北京市怀柔区生态用水计算研究*

张东,贺康宁,寇中泰,张益源

(1.北京林业大学水土保持学院,北京100083;2.北京市怀柔区水务局,北京101400)

北京是一个严重缺水的大都市,水资源量逐年减少,缺水问题十分突出,水资源问题已成为影响和制约首都社会和经济发展的主要因素。怀柔区地处北京市北部,是首都重要的饮用水源采水、补水区和应急备用水源区,其中区域面积的97.1%为水源保护区,是阻滞西北风沙侵袭北京城重要的绿色生态屏障,怀柔区生态用水安全将直接关系到首都居民的用水安全[1]。本研究计算了北京市怀柔区现状生态用水量,为水资源合理配置确立了基础依据。

1 研究区概况

怀柔区地处燕山南麓,北京市东北部,全区总面积2 128.7 km2,从北到南依次形成深山、浅山、平原三种类型,其中山地面积 195 865.2 km2,约占92%,平原面积17 006.8 km2,约占8%。怀柔区属暖中纬大陆性暖温带季风性半湿润气候,四季分明,全区最大的植被类型为中旱生次生落叶灌丛和草本群落,根据怀柔水务部门统计,怀柔区多年平均水资源总量3.56亿m3,平水年水资源总量3.48亿m3,枯水年水资源总量2.64亿m3。

2 怀柔生态用水类型界定与生态分区

2.1 生态用水类型界定

“生态用水”的定义有很多,目前还没有形成统一的定论,随着对生态用水认识的加深,生态用水的研究从最初的河流系统开始,逐步扩展到其他类型的生态系统(包括城市生态系统、湖泊生态系统、湿地生态系统、防护林草系统、地下水体系以及水土保持体系等)[2]。由此将生态用水定义为：在一定的时空范围内,维持特定生态系统和环境处于稳定状态所需要的水量[3-7]。

为将生态用水与传统水资源统一起来,进行降水资源平衡分析,结合以上生态用水量的界定,可按水资源的消耗变化情况分为消耗生态用水和非消耗生态用水。对怀柔区来说,消耗生态用水与河道外生态用水,非消耗生态用水与河道内生态用水在分类内容上是一致。从生态系统角度看,消耗生态用水即为绿色植物用水,非消耗生态用水即为无机环境生态用水。因此,本文在生态用水研究和计算采用以下划分方案(图1)。

图1 北京市怀柔区生态用水类型

2.2 生态分区及特征

为了使研究的各项生态用水类型能够符合怀柔区生态建设和水土保持分区方案,便于生态用水按行政区域、水系流域进行管理,在空间能反映生态用水规律,以便较准确地反映生态环境与生态用水之间的关系[8]。本文将北京市怀柔区划分相互独立的两级生态区,以分区面积大小,分别称为一级生态区、二级生态区,作为生态用水计算的基础。

2.2.1 以水土流失类型为依据的一级生态区 怀柔区主要是水力侵蚀形成的地貌,这种地貌也基本反映了其相应的生态景观,包括植被、土壤、作物等。由水力等外营力形成的水土流失地貌区即可分为山区和平原区,可作为2个一级生态区。山区面积1 958.65 km2,平原区面积170.07 km2。一级生态分区的分布和基本特征见表1。

2.2.2 以乡域土地利用为依据的二级生态分区二级生态区是以乡(镇)域作为划分单元,各二级生态区的基本情况见表2。

表1 一级生态区基本特征表

3 计算结果

3.1 林草植被生态用水量计算

林草植被生态用水量可看作是其实际蒸散量,也就是耗水量[9-10]。实际蒸发散与林草的生理生态需求及降水情况有关,年内和年际之间均是动态变化的,一般通过实测或水量平衡法取得。为了解决这一问题,引入潜在蒸发散的概念,即在充分供水条件下的蒸发散量,通过研究确定实际蒸散量与潜在蒸发散的比例关系(即植物耗水系数),可以推定不同区域的耗水量(即生态用水量)。

表2 二级生态区的基本特征

计算中最常用的方法是先用气象因素计算各阶段参考植物蒸散量(Reference crop evapotranspiration)：高度一致、生长旺盛、完全覆盖地面而不缺水的低矮绿色下垫面的蒸散量,其只与气象因素有关,称为最大可能蒸散量或潜在蒸散量,潜在蒸散量乘以用水系数求算各阶段的林木耗水量。这里采用桑斯维特公式(Thornthwaite)来计算潜在蒸散量。该公式通过月平均气温计算植物参考蒸散量,进而推算实际蒸散量[11-13]。其公式为

其中：

式中：PE——月蒸发散量(mm);H——热量指数,等于12个月的和;h——月热量指数,当 T≤0℃时,h=0;T——月平均气温(℃);A——指数,是年热量指数的非线性函数;k——订正系数。

通过计算各阶段潜在蒸发散量PE,然后利用具体林木的植物需水系数Kc和耗水系数K修正,便可得到该林木的需水量和耗水量,即：

本文计算时根据北京市怀柔区气象局资料室汇编的《北京市怀柔区地面气候资料》(1998-2007年)中各地市实测气象资料,得到多年月平均温度,计算出月潜在蒸散量,采用在怀柔区怀沙河流域对蒸散量的观测结果,计算出各林草种的植物系数Kc值和耗水量系数K值：

3.1.1 月潜在蒸散量PE 利用月均气温T、热量指数 H、指数 A及公式PE=k×16.2(10)A可求得北京市怀柔区各级生态区各月的潜在蒸散量PE。

表3 植被潜在蒸散量特征值 mm

3.1.2 林草植物需水系数Kc与耗水系数K的确定 根据北京市怀柔区林地面积及林种组成,通过综合分析,按乔木林、灌木、经济林、作物、草地分类,并根据气候条件权衡加以调整,确定计算不同类型林木、作物、草地需水量的植物系数Kc值和耗水量系数K值如表4-5。

表4 平原地区不同类型林木的植物需水系数

表5 怀柔区主要旱农作物及牧草的耗水系数Kc

3.2 森林植被生态用水量

通过各地地区月平均潜在蒸散量计算出了北京市怀柔区各主要生态类型区及各行政地区的森林生态用水量,林木蒸散量特征值及森林生态用水量如表6-7所示。

表6 怀柔区的林木蒸散量特征值

表7 怀柔区各级生态类型区森林生态用水统计

由怀柔区旱农作物系数Kc(表5)和根据桑斯维特公式计算出的坏柔区年均潜在蒸散量(表4),计算出各级草地的生态用水量,见表8。

表8 怀柔区各级生态区草地的生态用水量

3.3 城镇绿地生态用水

在怀柔区城市绿地中包括城镇绿化面积共421.6 hm2。由于具备一定的灌溉条件,因此林木生长实际水分消耗标准应按林木需水量的定额进行计算。计算得出城镇绿化(包括防护林建设)生态用水量总量为0.02亿m3/a。

3.4 农作物的耗水量

根据确定的作物系数,计算出全区农作物耗水量为0.39亿m3/a。

表9 怀柔区旱作条件下作物实际耗水量表

3.5 水土保持生态用水量计算

通过分析水土保持各项措施对径流的影响,水土保持生态用水可将其理解为小流域综合治理所保持在流域中的水量,也就是由于小流域综合治理所引起的流域的年径流减少量。这里我们将进行水土保持治理前后径流量的差值看作是水土保持生态用水量,依据实测资料来计算水土保持生态用水量。

研究中抽取怀柔区三个小流域综合治理典型工程：庄户沟、三渡河、神堂峪来计算兴建水土保持工程后,小流域的径流减少率,进而可以得到水土保持生态用水量。

表10 小流域综合治理减少年径流量统计表

由表10可知,怀柔区水土流失治理后,年径流减少率平均为51.17%。据统计,怀柔区水土流失总面积547 km2,占土地总面积的26%;其中北部山区水土流失面积为465 km2,南部平原区水土流失面积为82 km2;2007年全区共治理4条小流域,新增治理面积70 km2。所以得到水土流失综合治理减少的年径流平均为75.22 mm,也就是说水土保持生态用水定额是75.22 mm/a。全区水土流失治理面积1 101 km2,生态用水量为0.83亿m3/a。

3.6 河流生态系统用水定额的计算

考虑河流生态系统生态用水量的一般特性,狭义的生态用水是指为维持地表用水体特定的生态环境功能,天然水体必须储存和消耗的最小水量。根据这一概念在实际计算中生态用水可分解为：①河流生态系统基本生态用水量,是维持河流生态系统最基本的生态功能所需要的最小水量;②维持河流水沙平衡的需水量,指为维持河流形态的稳定,在一定输沙、排盐要求的条件下所需要的水量。③人工湖泊湿地生态用水量,是指用以维持水库库区水体功能而消耗与蒸发的水量。就怀柔区具体情况来说,主要是在降雨过后产生洪水径流过程,所以河流生态系统基本生态用水量和维持河流水沙平衡的需水量很少,对于总的生态用水来说,可以忽略不计。但根据怀柔区现状调查表明,区域内水库、塘坝、截流等人工湖泊、湿地有一定的水量,所以下面我们就对这些人工湖泊湿地的生态用水量进行研究。

人工湖泊湿地生态环境用水量主要考虑为维持库区蓄水、水生生态条件一年内消耗的水量。根据水量平衡的原理,在无取水的自然条件下,对于人工湖泊有：

式中：ΔW1——水库蓄水量的变化量;P——降水量 ;Ri——入湖水量;Rf——出库水量;E ——蒸发量;ΔWg——地下水变化量。

为维持库区生态环境功能,要求库区水量不发生变化,即ΔW1=0。对北方河流而言,由于蒸发E大于降水P,因此在地下水位维持动态平衡的条件下(ΔWg=0),必须有相当一部分的入库水量消耗于水面蒸发。因此,可以认为,库区的生态环境用水主要是用以维持库区水量平衡而消耗于蒸发的水量,其计算公式如下：

式中：W1——水面蒸发量,可以表示库区生态环境用水量;Ai——水面面积;Ei——相应的水面蒸发能力。

根据怀柔区生态建设结论,怀柔多年平均降水量为513.4 mm,水面蒸发量高达946.9 mm/a。怀柔区蒸发的生态用水量见表11。经计算水库蓄水蒸发总量为0.4亿m3/a。

表11 怀柔区人工湖泊蒸发生态用水量

3.7 生态用水量总量

计算出北京市怀柔区的年生态用水总量7.19 亿m3,各级生态区生态用水量及用水类型见表12。

表12 各级生态区生态用水量及其用水类型现状解析 亿m3

4 结论与建议

(1)北京市怀柔区的年生态用水总量为7.19亿m3,消耗性生态用水占生态用量的94.44%,森林植被与河川分布很大程度上决定着该地区生态用水量的总量。各级生态区生态用水量的统计结果见表12。(2)从总体分析,全区现状生态用水总量为7.19亿m3/a,山区森林植被生态用水量为4.37亿m3/a,占生态用水总量的60.78%,平原区森林植被生态用水量为 0.28亿 m3/a,占生态用水总量的3.89%,森林植被生态用水量为4.65亿m3/a;水土保持生态用水量为0.83亿m3/a,占生态用水总量的11.54%;城镇绿地生态用水量为0.02亿m3/a,占生态用水总量的0.28%;草地生态用水量1.29亿m3/a,占生态用水总量的17.94%;河流生态系统生态用水为0.4亿 m3/a,占生态用水总量的5.56%。在总的生态用水中,消耗性生态用水量为6.79亿m3/a,其中降水消耗性生态用水量为5.96亿m3/a,占生态用水总量的81.64%;径流消耗性生态用水量为 0.83亿m3/a,占生态用水总量的11.54%;而非消耗性生态用水量为0.4亿m3/a,占生态用水总量的5.56%。可以说,怀柔区森林植被生态用水在总的现状生态用水中所占的比例最大,降水消耗性生态用水是现状生态用水的主体。

(3)根据研究结论,怀柔区水资源可利用量受出境水量控制,供水与用水矛盾日趋突出,建议加快多种新水源工程和水利设施改造建设,尤其需要加快雨水利用措施建设,通过提高大气降水利用率等措施进一步稳定和增加可供水资源量。

(4)生态用水问题研究为水资源合理配置提供了基础依据,但目前生态用水的理论体系还不完善,需要从基础理论、计算方法,以及评价体系等进一步建立完整的理论体系,为水资源配置提供科学合理的依据。

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