歐玉民,許 萍,廖日紅,莫 罹
(1.北京建筑大學城市雨水系統(tǒng)與水環(huán)境教育部重點實驗室水環(huán)境國家級實驗教學示范中心,北京100044;2.北京排水事務(wù)管理中心,北京100195;3.中國城市規(guī)劃設(shè)計研究院,北京100044)
我國人均水資源量僅為世界平均水平的1/4,屬于嚴重缺水國家[1],水資源短缺逐漸成為制約我國經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的瓶頸之一[2]。我國的城市用水主要包括工業(yè)用水、生活用水、農(nóng)業(yè)用水及環(huán)境用水等幾部分,其中綠地灌溉用水是環(huán)境用水的重要組成部分,其數(shù)值是計算城市水資源承載力、水資源合理配置及利用的基礎(chǔ)依據(jù)[3],因此研究城市綠地的灌溉水量具有重要意義。
在實踐中,綠地管理人員大多根據(jù)經(jīng)驗或參考規(guī)范中的數(shù)值進行灌溉。首先,因個人經(jīng)驗的主觀性較強,有可能出現(xiàn)灌溉不足或灌溉過量,造成植物生長受限或水資源浪費的現(xiàn)象;其次,現(xiàn)有規(guī)范中關(guān)于綠地灌溉定額的標準不一致,如《室外給水設(shè)計標準》(GB50013-2018)及《城市給水工程規(guī)劃規(guī)范》(GB50282-2016)中規(guī)定澆灑綠地定額均為1~3 L/(m2·d);《民用建筑節(jié)水設(shè)計標準》(GB50555-2010)中則根據(jù)不同的草坪類型、養(yǎng)護等級規(guī)定澆灑定額為0.12~0.66 m3/(m2·a) [換算為0.33~1.81 L/(m2·d)];《微灌工程技術(shù)規(guī)范》(GB/T50485-2009)中制定暖季型、冷季型草坪的灌溉定額分別為3~5、5~8 L/(m2·d)。此外,上述標準或規(guī)范未能充分體現(xiàn)不同地區(qū)、不同季節(jié)灌溉水量的差異性需求,不適合于綠地灌溉的精細化管理需求。
以往城市綠地灌溉水量的研究大多以年為尺度,結(jié)合定額法進行估算,較少考慮灌溉水量的年內(nèi)變化[4-6]。近年來不少學者,針對綠地灌溉水量在年內(nèi)不同月份或季節(jié)的分配問題開展了一些研究。石寧等[7]根據(jù)水量平衡公式,計算得到了濟南市逐季綠地凈灌溉水量,并分析了綠地凈灌溉水量在濟南市內(nèi)的時空分布特征;嚴智勇等[8]構(gòu)建了城市綠地需水量的計算模型,對黃河流域內(nèi)45 個城市的綠地需水量及凈灌溉水量進行逐月的分析與計算;徐鶴等[9]認為城市綠地凈灌溉水量等同于供水量,建立了城市綠地供水量的合理性評價模型,著重考慮了地下水脅迫作用對綠地蒸散量的影響,以土壤含水量為變量,將綠地供水量劃分為過多、適宜、一般及過少4個等級,并以北京市為例,對北京市逐月綠地供水量合理性進行了探討。然而以上研究均基于局部區(qū)域,基于全國尺度的城市綠地灌溉水量年內(nèi)分配問題的研究還較少。
基于此,本文基于全國尺度,在探討灌溉水量計算方法及其影響因素的基礎(chǔ)上,采用全國19 個省市的多年逐季參考作物蒸散量與其20~30 a 逐季降水量數(shù)據(jù),研究提出了我國不同地區(qū)、不同綠地植物類型逐季的綠地灌溉水量標準,并將其應(yīng)用于北京市,通過計算提出了其綠地用水節(jié)水潛力。研究結(jié)果可為我國制定合理的城市綠地灌溉用水量標準、開展綠地灌溉的精細化管理提供技術(shù)支持。
在我國城市綠地中常見的植物有草坪、喬木及灌木,其灌溉水量可通過實測等方式確定,在缺乏實測資料時,也可采用理論計算的方式確定不同降水保證率下的灌溉水量[10]。
城市綠地灌溉水量計算主要包括植物蒸散需水量、植物生長需水量、維持植物生長所需的土壤含水量、有效降水量、地下水補充量及灌溉水利用系數(shù)等幾部分,其數(shù)值受氣候條件、植物種類、土壤性質(zhì)、降水強度、地下水水位以及所采用的灌溉技術(shù)等因素影響,理論上可按以下公式進行計算[4,6,7,9]:
式中:I為灌溉水量,mm;Wge為植物蒸散需水量,mm;Wgp為植物生長需水量,mm;Wgs為維持植物生長所需的土壤含水量,mm;Pe為有效降水量,mm;G為地下水補充量,mm;β為灌溉水利用系數(shù)。
公式(1)中各需水項可分別按以下公式進行計算:
式中:ETc為作物需水量,mm;Wgp可根據(jù)植物生長需水量約為植物蒸散需水量的1/99 進行計算[9];h為土壤深度,m;ρ為土壤容重,g/cm3;ε為土壤含水量系數(shù),為土壤實際含水量與田間持水量的比值。
對于公式(1)中的各需水項,Wgp數(shù)值較小,可忽略不計;Wgs對灌溉水量計算的影響較小,如以北京市為例,根據(jù)文獻[9],北京市草坪土壤厚度h可取0.3 m,土壤容重可取1.55 g/cm3,土壤含水率系數(shù)通常為0.20~0.30[11],此處取0.20進行計算。結(jié)合公式(4),可計算出Wgs為93 mm/a。同時結(jié)合文獻[12],可知北京市草坪Wgs占蒸散需水量Wge的比例低于12%,即Wgs對綠地總需水量的影響較小,可忽略不計。此外,計算Wgs所需的h、ρ、ε等參數(shù)受氣候條件、土壤性質(zhì)等因素的影響,變化較大,如對于土壤容重ρ,我國不同土壤類型的容重值差異較大。柴華等[13]的研究表明高山土的容重均值為0.93 g/cm3,而鹽堿土的容重均值高達1.41 g/cm3,且針對同一土壤類型,土層深度增大,土壤容重也會隨之增大。
地下水補充量G受地下水水位的影響,在我國南方水資源豐沛地區(qū),當?shù)叵滤惠^高時,地下水會對綠地需水有一定補充作用,而在我國北方水資源匱乏地區(qū),地下水水位普遍偏低,其對綠地需水的補充量較小。如以北京市為例,根據(jù)2019年《北京市水資源公報》,北京市2019年地下水平均埋深為22.71 m,地下水對綠地需水的補充量可忽略不計。
h、ρ、ε及G等參數(shù)在全國各地區(qū)、各城市、甚至同一城市的不同地點都存在較大差異,需進行實測,準確值難以獲取。因此,在實踐中,公式(1)常常簡化為以下公式:
由公式(5)可知,計算灌溉水量主要參數(shù)有ETc、Pe及β,ETc及Pe將在第2節(jié)中詳細討論。當ETc及Pe確定后,灌溉水量主要與灌溉水利用系數(shù)有關(guān),而灌溉水利用系數(shù)主要受灌溉技術(shù)影響。不同灌溉技術(shù)的灌溉水利用系數(shù)比較如圖1所示。圖1中,人工漫灌技術(shù)灌溉水利用系數(shù)為0.53~0.56[14,15],圖1中取低值0.53作為比較依據(jù);噴灌、微噴灌及滴灌等技術(shù)的灌溉水利用系數(shù)參考《節(jié)水灌溉工程技術(shù)標準》(GB/T 50636-2018),分別按0.80、0.85和0.90計。
從圖1可看出,噴灌、微噴灌及滴灌相較于漫灌節(jié)水效率分別為33.75%、37.65%、41.11%。鑒于微噴灌技術(shù)為目前城市綠地中較常見的節(jié)水灌溉技術(shù),因此在下文研究中,灌溉水利用系數(shù)β均按0.85計算。
圖1 不同灌溉技術(shù)的灌溉水利用系數(shù)及其相較于漫灌技術(shù)的節(jié)水效率Fig.1 Irrigation water utilization coefficient of different irrigation techniques and its water-saving efficiency compared with that of the diffuse irrigation technology
本節(jié)將依據(jù)上文提出的灌溉水量計算方法,進一步探討確定公式(5)中的關(guān)鍵參數(shù)ETc及Pe;并以此為基礎(chǔ),采用全國19個省市的多年逐季參考作物蒸散量及其20~30 a逐季降水量數(shù)據(jù),研究提出全國不同地區(qū)、不同綠地植物類型逐季灌溉水量標準。
考慮到氣候的影響,按照地理位置,將全國19 個省市劃分為華東、華北等7個不同分區(qū),具體分區(qū)情況見表1。
表1 分區(qū)情況Tab.1 Partition situation
2.1.1 作物需水量相關(guān)參數(shù)
作物需水量是指在理想條件下,作物生長不受限時,從種植到收獲所需的蒸散發(fā)量,其受氣候環(huán)境、土壤條件及作物種類等因素影響[16]。常用的計算方法有包括日照時數(shù)法、水面蒸發(fā)量法等在內(nèi)的直接計算法和包括彭曼公式、Hargreaves公式等在內(nèi)的間接計算法。直接計算法是指根據(jù)實測資料,利用氣象因子與作物需水量之間的經(jīng)驗公式,進而確定作物需水量的計算方法。但由于經(jīng)驗公式需要在特定環(huán)境下進行推導(dǎo),故此種方法的應(yīng)用常常受到限制。間接計算法則通過參考作物蒸散量與作物系數(shù),間接確定作物需水量,在作物需水量的計算中得到廣泛應(yīng)用[17,18],計算方法如下:
式中:ET0為參考作物蒸散量,mm;Kc為作物系數(shù)。
我國城市綠地常見的植物類型主要包括草坪、喬木及灌木3類,其Kc受植物種類、植物生長階段、氣候環(huán)境、土壤水分條件等因素影響,一般通過實測法確定[19]。趙炳祥等[20]根據(jù)蒸滲儀實測資料,結(jié)合彭曼公式,探究了狗牙根、日本結(jié)縷草等常見草坪草在生長期內(nèi)Kc的變化規(guī)律,結(jié)果表明,狗牙根和日本結(jié)縷草在生長期內(nèi)Kc變化范圍分別為0.62~1.48 及0.45~1.34,Kc呈現(xiàn)夏季較高,春秋較低的趨勢;龐桂斌等[21]采用同樣的方法,對狗牙根在生長期內(nèi)Kc變化規(guī)律展開研究,結(jié)果表明,狗牙根在生長期內(nèi)Kc變化范圍為0.63~1.08。可見不同綠地植物的作物系數(shù)不同,且對于同種作物,若作物生長狀況、氣候條件及土壤水分環(huán)境等因素存在差異,作物系數(shù)也會有所不同。
影響Kc的因素較多且復(fù)雜,此處僅考慮綠地植物種類的不同對Kc的影響。參考張展[22]等的研究結(jié)果,城市草坪中常見的草種類型有高甸羊茅、草地早熟禾、黑麥草、狗牙根及野牛草,Kc依次為1.09、1.04、0.93、0.83 及0.74,為簡便計算,下文中取5者的平均值,即草坪Kc為0.93;喬木、灌木的Kc參考儲蓓[23]等的研究結(jié)果,分別取0.757、0.612。
2.1.2 參考作物蒸散量的確定
蒸散量是全球水循環(huán)的重要組成部分,是城市水文科學,能量平衡研究的重要參數(shù),確定蒸散量對研究城市氣候變化、水資源合理配置及利用等都具有重要意義[24],其中,參考作物蒸散量是蒸散領(lǐng)域研究的重點,也是計算作物需水量的基本依據(jù)[25]。
參考作物蒸散量ET0可采用聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)推薦的彭曼公式進行計算[26],該方法也被認為是計算ET0最準確的方法之一[27],公式如下:
式中:Rn為作物表面凈輻射量,MJ/(m2·d);G為土壤熱通量,MJ/(m2·d);T為2 m 高度處的日平均氣溫,℃;es為飽和水汽壓,kPa;ea為實際水汽壓,kPa;u2為2 m 高度處的平均風速,m/s;Δ為飽和水汽壓與溫度的曲線斜率,kPa/℃;γ為干濕表常數(shù),kPa/℃。
從公式(7)可看出,ET0值受諸多氣象因素影響,同時因各地區(qū)氣候條件不同,全國范圍內(nèi)ET0值呈現(xiàn)了較強的時空變異性[28],如新疆維吾爾自治區(qū)多年年均ET0、夏季平均ET0分別是廣西壯族自治區(qū)的1.83、2.56 倍[29,30],湖北省多年年均ET0、秋季平均ET0分別為遼寧省的1.63、1.80 倍[31,32]。ET0的差異會對灌溉水量產(chǎn)生較大影響。因此,本文考慮不同地區(qū)之間的時空變異性,參考已發(fā)表文獻資料,確定北京市[33]、天津市[33]、山西省[24]、安徽省[34]、江蘇省[35]、山東省[33]、寧夏回族自治區(qū)[36]、陜西省[37]、新疆維吾爾自治區(qū)[29]、青海省[38]、重慶市[39]、貴州省[40]、吉林省[41]、遼寧省[31]、湖南省[42]、湖北省[32]、廣東省[43]、海南省[44]及廣西壯族自治區(qū)[30]逐季ET0數(shù)據(jù)如圖2所示。
圖2 不同省市逐季參考作物蒸散量Fig.2 Seasonal reference crop evapotranspiration in different provinces and cities
參考各省市的統(tǒng)計年鑒,收集整理20~30 a 的降水系列資料后,采用經(jīng)驗頻率法計算不同頻率水文年的降水量。經(jīng)驗頻率按以下公式計算:
式中:N為經(jīng)驗頻率;i為樣本數(shù)據(jù)序列號;n為選取的樣本個數(shù)。
選擇年降水量符合規(guī)定水文年型的年作為典型年(本文選擇經(jīng)驗頻率為25%的典型年為豐水年,經(jīng)驗頻率為50%的典型年為平水年,經(jīng)驗頻率為75%的典型年為枯水年),各典型年內(nèi)各季節(jié)的降水量分配按照與典型年降水量接近的3~4 a內(nèi)各季節(jié)平均降水量確定。之后根據(jù)表1的具體分區(qū)情況,劃分為7個地域分區(qū)后分別取平均值,結(jié)果如圖3所示。
圖3 不同地域分區(qū)、不同降水水平年的逐季降水量Fig.3 Seasonal precipitation in different regions and years with different precipitation levels
然而天然降水有時不能完全被土壤所利用,尤其是當次降水量較大時,降水有較大可能通過徑流、蒸發(fā)及滲漏等途徑流失,而有效降水量即總降水量減去雨水徑流量、蒸發(fā)量和滲漏量等損失,保留在作物根區(qū)土壤并供作物生長利用,即總降水量中的有效部分[45]。
有效降水量受降水強度、降水頻率、降水時間分布、土壤性質(zhì)、降水前的土壤含水率及作物種類等因素影響。如針對降水方面,雨強小、頻率低、歷時短的降水通常能被充分利用;針對土壤性質(zhì)方面,入滲速率高、保水性強的土壤蓄水性能較優(yōu),能在一定程度上避免降水形成地表徑流而不能被有效利用[46]。計算有效降水量最為準確的方法為逐時段水量平衡法,計算過程需逐時段(1~5 d)的降水量及蒸發(fā)量,還需考慮時段初期土壤蓄水量實測值等數(shù)據(jù)[47,48],這在考慮全國范圍的灌溉水量計算中較難實現(xiàn)。
此外,有效降水量與我國海綿城市建設(shè)中的綠地徑流系數(shù)指標在概念上類似,而目前我國使用的海綿城市設(shè)計規(guī)范中的綠地徑流系數(shù)均是按固定范圍取值,未考慮到上述影響因素的影響,取值與實際情況存在一定的偏差。美國農(nóng)業(yè)土壤保持局(USDA)推薦的公式考慮了降水量大小對有效降水量的影響,在我國西南、華北等多地的有效降水量計算中得到了廣泛應(yīng)用[49-51],因此本文采用USDA 推薦的簡化方法對有效降水量進行計算[26]:
式中:Pe為月有效降水量,mm;P為月降水量,mm。
在確定我國不同地區(qū)逐季的作物需水量及有效降水量后,結(jié)合灌溉水利用系數(shù),代入式(5)即可確定灌溉水量,本文計算的我國不同地區(qū)城市草坪、喬木及灌木的灌溉水量分別見表2~表4。
從表2~表4可看出,我國不同地域分區(qū)中,綠地灌溉水量大小依次為華北>西北>東北>華東>華中>西南>華南。在降水量較少的華北和西北地區(qū),部分季節(jié)的灌溉水量高達3~4 L/(m2·d)。而在降水量較大的華中、華南及西南地區(qū),由于降水能夠補充蒸散作用帶走的水分損失,灌溉水量大多處于0~1 L/(m2·d)。在我國不同分區(qū)中,4 季灌溉水量整體呈現(xiàn)春夏較高、秋冬較低的趨勢。與現(xiàn)有規(guī)范對比,《微灌工程技術(shù)規(guī)范》(GB/T50485-2009)中綠地灌溉定額制定偏高;《民用建筑節(jié)水設(shè)計標準》(GB50555-2010)中的綠地灌溉定額偏低,僅適用于華南、西南及華中等濕潤地區(qū)的綠地灌溉,而不適用于西北、華北等干旱地區(qū)。
表2 不同地域分區(qū)逐季草坪灌溉水量L/(m2·d)Tab.2 Irrigation water quantity of lawn by season in different regions
根據(jù)2019年《北京市水資源公報》,北京市人均水資源量僅為114 m3,屬于國際公認的人均水資源量小于500 m3的嚴重缺水地區(qū),且北京市人均公園綠地面積從2001年的10.1 m2/人上升到2019年的16.4 m2/人。因此以北京市為例,研究其綠地節(jié)水潛力具有重要意義。
表3 不同地域分區(qū)逐季喬木灌溉水量L/(m2·d)Tab.3 Irrigation water quantity of arbor by season in different regions
表4 不同地域分區(qū)逐季灌木灌溉水量L/(m2·d)Tab.4 Irrigation water quantity of shrubs by season in different regions
2012年孫紅[52]等在北京市內(nèi)的43 處不同綠地類型樣點進行實地調(diào)研,獲得了各綠地類型的單位面積年實際供水量數(shù)據(jù)。同時根據(jù)《北京市水務(wù)統(tǒng)計年鑒》,2012-2019年農(nóng)業(yè)耕地單位面積年用水量如圖4所示。由圖4可知,由于節(jié)水灌溉技術(shù)的不斷推廣,2013-2019年農(nóng)業(yè)耕地單位面積年用水量分別較2012年下降了1.11%、4.22%、21.30%、21.03%、26.55%、36.31%和43.67%,7 a 平均下降率為22.03%。考慮到北京市綠地節(jié)水灌溉技術(shù)也在不斷地推廣與應(yīng)用,因此本文以2012-2019年農(nóng)業(yè)耕地單位面積年用水量的平均下降率22.03%為參照,以2012年實際綠地單位面積年供水量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),計算獲得2019年北京市綠地單位面積年供水量,如圖5所示。根據(jù)北京市園林綠化局公布的《2019年北京市城市綠化資源情況》,2019年北京市各區(qū)各綠地類型面積如圖6所示。結(jié)合圖5及圖6數(shù)據(jù),對2019年北京市內(nèi)綠地實際年供水量進行估算,結(jié)果如圖7所示。
圖4 北京市2012-2019年農(nóng)業(yè)耕地單位面積年用水量Fig.4 Annual water consumption per unit area of agricultural cultivated land in Beijing from 2012 to 2019
圖5 2012及2019年北京市各綠地類型單位面積年實際供水量Fig.5 Actual annual water supply per unit area of green space types in Beijing in 2012 and 2019
圖6 2019年北京市各區(qū)各綠地類型面積Fig.6 The area of each green space type in each district of Beijing in 2019
從圖7可看出,從北京市各區(qū)看,海淀區(qū)及朝陽區(qū)綠地供水量最大,分別達到了1.22 億m3和1.13 億m3,原因在于其區(qū)內(nèi)的附屬綠地面積較大,而附屬綠地在4種綠地類型中供水量最高;延慶區(qū)及東城區(qū)綠地供水量最小,分別為0.07 億m3和0.08 億m3。2019年北京全市綠地實際供水量共計為7.34億m3。
圖7 2019年北京市各區(qū)實際供水量Fig.7 Actual water supply in each districts of Beijing in 2019
以第2.3 節(jié)中計算的華北地區(qū)3 種綠地植物類型、3 個降水水平年的灌溉水量按4季取平均值后作為單位面積逐季理論灌溉水量,單位面積逐季理論灌溉水量乘以北京市各區(qū)綠地總面積(見圖6),即得2019年北京市各區(qū)逐季綠地理論需水量,結(jié)果如圖8所示。
圖8 2019年北京市各區(qū)綠地逐季理論需水量及全年實際供水量Fig.8 Seasonal theoretical water demand and annual actual water supply of green space in Beijing in 2019
由圖8可知,北京全市2019年綠地理論需水量為5.44 億m3,其中朝陽區(qū)和海淀區(qū)的理論需水量最高,分別為0.96、0.82 億m3;東城區(qū)和西城區(qū)的理論需水量最低,均在0.07 億m3左右。各區(qū)逐季的綠地理論需水量,呈現(xiàn)春季最高(占全年比重41.3%),夏季(占全年比重31.6%) 及秋季(占全年比重14.3%) 其次,冬季(占全年比重12.8%)最少的趨勢。
圖8中理論需水量與實際供水量進行對比得知,北京全市綠化用水存在1.90 億m3的節(jié)水潛力,其中海淀、豐臺、大興及順義區(qū)的節(jié)水潛力較大。未來北京市可大力推廣綠地節(jié)水灌溉技術(shù),逐步提高綠地灌溉用水效率。
本文在探討確定灌溉水量計算方法及其影響因素的基礎(chǔ)上,基于全國19個省市多年逐季參考作物蒸散量及其20~30 a的逐季降水量數(shù)據(jù),通過計算提出了全國不同地區(qū)、不同綠地植物類型逐季灌溉水量,并以水資源嚴重短缺的北京市為案例,確定了其綠地節(jié)水潛力。主要結(jié)論如下。
(1)城市綠地灌溉水量受氣候條件、植物種類、土壤性質(zhì)、降水強度、地下水水位以及所采用的灌溉技術(shù)等因素影響,其中主要影響因素為氣候條件、植物種類、降水強度及所采用的灌溉技術(shù)。
(2)在我國不同地區(qū)中,城市綠地灌溉水量大小依次為華北地區(qū)>西北地區(qū)>東北地區(qū)>華東地區(qū)>華中地區(qū)>西南地區(qū)>華南地區(qū),在華北及西北地區(qū),部分季節(jié)的灌溉水量高達3~4 L/(m2·d),而在華南及西南地區(qū),4 季灌溉水量大多處于0~1 L/(m2·d)。在我國不同分區(qū)中,4 季灌溉水量整體呈現(xiàn)春夏較高、秋冬較低的趨勢。
(3)北京市2019年綠地用水存在1.90 億m3的節(jié)水潛力,其中海淀、豐臺、大興及順義區(qū)的節(jié)水潛力較大。
(1) 現(xiàn)有規(guī)范中《微灌工程技術(shù)規(guī)范》(GB/T50485-2009)中綠地灌溉定額制定偏高;《民用建筑節(jié)水設(shè)計標準》(GB50555-2010)中的綠地灌溉定額制定偏低,僅適用于華南、西南等較濕潤地區(qū)的綠地灌溉,而不適用于西北、華北等干旱地區(qū)。綠地管理人員可因地制宜參考不同規(guī)范中的定額進行灌溉。
(2)有效降水量與我國海綿城市建設(shè)中的綠地徑流系數(shù)在概念上類似,然而目前我國現(xiàn)有規(guī)范中綠地徑流系數(shù)均按固定范圍取值,未考慮到次降水量大小等影響因素對有效降水量的影響,與實際情況存在一定偏差,因此未來可在此方面進行更加深入的研究。