劉文博，宋文杰，石 林，趙麗子

（湖南省水利水電科學(xué)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410007）

前 言

水域作為人居環(huán)境的重要組成部分, 起著維持生態(tài)平衡的重要作用，維系著人類社會(huì)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)[1]。長(zhǎng)株潭地區(qū)的江河湖庫(kù)及坑塘、溝渠等水域，在防洪、排澇、供水、灌溉、發(fā)電、航運(yùn)、生態(tài)景觀等方面發(fā)揮了巨大的綜合功能。但自20 世紀(jì)90 年代以來(lái)，隨著長(zhǎng)株潭經(jīng)濟(jì)一體化建設(shè)的推進(jìn)，城市化、工業(yè)化快速發(fā)展，水域大量被占用，已嚴(yán)重影響到水域綜合功能的發(fā)揮。以長(zhǎng)沙市為例，20 世紀(jì)70 年代、90 年代和21 世紀(jì)10 年代的水面率分別為12.75%、6.17%和5.18%[2]，在90 年代水面率急劇降低，目前仍呈下降趨勢(shì)。

水面率是指一定區(qū)域范圍內(nèi)承載水域功能的區(qū)域面積占區(qū)域總面積的比率，但是水面率并不是一個(gè)恒定的數(shù)值，水域面積會(huì)隨著水文年份、不同季節(jié)、水文氣象條件等條件而發(fā)生變化, 因此水面率是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的數(shù)值。通過(guò)對(duì)這些條件綜合分析，結(jié)合水面率對(duì)城市發(fā)展的綜合作用，提出一個(gè)符合人類社會(huì)和水域發(fā)展的協(xié)調(diào)指標(biāo)，對(duì)城市可持續(xù)發(fā)展有著重要意義。因此，科學(xué)合理的水面率需求分析，是開(kāi)展水域管理的重要前提[3]。

在水域和合理水面率研究領(lǐng)域中，國(guó)內(nèi)外作了一些研究和探索，但國(guó)內(nèi)研究主要集中在水域和水面率在防洪排澇領(lǐng)域的影響。如在防洪排澇方面，2014 年孟慧芳等[4]通過(guò)鄞東南平原河網(wǎng)區(qū)水系變化提出受城鎮(zhèn)化等人類活動(dòng)的影響，下墊面和水系變化改變了流域的“產(chǎn)蓄關(guān)系”平衡，區(qū)域產(chǎn)水量的增加、河網(wǎng)調(diào)蓄能力的減弱，使得區(qū)域洪澇災(zāi)害加劇。2016 年劉蕾蕾等[5]通過(guò)一維非恒流數(shù)學(xué)模型，校核河道斷面情況，通過(guò)MATLAB 軟件進(jìn)行求解，確定城市適宜水面率。2017年趙璧奎等人[6]通過(guò)建立區(qū)域降雨和水系水位安全調(diào)蓄變幅的數(shù)學(xué)模型。表明適當(dāng)回復(fù)水域面積可以顯著提升雨洪蓄滯能力。2018 年顧唯甬等[7]運(yùn)用GM 軟件演算出南明河水系變化對(duì)貴陽(yáng)市洪水的影響。

而國(guó)外研究大部分集中在城市水域面積對(duì)城市可持續(xù)發(fā)展和對(duì)城市氣候方面的影響，如日本學(xué)者Yoshikoshi A 等[8]通過(guò)對(duì)東京、大阪、曼谷等不同城市化階段城市的研究，考察水域環(huán)境的變化對(duì)城市氣候的影響。得到結(jié)論是：城市化發(fā)展程度與水域環(huán)境變化密切相關(guān)。城市化發(fā)展程度越高對(duì)水文環(huán)境的影響就越大。Lise Herslund 等[9]通過(guò)非洲撒哈拉地區(qū)城市的研究，探討城市水域?qū)Τ鞘锌沙掷m(xù)發(fā)展的重要性，加強(qiáng)對(duì)城市水域的管理和保護(hù)。JianYong Huang 等[10]對(duì)澳門(mén)水資源緊急情況的處理中得到，城市水域?qū)Τ鞘兴Y源應(yīng)急有著不可取代的作用。美國(guó)學(xué)者Lucas A. Djehdian[11]通過(guò)對(duì)美國(guó)大陸的69 個(gè)都市統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)城市水資源一部分被用來(lái)生產(chǎn)食物和能源，當(dāng)城市水域面積減小，對(duì)食物和能源的供應(yīng)也會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。澳大利亞學(xué)者V.Marchionni[12]通過(guò)估算2017～2018 年3 個(gè)城市的水平衡情況發(fā)現(xiàn)，水域面積大的城市有足夠的水分來(lái)維持樹(shù)木的蒸騰作用，對(duì)城市氣候穩(wěn)定發(fā)揮了巨大的作用。Paul Kirshen 等人[13]通過(guò)對(duì)城市發(fā)展進(jìn)程的研究中發(fā)現(xiàn)水域?qū)Τ鞘械陌l(fā)展有著巨大的影響，無(wú)論是氣候環(huán)境、食品安全保障、人的健康等等。

目前對(duì)于水域變化和水面率對(duì)城市的影響還缺乏系統(tǒng)和全面的分析，必要水面率還沒(méi)有統(tǒng)一的計(jì)算和標(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)前長(zhǎng)株潭地區(qū)水域管理和保護(hù)，面臨的新問(wèn)題、新情況主要包括：水域占用從零星向成片逐年發(fā)展；不合理，甚至是違法水域占用問(wèn)題突出；水域管理和保護(hù)規(guī)劃滯后；分類管理和占補(bǔ)平衡制度尚未建立。因此，需要針對(duì)長(zhǎng)株潭地區(qū)水域特征和水域占用現(xiàn)狀，深入開(kāi)展水域管理技術(shù)與方法研究，其中一項(xiàng)重要的工作就是全面把握現(xiàn)狀水域分布特征，并科學(xué)合理地確定維系長(zhǎng)株潭地區(qū)可持續(xù)發(fā)展所需的水面率。

1 水面率需求計(jì)算方法

長(zhǎng)株潭地區(qū)發(fā)展對(duì)水域總體功能需求水面率計(jì)算公式為：

式中R 為某地區(qū)發(fā)展對(duì)水域總體功能需求的綜合水面率，R1、R2、R3、R4、R5分別為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)供水、行洪排澇、水景觀功能、航運(yùn)功能和生態(tài)環(huán)境功能需求的水面率。

R1：供水需求的水面率是指城市發(fā)展中水域滿足城市人口日常用水所需的水面率，可采用下式進(jìn)行估算：

式中 R——水面率（%）；

W——長(zhǎng)株潭地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展所需供水總量（m3）；

H——區(qū)域內(nèi)水域平均水深（m）；

S——地區(qū)總面積（m2）。

長(zhǎng)株潭地區(qū)供水水域類型主要包括水庫(kù)型水域、河流型水域、坑塘型水域和溝渠型水域，其中溝渠型水域面積非常小，在水面率需求計(jì)算中忽略不計(jì)。各種水域平均水深存在較大差別，供水需求水面率可采用下式估算：

式中 R1——供水需求水面率；

a1、a2、a3——分別為長(zhǎng)株潭地區(qū)水庫(kù)、河流和坑塘供水取水系數(shù)，a1+a2+a3=1；

H1、H2、H3——分別為區(qū)域水庫(kù)、河流和坑塘的平均水深；

其余同上。由于水庫(kù)、河流、坑塘對(duì)供水的貢獻(xiàn)度不同，因此需要在前面乘以供水取水系數(shù)。

R2是指水域功能中起到行洪除澇作用的需求水面率，其計(jì)算公式為：

式中 R2——水域起到行洪除澇需求的水面率；

T——降雨匯流時(shí)間（h）；

Q——洪峰流量（m3/s）；

S——地區(qū)總面積（hm2）；

w1、w2——分別表示計(jì)算區(qū)域內(nèi)水庫(kù)和坑塘所占的蓄洪比例系數(shù)，w1+w2=1，該參數(shù)可通過(guò)調(diào)查長(zhǎng)株潭地區(qū)水庫(kù)和坑塘總蓄水容量計(jì)算獲取。

由于水域生態(tài)環(huán)境功能和航運(yùn)功能沒(méi)有確定的計(jì)算公式計(jì)算，所以通過(guò)采用相關(guān)地區(qū)水域規(guī)劃數(shù)值進(jìn)行整理估算的方法。具體依據(jù)長(zhǎng)株潭3 市的環(huán)境保護(hù)規(guī)范、航運(yùn)發(fā)展規(guī)劃和水資源保護(hù)規(guī)劃。

2 長(zhǎng)株潭地區(qū)水域分布現(xiàn)狀

2014 年和2017 年長(zhǎng)株潭地區(qū)各種類型水域分布情況如圖1 所示?？梢钥闯?，在2014 年和2017 年，各種類型水域所占面積比例基本穩(wěn)定，這說(shuō)明當(dāng)前長(zhǎng)株潭地區(qū)水域占用現(xiàn)象得到了有效的遏制。2017 年，長(zhǎng)株潭水域總面積1 247.02 km2，水面率為4.43%，其中河流383.775 km2，占水域總面積的30.8%；水庫(kù)253.098 km2，占水域總面積的20.3%；坑塘602.492 km2，占水域總面積的48.3%；溝渠7.655 km2，占水域總面積的0.6%。

圖1 長(zhǎng)株潭地區(qū)不同類型水域面積分布情況

3 長(zhǎng)株潭地區(qū)水面率需求分析

3.1 供水需求水面率

長(zhǎng)株潭地區(qū)供水用水類型主要包括農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水、居民生活（含公共用水）和生態(tài)用水4 個(gè)部分。其中工業(yè)用水、居民生活和生態(tài)用水3 個(gè)部分現(xiàn)狀年2017 年用水情況，以及農(nóng)業(yè)用水P=75%的典型年（2013 年）數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 長(zhǎng)株潭地區(qū)用水量數(shù)據(jù)表 億m3

長(zhǎng)株潭地區(qū)農(nóng)業(yè)用水量比較穩(wěn)定，在需水量預(yù)測(cè)時(shí)可以采用2013 年（P=75%）數(shù)據(jù)。工業(yè)用水、居民生活用水和生態(tài)用水隨著工業(yè)增加值的不斷增加，以及城鎮(zhèn)化水平和居民生活品質(zhì)的不斷提高，會(huì)有所增加，但同時(shí)隨著節(jié)水水平的提升，又可以減少相應(yīng)的用水量?；诖?，本文考慮工業(yè)用水、居民生活用水和生態(tài)用水水量每年以3%的速率增加。P=75%情況下，不同時(shí)期長(zhǎng)株潭地區(qū)需水量預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 長(zhǎng)株潭地區(qū)不同時(shí)期需水量預(yù)測(cè)（P=75%） 億m3

由于水庫(kù)、河流和坑塘供水所占百分比不同，因此水面率計(jì)算應(yīng)先對(duì)長(zhǎng)株潭地區(qū)進(jìn)行調(diào)查，獲取不同供水取水系數(shù)。再根據(jù)己有水域統(tǒng)計(jì)資料，分別計(jì)算水庫(kù)、河流和坑塘平均水深。經(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，長(zhǎng)株潭地區(qū)不同水域供水取水系數(shù)和平均水深見(jiàn)表3。

表3 長(zhǎng)株潭地區(qū)不同類型水域供水系數(shù)和平均水深

計(jì)算得到長(zhǎng)株潭地區(qū)P=75%時(shí)不同年份供水對(duì)水面率的需求結(jié)果如圖2 所示。

3.2 行洪排澇需求水面率

圖2 長(zhǎng)株潭地區(qū)P=75%時(shí)不同發(fā)展階段供水水面率需求

對(duì)于洪峰流量的計(jì)算主要是以流域作為計(jì)算單元，而采取水力學(xué)方法計(jì)算洪峰流量適宜于流域地區(qū)面積小，水利條件簡(jiǎn)單。因此水力學(xué)方法計(jì)算洪峰流量對(duì)于整個(gè)長(zhǎng)株潭區(qū)域來(lái)說(shuō)也是不可行的。本研究假設(shè)將整個(gè)長(zhǎng)株潭地區(qū)水域?yàn)橐环忾]流域，采用封閉流域內(nèi)10 年一遇最大暴雨產(chǎn)生的洪峰為標(biāo)準(zhǔn)。地區(qū)性流域設(shè)計(jì)洪峰流量采用如下經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算：

式中 Q——最大洪峰流量（m3/s）；

K——徑流系數(shù)，根據(jù)長(zhǎng)株潭地區(qū)實(shí)際水文情況，本研究取值為0.25；

I——按10 年一遇1 h 最大暴雨強(qiáng)度，根據(jù)長(zhǎng)沙市最新暴雨強(qiáng)度計(jì)算公式，長(zhǎng)株潭地區(qū)取值21.2 mm；

F——流域匯水面積（km2），計(jì)算中取值為2.8×104km2。

經(jīng)計(jì)算，上述假設(shè)封閉流域的洪峰流量為9.84×105m3/s。

本研究w1和w2分別為區(qū)域內(nèi)水庫(kù)和坑塘所占的蓄洪比例系數(shù)，根據(jù)長(zhǎng)株潭地區(qū)實(shí)際情況為0.67 和0.33，H1和H2分別為區(qū)域水庫(kù)和坑塘的平均水深，取值見(jiàn)表3。計(jì)算方法參照行洪除澇的需求水面率的計(jì)算方法，通過(guò)計(jì)算得到長(zhǎng)株潭地區(qū)行洪除澇能力對(duì)水庫(kù)和坑塘水面率需求值分別為0.71%和0.79%，也即對(duì)于長(zhǎng)株潭地區(qū)來(lái)說(shuō)，水庫(kù)和坑塘水面率分別大于0.71%和0.79%，則可滿足行洪除澇需求。

3.3 生態(tài)環(huán)境需求水面率

2017 年，長(zhǎng)沙市共監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)的省級(jí)水功能區(qū)有24個(gè)，根據(jù)水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)和《地表水資源質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程》（SL 395-2007）對(duì)這24 個(gè)省級(jí)水功能區(qū)進(jìn)行評(píng)價(jià)，年度達(dá)標(biāo)的水功能區(qū)占21 個(gè)，總體達(dá)標(biāo)率為87.5%；株洲市在主要江河上布設(shè)水質(zhì)檢測(cè)站14 個(gè)，檢測(cè)河長(zhǎng)555.1 km，全市水功能區(qū)達(dá)標(biāo)率75%，流經(jīng)主要城市和工礦企業(yè)江段區(qū)域的河段水質(zhì)相對(duì)較差。湘潭市在全市主要江河上設(shè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)站10 個(gè)，監(jiān)測(cè)河長(zhǎng)220.0 km，結(jié)果表明全市Ⅱ～Ⅲ類水質(zhì)河長(zhǎng)在汛期和全年均占總評(píng)價(jià)河長(zhǎng)的93.6%，非汛期占總評(píng)價(jià)河長(zhǎng)的64.0%。

水域生態(tài)環(huán)境功能的需求對(duì)于區(qū)域發(fā)展主要是滿足對(duì)水環(huán)境質(zhì)量的需求。2017 年，長(zhǎng)株潭地區(qū)水環(huán)境質(zhì)量狀況均滿足湖南省考核目標(biāo)值，因此長(zhǎng)株潭地區(qū)的現(xiàn)狀水面率就可以作為水域生態(tài)環(huán)境功能的水面率需求，即總水面率4.43%，其中河流1.37%、水庫(kù)0.90%、坑塘2.16%。

3.4 航運(yùn)功能需求水面率

長(zhǎng)株潭地區(qū)河網(wǎng)密集，其中湘江干流長(zhǎng)135 km，區(qū)域內(nèi)湘江一級(jí)支流共有7 條，自上游至下游依次為淥河、涓水、漣水、靳江河、瀏陽(yáng)河、撈刀河與溈水，發(fā)展航運(yùn)具有優(yōu)越的自然條件。

湘江長(zhǎng)沙綜合樞紐自2014 年蓄水通航，打通了湘江干流株洲樞紐～湘潭61 km 河段的瓶頸航運(yùn)河段，確保了干流通航水深在2.6 m 以上，長(zhǎng)株潭地區(qū)通航能力的到了大幅提升[14]。在2016 年長(zhǎng)沙綜合樞紐貨運(yùn)量首次突破1 億t。

長(zhǎng)株潭地區(qū)現(xiàn)有水面率基本滿足航運(yùn)功能需求，因此以現(xiàn)有符合航運(yùn)功能的水面率作為需求水面率，即現(xiàn)有河流水域水面率，為1.37%。

3.5 總體水面需求率

根據(jù)長(zhǎng)株潭地區(qū)發(fā)展對(duì)水域總體功能需求水面率計(jì)算公式，最終可得P=75%時(shí)，不同發(fā)展階段的水面率見(jiàn)表4。

表4 長(zhǎng)株潭地區(qū)P=75%時(shí)不同發(fā)展階段的水面率需求率 %

由表4 可知，在干旱年份（P=75%）長(zhǎng)株潭地區(qū)水面率遠(yuǎn)不能滿足需求。由于水域在防洪、排澇、抗旱、供水和生態(tài)環(huán)境等方面的重要作用，有必要在長(zhǎng)株潭地區(qū)開(kāi)展水域恢復(fù)工作，使水面率逐漸恢復(fù)到20 世紀(jì)90 年代之前的水平。

4 結(jié) 論

長(zhǎng)株潭地區(qū)現(xiàn)狀水域總面積1 247.02 km2，水面率為4.43%，水域面積逐漸趨于穩(wěn)定。但現(xiàn)狀水域水面率遠(yuǎn)不能滿足需求。P=75%時(shí)，經(jīng)計(jì)算2017 年、2027 年和2037 年的水面率需求分別為6.11%、7.15%和8.55%。水面恢復(fù)將是未來(lái)長(zhǎng)株潭地區(qū)水與管理的重點(diǎn)工作。