刘慧民,宫思羽,邹铁安,裴盈欣,浦 杰,姜 珊,王雪娜,符兴源
基于GIS技术规划城市节水型绿地系统的研究
刘慧民1,宫思羽1,邹铁安2,裴盈欣3,浦 杰1,姜 珊1,王雪娜1,符兴源1※
(1. 东北农业大学园艺园林学院,哈尔滨 150030;2. 东北农业大学资源与环境学院,哈尔滨 150030;3. 大连至诚专利代理事务所,大连 116000)
为实践海绵城市理念,充分利用雨水资源,为哈尔滨市松北区核心区规划具节水功能的绿地系统,该文利用GIS技术,结合彭曼公式,计算研究区可收集雨水资源量和绿地植物需水量,并定位节水绿地位置和规划节水绿地系统。研究区降水量在485~671 mm间,6—8月降雨量占全年降水量的66.4%;研究区年可利用雨水量512.68万m³,雨水资源潜力巨大;5—10月研究区绿地植物需水总量639.71万m3,同期可收集雨水总量456.17万m3,满足植物需水量的71.31%。建立研究区DEM模型,将坡度3°~15°间的绿地确定为渗透绿地,坡度3°以下的绿地确定为集水绿地,确定了研究区节水绿地分布图,可建节水绿地面积1 664.19 hm2,占研究区总面积的37.10%;以节水绿地为主体,结合了水利科学和地理信息科学理论知识,优先规划了能利用城市雨水资源的节水绿地系统,使远期绿地率达43%。
降雨;需水量;GIS;绿地;雨水资源;哈尔滨;规划;节水
中国城市绿地耗水量巨大,导致淡水资源消耗加剧,因此有必要开展城市绿地节水研究。城市节水绿地建设已在许多国家展开,北欧国家已率先建设10万处雨水回收设施[1-2],北京、上海、大连、西安等城市也展开了雨水利用实践以解决水资源缺乏[3-8]。宋云等[9]以威海市为实践对象,提出雨水利用可持续发展的可行措施。刘若愚[10]建立昭山地区数字地形模型(digital terrain model,DTM),并计算不同下垫面雨水收集量。张建新等[11]计算内蒙古西营子镇3种年型下可收集的雨水量。宋进喜等[12]定量西安市绕城高速公路内年收集雨水总量。彭曼—蒙特斯模型被广泛应用于作物需水量计算[13-15],该公式综合各种气候条件和不同作物的生长系数,确定作物实际需水量,进而计算某作物在生长季内真实需水量。
哈尔滨市地处中国半干旱地区,水资源匮乏,降雨和绿地需水均集中在夏季,如利用夏季降水灌溉绿地,则能体现建设海绵城市的理念。城市绿地系统具有集雨功能,若规划的绿地能利用雨水,则可实现其节水生态功能。确定绿地可收集雨水量和绿地位置是规划节水绿地的前提。本文以哈市新建松北核心区为研究区域,利用彭曼公式计算绿地植物需水量;借助GIS技术确定节水绿地位置和定量雨水资源量,在定量雨水和定位集雨位置的基础上优先规划节水绿地系统,为践行海绵城市理念和规划具生态功能的节水绿地系统提供理论参考和实践示范。
研究区为黑龙江省哈尔滨市新建松北区的核心区,是由松花江流域、滨州铁路和绕城高速围成的三角形区域,地处126°28′ ~126°36′E、45°46′~45°51′N,面积达4 485.67 hm2,属中温带大陆性季风气候,年均温2.5~4.3 ℃,年均降水量578 mm,其中60%~70%降雨集中于7—8月份,年均蒸发量1 326 mm,半干旱气候特征明显。该区地势起伏平缓,平均海拔115~120 m,为内陆河川平原地貌类型,区域内保留大量自然地形地貌,为本案实施提供了基础条件。目前松北区城市规划工作已经完成,政务网上先后发布了松北区城市规划图和绿地规划图,但松北区地域辽阔,远离市区,城市建设工作迟缓,现状绿地零散且不成系统,仅在核心区局部分布,建成绿地面积(1 560.13 hm2)远没达到规划面积(1 928.84 hm2),现有绿地更没有规划收集雨水的功能,本文拟从收集雨水的角度,探讨该新建区绿地系统的规划,使规划的绿地系统具备利用雨水的功能。
1)Quickbird遥感影像,2009年6月9日由地理空间数据提供;
2)研究区1∶10 000地形图,由当地测绘局提供;
3)研究区1971—2000年降水资料,由哈尔滨市气象局提供;
4)不同下垫面径流系数,计算公式参数、系数等资料来源于相关文献数据。
利用GIS技术分类解译和提取可集雨下垫面,分析该区域30 a的降雨量,计算该区域雨水资源总量;利用彭曼—蒙特斯公式计算绿地植物需水量,分析该区域收集雨水量与绿地需水量间关系;利用GIS技术生成DEM图形并分析该区域地形地貌特征,确定节水绿地位置,并规划节水绿地系统。本文的技术路线分2个方向分别展开,如图1所示:1)定位节水绿地布局和确定雨水资源规模,包括解译研究区下垫面类型与面积、利用彭曼公式计算雨水量等关键技术环节;2)在建立节水绿地布局的基础上,规划研究区节水绿地系统。
图1 研究技术路线图
2.3.1 地理信息数字化
将该区域1∶10 000地形图上的等高线、居民区、道路广场、各类边界等信息进行数字化处理,生成标准GIS格式的地理信息数据集;基于矢量化的等高线、高程点等数据,建立DEM模型,再利用Citystar软件生成该区域高程、坡度、坡向、径流图等。
2.3.2 遥感图像解译
对获取的卫星遥感图像进行几何校正,结合实地调查建议解译标志,采用目视解译法解译影像图,分别解译为自然林地、城市绿地、农田、建筑、裸地、道路和水系7个类型,并分别计算各类图斑面积及总面积。研究区节水绿地面积仅达研究区面积的37.10%,未达到哈尔滨市绿地规划远期目标(绿地率43%),计算各类集雨下垫面面积时,将研究区现有全部裸地(6 813 621.1 m2)、少量农田(1 312 097.5 m2)规划成绿地,以达到绿地规划指标要求。
2.3.3 彭曼—蒙特斯公式计算绿地植物需水量
计算绿地植物需水量为利用雨水提供量化依据,修正的彭曼—蒙特斯公式被广泛应用于作物需水量计算[16-17]。文中结合哈尔滨市历年气象资料,应用修正的彭曼—蒙特斯公式和园林系数法计算研究区绿地植物需水量:
式中ET0为小时内参考作物腾发量,mm/d;Δ为饱和水气压—温度曲线斜率,kPa/℃;R为冠层表面净辐射,MJ/(m·d);为土壤热通量,MJ/(m2·d);为湿度计常数,kPa/℃;2为2 m高处的风速,m/s;e为饱和水汽压,kPa;e为实际水汽压,kPa;为平均温度,℃。
利用彭曼—蒙特斯公式计算的植物需水量(ET0)为参考作物腾发量[18],园林植物实际需水量(ET)用园林系数法求得
式中K是作物系数,与农作物单一种类栽植不同,选取园林植物系数要考虑植物的种类、种植密度、形成的小气候因子等,K的计算公式[19]为
式中K为园林植物种类因子;K为园林植物种植密度,mc为园林植物形成的小气候因子[20]。K取值与乔木、灌木、地被植物间的配合类型有关;K取值受植物间的种植密度及植物形成的空间冠幅等影响;Kmc取值与植物所处环境的光照、风速、湿度、遮荫等有关。文中规划的绿地以乔木、灌木和地被植物的混合形式为主,K取均值0.5,mc取均值1.0,K取均值1.0[21]。经计算K值为0.5。
2.3.4 可收集雨水总量计算
收集降雨量受气候、降雨特性、水质、下垫面性质等自然因素及建筑物布局和结构等因素影响,大多数地区计算可利用雨水量公式为[22]
式中为年均可利用雨水量,m³;为季节折减系数,=汛期平均降雨量/年均降雨量[23],松北区为0.85;为初期弃流系数,=1-初期雨量×年均降雨次数/年均降雨量[23],松北区为0.63 ;为年降雨量,mm;δ为不同下垫面径流系数[23],A为不同下垫面集雨面积,m2。
3.1.1 降雨分布特征
从平均降雨量来看(图2a),研究区(松北区)近30 a平均降水量524.5 mm,降水量最大年份在1994年,达826.3 mm;最小年份在1989年,仅345.5 mm,降水量最大值与最小值间相差2倍之多,说明降水量年际变化显著。对1971—2000年降水量频率统计可知,降雨量集中在485~671 mm间的累计频率达到50%(丰水年降雨量大于671 mm,枯水年降雨量小于485 mm,平水年降雨量介于485~671 mm间)[24],年降雨量低于485 mm的年份达40%。可见,研究区降雨呈规律性变化,为该区域雨水收集利用提供依据[25]。
图2 研究区1971—2000年间降雨量及蒸发量
由图2b分析,研究区(松北区)近30 a各月间降雨量差别较大,降雨量主要集中在6—8月,这3个月的降雨量占全年降雨量的66.4%,11月至次年2月这4个月的降雨量仅占全年降雨量的10%。方差分析表明多数月份间降雨量差异显著,尤其汛期6—8月的降雨量与其他月份间差异均显著。降雨量月分布的不均衡使城市发生洪涝和干旱的可能性增加;松北区地势偏低,在雨量充沛年份更易发生城市洪涝灾害,应加强对该区域雨水,尤其是汛期6—8月雨水的集中利用。
据研究区(松北区)2003—2005年(平水年)和2010—2011年(平水年)5 a间的日降雨资料,将24 h降雨量分为微雨、小雨、中雨、大雨、暴雨和大暴雨6个等级[24],对这5 a的降雨资料统计分析表明(表1):日降雨以小雨和中雨为主,其降雨量占总降雨量的69.3%;小雨降雨量占总量的30.6%,降中雨天数仅占总降雨天数的12.4%,但其降雨量却占总量的38.7%,降微雨天数虽占总降雨天数的57.7%,由于在雨水收集时需弃流3 mm的初期径流以保证水质[25],这部分雨水达不到一定收集量,在雨水收集中拟将该区降落的小雨和中雨作为收集对象。
表1 研究区5 a间不同等级降雨的降雨量及降雨天数百分比
3.1.2降水量与蒸发量的分布特征
降水是研究区地表水的主要来源,蒸发是水分散失的主要途径,降雨量和蒸发量的关系影响雨水利用模式的建立。研究区降雨主要集中在6—8月,降雨量为348.2 mm,占全年降雨总量的66.4%,非汛期降雨量仅占33.59%,降水分布不均。夏季7—8月降雨量大于蒸发量(图2b),大量雨水流失造成淡水资源浪费。如能集中收集汛期的降雨,经净化储存用作城市绿化用水,在减少洪涝灾害的同时节约了水资源。
3.1.3 可收集雨水总量
据雨水在不同下垫面的地表径流特点将研究区下垫面分为7个类别(表2),利用GIS技术,采用目视解译法将研究区下垫面影像图解译为自然林地、城市绿地、农田、建筑、裸地、道路和水系7个类型并分别提取面积[26]。据此分别进行雨水收集量计算与利用实践。根据不同水平年松北区降雨资料,计算出研究区可利用雨水量为512.68万m³,占降雨总量的21.84%,雨水资源利用潜力巨大,为规划研究区节水绿地提供了水源保证(表2)。
表2 研究区不同下垫面类型、面积、径流系数及不同水平年雨水资源可利用量
注:P代表雨水资源保证率。
Note: Pis guarantee rate of rainwater.
采用式(2)~式(4)计算哈尔滨1971—2000年5—10月绿地植物生长季需水量(表3),结果表明,研究区绿地植物总需水量相差较大,10月植物需水量最小仅为50.82万m³,6月植物需水量最大为138.88万m³,5—10 月植物需水总量为639.71万m³。研究区5—10月间雨水收集量相差很大,7月雨水收集量最大为146.73万m³,10月量最少仅为23.91万m³,5—10月研究区可收集雨水总量为456.17万m³,达植物需水量的71.31%。
表3 研究区绿地5—10月植物需水量
研究区雨水月收集量呈规律性变化,5—7月雨水收集量逐渐升高,7月雨水收集量最大,之后雨水收集量下降;植物月需水量也呈先升后降的趋势,与雨水月收集量变化趋势一致;植物月需水量最大值出现在6月而不是温度最高的7月,植物经过冬季休眠在6月进入旺盛生长期,形成冠展和叶幕区,因此需水量最大。
7、8月研究区雨水月收集量充分满足植物该月需水量,其他各月雨水收集量均显著少于植物需水量,不能满足植物生长所需水分。差异最大为5月,雨水收集量为38.99万m³,植物需水量为137.53万m³,只能满足植物需水量的28.35%;7、8月收集雨水量分别是植物该月需水量的116.30%和103.06%,充分满足植物生长所需水分。若利用收集的雨水灌溉研究区绿地,可节省灌溉用水71.31%,可设计研究区雨水收集利用系统。
雨水在不同坡度渗透与汇流能力不同,坡度3°~15°之间绿地为渗透绿地,坡度3°以下绿地为集水绿地[27],可规划节水绿地面积达1 664.19 hm2。基于此,研究区可建节水绿地面积占研究区总面积的37.10%。
由DEM数据显示研究区高程在114.5~191.9 m之间(图3a),高程从西北向东南方向逐渐递减,西部和东北部地势较高,中部平缓;高程变化较小,北部最高高程与东南部只相差77.4 m,地形平坦。平缓的地势与平坦的地形可减少雨水径流损失,利于雨水充分收集与渗透。
利用DEM数据和ArcGIS软件生成河域流向图和不同流量河流的流域图(图 3a)。研究区内水量较丰富,水网分布较密集均匀,无显著的主导流向,地表径流循环过程在局部区域内部完成,这利于在局部区域内收集利用地表径流,规划雨水收集系统时以此为基础划分不同区域收集,以科学地制定雨水收集策略和方式。
利用ArcGIS软件生成坡度图(图3b),研究区坡度多在0~15°间,地势较平坦。雨水收集利用可充分利用自然地形的坡度变化,并考虑地表径流收集量及污染物去除量[28-30],文中将3°以下地势平坦区域作为集水区,对收集的雨水进行初步去污净化;3°~15°坡度较缓,土壤渗透系数较大,作为雨水渗透区以大量补充地下水;15°以上区域,渗透系数显著减少而径流系数增大,作为雨水收集区。
不同坡向的坡地接受太阳辐射的时间、面积及辐射量有所不同,故地表气温的差异而造成不同坡向蒸发量的不同[31]。在ArcGIS生成的坡向图,将研究区坡向分为8个主要坡向(图3c)。因南、东南、西南等偏南朝向的坡地阳光照射强烈,其蒸发量是平地的1.5~4倍,不利于雨水收集;偏北朝向的坡地因受山体遮阴,地表气温低,蒸发量只有平地的70%~80%[32-33]。将研究区坡向分为平坡、阳坡(南、东南、西南)和阴坡(北、东北、东、西北、西)3类(图3d)。为保证雨水有效利用和蓄水池充分蓄水,蓄水池的位置应设置于阴坡。
图3 研究区地形地貌
在分析研究区潜在水网因子、高程和坡度等地形地貌因子的基础上,定位研究区节水绿地的位置;在对坡向分析的基础上,确定蓄水池设置的位置,据此形成了研究区节水绿地布局方案(图4)。
图4 研究区节水绿地布局方法
定位节水绿地具体位置,形成研究区节水型绿地布局(图5a)。据雨水在不同高程、坡度、坡向渗透与汇流能力不同,将节水绿地分为渗透型绿地和集水型绿地。坡度3°~15°间的坡地土壤渗透系数较大[34],作为渗透性绿地,面积约382.63 hm²;坡度3°以下的区域地势平坦,可收集周边及坡度3°以上的地表径流、净化储存雨水,作为集水型绿地,面积约1 281.56 hm²。节水型绿地总面积占研究区面积的37.10%,未达到哈尔滨市绿地系统规划远期目标(绿地率43%以上),在定位节水绿地分布位置的基础上,以节水绿地为依据规划研究区节水绿地系统,实现绿地系统的节水生态功能。将节水绿地布局图与研究区现状绿地图叠加(图 5c),计算重叠的绿地面积只有178.56 hm2,仅占节水绿地面积的10.73%,说明现状绿地基本不能发挥节水功能,应在确定的上述节水绿地的基础上(图5a),为研究区规划节水绿地系统。将节水绿地布局图与研究区绿地规划图相叠加,计算重叠的绿地面积只有431.51 hm²,仅占节水绿地面积的25.93%(图 5d),说明已规划的绿地系统不能充分发挥节水功能,应在上述节水绿地布局的基础上(图 5a),为研究区规划远期节水绿地系统。
在完成节水绿地分布图基础上,在实现绿地节水生态功能前提下,尊重原有地形地貌、水网路网、植被设施和城市总体规划,依据绿地系统规划时的18项指导文件[35],按生态园林城标准完善绿地分布与类型,规划具有综合功能和突出雨水利用功能的远期节水型绿地系统。规划时将与节水绿地完全重合的现状绿地和已规划绿地全部保留为远期绿地,并按原规划定义其绿地类型;文中节水绿地分布图上确定的绿地,但尚未被规划为绿地,并具备将该绿地纳入某类用地的附属用地(主要是工业与商业、教育与医疗、行政与居住用地),可直接将这些绿地规划为附属绿地(图 5d)。上述绿地面积约占研究区总面积的36%。规划时因节水绿地规模尚未达到远期规划目标,将市政已规划的绿地系统,除去上述绿地后余留的绿地,作为拓展与补充绿地保留其规模与绿地类型,但这些绿地不具备节水功能(图5d);这部分绿地约占研究区总面积的10%。至此规划的远期绿地面积约占研究区总面积的46%,已达到哈尔滨市绿地系统规划远期绿地率43%以上的目标。
绿地系统结构布局:节水绿地系统的结构布局呈“一环、三带、三纵、三横、一隔离、一核、一区、两片、多点”的平面格局(图6a)。
“一环”:沿哈市绕城高速和滨洲铁路设置的防护隔离带及沿松花江沿岸的防洪隔离带形成的连续环形绿廊。“三带”:沿三条河流流域沿岸布置的30 m宽绿色滨水生态廊道。“三纵”、“三横”:沿世茂大道、中源大道、万宝大道、松北大道、祥安北大街和丁香大道等主干道设置不小于30 m宽的道路绿化景观带。“一隔离”:北侧工业组团与南部居住组团间的绿化安全隔离带。“一核”:由市政广场、规划的市级公园及周围居住区级公园、游园组成的绿核。“一区”:东部原有的东北虎林园风景区。“两片”:由绿色滨水生态廊道和道路绿化景观带串连居住区绿地形成的块状绿地。“多点”:按服务半径规划的各级公园、街头绿地、广场绿地等。
绿地系统规划:为研究区规划公共绿地(公园绿地19%)、生产绿地(2%)、防护绿地(8%)、附属绿地(道路绿地、居住区绿地10%)和其他绿地(风景区绿地4%)5个基本绿地类型(图6b),使远期绿地率达43%、绿化覆盖率达48%、公园覆盖率达85%以上。形成“林城环绕、林在城内、城在林中”的节水绿地系统景观。
c. 节水绿地与现状绿地重叠图c. Overlay diagram of water-saving and current green spaced.节水绿地与现规划绿地重叠图d. Overlay diagram of water-saving and current planning green space
a. 绿地系统结构a. Green space system structureb. 最终绿地系统规划b. Final green space system planning
1)研究区降水年际变化显著,降水量集中在485~671 mm间,累计频率达50%;各月间降水量差异显著,6—8月降雨量占全年降水量的66.4%;日降雨以小雨和中雨为主,降雨量占总降雨量的69.3%。年可利用雨水量为512.68万m³,为节水绿地系统规划提供水源保证。
2)绿地5—10月植物需水总量为639.71万m3,同期可收集雨水总量为456.17万m3,满足绿地植物需水量的71.31%;绿地植物需水量与雨水收集量变化趋势一致。各月雨水收集量与植物需水量差异较大,7—8月雨水收集量充分满足植物生长需要,其余各月均不能满足植物生长用水,5月差异最大,雨水收集量只占植物需水量的28.35%。
3)利用GIS技术建立研究区DEM模型,确定坡度3°~15°的绿地为渗透绿地,3°以下的绿地为集水绿地,可规划节水绿地面积达1 664.19 hm2,占研究区总面积的37.10%。定位研究区节水绿地分布并规划节水绿地系统,实现绿地节水生态功能。
4)为研究区规划节水绿地系统,其结构布局呈“一环、三带、三纵、三横、一隔离、一核、一区、两片、多点”的平面格局,为研究区规划公共绿地(公园绿地19%)、生产绿地(2%)、防护绿地(8%)、附属绿地(道路绿地、居住区绿地10%)和其他绿地(风景区绿地4%)5个基本绿地类型,使远期绿地率达43%、绿化覆盖率达48%、公园覆盖率达85%以上。
[1] Edgar L V, Andrew D. Analysis of a rainwater collection system for domestic water supply in Ringdansen, Norrköping, Sweden[J]. Building and Environment, 2005, 40(9): 1174-1184.
[2] Lu Xiaofeng, Sun Yi, Li Bo, et al. Research on utilization of urban rainwater resources[J]. Energy Procedia, 2011, 3(5): 2410-2415.
[3] Zeng Bing, Tan Haiqiao, Wu Lijuan. A new approach to urban rainwater management[J]. Journal of China University of Mining and Technology, 2007, 17(1): 82-84.
[4] 张彪,谢高地,薛康,等. 北京城市绿地调蓄雨水径流功能及其价值评估[J]. 生态学报,2011,31(13):3839-3845. Zhang Biao, Xie Gaodi, Xue Kang, et al. Evaluation of rainwater runoff storage by urban green spaces in Beijing[J]. Acta Ecologica Sinica, 2011, 31(13): 3839-3845. (in Chinese with English abstract)
[5] 周维,张凯,张丽娟. 基于海绵城市视角下的城市绿地系统雨水管理研究[J]. 绿色科技,2017,8(4):121-122. Zhou Wei, Zhang Kai, Zhang Lijuan. Study on rainwater utilization of urban green land system based on the sponge city perspective[J]. Journal of Green Science and Technology, 2017, 8(4): 121-122. (in Chinese with English abstract)
[6] 何丹. 北京地区公园绿地雨水利用设计研究[D]. 北京:北京林业大学,2014. He Dan. Research on the Rainwater Utilization Design in Large Parks in Beijing on Area[D]. Beijing: Beijing Forestry University, 2014. (in Chinese with English abstract)
[7] 王凯平. 城市园林景观设计中雨水收集的利用方式的思考[J]. 工程技术研究,2018,31(7):243-244. Wang Kaiping. Thoughts on rainwater collection and utilization in urban landscape design[J]. Engineering and Technological Research, 2018, 31(7): 243-244. (in Chinese with English abstract)
[8] 赵西宁,吴普特,冯浩. 小流域雨水资源化潜力及其可持续利用分析[J]. 农业工程学报,2005,21(7):38-41. Zhao Xining, Wu Pute, Feng Hao, et al. Analysis of potential and sustainable utilization of rainwater resources in small watershed[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE). 2005, 21(7): 38-41. (in Chinese with English abstract)
[9] 宋云,俞孔坚. 构建城市雨洪管理系统的景观规划途径:以威海市为例[J]. 城市问题,2007,26(8):64-70.Song Yun, Yu Kongjian. The landscape planning approach to construct administration system of city storm water: a case study of Weihai city[J]. Urban Problems, 2007, 26(8): 64-70. (in Chinese with English abstract)
[10] 刘若愚. 基于GIS上的长株潭结合部雨水利用系统规划研究:以昭山乡为例[D]. 长沙:湖南农业大学,2010.Liu Ruoyu. The Rainwater Utilization System Planning Research about the Junction of Changsha—Zhuzhou—Xiangtan City Based on GIS: The Case Study of Zhaoshan Township[D]. Changsha: Hunan Agricultural University, 2010. (in Chinese with English abstract)
[11] 张建新,郑大玮,武永利. 基于3S技术的可收集雨水资源潜力的计算与分析[J]. 农业工程学报,2006,22(10):40-44.Zhang Jianxin, Zheng Dawei, Wu Yongli. Calculation and analysis of the collectable rainwater resource potential based on GIS, GPS and RS[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2006, 22(10): 40-44. (in Chinese with English abstract)
[12] 宋进喜,宋令勇,何艳芬,等. 基于GIS的西安市雨水收集潜力估算[J]. 干旱区地理,2009,32(6):874-879. Song Jinxi, Song Lingyong, He Yanfen, et al.GIS-based estimation of potential amount of rainwater for utilization in Xi’an city[J]. Arid Land Geography. 2009, 32(6): 874-879. (in Chinese with English abstract)
[13] 宰松梅,冯雪芳,仵峰,等.时间尺度对农田灌溉设计保证率的影响[J]. 农业工程学报,2018,34(16):96-102. Zai Songmei, Feng Xuefang, Wu Feng, et al. Effect of time scales on probability of irrigation water requirement of farmland[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(16): 96-102. (in Chinese with English abstract)
[14] John D. Valiantzas Simplified forms for the standardized FAO-56 Penman-Monteith reference evapotranspiration using limited weather data[J]. Journal of Hydrology, 2013, 505: 13-23.
[15] 苟思,刘超,贺宇欣,等. 植物水分来源季节性变化对区域蒸散发模拟的影响[J]. 工程科学与技术,2018,62(4):63-70. Gou Si, Liu Chao, He Yuxin, et al.Impacts of shift of plant water sources on regional evapotranspiration simulation[J]. Advanced Engineering Sciences, 2018, 62(4): 63-70. (in Chinese with English abstract)
[16] 刘钰,Pereira L S. 对FAO推荐的作物系数计算方法的验证[J].农业工程学报,2000,16(5):26-30Liu Yu, Pereira L S. Validation of FAO methods for estimating crop coefficients[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2000, 16(5): 26-30. (in Chinese with English abstract)
[17] 刘钰,蔡林根. 参照腾发量的新定义及计算方法对比[J]. 水利学报,1997,42(6):28-34.Liu Yu, Cai Lingen. Update definition and computation of reference evapotranspiration comparison with former method[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 1997, 42(6): 28-34. (in Chinese with English abstract)
[18] Allen R G, Smith M, Perrier A, et al. An update for the definition of reference evapotranspiration[J]. ICID Bulletin, 1994, 143(2): 31-34.
[19] Tzoulas K. Promoting ecosystem and urban health in urban areas using Green Infrastructure: A literature review[J]. Landscape and Urban Planning, 2007(7): 167-178.
[20] 邱振存,管健. 园林绿化植物灌溉需水量估算[J]. 节水灌溉,2011(4):48-50. Qiu Zhencun, Guan Jian. The water requirement estimation of landscape plants irrigation[J]. Water Saving Irrigation, 2011(4): 48-50. (in Chinese with English abstract)
[21] 张龙曦. 谈园林绿化设计中的节水措施[J]. 低碳世界,2017,7(2):282-284. Zhang Longxi. Discussion on water saving measures in landscape greening design[J]. Low Carbon World, 2017, 7(2): 282-284. (in Chinese with English abstract)
[22] 赵西宁,吴普特,冯浩,等. 基于GIS的区域雨水资源化潜力评价模型研究[J]. 农业工程学报,2007,23(2):6-10. Zhao Xining, Wu Pute, Feng Hao, et al. Regional rainwater harvesting potential assessment model based on GIS[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2007, 23(2): 6-10. (in Chinese with English abstract)
[23] 陶望雄. 雨水利用理论与技术方案研究[D]. 西安:长安大学,2016.Tao Wangxiong. Research on Theory and Technical Program of Rainwater Utilization[D]. Xi’an: Chang’an University, 2016. (in Chinese with English abstract)
[24] 温川,殷战阳. 格尔木河格尔木站年径流特征及丰平枯水年划分[J]. 科技信息,2011, 28(13):447-450. Wen Chuan, Yin Zhanyang. Annual runoffcharacteristics and the divided years with rich, normal and dry precipitation of GolmudStation in Golmud River[J].Science & Technology Information, 2011, 28(13): 447-450. (in Chinese with English abstract)
[25] 曹传生,刘慧民,王南. 屋顶花园雨水利用系统设计与实践[J]. 农业工程学报,2013,29(9):76-85. Cao Chuansheng, Liu Huimin, Wang Nan. Design and practice of rainwater utilization system for roof garden[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(9): 76-85. (in Chinese with English abstract)
[26] 吴爱华,袁帅. 海绵城市建设在旧城区改造工程设计中的应用[J]. 建筑节能,2017,25(7):47-51. Wu Aihua, Yuan Shuai. Application of sponge city construction in old city reconstruction project[J]. Building Energy Efficiency, 2017, 25(7): 47-51. (in Chinese with English abstract)
[27] 陈奇灵. 海绵城市理论在公共绿地设计中的应用[J]. 中外建筑,2018,24(7):182-185. Chen Qiling. Application of sponge city theory in public green space design[J]. Chinese & Overseas Architecture, 2018, 24(7): 165-170.(in Chinese with English abstract)
[28] Carson M A, Kirkby M J. Hillslope Form and Process[D]. Cambridge: Cambridge University Press, 1972.
[29] Zhang Mulan, Chen Hao, Wang J Z, et al. Rainwater utilization and storm pollution control based on urban runoff characterization[J]. Journal of Environmental Sciences, 2010, 22(1): 40-46.
[30] 张静,周玉文,刘春,等. 降雨地表径流水质模拟中SWMM模型水质参数确定[J]. 环境科学与技术,2017,40(5):165-170. Zhang Jing, Zhou Yuwen, Liu Chun, et al. Determination of water quality parameters of SWMM model for water quality simulation of rainfall-runoff[J]. Environmental Science & Technology, 2017, 40(5): 165-170. (in Chinese with English abstract)
[31] 刘冠成,黄雅曦,王庆贵,等. 环境因子对植物物种多样性的影响研究进展[J]. 中国农学通报,2018,34(13):83-89. Liu Guancheng, Huang Yaxi, Wang Qinggui, et al. Effects of environmental factors on plants species diversity: Research progress[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2018, 34(13): 83—89. (in Chinese with English abstract)
[32] 付兴涛,姚璟. 降雨条件下坡长对陡坡产流产沙过程影响的模拟试验研究[J]. 水土保持学报,2015,29(5):20-24. Fu Xingtao, Yaojing. Simulation experiment on the impact of slope length on steep slope runoff and sediment process under rainfall conditions[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2015, 29(5): 20-24. (in Chinese with English abstract)
[33] 金志凤,黄敬峰,李波,等. 基于GIS及气候—土壤—地形因子的浙江省茶树栽培适宜性评价[J]. 农业工程学报,2011,27(3):231-236.Jin Zhifeng, Huang Jingfeng, Li Bo, et al.Suitability evaluation of tea trees cultivation based on GIS in Zhejiang Province[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(3): 231-236. (in Chinese with English abstract)
[34] 孙贞婷,胡霞,李宗超,等. 土壤理化性质与土壤溅蚀速率的相关性研究[J]. 水土保持研究,2017,32(3):53-58. Sun Zhenting, Hu Xia, Li Zhongchao, et al. Correlations between soil physical-chemical proprieties and soil splash erosion rate[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2017, 32(3): 53-58. (in Chinese with English abstract)
[35] 曹传生. 基于SPAC理论的哈尔滨松北区节水绿地规划设计研究[D]. 哈尔滨:东北农业大学,2013. Cao Chuansheng. Research on Water-saving Green Space Planning and Design in Songbei District of Harbin Based on SPAC Theory[D]. Harbin: Northeast Agricultural University, 2013. (in Chinese with English abstract)
City water-saving green space system planning based on GIS technology
Liu Huimin1, Gong Siyu1, Zou Tiean2, Pei Yingxin3, Pu Jie1, Jiang Shan1, Wang Xuena1, Fu Xingyuan1※
(1.,,150030, China;2.,,150030, China; 3.,116000, China)
In city green space planning, plant evapotranspiration (ET) and rainwater supply haven’t considered. In this study, city water-saving green space system was planned based on GIS technology by considering the plant ET and rainwater supply. We would take full advantage of rainwater resources and plan ecological green space system with water-saving function for the core area of Songbei in Harbin. The GIS technology was used for extraction of underlying subsurface of collectable rainwater for calculation of utilizable rainwater. Plant ET was calculated by Penman-Monteith formula. The results showed that the rainfall in the study area was concentrated in a range of 485-671 mm. The average rainfall of 30 years was 524.5 mm. The rainfall maximized in the year of 1994 (524.5 mm) and minimized in the year of 1989(345.5 mm). The rainfall from June to August accounted for 66.4% of the annual rainfall. Among 5 levels, light and moderate rain were the main levels of rainfall and total of them accounted for 69.3% of the total rainfall. Rainwater resources utilization was annually 5 126 800 m3. The total of the plant ET was annually 6 397 100 m3from May to October while in the same time the total amount of rainwater could be collected 4 561 700 m3. The rainwater resource could reach 71.31% of plant ET. Water demand of plants was mostly consistent with rainfall period. The rainwater harvesting amount in July and August could fully meet the requirement of water by plants, however, the rainwater was less than the required water by plants in the other months especially in May. The rainwater harvested in May only accounted for 28.35% of plant ET. The distribution map of water-saving green space of study area was built up. The green space with the slope between 3° and 15° was designed as the infiltration type greenbelt, and the slope less than 3° was as the water-collecting green space, and by the DEM model, the area of potential water-saving green space could reach 1 664.19 hm2, which was 37.10% of the research area. By using the theory of hydraulic engineering and geographic information science, and taking the water-saving green space as the main body, the water-saving green space system with using rainwater resource was planned for the study area. The system structure was one green ring, three green belts, three vertical and three horizontal green belts, one green isolation belt, one green core, one green region, two green spaces and multiple green points. Five basic types of green space were planned for the study area with park green space (19%), production green space (2%), protective green space (8%), affiliated green space (10%) and the other green space (4%). So the green coverage rate could reach 48% and park coverage rate would reach more than 85%, and the long-term green space rate would reach 43%. This paper showed a method for planning urban green space system with water-saving ecological function so that the water resources in urban could be fully utilized.
rainfall; evapotranspiration; GIS; green space; rainwater resources; Harbin; planning; water-saving
2018-11-30
2019-02-25
黑龙江省自然科学基金项目(E2018009)
刘慧民,博士,教授,主要从事园林景观生态与园林规划设计和园林植物逆境生理生态研究。Email:liuhm0423@163.com。
符兴源,博士,副教授,主要从事园林景观规划与设计及景观环境心理学研究。Email:1292676240@qq.com。
10.11975/j.issn.1002-6819.2019.06.034
S731.2
A
1002-6819(2019)-06-0279-9
刘慧民,宫思羽,邹铁安,裴盈欣,浦 杰,姜 珊,王雪娜,符兴源. 基于GIS技术规划城市节水型绿地系统的研究[J]. 农业工程学报,2019,35(6):279-287. doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2019.06.034 http://www.tcsae.org
Liu Huimin, Gong Siyu, Zou Tiean, Pei Yingxin, Pu Jie, Jiang Shan,Wang Xuena, Fu Xingyuan. City water-saving green space system planning based on GIS technology[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(6): 279-287. (in Chinese with English abstract) doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2019.06.034 http://www.tcsae.org