再生水補(bǔ)給城市河道的生態(tài)服務(wù)價值預(yù)測

李 莉

(上海市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計研究院，上海 200232)

1 研究背景

河流是城市生態(tài)空間的重要組成部分，針對天然水資源稟賦較差的地區(qū)，在城市環(huán)境中建造生態(tài)景觀河流存在相當(dāng)?shù)碾y度，因此合理規(guī)劃水系布局、調(diào)節(jié)水資源配置、改善水質(zhì)情況是支撐生態(tài)文明城市建設(shè)的重要舉措之一[1]。缺水地區(qū)受水量條件制約往往需要通過向河流補(bǔ)水來滿足水系規(guī)劃對水面率或生態(tài)基流的要求，生態(tài)補(bǔ)水工程作為改善水量水質(zhì)條件的重要措施，在國內(nèi)外均有不少成功的案例[2]。近年來再生水也逐漸成為河流補(bǔ)水的重要水源之一，但由于再生水的水量和成本制約，有必要對規(guī)劃階段水系的再生水補(bǔ)水效果進(jìn)行模擬與評價，量化再生水用于河道補(bǔ)水所創(chuàng)造的價值，以表征其對環(huán)境帶來的正面效益。

20世紀(jì)70年代以來，國內(nèi)外關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值、水生態(tài)系統(tǒng)評價等方面的研究進(jìn)展顯著[3-4]。從性質(zhì)上可分為功能評價和服務(wù)價值評價兩個范疇，前者指系統(tǒng)本身具有的能力和屬性，后者則強(qiáng)調(diào)以人類為主體獲得的福利，前者為后者存在的基礎(chǔ)。在服務(wù)價值評價的范疇內(nèi)，聯(lián)合國于2003年發(fā)布千年生態(tài)系統(tǒng)評估報告，將生態(tài)服務(wù)定義為人類從生態(tài)系統(tǒng)中獲得的產(chǎn)品和服務(wù)[5]，包括支持、供給、調(diào)節(jié)和文化服務(wù)4類，該方法形成了至今廣泛認(rèn)可并使用的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評價框架。價值評價的重點在于其量化方法，現(xiàn)有的主流方法有實物量、價值量(貨幣)、能值這三類量化媒介[6-7]。

由于規(guī)劃階段數(shù)據(jù)的稀缺性，本研究通過將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評價理論體系與規(guī)劃水系模型相耦合的方法，以模型模擬結(jié)果作為評價的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，利用替代工程法、市場價值法等貨幣化方法預(yù)測不同再生水補(bǔ)水量條件下河流能為人類社會提供的服務(wù)價值，并以某城市規(guī)劃待建水系為案例開展應(yīng)用研究，預(yù)測得到一定的響應(yīng)關(guān)系，為規(guī)劃方案的可行性提供一定的科學(xué)依據(jù)。由于河流生態(tài)服務(wù)價值評價旨在關(guān)注水系規(guī)劃方案實施后可能對人類社會提供的潛在價值，因此可用于進(jìn)一步區(qū)分不同方案間的差異并進(jìn)行趨勢性分析，同時賦予河流這一類自然資源更具象直觀的價值意義。

2 研究方法

2.1 案例區(qū)概況

本研究選取的案例區(qū)位于我國北方缺水地區(qū)，處于規(guī)劃改建階段的某城市，相關(guān)規(guī)劃正在編制中。案例區(qū)總面積約為200km2，地勢低洼平坦，規(guī)劃新建河道共二十余條，總長度約144.2 km，呈縱橫交錯的環(huán)狀河網(wǎng)布局。天然河流的消落導(dǎo)致規(guī)劃中的水系多為非天然的人工河道，需從零開挖與修建，且現(xiàn)狀下墊面仍以農(nóng)田耕地、村鎮(zhèn)建筑等為主，在此條件下新建人工水系并期望恢復(fù)河流的生態(tài)特性、營造良好的景觀效果不僅在規(guī)劃上具有較高的不確定性，在實際工程上也缺乏完整可靠的方案。因此急需對不同補(bǔ)水條件下的水量水質(zhì)響應(yīng)情況進(jìn)行預(yù)測模擬，為營造良好的生態(tài)景觀水系提供技術(shù)支撐。由于案例區(qū)內(nèi)水量水質(zhì)條件的限制，因此考慮采用再生水、雨水、上游來水等多水源補(bǔ)水的形式來維持常時水量，其中再生水為優(yōu)先考慮的水源，規(guī)劃由8座新建再生水廠供給。

2.2 河道模型構(gòu)建

2.2.1 模型簡介

本研究選用DHI公司的水環(huán)境模型軟件Mike Hydro River來模擬案例區(qū)水系的水動力水質(zhì)演變過程，涉及RR降雨徑流、HD水動力和ECO lab水質(zhì)共3個模塊。其中，水動力模塊采用隱式差分法求解一維非恒定流圣維南方程組，輸出河道流量、水深、流速等結(jié)果；水質(zhì)模塊考慮污染物的稀釋擴(kuò)散及大氣復(fù)氧、有機(jī)物降解、硝化/反硝化等生化反應(yīng)過程。

2.2.2 計算條件與輸入數(shù)據(jù)

模型的邊界條件涉及水量和水質(zhì)兩方面，本研究的輸入數(shù)據(jù)主要來源于案例區(qū)2019年的初步規(guī)劃方案和歷史30年的氣象、水文 、水質(zhì)資料以及城市統(tǒng)計年鑒等，由于實測數(shù)據(jù)稀缺，部分?jǐn)?shù)據(jù)通過查閱標(biāo)準(zhǔn)或華北相似地區(qū)的經(jīng)驗值作為參考。

2.2.2.1 水量邊界：上游來水和再生水均以點源的形式輸入模型。通過分析上游天然河流的歷史流量數(shù)據(jù)，設(shè)上游來水水量為0.5 m3/s；再生水水量分配參照案例區(qū)再生水廠規(guī)劃出水規(guī)模和回用于河道的比例，規(guī)劃補(bǔ)水總量為2 000萬m3/a，補(bǔ)水時間均簡化為連續(xù)式補(bǔ)水的形式；由于案例區(qū)水系下游最終匯入受納水體B，故下游邊界采用該水體的實際歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)。降雨徑流以分布式面源的形式加入模型，通過統(tǒng)計分析近30年的逐日降雨序列，選取2002、2009、2008年作為枯、平、豐水年，用運(yùn)動波法進(jìn)行模擬?？紤]案例區(qū)用地類型和海綿城市建設(shè)要求，將不同水文年的年徑流總量控制率分別設(shè)為80%、75%、70%。通過對比不同水文年的模擬結(jié)果，分析得知降雨徑流在經(jīng)過控制措施后對案例區(qū)河道的整體影響較小，因此在后續(xù)模擬中以相對最不利的枯水年作為基礎(chǔ)背景進(jìn)行模擬，不再對不同水文年做討論。除此以外，蒸發(fā)量參考臨近氣象站的逐日統(tǒng)計數(shù)據(jù)；河道下滲量結(jié)合當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)資料中的含水層巖性和土質(zhì)類型，參考不同土壤的經(jīng)驗滲透系數(shù)，取下滲系數(shù)為0.005 m/d。

2.2.2.2 水質(zhì)邊界：模型中水質(zhì)變量包括生化需氧量、氨氮、總氮、總磷和溶解氧，污染源包括點源和徑流面源。再生水的水質(zhì)輸入負(fù)荷參考各類排放標(biāo)準(zhǔn)中的限值并從嚴(yán)選擇，包括《再生水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(SL 368-2006)、《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)、《北京市水污染綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 11/ 307-2013)；雨水徑流污染物濃度參考同省相近區(qū)域的監(jiān)測數(shù)據(jù)，LID設(shè)施對徑流污染物的削減率設(shè)為50%；外部水質(zhì)邊界則分別參考上游天然河流和下游受納水體的歷史水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2.3 再生水補(bǔ)水量方案設(shè)計

初步規(guī)劃中，再生水向水系的補(bǔ)水總量為2 000萬m3/a，由于模型模擬結(jié)果表明該規(guī)劃補(bǔ)水量無法支撐水系整體達(dá)到較為健康的水平，因此在該基礎(chǔ)上合理增加補(bǔ)水量，通過模擬若干高補(bǔ)水量的情景，來分析補(bǔ)水量的增加對提升河流生態(tài)服務(wù)價值的作用和相互關(guān)系。由于8座規(guī)劃新建再生水廠的出水總量約為9 205萬m3/ a，扣除供給市政雜用的水量后，剩余可利用量為6 085萬m3/ a。故在規(guī)劃補(bǔ)水量的基礎(chǔ)上，設(shè)計2倍、3倍補(bǔ)水量情景，作為現(xiàn)階段再生水可供給水系的最高補(bǔ)水量限值；另外，為了充分了解上升趨勢，增加10倍補(bǔ)水量情景作為極端情景進(jìn)行分析。規(guī)劃共設(shè)4處補(bǔ)水點，將不同補(bǔ)水量情景下分配至各個點的流量輸入折算為均值后參見表1。

表1 補(bǔ)水量情景方案設(shè)計

2.4 評價指標(biāo)體系

國內(nèi)對于水生態(tài)服務(wù)的研究中，較具有代表性的是歐陽志云等人所建立的理論體系以及由此延伸出的對于河流、水庫、湖泊、沼澤的分類評價方法[8]。本研究參考現(xiàn)有的評價框架[9-10]，以規(guī)劃待建的景觀生態(tài)河流作為評價對象，識別其主要功能與潛在服務(wù)價值類型，對指標(biāo)進(jìn)行重新篩選，主要原則包括：數(shù)據(jù)可得性、可量化性、必要性、相對獨立性和完整性，最后得到共7項指標(biāo)Bij(參見表2)。采用河流生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)價值總量B來描述服務(wù)價值評價指標(biāo)的集成結(jié)果，B值越高，說明規(guī)劃水系潛在的創(chuàng)造服務(wù)價值的潛力越高。計算公式如下：

B=∑Bij

Bij為各單項指標(biāo)。

將指標(biāo)體系應(yīng)用于案例區(qū)評價時，計算各個單項指標(biāo)所需的參數(shù)主要來源于案例區(qū)環(huán)境統(tǒng)計數(shù)據(jù)、相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)、相近地區(qū)的研究經(jīng)驗或全球統(tǒng)計數(shù)據(jù)等[11～13]。

表2 案例區(qū)河流生態(tài)服務(wù)價值評價體系

續(xù)表2

3 結(jié)果與分析

3.1 河流生態(tài)服務(wù)價值計算結(jié)果

通過不同補(bǔ)水量情景下案例區(qū)水系的模型模擬結(jié)果，對其潛在生態(tài)服務(wù)價值進(jìn)行計算，結(jié)果如表3所示，在規(guī)劃補(bǔ)水量情景下，現(xiàn)階段可計算的河流生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值總量約為1.995億元。補(bǔ)水量的增加可提升水系常態(tài)下對其水深和水面率等條件的維持能力，因此河流生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)價值總量將得到明顯的提高。對不同補(bǔ)水量情景下的計算結(jié)果進(jìn)行分析后，可見在規(guī)劃補(bǔ)水量的基礎(chǔ)上平均每增加1倍補(bǔ)水量可增加約0.4～0.5億元的服務(wù)價值。

表3 不同補(bǔ)水量情景下河流潛在服務(wù)價值計算結(jié)果

3.2 河流生態(tài)服務(wù)價值占比分析

景觀生態(tài)河流的生態(tài)服務(wù)價值類型主要涉及調(diào)節(jié)服務(wù)與文化服務(wù)兩大類，分別對規(guī)劃補(bǔ)水量和3倍補(bǔ)水量情景下不同服務(wù)價值指標(biāo)的占比進(jìn)行分析，如圖1所示，可知氣候調(diào)節(jié)、洪水調(diào)蓄和水量存貯始終是占比最高的前三位指標(biāo)，在規(guī)劃情景下分別占總量的43.2%、41.6%、15.0%；由于水量存貯和洪水調(diào)蓄都是針對水資源調(diào)節(jié)的指標(biāo)，因此二者對補(bǔ)水量增加而產(chǎn)生的變化較為敏感，在3倍補(bǔ)水量情景下，氣候調(diào)節(jié)、洪水調(diào)蓄和水量存貯的占比分別為56.4%、23.2%、20.1%。除此之外，文化服務(wù)對補(bǔ)水量變化的敏感性較低。

圖1 案例區(qū)水系服務(wù)價值指標(biāo)占比

3.3 河流生態(tài)服務(wù)價值與補(bǔ)水量的響應(yīng)關(guān)系

對服務(wù)價值總量以及3個重要指標(biāo)與再生水補(bǔ)水量的數(shù)值關(guān)系分別進(jìn)行擬合，如圖2所示，各指標(biāo)曲線的擬合程度均較高，且案例區(qū)河流生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)價值總量與補(bǔ)水量有較好的正相關(guān)關(guān)系，充分說明再生水用于河道補(bǔ)水可以帶來的正面價值，也為預(yù)測評估不同補(bǔ)水量條件下的服務(wù)價值總量提供了一定的依據(jù)。

圖2 服務(wù)價值與補(bǔ)水量關(guān)系曲線

4 結(jié) 論

本文通過構(gòu)建規(guī)劃水系模型與生態(tài)服務(wù)價值評價相耦合的方法，為數(shù)據(jù)稀缺條件下的服務(wù)價值評價提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，也通過對案例區(qū)規(guī)劃河流生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值與再生水補(bǔ)水量關(guān)系的分析得到了一定的響應(yīng)關(guān)系。研究結(jié)果表明，在規(guī)劃補(bǔ)水情景下案例區(qū)潛在的河流服務(wù)價值總量約為1.995億元；其中氣候調(diào)節(jié)、水量存貯和洪水調(diào)蓄是服務(wù)價值占比最高的前三位指標(biāo)，同時也是受補(bǔ)水量影響最敏感的指標(biāo)。補(bǔ)水量增加可使河流擁有更高的服務(wù)價值，并且隨著各指標(biāo)敏感性的差異其占比情況也會發(fā)生相應(yīng)改變。案例區(qū)服務(wù)價值總量和關(guān)鍵指標(biāo)對再生水補(bǔ)水量均具有較好的響應(yīng)關(guān)系，在數(shù)據(jù)獲得難度較大的情況下，可為規(guī)劃補(bǔ)水量的調(diào)整提供一定的參考價值。