成都市生态需水量研究

陈平安，张广兴，孙林博

(四川兴景水利工程设计有限公司，四川 成都 610041)

成都市生态需水量研究

陈平安，张广兴，孙林博

(四川兴景水利工程设计有限公司，四川 成都 610041)

生态需水量；变化规律；成都市

为了解成都市生态需水量变化规律，从城市生态需水量的概念出发，对生态需水量进行分类，总结出成都市生态需水量主要包括生态基流需水量、绿地需水量和环境卫生需水量。以2010年为计算水平年，经计算成都市生态需水总量达55.54亿m3，其中河道内生态需水量每月基本保持稳定，河道外生态需水量与绿地需水量呈正相关关系；从生态需水量年内变化趋势来看，当年年末至翌年年初，需水量增加较快，而区外来水、区域降水与生态需水量变化趋势存在一定的时间差，在年初和年末水资源不能满足生态用水需求，可能存在缺水情况。

关于生态需水量的概念，目前还没有形成一个系统、科学的理论体系和统一的定义[1]，笔者在查阅大量文献资料的基础上，认为生态需水量是在一定的生态保护、恢复或建设目标下，在特定的时空范围内，生态系统达到或维持某种生态平衡所需要的基本水量，即生态环境健康发展所需要的合理的水量[2]。生态需水量受生态系统功能控制，是生态系统的固有属性，一般不受外界影响，是一个相对静止的量。以往学者们对生态需水量的研究主要集中于河流、湖泊、湿地和陆地植被等单一生态系统，并形成了较为完善的计算方法，然而针对城市复杂生态系统生态需水量的研究成果还比较少，还有许多问题亟待解决，比如城市间自然环境、社会经济条件存在极大差异，致使不同城市生态需水量的研究内容不同[3]。基于上述研究，笔者以成都市为研究区，根据研究区域的特点，构建成都市生态需水量分类体系，通过对各种生态需水量的计算，推求研究区在计算水平年——2010年的生态需水量，并分析其年内的变化趋势。

1 城市生态需水量的概念和分类

城市生态系统是包含自然、社会和经济3个子系统的复杂系统，其生态需水量主要指城市生态系统在特定区域水热条件下的需水量，即城市生态系统为维持自身一定的结构、功能和稳定状态需要消耗的水量[4]。

根据城市生态需水量的概念，可以按照以下分类方式将其分为三级：一级分类，根据空间位置区分；二级分类，根据生态系统结构区分；三级分类，根据生态功能区分。目前比较常用的分类方法见表1。

计算成都市生态需水量时，需考虑河道内生态需水量和河道外生态需水量。河道内生态需水量中：考虑到成都市河道尤其是城区河道已高度渠化且研究区域属于岷江中游，河口生态需水量不在计算范围内；成都市内河流泥沙含量较少， 因此可不考虑河道冲沙需水量[5]；生态基流需水量是河流达到生态环境对水量需求的最小水量，稀释净化需水量是河流生态环境对水质需求的最小水量，根据“木桶短板原理”取二者中的最大值作为需要达到生态环境健康发展的最小河道生态需水量。根据成都市污水排放标准规定，污水需达到《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)规定的Ⅲ类水质标准才能排放，研究区污水处理率较高，因此河道稀释净化需水量不作为河道内主要生态需水量，即认为稀释净化需水量少于河道基流需水量。

表1 城市生态需水量分类

河道外生态需水量中：由于成都市土地利用分类时已将林草地、湿地划入绿地，因此将水土保持生态需水量中的降水性人工造林需水量、降水性人工种草需水量和湿地生态需水量并入城市净化生态需水量中的绿地需水量统一计算；由于梯田、淤地坝坝地用水已归入农田灌溉用水，属于生产用水，故不考虑降水性淤地坝坝地需水量和降水性梯田需水量；成都市地处湿润气候区，可不考虑防护林草生态需水量；近年来成都市雾霾天气出现日益频繁，为减少空气中悬浮颗粒数量，需增加城市环境洒水量，因此要计算城市净化生态需水量中的环境卫生需水量；成都市地下水靠地表水补给，在一年中基本维持平衡，因此不考虑地下水回灌需水量[6]。基于以上分析，成都市生态需水量分类结果见表2。

表2 成都市生态需水量分类结果

2 河道内生态需水量

成都市河道内生态需水量仅需计算生态基流需水量。生态基流需水量计算方法主要有水文学方法、水力学方法、最小观察流量法、基本功能假定法和综合法等5种[7]。成都市内主要河流有南河、西河、锦江、毗河、蒲阳河等。根据市内河道受人为干扰较大、河道高度渠化的特点，以及获取河道断面要素的难易程度，决定采用最小流量观察法中河流最小月平均实测径流量的多年平均值作为河流的基本生态需水量[8]。经计算，2010年成都市河道生态基流量为21.30亿m3。

3 河道外生态需水量

成都市河道外生态需水量包括绿地需水量和环境卫生需水量，其计算公式为

(1)

式中：WRO为河道外生态需水量，亿m3；Wf为绿地需水量，亿m3；Wm为环境卫生需水量，亿m3。

目前估算河道外生态需水量中绿地需水量的方法大致有面积定额法、水热平衡法、水量平衡法、潜水蒸发法、生物量法、遥感判读法等6类，其中：面积定额法和水热平衡法(修正彭曼公式)可以直接计算出生态需水量，属于直接计算法[9]；水量平衡法、潜水蒸发法、遥感判读法是通过计算其他相关要素，反过来推求生态需水量的，属于间接计算法。

3.1 绿地需水量

采用直接计算法中的水热平衡法(修正彭曼公式)计算绿地需水量，计算公式为

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：ET为日最大需水量，mm/d；D为每月天数，d；F为绿地面积，km2；ET0为日平均参考需水量，mm/d；Kc为绿地植物系数；Kcbmin为缺少植被情况下的最小植物系数；Kcbfull为植被全覆盖下的最大植物系数；fceff为有效植被覆盖度，%；h为研究区的平均植被高度，m；P0为标准大气压，hPa；P为研究区平均气压，hPa；Δ为水气压变化率；γ为温度计常数，值为0.66 hPa/℃；Rn为太阳净辐射值，mm/d；Ea为空气干燥力，mm/d。

3.2 环境卫生需水量

根据《四川省用水定额(修订稿)》的规定，城市环境卫生用水量为2 L/(m2·d)，按照城市建成区面积进行计算。2010年成都市城市建成区面积456 km2，环境卫生需水量共计3.30亿m3。

4 生态需水量计算结果分析

成都市生态需水量计算结果见图1、表3。由图表知，生态基流需水量占城市生态系统生态需水量的38.35%，绿地需水量占55.71%，环境卫生需水量占5.94%；总的生态需水量变化趋势与河道外生态需水量变化基本一致，而河道内生态需水量只是起到了基础性作用，与其生态基流概念一致。

分析上述结果，从生态需水量的构成来看，生态基流需水量和绿地需水量是成都市生态需水量的重要组成部分，所占比重较大，因此在城市生态水资源调配时应充分重视并优先满足二者的水量供给，二者供应不足时河道生态系统将受到威胁，绿地植被正常生长将受到抑制，会严重破坏生态系统平衡。从成都市河道内和河道外生态需水量的比较可以看出：河道内生态需水量主要与生态基流需水量有关，年内需水量变化较为平缓；河道外生态需水量主要受绿地需水量控制，其年内变化趋势与绿地需水量变化趋势接近，即每年3—5月随着温度升高需水量快速增加，6—8月需水量处于较高水平，9—11月气温下降需水量逐渐下降，12月至翌年2月需水量保持较低水平。从3—5月需水量上升和9—11月需水量下降的两个时段可以看出：上升阶段的上升趋势明显快于下降阶段的下降趋势，上升阶段需水量要求快速达到较高水平，而此时研究区还处于枯水期，因此可能出现供水不足的情况，对城市生态水量供应提出挑战；而在需水量下降阶段，研究区通常处于雨季末期，水量供应相对充分，因此该时段用水应该能满足生态用水需求。

图1 2010年成都市生态需水量统计结果

表3 2010年成都市生态需水量统计 亿m3

通过分析可以看出，成都市生态需水量与水资源配置情况存在一定的时间差，在每年初春或年末可能存在缺水情况。

[1] 贾宝全,张志强,张红旗,等.生态环境用水研究现状、问题分析与基本架构探索[J].生态学报,2002,22(10):1734-1740.

[2] 杨爱民,唐克旺,王浩,等.生态用水的基本理论与计算方法[J].水利学报,2012,35(12):39-45.

[3] 田英,杨志峰,刘静玲,等.城市生态环境需水量研究[J].环境科学学报,2003,23(1):100-106.

[4] 胡习英,李海华,申灿杰.郑州市城市生态环境需水量研究[J].河南科学,2006,24(5):745-748.

[5] 吕明强,都金康.城市水文与水资源导论[M].北京:中国科学技术出版社,1993:163-175.

[6] 瞿伦强.论成都的环境用水和生态环境建设[J].四川环境,1997,16(1):51-55.

[7] 吴春华,牛治宇.河流生态需水量研究进展[J].中国水土保持,2006(12):20-22.

[8] 刘昌明,门宝辉,宋进喜.河道内生态需水量估算的生态水力半径法[J].自然科学进展,2007,17(1):42-48.

[9] 杨志峰,崔保山.生态环境需水量理论、方法与实践[M].北京:科学出版社,2003:67-72.

(责任编辑 李杨杨)

S157

A

1000-0941(2017)04-0041-03

陈平安(1982—)，男，河南沈丘县人，工程师，硕士，从事水土保持方面的研究工作。

2017-01-23