北京城市化进程中绿地生态系统水循环优化研究

王军

（青海省玛可河林业局，西宁 810001）

城市化发展和水资源合理利用是一种相互依存相互制约的关系［1］。城市化进程的加快导致城市规模的急剧扩张，不仅影响着城市产业结构、人口数量、生态环境，而且影响着城市用水规模和结构。城市化的发展给城市水资源环境带来了巨大压力，北京作为世界严重缺水的城市之一，城市水资源短缺逐渐成为城市可持续发展的制约因素［2，3］。在城市化发展的同时，城市生态环境的不断恶化使社会各界对城市生态系统的保护和建设的需求不断提高。绿地生态系统作为城市生态系统的重要组成部分，在固碳释氧、降温增湿、美化环境等方面发挥着重要的生态功能，但其规模的迅猛发展也伴随着大量水分的消耗［4］，灌溉用水已成为城市生态用水的重要方面［5］。因此，探究北京城市化水平与生态用水的相互关系和变化规律以及绿地生态系统水资源利用情况能够明确城市化过程中生态用水方面的问题，对实现城市水资源合理利用和城市可持续发展具有深远意义。

城市化是人口、经济、社会和环境发展与相互作用的结果。目前评价城市化水平的方法主要包括单一指标法和综合评价法［6］。单一指标法主要是通过城镇人口占总人口比重指标评估城市化水平，评价角度过于单一易导致评价结果误差较大［7］。综合评价法是通过构建包括城市发展诸方面的评价指标体系对城市化水平进行综合评价，力求全面合理地评估地区城市化发展水平，研究者更倾向于采用综合评价法对区域城市化水平进行评价［8］。城市绿地生态系统耗水是指维持绿地正常生长和生态功能正常发挥所消耗的水量即绿地蒸散发量（Evapotranspiration，ET），包括植物蒸散发用水和地表蒸散发用水［9，10］。研究者从实现城市绿地生态系统水资源合理利用角度出发结合实验法、涡度相关法以及能量平衡法等多种方法对其用水特征和规律进行了系统的分析［11-13］。但目前研究大多采用单年份监测数据进行分析并忽略了雨水对绿地生态用水的影响，且研究尺度大多局域于某一公园或居民区尺度上，研究结论普遍性不足。在探究城市绿地生态系统水资源利用的同时，国外研究者自19世纪末开始就针对城市绿地生态系统水循环优化进行了大量的系统研究和实践，目前已形成了较为完整的理论体系，主要包括美国研究者提出的最佳雨水管理措施［14］（Best management practices，BMPs）和低影响开发措施［15］（Low impact development，LID）、英国学者提出的绿色基 础设施理论［16］（Theory of green infrastructure，GI）以及澳大利亚相关专家提出的水敏性城市建设理论［17］（Water sensitive urban design，WSUD）。上述理论均认为城市海绵体的恢复和构建是提高城市雨水收集和利用能力的有效途径。国内学者在城市水循环系统优化的相关理论基础上对城市雨水资源化利用潜力、开发方式等方面进行了深入的研究，结果表明中国潜力巨大，通过恢复自然排水系统、构建城市雨水花园和生态屋顶等措施能够提高城市雨水利用效率［18，19］。但关于城市绿地生态系统雨水利用与资源化的研究仍处于基础阶段，结合绿地生态系统用水情况对城市绿地生态系统水循环优化分析的研究仍不多见。

本研究立足北京市具体情境，围绕资源节约的主题，针对北京城市化进程中生态用水和绿地生态系统水循环问题展开深入研究。首先，通过构建城市化水平综合评价指标体系对北京城市化水平进行系统评价；其次，量化分析北京城市化水平与生态用水的相互关系；最后，结合水量平衡的思想分析城市绿地生态系统用水状况并识别其潜在的用水问题，在此基础上提出城市绿地生态系统水循环优化措施，从而为实现城市化发展和水资源合理利用提供科学依据。

1 研究区概况

北京市位于华北平原与内蒙古高原交界处，濒临渤海湾。地势西北高，东南低，西北部地区山地绵延起伏，东南部地区以平原为主，平均海拔为43.5 m。北京市为典型的温带半湿润大陆性季风气候，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥，年均气温10～12℃，全年无霜期180～200 d。北京市年均降雨量为448 mm，降雨大都集中在7—9月且极端降雨现象频发，汛期雨水资源丰富。北京市2019年总人口为2 153.6万，其中城镇人口比重为86.6%，比2001年增长8.54%；人均地区生产总值达16.40万元，比2001年增长13.87万元。伴随着经济社会快速发展，北京水资源短缺问题日益严峻，人均水资源占有量不足150 m3，平原地区地下水平均埋藏深度已超过25 m，水资源短缺将严重制约着城市的社会稳定和可持续发展［20］。

2 研究方法与数据来源

2.1 研究方法

2.1.1 城市化水平与生态用水相互关系分析首先，结合相关研究从人口、经济、社会和环境城市化4个方面共选取15个二级指标，构建综合评价指标体系（表1），对北京2001—2015年城市化水平进行评价。其次，在对比各类综合评价方法的基础上，运用熵权法确定各指标权重，对城市化水平进行综合评价。

1）原始数据标准化。采用极值法对原始数据进行标准化。其中，正向、负向指标分别采用式（1）、式（2）进行标准化。

式中，yij为第i个指标在j年的标准化数据，取值范围为［0，1］；xij为第i个指标在j年的原始数据；xmax、xmin为第i个指标的最大值和最小值。

2）熵值计算。在对原始数据进行标准化后，采用式（3）对各指标熵值（hi）进行计算。

3）指标权重确定。利用计算出的各指标熵值，结合式（4）对各指标权重（wi）进行确定（表1）。

表1 北京城市化水平综合评价指标体系及指标权重

4）城市化水平计算。在各指标权重的基础上利用式（5）评估研究期间内北京城市化水平（Uj）。

最后，结合Pearson相关系数法和一元线性回归法对城市化水平与各类城市用水的相互关系进行分析，通过对比各类城市用水与城市化水平的变化趋势，明确城市化过程中生态用水是否存在问题。其中，构建一元线性回归模型时自变量均为城市化水平，因变量分别为农业用水（z1）、工业用水（z2）、生活用水（z3）和生态用水（z4）。

2.1.2 城市绿地生态系统水资源利用分析基于水量平衡分析法，从绿地耗水、理论灌溉、雨水资源化潜力方面对北京绿地生态系统水资源利用进行分析。

1）城市绿地生态系统耗水分析。首先，借助ARCGIS 10.2软件，对北京市2000年与2010年土地利用类型数据进行叠加分析，利用属性提取工具提取城市绿地斑点数据。其次，通过叠加分析绿地斑点数据和ET-Watch数据，提取并计算2002—2013年北京城市绿地单位面积年均耗水量。最后，结合尺度扩展法对研究时段内各年耗水总量进行计算。计算公式如下：

式中，WETj表示绿地生态系统第j年的蒸散发总量（m3）；ET表示绿地生态系统年均单位面积耗水量（mm）；Aj表示绿地生态系统第j年的面积（m2）。

2）城市绿地生态系统理论灌溉分析。在城市绿地生态系统耗水分析的基础上，本研究利用水量平衡公式对绿地生态系统理论灌溉量进行估算。由于北京市地下水埋藏深度已超过25 m，平均地下水水位已超过植物根系所能吸水的范围之外，因此，在计算过程中不考虑地下水供给量。计算公式如下：

式中，WIj表示绿地生态系统第j年的理论灌溉总量（m3）；WPj表示第j年的有效降雨利用总量（m3）；μ表示降雨有效利用系数，该系数与区域内降雨量相关，本研究借用孙红等［9］评估的北京市有效降雨利用系数（0.70）进行估算；Pj表示第j年的单位面积降雨量（mm）。

3）城市绿地生态系统雨水资源化潜力分析。实地调研发现目前北京城市绿地生态系统的主要水分来源为人工灌溉，雨水等中水资源利用率相对较低。因此，本研究从实现雨水资源有效利用角度出发，结合城市雨水资源化潜力计算公式，对北京绿地生态系统雨水资源化潜力进行估算，并与理论灌溉量进行对比分析，探究雨水资源是否能够满足绿地生态系统耗水需要。绿地生态系统雨水资源化潜力计算公式如下：

式中，WRj表示绿地生态系统第j年的雨水资源化潜力（m3）；α表示季节折减系数（汛期降雨量/年降雨量）；β表示径流系数，相关研究表明北京绿地生态系统降雨径流系数为0.15，本研究在分析过程中将采用该经验系数［20］。

2.2 数据来源

北京市2001—2015年经济社会发展的相关数据源于《北京市统计年鉴》，城市绿化相关数据源于《北京城市绿化资源公报》，水资源相关数据源于《北京市水资源公报》。土地利用类型数据源于中国科学院生态十年遥感监测项目研究成果，分类体系采用IPCC土地覆被分类体系与LCCS土地覆被分类体系，空间分辨率为30 m。蒸散数据为中国科学院遥感所生产的北京市2002—2013年ET-Watch数据，空间分辨率为1 km。该系列数据利用改进的SEBS模型和SEBAL模型反演地表蒸散发，其数据在海河流域通过了多种途径的验证，其反演结果与地面观测结果拟合程度较高。降雨数据源于中国气象局（http：//data.cma.cn/）监测的北京市2000—2013年站点数据。

3 结果与分析

3.1 北京城市化水平评价结果

2001—2015年北京城市化水平总体呈波动变化趋势，城市化水平由2001年的0.184上升至2015年的0.818（图1a）。但不同研究年份间变化趋势存在一定差异，具体而言可以分为波动变化（2001—2005年）、缓慢上升（2006—2009年）、快速上升（2010—2015年）3个阶段。研究期间内城市化水平变化趋势差异与人口、经济、社会和环境城市化水平变化趋势密切相关。第1阶段城市化水平最大值出现在2004年（0.384），呈波动变化趋势主要是社会城市化和环境城市化在该阶段内均呈波动变化趋势，且在2004年均出现峰值。第2阶段城市化水平缓慢上升，由0.388上升至0.524，一方面是由于人口、经济和环境城市化水平上升速度相对较慢，另一方面是由于社会城市化呈下降趋势。第3阶段城市化水平快速上升，由0.524上升至0.818，主要是由于人口、经济、社会和环境城市化水平均呈快速上升趋势，变化速度明显高于其他阶段。同时，对比人口、经济、社会和环境城市化水平变动趋势可以看出，除2004—2005年外，环境城市化水平均呈上升趋势，上升程度明显超过人口和经济城市化，这说明北京城市生态环境建设水平不断提高，城市生态系统规模快速扩大，推动了城市化进程（图1b）。

图1 2001—2015年北京城市化水平（a）与人口、经济、社会和环境城市化水平（b）

3.2 北京城市化水平与城市用水关系量化分析

利用R语言对北京市2001—2015年城市化水平与城市用水的相关关系进行分析（表2）。城市化水平与农业用水、工业用水、生活用水、生态用水的相关系数分别为-0.962、-0.891、0.924、0.959，且均在0.01水平上呈显著相关，该研究结果表明伴随着北京城市化水平的提高，农业用水和工业用水均呈下降趋势，而生活用水和生态用水均呈上升趋势。农业用水和城市化水平的负相关程度大于工业用水和城市化水平的负相关程度，说明农业用水降低幅度高于工业用水降低幅度。生态用水和城市化水平的相关程度大于生活用水和城市化水平的相关程度，说明城市化过程中生态用水增长幅度高于生活用水增长幅度。

表2 北京城市化水平与城市用水相关系数矩阵

在城市化水平和城市用水相关分析的基础上，本研究分别构建城市化水平与城市用水回归分析模型，以量化分析城市化水平变化时各类城市用水的变化情况。构建的回归分析模型如下：

回归分析模型中R2均大于0.750说明，城市化水平与各类城市用水的回归模型拟合程度均较高。但不同回归分析模型的R2存在一定差异表明生态用水与城市化水平的拟合程度最高。从各回归模型F检验结果可以看出，F1、F2、F3和F4均大于显著性水平为0.005时的临界值11.75，表明各类城市用水均与城市化水平呈显著线性关系。同时，根据回归模型的变量参数可以将城市化水平与各类城市用水的关系分为以下两类：①农业用水和工业用水均随着城市化水平提高呈显著下降，但农业用水的下降趋势高于工业用水；②生活用水和生态用水均随着城市化水平提高呈显著上升，其中生活用水增长趋势低于生态用水。由此表明城市化水平提高带来生态用水的快速增加，有效降低生态用水、提高生态用水效率将成为城市水资源合理利用的关键。

3.3 北京绿地生态系统水资源利用情况分析

通过叠加分析提取北京市2002—2013年绿地生态系统年均耗水量（图2）。在研究期间北京绿地生态系统年均耗水量与有效降雨量分别为406.208 mm与360.121 mm。各年间绿地生态系统年均耗水量基本保持稳定，受有效降雨年际变化影响较小。绿地生态系统年均耗水量最大值与最小值分 别 出 现 在2008年（427.292 mm）和2006年（387.714 mm），极差仅为39.578 mm。由此，本研究将绿地生态系统年均耗水量（406.208 mm）作为经验值，利用尺度扩展法计算2001—2015年北京绿地生态系统耗水总量与理论灌溉总量。

图2 2002—2013年北京绿地生态系统年均耗水与有效降雨情况

通过计算分析，2001—2015年北京绿地生态系统理论灌溉总量为37.861×108m3，雨水资源潜力为46.073×108m3（图3）。其中绿地生态系统耗水总量为324.046×108m3，有效降雨利用总量为286.186×108m3。北京绿地生态系统规模不断扩大导致绿地生态系统耗水总量快速上升。在2001—2008年绿地生态系统规模相对较小且增长速度相对较慢，各年耗水总量均低于20×108m3。而在2008年后绿地生态系统规模急剧扩张，耗水总量随之急剧增长，该研究阶段耗水总量均超过20×108m3。研究期间内降雨量的差异导致各年间理论灌溉总量和雨水资源化潜力存在明显差异。通过对比各年间绿地生态系统理论灌溉总量和雨水资源化潜力可以看出，研究期间内有5个年份（2008年，2010—2013年）雨水资源化潜力高于其理论灌溉总量，实现上述研究年份雨水的收集，能够在枯水和特枯年份为绿地生态系统补充灌溉水资源。其他年份虽然其雨水资源潜力小于理论灌溉量，但实现当年雨水的收集利用能够有效降低人工灌溉水资源投入量。综上所述，绿地生态系统耗水总量随着绿地生态系统规模的扩大而不断增加，但实现雨水资源的有效收集与利用是满足绿地自身耗水需要的重要途径。

图3 2001—2015年北京绿地生态系统水资源利用情况

4 小结与讨论

城市生态系统规模的扩大导致生态用水随城市化水平提高而增加，其水循环水平相对较低导致生态用水增速高于其他类型用水。研究结果表明农业用水和工业用水规模随城市化水平提高呈显著下降，而生活用水和生态用水呈显著上升，且生态用水的上升速率明显高于其他类型城市用水。导致上述现象的原因可以分为以下两个方面：一方面城市生态环境不断恶化促进了城市生态环境的恢复与建设进程，城市生态系统规模不断提高，在研究期间内仅城市绿地生态系统面积已从30 224 hm2增长至81 305 hm2，从而导致城市生态用水规模不断提高。另一方面城市生态系统受人类活动影响较大，水循环系统受破坏严重，导致其无法有效收集和利用雨水资源，其主要水分来源为地下水和人工灌溉，由此伴随着城市生态系统规模的扩大，城市生态用水增加将愈发凸显。因此，实现城市生态系统水循环优化，有效收集和利用雨水资源，减少地下水和人工灌溉比重成为城市水资源合理利用的重要环节之一。

绿地生态系统作为城市生态系统的重要组成部分，实现其水循环优化将有助于降低城市生态用水规模。上述研究结果表明实现降雨的有效收集和利用能够充分满足城市绿地生态系统正常生长需要。因此，本研究在相关理论的基础上结合北京的实际情况，提出绿地生态系统水循环优化措施，包括下凹式绿地构建、生物滞留沟营建、修建渗透井和渗透池等措施。

1）下凹式绿地构建。下凹式绿地是通过降低现有城市绿地的高度，构建人工汇流系统，在防止绿地雨水外流的同时有效收集道路雨水。其具体措施：以城市道路为参照物，绿地高度应低于道路1.5～3.0 cm，便于道路地表径流自然流入绿地中；同时在绿地合适的位置增设雨水口，雨水口的高度低于绿地0.5～1.0 cm，使绿地无法渗透的雨水通过雨水口流入雨水收集管道中。下凹式绿地设计既能够有效发挥绿地调节地表径流的能力，又能够实现雨水有效渗透和收集，是实现绿地生态系统水循环优化的重要途径之一。

2）生物滞留沟营建。生物滞留沟营建主要包括植被浅沟和植草洼地营建等措施。在地势相对较低的区域开挖深度为5～10 cm的浅沟渠，将浅沟表层土壤更换为透水性较好的自然土壤或人工土，并在沟渠内部及两侧种植耐水湿且抗旱的植被。在收集、渗透富裕雨水的同时对雨水进行初步的净化，减少雨水径流中的悬浮的固体颗粒和污染物含量，从而在一定程度上降低雨水水质净化成本，实现雨水资源的有效收集利用。

3）渗透井（池）修建。修建渗透井和渗透池是指在绿地内部修建类似于检查井或蓄水池的装置，但其井壁或池壁采用透水性材料，并在其底部和四周铺设一定面积的透水材料，能够让雨水通过装置的周边或底部渗透到其内部，对其水质净化后通过公园输水装置流入蓄水湖中，实现雨水的有效回收利用。