第34卷第3期 Vo1.34 No.3 水资源保护 2018年5月 Mav 2018 WATER RESOURCES PROTECTION DOI:10.3880/j.issn.1004—6933.2018.03.03 城市高耗水现象及其机理分析 刘家宏 ,周晋军 一,邵薇薇 (1.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: 2.水利部水资源与水生态工程技术研究中心,北京100038: 3.清华大学水利水电工程系,北京100084) 摘要:为了打破城市耗水的“黑箱”模式,采用统计分析、实验观测以及典型区实证研究等方法,对 城市耗水现象及机理开展研究。结果表明,城市属于高耗水区域,耗水强度不仅与降水量、气温等 气象因素有关,同时与人类活动紧密相关。以北京市为例,建立了城市耗水计算模型,并基于土地 利用数据,计算了北京市2014年耗水空间分布,考虑人类用水产生的耗水后,城市区域的耗水量要 明显高于郊区以及自然下垫面的蒸散发量。 关键词:城市高耗水;蒸散发;土地利用:机理分析 中图分类号:TV11;P334.1 文献标志码:A 文章编号:1004—6933(2018)03—0017—05 Analysis of urban high water dissipation phenomenon and its mechanism LIU Jiahong ,ZHOU Jinjun 。SHAO Weiwei (1.State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin,China Institute of Water Resources and Hydropower Research,Beiifng 100038,China; 2.Engineering and Technology Research Center for Water Resources and Hydroecology fo the Ministry fo Water Resources,Be ng 100038,China; 3.Department fo Hydraulic Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China) Abstract:In order to break the“black model”of water dissipation in urban area,statistical analysis,experimental observations and case studies methods were used to analyze the urban water dissipation phenomenon and to exDlore its mechanism.Results showed that cities belong to the high water dissipation area.and the intensity of water dissipation is not only related to meteorological factors such as precipitation and temperature,but also closely related to human activities.Taking Beijing City as an example,this paper established a calculation model of urban water dissipation,and calculated the spatial distirbution value of water dissipation in Beijing in 2014 based on land use data. Considering the water dissipation of human water use activity.the water dissipation in urban areas was significantly higher than that of suburbs and the evapotranspiration of natural underlying surfaces. Key words:high urban water dissipation;evapotranspiration;land use;mechanism analysis 随着城市化进程的不断推进,城市面积增大,人 城市耗水量的大小决定了城市区域水循环通量的大 口增多,用水量也持续增加 。城市耗水一般包括 小,同时直接影响城市供需水的规划管理,其研究紧 城市面积的蒸散发、人渗补给 、工业耗水 和产 迫而重要。 品输出所包含水量等,是城市水文循环的重要环节。 由于城市下垫面的复杂性和强人类活动干扰, 基金项目:国家自然科学基金(51522907,51739011);流域水循环模拟与调控国家重点实验室团队重点课题(2017ZY02) 作者简介:刘家宏(1977一),男,教授级高级工程师,博士,主要从事水文学及水资源研究。E-mail:liujh@iwhr.con ·17· 城市的水循环过程相比流域自然水循环要复杂 。 城市耗水是指发生在城市区域的各种形式的水的耗 散,是重要的城市水循环过程 ,既包括植被蒸腾 蒸发,也包括城市建筑物内部人类用水产生的水分 耗散。城市耗水量的大小对空气湿度影响较大。承 德市监测数据表明,过去50年的城市化过程中,市 区空气湿度明显增加 。蒸散发是典型的自然侧 耗水形式,城市区域地表蒸散发量通常基于能量平 衡方程,通过遥感反演土地利用进行计算 。城市 化过程对城市区域的蒸散发也存在影响,其中人为 热源释放对城市蒸散发影响较大 …。另一方面,城 市生活用水量的比例增大。2014年中国城市统计 年鉴数据表明,全国城市生活用水量占城市用水总 量的1/3以上。随着城镇化进程加快,生活用水量 比例增大,由此产生的耗水量也增大,水文效应持续 增强¨。J。有学者研究了居民生活用水效率¨ 、生 活用水指标¨ 等方面内容。除了居民生活用水,城 市建筑物内部用水也包括生产、室内种植等其他用 水,这些建筑物内部用水同样会产生水汽耗散,这部 分耗水也是城市耗水的组成部分。在城市蒸散发计 算方面,郭伟等¨ 以佳木斯为例,将城市下垫面划 分为水面、不透水面和透水面进行蒸发计算。 Ramamurthy等 研究城市不透水地面的贡献率。 在城市耗水方面,Qin等 采用用水定额、耗水系数 和水量平衡法计算城市耗水量,周晋军等 建立了 基于不同耗水特征的分布式城市耗水计算模型。由 于城市下垫面的高度异质性和人类活动的干扰,城 市区域的耗水过程呈现多样性,耗水机理较为复杂。 城市耗水作为城市水文循环的重要过程,耗水机理 解析和耗水量计算,对城市水循环机理和水循环通 量研究具有重要意义,因此,解析城市耗水机理,建 立具有物理机制的城市耗水计算模型,既是城市水 文研究的难点,也是的热点。 1城市高耗水现象 为描述城市高耗水现象,选取典型工厂、建筑物 和小区3种不同尺度的城市典型下垫面开展用耗水 及水循环研究,采用水平衡分析、实验监测、水量平 衡等方法解析典型城市耗水单元的耗水类型,为探 究城市耗水机理做基础。 1.1 典型工厂的水平衡测试数据分析 选取蓝星石化有限公司天津石油化工厂作为水 平衡分析对象,通过解析其“供一用一耗一排一循环再 生回用”过程,对其各个生产环节的耗水量进行分 析计算,从物理、化学机制上分析其水分的运移转化 规律,查清高耗水的原因和水分的去向。重点分析 .1 8. 其产品耗水、厂区办公/生活耗水、厂区绿化耗水等, 计算工厂耗水总量。对产品携带走的“自由态”水、 “结晶态”水和“化合态”水进行甄别计算,揭示工厂 区超高强度耗水的内在成因。分析结果显示:蓝星 石化的新水取用量是3 843.55 m /d,耗水量是 2242.84 m /d,排水量1 600.77 1TI /d。折合成年新 水取用量为140.3万ITI /a,耗水量81.9万m /a,排水 量58.4万11q /a。按照工厂占地面积78.33万In 计算,蓝星石化的人_T取用水耗水强度为1 046 mm, 叠加上降水造成的蒸发耗水量,蓝星石化的单位面 积的耗水量要远大于当地的降水量,是水资源的净 消耗区 。 1.2典型城市建筑物耗水监测研究 选取办公楼和住宅公寓作为典型城市建筑物进 行耗水监测研究,表1给出了典型建筑物基本信息。 通过用水量、排水量的监测,结合各用水活动水量耗 散的实验监测,解析典型住宅楼和办公楼的耗水过 程,计算耗水量。建筑物用水量通过安装在自来水 供水管的水表计量,排水量通过中国水利水电科学 研究院自主研发的间歇量水设备(专利号码: CN104614030A)进行监测。需要说明的是,所选两 个建筑物的供水水源均为自来水。建筑物排水监测 设备安装在建筑物内部排水管末端,忽略建筑物内 部供水量检测与排水监测中的管道渗漏损失,认为 用水量减去排水量等于建筑物内部耗水量。 表1典型城市建筑物基本信息 图1为典型办公楼用水一排水过程曲线。从图 1可以看出,在单位小时时间尺度上,用水量在 0.05~0.94 in 之问波动,但是排水量始终低于用水 量,并且排水系数(排水量与用水量之比)在0.76~ 0.95间波动。根据前面的实验条件,可以得出建筑物 -一平均每小时用水节 一平均每小时排水节 垛 * 1 3 5 7 9 11 13 1 517 l92l 232527293133 3537 实验组 图1办公楼排水系数测定 对应的耗水系数变化区间为0.05~0.24,说明建筑物 内部耗水现象存在,并且具有相对稳定的变化特征。 分别对典型建筑物进行2个月的供水和排水监 测,计算得出办公建筑物的平均排水系数为0.89, 住宅楼的平均排水系数为0.83。测量得到实验期 内典型办公楼和住宅楼的日平均用水量分别是 5.5m 和10.6 nl 。结合表1信息,知实验建筑物 单位建筑面积年耗水强度为办公楼37 mm,住宅楼 183 mm,由于典型建筑物楼层均为3层,因此对应的 单位地面面积的耗水强度分别是111 mm和 549 mm。由此说明城市办公楼和住宅楼属于高耗 水下垫面,建筑物耗水量与建筑物楼层成正比。 1.3典型小区水循环观测试验 选取典型小区作为区域典型代表,以2014年数 据为例进行区域耗水现象分析。耗水计算方法选用 水量平衡方程进行: ,n=g/s+P—D— ,suR一△ (1) 式中: 。为区域年耗水总量,nl ;g/s为年供水总 量,m ;P为年降雨总量,m ;D为区域年排水总 量,m ;Ws¨R是地表径流总量,m ;AW。是地下水变 化量,m 。 所选区域面积是3.5 km ,居民60000人,区域 内绿化率55%,气象站区域内测得2014年降水量 为442 mm。区域具有相对独立的供排水系统,由于 地势较高,周边地区的降雨径流不会流入该小区,因 此地表径流量数据与区域面积相对应。监测数据显 示该区域2014年总供水量是432万m ,总降雨量 是155万1TI ,区域的污水排放量是254万m ,地表 径流总量是55万m ,地下水变化量近似认为是0, 由此计算得出区域2014年单位面积耗水量是 794 mm,高于遥感反演得到的蒸散发520 mm,说明 区域耗水强度远高于传统蒸散发计算结果。 周琳¨副以北京市为例,将北京市划分为山区和 平原,其中平原又分为城区和郊区,利用水量平衡原 理研究北京市城市蒸散发,结果表明,城市不同分区 的同期蒸散发量差异很大,2002--2013年计算结果 显示城区平均蒸散发量最大,599 mm,山区最小, 479mm。城区蒸发量大的主要原因是区域内高密 度的建筑和人类活动。 2城市高耗水机理分析 典型城市单元耗水现象研究表明,城市的耗水 发生在城市的各个用水部位,除了城市绿地、水面等 自然侧蒸散发,还包括人类用水所产生的社会侧蒸 散发,特别是建筑体内部人类活动产生的水量耗散, 而这部分耗水量在以往城市蒸散发研究中是被忽略 的,因此将城市的耗水划分为建筑体内部耗水和建 筑体外部耗水(即露天耗水,包括硬化地面的耗水 和绿地、水面等自然侧的下垫面蒸散发)。 2.1建筑物内部耗水 建筑物内部的耗水主要是水由液态转化为气态 形式,然后随着空气流通,经由建筑体的窗户、门等 部位(类似于植被叶片的气孔)进入室外的空气中, 参与水循环过程。根据建筑物分类标准,可以将建 筑物分为生产性建筑物和非生产性建筑物。生产性 建筑物包括工业建筑物和农业建筑物。这些建筑物 在城市建成区内分布较少,大多分布在城郊,因此在 本研究中不考虑生产性建筑物。非生产性建筑物也 称为民用建筑,相比生产性建筑物,民用建筑广泛分 布在城市建成区域内,其耗水是有限的。不同功能 的建筑物包含的耗水项不同,耗水特征也不同。相 同功能的建筑物耗水量与人数、建筑面积相关。本 文将城市民用建筑划分为2级7种建筑大类,并与 耗水类型建立关联关系,构建建筑物内部耗水模型 框架(图2)。 建筑物分类 一雁 公共服务建筑 教育科研建筑 图2建筑物内部耗水结构 基于仿生学原理,建筑物可以类比为城市的 “建筑树”组成的“混凝土森林”_2 J,每一个建筑物相 当于“森林”中的一棵“树”,通过类似于树木的叶片 圆圆圆圆圆亘 气孔的门、窗、通风口等部位将建筑物的水汽释放到 空气中,参与城市区域的大气水循环。由于城市建 筑物多数为多层建筑,建筑物的耗水在垂直空间上 也呈均匀分层特征,对于上下均匀的多层建筑物,可 以认为不同楼层的耗水特征相同,建筑物投影面积 的耗水强度与楼层数成正比。 2.2城市露天耗水 城市露天耗水可以根据二元水循环原理划分为 自然侧耗水和社会侧耗水。自然侧耗水主要指绿 地、土壤、植被、水面等自然形式的下垫面的蒸腾蒸 发量以及入渗补给;社会侧耗水主要指人工浇灌植 被、绿地的耗水,市政道路洒水,硬化地面截留雨水 蒸发的耗水等。基于耗水特征可以将城市下垫面划 分为建筑物屋顶、不透水硬化地面、透水硬化地面、 .19· 绿地、水面、裸土5类。 建筑物屋顶、不透水硬化地面的耗水形式主要 是截留雨水蒸发,其中部分城市道路的耗水来源还 有市政洒水,这部分水量也全部蒸发到空气中。由 于建筑屋顶和不透水硬化地面的止水能力有限,同 时与下层结构水分隔绝,因此蒸发呈现间歇性,在有 降雨或者洒水发生时表面截留水量会有蒸发现象发 生¨ 。对于城市道路,汽车车轮“雾化效应”增强了 蒸发的动力项,提高了蒸发效率。 透水硬化地面主要包括部分铺砖人行道和海绵 城市建设中推行的透水铺装(透水砖、透水混凝 土)I19]。与不透水地面相比,透水铺装增加了渗透 的耗水方式,耗水量由蒸发和下渗共同组成。对于 一场降雨,降雨量减去产流量即为耗水量。对于一 次降雨,忽略期间的蒸发量。在月尺度、年尺度或者 更长时间序列中,耗水量由蒸发量和深层渗漏水量 组成。 绿地、水面和裸土的蒸散发过程,认为与自然状 态的过程基本一致,也称之为城市自然侧耗水。不 同的是,城市区域的绿地耗水在水源上增加了人工 灌溉的水量来源,在一定程度降低了水量限制。同 时由于城市人为热源的释放以及城市热岛效应的影 响¨ ,城市自然侧的蒸散发的能量约束力减弱,一 定程度上了增加了蒸散发的动力项。 3城市耗水计算模型 基于城市水循环的“供水一用水一耗水一排水一循 环再生~回用”过程,耗水量及耗水机理是较为核心 的内容。笔者以耗水量的计算作为切人点,建立不 同类型城市斑块耗水计算的理论范式,采用“自上 而下”和“自下而上”两种思路进行耗水量计算(图 3),并在过程中搜集、计算其他水循环过程数据,系 统解析了典型城市单元水循环的结构和路径,最终 完成了城市耗水计算理论框架的构建。“自上而 下”,即将耗水量作为输出水量的未知项,再分别计 算区域水量的总输入和输出,通过水量平衡关系计 算耗水量;“自下而上”,即将耗水量按下垫面类型 亡===========:圭 苎=!三竺 > 自下而上f数学模型) . 图3城市建成区耗水计算方法 ·20· 进行分类计算,如计算水面蒸发、绿地蒸散发、硬化 地面蒸发、建筑耗水等,最后通过不同面积上的耗水 积分得到总的耗水量。 该耗水计算方法是适用于城市不同类型斑块上 的“双源”(天然降水和人工供水)耗水定量计算模 型。模型以模拟城市耗水过程为基础,进行城市 耗水单元的划分,模型突出耗水发生的界面和产 生的物理机制,主要包括硬化地面及建筑物截留 蒸发模块、马路洒水蒸发模块、各建筑体(住宅、办 公、商场、工厂等)内用水的蒸发耗散计算模块、城 市绿地蒸发/蒸腾计算模块、城市水面蒸发计算模 块等。 基于上述城市耗水机理和耗水计算方法,对模 型进行概化,基于“自下而上”思路,建立城市区域 耗水计算模型: WD =0.365PNPDI +(AHEH +AG G +/4wEw + sEs)/1 000 (2) 式中I P 为区域内常住人口量,人;P。 为人均13耗 水量,L/d;A 为区域硬化地面面积,m ;E 为硬化地 面年蒸散发强度,mm;4 为区域绿地面积,in ;E。为 绿地年蒸散发强度,mm;Aw为区域水面面积,m ;Ew 为水面年蒸散发强度,mm;4 为区域裸土地面面积, m ; 为裸土地面年蒸散发强度,mm。 同样地,基于北京市的土地利用类型建立覆盖 北京市城区和郊区的耗水计算模型,根据2014年 TM影像,30 m分辨率(云覆盖较多的用2013年补 充,其余选择5_9月份遥感影像)解译制作,主要 土地利用类型包括耕地、林地、草地、水域、城乡和工 矿建设用地,以及未利用土地6种类型。其中城乡 和工矿建设用地耗水量通过式(2)计算得到,其他 土地利用类型的蒸散发通过彭曼公式计算,2014年 耗水计算结果见图4中。需要说明的是,本研究没 有计算北京市工业的耗水量,在城乡和工矿用地中 没有考虑人工洒水产生的蒸散发。耗水空间分布格 局表明人类活动和用水量集中的城市区域耗水量高 于郊区。图4中红色区域为北京市建成区主要区 域,说明城市区域人类用水产生的耗水量不容忽视, 也证实了城市是高耗水区域的判断。 算方法,得出了以下主要结 论:①城市高耗水现象确实存在,其主要原因是受人 类用水活动的影响,建筑物内部耗水是其高耗水的 主要增加项;②城市耗水是二元水循环的重要环节, 图4北京市2014年耗水空I司格局 耗水量的大小不仪影响城市供排水管网规划设计, 同时影响城市 域的水热平衡关系;③城市的耗水 可以分为建筑物内部耗水和露天耗水,基于耗水特 征差异,露天耗水可以划分为建筑屋顶与不透水硬 化地面、透水硬化地面、绿地、水面和裸土耗水;④考 虑人类用水过程中产生的耗水,北京市城 的耗水 量高于郊f>(,同时高于林地、草地、耕地以及未利厢 土地。 本研究基于水平衡数据分析,以及典型小【又、典 型耗水过程的观测实验,初步阐释_r城市耗水的机 理,建立了相关的计算模型。但研究成果还是初步 的,需要 未来的研究中进一步深化,同时城市耗水 强度与城市局部的水热平衡关系密切,与城市热岛 效应等的内在联系和相互作用机理也有待进一步研 究揭示、 参考文献 MCDONAI D R I,I)OUGLAS I,REVENGA C,et a1. 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