濟(jì)南市城市綠地生態(tài)需水量估算

石寧 張智安 顏秉軍 孟麗

摘要從水資源配置角度對(duì)濟(jì)南市城市綠地生態(tài)需水量進(jìn)行了估算研究與分析，揭示了2012年濟(jì)南市以喬、灌、草3種植被類型為代表的城市綠地生態(tài)需水量的年內(nèi)總需求量及時(shí)空分布特征。結(jié)果表明，綜合考慮植物蒸發(fā)需水量、生長(zhǎng)需水量、土壤需水量及有效利用降水量4個(gè)方面，估算出濟(jì)南市綠地生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)需水量約247 527.67 m3；受市內(nèi)區(qū)域自然狀況差異影響，市轄區(qū)及章丘市綠地生態(tài)需水量較大，商河縣最小；城市綠地生態(tài)需水量具有明顯季節(jié)性變化特征，春夏季需水量較大，冬季最少。

關(guān)鍵詞城市綠地生態(tài)需水量；時(shí)空變化特征；濟(jì)南市

中圖分類號(hào)S181；K903文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼

A文章編號(hào)0517-6611（2017）12-0034-03

AbstractBased on the water resources allocation，the ecological water requirement of urban green space in Jinan City was estimated and analyzed.The total annual requirement and temporal and spatial distribution characteristics of urban green land ecological water requirement represented by the three vegetation types of forest，shrub and grass in 2012 were revealed.The results showed that the ecological water demand of green land ecosystem in Jinan City was estimated to be about 247 527.67 m3，taking into account the four aspects of plant evapotranspiration water requirement，growth water requirement，soil water requirement and effective utilization of precipitation.Due to the difference of the natural conditions in the city，the ecological water demand of municipal district and Zhangqiu green land was relatively large，and Shanghe was the smallest.The ecological water demand of urban green space has obvious seasonal variation characteristics，and the water demand was larger in spring and summer and least in winter.

Key wordsUrban green land ecological water demand；Temporal and spatial variation characteristic；Jinan City

城市綠地深刻影響著城市生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)效益與綜合實(shí)力，在改善局部氣候、提高空氣質(zhì)量、減弱噪音、美化城市景觀及滿足人們休閑娛樂(lè)需求等方面發(fā)揮著不可忽視的作用[1]。學(xué)者對(duì)城市生態(tài)需水內(nèi)涵的理解存在差別，尚未形成統(tǒng)一概念[2-3]，從而使得研究?jī)?nèi)容具有多樣化的特點(diǎn)。城市生態(tài)環(huán)境需水研究多集中在單獨(dú)以某一城市[4]、濕地[5-6]、流域[7]、河流[8]及植被[9]等為對(duì)象的總生態(tài)需水量或最小生態(tài)需水量計(jì)算，對(duì)城市綠地系統(tǒng)生態(tài)需水研究較少，且研究區(qū)域多以干旱半干旱地區(qū)及北京市為例，具有較大研究空間。

近年來(lái)，隨著城市的發(fā)展，城鎮(zhèn)居民對(duì)綠地需求的增加，濟(jì)南市城市綠化覆蓋面積與綠地覆蓋率由2000年的4 356 hm2和36.80%增長(zhǎng)至2014年的15 233 hm2和39.94%[10-13]，綠地的面積與質(zhì)量得以不斷提高。與此同時(shí)，為保障植物的正常生長(zhǎng)，城市綠地所需灌溉用水量也相應(yīng)增多，加劇了城市水資源短缺問(wèn)題。據(jù)2013年濟(jì)南市水資源公報(bào)顯示，全市水資源總量為208 608.28萬(wàn)m3，以年末總?cè)丝跒?99.88萬(wàn)為依據(jù)，計(jì)算得到區(qū)域的人均水資源占有量?jī)H為298.4 m3，約為全國(guó)人均水資源占有量的14.21%，直接影響和制約該市社會(huì)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展。因此，如何合理提高城市綠地灌溉用水效率，減少水資源浪費(fèi)成為緩解濟(jì)南市水危機(jī)及促進(jìn)該市持續(xù)發(fā)展急需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

受植物生長(zhǎng)特性及土壤蒸發(fā)強(qiáng)度季節(jié)性變化的影響，在不同時(shí)間階段，城市綠地生態(tài)系統(tǒng)所需灌溉用水量存在差別。而植被種類的不同也會(huì)導(dǎo)致城市綠地生態(tài)需水量的差別。此外，城市內(nèi)部地區(qū)間的差異也會(huì)對(duì)城市綠地生態(tài)需水量的空間分布狀態(tài)產(chǎn)生影響。筆者在綜合考慮植被種類、土壤需水量及兩者節(jié)律性變化的基礎(chǔ)上，分區(qū)域?qū)?jì)南市綠地生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)需水量進(jìn)行估算，明確其時(shí)空分布特征，旨在為確定城市綠地灌溉用水量提供參考。

1資料與方法

1.1研究?jī)?nèi)容

考慮到濟(jì)南市水資源的短缺狀況，從水資源配置的角度出發(fā)定義綠地生態(tài)需水量，即計(jì)算出在保障綠地植物健康生長(zhǎng)的前提下，除降雨外需要人工補(bǔ)給的水資源量，它既包括維持植物生存生長(zhǎng)、蒸發(fā)需水量，又包括植物所處的土壤需水量。該研究的城市綠地范圍主要包括公共綠地、道路綠化帶、生產(chǎn)防護(hù)綠地、景區(qū)綠地等。在綜合考慮濟(jì)南市綠地狀況及其涵蓋的主要植被類型的基礎(chǔ)上，以方便研究計(jì)算為原則，通過(guò)分別計(jì)算喬木、灌木和草坪三大類植被需水量來(lái)估算濟(jì)南市綠地需水量。

1.2計(jì)算方法

目前計(jì)算城市綠地需水量主要有3種方法：①面積定額法[14]，即通過(guò)植被面積×植被生態(tài)環(huán)境用水定額進(jìn)行計(jì)算，其中植被生態(tài)用水定額主要根據(jù)水量平衡原理由河川徑流資料推測(cè)得出；②潛水蒸發(fā)法[15]，即通過(guò)植被面積×植被系數(shù)×植被所處某一地下水埋深時(shí)的潛水蒸發(fā)量進(jìn)行計(jì)算；③基于改進(jìn)后的彭曼公式計(jì)算法[16]，即直接通過(guò)計(jì)算植被的蒸散發(fā)耗水量與植被面積乘積來(lái)確定。筆者根據(jù)水量平衡原理，將潛水蒸發(fā)法與改進(jìn)后的彭曼公式計(jì)算法2種方法融合，對(duì)濟(jì)南市綠地生態(tài)需水量進(jìn)行估算。具體計(jì)算公式如下[17]：

WG（t）=〖DD（〗n〖〗i=1〖DD）〗[WEi（t）+WSi（t）+WPi（t）-PGi（t）]

式中，WG（t）為某時(shí)段為滿足植物正常生命活動(dòng)所需人工補(bǔ)給用水量（m3），即基于水資源配置角度的城市綠地需水量；WEi（t）為植物蒸發(fā)需水量（m3）；WSi（t）為植物生長(zhǎng)需水量（m3）；WPi（t）為維持植物生長(zhǎng)的土壤需水量（m3）；PGi（t）為可有效利用的降水量（m3）；i為喬木、灌木和草本3種植物類型；t為時(shí)間。

上式中各項(xiàng)需水量公式具體計(jì)算方式如下[18-20]：

式中，AGi為需計(jì)算的綠地面積（hm2）；ET0（t）為植物的潛在蒸散量（mm）；Kc為植被蒸散系數(shù)；ET0（t）與Kc 的乘積代表植物的實(shí)際蒸散量；WEi（t）與WSi（t）根據(jù)植被自身的含水量與植被蒸散量的比例大約為1∶99的原理計(jì)算；hi為土壤深度（m）；ρi為土壤容重（g/m3）；θ為土壤含水系數(shù)（土壤實(shí)際含水量與田間持水量之比）。

可有效利用的降水量PGi（t）為被植物截留、蒸騰和生長(zhǎng)及土壤蒸發(fā)所利用的降雨量。其公式如下[21]：

式中，α為降雨有效利用系數(shù)，我國(guó)目前采用以下經(jīng)驗(yàn)系數(shù)：次降雨小于50 mm時(shí)，α取 1.00；次降雨為50～150 mm時(shí)，α取0.80～0.75；次降雨大于150 mm時(shí)，α取0.70[22]。根據(jù)濟(jì)南市具體情況，α最終選擇取值為0.70。P為降雨量（mm）。

1.3參數(shù)選擇

計(jì)算時(shí)使用的植物潛在蒸散量采用黃會(huì)平等[23]計(jì)算得到的濟(jì)南市多年平均ET0值以及淮河流域年內(nèi)各季節(jié)平均ET0值；由于目前缺乏對(duì)濟(jì)南市不同群落植被系數(shù)的詳細(xì)研究，筆者參考北京市喬、灌、草植被系數(shù)[24]進(jìn)行計(jì)算，其取值分別為0.921、0.923、0.863；植被面積為濟(jì)南市林業(yè)局整合得到的2012年數(shù)據(jù)；喬木、灌木和草本植物的有效土層厚度采用崔曉陽(yáng)等[25]的研究結(jié)果，其取值分別為1.2、0.6和0.3 m。濟(jì)南市綠地土壤容重采用劉毓等[26]的調(diào)查研究結(jié)果，取其平均值1.35 g/m3；田間持水量采用程維新等[27]的研究結(jié)果，即黃淮海及附近地區(qū)城市平均為26%；土壤實(shí)際含水量由濟(jì)南市氣象網(wǎng)的土壤墑情值及山東土壤墑情信息整合獲得；各市年降水量經(jīng)查閱濟(jì)南市統(tǒng)計(jì)年鑒獲得。

2結(jié)果與分析

2.1年需水總量

由表1可知，2012年濟(jì)南市綠地生態(tài)系統(tǒng)土壤及植物總需水量為304 230.55 m3，其中土壤需水量為131 639.02 m3，占需水總量的43.27%，這部分水量作為城市綠地生態(tài)系統(tǒng)的儲(chǔ)備水資源，可為生長(zhǎng)在該土地上的植被生長(zhǎng)與發(fā)育提供必要的土壤水分環(huán)境，保障其正常生物活動(dòng)；總需水量中植物需水量約為172 591.53 m3，占綠地系統(tǒng)生態(tài)需水總量的56.73%，主要消耗于植物的蒸散發(fā)和生理代謝過(guò)程，這一部分水量需要通過(guò)天然或人工方式進(jìn)行補(bǔ)給。天然補(bǔ)給的水量主要來(lái)源于自然降水，2012年濟(jì)南市全市降水量為560.60 mm，綠地系統(tǒng)可利用的有效降水量為56 702.88 m3，可滿足植物需水量的18.64%，需人工灌溉補(bǔ)給的水資源量為247 527.67 m3。隨著城市污水處理技術(shù)的發(fā)展及灌溉方式的改進(jìn)，工業(yè)廢水及生活污水經(jīng)處理實(shí)現(xiàn)回收利用后可應(yīng)用于綠地生態(tài)系統(tǒng)的灌溉，有助于實(shí)現(xiàn)水資源的有效利用，滿足綠地生態(tài)需水量的部分要求，在一定程度上有利于緩解濟(jì)南市用水壓力。

2.2空間需水總量

受區(qū)域面積規(guī)模、綠地覆蓋率、降水量等自然因素的影響，縣與縣、縣與市之間的綠地生態(tài)需水量也存在顯著差異。在空間分布上，濟(jì)南市綠地生態(tài)需水量呈現(xiàn)南部地區(qū)明顯多于北部地區(qū)的特征。其中，商河縣綠地生態(tài)需水量最少，僅為12 086.65 m3（圖1）。而濟(jì)南市降水量的空間特征與之相反，呈現(xiàn)北部地區(qū)多于南部地區(qū)的特征（圖2）。具體來(lái)說(shuō)，濟(jì)南市各地區(qū)降水量從大到小依次為商河縣、濟(jì)陽(yáng)縣、章丘市、市轄區(qū)、平陰縣。就濟(jì)南市各區(qū)域具體情況而言，市轄區(qū)及章丘2市區(qū)域范圍廣，植被覆蓋率高，自然補(bǔ)給量少，綠地生態(tài)需水量較大。平陰、濟(jì)陽(yáng)2縣可有效利用的降水量雖低，但綠地面積僅占濟(jì)南全市的13.42%，生態(tài)需水量不高。商河縣植物需水量少，僅為9 392.35 m3，當(dāng)年降水豐富，可有效利用的降水量達(dá)到5 688.25 m3，綠地生態(tài)需水量不及濟(jì)南市其他地區(qū)。近年來(lái)，濟(jì)南市致力于創(chuàng)建生態(tài)園林城市，城市綠地?cái)?shù)量不斷增加，與之相應(yīng)的綠地生態(tài)用水需求量加大，各地區(qū)生態(tài)需水量也不斷增多，這將進(jìn)一步加劇濟(jì)南市用水緊張問(wèn)題。

2.3季節(jié)性需水總量

植被需水的季節(jié)性變化規(guī)律及降水量和蒸發(fā)量的年內(nèi)變化決定了生態(tài)需水量的季節(jié)變化。濟(jì)南市降水量年內(nèi)分布不均，各季節(jié)的降水量從大到小依次為夏季、秋季、春季、秋季，致使其綠地生態(tài)需水量表現(xiàn)出季節(jié)差異。依據(jù)計(jì)算結(jié)果，濟(jì)南市在春、夏、秋、冬季植物需水量分別為42 761.41、53 857.88、29 673.59、16 153.44 m3；土壤需水量分別為127 713.15、134 174.82、130 753.94、133 908.75 m3；有效利用降水量分別為2 734.33、12 993.99、3 152.41、903.58 m3（表〖CM（25〗2）。因此，基于水資源配置角度的城市綠地需水量分別為167 740.22、175 038.72、157 275.11、149 158.61 m3。可見(jiàn)，夏〖CM（25〗季植物需水總量較多，降雨的有效利用程度也大，但由于溫度較高，蒸發(fā)旺盛，所需人工補(bǔ)給較多；秋冬季由于植物所處生長(zhǎng)時(shí)期的關(guān)系，植物生長(zhǎng)活性下降，需水量并不多；春季由〖CM（25〗于降水較少，植物生長(zhǎng)旺盛，土壤較為干燥，應(yīng)注意及時(shí)灌溉，滿足植物生長(zhǎng)及土壤需求。綜合來(lái)看，除春季外土壤需水量的年內(nèi)變化并不大，這主要是地下水的補(bǔ)給及土壤對(duì)水分的貯存作用在發(fā)揮作用。因此，在進(jìn)行人工灌溉時(shí)須充分考慮城市綠地系統(tǒng)實(shí)際需水量，依據(jù)季節(jié)變化規(guī)律進(jìn)行適時(shí)調(diào)整，減少水資源浪費(fèi)狀況的發(fā)生。

3結(jié)論

該研究立足于實(shí)現(xiàn)水資源優(yōu)化配置原則，通過(guò)計(jì)算喬、灌、草3種植被類型的蒸發(fā)需水量、生長(zhǎng)需水量、土壤需水量及有效利用降水量，估算出2012年濟(jì)南市城市綠地生態(tài)需水量并分析其時(shí)空分布規(guī)律。結(jié)果表明，濟(jì)南市綠地生態(tài)系統(tǒng)需水量為304 230.55 m3，其中植物需水量為172 591.53 m3，土壤需水量為131 639.02 m3。研究區(qū)內(nèi)部由于自然條件差異，市轄區(qū)及章丘市綠地生態(tài)需水量較大，商河縣最小。受自然條件特性的影響，濟(jì)南市城市綠地生態(tài)需水量存在明顯的季節(jié)性差異，其中春、夏季需水量最大，冬季最少。以該研究結(jié)果為參考，對(duì)比當(dāng)前灌溉用水量，有利于確定濟(jì)南市水資源節(jié)約潛力，實(shí)現(xiàn)水資源的優(yōu)化配置。

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