臨港區域的生態環境需水量研究

宋向群，于海洋，王文淵，張 祺

（大連理工大學 建設工程學部，遼寧 大連 116024）

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臨港區域的生態環境需水量研究

宋向群，于海洋，王文淵，張 祺

（大連理工大學 建設工程學部，遼寧 大連 116024）

摘要：港口建設改變了區域的生態環境要素，為研究其對區域生態環境需水的影響，本文以大連市長興島為例，基于RS、GIS技術和生態學方法對臨港區域進行景觀生態分類，構建臨港區域植被需水、濕地需水和城市需水的計算模型，并對臨港區域各類生態環境需水量進行對比，分析臨港區域開發建設前后的生態環境需水量增加程度，從生態環境需水量的視角，為港口建設提供決策依據。

關鍵詞：臨港；生態環境需水量；RS；GIS；景觀生態

引 言

臨港區域是人類社會活動最為活躍的區域，由于開發強度的不斷加大，臨港區域的生態問題日漸突出。臨港產業的迅速發展，使其用水量不斷增加，占用部分生態用水，臨港區域生態環境需水矛盾突出。

近年來，國內外學者對各類情景下的生態環境需水進行了較多研究[1~5]，并給出需水量估算方法。但已有研究或集中在草地、林地、河流等自然區域，或是對城市需水進行預測，尚無整個臨港區域的生態環境需水研究。本研究以長興島臨港區域為例，將研究區域內的土地按生態屬性不同進行景觀生態分類，對各分類的生態環境需水情況進行歸納分析，建立相應的需水模型，對整個臨港區域空間內的生態環境需水進行估算。

1 臨港區域生態環境需水計算模型

臨港區域生態環境需水包括植被需水、濕地需水和城市需水。植被需水為林地、草地中植被蒸散產生的需水。濕地需水主要為濕地土壤需水、濕地蒸發需水、濕地生物生境地需水3類。臨港區域的發展產生城市需水，包括城市生活需水、臨港產業需水2類。

1.1 臨港區域植被需水

臨港區域內植被需水的計算采用基于Penman-Monteith公式的改進方法，其影響因素包括研究區域的氣候條件、土壤情況及生長植物本身的屬性[4,6]，其方法如下：

式中：ET0為潛在蒸散量，主要由氣候條件決定；Ks為指土壤水分修正系數，與土壤類型及含水量有關；Kc為植被修正系數，與植被種類及生長狀態有關。

對于植被潛在蒸散量ET0的計算，采用聯合國糧農組織FAQ推薦的標準估算方法，其原理基于能量平衡和空氣動力學方程，適于估算較長時間段內（以年為單位）植被覆蓋區的潛在蒸散量[2]，計算公式如下：

植被生長阻滯土壤含水量Sr和暫時凋萎土壤含水量St是維持正常生長狀態和基本生存狀態的最低土壤含水量，其對應的水分消耗量分別可作為植被的適宜生態需水量和最小生態需水量，根據Jensen公式[7]，可確定土壤水分修正系數：

式中：S為土壤實際含水量；Sw為土壤凋萎含水量；*S為土壤臨界含水量。

采用Saxton等的方法[1]，可以求出研究區域一年內各月相關土壤參數*S、Sw、Sr、St。當S為Sr、 S時，可獲得植被適宜生態需水量、最小生態需水量的Ks值。

植被修正系數Kc采用FAQ推薦的天然植被在非完全覆蓋條件下的計算方法。植被生長初期采用植物系數、土壤濕潤頻率與日平均ET0的關系圖，植被生長中后期采用公式（4）進行計算，各參數計算步驟均參考FAQ給出的方法：

1.2 臨港區域濕地需水

臨港區域的濕地主要包括灘涂、小型水庫、少部分水田和季節性河流等。濕地生態需水主要用以維持自身生態過程，提供臨港周邊生態多樣性的必需用水，主要表現為濕地土壤需水、濕地蒸發需水、濕地生物生境地需水。

考慮到臨港區域濕地生態系統的生境特征和生態平衡由海水侵入和淡水輸入共同作用，研究該區域的濕地生態環境需水應當充分考慮海水侵入程度的影響[8]。本研究在常規濕地需水的基礎上，引入海水侵入系數確定臨港區域濕地生態環境需水量，其取值為研究區域濕地水中鹽度ηs與周邊海域鹽度ηh的比值。

濕地土壤需水量主要由其土壤含水量反映，按照臨港區域濕地的生態需水特征，暫不考慮滲漏需水，結合已有研究[9]，采用以下公式對濕地土壤需水量進行計算：

式中：Wst為臨港濕地土壤需水量；為飽和持水量百分比，根據研究區域內的濕地土壤類型而定；Hst為土壤厚度；Ast為濕地土壤面積；為濕地海水侵入系數。

濕地蒸發需水量主要考慮研究區域內濕地的水面蒸發情況，臨港區域的濕地蒸發需水量可根據下式計算：

式中：Wsz為蒸發引起的生態需水量；Asz為研究區域濕地蒸發面積；Esz為相應的水面蒸發能力。

濕地生物生境地需水即濕地內動植物正常生存所需要的基本水量，以區域正常年份主要物種繁衍棲息所需生態水位確定生物生境地需水量[10]，方法見公式（7）：

式中：Wsj為濕地生境地需水；As為計算濕地面積；B為水面面積百分比；Hsj為相應生態水位。

1.3 臨港區域城市需水

臨港區域開發建設后，伴隨人口的遷入、企業數量的增加，必然引起臨港區域城市需水的增加，主要來自城市生活需水和臨港產業需水兩方面。

臨港城市生活需水包含居民生活用水和公共建筑用水。居民生活用水主要受人口總數量、人均日用水量及氣候條件等因素影響；公共建筑用水主要受城市建設規模、城市發展水平、公共服務設施狀況等因素影響。城市生活需水量可采用人均綜合用水定額法計算：

式中：1P、2P為研究區域相應時間段內常住人口、外來人口數量；Klc為人均綜合用水定額。

臨港產業需水與臨港區域的GDP、工業增加值、建設用地面積等諸多因素有關，可采用萬元工業增加值用水量指標法和單位工業用地用水量指標法等方法估算臨港產業需水量，由于研究本區域產業發展尚不夠成熟，本文采用單位工業用地用水量指標法估算臨港產業需水，需要分析確定區域產業構成、用水量指標、產業用地面積3個需水影響因素。

2 長興島地區生態環境需水量

長興島臨港工業區及受其影響的周邊部分地區，位于遼東半島西側中部，遼東灣東岸，本文研究區域面積為693 km2，主要為低山丘陵式的海島地形，年平均氣溫10.5 ℃，極端氣溫最高37.8 ℃，最低-19.13 ℃，年降水量550~950 mm。區域內主要林木為刺槐、楊、油松等，同時區域內有大量濕地分布。2013年末，研究區域內常駐人口約6.0萬，外來人口約6.2萬，主要工業部門為石油化工、裝備制造、船舶海工和港口物流等。

2.1 長興島地區景觀生態分類

本研究采用2013年8月Landsat TM遙感影像，分辨率為30 m×30 m。臨港區域的用地類型復雜，景觀生態類型繁多，考慮到本研究的實際需求，將研究區域劃分為林地、草地、濕地、建設用地共4個類型，利用RS技術和GIS技術完成研究區域的景觀生態分類（圖1、表1）。

圖1 研究區域景觀生態分類結果

表1 各類景觀生態分類用地面積及百分比

2.2 長興島地區植被需水

按公式（1）～（4），根據已有生態需水研究和對研究區域內林地、草地的植被種類、生長狀況、土壤類型及含水量進行的調研，并參考遼寧省多年氣候、土壤墑情監測報告，研究區域內各植被類型的實際面積、植物修正系數平均值、土壤水分修正系數平均值、相應的生態需水定額和生態需水量研究結果見表2。

表2 植被生態需水量

2.3 長興島地區濕地需水

長興島地區濕地范圍內的土壤類型為沼澤鹽土、濱海鹽土及少部分草甸鹽土。由于沼澤土所占比例較大且土壤含水量較大，根據研究區域的濕地土壤含水特征、土層厚度、持水狀況，可獲得臨港區域的濕地土壤需水量見表3；對海水侵入系數取長興島地區6處濕地觀測點鹽度平均值2.35 %，取長興島附近遼東灣海域冬夏平均表層鹽度3.19 %[11]。

表3 濕地土壤需水量

對于濕地蒸發需水量，根據已有文獻，研究區域多年水面蒸發量為700～1 000 mm，由蒸發引起的最小生態需水、適宜生態需水等級系數分別為0.94、1.00[12]。

表4 濕地蒸發需水量

研究區域主要植物為浮游植物、藻類、菖蒲、蘆葦等，動物主要為灘涂養殖的蝦類、魚類、貝類及部分野生動物等，對于以上動植物，其濕地生境地的最小生態水位為0.3～1.0 m，適宜生態水位為1.0～2.5 m。

表5 濕地生物生境地需水量

2.4 長興島地區城市需水

對于本文研究區域的城市生活需水，根據長興島臨港工業區2013年末的人口統計情況，研究時間段內常住人口6.0萬人，外來人口6.2萬人。考慮研究區域內企業眾多，外來人口比重較大，人均綜合用水額定按300 L/(人·d) 取值。經核算，長興島臨港區域城市生活需水13.4×106m3。

臨港產業需水占用臨港區域建設開發后新增需水的主要部分，根據《大連長興島臨港工業區總體規劃（2010-2030）》和《大連長興島石油化工園區發展規劃》，研究區域石化產業用地為54.2 km2，其他產業用地為47.9 km2，忽略周邊村鎮其他建設用地需水。參照大連市其他區域及上海、天津等工業用地用水量數據，用水量指標及臨港工業園區完全建成后需水量估算結果見表6。

表6 研究區域臨港產業需水量

3 結 論

根據上述研究，可獲得長興島港區域各類生態環境需水，其中植被適宜生態需水為146.0×106m3，濕地適宜生態需水為185.0×106m3，臨港區域完成開發建設后，城市需水為285.2×106m3，以適宜生態需水量計，長興島臨港區域生態環境總需水量為616.2×106m3。

表7 各類生態環境需水量及需水強度

由表7可見，臨港區域開發建設會導致生態環境需水量的急劇增加，需水強度有顯著增強。長興島臨港區域開發前，原有生態環境需水量為118.4×106m3；開發后，由于建設用地增加，臨港產業發展引起的需水增加量為166.8×106m3，較原有生態環境需水量增加141 %，對所開發區域的水資源承載能力提出較大的考驗。故在臨港區域規劃建設中，應綜合考慮建設規模，合理控制生態環境需水量的變化程度，避免嚴重的生態環境需水矛盾。

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Research on Water Requirement for Port-neighboring Ecological environment

Song Xiangqun，Yu Haiyang，Wang Wenyuan，Zhang Qi
(The Faculty of Infrastructure Engineering, Dalian University of Technology, Dalian Liaoning 116024, China)

Abstract:Port construction changes the factors of ecological environment within a region. In order to research its influence on water requirement for regional ecological environment, based on Dalian Changxing island, the port-neighboring area has been classified from the aspect of landscape ecology by using RS, GIS techniques and ecological method. And the calculation models have been built to meet the water requirements for vegetation, wetland and urban area. The above different water requirements are compared to analyze the increment of water demand due to the exploitation of port-neighboring area. The above analysis will serve as a port construction decision basis from the aspect of water requirement for ecological environment.

Key words：port-neighboring; water demand for ecological environment; RS; GIS; landscape ecology

作者簡介：宋向群（1959-），女，教授，主要從事港口規劃研究。

基金項目：國家自然科學基金（51279026）生態型港口時空演化機理與開發模式研究。

收稿日期：2015-03-18

DOI:10.16403/j.cnki.ggjs20160115

中圖分類號：U652.3

文獻標識碼：A

文章編號：1004-9592（2016）01-0063-04