城市绿地生态系统合理供水辨识分析

徐 鹤 褚俊英 刘家宏 秦大庸

(中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京100038)

城市绿地生态系统合理供水辨识分析

徐 鹤 褚俊英 刘家宏 秦大庸

(中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京100038)

城市绿地因具有美化环境、降低空气污染、控制城市热岛等作用而日益得到重视。合理的城市生态供水不仅有益于植被的正常生长，对城市水资源合理配置同样具有积极意义。为统筹城市生态与国民经济发展，保证绿地健康，需要合理的绿地供水管理。本文以土壤含水量为标准，根据田间持水量、临界土壤含水量和凋萎系数三个土壤含水量值划分不同等级的绿地需水量，将供水量分为四个等级，建立了城市绿地供水合理性评价模型，为有效辨识供水合理性提供了参照依据。以2009年北京市城市绿地供水为例，进行了供水合理性分析，结果表明，从全年来看，供水基本合理，虽然绿地蒸散发受到一定抑制，但不影响植被生长;从逐月供水来看，个别月份存在供水过少或过多现象，影响植被生长，且不利于水资源合理利用。

城市绿地;供水量;合理性评价;土壤含水量

随着生活水平的提高，人们对生活环境的要求也逐渐提高，城市生态建设显得日益重要，城市绿地率、绿化覆盖率、人均绿地面积等已成为城市建设和规划的重要指标。目前，城市绿地规划供水多采用定额法和水量平衡法［1］，且多以年为时间尺度，没有考虑植被需水的年内变化。在用水的核算和供水合理性分析方面，魏彦昌等［2］以生态用水率为指标分析了海河流域城市生态用水的合理性，范源等［3］建立了基于生态价值的生态用水分配优化数学模型，对生态供水分配方法进行了探讨，但都是统筹生态与经济供水合理性，没有对生态系统本身用水合理分析。本文以生态系统自身需水为基础，以土壤含水量对绿地需水过程的影响为依据，建立了城市绿地系统合理供水评价模型，为合理的人工灌溉提供了参考依据。

1 绿地生态系统用水过程特点

绿地生态系统用水方式主要是植被的蒸腾和生长、土壤蒸发等，供水来源包括降水的有效利用和人工补充灌溉。在生态系统用水过程中，呈现出时间分布、空间分布和主观目的等特性。在补充灌溉时，应充分考虑这些特征，以保障生态系统的健康发展，有利于水资源的合理高效利用。

(1)时间分布特性。一方面，由于植物的生长节律和土壤蒸发强度的时间变化，使生态系统用水呈季节性变化，另一方面，生态用水和国民经济用水的统筹受来水影响，造成生态用水量和用水比例逐年不同。时间分布特征也表现出生态用水的动态性［4］。

(2)空间分布特性。植被在空间上的分布直接决定了生态系统用水量的空间分布，对于不同城市，受植被覆盖率、植被种类、土壤种类和质地、城市发展程度、可用水量、用水统筹等影响，生态用水量截然不同，亦呈现出空间分布特性。

(3)主观目的特性。主要体现在恢复或建设目标上，植被种植用途、植被种植种类、绿地灌溉时间与灌溉水量等因素，都影响着用水范围分布与用水量大小。

2 城市绿地生态系统合理供水评价模型

对城市绿地生态系统可持续供水的评价应从供水量和生态需水量两方面进行比较来评价。人工灌溉是在降雨有效利用的基础上对城市生态需水的满足，供水量不一定合理，尤其在水资源相对匮乏的地区，大部分生态系统用水被国民经济用水挤占;而生态需水是从生态系统本身的角度来研究生态系统与广义水资源间的关系，与相应的生态保护、建设目标直接相关，恢复或建设目标不同，生态需水量就不同，生态需水是相对合理的水量［5］。

2.1 模型计算公式

城市绿地用水主要包括植物蒸腾作用、棵间蒸发、制造有机物质、维持植被生存的土壤含水等;用水来源有降雨利用和人工灌溉两部分，根据水量供需平衡，供水量为植被总需水量与降水有效利用量之差，其公式为式中:W'G(t)为时段内的供水量，WEi(t)、WPi(t)、WSi(t)分别为绿地蒸散发需水量、植物生长需水量、保持植被生存的土壤含水需水量，m3;PGi为植被有效降雨利用量，m3;其中i代表不同植被种类，t代表不同时间，下同。

(1)绿地需水项计算。公式中各需水项计算公式如下［6－8］:

式中:AG为城市绿地面积，hm2;Ep为绿地蒸散量，mm/t;Wp根据植被自身的含水量和植被蒸散量的比例大约为1∶99来计算;Kc为作物系数，用来衡量作物本身的蒸腾特性，它与作物的种类、生长阶段等因素有关;Ks为作物地下水胁迫系数，与土壤含水量有关;ET0为参考作物需水量，mm;h为土壤深度，m;ρ为土壤容重，g/cm3;ε(t)为土壤含水量系数。

ET0采用Penman综合法计算:

式中:P0为标准大气压，hPa;P为计算地点平均大气压，hPa，实测或根据高程查表;Δ为饱和水汽压与温度变化曲线上当温度T在某一定值时的效率，hPa/℃;γ为温度计常数，0.66 hPa/℃;Rn为太阳净辐射，以所能蒸发的水层深度计(mm/d);Ea为干燥力或称安全检查气动力学项，mm/d。

作物地下水胁迫系数Ks在土壤水分充足时，绿地蒸散量的计算一般不考虑此项，当水分不充足时，绿地蒸散量才表现为地下水胁迫。具体胁迫系数表达如下［9］:

式中:θ为土壤实际含水量占田间持水量的百分数，%;θc1为土壤水分绝对充分的临界土壤含水量，%;θc2为土壤水分胁迫临界土壤含水量，%;α为经验系数。

(2)绿地有效降雨利用计算。确定降水有效性要涉及很多途径和过程，其主要影响因子包括降水特性、土壤特性、作物蒸发蒸腾速率和灌溉管理等因子。城市绿地生态系统的有效降雨量是被植物截留、蒸腾和生长以及土壤蒸发所利用的降雨量。本研究计算有效降雨利用量的公式如下:

式中:μ为作物降雨利用系数，无量纲;P为降雨量，mm;AG为植被覆盖面积，km2。

2.2 合理供水评价分析

根据公式(2)至公式(7)可以看出，绿地蒸散需水量和土壤需水量都受土壤含水量的影响。因此，以土壤含水量为控制变量，根据田间持水量、临界土壤含水量、凋萎系数划分不同等级的绿地需水量，对应的三个供水量分别为最大供水量Wmax、临界供水量Wsuit和最小供水量Wmin，从而将供水量分为A、B、C、D四个等级:

式中:A等级的供水量大于Wmax，此时土壤含水量大于田间持水量，土壤水不能被植物吸收利用，表现为供水量过多;B等级的供水量介于Wmax和Wsuit之间，土壤含水量处于临界土壤含水量与田间持水量之间，绿地蒸散发作用基本不受土壤水胁迫，可以正常代谢，表现为供水最适宜;C等级供水量介于Wsuit与Wmin之间，土壤含水量在临界土壤含水量与凋萎系数之间，植被正常代谢受到抑制，但仍然可以从土壤中吸收水分，不致凋萎，表现为供水量一般;处于D等级的供水量小于Wmin，土壤含水量达不到凋萎系数，植被无法利用土壤水完成代谢，表现为供水量过少。

在统筹国民经济用水与生态用水过程中，可以参考不同时期的绿地补给量等级，为生态进行合理的人工灌溉供水。

3 案例研究——北京市城市绿地生态供水合理性判断

3.1 研究区概况

北京市属温带半干旱半湿润性季风气候，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥，春、秋短促。年平均气温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，季节分配很不均匀，全年降水的75%集中在夏季，7、8月常有暴雨。

本次研究仅分析北京市市区生态绿地供水量的合理性，包括公园绿地、防护绿地、生产绿地及附属绿地等，总面积61 695.42 hm2，根据北京市气候特点，11月至次年2月无绿地灌溉过程，供水合理性分析仅考虑3至10月的逐月供水过程。

3.2 参数选择

绿地生态系统供水合理性分析依据绿地蒸散发需水、植被生长需水、土壤需水和降雨有效利用系数等项，计算参数有气象参数、植被参数和土壤参数。气象参数参考1991－2000年北京市密云气象站的逐日气象资料和2009年北京市水资源公报，以及2009年海河流域水资源公报，包括气压、日平均气温、日最高温、日最低温、降雨、湿度、风速和日照时间等实测数据;植被仅考虑常绿乔木、落叶乔木、灌木和草坪等四类，作物系数Kc值参考陈丽华［10］、赵炳祥［11］等，植被面积采用北京市园林绿化2009年统计资料;土壤参数参考王启山［12］、崔晓阳［13］等，华北平原壤土的平均田间持水量为0.31，凋萎系数为0.12，根据杨志峰等［14］，临界土壤含水量大约为田间持水量的70% －80%，取70%作为临界土壤含水量，土壤容重为1.55 g/m3，乔木、灌木和草本植物的有效土层厚度分别为1.2 m、0.6 m 和 0.3 m。

3.3 结果与讨论

通过计算分析，2009年北京市绿地临界供水量3.18亿 m3，最小供水量2.23亿 m3，实际供水量为2.96亿 m3，属于C等级，绿地蒸散发受到一定抑制，但不影响植物生长。供水合理性分析曲线与实际供水曲线如图1所示。

从图1中可以看出:

(1)绿地需水的年内时间分布特性显著，是植被生长节律和降雨、气温、日照时间、风速等气象因素共同作用结果。

图1 绿地生态系统供水合理性分析曲线Fig.1 Rationality analysis curve of water resources supply for urban green space

(2)土壤含水量对绿地需水具有显著影响，三个供水量 Wmax、Wsuit和 Wmin差值明显，各月 Wmax和 Wmin均相差 0.2亿m3以上。

(3)北京市绿地生态系统供水应集中在4、5、6和9月四个月，而8月供水量应该最小。这是因为，蒸发量和降雨量从3月至10月，均呈先增后减趋势，但蒸发量在6月达到最大值，降雨量在7月达到最大值，蒸发与降雨的差值过高，得不到降雨补充水，且植被在生长茂盛，需水量大，使供水需求最大，但9月份，蒸发与降雨的差值较低，且植被逐渐凋落，需水量小，9月的供水量应小于5、6月份;在7、8两月，降雨量远高于其它月份，植被对降雨的充分利用，灌溉需求较小，尤其是8月，降雨量已大于蒸发量，导致灌溉需求达到最低值。

(4)北京市绿地生态系统实际供水存在一定的不合理性，这主要体现在，3月至6月供水过少，尤其是5月，已经低于最低供水量，土壤含水量低于凋萎系数，植被蒸腾受到胁迫，不利于植被的正常生存生长;而8月份供水过高，土壤含水量高于田间持水量，植被无法利用，水资源没有得到高效合理利用。

4 结论

本文对城市绿地生态系统供需水平衡进行了研究，给出了城市绿地供水量的合理性评价模型。研究以土壤含水量为变量，将供水量分为最大、合理和最小三个极值，并以此为界限，将供水量由大到小分为A、B、C、D四个等级，依次代表供水过多、适宜、一般和过少。在对模型研究的基础上，以北京市2009年3至10月逐月城市绿地供水的合理性进行了分析，认为全年供水水平处于C等级，但存在供水过多或过少的不合理月份，应在之后的供水中适当调整，合理配置水资源。根据北京市园林绿化发展规划，未来年份将提高乔木和灌木的比例，城市绿地生态系统需水将进一步增加，保证绿地合理供水对优化水资源配置更为重要。

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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

(编辑:常 勇)

2011－11－06

周厚智，硕士生，主要研究方向为土地经济与土地整理项目管理。

国家自然科学基金项目(编号:71073065，70773045);中国博士后基金项目(编号:20100471194)。