城市耗水的“自然-社会”二元属性及季节性特征研究——以北京市为例

周晋军，王 浩，刘家宏，王忠静，张永祥

（1.北京工业大学 建筑工程学院，北京 100124；2.中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038；3.清华大学 水利水电工程系，北京 100084）

1 研究背景

城市是自然水循环和社会水循环深度耦合的二元水循环区域，其水循环的各个环节都呈现明显的二元属性[1-2]。城市区域水循环过程非常复杂，其原因主要是城市下垫面呈现高度异质性，水循环过程受到人类活动的强烈干扰[2-3]。城市耗水作为城市区域水循环的重要环节，不仅是城市水循环通量的重要组成部分，也是城市水汽的重要来源，水汽耗散量的大小对城市微气候变化和水循环通量计算具有重要影响。但由于城市水汽耗散过程的复杂性高，直接监测的难度较大，城市耗水是城市水文研究的薄弱环节。

城市耗水是指发生在城市区域的各种输水、用水过程中的水量耗散和硬化地面、土壤、植被、水面等下垫面的蒸散发，其水量特征是在水循环过程中没有回归到地表水体和地下水体的含水层[4]。本研究中将发生在城市区域各种水循环过程中的水汽耗散定义为狭义的城市耗水，并且以狭义的城市耗水量的计算及其自然和社会二元属性为研究目标，分析北方城市耗水的季节性特征。传统的城市蒸散发研究主要是城市区域土壤、植被（草地和树木）、水面等自然下垫面的蒸散发，这也是本研究中自然侧耗水的主要部分。传统蒸散发计算方法包括水热平衡法、空气动力学方法、Penman-Mon⁃teith 算法等，也包括以点源为基础的蒸散发计算方法，比如蒸渗仪法、梯度法、波文比法、涡度相关法等[5-10]。1970年代以来，基于遥感的蒸散发反演计算发展成为主要研究方向[5-6，9，11]，从Thom 在1972年提出基于植被特性的阻抗计算方法到1990年代的SEBI 及其衍生系列模型，再到2010年以后提出的REDRAW 及其系列模型[12-18]，学者们在自然蒸散发方面取得了丰硕研究成果。然而，传统城市蒸散发研究大多低估甚至忽略了硬化地面和屋顶的截留雨水蒸发，对于人类用水过程产生的水汽耗散研究较少[19-20]。而随着城市化进程推进，城市人工用水的水量和占比在持续增大，对应的用水活动所产生的水汽耗散量和耗水强度也在增大，城市耗水的二元属性不断增强[2，21-23]。

近年来，国内外学者逐渐关注城市区域的二元水循环过程研究，特别是关注人类活动及其取用水等社会行为引发的水循环过程研究。高学睿等[24]将城市不透水区域的蒸散发与草地、林地、水面进行比较。张俊娥等[25]模拟了天津市二元水循环，将城市耗水划分陆面蒸散发、水面蒸发、第二和第三产业耗水。周琳[20]分别用水量平衡法、遥感反演法（有无人为热两种工况）、下垫面分类法计算了北京市的蒸散发，结果表明3种方法计算的城市蒸散发量呈递增趋势。Farooqui 等[26]和Renouf等[27]以澳大利亚典型城市为例，通过量化城市区域水系统规模，减少城市发展对自然水循环的不利影响。刘家宏等[28]提出了城市生活用水指标计算模型，分析了城市高耗水现象及其机理[22]。周晋军等[29]提出了建筑物内部耗水的概念，研究了居住建筑物和办公建筑物内部的耗水计算方法[30]，提出了城市耗水计算模型[31]，计算分析了考虑建筑物内部耗水的厦门市2000—2015 城市化进程中城市耗水变化特征[21]。通过前述文献可以看出，学者们从单纯考虑植被、土壤、水面的蒸散发到考虑硬化地面的蒸散发和第二、三产业的水耗散[32]，对城市耗水问题进行了深入研究。但是已有研究很少定量计算城市水汽蒸发中自然侧的蒸散发与社会侧的水汽耗散的结构特征，同时对于城市区域水汽耗散的季节性差异考虑不足，特别是在我国北方城市，耗水的季节性特征差异更为显著，应该予以关注和研究。

本研究基于观测实验和统计数据，从城市下垫面的水循环过程出发，研究城市各类耗水的发生过程，识别城市耗水的自然和社会二元属性，建立“自然-社会”二元城市耗水分析计算模型。选取北京市为研究区域，对比研究各城区建设用地在春、夏、秋、冬四个季节中自然侧和社会侧的耗水强度特征。研究结果可以为城市区域二元水循环研究，水循环通量计算提供科学依据和数据支撑，为城市区域微气候变化及热岛效应变化分析提供参考依据。

2 研究区域概况及数据来源

北京市位于华北平原北部，属于北温带半湿润大陆性季风气候，四季分明。通常夏季高温多雨，冬季寒冷干燥。多年平均降雨量585 mm，降水季节分配很不均匀，通常80%的降雨集中在6—8月（夏季）。北京市总面积1.64 万km2，2015年底城镇建设用地面积3044 km2。北京市共辖16个市辖区，辖区之间的人口密度、城市化率、下垫面特征差异较大。北京城六区为东城、西城、朝阳、海淀、石景山、丰台6个区，是北京市的核心城区，属于强人类活动区域。通州、昌平、大兴、顺义等区县是快速城市化区域，但是发展程度差异较大，人类活动对水文循环过程影响显著。延庆、密云、怀柔、平谷等区县是生态涵养区域，人口密度低，城市化率低，人类活动对水文循环过程干扰程度也低。由于北京市各区的城镇化进程差异明显，因此以北京市为例开展研究。

本研究中各区土地利用数据来源于2014年TM 影像资料，分辨率是30 m，见图1。其各区的城镇建设用地数据、社会侧的人口数量、建筑密度、道路面积等数据来源于《北京市区域统计年鉴（2017）》，以及各区的统计年鉴和相关专项规划资料，社会侧的供用水数据、污水排放数据等相关数据来源于《北京市水务统计主要指标数据》《北京市水资源公报（2015）》。为降低各区气象数据差异对结果的影响，凸显各区社会侧与自然侧的耗水特征差异，本研究中各区均采用相同站点的气象要素数据计算自然侧耗水。本文用于计算自然侧蒸散发的气象数据来源于清华大学校园气象站。

图1 北京市各区土地利用结构及其城镇用地地面结构特征

3 研究方法

3.1 分析模型流域二元水循环的特征主要体现在服务功能、水循环结构和参数、水循环路径、水循环驱动力这四个方面，其本质是服务功能的二元化，即流域水循环同时支撑自然生态系统和人类社会经济系统[33]。城市中同样存在绿地、水面等自然斑块，这些斑块是人类生活所必须的场所，同时服务于经济社会发展。城市二元水循环的本质特征可以从水的来源体现，即天然来水和人工供水，其中天然来水包括天然降水和河流湖泊的来水，人工供水又可以分为城市自来水、自备井的供水和桶装水、瓶装水以及其他酒水饮料等商品水的供水。城市自然侧水循环主要是指天然降水产生的降雨截留、入渗、地表地下径流、蒸散发等过程。城市社会水循环主要是指人工供水产生的用水、耗水、排水、中水回用等过程。本文将城市的耗水地面类型划分为水面、土壤、植被、硬化地面和建筑物。

图2中展示了基于城市水源特征建立的城市耗水的“自然-社会”二元分析框架。天然来水中河流、湖泊的水所产生的耗散主要是指水面蒸发，天然降水所产生的水汽耗散是指由降雨引起的土壤蒸发、植被蒸腾、硬化地面和建筑物屋顶的蒸发，这部分的蒸发是城市自然侧耗水的主要组成部分。人工供水中以商品形式提供的水主要是用于城市居民饮用，这部分水的主要耗散方式是人体汗液蒸发。以管道形式的供水主要提供到工厂、居民楼、办公楼等建筑物内部的用水户，也为室外的草坪、植被等绿化设施的灌溉和城市道路的人工洒水等提供水源。建筑物内部用水所产生的耗散发生在各种用水活动过程中，比如淋浴过程的水汽蒸发、烹饪过程的蒸汽释放、湿衣服晾晒过程的水汽蒸发、地面、玻璃、墙壁、桌面等表面的擦洗所产生的蒸发等。浇灌在绿化设施和喷洒在道路的水以蒸发和蒸腾的形式返回大气。这些由人工供水产生的水汽耗散被称为城市社会侧耗水。

本研究从供用水源头将城市耗水划分为自然侧耗水和社会侧耗水两部分，城市区域的耗水是自然侧耗水与社会侧耗水之和，按照式（1）计算：

图2 城市自然-社会二元耗水分析框架

式中： Dcity为城市区域的耗水强度；DN为自然侧耗水强度；DS为社会侧耗水强度，单位均为mm。

其中自然侧的耗水按照式（2）计算：

式中： Ew为水面蒸发量；Ens为自然条件下的土壤蒸发量；Env为天然降水产生的植被蒸腾蒸发量；Enh为天然降水产生的硬化地面蒸发量；Ebr为天然降水产生的屋面截留雨水的蒸发量，单位均为mm。

社会侧耗水按照式（3）计算：

式中： Ess为人工浇灌产生的土壤水分蒸发量；Esv为人工浇灌植被产生的蒸腾蒸发量；Esh为人工洒水产生的城市硬化地面的蒸发量；Dbi为城市区域建筑物内部各类用水活动产生的水汽耗散量在城市建成区面积上的平均耗水强度，单位均为mm。

3.2 计算模型分析模型中，自然侧耗水项主要包括水面、土壤、植被、硬化地面、建筑物屋顶共5项，其中硬化地面和建筑屋顶都属于截留雨水蒸发，计算方法一致；社会侧耗水项主要包括裸土、植被、硬化地面、建筑物内部4项。具体计算中，基于前人研究基础和前期对城市耗水的观测和研究，分别确定了这9项耗水强度（共计8 类）的计算方法，见表1。

3.3 计算过程和验证方法本研究拟通过选取接近多年平均降雨量的年份作为典型年进行研究。2015年北京市降雨量为583 mm，与多年平均降雨量基本持平，其他气象要素也接近多年平均水平，同时综合考虑与土地利用数据（2014）的年份相近，因此选择2015年作为研究代表年。根据北京市多年的植被生长情况看来，通常是3月份开始，植被陆续发芽，长出新叶，到11月中下旬叶子掉落，进入冬季。本研究计算中，将3、4、5月划分为春季，6、7、8 划分为夏季，9、10、11月划分为秋季，12、1、2月划分为冬季。

基于图1中的城镇用地的结构数据和图2中提供的计算分析框架，采用表1提供的计算方法，分别计算2015年北京市16个区的城市建设用地中各种地面类型的耗水强度，通过面积加权计算得到了各个区城镇建设用地的自然侧和社会侧的耗水强度，并将计算结果展布在各个区的地形图上。

自然侧耗水计算结果通过与其他研究成果比较进行核准，社会侧耗水计算结果基于水量平衡原理进行验证，整体计算结果结合水资源公报和水务局统计数据进行验证，典型耗水项的计算通过选取典型时段的监测数据验证模型的可靠度与准确性。

表1 城市单元各类耗水的计算方法

4 结果与讨论

本研究首先计算了各区城镇建设用地中各类耗水地面的季节性耗水强度和年度耗水强度。本研究计算的年水面蒸发量是990.7 mm，与北京市地方标准《城市雨水利用工程技术规程》（DB11/T 685—2009）中北京市多年平均水面蒸发量1022.9 mm 相近。本研究计算的植被年蒸散量为667 mm，与郑荣伟等[34]研究得出的北京市2005—2015年 植被密集绿地的蒸散发量超过600 mm的结果相近。社会侧的耗水计算公式已经在北京和厦门的城市耗水计算中得到验证[21，29]，同时社会侧整体的耗水结果通过水量平衡原理，结合供排水和漏损等数据进行校核，水量平衡得出的差值占总用水量的比例低于5%。

图3 北京市各区2015年城镇建设用地耗水强度及其二元结构

图3展示了2015年北京市16个区的城镇建设用地的耗水强度计算结果。从图3（a）的结果来看，城六区年综合耗水强度高于其他城区，东城和西城两个区的耗水强度高于950 mm，海淀区和朝阳区的耗水强度高于850 mm，石景山、丰台的年耗水强度也高于700 mm。从图3（b）可以看出各个区的城镇用地的自然侧耗水强度分布在330～470 mm之间，分布相对集中，其中海淀区、朝阳区和石景山区的自然侧耗水强度相对较高，超过400 mm。从图3（c）结果来看，各区社会侧的耗水强度分布40～670 mm 不等，城六区的社会侧耗水强度明显高于其他区，其中西城区的社会侧耗水超过660 mm，东城区超过590 mm。主要原因是城六区的城市化程度较高，建筑物占城市建设用地的面积比例较高，人口密度高。例如东城区和西城区的人口密度超过21 000 人/km2，这是导致东城和西城社会侧耗水强度明显高于其他区的主要原因，也是这两个区综合耗水强度高于其他城区的主要原因。

图4从春、夏、秋、冬四个季节展示了自然侧和社会侧的耗水强度。结果显示各区夏季的自然侧耗水强度最高，其次是秋季、春节和冬季。各区城镇用地自然侧耗水强度在夏季和秋季的耗水强度可以达到春季和秋季的3倍之多。城六区的社会侧耗水强度在各个季节基本都高于50 mm，其中夏季都高于100 mm，而城六区外的其他区的城镇用地的社会侧耗水强度基本都低于50 mm，其中夏季也都低于100 mm。各区的社会侧耗水强度也是夏季高于秋季、春季、冬季。

城镇建设用地的自然侧耗水主要来自绿地，北京市乔木以阔叶落叶林和常绿针叶林为主，因此自然侧的耗水在夏季和秋季的值很高，春季和冬季的值较低，呈现明显的季节性特征。在计算建筑物内部耗水时，根据用水量和耗水定额进行计算，北京市通常夏季人工用水量高于秋季、春季和冬季，导致夏季社会侧耗水高于其他季节。

从图4的结果可以看出，自然侧耗水的季节性差异显著，各城区夏秋季节的自然侧耗水强度几乎都高于100 mm，冬春季节的自然侧耗水强度几乎都低于60 mm。相比而言，社会侧耗水的季节性差异低于自然侧，社会侧的耗水强度的差异主要体现在城区之间。分析可得出北京城六区综合耗水强度在春、夏、秋、冬季的比值分布是（1.20～1.36）∶（2.84～3.88）∶（2.02～2.77）∶1；其他城区的综合耗水强度在春、夏、秋、冬季的比值分布是（1.79～2.63）∶（6.37～8.85）∶（3.97～5.54）∶1。研究表明城市耗水强度的季节性差异显著。

图4 北京市各区2015年自然侧、社会侧耗水在春、夏、秋、冬的分布结果

图5（a）显示东城和西城两个区的社会侧耗水贡献率明显高于自然侧耗水，社会侧耗水贡献率均高于60%。朝阳区的自然侧和社会侧贡献率几乎相等，从数据来看自然侧贡献率是50.15%，社会侧是49.85%。海淀区的自然侧耗水贡献率（51.11%）略微高于社会侧（48.89%）。其他区的自然侧耗水比例均高于社会侧比例，其中丰台区和石景山区的自然侧的贡献率分别是54.67%和53.49%，自然侧贡献率与社会侧贡献率差值小于10%。城六区外的其他城区，自然侧的耗水量占比均超过70%，其中自然侧耗水占比最高是密云，达到87.33%。图5（b）展示了北京各区2015年自然侧的耗水贡献率在春夏秋冬不同季节的分布，结果显示各区自然侧耗水在夏季和秋季的贡献率高于春季和冬季，其中房山、顺义、延庆的自然侧贡献率在四个季节分布相近。图5（c）显示各区社会侧的耗水贡献率的季节性差异明显，总体呈现出春季和冬季的社会侧贡献率高于夏季和秋季的特征，这是因为北京属于北方地区，春季和冬季的植被蒸散发量低，自然侧的耗水比例小，导致社会侧贡献率高，由于冬季的自然侧蒸发量最低，因此各个区冬季的社会侧耗水贡献率最高。

图5 北京市各区2015年城镇建设用地耗水的二元属性及其季节性特征

从北京市各城区城镇建设用地的耗水计算结果来看，社会侧耗水的占比大小与城市化的发展程度密切相关，城六区是北京市城市化程度较高的城区，这六个区的社会侧耗水的占比都接近或超过了50%。从各区自然侧和社会侧耗水的季节性分布特征来看，自然侧耗水在夏季和秋季的占比高于春季和冬季，社会侧耗水则是春节和冬季的占比高于夏季和秋季，主要因为北京是典型的北方城市，其夏季和秋季的植被蒸散发量明显高于春季和冬季，而植被蒸散发是自然侧耗水的主要组成部分。对于城六区以外的城区，由于城镇建设用地的耗水中自然侧耗水占主导，因此这些城区耗水强度的季节性差异更加显著。城六区也呈现夏秋季节的自然侧的耗水贡献率高于或接近社会侧耗水贡献率的特征，由此进一步说明自然侧耗水的季节性特征更加明显。

5 结论

（1）城市耗水呈现明显的“自然-社会”二元属性，城市化程度越高，社会侧的耗水强度和贡献率越大。北京城六区2015年城镇建设用地的年耗水强度分布在707～1008 mm，明显高于其他城区城镇建设用地的耗水强度（354～505 mm）。城六区社会侧的耗水占比分布在45.33%～65.92%，其他城区的社会侧耗水占比是12.67%～25.62%。人口密度和建筑密度是衡量城市化程度的关键要素，也是影响城市社会侧耗水强度的主要因素。（2）城市建设用地的耗水强度呈现明显的季节性差异，夏秋季节是自然侧耗水占主体，冬春季节则是社会侧耗水占主体。北京市城镇建设用地在春、夏、秋、冬季的耗水强度之比是1.76∶5.68∶3.78∶1。当社会侧耗水比例增大，城市综合耗水强度的季节性差异降低。（3）绿地植被的蒸腾蒸发是城市建设用地自然侧耗水的主要来源，对于城市化程度高的城区（如北京市的城六区），建筑物内部用水产生的耗水是社会侧耗水的主要来源，其耗水强度会高于城市化程度相对较低或单纯的绿地的耗水强度，综合耗水强度的季节差异性会小于城市化程度相对较低的城区。