城市綠地生態系統合理供水辨識分析

徐 鶴 褚俊英 劉家宏 秦大庸

(中國水利水電科學研究院流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京100038)

城市綠地生態系統合理供水辨識分析

徐 鶴 褚俊英 劉家宏 秦大庸

(中國水利水電科學研究院流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京100038)

城市綠地因具有美化環境、降低空氣污染、控制城市熱島等作用而日益得到重視。合理的城市生態供水不僅有益于植被的正常生長，對城市水資源合理配置同樣具有積極意義。為統籌城市生態與國民經濟發展，保證綠地健康，需要合理的綠地供水管理。本文以土壤含水量為標準，根據田間持水量、臨界土壤含水量和凋萎系數三個土壤含水量值劃分不同等級的綠地需水量，將供水量分為四個等級，建立了城市綠地供水合理性評價模型，為有效辨識供水合理性提供了參照依據。以2009年北京市城市綠地供水為例，進行了供水合理性分析，結果表明，從全年來看，供水基本合理，雖然綠地蒸散發受到一定抑制，但不影響植被生長;從逐月供水來看，個別月份存在供水過少或過多現象，影響植被生長，且不利于水資源合理利用。

城市綠地;供水量;合理性評價;土壤含水量

隨著生活水平的提高，人們對生活環境的要求也逐漸提高，城市生態建設顯得日益重要，城市綠地率、綠化覆蓋率、人均綠地面積等已成為城市建設和規劃的重要指標。目前，城市綠地規劃供水多采用定額法和水量平衡法［1］，且多以年為時間尺度，沒有考慮植被需水的年內變化。在用水的核算和供水合理性分析方面，魏彥昌等［2］以生態用水率為指標分析了海河流域城市生態用水的合理性，范源等［3］建立了基于生態價值的生態用水分配優化數學模型，對生態供水分配方法進行了探討，但都是統籌生態與經濟供水合理性，沒有對生態系統本身用水合理分析。本文以生態系統自身需水為基礎，以土壤含水量對綠地需水過程的影響為依據，建立了城市綠地系統合理供水評價模型，為合理的人工灌溉提供了參考依據。

1 綠地生態系統用水過程特點

綠地生態系統用水方式主要是植被的蒸騰和生長、土壤蒸發等，供水來源包括降水的有效利用和人工補充灌溉。在生態系統用水過程中，呈現出時間分布、空間分布和主觀目的等特性。在補充灌溉時，應充分考慮這些特征，以保障生態系統的健康發展，有利于水資源的合理高效利用。

(1)時間分布特性。一方面，由于植物的生長節律和土壤蒸發強度的時間變化，使生態系統用水呈季節性變化，另一方面，生態用水和國民經濟用水的統籌受來水影響，造成生態用水量和用水比例逐年不同。時間分布特征也表現出生態用水的動態性［4］。

(2)空間分布特性。植被在空間上的分布直接決定了生態系統用水量的空間分布，對于不同城市，受植被覆蓋率、植被種類、土壤種類和質地、城市發展程度、可用水量、用水統籌等影響，生態用水量截然不同，亦呈現出空間分布特性。

(3)主觀目的特性。主要體現在恢復或建設目標上，植被種植用途、植被種植種類、綠地灌溉時間與灌溉水量等因素，都影響著用水范圍分布與用水量大小。

2 城市綠地生態系統合理供水評價模型

對城市綠地生態系統可持續供水的評價應從供水量和生態需水量兩方面進行比較來評價。人工灌溉是在降雨有效利用的基礎上對城市生態需水的滿足，供水量不一定合理，尤其在水資源相對匱乏的地區，大部分生態系統用水被國民經濟用水擠占;而生態需水是從生態系統本身的角度來研究生態系統與廣義水資源間的關系，與相應的生態保護、建設目標直接相關，恢復或建設目標不同，生態需水量就不同，生態需水是相對合理的水量［5］。

2.1 模型計算公式

城市綠地用水主要包括植物蒸騰作用、棵間蒸發、制造有機物質、維持植被生存的土壤含水等;用水來源有降雨利用和人工灌溉兩部分，根據水量供需平衡，供水量為植被總需水量與降水有效利用量之差，其公式為式中:W'G(t)為時段內的供水量，WEi(t)、WPi(t)、WSi(t)分別為綠地蒸散發需水量、植物生長需水量、保持植被生存的土壤含水需水量，m3;PGi為植被有效降雨利用量，m3;其中i代表不同植被種類，t代表不同時間，下同。

(1)綠地需水項計算。公式中各需水項計算公式如下［6－8］:

式中:AG為城市綠地面積，hm2;Ep為綠地蒸散量，mm/t;Wp根據植被自身的含水量和植被蒸散量的比例大約為1∶99來計算;Kc為作物系數，用來衡量作物本身的蒸騰特性，它與作物的種類、生長階段等因素有關;Ks為作物地下水脅迫系數，與土壤含水量有關;ET0為參考作物需水量，mm;h為土壤深度，m;ρ為土壤容重，g/cm3;ε(t)為土壤含水量系數。

ET0采用Penman綜合法計算:

式中:P0為標準大氣壓，hPa;P為計算地點平均大氣壓，hPa，實測或根據高程查表;Δ為飽和水汽壓與溫度變化曲線上當溫度T在某一定值時的效率，hPa/℃;γ為溫度計常數，0.66 hPa/℃;Rn為太陽凈輻射，以所能蒸發的水層深度計(mm/d);Ea為干燥力或稱安全檢查氣動力學項，mm/d。

作物地下水脅迫系數Ks在土壤水分充足時，綠地蒸散量的計算一般不考慮此項，當水分不充足時，綠地蒸散量才表現為地下水脅迫。具體脅迫系數表達如下［9］:

式中:θ為土壤實際含水量占田間持水量的百分數，%;θc1為土壤水分絕對充分的臨界土壤含水量，%;θc2為土壤水分脅迫臨界土壤含水量，%;α為經驗系數。

(2)綠地有效降雨利用計算。確定降水有效性要涉及很多途徑和過程，其主要影響因子包括降水特性、土壤特性、作物蒸發蒸騰速率和灌溉管理等因子。城市綠地生態系統的有效降雨量是被植物截留、蒸騰和生長以及土壤蒸發所利用的降雨量。本研究計算有效降雨利用量的公式如下:

式中:μ為作物降雨利用系數，無量綱;P為降雨量，mm;AG為植被覆蓋面積，km2。

2.2 合理供水評價分析

根據公式(2)至公式(7)可以看出，綠地蒸散需水量和土壤需水量都受土壤含水量的影響。因此，以土壤含水量為控制變量，根據田間持水量、臨界土壤含水量、凋萎系數劃分不同等級的綠地需水量，對應的三個供水量分別為最大供水量Wmax、臨界供水量Wsuit和最小供水量Wmin，從而將供水量分為A、B、C、D四個等級:

式中:A等級的供水量大于Wmax，此時土壤含水量大于田間持水量，土壤水不能被植物吸收利用，表現為供水量過多;B等級的供水量介于Wmax和Wsuit之間，土壤含水量處于臨界土壤含水量與田間持水量之間，綠地蒸散發作用基本不受土壤水脅迫，可以正常代謝，表現為供水最適宜;C等級供水量介于Wsuit與Wmin之間，土壤含水量在臨界土壤含水量與凋萎系數之間，植被正常代謝受到抑制，但仍然可以從土壤中吸收水分，不致凋萎，表現為供水量一般;處于D等級的供水量小于Wmin，土壤含水量達不到凋萎系數，植被無法利用土壤水完成代謝，表現為供水量過少。

在統籌國民經濟用水與生態用水過程中，可以參考不同時期的綠地補給量等級，為生態進行合理的人工灌溉供水。

3 案例研究——北京市城市綠地生態供水合理性判斷

3.1 研究區概況

北京市屬溫帶半干旱半濕潤性季風氣候，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥，春、秋短促。年平均氣溫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，季節分配很不均勻，全年降水的75%集中在夏季，7、8月常有暴雨。

本次研究僅分析北京市市區生態綠地供水量的合理性，包括公園綠地、防護綠地、生產綠地及附屬綠地等，總面積61 695.42 hm2，根據北京市氣候特點，11月至次年2月無綠地灌溉過程，供水合理性分析僅考慮3至10月的逐月供水過程。

3.2 參數選擇

綠地生態系統供水合理性分析依據綠地蒸散發需水、植被生長需水、土壤需水和降雨有效利用系數等項，計算參數有氣象參數、植被參數和土壤參數。氣象參數參考1991－2000年北京市密云氣象站的逐日氣象資料和2009年北京市水資源公報，以及2009年海河流域水資源公報，包括氣壓、日平均氣溫、日最高溫、日最低溫、降雨、濕度、風速和日照時間等實測數據;植被僅考慮常綠喬木、落葉喬木、灌木和草坪等四類，作物系數Kc值參考陳麗華［10］、趙炳祥［11］等，植被面積采用北京市園林綠化2009年統計資料;土壤參數參考王啟山［12］、崔曉陽［13］等，華北平原壤土的平均田間持水量為0.31，凋萎系數為0.12，根據楊志峰等［14］，臨界土壤含水量大約為田間持水量的70% －80%，取70%作為臨界土壤含水量，土壤容重為1.55 g/m3，喬木、灌木和草本植物的有效土層厚度分別為1.2 m、0.6 m 和 0.3 m。

3.3 結果與討論

通過計算分析，2009年北京市綠地臨界供水量3.18億 m3，最小供水量2.23億 m3，實際供水量為2.96億 m3，屬于C等級，綠地蒸散發受到一定抑制，但不影響植物生長。供水合理性分析曲線與實際供水曲線如圖1所示。

從圖1中可以看出:

(1)綠地需水的年內時間分布特性顯著，是植被生長節律和降雨、氣溫、日照時間、風速等氣象因素共同作用結果。

圖1 綠地生態系統供水合理性分析曲線Fig.1 Rationality analysis curve of water resources supply for urban green space

(2)土壤含水量對綠地需水具有顯著影響，三個供水量 Wmax、Wsuit和 Wmin差值明顯，各月 Wmax和 Wmin均相差 0.2億m3以上。

(3)北京市綠地生態系統供水應集中在4、5、6和9月四個月，而8月供水量應該最小。這是因為，蒸發量和降雨量從3月至10月，均呈先增后減趨勢，但蒸發量在6月達到最大值，降雨量在7月達到最大值，蒸發與降雨的差值過高，得不到降雨補充水，且植被在生長茂盛，需水量大，使供水需求最大，但9月份，蒸發與降雨的差值較低，且植被逐漸凋落，需水量小，9月的供水量應小于5、6月份;在7、8兩月，降雨量遠高于其它月份，植被對降雨的充分利用，灌溉需求較小，尤其是8月，降雨量已大于蒸發量，導致灌溉需求達到最低值。

(4)北京市綠地生態系統實際供水存在一定的不合理性，這主要體現在，3月至6月供水過少，尤其是5月，已經低于最低供水量，土壤含水量低于凋萎系數，植被蒸騰受到脅迫，不利于植被的正常生存生長;而8月份供水過高，土壤含水量高于田間持水量，植被無法利用，水資源沒有得到高效合理利用。

4 結論

本文對城市綠地生態系統供需水平衡進行了研究，給出了城市綠地供水量的合理性評價模型。研究以土壤含水量為變量，將供水量分為最大、合理和最小三個極值，并以此為界限，將供水量由大到小分為A、B、C、D四個等級，依次代表供水過多、適宜、一般和過少。在對模型研究的基礎上，以北京市2009年3至10月逐月城市綠地供水的合理性進行了分析，認為全年供水水平處于C等級，但存在供水過多或過少的不合理月份，應在之后的供水中適當調整，合理配置水資源。根據北京市園林綠化發展規劃，未來年份將提高喬木和灌木的比例，城市綠地生態系統需水將進一步增加，保證綠地合理供水對優化水資源配置更為重要。

References)

［1］程慎玉，劉寶勤.生態環境需水研究現狀與進展［J］.水科學與工程技術，2005，6:39 －41.［Chen Shenyu，Liu Baoqin.Actuality and Progress of Water Requirement Study on Ecological Environment［J］.Water Sciences and Engineering Technology，2005，6:39 －41.］

［2］魏彥昌，苗鴻，歐陽志云，等.城市生態用水核算方法及應用［J］.城市環境與城市生態，2003，16:18 －20.［Wei Yanchang，Miao Hong，OuyangZhiyun，etal. Application and Assessmentof Ecological Water Demand of Cities［J］.Urban Environment＆ Urban Ecology，2003，16:18 －20.］

［3］范源，陳森林，李崇勇等.基于生態價值的生態用水量分配方法研究［J］.水電能源科學，2006，24(1):90 －93.［Fan Yuan，Chen Senlin，Li Chongyong，et al.Distribution Method for Ecological Water Supply Based on Theory of Ecological Value［J］.Water Resources and Power，2006，24(1):90 －93.］

［4］李若璞，趙林，李鐵龍，等.基于生態需水的生態用水配置淺析［J］.生態經濟，2006，10:50 －53.［Li Ruopu，Zhao Lin，Li Tielong，et al.On the Allocation of Eco-water Use Based on the Demand of Eco-water［J］.Ecological Economy，2006，10:50 －53.］

［5］楊愛民，唐克旺，王浩，等.生態用水的基本理論與計算方法［J］.水利學報，2004，12:39 － 44.［Yang Ai-min，Tang Kewang，Wang Hao，et al.Theory and Calculation Method of Ecological Water Use［J］.Journal of Hydraulic Engineering，2004，12:39 －44.］

［6］嚴智勇，尹民.黃河流域城市綠地生態需水時空特征分析［J］.安全與環境工程，2007，14(2):35 －39.［Yan Zhiyong，Yin Min.Analysis on Temporal and Spatial Characteristics of Urban Greenspace Ecological Water Requirements in the Yellow River Basin［J］.Safety and Environmental Engineering，2007，14(2):35 －39.］

［7］Allen R G，Pereira L S，Raes D et al.Crop Evapotrans-piration Guidelines for Computing Crop Water Requirements［R］.FAO，2000.

［8］張和喜，方小宇，房軍.數據庫技術在FAO Penman-Monteith公式中的應用［J］.農業網絡信息，2007，(9):155 －159.［Zhang Hexi，Fang Xiaoyu，Fang Jun.Application of Database in FAO Penman-Monteith Formula［J］.Agriculture Network Information，2007，(9):155 － 159.］

［9］李遠華.節水灌溉理論與技術［M］.武漢:武漢水利電力大學出版社，1999.63.［Li Yuanhua.Water-saving Irrigation Theory and Technology［M］.Wuhan:China Water Power Press，1999.63.］

［10］陳麗華，王禮先.北京市生態用水分類及森林植被生態用水定額的確定［J］.水土保持研究，2001，8(4):161 －164.［Chen Lihua，Wang Lixian.Classification of Ecological Water Use and Quota Determination of Ecological Water Use of Forest Cover in Beijing［J］.Research of Soil and Water Conservation，2001，8(4):161 －164.］

［11］趙炳祥，陳佐忠，胡林等.草坪蒸散研究進展［J］.生態學報，2003，23(1):148 －157.［Zhao Bingxiang，Chen Zuozhong，Hu Lin，et al.Turfgrass Evapotranspiration:a Review［J］.Acta Ecologica Sinica，2003，23(1):148 －157.］

［12］王啟山，王秀艷，耿安峰.綠色住區環境規劃指標研究［J］.哈爾濱工業大學學報，2007，39(12):1984 －1988.［Wang Qishan，Wang Xiuyan，Geng Anfeng.Research on Environment Planning Value in Green Residential Districts［J］.Journal of Harbin Institute of Technology，2007，39(12):1984 －1988.］

［13］崔曉陽，方懷龍.城市綠地土壤及其管理［M］.北京:中國林業出版社，2001.150 － 164.［Cui Xiaoyang，Fang Huailong.Urban Green Space Soil and Management［M］.Beijing:China Forestry Publishing House，2001.150 －164.］

［14］楊志峰，尹民，崔保山.城市生態環境需水量研究——理論與方法［J］.生態學報，2005，25(3):389 －396.［Yang Zhifeng，Yin Min，Cui Baoshan. Study on Urban Eco-environmental Water Requirements:Theory and Methods［J］.Acta Ecologica Sinica，2005，25(3):389 －396.］

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

(編輯:常 勇)

2011－11－06

周厚智，碩士生，主要研究方向為土地經濟與土地整理項目管理。

國家自然科學基金項目(編號:71073065，70773045);中國博士后基金項目(編號:20100471194)。