（市政工程专业论文）城市景观生态环境需水规划研究.pdf

摘要 随着我国城市建设水平的逐步提高，以及近年来人们对城市环境、城市景观 建设的日益重视，城市河湖系统和城市绿地系统越来越受到关注，成为城市景观 环境建设的重点部分。城市的河湖景观和绿地景观不仅给城市带来空气新鲜和湿 润的环境，起到了涵养水分、改善气候、净化水质、输送新鲜空气、平衡生态、 美化环境等多方面的作用，而且可以带来良好的社会、环境、经济效益。而水作 为生命存活的最基本需要，也是城市河湖系统和绿地系统健康存在的必要保证。 因此，对城市景观生态环境需水问题进行研究也变得尤为重要。 首先，根据研究地区特点，将城市景观生态环境分为城市河湖系统和城市绿 地系统两部分，按照规划的总体目标，确立将城市景观生态环境需水及其补水和 城市河湖水质生态修复与保持作为主要规划内容。其次，提出了城市景观生态环 境需水的概念，确立了本研究区的景观生态环境需水的组成部分，即城市河湖基 本生态、水面蒸发、河湖渗透、城市绿地蒸散、绿地生长等方面需水，并从水的 量质的角度提出了城市景观生态环境需水的研究方法。再次，对城市生态环境的 现状从理论上进行了分析，包括对气象气候、水文循环、河湖水质、绿地植被等 方面的分析。从水量平衡的角度分析了城市河湖系统和城市绿地系统的需水和补 水问题，并提出了城市河湖系统补水指标与绿地浇洒水量指标的计算方法，针对 天津市滨海新区某些局部地区河湖和绿地逐月的需水和补水指标进行分析计算， 其中采用时间序列三角函数的方法对月降雨量进行模拟计算，采用多元回归的方 法建立了绿地人工浇洒水量的月预测模型。最后，对城市河湖系统水质污染问题 进行了研究，比较了城市生态修复和保持的技术方法，并重点对城市河湖水质保 持湿地生态处理系统进行了规划设计及水质校核。 关键词：城市景观生态需水规划河湖需水绿地需水降雨量模拟绿地需水 量模型人工湿地 a b s t r a c t f o l l o w i n gt h ee n h a n c e m e n to fc i t i e s c o n s t r u c t i o ni nc h i n aa n da t t a c h i n g i m p o r t a n tt ot h ee n v i r o n m e n ta n dl a n d s c a p eo fc i t i e sc o n s t r u c t i o n ，u r b a nl a k e - f i v e r s y s t e ma n dg r e e n b e l ta r r e s t e dm o r ea n dm o r ep e o p l e sa t t e n t i o n ，a n db e c a m ea n i m p o r t a n tp a r t o fu r b a nl a n d s c a p ee n v i r o n n m e n tc o n s t r u c t i o n n o to n l yc i t y s l a k e f i v e rs y s t e ma n dg r e e n b l e t ss y s t e mb r i n gf l e s ha i ra n dw e te n v i r o n m e n t ，b u ta l s o o p e r a t e o ns e l f - r e s t r a i n t w a t e r , a m e l i o r a t i n gc l i m a t e ，p u r i f y i n g w a t e rq u a l i t y , t r a n s p o r t i n gf r e s ha i r , b l a n c i n ge c o l o g y , b e a u t i f y i n ge n v i r o n m e n t ，a n db r i n gf a v o r a b l e s o c i e t y , e n v i r o n m e n t , e c o n o m yb e n e f i t s t h u sw a t e ri st h em o s tb a s i cc o n d i t i o no f l i v e s ，a n di n d i s p e n d e n tg u a r a n t e eo fc i t y sl a k e f i v e rs y s t e ma n dg r e e n b e l ts y s t e m e x i s t e n c e t h e r e f o r e ，r e s e a r c ho nu r b a nl a n d s c a p ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n tw a t e r r e q u i r e m e n tp l a n n i n gi sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t p l a n n i n ga n d r e s e a r c ho nu r b a nl a n d s c a p ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n tw a t e r r e q u i r e m e n ta r ed i s c u s s e di nt h i st h e s i s f f i s t l y , a c c o r d i n gt ot h ep r i m a r ya i mo fu r b a n l a n d s c a p ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n tw a t e rr e q u i r e m e n tp l a n n i n g ，i nw h i c ht h er e s e a r c h o nu r b a nl a k e - r i v e rs y s t e ma n dg r e e n b e l ts y s t e mi si n c l u d e d ，m a i nc o n t e n to ft h e t h e s i si su r b a nl a n d s c a p ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n tw a t e rr e q u i r e m e n ta n dr e i n f o r c ea n d e c o l o g i c a lr e h a b i l i t a t i o na n dp r e s e r v a t i o no fw a t e rq u a l i t yo fc i t y sl a k e - r i v e rs y s t e m ； s e c o n d l y , c o n c e p to fu r b a nl a n d s c a p ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n tw a t e rr e q u i r e m e n ti s b r o u g h tf o r w a r d ，w h i c hi sa v a i l a b l ef o rt h et h e s i s ，a n dt h ep a r t so ft h ec i t y sl a n d s c a p e e c o l o g i c a le n v i r o n m e n tw a t e rr e q u i r e m e n ta r ef l x e di nt h et h e s i s ，n a m e l yc i t y s l a k e - f i v e rb a s i c a le c o l o g i c a lw a t e r ，w a t e rs u r f a c ee v a p o r a t i o n ，l a k e - r i v e ri n f i l t r a t i n g w a t e r , g r e e n b e l tw a t e re v a p o r a t i o n ，g r e e n b e l tv e g e t a t i o ng r o w t hw a t e ra n de t c a n d m e t h o d so fr e s e a r c ho nc i t y sl a n d s c a p ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n tw a t e rr e q u i r e m e n ta r e b r o u g h tf o r w a r dw i t hu n i f i c a t i o nb e t w e e nq u a l i t ya n dq u a n t i t y ；t h i r d l y , t h ea c t u a l i t y o fc i t y se c o l o g i c a le n v i r o n m e n ti sa c a d e m i c l ya n a l y z e d , i n c l u d i n gw e a t h e ra n d c l i m a t e ，w a t e rh y d r o l o g ya n dc i r c u l a t i o n ，l a k e - r i v e rw a t e rq u a l i t y , g r e e n b e l t v e g e t a t i o na n de t c ；a sf o l l o w i n g ，t h et h e s i sa n a l y z e dt h el a k e f i v e ra n dg r e e n b e l t w a t e rr e q u i r e m e n ta n ds u p p l e m e n tf r o mt h eb a l a n c eo fw a t e rq u a n t i t y , p r o p o s e dt h e c a l c u l a t i o nm e t h o do fu r b a nl a k e - f i v e rs y s t e m sw a t e rs u p p l yi n d e xa n dg r e e n b e l t s y s t e m si r r i g a t i n g w a t e ri n d e x ，a n dc a l c u l a t e dt h em o n t h l yu n i t e c o l o g i c a l e n v i r o n m e n tw a t e rr e q u i r e m e n to fai n d u s t r i a lp a r ki nt i a n j i nb i n h a in e wa r e a a n d t h et i m el i s tt r i g o n o m e t r i cf u n c t i o nm e t h o di sa d o p t e dt os i m u l a t ea n dc a l c u l a t et h e r a i n f a l l ，a n dr e g r e s s i o na n a l y s i so fg r e e n b e l ti r r i g a t i n gw a t e rq u a n t i t y ；f i n a l l y , d i d s o m er e s e a r c ho nt h ec o n t a m i n a t e dl a k e f i v e rw a t e rq u a l i t yo fc i t i e s ，a n db r o u g h t f o r w a r dt h em e t h o do fe c o l o g i c a lr e h a b i l i t a t i n ga n dp r e s e r v i n g ，a n dd e s i g n e dt h e w e t l a n d se c o l o g i c a lt r e a t m e n ts y s t e mo fc i t y sl a k e - r i v e rw a t e rq u a l i t yr e h a b i l i t a t i n g a n d p r e s e r v i n g k e yw o r d ：u r b a nl a n d s c a p ee c o l o g i c a lw a t e rr e q u i r e m e n tp l a n n i n g ；l a k e r i v e r e c o l o g i c a lw a t e rr e q u i r e m e n t ；g r e e n b e l tw a t e rr e q u i r e m e n t ；r a i n f a l ls i m u l a t i o n ； m o d e lo fg r e e n b e l tw a t e rr e q u i r e m e n t ；c o n s t r u c t e dw e t l a n d 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位做作者虢泰蜀签- y - rg q ：卅年朋弓 只 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。特 授权叁盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字同期：丑刃年 聊躲曰一如 稗胁7 年厂月亏日 r 亏引 泰月 第一章绪论 1 1 课题的提出及研究意义 第一章绪论 随着我国城市建设水平的逐步提高，以及近年来人们对城市环境、城市景观 建设的日益重视，城市河湖系统和城市绿地系统越来越普遍地受到关注，成为城 市景观环境建设的重点部分。以“绿和“水 作为空间基质来营造城市景观生 态环境的观念随着对生态型城市环境建设的日益重视而不断升温【1 】【2 1 。城市的河 湖景观和绿地景观，不仅给城市带来新鲜的空气和湿润的环境，起到了涵养水分、 改善气候、净化水质、输送新鲜空气、平衡生态、美化环境等多方面的作用，而 且可以带来良好的社会、环境、经济效益。 1 1 1 城市生态环境问题 当今，城市是经济上的明星，生态上的黑洞。由于城市建设和城市规模的不 断扩大，导致人口密度增加、土地利用性质改变、建筑物增加、下垫面不透水面 积增大，直接改变了当地的生态系统结构，导致城市的资源短缺和环境污染，直 接影响了城市生态环境保护和生态景观建设。 ( 1 ) 环境污染问题 随着城市化进程的加快，城市生活污水和工业废水排放量迅速增加，导致城 市水环境受到污染。另外，工业废气向大气排放，其中所含的硫、氮、二氧化碳 等气体可形成酸雨降落在地表水体，造成水体污染、水质恶化。据估算，目前我 国9 0 以上的城市水体水质劣于类，5 0 的城市供水水源地达不到饮用水标 准，南方城市水质性缺水超过6 0 【3 】。 ( 2 ) 资源短缺问题 水资源是一种不可替代的重要自然资源，环境组成的基本要素。而如今水资 源紧缺却成为城市发展面临的一个十分突出问题，已经给人民生活、生产带来了 严重影响，而且随着城市化的发展这种影响将更加严重【4 1 。 1 1 2 城市景观生态环境需水规划的意义 水作为生命存活的基本要素，是环境改善和社会发展不可替代的自然资源， 是维系城市生态系统健康、自然景观和谐与可持续发展的重要资源，也是城市河 第一章绪论 湖系统和绿地系统健康存在的必要保证。 时至今日，一方面，城市化、工业化进程的日新月异、城市人口的惊人增长、 污染的日益加重，引起了生态退化、河湖萎缩、水体污染、地下水位下降等一系 列严重的城市生态环境问题，这些问题己成为城市可持续发展的瓶颈；另一方面， 随着国民经济的高速增长，人们生活水平的不断提高，人们对环境景观要求的日 益提高，及社会对景观建设的日益重视，城市景观生态环境的需水问题也受到重 视和得以研究。 以往，国民经济高速增长对水资源的需求，以挤占生态环境用水为代价，从 而出现河湖萎缩、植被退化、地下水漏斗扩大及水源污染加重等严重城市生态环 境问题。“忽视水资源与生态环境系统之间的关系1 5 】 是2 0 世纪水资源管理的失 误。面临困境，人类必须改变以往水资源管理策略，强调水资源、生态系统和人 类社会的相互协调、重视生态环境和水资源的内在关系，并将此作为水资源管理 的基础。生态环境需水理论是在水资源新思维模式指导下产生的，应强调以合理 保护自然环境为前提进行水资源的合理开发，充分考虑生态环境用水和水资源的 永续利用，保护水资源和水环境、遏制生态环境的进一步恶化，实现水资源的可 持续利用。而城市景观生态环境需水作为城市生态环境需水的主要部分，不仅能 够指导水资源的规划及管理，而且能够为城市生态规划和景观建设提供重要科学 依据。 1 2 国内外研究现状 城市景观生态环境需水规划主要包括城市景观生态环境需水量计算及平衡 和城市河流及景观河道的生态环境修复与保持技术规划两部分。首先，城市景观 生态环境需水量计算为水生态规划、景观生态环境建设提供依据，是城市景观生 态环境需水规划的主要组成部分。其次，城市河湖及景观河道的生态环境修复和 保持技术规划是保护城市水体水质的关键，为城市景观生态环境需水规划的必要 组成部分。 1 2 1 国内外生态需水研究现状及发展 1 2 1 1 国内外生态需水研究现状及发展 国外，生态环境需水研究是从2 0 世纪7 0 年代开始的，代表性的研究成果是 美国m o n t a n a 提出的m o n t a n a 生态需水计算方法7 1 。早期的生态环境需水研究 仅限于枯水流量( 1 0 w f l o w ) 如何满足航运功能；随后，由于河流污染日趋严重， 第一章绪论 便开始研究河流最小可接受流量( m i n i m u ma c c e p t a b l ef l o w sm a f s ) ；随着河流 受人为因素控制的加强，开始对生态可接受流量范围( e c o l o g ya c c e p t a b l ef l o w r e g i m e ) 进行研究。现如今有关生态环境需水研究发展迅速，澳大利亚把“低地 河流系统环境需水量”作为1 9 9 6 1 9 9 7 年研究与发展计划项目；英国环境部2 0 0 1 年面向未来的水资源报告中，对未来2 5 年英国的环境用水和社会用水需要 进行了分析，提出了3 0 个行动方案措施【引。 表l 一1 国外生态环境需水研究发展【1 0 】 国内早在2 0 世纪7 0 年代末就有人提出了环境用水的概念，第一次全国水资 源评价工作中也提到了这个概念，但只是提出“河道内其他用水”，包括稀释污 水、生态环境、水上旅游等。2 0 世纪8 0 年代针对水污染日益严重问题，提出要 保证改善水质所需的环境用水，并在宏观战略方面进行研究；2 0 世纪9 0 年代以 来，针对黄河断流、水污染严重等问题，提出水资源配置中应考虑生态环境用水， 其中建设“生态水利”是这一阶段的典型代表【9 1 。2 l 世纪随着人们对生态环境建 设保护及水资源开发利用的重视，国内对生态环境需水也展开了更为深入的研 究，主要研究方向及研究成果见表1 2 。 第一章绪论 1 2 1 2 国内外城市生态环境需水研究 在我国，主要针对城市单一生态系统类型进行生态环境需水的探讨，还处于 初步研究阶段。吕明强和都金康( 1 9 9 3 ) 认为，城市环境用水以改善城市环境为 目的，主要包括公园湖泊用水、风景观赏河道用水、绿化园林建设用水和环境保 护中污染稀释用水；黄河水利委员会( 1 9 9 3 ) 依据环境水力学有关水质污染稀释 自净需水量的基本思路，研究了以水环境质量目标为约束的城市河段晟小流量测 第一章绪论 算方法；瞿伦强( 1 9 9 7 ) 认为，城市环境用水是指城市水生生态环境良性循环的 用水，理想的城市水生生态环境应具有良好的水质、足够的水量和宽阔的水面； 贾宝全( 2 0 0 0 ) 指出城市生态用水是为了改善城市环境而人为补充的水量，并对 城市绿化与园林建设用水进行了简单估算；崔树彬( 2 0 0 1 ) 认为，保持城市景观 河流流量和水上娱乐功能的需水量一般应在河流生物学需水量的基础上兼顾u o l 。 1 2 2 城市河湖系统生态修复研究 1 2 2 1 国外城市河湖的生态修复与保持技术的发展 在欧洲，1 9 3 8 年s e i f e r t 首先提出近自然河溪治理的概念，2 0 世纪5 0 年代 在德国正式创立了近自然河道治理工程，提出河道整治要植物化和生命化，从而 使植物首先作为一种工程材料被应用到工程生物治理之中i l 。s c h l u e t e r 认为，近 自然治理的目标是，首先要满足人类对河溪利用的要求，同时要维护或创造河溪 的生态多样性。b i n d e r 认为：近自然治理的实质是人为活动对自然景观或其一部 分的干预，而河道整治首先要考虑河道的水力学特性和地貌学特点。h o h m a n n 对近自然治理提出了一个相对准确的目标，即通过生态治理应该创造出一个具有 各种各样水流断面、不同水深及不同流速的河溪，河岸植被应该是具有多种小生 境的多级结构。在这一思想中，注重工程治理与自然景观的和谐性【1 2 】 1 3 1 - 【1 4 】。 美国在2 0 世纪7 0 年代以后经历了河流水资源管理模式的转换，与自然相协 调的可持续河流管理理念得以确立，e g e r a l d 和m g a l l o w a y 于1 9 9 3 年提出了 与经济、生态、文化可持续性相融合的河流管理新模式【1 5 】【16 】【1 7 1 。在实践方面， 美国各州在大力推行综合性的流域保护方法( w a t e r s h e dp r o t e c t i o na p p r o a c h ， w 队) ，并建立和保护了大量的湿地。据调查美国的湿地生态系统中有超过8 0 0 种的大型植物，6 9 3 种挺水草本植物，3 6 种水生漂浮植物，1 2 种潜水植物，5 5 种乔木和1 8 种攀缘植物；并在人工湿地生态系统中发现有8 2 4 中无脊椎动物， 7 8 种鱼类，2 1 种两栖动物，3 1 种爬行动物，4 1 2 种鸟类和4 0 种哺乳动物【l 引。 d t m b a b i n 等测试研究表明有植物系统对废水中的总氮、b o d 、s s 、氨氮和重金 属等的去除能力明显高于无植物系统。 日本政府于1 9 9 7 年对旧河川法进行了大幅度的修改，在原来河川管理 两大目标“治水“利水”的基础上增加了新的管理目标“环境。日本河流 研究者认为河流管理对象应该包括河流水量、水质、河流生态系统、河流水循环、 河流水滨空间、河流与河畔居民社区的关系。在河道工程方面，对“多自然型河 流治理法”进行了大量的研究，强调用生态工程方法治理河流环境、恢复水质、 维护景观多样性和生物多样性【1 9 】。2 0 世纪9 0 年代初日本实施了创造多自然型 第一章绪论 河川计划( p r o j e c tf o rc r e a t i o no f r i c hi nn a t u r e ) ，仅在1 9 9 1 年全国就有6 0 0 多 处试验工程兴建【2 们。 1 2 2 2 国内城市河湖的生态修复与保持技术的发展 我国的近自然治理研究可以追溯到几千年前，古老的风水理论就反映了亲近 自然的思想，风水理论在我国园林的发展过程中充分体现了“人与自然和谐发展 的思想，追求人与自然的和谐与统一，以大自然为审美和审美表达的对象。尽管 “人与自然和谐发展的思想在我国产生已有数千年的历史，然而近自然治理概 念的提出及应用却发生在2 0 世纪4 0 年代的欧洲及北美，在我国的应用是随着生 态学与工程设计的结合而逐渐被国内的学者所重视，许多学者分别从滨水景观设 计和沿河土地利用等角度探讨了城市河流近自然治理的思想【2 1 1 。 ( 1 ) 姜中光提出要把对河道由过去排污水、倒垃圾的城市“后院 的观念 改变为供市民公众休息、旅游、观光的城市“前院 。丁鹤提出要对城市河道进 行可持续开发利用，并从生态、经济、社会三个方面同步、协调、持续发展的角 度来论述。阎水玉等人指出城市河流在城市生态建设中的水源地、减弱城市热岛 效应和洪涝灾害、绿地建设基地、景观多样性组成、物种多样性保护、组成畅捷 交通、亲近自然场所、自然教育标本等方面具有多种意义。董哲仁提出在设计方 法上城市河流的水工设计应吸收、融合生态学的理论，建立和发展生态水工学， 7 在满足人们对水的各种不同需求的同时，还应满足水域生态系统完整性、依存性 的要求，恢复与建设洁净的水环境，实现人与自然的和谐共处【z 2 】。 ( 2 ) 近年来城市立体绿化的设计理念正逐步应用于城市河湖岸边绿化设计 中。立体绿化，是相对平面绿化而提出的，平面绿化( 以草坪为主的单层或双层 地面绿化) 占有的绿化面积大，但并没有实现有限绿地生态效益的最大化，其所 形成的绿量也远远不能满足改善城市生态环境的需要【2 3 1 。因此，立体绿化就是运 用现代建筑和园林中的各种手段，对绿地的上部空间，一切建筑物和构筑物所形 成的再生空间进行多层次、多形式的绿化和美化，追求绿地最大生态效益，拓展 城市绿化空间，尽可能的提高城市绿化覆盖率，以达到改善城市生态环境和美化 城市环境的目的。 1 3 本课题主要研究内容 ( 1 ) 首先确立本文对城市景观生态环境需水规划的主要内容，根据对城市 的生态规划目标及国内外研究现状，确定以城市景观生态环境需水水量分析研究 和城市河湖系统生态保持和修复技术研究作为本文的主要研究对象。 第一章绪论 ( 2 ) 对城市景观生态环境需水进行规划研究，确定规划的目标、原则、研 究方法等。 ( 3 ) 对影响其需水的城市景观生态环境问题从不同的学科角度进行分析。 ( 4 ) 对城市河湖系统和绿地系统生态环境需水及补水指标进行计算，从而 能为城市景观生态环境需水规划及水资源配置提供基础数据。 ( 5 ) 对城市河湖水体生态环境的恶化，提出生态治理和修复的方法及初步 的设计思路。 第二章城市景观生态环境需水规划方法研究 第二章城市景观生态环境需水规划方法研究 2 1 城市景观生态环境需水规划的目标及原则 2 1 1 规划目标 城市景观生态环境需水规划作为城市生态规划的一部分，其目标是依据先进 的环境规划、建设理念，同时结合城市的区域特征、生态结构、资源利用、经济 发展的特点，对城市景观生态环境从需水需求和环境水体修复保持两个方面进行 研究，努力营造一个人与自然和谐的环境，从而满足城市生态规划的要求【2 4 】【2 5 1 。 ( 1 ) 满足城市景观生态环境需水需求 通过城市景观生态环境需水分析，满足其要求，并将其作为水资源合理配置 的一部分，为水资源合理配置和管理提供依据。 ( 2 )保障城市河湖水体的生态环境 以城市河湖水体环境保护和利用为核心，利用生态系统原理，分析城市河湖 水体内部因素的各种联系，通过各种赋予自然的生态工程措施，恢复自然丰富的 城市水面，营造富有情趣的水边空间，构建空间结构和谐、稳定的城市环境水体。 2 1 2 规划原则 ( 1 ) 社会、经济与生态环境效益并重的原则 人们对环境、景观的需求是建立在一定的物质基础之上的，因此，城市经济、 社会的发展应与自然生态系统相结合，保持尽可能多的生态功能、自然景观，但 同时不能忽略经济、社会的发展。 ( 2 ) 遵循自然规律原则 对城市景观生态环境需水进行研究，必须遵循其城市生态环境系统的自然规 律，根据其自然的发展对其需水进行分析计算。 ( 3 ) 生态修复长期性原则 城市景观河湖水体的修复，应考虑其长期的可持续发展，保证其景观河湖水 体健康发展的长期性。 第二章城市景观生态环境需水规划方法研究 2 2 城市景观生态环境需水概念及特性研究 2 2 1 城市景观生态环境需水概念辨析 ( 1 ) 概念辨析 本文主要研究城市景观生态环境需水，但由于不同文献对于生态需水、生态 用水、生态耗水的定义各有不同，因此，首先要分清楚生态环境需水的概念及其 分类，如表2 1 。 表2 1 生态需水、生态用水、生态耗水的比较 城市景观生态环境需水是针对城市中的自然景观生态系统而言的，它不仅取 决于城市自然景观生态系统的结构状态与生态过程，还受到人控因素的影响。从 需水机理来看，城市景观生态环境需水是在社会经济系统调控下的城市自然景观 生态系统与城市水文水资源系统耦合的结果与体现，不同的生态系统类型正是通 过一定的生态过程和水文循环过程联系起来的。而且由于城市居民对自然景观有 更为强烈的需求，因此城市除考虑自然要素自身对水的需求外，还包括人对自然 要素景观要求，如人的亲水性和亲绿性，人主观意识对城市景观生态环境需水的 影响较大。 ( 2 ) 城市景观生态环境需水类型分类 城市需水类型因分类依据不同而不同，图2 1 为城市景观生态环境需水按不 同的分类依据进行的需水分类类型。城市中普遍存在的自然景观生态系统类型是 城市绿地、河流与湖泊，仅有少数的河湖岸滨发育的湿地，面积相对较少，且在 实际操作中难于区分，因此将这小部分的湿地归类于城市河湖系统，而重点对城 市绿地系统和城市河湖系统的生态环境需水进行研列2 6 1 。 因此，将城市景观生态系统类型划分为绿地和河湖两类。考虑到不同的需水 量类型之间，可能存在兼容性，如保证一定的河道基流量，同时可以部分或全部 的满足水体自净、调节气候、美化景观等的需水，应避免重复计算问题。然后根 据生态环境功能将绿地系统需水分为绿地植被蒸散需水，植物生长制造有机物需 水，以及支持植被生存的土壤含水需水；而河湖系统需水分为水面蒸发需水、渗 透需水、湖泊存在需水和河道基流需水。 第二章城市景观生态环境需水规划方法研究 图2 1 生态环境需水分类 2 2 2 城市景观生态环境需水的基本特性 2 2 。2 1 水量与水质的统一 通常所说的水量，总是相对于一定的水质标准而言的。对于城市绿地需水来 说，需要具有足够的水量和良好的水质：而对河湖系统则需要足够的水量、良好 的水质、宽阔的水面和一定的流速，这是城市生态环境需水量的量质保证【2 7 1 。 有“量”无“质 ，或有“质无“量”，都将不能满足城市的生态需求，制约 城市的可持续发展。 第二章城市景观生态环境需水规划方法研究 2 2 2 2 时间与空间的耦合 城市景观生态环境需水的时间性体现为两个方面，即城市发展的阶段性和城 市生态系统的季节性变化。城市发展的不同阶段，由于城市化水平的差异，对需 水主体和景观生态环境质量的要求有所不同。不同的水平年，城市生态系统表现 出不同的系统状态，并随着植物节律的变化而表现出季相上的差异，城市水文水 资源系统也表现出年际的和季节分配上的差异。城市生态规划的阶段性主要受人 控因素的影响，而时间性则主要体现为自然因素的差异。 城市景观生态环境的空间性主要表现为：城市绿地系统在水平空间上植被类 型的配置状况或水平格局、植被覆盖率、植被生长状况等的差异，在垂直空间上 表现为植物群落的层次结构；城市河湖系统则表现为不同湖泊、不同河段之间的 差异。 2 2 2 3 其他性质 针对高度人工化的城市复合生态系统，城市景观生态环境需水不但具有时空 性、水质和水量的统一性、还有其自身的一些特点，主要表现为人为性、阈值性。 ( 1 ) 人为性 城市是人类建设成果的反映，人为性使自然生态系统的规律难以直接应用于 城市景观生态环境的研究之中，以生态系统理论和可持续发展理论为指导，更多 地采用人与自然和谐发展的人控技术是现阶段较为理想的方法。 ( 2 ) 阈值性 自然生态系统都有自己本身一个调节能力，在这个能力范围内，生态环境可 以保持自身平衡、实现自我恢复，一旦破坏了它的生态平衡，就会造成生态结构 破坏、环境恶化。城市作为一个受人类影响最大，以人类为中心的一个自然 人工相结合的生态系统，本身也有一定的自身调节能力。 2 3 城市景观生态环境需水规划的研究方法 本文研究的城市景观生态环境需水规划，主要是以为生态环境建设、水资源 合理配置和管理提供科学依据为目的。因此，需从城市的景观生态环境特征出发， 即以量和质的统一为基本点。首先从空间和时间属性特征出发，对影响城市景观 生态环境需水的因素，包括季节变化、城市发展阶段、城市的地理气候和水文地 质特征、城市的植被配置、河湖分布等，以生态水文学、城市生态环境学、水文 水资源学、气象学与水文学等的基本理论为依据进行分析研究，确立城市绿地系 第二章城市景观生态环境需水规划方法研究 统和城市河湖系统的需水以及雨水补水量和再生水补水量指标；再从水质的角度 对环境水体生态修复与保持进行研究，实现人与城市、自然的和谐统一。研究方 法分析路线见图2 2 。 ( 城市景观生态环境分析) 绿地系统 河湖系统 l i 时间性 i i 空间性 城市季节的变化 城市发展阶段性 城市特点 城市内生态环境梯度 j l上l上j _ll ll上 植植 被 植 植被河 生物节 水文水 生态环 地 气 水 土类水 被 被群湖 律受季 资源系 需水主 境质量理候文壤型平 覆 生落分 节影响 统季节体的要 要求不位气地植配格长层靠 分配差求不同盖 的差异 同置象质被 置 局特次特 异率 状 征结征 况构 一 、 至羡丢 ；三三& o t_ !歹 、 、b t， 一 ( 水文水资源学) ( 城市生态环境学) ( 水文学与气象学) ( 生态水文学) ，。；蝠鬈，金_ ，、 城市植被蒸散城市植物生长土壤含水城市河湖蒸发 城市河湖渗漏 城市河湖换水 1 - - _ ，_ ，一 - 一i 一 - 、 l 一 ( 蜘- 充) ( 量质的保证) ( 再蝴- 充) 足够的水量良好的水质足够的水量良好的水质 l 宽阔的水面 一定的流速 li ll 绿地系统河湖系统 图2 2 城市景观生态环境需水规划研究方法 第三章城市生态环境分析及理论研究 第三章城市生态环境分析及理论研究 3 1 城市的水循环 水循环是指地球上各种形态的水在太阳辐射、地心引力等作用下通过蒸 发、水汽输送、凝结降水、下渗以及径流等环节，不断地发生相态转换和周而复 始运动的过程，见圈3 - 1 。 1 ( 圈3 - 1 水循环示意图 天然流域地表具有良好的透水性，雨水降落地面之后，一部分下渗到地下， 补给地下永，部分涵养在地下水位以上的土壤孔琼内，一部分填洼和蒸发，其 余部分产生地表径流。据北美洲安大略环境部资料，都市化前，天然流域的蒸发 量占降水量的4 0 ，地表径流占1 0 ，入渗地下水量占5 0 。而城市化后，由 于受到人类活动的影响天然流域被开发，植被受破坏，土地利用状况改变，自 然景观受到深刻的改造，不透水地面大量增加，使城市的水文循环状况发生了变 化，降水渗入地下的部分减少，填洼量减少，蒸发量也减少，产生地面径流的部 分增大。 3 1 1 水面蒸发 3 1 1 1 水面蒸发的物理机制 水面蒸发是在充分供水条件下的蒸发。从分子运动论的观点来看，水面蒸发 是发生在水体与大气之间界面上的分子交换现象。通常所指的蒸发量e ，即是从 蒸发面跃出的水量和返回蒸发面的水量之差值，称为有效蒸发量。从能态理论观 一一p 濂 一一m 二1 ) 斟 第三章城市生态环境分析及理论研究 点来看，温度愈高，自水面逸出的水分子愈多。单位质量的水，从液态变为气态 时所吸收的热量，称为蒸发潜热，以l 表示，其值与蒸发面温度t 有以下关系： l = 2 4 9 1 - 2 1 7 7 t ( j g ) ( 3 1 ) 蒸发面与大气之间的显热交换与内部的热交换都很小，可以忽略不计，因而 辐射平衡的净收入完全消耗于蒸发，则蒸发能力可按下式确定： e 。：r a t ( 3 2 ) l 式中，e p 为蒸发能力；r 为辐射平衡值；t 为时段长；l 为蒸发潜热。 但必须指出，实际情况下的蒸发可能等于蒸发能力，亦可能小于蒸发能力。， 3 1 1 2 水面蒸发的影响因素 图3 - 2 月蒸发变化量 我国城市的水面蒸发随时间的变化规律一般为冬季蒸发量最少，夏季蒸发量 大，在7 、8 月份达到最高。图3 2 为天津市滨海新区所研究地区的水面蒸发月 变化曲线，可看出蒸发量随季节变化明显。分析其影响蒸发的主要因素有以下几 方面： ( 1 ) 动力学因素 水汽分子的垂向扩散 通常，蒸发面上空的水汽分子，在垂向分布上极不均匀。愈近水面层，水汽 含量就愈大，因而存在着水汽含量垂向梯度和水汽压梯度。于是水汽分子有沿着 梯度方向运行扩散的趋势。垂向梯度愈显著，蒸发面上水汽的扩散作用亦愈强烈。 大气垂向对流运动 垂向对流是指由蒸发面和空中的温差所引起，运动的结果是把近蒸发面的水 汽不断地送入空中，使近蒸发面的水汽含量变小，饱和差扩大，从而加速了蒸发 面的蒸发。 第三章城市生态环境分析及理论研究 大气中的水平运动和湍流扩散。 在近地层中的气流，既有规则的水平运动，亦有不规则的湍流运动( 涡流) 。 运动的结果，不仅影响水汽的水平和垂向交换过程，影响蒸发面上的水汽分布， 而且也影响温度和饱和差，进而影响蒸发面的蒸发速度。 ( 2 ) 热力学因素 太阳辐射 太阳辐射是水面热量的主要来源。太阳辐射强烈，蒸发面的温度就升高，饱 和水汽压增大，饱和差也扩大，蒸发速度就大。反之，蒸发速度就降低。由于太 阳辐射随纬度而变，并有强烈的季节变化和昼夜变化，因而水面蒸发，亦呈现强 烈的时空变化特性。 蒸发体自身的特性 如水体的含盐度、浑浊度以及水深的不同，就会导致水体的比热、热容量的 差异，因而在同样的太阳辐射强度下，其热量变化和蒸发速度也不同。如矿化度 大于1 0g 几，透明度小于l m ，浓度为1 1 一1 1 2g m l 的污水，其蒸发量仅为淡 水蒸发量的7 5 。 ( 3 ) 城市环境因素的影响 城市地区建筑物林立，下垫面粗糙度显著增大，使城市市区平均风速较农村 地区减小2 0 一3 0 ，无风日增加5 - 2 0 ，这也影响了蒸发速度，使蒸发量 减小【2 8 】。 3 1 2 河湖渗透 3 1 2 1 渗透的物理过程 渗透是整个下渗的物理过程中的一个阶段。下渗过程按照作用力的组合变化 及其运动特征，可划分渗润阶段、渗漏阶段、渗透阶段3 个阶段。有时也将渗 润与渗漏阶段结合起来，统称渗漏，渗漏的特点是非饱和水流运动，而渗透则属 于饱和水流运动。河湖水的渗透过程属于饱和水流运动，其沿着岩土的空隙下渗， 是在重力、分子力和毛管力的综合作用下进行的，其运动过程就是寻求各种作用 力的综合平衡过程。在渗透过程中，主要涉及到了以下三个要素：0 下渗率f ( 又 称下渗强度) ，是指单位面积上单位时间内渗入土壤中水量，常用c m s 计；下 渗能力f p ( 又称下渗容量) ，指在充分供水条件下的下渗率：稳定下渗率f c ( 简 称“稳渗 ) ，当下渗锋面推进到一定深度后，下渗率趋于稳定的常值，此时下渗 率称为“稳定下渗率。 第三章城市生态环境分析及理论研究 3 1 2 2 影响下渗的因素 土壤特性对下渗的影响，主要决定于土壤的透水性能及土壤的前期含水量。 其中透水性能又和土壤的质地、孔隙的多少与大小有关。一般来说土壤颗粒愈粗， 孔隙直径愈大，其透水性能愈好，土壤的下渗能力亦愈大。图3 1 具体显示出不 同性质土壤之间下渗率的巨大差别。 表3 - l土壤渗透系数经验值 土壤分类渗透系数k ( e r a s ) 粗沙 细沙 黄土 粘土 2 x1 0 2 6 1 0 。2 1 0 x 1 0 。3 6 x 1 0 3 3 0 xi 0 - 4 , , - , 6 0 xl0 r 4 6 0 x 1 0 6 1 o 1 0 4 3 1 3 降雨径流 3 1 3 1 降雨量 降水量是指降落在地面的雨、雪、雹、霰等未经蒸发、渗透流失而积聚在水 平面上的水层厚度。单位时间内的降水量即为降水强度。 最常用的对降雨的分类方法是按降水量的多少来划分降雨的等级。根据国家 气象部门规定的降水量标准( 按2 4 小时降水量划分) ，降雨可分为小雨、中雨、 大雨、暴雨、大暴雨和特大暴雨六种( 表3 2 ) 。如暴雨( 泛指降水强度很大的雨) ， 我国气象部门规定：1 小时内的雨量为1 6 m m 或以上的雨；2 4 小时内的雨 量为5 0 m m 或以上的雨。 表3 2 降雨强度分级( m i l l ) 在没有测量雨量的情况下，我们也可以从当时的降雨状况来判断降水强度。 小雨；雨滴下降清晰可辨；地面全湿，但无积水或积水形成很慢。中雨：雨 滴下降连续成线，雨滴四溅，可闻雨声；地面积水形成较快。大雨：雨滴下降 模糊成片，四溅很高，雨声激烈；地面积水形成很快。暴雨：雨如倾盆，雨声 猛烈，开窗说话时，声音受雨声干扰而听不清楚；积水形成特快，下水道往往来 第三章