城市生态需水分析技术 【技术领域】
本发明属于环境保护技术领域，尤其涉及一种城市生态需水分析技术，解决人为因素影响显著情况下城市生态需水计算问题。
背景技术
世界人口超过半数居住在城市，城市化快速发展过程中，人类活动对城市生态系统的胁迫日益严重，特别是国民经济高速增长对水资源的需求以挤占农业及生态环境用水为代价，相应造成河湖萎缩、植被退化、地下水漏斗等严重城市生态环境问题逐渐显现。城市生态需水量定义为城市生态系统发挥正常生态和环境功能所需的水量。由于城市居民对自然景观有更为强烈的需求，人类活动主观意识对城市生态需水量的影响较大。在城市生态系统中除考虑自然要素对水的需求外，还应包括人类活动对自然要素景观的要求。
目前，生态需水量研究主要集中于河流生态系统类型，并形成了较为完善的计算方法。研究方法包括了Tennant法为代表的水文学方法，湿周法为代表的水力学方法，IFIM为代表的生境模拟法以及以BBM为代表的整体法。不同类型生态需水计算方法分别从维护自然河流生态系统特定生态保护目标的角度分析生态需水量。水文学方法在自然状态河流多年水文数据的基础上，根据水文指标来确定河流生态系统需水量。水文学方法适用于水资源规划阶段和水文数据相对缺乏的情况对生态需水量的初步估算。水力学方法主要从保护河流水生生物栖息地水力学要素出发，通过建立流量与河道水力参数之间的关系，确定河流生态需水量。生境模拟法将生物、生态及环境等要素与流量建立起定量关系，根据指示物种所需的水文、水力条件来确定河流流量。生境模拟法着重考虑河流生物物种的保护。整体法将流量可分为三个部分：低流量、特殊目标流量、洪水流量，通过专家小组对河流上不同水量和时段的水生态状况做出判断。城市生态需水相关方法主要针对城市中的单一生态系统类型进行相关的探讨，其中包括公园湖泊用水、风景观赏河道用水、城市绿化用水和污水稀释用水等类型。田英等(2002)初步探讨了城市生态需水量的概念、类别与方法。然而尚未形成一套完整的城市生态需水评估体系与计算方法。
目前不同类型生态需水计算方法主要针对自然生态系统中不同类型的生态保护目标提出。相关技术手段难以确定人为因素影响显著的城市生态系统需水类型，以及不同类型生态需水的标准。城市生态需水分析技术缺失造成的城市生产、生活及生态用水配置不合理的问题已成为有效解决城市社会经济与生态环境可持续发展中的瓶颈问题。在明确城市生态需水类别基础上，建立城市生态需水计算方法体系，提出对面向城市水资源管理以及有效维护城市社会经济与生态环境保护协调发展的城市生态需水分析技术具有重要现实意义。
【发明内容】
本发明针对目前城市生态需水定量分析技术欠缺，造成城市生态需水难以得到有效保护的不足，提出综合考虑城市绿地和城市河湖要求的生态需水计算方法以及面向水资源配置的城市生态需水分析技术，明确了城市生态需水等级划分标准，有效解决城市生态需水定量化问题。
本发明的特征在于系统提出城市生态需水分类体系和计算指标，将城市生态系统划分为城市绿地和城市河湖生态系统两类，相应将生态需水划分为植物需水、土壤需水、河道需水、湖泊存在需水、水面蒸发需水、渗漏需水、湖泊换水需水以及景观娱乐需水八类，明确了城市生态需水计算方法以及面向水资源配置的生态需水计算方法，明确不同等级城市生态需水划分标准，为定量化评价城市生态系统需水量提供实用技术方法。
本发明的主要目的在于通过明确城市生态需水类型、计算指标、计算方法以及等级划分标准，为面向城市生态环境保护与社会经济协调发展提供支持，与现有技术相比本专利技术具有以下优点：
(1)系统明确城市生态需水类型、指标计算方法以及等级划分标准，技术方法方便实用，有效解决城市生态需水定量化问题，避免城市生态需水技术欠缺，造成城市生态需水难以得到有效保护的不足。
(2)可直接应用于城市水资源配置中，避免理论分析成果难以直接应用于城市生态环境保护工作的不足。
【具体实施方式】
以下详细说明本发明的工作原理和实施方式：
(1)城市生态需水分类体系与计算指标
基于生态系统类型和生态环境功能两个层次划分需水类型，根据不同需水类型所支持的生态环境功能，确定不同需水类型的计算指标(见表1)。
表1城市生态需水类型与计算指标
(2)城市生态需水计算方法
建立城市生态需水计算方法，其计算公式如下：
dWU(t)/dt＝WG(t)+WRL(t) (1)
其中，
dWG(t)/dt＝WP(t)+WS(t) (2)
dWRL(t)/dt＝WRB(t)+WLB(t)+WWE(t)+WWS(t)+WLE(t)+WJG(t) (3)
式中，WU(t)为t时段内城市生态需水量；WG(t)为t时段内城市绿地系统生态需水量；WRL(t)为t时段内城市河湖系统生态需水量；WP(t)为t时段内的植物需水量；WS(t)为t时段内的土壤需水量；WRB(t)为t时段内的河道基流量；WLB(t)为t时段内的湖泊存在需水量；WWE(t)为t时段内的河湖水面蒸发需水量；WWS(t)为t时段内的城市河湖渗漏需水量；WLE(t)为湖泊换水需水量；WJG(t)为景观娱乐需水量。
建立面向水资源配置的城市生态需水计算方法，从水资源配置的角度出发，考虑需要人工补给的那部分需水量，计算公式如下：
dW′U(t)/dt＝W′G(t)+W′RL(t) (4)
其中，
dW′G(t)/dt=WG(t)-PK1(t)(WG(t)≥PK1(t))0(WG(t)<PK1(t))---(5)]]>
dW′RL(t)/dt=WRL(t)-PK2(t)(WRL(t)≥PK2(t))0(WRL(t)<PK2(t))---(6)]]>
式中，W′U(t)为t时段内面向水资源配置的城市生态需水；W′G(t)为t时段内面向水资源配置的城市绿地系统生态需水；W′RL(t)为t时段内面向水资源配置的城市河湖系统生态需水；WG(t)为t时段内城市绿地系统生态需水；PK1(t)为t时段内有效降水量；WRL(t)为t时段内城市河湖系统生态需水；PK2(t)为t时段内城市河湖可直接利用的降水量。
本发明根据不同需水类型的差异和功能特征，将城市生态需水划分为最小、较小、中等、优等、最大五个等级(见表2)。
表2城市生态需水等级划分标准
实例
以我国北方典型流域主要城市生态需水为实例具体说明本专利的实施步骤和效果。选取流域45个地级以上城市作为对象，所选城市分布于9个不同的水资源分区。
城市生态需水的来源主要包括天然降水补给、径流补给、人工补给和地下水补给等方面，而面向水资源配置的城市生态需水的来源则扣除天然降水补给和地下水补给的两部分，属于城市水资源配置地范畴。表3的流域主要城市生态需水计算结果表明，流域城市最小生态需水量为7.955×108m3，其中32.7％的水量消耗于植物的蒸散发、河湖水面的蒸发与渗漏等过程中。面向水资源配置的流域城市最小生态需水量为6.043×108m3，占流域城市市区供水总量(47.0亿m3)的12.86％。
表3城市生态需水(108m3)
注：需水量I：城市生态需水总量，需水量II：面向水资源配置的生态需水由表4给出了城市最小生态需水空间分布。
表4城市最小生态需水量空间分布(108m3)