城市绿地灌溉水量及其节水潜力探讨

2021-05-26欧玉民廖日红

节水灌溉 2021年5期

欧玉民，许萍，廖日红，莫罹

（1.北京建筑大学城市雨水系统与水环境教育部重点实验室水环境国家级实验教学示范中心，北京100044；2.北京排水事务管理中心，北京100195；3.中国城市规划设计研究院，北京100044）

0 引言

我国人均水资源量仅为世界平均水平的1/4，属于严重缺水国家[1]，水资源短缺逐渐成为制约我国经济可持续发展的瓶颈之一[2]。我国的城市用水主要包括工业用水、生活用水、农业用水及环境用水等几部分，其中绿地灌溉用水是环境用水的重要组成部分，其数值是计算城市水资源承载力、水资源合理配置及利用的基础依据[3]，因此研究城市绿地的灌溉水量具有重要意义。

在实践中，绿地管理人员大多根据经验或参考规范中的数值进行灌溉。首先，因个人经验的主观性较强，有可能出现灌溉不足或灌溉过量，造成植物生长受限或水资源浪费的现象；其次，现有规范中关于绿地灌溉定额的标准不一致，如《室外给水设计标准》（GB50013-2018）及《城市给水工程规划规范》（GB50282-2016）中规定浇洒绿地定额均为1～3 L/（m2·d）；《民用建筑节水设计标准》（GB50555-2010）中则根据不同的草坪类型、养护等级规定浇洒定额为0.12～0.66 m3/（m2·a） [换算为0.33～1.81 L/(m2·d)]；《微灌工程技术规范》（GB/T50485-2009）中制定暖季型、冷季型草坪的灌溉定额分别为3～5、5～8 L/（m2·d）。此外，上述标准或规范未能充分体现不同地区、不同季节灌溉水量的差异性需求，不适合于绿地灌溉的精细化管理需求。

以往城市绿地灌溉水量的研究大多以年为尺度，结合定额法进行估算，较少考虑灌溉水量的年内变化[4-6]。近年来不少学者，针对绿地灌溉水量在年内不同月份或季节的分配问题开展了一些研究。石宁等[7]根据水量平衡公式，计算得到了济南市逐季绿地净灌溉水量，并分析了绿地净灌溉水量在济南市内的时空分布特征；严智勇等[8]构建了城市绿地需水量的计算模型，对黄河流域内45 个城市的绿地需水量及净灌溉水量进行逐月的分析与计算；徐鹤等[9]认为城市绿地净灌溉水量等同于供水量，建立了城市绿地供水量的合理性评价模型，着重考虑了地下水胁迫作用对绿地蒸散量的影响，以土壤含水量为变量，将绿地供水量划分为过多、适宜、一般及过少4个等级，并以北京市为例，对北京市逐月绿地供水量合理性进行了探讨。然而以上研究均基于局部区域，基于全国尺度的城市绿地灌溉水量年内分配问题的研究还较少。

基于此，本文基于全国尺度，在探讨灌溉水量计算方法及其影响因素的基础上，采用全国19 个省市的多年逐季参考作物蒸散量与其20～30 a 逐季降水量数据，研究提出了我国不同地区、不同绿地植物类型逐季的绿地灌溉水量标准，并将其应用于北京市，通过计算提出了其绿地用水节水潜力。研究结果可为我国制定合理的城市绿地灌溉用水量标准、开展绿地灌溉的精细化管理提供技术支持。

1 灌溉水量计算方法

在我国城市绿地中常见的植物有草坪、乔木及灌木，其灌溉水量可通过实测等方式确定，在缺乏实测资料时，也可采用理论计算的方式确定不同降水保证率下的灌溉水量[10]。

城市绿地灌溉水量计算主要包括植物蒸散需水量、植物生长需水量、维持植物生长所需的土壤含水量、有效降水量、地下水补充量及灌溉水利用系数等几部分，其数值受气候条件、植物种类、土壤性质、降水强度、地下水水位以及所采用的灌溉技术等因素影响，理论上可按以下公式进行计算[4,6,7,9]：

式中：I为灌溉水量，mm；Wge为植物蒸散需水量，mm；Wgp为植物生长需水量，mm；Wgs为维持植物生长所需的土壤含水量，mm；Pe为有效降水量，mm；G为地下水补充量，mm；β为灌溉水利用系数。

公式（1）中各需水项可分别按以下公式进行计算：

式中：ETc为作物需水量，mm；Wgp可根据植物生长需水量约为植物蒸散需水量的1/99 进行计算[9]；h为土壤深度，m；ρ为土壤容重，g/cm3；ε为土壤含水量系数，为土壤实际含水量与田间持水量的比值。

对于公式（1）中的各需水项，Wgp数值较小，可忽略不计；Wgs对灌溉水量计算的影响较小，如以北京市为例，根据文献[9]，北京市草坪土壤厚度h可取0.3 m，土壤容重可取1.55 g/cm3，土壤含水率系数通常为0.20～0.30[11]，此处取0.20进行计算。结合公式（4），可计算出Wgs为93 mm/a。同时结合文献[12]，可知北京市草坪Wgs占蒸散需水量Wge的比例低于12%，即Wgs对绿地总需水量的影响较小，可忽略不计。此外，计算Wgs所需的h、ρ、ε等参数受气候条件、土壤性质等因素的影响，变化较大，如对于土壤容重ρ，我国不同土壤类型的容重值差异较大。柴华等[13]的研究表明高山土的容重均值为0.93 g/cm3，而盐碱土的容重均值高达1.41 g/cm3，且针对同一土壤类型，土层深度增大，土壤容重也会随之增大。

地下水补充量G受地下水水位的影响，在我国南方水资源丰沛地区，当地下水水位较高时，地下水会对绿地需水有一定补充作用，而在我国北方水资源匮乏地区，地下水水位普遍偏低，其对绿地需水的补充量较小。如以北京市为例，根据2019年《北京市水资源公报》，北京市2019年地下水平均埋深为22.71 m，地下水对绿地需水的补充量可忽略不计。

h、ρ、ε及G等参数在全国各地区、各城市、甚至同一城市的不同地点都存在较大差异，需进行实测，准确值难以获取。因此，在实践中，公式（1）常常简化为以下公式：

由公式（5）可知，计算灌溉水量主要参数有ETc、Pe及β，ETc及Pe将在第2节中详细讨论。当ETc及Pe确定后，灌溉水量主要与灌溉水利用系数有关，而灌溉水利用系数主要受灌溉技术影响。不同灌溉技术的灌溉水利用系数比较如图1所示。图1中，人工漫灌技术灌溉水利用系数为0.53～0.56[14,15]，图1中取低值0.53作为比较依据；喷灌、微喷灌及滴灌等技术的灌溉水利用系数参考《节水灌溉工程技术标准》（GB/T 50636-2018），分别按0.80、0.85和0.90计。

从图1可看出，喷灌、微喷灌及滴灌相较于漫灌节水效率分别为33.75%、37.65%、41.11%。鉴于微喷灌技术为目前城市绿地中较常见的节水灌溉技术，因此在下文研究中，灌溉水利用系数β均按0.85计算。

图1 不同灌溉技术的灌溉水利用系数及其相较于漫灌技术的节水效率Fig.1 Irrigation water utilization coefficient of different irrigation techniques and its water-saving efficiency compared with that of the diffuse irrigation technology

2 我国不同地域分区的灌溉用水量标准研究

本节将依据上文提出的灌溉水量计算方法，进一步探讨确定公式（5）中的关键参数ETc及Pe；并以此为基础，采用全国19个省市的多年逐季参考作物蒸散量及其20～30 a逐季降水量数据，研究提出全国不同地区、不同绿地植物类型逐季灌溉水量标准。

考虑到气候的影响，按照地理位置，将全国19 个省市划分为华东、华北等7个不同分区，具体分区情况见表1。

表1 分区情况Tab.1 Partition situation

2.1 绿地需水量计算

2.1.1 作物需水量相关参数

作物需水量是指在理想条件下，作物生长不受限时，从种植到收获所需的蒸散发量，其受气候环境、土壤条件及作物种类等因素影响[16]。常用的计算方法有包括日照时数法、水面蒸发量法等在内的直接计算法和包括彭曼公式、Hargreaves公式等在内的间接计算法。直接计算法是指根据实测资料，利用气象因子与作物需水量之间的经验公式，进而确定作物需水量的计算方法。但由于经验公式需要在特定环境下进行推导，故此种方法的应用常常受到限制。间接计算法则通过参考作物蒸散量与作物系数，间接确定作物需水量，在作物需水量的计算中得到广泛应用[17,18]，计算方法如下：

式中：ET0为参考作物蒸散量，mm；Kc为作物系数。

我国城市绿地常见的植物类型主要包括草坪、乔木及灌木3类，其Kc受植物种类、植物生长阶段、气候环境、土壤水分条件等因素影响，一般通过实测法确定[19]。赵炳祥等[20]根据蒸渗仪实测资料，结合彭曼公式，探究了狗牙根、日本结缕草等常见草坪草在生长期内Kc的变化规律，结果表明，狗牙根和日本结缕草在生长期内Kc变化范围分别为0.62～1.48 及0.45～1.34，Kc呈现夏季较高，春秋较低的趋势；庞桂斌等[21]采用同样的方法，对狗牙根在生长期内Kc变化规律展开研究，结果表明，狗牙根在生长期内Kc变化范围为0.63～1.08。可见不同绿地植物的作物系数不同，且对于同种作物，若作物生长状况、气候条件及土壤水分环境等因素存在差异，作物系数也会有所不同。

影响Kc的因素较多且复杂，此处仅考虑绿地植物种类的不同对Kc的影响。参考张展[22]等的研究结果，城市草坪中常见的草种类型有高甸羊茅、草地早熟禾、黑麦草、狗牙根及野牛草，Kc依次为1.09、1.04、0.93、0.83 及0.74，为简便计算，下文中取5者的平均值，即草坪Kc为0.93；乔木、灌木的Kc参考储蓓[23]等的研究结果，分别取0.757、0.612。

2.1.2 参考作物蒸散量的确定

蒸散量是全球水循环的重要组成部分，是城市水文科学，能量平衡研究的重要参数，确定蒸散量对研究城市气候变化、水资源合理配置及利用等都具有重要意义[24]，其中，参考作物蒸散量是蒸散领域研究的重点，也是计算作物需水量的基本依据[25]。

参考作物蒸散量ET0可采用联合国粮农组织（FAO）推荐的彭曼公式进行计算[26]，该方法也被认为是计算ET0最准确的方法之一[27]，公式如下：

式中：Rn为作物表面净辐射量，MJ/（m2·d）；G为土壤热通量，MJ/（m2·d）；T为2 m 高度处的日平均气温，℃；es为饱和水汽压，kPa；ea为实际水汽压，kPa；u2为2 m 高度处的平均风速，m/s；Δ为饱和水汽压与温度的曲线斜率，kPa/℃；γ为干湿表常数，kPa/℃。

从公式(7)可看出，ET0值受诸多气象因素影响，同时因各地区气候条件不同，全国范围内ET0值呈现了较强的时空变异性[28]，如新疆维吾尔自治区多年年均ET0、夏季平均ET0分别是广西壮族自治区的1.83、2.56 倍[29,30]，湖北省多年年均ET0、秋季平均ET0分别为辽宁省的1.63、1.80 倍[31,32]。ET0的差异会对灌溉水量产生较大影响。因此，本文考虑不同地区之间的时空变异性，参考已发表文献资料，确定北京市[33]、天津市[33]、山西省[24]、安徽省[34]、江苏省[35]、山东省[33]、宁夏回族自治区[36]、陕西省[37]、新疆维吾尔自治区[29]、青海省[38]、重庆市[39]、贵州省[40]、吉林省[41]、辽宁省[31]、湖南省[42]、湖北省[32]、广东省[43]、海南省[44]及广西壮族自治区[30]逐季ET0数据如图2所示。

图2 不同省市逐季参考作物蒸散量Fig.2 Seasonal reference crop evapotranspiration in different provinces and cities

2.2 设计降水典型年及有效降水量的确定

参考各省市的统计年鉴，收集整理20～30 a 的降水系列资料后，采用经验频率法计算不同频率水文年的降水量。经验频率按以下公式计算：

式中：N为经验频率；i为样本数据序列号；n为选取的样本个数。

选择年降水量符合规定水文年型的年作为典型年（本文选择经验频率为25%的典型年为丰水年，经验频率为50%的典型年为平水年，经验频率为75%的典型年为枯水年），各典型年内各季节的降水量分配按照与典型年降水量接近的3～4 a内各季节平均降水量确定。之后根据表1的具体分区情况，划分为7个地域分区后分别取平均值，结果如图3所示。

图3 不同地域分区、不同降水水平年的逐季降水量Fig.3 Seasonal precipitation in different regions and years with different precipitation levels

然而天然降水有时不能完全被土壤所利用，尤其是当次降水量较大时，降水有较大可能通过径流、蒸发及渗漏等途径流失，而有效降水量即总降水量减去雨水径流量、蒸发量和渗漏量等损失，保留在作物根区土壤并供作物生长利用，即总降水量中的有效部分[45]。

有效降水量受降水强度、降水频率、降水时间分布、土壤性质、降水前的土壤含水率及作物种类等因素影响。如针对降水方面，雨强小、频率低、历时短的降水通常能被充分利用；针对土壤性质方面，入渗速率高、保水性强的土壤蓄水性能较优，能在一定程度上避免降水形成地表径流而不能被有效利用[46]。计算有效降水量最为准确的方法为逐时段水量平衡法，计算过程需逐时段（1～5 d）的降水量及蒸发量，还需考虑时段初期土壤蓄水量实测值等数据[47,48]，这在考虑全国范围的灌溉水量计算中较难实现。

此外，有效降水量与我国海绵城市建设中的绿地径流系数指标在概念上类似，而目前我国使用的海绵城市设计规范中的绿地径流系数均是按固定范围取值，未考虑到上述影响因素的影响，取值与实际情况存在一定的偏差。美国农业土壤保持局（USDA）推荐的公式考虑了降水量大小对有效降水量的影响，在我国西南、华北等多地的有效降水量计算中得到了广泛应用[49-51]，因此本文采用USDA 推荐的简化方法对有效降水量进行计算[26]：

式中：Pe为月有效降水量，mm；P为月降水量，mm。

2.3 我国不同地区城市绿地灌溉用水量标准的确定

在确定我国不同地区逐季的作物需水量及有效降水量后，结合灌溉水利用系数，代入式（5）即可确定灌溉水量，本文计算的我国不同地区城市草坪、乔木及灌木的灌溉水量分别见表2～表4。

从表2～表4可看出，我国不同地域分区中，绿地灌溉水量大小依次为华北＞西北＞东北＞华东＞华中＞西南＞华南。在降水量较少的华北和西北地区，部分季节的灌溉水量高达3～4 L/（m2·d）。而在降水量较大的华中、华南及西南地区，由于降水能够补充蒸散作用带走的水分损失，灌溉水量大多处于0～1 L/（m2·d）。在我国不同分区中，4 季灌溉水量整体呈现春夏较高、秋冬较低的趋势。与现有规范对比，《微灌工程技术规范》（GB/T50485-2009）中绿地灌溉定额制定偏高；《民用建筑节水设计标准》（GB50555-2010）中的绿地灌溉定额偏低，仅适用于华南、西南及华中等湿润地区的绿地灌溉，而不适用于西北、华北等干旱地区。

表2 不同地域分区逐季草坪灌溉水量L/（m2·d）Tab.2 Irrigation water quantity of lawn by season in different regions

3 北京绿地灌溉用水量现状及节水潜力案例分析

根据2019年《北京市水资源公报》，北京市人均水资源量仅为114 m3，属于国际公认的人均水资源量小于500 m3的严重缺水地区，且北京市人均公园绿地面积从2001年的10.1 m2/人上升到2019年的16.4 m2/人。因此以北京市为例，研究其绿地节水潜力具有重要意义。

表3 不同地域分区逐季乔木灌溉水量L/（m2·d）Tab.3 Irrigation water quantity of arbor by season in different regions

表4 不同地域分区逐季灌木灌溉水量L/（m2·d）Tab.4 Irrigation water quantity of shrubs by season in different regions

3.1 绿地实际供水量估算

2012年孙红[52]等在北京市内的43 处不同绿地类型样点进行实地调研，获得了各绿地类型的单位面积年实际供水量数据。同时根据《北京市水务统计年鉴》，2012-2019年农业耕地单位面积年用水量如图4所示。由图4可知，由于节水灌溉技术的不断推广，2013-2019年农业耕地单位面积年用水量分别较2012年下降了1.11%、4.22%、21.30%、21.03%、26.55%、36.31%和43.67%，7 a 平均下降率为22.03%。考虑到北京市绿地节水灌溉技术也在不断地推广与应用，因此本文以2012-2019年农业耕地单位面积年用水量的平均下降率22.03%为参照，以2012年实际绿地单位面积年供水量数据为基础，计算获得2019年北京市绿地单位面积年供水量，如图5所示。根据北京市园林绿化局公布的《2019年北京市城市绿化资源情况》，2019年北京市各区各绿地类型面积如图6所示。结合图5及图6数据，对2019年北京市内绿地实际年供水量进行估算，结果如图7所示。

图4 北京市2012-2019年农业耕地单位面积年用水量Fig.4 Annual water consumption per unit area of agricultural cultivated land in Beijing from 2012 to 2019

图5 2012及2019年北京市各绿地类型单位面积年实际供水量Fig.5 Actual annual water supply per unit area of green space types in Beijing in 2012 and 2019

图6 2019年北京市各区各绿地类型面积Fig.6 The area of each green space type in each district of Beijing in 2019

从图7可看出，从北京市各区看，海淀区及朝阳区绿地供水量最大，分别达到了1.22 亿m3和1.13 亿m3，原因在于其区内的附属绿地面积较大，而附属绿地在4种绿地类型中供水量最高；延庆区及东城区绿地供水量最小，分别为0.07 亿m3和0.08 亿m3。2019年北京全市绿地实际供水量共计为7.34亿m3。

图7 2019年北京市各区实际供水量Fig.7 Actual water supply in each districts of Beijing in 2019

3.2 绿地理论需水量估算

以第2.3 节中计算的华北地区3 种绿地植物类型、3 个降水水平年的灌溉水量按4季取平均值后作为单位面积逐季理论灌溉水量，单位面积逐季理论灌溉水量乘以北京市各区绿地总面积（见图6），即得2019年北京市各区逐季绿地理论需水量，结果如图8所示。

图8 2019年北京市各区绿地逐季理论需水量及全年实际供水量Fig.8 Seasonal theoretical water demand and annual actual water supply of green space in Beijing in 2019

由图8可知，北京全市2019年绿地理论需水量为5.44 亿m3，其中朝阳区和海淀区的理论需水量最高，分别为0.96、0.82 亿m3；东城区和西城区的理论需水量最低，均在0.07 亿m3左右。各区逐季的绿地理论需水量，呈现春季最高（占全年比重41.3%），夏季（占全年比重31.6%）及秋季（占全年比重14.3%）其次，冬季（占全年比重12.8%）最少的趋势。

图8中理论需水量与实际供水量进行对比得知，北京全市绿化用水存在1.90 亿m3的节水潜力，其中海淀、丰台、大兴及顺义区的节水潜力较大。未来北京市可大力推广绿地节水灌溉技术，逐步提高绿地灌溉用水效率。

4 结论与建议

4.1 结论

本文在探讨确定灌溉水量计算方法及其影响因素的基础上，基于全国19个省市多年逐季参考作物蒸散量及其20～30 a的逐季降水量数据，通过计算提出了全国不同地区、不同绿地植物类型逐季灌溉水量，并以水资源严重短缺的北京市为案例，确定了其绿地节水潜力。主要结论如下。

（1）城市绿地灌溉水量受气候条件、植物种类、土壤性质、降水强度、地下水水位以及所采用的灌溉技术等因素影响，其中主要影响因素为气候条件、植物种类、降水强度及所采用的灌溉技术。

（2）在我国不同地区中，城市绿地灌溉水量大小依次为华北地区＞西北地区＞东北地区＞华东地区＞华中地区＞西南地区＞华南地区，在华北及西北地区，部分季节的灌溉水量高达3～4 L/（m2·d），而在华南及西南地区，4 季灌溉水量大多处于0～1 L/（m2·d）。在我国不同分区中，4 季灌溉水量整体呈现春夏较高、秋冬较低的趋势。

（3）北京市2019年绿地用水存在1.90 亿m3的节水潜力，其中海淀、丰台、大兴及顺义区的节水潜力较大。