耗水量（圖2）。在研究期間北京綠地生態系統年均耗水量與有效降雨量分別為406.208 mm與360.121 mm。各年間綠地生態系統年均耗水量基本保持穩定，受有效降雨年際變化影響較小。綠地生態系統年均耗水量最大值與最小值分 別 出 現 在2008年（427.292 mm）和2006年（387.714 mm），極差僅為39.578 mm。由此，本研究將綠地生態系統年均耗水量（406.208 mm）作為經驗值，利用尺度擴展法計算2001—2015年北京綠地生態系統耗水總量與理論灌溉總量。

圖2 2002—2013年北京綠地生態系統年均耗水與有效降雨情況

通過計算分析，2001—2015年北京綠地生態系統理論灌溉總量為37.861×108m3，雨水資源潛力為46.073×108m3（圖3）。其中綠地生態系統耗水總量為324.046×108m3，有效降雨利用總量為286.186×108m3。北京綠地生態系統規模不斷擴大導致綠地生態系統耗水總量快速上升。在2001—2008年綠地生態系統規模相對較小且增長速度相對較慢，各年耗水總量均低于20×108m3。而在2008年后綠地生態系統規模急劇擴張，耗水總量隨之急劇增長，該研究階段耗水總量均超過20×108m3。研究期間內降雨量的差異導致各年間理論灌溉總量和雨水資源化潛力存在明顯差異。通過對比各年間綠地生態系統理論灌溉總量和雨水資源化潛力可以看出，研究期間內有5個年份（2008年，2010—2013年）雨水資源化潛力高于其理論灌溉總量，實現上述研究年份雨水的收集，能夠在枯水和特枯年份為綠地生態系統補充灌溉水資源。其他年份雖然其雨水資源潛力小于理論灌溉量，但實現當年雨水的收集利用能夠有效降低人工灌溉水資源投入量。綜上所述，綠地生態系統耗水總量隨著綠地生態系統規模的擴大而不斷增加，但實現雨水資源的有效收集與利用是滿足綠地自身耗水需要的重要途徑。

圖3 2001—2015年北京綠地生態系統水資源利用情況

4 小結與討論

城市生態系統規模的擴大導致生態用水隨城市化水平提高而增加，其水循環水平相對較低導致生態用水增速高于其他類型用水。研究結果表明農業用水和工業用水規模隨城市化水平提高呈顯著下降，而生活用水和生態用水呈顯著上升，且生態用水的上升速率明顯高于其他類型城市用水。導致上述現象的原因可以分為以下兩個方面：一方面城市生態環境不斷惡化促進了城市生態環境的恢復與建設進程，城市生態系統規模不斷提高，在研究期間內僅城市綠地生態系統面積已從30 224 hm2增長至81 305 hm2，從而導致城市生態用水規模不斷提高。另一方面城市生態系統受人類活動影響較大，水循環系統受破壞嚴重，導致其無法有效收集和利用雨水資源，其主要水分來源為地下水和人工灌溉，由此伴隨著城市生態系統規模的擴大，城市生態用水增加將愈發凸顯。因此，實現城市生態系統水循環優化，有效收集和利用雨水資源，減少地下水和人工灌溉比重成為城市水資源合理利用的重要環節之一。

綠地生態系統作為城市生態系統的重要組成部分，實現其水循環優化將有助于降低城市生態用水規模。上述研究結果表明實現降雨的有效收集和利用能夠充分滿足城市綠地生態系統正常生長需要。因此，本研究在相關理論的基礎上結合北京的實際情況，提出綠地生態系統水循環優化措施，包括下凹式綠地構建、生物滯留溝營建、修建滲透井和滲透池等措施。

1）下凹式綠地構建。下凹式綠地是通過降低現有城市綠地的高度，構建人工匯流系統，在防止綠地雨水外流的同時有效收集道路雨水。其具體措施：以城市道路為參照物，綠地高度應低于道路1.5～3.0 cm，便于道路地表徑流自然流入綠地中；同時在綠地合適的位置增設雨水口，雨水口的高度低于綠地0.5～1.0 cm，使綠地無法滲透的雨水通過雨水口流入雨水收集管道中。下凹式綠地設計既能夠有效發揮綠地調節地表徑流的能力，又能夠實現雨水有效滲透和收集，是實現綠地生態系統水循環優化的重要途徑之一。

2）生物滯留溝營建。生物滯留溝營建主要包括植被淺溝和植草洼地營建等措施。在地勢相對較低的區域開挖深度為5～10 cm的淺溝渠，將淺溝表層土壤更換為透水性較好的自然土壤或人工土，并在溝渠內部及兩側種植耐水濕且抗旱的植被。在收集、滲透富裕雨水的同時對雨水進行初步的凈化，減少雨水徑流中的懸浮的固體顆粒和污染物含量，從而在一定程度上降低雨水水質凈化成本，實現雨水資源的有效收集利用。

3）滲透井（池）修建。修建滲透井和滲透池是指在綠地內部修建類似于檢查井或蓄水池的裝置，但其井壁或池壁采用透水性材料，并在其底部和四周鋪設一定面積的透水材料，能夠讓雨水通過裝置的周邊或底部滲透到其內部，對其水質凈化后通過公園輸水裝置流入蓄水湖中，實現雨水的有效回收利用。