基于生态环境需水的园林水景生态需水量研究

基于生态环境需水的园林水景生态需水量研究

根据2009年联合国教育、科学及文化组织发布的《世界水资源开发报告》，水资源已成为世界面临的一个非常紧迫的问题。在过去几年中，水资源过度开发，超过了可持续发展的限制。报告预测,到2030年全球将有47%的人口居住在用水高度紧张的地区。水景是园林景观设计中最富魅力的要素。目前,水景设计中倡导的节水理念一定程度上减轻了水资源的利用,但未从根本上解决问题,仍存在水景设计好大喜功,与设计区域水资源供给不协调的矛盾。面临日益严重的水资源短缺,如何根据区域供水科学规划水景规模,实现水景需水与区域水供给协调统一,已成为园林水景设计者迫切需要解决的技术难题。针对此问题,基于生态环境需水量的研究方法,本研究探讨了园林水景生态环境需水量的计算方法,通过案例分析,实现了园林水景设计的科学化和定量化,对科学规划园林水景规模,合理利用水资源,美化城市生态环境,改善市民生活质量具有重要的现实意义。1水体设计在园林景观设计中的应用水景设计是园林中的一部分,园林水景设计也叫理水,它是造园的重要内容之一,是勘察整体园林设计规划,明确园林地貌和景观功能,涉及水的规划布局、形态变化、空间层次以及水与建筑、山石、花木、动物及人之间的配合关系,通过详尽的规划布局,运用各种理水手法把水景艺术装点到各类园林中。早在明代造园家计成所著的《园冶》“相地”篇“村庄地”一节中就提出“约十亩之基须开池者三,曲折有情,疏源正可”,该著作首次提出园林水景设计中的水景面积比例要求,沿用至今。目前,尽管水资源日益短缺,但人们对水景的心理需求仍在增加,对水晶设计的要求向自然、生态、节约、高效型转化。水景设计不仅要满足视觉上的愉悦,而且要达到可持续运营。虽然有研究通过住宅小区中园林景观设计的水量平衡分析,合理确定了水景规模以满足水景需水量的要求,但仍局限于节水性的水景运营考虑,对设计中定量确定水景需水量未曾涉及。21世纪实现生态环境需水和人类需水的协调配置是人类追求的目标。1995年Gleick指出生态环境需水量是由多种生态系统组成的特定生态环境,在特定目标条件下,按照生态环境的功能要求以及人类社会的发展需要,对生态环境所要求的最小的需水量,同时应考虑该水量条件下生态系统能够容纳的最差水质。当前,生态环境需水量研究主要集中在水资源供需矛盾突出,生态环境相对脆弱和问题严重的干旱、半干旱和季节性干旱的半湿润区的河流生态系统的需水,以及河道枯水流量、最小可接受流量、生态可接受流量。其中生态环境需水量的研究方法包括,面积定额法、水文学法、水力学法、水文-生物分析法、生境模拟法、水量补充法等。而关于园林水景设计中生态环境需水量的研究方法和案例鲜有报道。2园林水景水景水景水景观设计方法的初步提出研究中将水景水源经过简单处理的污水或中水,或通过收集、贮存和处理的城市雨水,水景底部和驳岸以透水性铺装为主的生态型水景和人工水景作为研究对象,根据园林水景水量设计原则、步骤方法及水景构景要素,初步提出适合园林水景生态环境需水量的计方法。生态环境需水量应包括水量蒸发量、水动态损失量。2.1水面年蒸发量水面蒸发量公式为:WE=A1×Ew(1)WE=A1×Ew(1)式中,WE为水景水面年蒸发量(m3);A1为水景面积(hm2);Ew为参考水面年蒸发量(mm)。水景水面蒸发量是水景中水体水分的消耗,无论静态或动态水景均需要补充该部分消耗水量,才能保证水景水位稳定,水量不减从而满足水景的可持续利用。2.2动态水景损失量计算水景水体中,尤其是动态水景在水喷射、流动等过程中不可避免会引起水分的损失,包括三部分。在此仅考虑动态水景的损失量。动态水景损失量计算:W水蒸=A流×Ew(2)W水蒸=A流×Ew(2)式中W水蒸为水垂直喷射流动过程中水体的蒸发量(m3);A流流动水体的表面积,瀑布表面积为出水口宽与出水口到水池面距离的乘积;喷泉表面积可视为喷泉所形成的圆锥体或圆柱体的表面积(圆锥底或圆柱底面积除外),由喷泉半径和水柱高可求得圆锥或圆柱体表面积。Ew同上。2.3水景中生物和植物的景观系数一般水景中的生物是供观赏的水生植物和动物。水生植物主有睡莲科植物、深水型水植物、浮水型水生植物、沉水型和沼生植物。观赏鱼主要为金鱼等。水景中的生物耗水量包括植物蒸散需水量、植物生长制造有机物需水量、动物生长需水量,计算公式为:W生物=W绿E+Wp+W动物E(3)W生物=W绿E+Wp+W动物E(3)式中W生物为水景中的生物耗水量(m3);W绿E为各种水生植物蒸散需水量(m3);WP为植物生长制造有机物需水量(m3),植物生长制造有机物需水量可参考公式:Wp=W绿E99(4)Wp=W绿E99(4)W动物E为动物生长需水量(108m3)。水景中因动物较少,其耗水量可忽略。W绿E=ΚL×Ew(5)W绿E=KL×Ew(5)式中KL为水景植物景观系数,计算公式为:ΚL=Κs×Κd×Κmc(6)式中Ks为水景中植物种类因子,不同植物种,蒸散量不同;Kd为植物密度因子,即植物水平垂直覆盖度不同,蒸散量不同;Kmc为微气候因子,即周围建筑物、铺装对温度、风速、光照和湿度的影响。其中Ks、Kd、Kmc的系数如表1所示。2.4水景地下水位渗漏水量的主要影响因素是水景中的渗透性铺装、地下水位较低时引发的水分渗漏损失量。地下水位对水景水影响较大,地下水位高时可减少水景中水体自身需水量;地下水位较低时,就会产生渗漏。因此,计算渗漏水量时,应根据地下水位的高低区别对待。年渗漏损失量:W年渗=Κ1F(7)式中K1为渗漏损失计算经验取值,F为园林水景年平均蓄水水面面积(m2)。表2为渗漏损失计算经验取值表。2.5水景自身允许最小生态环境需水量水体自身允许需水量是水景正常发挥其功能的最小允许需水量,也属于最小生态环境需水量,是生态环境需水量的重要组成部分,可参考公式:W自身=A1×h(8)式中,W自身为水景自身允许最小需水量(m3);A1为水景面积(m2);h为水景的平均水深(m)。2.6公共水处理w根据表3,北京市的绿地用水定额计算公共用水取水量,等于绿地面积及硬质铺装面积与定额的乘积。2.7生态环境需水量设计区域内的年均降雨量可增加水景中的水体量,在计算园林水景中的生态环境需水量时,需根据年季节变化和年均降雨量曲线而变化,以准确计算最小生态环境需水量并实现其动态化。3朝阳公园水生生态环境需要水3.1公园水系及水生植物北京市朝阳公园是以园林绿化为主的一所综合性、多功能的大型文化休憩兼娱乐型公园。始建于1984年,1992年更名为朝阳公园,南北长约2.8km,东西宽约1.5km,总占地288.70hm2,绿地191.84hm2,水景68.19hm2,建筑4.01hm2,道路铺装24.65hm2。朝阳公园水系与亮马河和东湖水系相连,其中,动态水景较多,南区有世纪喷泉广场,北区有卧龙叠水,西区由椭圆形下沉式雾泉和两组长方形喷泉组成,其余各处水系均为静态水景。夏季公园内水生植物总面积约7.8hm2,其中,水生植物主要有荷花(Nelumbonucifera)、昌蒲(IrisensataThunb)、睡莲(Nympeaterragona)等。北京地处东亚大陆东岸,暖温带半湿润地区,属大陆性季风气候,四季分明,年均温10～12℃。表4为北京市1980～2010年近30a的累年气象资料。3.2朝阳公园的生态环境需要水3.2.1水面蒸发量测定根据公式1和表4,经计算,朝阳公园静态水景水面蒸发量随参考水面蒸发量而变化,6月份蒸发量最大,为22.87万m3,12月份蒸发量最小,为5.4万m3,全年水面蒸发量为154万m3。3.2.2月内水损失量朝阳公园中动态水损失量主要包括世纪喷泉广场、艺术广场和卧龙叠水三处,面积分别为2544m2、157m2、200m2。其中1月、2月、11月、12月喷泉不开放,动态水损失量为零,其余各月按每天8h全月开放,根据公式(2)计算,6月份动态水损失量最大,为973m3,全年水损失量为3364.55m3。动态水景的损失量较小,仅占年水面蒸发量的0.22%,因此,设计中动态水景较少的区域可忽略。3.2.3水生植物总耗水量朝阳公园的水生生物主要为水生植物,水生植物总面积约7.8hm2,其中11～3月水生植物未生长,4月、5月开始萌发生长,根据表1中Ks、Kd、Kmc的系数分别取Moderate为0.5、Low为0.7、Average为1.0,根据公式(6)计算,KL=0.35。根据公式(3)、(4)、(5),结果显示,朝阳公园占地7.8hm2的水生植物总耗水量为3.59万m3,约占总蒸发量的2.27%。其中,水生植物蒸散量为3.55万m3,植物生长需水量为358.78m3,约占水生植物总耗水量的1%,因此,实际水景设计水量估算中,这部分水量可忽略不计。水生植物蒸散量随参考水面蒸发量而变化,6月份的蒸散量最大,为9156.42m3。3.2.4水系渗漏损失量根据渗漏公式和渗漏损失计算经验取值(表2),朝阳公园水景K1值取中等水平的平均值为0.75,计算得到朝阳公园年渗漏损失量51.14万m3。3.2.5水体需水量等级经朝阳公园管理处证实,朝阳公园水体平均水深为1.5m,平均需水量为11.7万m3。本文通过水体在丰水年和枯水年的水位等级确定水体需水量的等级分别为最大2.0～3.0m、中等2.0～1.0m、最小1.0m,根据公式(7)计算,结果显示,最大W自身值为19.5～23.4万m3、中等W自身值为7.8～19.5万m3,最小W自身值为7.8万m3。3.2.6铺装法3.2m根据表3及公园内草坪、灌木、绿地、和树木面积的比例,朝阳公园绿地综合用水定额为1.1m3/(m2·a),铺装取0.0015m3/(m2·次)。道路及硬质铺装从4月至10月每月冲洗一次,一年共冲洗7次,结果绿地年取水211.02万m3,道路及硬质铺装年取水0.26万m3,公共用水年取水211.28万m3。3.2.7水系蒸发量计算结果降雨量是园林水景与绿地水量补充的自然来源,由降雨量和水景面积大小决定,计算结果如表2,朝阳公园水景年降雨量为38.76万m3,是水面年蒸发量的25.17%。其中,7月份降雨量最大,为13.84万m3,仍小于当月的蒸发量(21.30万m3);1月降雨量最小,为1568.32m3。3.2.8公园的生态环境需水量朝阳公园生态环境需水量计算公式为:W需水量=WE+W损+W生物+W年渗+W自身+W公共-Q(9)计算结果显示,朝阳公园68.19hm2的水面蒸发量、动态水损失量、生物耗水量和渗漏量年损失水量之和为209.07万m3,若不考虑水体净化和公共用地取水量,朝阳公园的生态环境需水量中,最大生态环境需水量为193.71万m3,中等和最小生态环境需水量分别为189.81万m3、178.11万m3。如果朝阳公园公共用地取水来源于公园中的水体,则最大需水量为404.99万m3,中等需水量为401.09万m3,最小需水量为389.39万m3。4水系公共用地需水量1)通过对园林水景生态环境需水量计算方法的探讨和案例实证,提出园林水景生态需水量的各部分水量计算指标和计算方法。结果显示,朝阳公园中水景的水面蒸发量、动态水损失量、生物耗水量、渗漏量、公共用水取水量、降雨量分别为154万m3、3364.55m3、3.59万m3、51.14万m3、211.28万m3、38.76万m3。通过水景水位等级比较,在不考虑水体净化和公共用地取水量时,朝阳公园最大生态环境需水量为193.71万m3,中等需水量为189.81万m3,最小生态环境需水量为178.11万m3。若朝阳公园公共用地取水来源于公园中的水体,则最大需水量为404.99万m3,中等需水量为401.09万m3,最小需水量为389.39万m3。2)园林水景生态环境需水量的研究是一项系统工程,本研