城市綠地生態(tài)系統(tǒng)合理供水辨識(shí)分析

徐 鶴 褚俊英 劉家宏 秦大庸

(中國(guó)水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100038)

城市綠地生態(tài)系統(tǒng)合理供水辨識(shí)分析

徐 鶴 褚俊英 劉家宏 秦大庸

(中國(guó)水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100038)

城市綠地因具有美化環(huán)境、降低空氣污染、控制城市熱島等作用而日益得到重視。合理的城市生態(tài)供水不僅有益于植被的正常生長(zhǎng)，對(duì)城市水資源合理配置同樣具有積極意義。為統(tǒng)籌城市生態(tài)與國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，保證綠地健康，需要合理的綠地供水管理。本文以土壤含水量為標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)田間持水量、臨界土壤含水量和凋萎系數(shù)三個(gè)土壤含水量值劃分不同等級(jí)的綠地需水量，將供水量分為四個(gè)等級(jí)，建立了城市綠地供水合理性評(píng)價(jià)模型，為有效辨識(shí)供水合理性提供了參照依據(jù)。以2009年北京市城市綠地供水為例，進(jìn)行了供水合理性分析，結(jié)果表明，從全年來(lái)看，供水基本合理，雖然綠地蒸散發(fā)受到一定抑制，但不影響植被生長(zhǎng);從逐月供水來(lái)看，個(gè)別月份存在供水過(guò)少或過(guò)多現(xiàn)象，影響植被生長(zhǎng)，且不利于水資源合理利用。

城市綠地;供水量;合理性評(píng)價(jià);土壤含水量

隨著生活水平的提高，人們對(duì)生活環(huán)境的要求也逐漸提高，城市生態(tài)建設(shè)顯得日益重要，城市綠地率、綠化覆蓋率、人均綠地面積等已成為城市建設(shè)和規(guī)劃的重要指標(biāo)。目前，城市綠地規(guī)劃供水多采用定額法和水量平衡法［1］，且多以年為時(shí)間尺度，沒(méi)有考慮植被需水的年內(nèi)變化。在用水的核算和供水合理性分析方面，魏彥昌等［2］以生態(tài)用水率為指標(biāo)分析了海河流域城市生態(tài)用水的合理性，范源等［3］建立了基于生態(tài)價(jià)值的生態(tài)用水分配優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，對(duì)生態(tài)供水分配方法進(jìn)行了探討，但都是統(tǒng)籌生態(tài)與經(jīng)濟(jì)供水合理性，沒(méi)有對(duì)生態(tài)系統(tǒng)本身用水合理分析。本文以生態(tài)系統(tǒng)自身需水為基礎(chǔ)，以土壤含水量對(duì)綠地需水過(guò)程的影響為依據(jù)，建立了城市綠地系統(tǒng)合理供水評(píng)價(jià)模型，為合理的人工灌溉提供了參考依據(jù)。

1 綠地生態(tài)系統(tǒng)用水過(guò)程特點(diǎn)

綠地生態(tài)系統(tǒng)用水方式主要是植被的蒸騰和生長(zhǎng)、土壤蒸發(fā)等，供水來(lái)源包括降水的有效利用和人工補(bǔ)充灌溉。在生態(tài)系統(tǒng)用水過(guò)程中，呈現(xiàn)出時(shí)間分布、空間分布和主觀目的等特性。在補(bǔ)充灌溉時(shí)，應(yīng)充分考慮這些特征，以保障生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展，有利于水資源的合理高效利用。

(1)時(shí)間分布特性。一方面，由于植物的生長(zhǎng)節(jié)律和土壤蒸發(fā)強(qiáng)度的時(shí)間變化，使生態(tài)系統(tǒng)用水呈季節(jié)性變化，另一方面，生態(tài)用水和國(guó)民經(jīng)濟(jì)用水的統(tǒng)籌受來(lái)水影響，造成生態(tài)用水量和用水比例逐年不同。時(shí)間分布特征也表現(xiàn)出生態(tài)用水的動(dòng)態(tài)性［4］。

(2)空間分布特性。植被在空間上的分布直接決定了生態(tài)系統(tǒng)用水量的空間分布，對(duì)于不同城市，受植被覆蓋率、植被種類(lèi)、土壤種類(lèi)和質(zhì)地、城市發(fā)展程度、可用水量、用水統(tǒng)籌等影響，生態(tài)用水量截然不同，亦呈現(xiàn)出空間分布特性。

(3)主觀目的特性。主要體現(xiàn)在恢復(fù)或建設(shè)目標(biāo)上，植被種植用途、植被種植種類(lèi)、綠地灌溉時(shí)間與灌溉水量等因素，都影響著用水范圍分布與用水量大小。

2 城市綠地生態(tài)系統(tǒng)合理供水評(píng)價(jià)模型

對(duì)城市綠地生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)供水的評(píng)價(jià)應(yīng)從供水量和生態(tài)需水量?jī)煞矫孢M(jìn)行比較來(lái)評(píng)價(jià)。人工灌溉是在降雨有效利用的基礎(chǔ)上對(duì)城市生態(tài)需水的滿足，供水量不一定合理，尤其在水資源相對(duì)匱乏的地區(qū)，大部分生態(tài)系統(tǒng)用水被國(guó)民經(jīng)濟(jì)用水?dāng)D占;而生態(tài)需水是從生態(tài)系統(tǒng)本身的角度來(lái)研究生態(tài)系統(tǒng)與廣義水資源間的關(guān)系，與相應(yīng)的生態(tài)保護(hù)、建設(shè)目標(biāo)直接相關(guān)，恢復(fù)或建設(shè)目標(biāo)不同，生態(tài)需水量就不同，生態(tài)需水是相對(duì)合理的水量［5］。

2.1 模型計(jì)算公式

城市綠地用水主要包括植物蒸騰作用、棵間蒸發(fā)、制造有機(jī)物質(zhì)、維持植被生存的土壤含水等;用水來(lái)源有降雨利用和人工灌溉兩部分，根據(jù)水量供需平衡，供水量為植被總需水量與降水有效利用量之差，其公式為式中:W'G(t)為時(shí)段內(nèi)的供水量，WEi(t)、WPi(t)、WSi(t)分別為綠地蒸散發(fā)需水量、植物生長(zhǎng)需水量、保持植被生存的土壤含水需水量，m3;PGi為植被有效降雨利用量，m3;其中i代表不同植被種類(lèi)，t代表不同時(shí)間，下同。

(1)綠地需水項(xiàng)計(jì)算。公式中各需水項(xiàng)計(jì)算公式如下［6－8］:

式中:AG為城市綠地面積，hm2;Ep為綠地蒸散量，mm/t;Wp根據(jù)植被自身的含水量和植被蒸散量的比例大約為1∶99來(lái)計(jì)算;Kc為作物系數(shù)，用來(lái)衡量作物本身的蒸騰特性，它與作物的種類(lèi)、生長(zhǎng)階段等因素有關(guān);Ks為作物地下水脅迫系數(shù)，與土壤含水量有關(guān);ET0為參考作物需水量，mm;h為土壤深度，m;ρ為土壤容重，g/cm3;ε(t)為土壤含水量系數(shù)。

ET0采用Penman綜合法計(jì)算:

式中:P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，hPa;P為計(jì)算地點(diǎn)平均大氣壓，hPa，實(shí)測(cè)或根據(jù)高程查表;Δ為飽和水汽壓與溫度變化曲線上當(dāng)溫度T在某一定值時(shí)的效率，hPa/℃;γ為溫度計(jì)常數(shù)，0.66 hPa/℃;Rn為太陽(yáng)凈輻射，以所能蒸發(fā)的水層深度計(jì)(mm/d);Ea為干燥力或稱安全檢查氣動(dòng)力學(xué)項(xiàng)，mm/d。

作物地下水脅迫系數(shù)Ks在土壤水分充足時(shí)，綠地蒸散量的計(jì)算一般不考慮此項(xiàng)，當(dāng)水分不充足時(shí)，綠地蒸散量才表現(xiàn)為地下水脅迫。具體脅迫系數(shù)表達(dá)如下［9］:

式中:θ為土壤實(shí)際含水量占田間持水量的百分?jǐn)?shù)，%;θc1為土壤水分絕對(duì)充分的臨界土壤含水量，%;θc2為土壤水分脅迫臨界土壤含水量，%;α為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

(2)綠地有效降雨利用計(jì)算。確定降水有效性要涉及很多途徑和過(guò)程，其主要影響因子包括降水特性、土壤特性、作物蒸發(fā)蒸騰速率和灌溉管理等因子。城市綠地生態(tài)系統(tǒng)的有效降雨量是被植物截留、蒸騰和生長(zhǎng)以及土壤蒸發(fā)所利用的降雨量。本研究計(jì)算有效降雨利用量的公式如下:

式中:μ為作物降雨利用系數(shù)，無(wú)量綱;P為降雨量，mm;AG為植被覆蓋面積，km2。

2.2 合理供水評(píng)價(jià)分析

根據(jù)公式(2)至公式(7)可以看出，綠地蒸散需水量和土壤需水量都受土壤含水量的影響。因此，以土壤含水量為控制變量，根據(jù)田間持水量、臨界土壤含水量、凋萎系數(shù)劃分不同等級(jí)的綠地需水量，對(duì)應(yīng)的三個(gè)供水量分別為最大供水量Wmax、臨界供水量Wsuit和最小供水量Wmin，從而將供水量分為A、B、C、D四個(gè)等級(jí):

式中:A等級(jí)的供水量大于Wmax，此時(shí)土壤含水量大于田間持水量，土壤水不能被植物吸收利用，表現(xiàn)為供水量過(guò)多;B等級(jí)的供水量介于Wmax和Wsuit之間，土壤含水量處于臨界土壤含水量與田間持水量之間，綠地蒸散發(fā)作用基本不受土壤水脅迫，可以正常代謝，表現(xiàn)為供水最適宜;C等級(jí)供水量介于Wsuit與Wmin之間，土壤含水量在臨界土壤含水量與凋萎系數(shù)之間，植被正常代謝受到抑制，但仍然可以從土壤中吸收水分，不致凋萎，表現(xiàn)為供水量一般;處于D等級(jí)的供水量小于Wmin，土壤含水量達(dá)不到凋萎系數(shù)，植被無(wú)法利用土壤水完成代謝，表現(xiàn)為供水量過(guò)少。

在統(tǒng)籌國(guó)民經(jīng)濟(jì)用水與生態(tài)用水過(guò)程中，可以參考不同時(shí)期的綠地補(bǔ)給量等級(jí)，為生態(tài)進(jìn)行合理的人工灌溉供水。

3 案例研究——北京市城市綠地生態(tài)供水合理性判斷

3.1 研究區(qū)概況

北京市屬溫帶半干旱半濕潤(rùn)性季風(fēng)氣候，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥，春、秋短促。年平均氣溫10℃ －12℃，1月份 －7℃ － －4℃，7月份25℃ －26℃。1951至2000年系列平均降雨量603 mm，季節(jié)分配很不均勻，全年降水的75%集中在夏季，7、8月常有暴雨。

本次研究?jī)H分析北京市市區(qū)生態(tài)綠地供水量的合理性，包括公園綠地、防護(hù)綠地、生產(chǎn)綠地及附屬綠地等，總面積61 695.42 hm2，根據(jù)北京市氣候特點(diǎn)，11月至次年2月無(wú)綠地灌溉過(guò)程，供水合理性分析僅考慮3至10月的逐月供水過(guò)程。

3.2 參數(shù)選擇

綠地生態(tài)系統(tǒng)供水合理性分析依據(jù)綠地蒸散發(fā)需水、植被生長(zhǎng)需水、土壤需水和降雨有效利用系數(shù)等項(xiàng)，計(jì)算參數(shù)有氣象參數(shù)、植被參數(shù)和土壤參數(shù)。氣象參數(shù)參考1991－2000年北京市密云氣象站的逐日氣象資料和2009年北京市水資源公報(bào)，以及2009年海河流域水資源公報(bào)，包括氣壓、日平均氣溫、日最高溫、日最低溫、降雨、濕度、風(fēng)速和日照時(shí)間等實(shí)測(cè)數(shù)據(jù);植被僅考慮常綠喬木、落葉喬木、灌木和草坪等四類(lèi)，作物系數(shù)Kc值參考陳麗華［10］、趙炳祥［11］等，植被面積采用北京市園林綠化2009年統(tǒng)計(jì)資料;土壤參數(shù)參考王啟山［12］、崔曉陽(yáng)［13］等，華北平原壤土的平均田間持水量為0.31，凋萎系數(shù)為0.12，根據(jù)楊志峰等［14］，臨界土壤含水量大約為田間持水量的70% －80%，取70%作為臨界土壤含水量，土壤容重為1.55 g/m3，喬木、灌木和草本植物的有效土層厚度分別為1.2 m、0.6 m 和 0.3 m。

3.3 結(jié)果與討論

通過(guò)計(jì)算分析，2009年北京市綠地臨界供水量3.18億 m3，最小供水量2.23億 m3，實(shí)際供水量為2.96億 m3，屬于C等級(jí)，綠地蒸散發(fā)受到一定抑制，但不影響植物生長(zhǎng)。供水合理性分析曲線與實(shí)際供水曲線如圖1所示。

從圖1中可以看出:

(1)綠地需水的年內(nèi)時(shí)間分布特性顯著，是植被生長(zhǎng)節(jié)律和降雨、氣溫、日照時(shí)間、風(fēng)速等氣象因素共同作用結(jié)果。

圖1 綠地生態(tài)系統(tǒng)供水合理性分析曲線Fig.1 Rationality analysis curve of water resources supply for urban green space

(2)土壤含水量對(duì)綠地需水具有顯著影響，三個(gè)供水量 Wmax、Wsuit和 Wmin差值明顯，各月 Wmax和 Wmin均相差 0.2億m3以上。

(3)北京市綠地生態(tài)系統(tǒng)供水應(yīng)集中在4、5、6和9月四個(gè)月，而8月供水量應(yīng)該最小。這是因?yàn)?，蒸發(fā)量和降雨量從3月至10月，均呈先增后減趨勢(shì)，但蒸發(fā)量在6月達(dá)到最大值，降雨量在7月達(dá)到最大值，蒸發(fā)與降雨的差值過(guò)高，得不到降雨補(bǔ)充水，且植被在生長(zhǎng)茂盛，需水量大，使供水需求最大，但9月份，蒸發(fā)與降雨的差值較低，且植被逐漸凋落，需水量小，9月的供水量應(yīng)小于5、6月份;在7、8兩月，降雨量遠(yuǎn)高于其它月份，植被對(duì)降雨的充分利用，灌溉需求較小，尤其是8月，降雨量已大于蒸發(fā)量，導(dǎo)致灌溉需求達(dá)到最低值。

(4)北京市綠地生態(tài)系統(tǒng)實(shí)際供水存在一定的不合理性，這主要體現(xiàn)在，3月至6月供水過(guò)少，尤其是5月，已經(jīng)低于最低供水量，土壤含水量低于凋萎系數(shù)，植被蒸騰受到脅迫，不利于植被的正常生存生長(zhǎng);而8月份供水過(guò)高，土壤含水量高于田間持水量，植被無(wú)法利用，水資源沒(méi)有得到高效合理利用。

4 結(jié)論

本文對(duì)城市綠地生態(tài)系統(tǒng)供需水平衡進(jìn)行了研究，給出了城市綠地供水量的合理性評(píng)價(jià)模型。研究以土壤含水量為變量，將供水量分為最大、合理和最小三個(gè)極值，并以此為界限，將供水量由大到小分為A、B、C、D四個(gè)等級(jí)，依次代表供水過(guò)多、適宜、一般和過(guò)少。在對(duì)模型研究的基礎(chǔ)上，以北京市2009年3至10月逐月城市綠地供水的合理性進(jìn)行了分析，認(rèn)為全年供水水平處于C等級(jí)，但存在供水過(guò)多或過(guò)少的不合理月份，應(yīng)在之后的供水中適當(dāng)調(diào)整，合理配置水資源。根據(jù)北京市園林綠化發(fā)展規(guī)劃，未來(lái)年份將提高喬木和灌木的比例，城市綠地生態(tài)系統(tǒng)需水將進(jìn)一步增加，保證綠地合理供水對(duì)優(yōu)化水資源配置更為重要。

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Rationality Analysis of Water Resources Supply for Urban Green Space

XU He CHU Jun-ying LIU Jia-hong QIN Da-yong
(State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basins，China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing，100038)

Urban green space has become more important for the functions of beautifying the environment，reducing air pollution，controlling urban heat islands.Rational water supply quantity can keep plants growing well and be benefitial to the rational allocation of water resources.To plan well the ecosystem and economic development，keep green space healthy，rational water supply management for urban green space is in urgent need.A rationality analysis model of water resources utilization for urban green space was established.Based on field water containing capacity，critical soil water content and wilting coefficient，the water supply in the model was classified into four grades which provided criterions for identifying the rationality of water resource supply.Beijing was taken for an example to evaluate the urban green space water supply in the year of 2009.The results showed that for the whole year the supply was rational and plants'growth was not influenced although evapotranspiration was inhibited.However，in some months water supply was not enough or superabundant，which inhibited plants'growth and was not favorable to the rational utilization of water resources.

urban green space;water resource supply;rationality analysis;soil water content

TV212.5

A

1002－2104(2012)06－0136－04

10.3969/j.issn.1002－2104.2012.06.022

(編輯:常 勇)

2011－11－06

周厚智，碩士生，主要研究方向?yàn)橥恋亟?jīng)濟(jì)與土地整理項(xiàng)目管理。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào):71073065，70773045);中國(guó)博士后基金項(xiàng)目(編號(hào):20100471194)。