基于生態(tài)環(huán)境需水的園林水景生態(tài)需水量研究

根據(jù)2009年聯(lián)合國(guó)教育、科學(xué)及文化組織發(fā)布的《世界水資源開發(fā)報(bào)告》，水資源已成為世界面臨的一個(gè)非常緊迫的問題。在過去幾年中，水資源過度開發(fā)，超過了可持續(xù)發(fā)展的限制。報(bào)告預(yù)測(cè),到2030年全球?qū)⒂?7%的人口居住在用水高度緊張的地區(qū)。水景是園林景觀設(shè)計(jì)中最富魅力的要素。目前,水景設(shè)計(jì)中倡導(dǎo)的節(jié)水理念一定程度上減輕了水資源的利用,但未從根本上解決問題,仍存在水景設(shè)計(jì)好大喜功,與設(shè)計(jì)區(qū)域水資源供給不協(xié)調(diào)的矛盾。面臨日益嚴(yán)重的水資源短缺,如何根據(jù)區(qū)域供水科學(xué)規(guī)劃水景規(guī)模,實(shí)現(xiàn)水景需水與區(qū)域水供給協(xié)調(diào)統(tǒng)一,已成為園林水景設(shè)計(jì)者迫切需要解決的技術(shù)難題。針對(duì)此問題,基于生態(tài)環(huán)境需水量的研究方法,本研究探討了園林水景生態(tài)環(huán)境需水量的計(jì)算方法,通過案例分析,實(shí)現(xiàn)了園林水景設(shè)計(jì)的科學(xué)化和定量化,對(duì)科學(xué)規(guī)劃園林水景規(guī)模,合理利用水資源,美化城市生態(tài)環(huán)境,改善市民生活質(zhì)量具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。1水體設(shè)計(jì)在園林景觀設(shè)計(jì)中的應(yīng)用水景設(shè)計(jì)是園林中的一部分,園林水景設(shè)計(jì)也叫理水,它是造園的重要內(nèi)容之一,是勘察整體園林設(shè)計(jì)規(guī)劃,明確園林地貌和景觀功能,涉及水的規(guī)劃布局、形態(tài)變化、空間層次以及水與建筑、山石、花木、動(dòng)物及人之間的配合關(guān)系,通過詳盡的規(guī)劃布局,運(yùn)用各種理水手法把水景藝術(shù)裝點(diǎn)到各類園林中。早在明代造園家計(jì)成所著的《園冶》“相地”篇“村莊地”一節(jié)中就提出“約十畝之基須開池者三,曲折有情,疏源正可”,該著作首次提出園林水景設(shè)計(jì)中的水景面積比例要求,沿用至今。目前,盡管水資源日益短缺,但人們對(duì)水景的心理需求仍在增加,對(duì)水晶設(shè)計(jì)的要求向自然、生態(tài)、節(jié)約、高效型轉(zhuǎn)化。水景設(shè)計(jì)不僅要滿足視覺上的愉悅,而且要達(dá)到可持續(xù)運(yùn)營(yíng)。雖然有研究通過住宅小區(qū)中園林景觀設(shè)計(jì)的水量平衡分析,合理確定了水景規(guī)模以滿足水景需水量的要求,但仍局限于節(jié)水性的水景運(yùn)營(yíng)考慮,對(duì)設(shè)計(jì)中定量確定水景需水量未曾涉及。21世紀(jì)實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境需水和人類需水的協(xié)調(diào)配置是人類追求的目標(biāo)。1995年Gleick指出生態(tài)環(huán)境需水量是由多種生態(tài)系統(tǒng)組成的特定生態(tài)環(huán)境,在特定目標(biāo)條件下,按照生態(tài)環(huán)境的功能要求以及人類社會(huì)的發(fā)展需要,對(duì)生態(tài)環(huán)境所要求的最小的需水量,同時(shí)應(yīng)考慮該水量條件下生態(tài)系統(tǒng)能夠容納的最差水質(zhì)。當(dāng)前,生態(tài)環(huán)境需水量研究主要集中在水資源供需矛盾突出,生態(tài)環(huán)境相對(duì)脆弱和問題嚴(yán)重的干旱、半干旱和季節(jié)性干旱的半濕潤(rùn)區(qū)的河流生態(tài)系統(tǒng)的需水,以及河道枯水流量、最小可接受流量、生態(tài)可接受流量。其中生態(tài)環(huán)境需水量的研究方法包括,面積定額法、水文學(xué)法、水力學(xué)法、水文-生物分析法、生境模擬法、水量補(bǔ)充法等。而關(guān)于園林水景設(shè)計(jì)中生態(tài)環(huán)境需水量的研究方法和案例鮮有報(bào)道。2園林水景水景水景水景觀設(shè)計(jì)方法的初步提出研究中將水景水源經(jīng)過簡(jiǎn)單處理的污水或中水,或通過收集、貯存和處理的城市雨水,水景底部和駁岸以透水性鋪裝為主的生態(tài)型水景和人工水景作為研究對(duì)象,根據(jù)園林水景水量設(shè)計(jì)原則、步驟方法及水景構(gòu)景要素,初步提出適合園林水景生態(tài)環(huán)境需水量的計(jì)方法。生態(tài)環(huán)境需水量應(yīng)包括水量蒸發(fā)量、水動(dòng)態(tài)損失量。2.1水面年蒸發(fā)量水面蒸發(fā)量公式為:WE=A1×Ew(1)WE=A1×Ew(1)式中,WE為水景水面年蒸發(fā)量(m3);A1為水景面積(hm2);Ew為參考水面年蒸發(fā)量(mm)。水景水面蒸發(fā)量是水景中水體水分的消耗,無論靜態(tài)或動(dòng)態(tài)水景均需要補(bǔ)充該部分消耗水量,才能保證水景水位穩(wěn)定,水量不減從而滿足水景的可持續(xù)利用。2.2動(dòng)態(tài)水景損失量計(jì)算水景水體中,尤其是動(dòng)態(tài)水景在水噴射、流動(dòng)等過程中不可避免會(huì)引起水分的損失,包括三部分。在此僅考慮動(dòng)態(tài)水景的損失量。動(dòng)態(tài)水景損失量計(jì)算:W水蒸=A流×Ew(2)W水蒸=A流×Ew(2)式中W水蒸為水垂直噴射流動(dòng)過程中水體的蒸發(fā)量(m3);A流流動(dòng)水體的表面積,瀑布表面積為出水口寬與出水口到水池面距離的乘積;噴泉表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同上。2.3水景中生物和植物的景觀系數(shù)一般水景中的生物是供觀賞的水生植物和動(dòng)物。水生植物主有睡蓮科植物、深水型水植物、浮水型水生植物、沉水型和沼生植物。觀賞魚主要為金魚等。水景中的生物耗水量包括植物蒸散需水量、植物生長(zhǎng)制造有機(jī)物需水量、動(dòng)物生長(zhǎng)需水量,計(jì)算公式為:W生物=W綠E+Wp+W動(dòng)物E(3)W生物=W綠E+Wp+W動(dòng)物E(3)式中W生物為水景中的生物耗水量(m3);W綠E為各種水生植物蒸散需水量(m3);WP為植物生長(zhǎng)制造有機(jī)物需水量(m3),植物生長(zhǎng)制造有機(jī)物需水量可參考公式:Wp=W綠E99(4)Wp=W綠E99(4)W動(dòng)物E為動(dòng)物生長(zhǎng)需水量(108m3)。水景中因動(dòng)物較少,其耗水量可忽略。W綠E=ΚL×Ew(5)W綠E=KL×Ew(5)式中KL為水景植物景觀系數(shù),計(jì)算公式為:ΚL=Κs×Κd×Κmc(6)式中Ks為水景中植物種類因子,不同植物種,蒸散量不同;Kd為植物密度因子,即植物水平垂直覆蓋度不同,蒸散量不同;Kmc為微氣候因子,即周圍建筑物、鋪裝對(duì)溫度、風(fēng)速、光照和濕度的影響。其中Ks、Kd、Kmc的系數(shù)如表1所示。2.4水景地下水位滲漏水量的主要影響因素是水景中的滲透性鋪裝、地下水位較低時(shí)引發(fā)的水分滲漏損失量。地下水位對(duì)水景水影響較大,地下水位高時(shí)可減少水景中水體自身需水量;地下水位較低時(shí),就會(huì)產(chǎn)生滲漏。因此,計(jì)算滲漏水量時(shí),應(yīng)根據(jù)地下水位的高低區(qū)別對(duì)待。年滲漏損失量:W年滲=Κ1F(7)式中K1為滲漏損失計(jì)算經(jīng)驗(yàn)取值,F為園林水景年平均蓄水水面面積(m2)。表2為滲漏損失計(jì)算經(jīng)驗(yàn)取值表。2.5水景自身允許最小生態(tài)環(huán)境需水量水體自身允許需水量是水景正常發(fā)揮其功能的最小允許需水量,也屬于最小生態(tài)環(huán)境需水量,是生態(tài)環(huán)境需水量的重要組成部分,可參考公式:W自身=A1×h(8)式中,W自身為水景自身允許最小需水量(m3);A1為水景面積(m2);h為水景的平均水深(m)。2.6公共水處理w根據(jù)表3,北京市的綠地用水定額計(jì)算公共用水取水量,等于綠地面積及硬質(zhì)鋪裝面積與定額的乘積。2.7生態(tài)環(huán)境需水量設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)的年均降雨量可增加水景中的水體量,在計(jì)算園林水景中的生態(tài)環(huán)境需水量時(shí),需根據(jù)年季節(jié)變化和年均降雨量曲線而變化,以準(zhǔn)確計(jì)算最小生態(tài)環(huán)境需水量并實(shí)現(xiàn)其動(dòng)態(tài)化。3朝陽(yáng)公園水生生態(tài)環(huán)境需要水3.1公園水系及水生植物北京市朝陽(yáng)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兼娛樂型公園。始建于1984年,1992年更名為朝陽(yáng)公園,南北長(zhǎng)約2.8km,東西寬約1.5km,總占地288.70hm2,綠地191.84hm2,水景68.19hm2,建筑4.01hm2,道路鋪裝24.65hm2。朝陽(yáng)公園水系與亮馬河和東湖水系相連,其中,動(dòng)態(tài)水景較多,南區(qū)有世紀(jì)噴泉廣場(chǎng),北區(qū)有臥龍疊水,西區(qū)由橢圓形下沉式霧泉和兩組長(zhǎng)方形噴泉組成,其余各處水系均為靜態(tài)水景。夏季公園內(nèi)水生植物總面積約7.8hm2,其中,水生植物主要有荷花(Nelumbonucifera)、昌蒲(IrisensataThunb)、睡蓮(Nympeaterragona)等。北京地處東亞大陸東岸,暖溫帶半濕潤(rùn)地區(qū),屬大陸性季風(fēng)氣候,四季分明,年均溫10～12℃。表4為北京市1980～2010年近30a的累年氣象資料。3.2朝陽(yáng)公園的生態(tài)環(huán)境需要水3.2.1水面蒸發(fā)量測(cè)定根據(jù)公式1和表4,經(jīng)計(jì)算,朝陽(yáng)公園靜態(tài)水景水面蒸發(fā)量隨參考水面蒸發(fā)量而變化,6月份蒸發(fā)量最大,為22.87萬(wàn)m3,12月份蒸發(fā)量最小,為5.4萬(wàn)m3,全年水面蒸發(fā)量為154萬(wàn)m3。3.2.2月內(nèi)水損失量朝陽(yáng)公園中動(dòng)態(tài)水損失量主要包括世紀(jì)噴泉廣場(chǎng)、藝術(shù)廣場(chǎng)和臥龍疊水三處,面積分別為2544m2、157m2、200m2。其中1月、2月、11月、12月噴泉不開放,動(dòng)態(tài)水損失量為零,其余各月按每天8h全月開放,根據(jù)公式(2)計(jì)算,6月份動(dòng)態(tài)水損失量最大,為973m3,全年水損失量為3364.55m3。動(dòng)態(tài)水景的損失量較小,僅占年水面蒸發(fā)量的0.22%,因此,設(shè)計(jì)中動(dòng)態(tài)水景較少的區(qū)域可忽略。3.2.3水生植物總耗水量朝陽(yáng)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月水生植物未生長(zhǎng),4月、5月開始萌發(fā)生長(zhǎng),根據(jù)表1中Ks、Kd、Kmc的系數(shù)分別取Moderate為0.5、Low為0.7、Average為1.0,根據(jù)公式(6)計(jì)算,KL=0.35。根據(jù)公式(3)、(4)、(5),結(jié)果顯示,朝陽(yáng)公園占地7.8hm2的水生植物總耗水量為3.59萬(wàn)m3,約占總蒸發(fā)量的2.27%。其中,水生植物蒸散量為3.55萬(wàn)m3,植物生長(zhǎng)需水量為358.78m3,約占水生植物總耗水量的1%,因此,實(shí)際水景設(shè)計(jì)水量估算中,這部分水量可忽略不計(jì)。水生植物蒸散量隨參考水面蒸發(fā)量而變化,6月份的蒸散量最大,為9156.42m3。3.2.4水系滲漏損失量根據(jù)滲漏公式和滲漏損失計(jì)算經(jīng)驗(yàn)取值(表2),朝陽(yáng)公園水景K1值取中等水平的平均值為0.75,計(jì)算得到朝陽(yáng)公園年滲漏損失量51.14萬(wàn)m3。3.2.5水體需水量等級(jí)經(jīng)朝陽(yáng)公園管理處證實(shí),朝陽(yáng)公園水體平均水深為1.5m,平均需水量為11.7萬(wàn)m3。本文通過水體在豐水年和枯水年的水位等級(jí)確定水體需水量的等級(jí)分別為最大2.0～3.0m、中等2.0～1.0m、最小1.0m,根據(jù)公式(7)計(jì)算,結(jié)果顯示,最大W自身值為19.5～23.4萬(wàn)m3、中等W自身值為7.8～19.5萬(wàn)m3,最小W自身值為7.8萬(wàn)m3。3.2.6鋪裝法3.2m根據(jù)表3及公園內(nèi)草坪、灌木、綠地、和樹木面積的比例,朝陽(yáng)公園綠地綜合用水定額為1.1m3/(m2·a),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(wàn)m3,道路及硬質(zhì)鋪裝年取水0.26萬(wàn)m3,公共用水年取水211.28萬(wàn)m3。3.2.7水系蒸發(fā)量計(jì)算結(jié)果降雨量是園林水景與綠地水量補(bǔ)充的自然來源,由降雨量和水景面積大小決定,計(jì)算結(jié)果如表2,朝陽(yáng)公園水景年降雨量為38.76萬(wàn)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(wàn)m3,仍小于當(dāng)月的蒸發(fā)量(21.30萬(wàn)m3);1月降雨量最小,為1568.32m3。3.2.8公園的生態(tài)環(huán)境需水量朝陽(yáng)公園生態(tài)環(huán)境需水量計(jì)算公式為:W需水量=WE+W損+W生物+W年滲+W自身+W公共-Q(9)計(jì)算結(jié)果顯示,朝陽(yáng)公園68.19hm2的水面蒸發(fā)量、動(dòng)態(tài)水損失量、生物耗水量和滲漏量年損失水量之和為209.07萬(wàn)m3,若不考慮水體凈化和公共用地取水量,朝陽(yáng)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(wàn)m3,中等和最小生態(tài)環(huán)境需水量分別為189.81萬(wàn)m3、178.11萬(wàn)m3。如果朝陽(yáng)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(wàn)m3,中等需水量為401.09萬(wàn)m3,最小需水量為389.39萬(wàn)m3。4水系公共用地需水量1)通過對(duì)園林水景生態(tài)環(huán)境需水量計(jì)算方法的探討和案例實(shí)證,提出園林水景生態(tài)需水量的各部分水量計(jì)算指標(biāo)和計(jì)算方法。結(jié)果顯示,朝陽(yáng)公園中水景的水面蒸發(fā)量、動(dòng)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(wàn)m3、3364.55m3、3.59萬(wàn)m3、51.14萬(wàn)m3、211.28萬(wàn)m3、38.76萬(wàn)m3。通過水景水位等級(jí)比較,在不考慮水體凈化和公共用地取水量時(shí),朝陽(yáng)公園最大生態(tài)環(huán)境需水量為193.71萬(wàn)m3,中等需水量為189.81萬(wàn)m3,最小生態(tài)環(huán)境需水量為178.11萬(wàn)m3。若朝陽(yáng)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(wàn)m3,中等需水量為401.09萬(wàn)m3,最小需水量為389.39萬(wàn)m3。2)園林水景生態(tài)環(huán)境需水量的研究是一項(xiàng)系統(tǒng)工程,本研