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(tài)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(tài)需水量；變化規(guī)律；成都市

為了解成都市生態(tài)需水量變化規(guī)律，從城市生態(tài)需水量的概念出發(fā)，對生態(tài)需水量進行分類，總結出成都市生態(tài)需水量主要包括生態(tài)基流需水量、綠地需水量和環(huán)境衛(wèi)生需水量。以2010年為計算水平年，經(jīng)計算成都市生態(tài)需水總量達55.54億m3，其中河道內(nèi)生態(tài)需水量每月基本保持穩(wěn)定，河道外生態(tài)需水量與綠地需水量呈正相關關系；從生態(tài)需水量年內(nèi)變化趨勢來看，當年年末至翌年年初，需水量增加較快，而區(qū)外來水、區(qū)域降水與生態(tài)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(tài)用水需求，可能存在缺水情況。

關于生態(tài)需水量的概念，目前還沒有形成一個系統(tǒng)、科學的理論體系和統(tǒng)一的定義[1]，筆者在查閱大量文獻資料的基礎上，認為生態(tài)需水量是在一定的生態(tài)保護、恢復或建設目標下，在特定的時空范圍內(nèi)，生態(tài)系統(tǒng)達到或維持某種生態(tài)平衡所需要的基本水量，即生態(tài)環(huán)境健康發(fā)展所需要的合理的水量[2]。生態(tài)需水量受生態(tài)系統(tǒng)功能控制，是生態(tài)系統(tǒng)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(tài)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(tài)系統(tǒng)，并形成了較為完善的計算方法，然而針對城市復雜生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)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(huán)境、社會經(jīng)濟條件存在極大差異，致使不同城市生態(tài)需水量的研究內(nèi)容不同[3]?；谏鲜鲅芯?，筆者以成都市為研究區(qū)，根據(jù)研究區(qū)域的特點，構建成都市生態(tài)需水量分類體系，通過對各種生態(tài)需水量的計算，推求研究區(qū)在計算水平年——2010年的生態(tài)需水量，并分析其年內(nèi)的變化趨勢。

1 城市生態(tài)需水量的概念和分類

城市生態(tài)系統(tǒng)是包含自然、社會和經(jīng)濟3個子系統(tǒng)的復雜系統(tǒng)，其生態(tài)需水量主要指城市生態(tài)系統(tǒng)在特定區(qū)域水熱條件下的需水量，即城市生態(tài)系統(tǒng)為維持自身一定的結構、功能和穩(wěn)定狀態(tài)需要消耗的水量[4]。

根據(jù)城市生態(tài)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(jù)空間位置區(qū)分；二級分類，根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)結構區(qū)分；三級分類，根據(jù)生態(tài)功能區(qū)分。目前比較常用的分類方法見表1。

計算成都市生態(tài)需水量時，需考慮河道內(nèi)生態(tài)需水量和河道外生態(tài)需水量。河道內(nèi)生態(tài)需水量中：考慮到成都市河道尤其是城區(qū)河道已高度渠化且研究區(qū)域?qū)儆卺航杏?，河口生態(tài)需水量不在計算范圍內(nèi)；成都市內(nèi)河流泥沙含量較少， 因此可不考慮河道沖沙需水量[5]；生態(tài)基流需水量是河流達到生態(tài)環(huán)境對水量需求的最小水量，稀釋凈化需水量是河流生態(tài)環(huán)境對水質(zhì)需求的最小水量，根據(jù)“木桶短板原理”取二者中的最大值作為需要達到生態(tài)環(huán)境健康發(fā)展的最小河道生態(tài)需水量。根據(jù)成都市污水排放標準規(guī)定，污水需達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)規(guī)定的Ⅲ類水質(zhì)標準才能排放，研究區(qū)污水處理率較高，因此河道稀釋凈化需水量不作為河道內(nèi)主要生態(tài)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(tài)需水量分類

河道外生態(tài)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(tài)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(tài)需水量并入城市凈化生態(tài)需水量中的綠地需水量統(tǒng)一計算；由于梯田、淤地壩壩地用水已歸入農(nóng)田灌溉用水，屬于生產(chǎn)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(qū)，可不考慮防護林草生態(tài)需水量；近年來成都市霧霾天氣出現(xiàn)日益頻繁，為減少空氣中懸浮顆粒數(shù)量，需增加城市環(huán)境灑水量，因此要計算城市凈化生態(tài)需水量中的環(huán)境衛(wèi)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(tài)需水量分類結果見表2。

表2 成都市生態(tài)需水量分類結果

2 河道內(nèi)生態(tài)需水量

成都市河道內(nèi)生態(tài)需水量僅需計算生態(tài)基流需水量。生態(tài)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(nèi)主要河流有南河、西河、錦江、毗河、蒲陽河等。根據(jù)市內(nèi)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(tài)需水量[8]。經(jīng)計算，2010年成都市河道生態(tài)基流量為21.30億m3。

3 河道外生態(tài)需水量

成都市河道外生態(tài)需水量包括綠地需水量和環(huán)境衛(wèi)生需水量，其計算公式為

(1)

式中：WRO為河道外生態(tài)需水量，億m3；Wf為綠地需水量，億m3；Wm為環(huán)境衛(wèi)生需水量，億m3。

目前估算河道外生態(tài)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(fā)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(tài)需水量，屬于直接計算法[9]；水量平衡法、潛水蒸發(fā)法、遙感判讀法是通過計算其他相關要素，反過來推求生態(tài)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(shù)，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(shù)；Kcbmin為缺少植被情況下的最小植物系數(shù)；Kcbfull為植被全覆蓋下的最大植物系數(shù)；fceff為有效植被覆蓋度，%；h為研究區(qū)的平均植被高度，m；P0為標準大氣壓，hPa；P為研究區(qū)平均氣壓，hPa；Δ為水氣壓變化率；γ為溫度計常數(shù)，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(huán)境衛(wèi)生需水量

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

4 生態(tài)需水量計算結果分析

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

分析上述結果，從生態(tài)需水量的構成來看，生態(tài)基流需水量和綠地需水量是成都市生態(tài)需水量的重要組成部分，所占比重較大，因此在城市生態(tài)水資源調(diào)配時應充分重視并優(yōu)先滿足二者的水量供給，二者供應不足時河道生態(tài)系統(tǒng)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(tài)系統(tǒng)平衡。從成都市河道內(nèi)和河道外生態(tài)需水量的比較可以看出：河道內(nèi)生態(tài)需水量主要與生態(tài)基流需水量有關，年內(nèi)需水量變化較為平緩；河道外生態(tài)需水量主要受綠地需水量控制，其年內(nèi)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(qū)還處于枯水期，因此可能出現(xiàn)供水不足的情況，對城市生態(tài)水量供應提出挑戰(zhàn)；而在需水量下降階段，研究區(qū)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(tài)用水需求。

圖1 2010年成都市生態(tài)需水量統(tǒng)計結果

表3 2010年成都市生態(tài)需水量統(tǒng)計 億m3

通過分析可以看出，成都市生態(tài)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。

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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