北京市朝陽公園水資源配置供需分析

北京市朝陽公園水資源配置供需分析

1水的開發(fā)現(xiàn)狀隨著城市公園中水生景觀的數(shù)量逐漸增多，水生景觀的問題也越來越突出。忽視地域水資源現(xiàn)狀,人工水景規(guī)模大,導致工程造價和后續(xù)維護管理成本過高,水景水質(zhì)也難以保障。目前,有關水景的研究多集中于水景美學和視覺評價,以及有關水景節(jié)水和補水量計算等研究方面對于水景水量配置的研究涉及甚少,而當前的水景設計中多數(shù)仍沿用明代提出的水景占規(guī)劃總面積30%的設計比例,與目前水資源短缺、人口密集、土地面積減少的現(xiàn)狀極不協(xié)調(diào),因此,科學開展水景水量與供水平衡關系研究已成為水景研究中的重點問題。2009年聯(lián)合國教科文組織發(fā)布的《世界水資源開發(fā)報告》顯示,水資源問題已上升為全球最緊迫最嚴峻的科學科研之一。全球淡水資源的權威分析報告預測認為,因淡水資源的過度開發(fā),到2030年全球47%的人口居住區(qū)用水將面臨高度緊張。目前,北京人均水資源不足300m3,分別是全國平均水平和世界人均水資源量的1/8和1/30。從20世紀80年代初到2010年,北京市水資源量日趨減少,減少幅度呈增加趨勢。2011年北京市委市政府關于進一步加強水務改革發(fā)展意見顯示,水資源極端緊缺成為北京基本市情,將實施境外調(diào)水、境內(nèi)集中輸水、密云水庫上游旱稻等項目以保障城市用水,無形中給城市公園水景的設計和管理提出新的思考。本文以北京市朝陽公園為例,通過水景水量配置的供需比較探索地域水景的生態(tài)環(huán)境需水量與供給能力之間的關系,為科學量化水景水資源供需關系,高效利用水資源提供參考,同時為水景設計與實踐研究提供科學依據(jù)。2北京水系水生植物環(huán)境現(xiàn)狀分析北京地處東亞大陸東岸,暖溫帶半濕潤地區(qū),氣候受蒙古高壓的影響,屬大陸性季風氣候,四季分明,年均溫10～12℃。根據(jù)資料來源于國家氣象局網(wǎng)站(站臺54511)1980～2010年的降水量和蒸發(fā)量的觀測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,獲得如表1所示的北京近30年的月降水量和月蒸發(fā)量。北京市朝陽公園是以園林綠化為主的一所綜合性、多功能的大型文化休憩、娛樂公園(圖1、圖2)。始建于1984年,1992年更名為朝陽公園,南北長約2.8km,東西寬約1.5km,總占地288.70hm2,其中綠地191.84hm2,水景68.19hm2,建筑4.01hm2,道路鋪裝24.65hm2。朝陽公園動態(tài)水景較多,南區(qū)有世紀噴泉廣場,北區(qū)有臥龍疊水,西區(qū)有橢圓形下沉式霧泉和兩組長方形噴泉組成。夏季公園內(nèi)的水生植物總面積約占7.8hm2,其中水生植物主要有荷花、昌蒲、睡蓮等。因此,對北京市朝陽公園的水景需水進行深入分析,對其他公園具有重要的參考意義。3動態(tài)水體面積及蒸發(fā)量本文大部分數(shù)據(jù)源于朝陽公園管理處,部分為實測。其中動態(tài)水體蒸發(fā)量計算根據(jù)其立體水體面積,因噴泉噴出的水體形式多變,故采取平均估算法計算動態(tài)水體面積;疊水面積采取實測法。運用生態(tài)環(huán)境需水量和最大用水定額的計算方法。3.1耗水量及需水量、水資源量水景生態(tài)環(huán)境需水量包括自身需水量、耗水量、天然降水量三部分,其中耗水量包括水面蒸發(fā)量、動態(tài)水損失量、生物耗水量、滲漏損失量、公共用取水量、凈化需水量。(1)水景水面蒸發(fā)量水面蒸發(fā)量公式為:WE(ti)=A1×Ew(ti)(1)式中,WE(ti)為ti時段內(nèi)水景水面蒸發(fā)量(m3);A1為水景面積(hm2);Ew(ti)為ti時段內(nèi)參考水面蒸發(fā)量(mm)。經(jīng)計算,朝陽公園靜態(tài)水景月蒸發(fā)量如表2所示。水面蒸發(fā)量隨參考水面蒸發(fā)量而變化,其中6月份蒸發(fā)量最大,為22.87萬m3,12月份蒸發(fā)量最小,為5.4萬m3,全年水面蒸發(fā)量為154萬m3。(2)ti時內(nèi)水垂直噴射流動水體的表面積nw朝陽公園中動態(tài)水損失量W損主要指世紀噴泉廣場、藝術廣場(圖3)和臥龍疊水三處水損失量,結(jié)果如表3。動態(tài)水損失量計算公式為:W水蒸(ti)=A流(ti)×Ew(ti)(2)式中,W水蒸(ti)為ti時段內(nèi)水垂直噴射流動過程中水體的蒸發(fā)量(m3);A流為ti時段內(nèi)流動水體的表面積,如果是瀑布,則為出水口寬與出水口到水池面距離的乘積;如果是噴泉,面積可視為噴泉所形成的圓錐體或圓柱體的表面積(圓錐底或圓柱底面積除外),由噴泉半徑和水柱高可求得圓錐或圓柱體表面積。Ew(ti)同上。其中1月、2月、11月、12月噴泉不開放,動態(tài)水損失量為零(表2),其他各月按每天8h全月開放計算,6月份動態(tài)水損失量最大,為973m3,全年水損失量為3364.55m3。動態(tài)水景的損失量較小,僅占年水面蒸發(fā)量的0.22%。,在設計中,對于動態(tài)水景較少的水景區(qū)域,動態(tài)水損失量可忽略。(3)水景植物景觀系數(shù)圖3朝陽公園的水生生物主要為水生植物,水生植物總面積約7.8hm2,其中11～3月份水生植物還未生長,4月、5月開始萌發(fā)生長,生物耗水量計算公式為:W生物(ti)=W綠E(ti)+Wp(ti)+W動物E(ti)(3)式中,W生物(ti)為ti時段內(nèi)水景中的生物耗水量(m3);W綠E(ti)為ti時段內(nèi)各種水生植物蒸散需水量(m3);WP(ti)為ti時段內(nèi)植物生長制造有機物需水量(m3),植物生長制造有機物需水量可參考公式:Wp(ti)=W綠E(ti)99Wp(ti)=W綠E(ti)99(4)W動物E(ti)為ti時段內(nèi)動物生長需水量(m3)。水景中因動物較少,其耗水量可忽略。W綠E(ti)=KL×Ew(ti)(5)式中,KL為水景植物景觀系數(shù),計算公式如下:KL=Ks×Kd×Kmc(6)式中,Ks為水景中植物種類因子,不同植物種類,蒸散量不同;Kd為植物密度因子,即植物水平垂直覆蓋度;Kmc為微氣候因子,受周圍建筑物、鋪裝對溫度、風速、光照和濕度的影響。其中Ks、Kd、Kmc的系數(shù)如表4所示。根據(jù)表4中Ks、Kd、Kmc的系數(shù)分別取Moderate為0.5、Low為0.7、Average為1.0計算,則KL=0.35,則植物蒸散量和生長需水量結(jié)果見表2。朝陽公園占地7.8hm2的水生植物總耗水量為3.59萬m3,約占總蒸發(fā)量的2.27%,其中水生植物蒸散量為3.55萬m3,植物生長需水量為358.78m3,約占水生植物總耗水量的1%,且水生植物蒸散量隨參考水面蒸發(fā)量而變化,其中6月份的蒸散量最大,為9156.42m3。(4)園林水景15年泄漏損失量根據(jù)滲漏公式和滲漏損失計算經(jīng)驗取值表如下,朝陽公園水景K1值取中等水平的平均值0.75,則年滲漏損失量:W1滲漏滲漏1=K1F(7)式中,K1為滲漏損失計算經(jīng)驗取值,F為園林水景年平均蓄水水面面積(m2)。則計算結(jié)果為朝陽公園年滲漏估算值為51.14萬m3。(5)水系平均水位計算公式為:W自身=A1×h(8)式中,A1為水景面積,h為水深,單位為m。經(jīng)朝陽公園管理處證實,朝陽公園水體平均水深為1.5m,平均需水量為11.7萬m3。本文通過水體在豐水年和枯水年的水位等級確定水體需水量的等級如表5。(6)鋪裝液的制備根據(jù)表6及公園草坪灌木綠地面積和樹木面積比例,朝陽公園綠地綜合用水定額為1.1m3/m2·年,鋪裝取0.0015m3/m2·次。道路及硬質(zhì)鋪裝從4月至10月每月沖洗一次,一年共沖洗7次,結(jié)果綠地年取水211.02萬m3,道路及硬質(zhì)鋪裝年取水0.26萬m3,公共用水年取水211.28萬m3。(7)水系蒸發(fā)量結(jié)果水景降雨量Q是園林水景與綠地水量補充的自然來源,由降雨量和水景面積大小決定,計算結(jié)果如表2,朝陽公園水景面積內(nèi)年降雨量為38.76萬m3,是水面年蒸發(fā)量的25.17%。其中7月份降雨量最大,為13.84萬m3,仍小于當月的蒸發(fā)量21.30萬m3;1月降雨量最小,為1568.32m3,公園水體降雨量隨氣候變化而變化。(8)需要水凈化需水量是水體運營過程中計算生態(tài)環(huán)境需水量的重要組成部分,由于朝陽公園水體受污染的數(shù)據(jù)缺乏,本文對此不進行計算。(9)生態(tài)環(huán)境需水量生態(tài)環(huán)境需水量計算公式如下:W需水量=WE+W損+W生物+W滲漏+W澆-Q+W自身(9)通過計算,朝陽公園68.19hm2的水面蒸發(fā)量、動態(tài)水損失量、生物耗水量和滲漏量年損失水量為209.07萬m3,若不考慮水體凈化和公共用地取水量,朝陽公園的生態(tài)環(huán)境需水量中,最大生態(tài)環(huán)境需水量為193.71萬m3,中等需水量為189.81萬m3,最小生態(tài)環(huán)境需水量為178.11萬m3。如果朝陽公園公共用地取水來源于公園中的水體,則最大需水量為404.99萬m3,中等需水量為401.09萬m3,最小需水量為389.39萬m3。3.2公園水景最大用水定額估算模型水景水量最大用水定額運用加利福尼亞MAWA模型計算,可得到綠地最大用水定額:Wmax=ETo×[(0.7×LA)+(0.3×SLA)](10)式中,ETo為參考土壤水分蒸發(fā)蒸騰損失量(m/年);SLA為特別景區(qū)面積(果園、蔬菜園、中水灌溉的區(qū)域或水景、供娛樂的公園等);LA為園林設計綠地面積(包括SLA),指綠化種植面積、草坪面積和水景面積;0.7和0.3均為ETo校正因子,是對植物耗水因子和有效灌溉系數(shù)的較正,為植物耗水因子與有效灌溉系數(shù)的比值,其中植物平均耗水因子為0.5,灌溉效率平均為0.71。本文采用參數(shù)估計法,通過對加利福尼亞園林綠地最大用水定額估算模型中耗水系數(shù)、有效灌溉系數(shù)的計算進行修正,構(gòu)建了公園水景最大用水定額估算模型:W最大=1.07×(Ew×A1+1.10×A綠)(11)式中,W最大為最大用水定額(單位m3),Ew為參考水面年蒸發(fā)量,A綠為綠地面積。其中為Ew為2258.5mm,經(jīng)計算最大用水定額為390.87萬m3。3.3水景的最小生態(tài)環(huán)境需水量根據(jù)水景的生態(tài)環(huán)境需水量和水景的最大用水定額的計算結(jié)果,可建立水景的供需平衡比較關系式:W需水量≤W最大(12)此處的W需水量為水景的最小生態(tài)環(huán)境需水量估算值。對最大生態(tài)環(huán)境需水量與總用水定額比較發(fā)現(xiàn),最大用水定額390.87萬m3均小于最大生態(tài)環(huán)境需水量404.99萬m3、中等生態(tài)環(huán)境需水量401.09萬m3,但大于最小需水量為389.39萬m3,即朝陽公園水景用水不得超過最大用水定額390.87萬m3。4公園水景設計供需分析(1)提出了水景水量供需平衡比較的研究方法,即園林水景生態(tài)環(huán)境需水量不能大于最大用水定額,為城市水景用水提供了參考依據(jù)。并以北京朝陽公園為例,計算了公園中水景的水面蒸發(fā)量、動態(tài)水損失量、生物耗水量、滲漏量、公共用水取水量、降雨量,分別為154萬m3、3364.55m3、3.59萬m3、51.14萬m3、211.28萬m3、38.76萬m3。(2)通過水景水位等級比較,不考慮水體凈化和公共用地取水量時,朝陽公園最大生態(tài)環(huán)境需水量為193.71萬m3,中等需水量為189.81萬m3,最小生態(tài)環(huán)境需水量為178.11萬m3。如果朝陽公園公共用地取水來源于公園中的水體,最大需水量為404.99萬m3,中等需水量為401.09萬m3,最小需水量為389.39萬m3。(3)通過計算水景最大用水定額,朝陽公園水景最大用水定額為390.87萬m3。(4)朝陽公園中水景水量配置供需分析表明,朝陽公園水景的最小生態(tài)環(huán)境需水量小于最大用水定額,說明朝陽公園水景面積大小設計合理,公園水景水量配置較好。