临港区域的生态环境需水量研究

宋向群，于海洋，王文渊，张 祺

（大连理工大学 建设工程学部，辽宁 大连 116024）



临港区域的生态环境需水量研究

宋向群，于海洋，王文渊，张 祺

（大连理工大学 建设工程学部，辽宁 大连 116024）

摘要：港口建设改变了区域的生态环境要素，为研究其对区域生态环境需水的影响，本文以大连市长兴岛为例，基于RS、GIS技术和生态学方法对临港区域进行景观生态分类，构建临港区域植被需水、湿地需水和城市需水的计算模型，并对临港区域各类生态环境需水量进行对比，分析临港区域开发建设前后的生态环境需水量增加程度，从生态环境需水量的视角，为港口建设提供决策依据。

关键词：临港；生态环境需水量；RS；GIS；景观生态

引 言

临港区域是人类社会活动最为活跃的区域，由于开发强度的不断加大，临港区域的生态问题日渐突出。临港产业的迅速发展，使其用水量不断增加，占用部分生态用水，临港区域生态环境需水矛盾突出。

近年来，国内外学者对各类情景下的生态环境需水进行了较多研究[1~5]，并给出需水量估算方法。但已有研究或集中在草地、林地、河流等自然区域，或是对城市需水进行预测，尚无整个临港区域的生态环境需水研究。本研究以长兴岛临港区域为例，将研究区域内的土地按生态属性不同进行景观生态分类，对各分类的生态环境需水情况进行归纳分析，建立相应的需水模型，对整个临港区域空间内的生态环境需水进行估算。

1 临港区域生态环境需水计算模型

临港区域生态环境需水包括植被需水、湿地需水和城市需水。植被需水为林地、草地中植被蒸散产生的需水。湿地需水主要为湿地土壤需水、湿地蒸发需水、湿地生物生境地需水3类。临港区域的发展产生城市需水，包括城市生活需水、临港产业需水2类。

1.1 临港区域植被需水

临港区域内植被需水的计算采用基于Penman-Monteith公式的改进方法，其影响因素包括研究区域的气候条件、土壤情况及生长植物本身的属性[4,6]，其方法如下：

式中：ET0为潜在蒸散量，主要由气候条件决定；Ks为指土壤水分修正系数，与土壤类型及含水量有关；Kc为植被修正系数，与植被种类及生长状态有关。

对于植被潜在蒸散量ET0的计算，采用联合国粮农组织FAQ推荐的标准估算方法，其原理基于能量平衡和空气动力学方程，适于估算较长时间段内（以年为单位）植被覆盖区的潜在蒸散量[2]，计算公式如下：

植被生长阻滞土壤含水量Sr和暂时凋萎土壤含水量St是维持正常生长状态和基本生存状态的最低土壤含水量，其对应的水分消耗量分别可作为植被的适宜生态需水量和最小生态需水量，根据Jensen公式[7]，可确定土壤水分修正系数：

式中：S为土壤实际含水量；Sw为土壤凋萎含水量；*S为土壤临界含水量。

采用Saxton等的方法[1]，可以求出研究区域一年内各月相关土壤参数*S、Sw、Sr、St。当S为Sr、 S时，可获得植被适宜生态需水量、最小生态需水量的Ks值。

植被修正系数Kc采用FAQ推荐的天然植被在非完全覆盖条件下的计算方法。植被生长初期采用植物系数、土壤湿润频率与日平均ET0的关系图，植被生长中后期采用公式（4）进行计算，各参数计算步骤均参考FAQ给出的方法：

1.2 临港区域湿地需水

临港区域的湿地主要包括滩涂、小型水库、少部分水田和季节性河流等。湿地生态需水主要用以维持自身生态过程，提供临港周边生态多样性的必需用水，主要表现为湿地土壤需水、湿地蒸发需水、湿地生物生境地需水。

考虑到临港区域湿地生态系统的生境特征和生态平衡由海水侵入和淡水输入共同作用，研究该区域的湿地生态环境需水应当充分考虑海水侵入程度的影响[8]。本研究在常规湿地需水的基础上，引入海水侵入系数确定临港区域湿地生态环境需水量，其取值为研究区域湿地水中盐度ηs与周边海域盐度ηh的比值。

湿地土壤需水量主要由其土壤含水量反映，按照临港区域湿地的生态需水特征，暂不考虑渗漏需水，结合已有研究[9]，采用以下公式对湿地土壤需水量进行计算：

式中：Wst为临港湿地土壤需水量；为饱和持水量百分比，根据研究区域内的湿地土壤类型而定；Hst为土壤厚度；Ast为湿地土壤面积；为湿地海水侵入系数。

湿地蒸发需水量主要考虑研究区域内湿地的水面蒸发情况，临港区域的湿地蒸发需水量可根据下式计算：

式中：Wsz为蒸发引起的生态需水量；Asz为研究区域湿地蒸发面积；Esz为相应的水面蒸发能力。

湿地生物生境地需水即湿地内动植物正常生存所需要的基本水量，以区域正常年份主要物种繁衍栖息所需生态水位确定生物生境地需水量[10]，方法见公式（7）：

式中：Wsj为湿地生境地需水；As为计算湿地面积；B为水面面积百分比；Hsj为相应生态水位。

1.3 临港区域城市需水

临港区域开发建设后，伴随人口的迁入、企业数量的增加，必然引起临港区域城市需水的增加，主要来自城市生活需水和临港产业需水两方面。

临港城市生活需水包含居民生活用水和公共建筑用水。居民生活用水主要受人口总数量、人均日用水量及气候条件等因素影响；公共建筑用水主要受城市建设规模、城市发展水平、公共服务设施状况等因素影响。城市生活需水量可采用人均综合用水定额法计算：

式中：1P、2P为研究区域相应时间段内常住人口、外来人口数量；Klc为人均综合用水定额。

临港产业需水与临港区域的GDP、工业增加值、建设用地面积等诸多因素有关，可采用万元工业增加值用水量指标法和单位工业用地用水量指标法等方法估算临港产业需水量，由于研究本区域产业发展尚不够成熟，本文采用单位工业用地用水量指标法估算临港产业需水，需要分析确定区域产业构成、用水量指标、产业用地面积3个需水影响因素。

2 长兴岛地区生态环境需水量

长兴岛临港工业区及受其影响的周边部分地区，位于辽东半岛西侧中部，辽东湾东岸，本文研究区域面积为693 km2，主要为低山丘陵式的海岛地形，年平均气温10.5 ℃，极端气温最高37.8 ℃，最低-19.13 ℃，年降水量550~950 mm。区域内主要林木为刺槐、杨、油松等，同时区域内有大量湿地分布。2013年末，研究区域内常驻人口约6.0万，外来人口约6.2万，主要工业部门为石油化工、装备制造、船舶海工和港口物流等。

2.1 长兴岛地区景观生态分类

本研究采用2013年8月Landsat TM遥感影像，分辨率为30 m×30 m。临港区域的用地类型复杂，景观生态类型繁多，考虑到本研究的实际需求，将研究区域划分为林地、草地、湿地、建设用地共4个类型，利用RS技术和GIS技术完成研究区域的景观生态分类（图1、表1）。

图1 研究区域景观生态分类结果

表1 各类景观生态分类用地面积及百分比

2.2 长兴岛地区植被需水

按公式（1）～（4），根据已有生态需水研究和对研究区域内林地、草地的植被种类、生长状况、土壤类型及含水量进行的调研，并参考辽宁省多年气候、土壤墒情监测报告，研究区域内各植被类型的实际面积、植物修正系数平均值、土壤水分修正系数平均值、相应的生态需水定额和生态需水量研究结果见表2。

表2 植被生态需水量

2.3 长兴岛地区湿地需水

长兴岛地区湿地范围内的土壤类型为沼泽盐土、滨海盐土及少部分草甸盐土。由于沼泽土所占比例较大且土壤含水量较大，根据研究区域的湿地土壤含水特征、土层厚度、持水状况，可获得临港区域的湿地土壤需水量见表3；对海水侵入系数取长兴岛地区6处湿地观测点盐度平均值2.35 %，取长兴岛附近辽东湾海域冬夏平均表层盐度3.19 %[11]。

表3 湿地土壤需水量

对于湿地蒸发需水量，根据已有文献，研究区域多年水面蒸发量为700～1 000 mm，由蒸发引起的最小生态需水、适宜生态需水等级系数分别为0.94、1.00[12]。

表4 湿地蒸发需水量

研究区域主要植物为浮游植物、藻类、菖蒲、芦苇等，动物主要为滩涂养殖的虾类、鱼类、贝类及部分野生动物等，对于以上动植物，其湿地生境地的最小生态水位为0.3～1.0 m，适宜生态水位为1.0～2.5 m。

表5 湿地生物生境地需水量

2.4 长兴岛地区城市需水

对于本文研究区域的城市生活需水，根据长兴岛临港工业区2013年末的人口统计情况，研究时间段内常住人口6.0万人，外来人口6.2万人。考虑研究区域内企业众多，外来人口比重较大，人均综合用水额定按300 L/(人·d) 取值。经核算，长兴岛临港区域城市生活需水13.4×106m3。

临港产业需水占用临港区域建设开发后新增需水的主要部分，根据《大连长兴岛临港工业区总体规划（2010-2030）》和《大连长兴岛石油化工园区发展规划》，研究区域石化产业用地为54.2 km2，其他产业用地为47.9 km2，忽略周边村镇其他建设用地需水。参照大连市其他区域及上海、天津等工业用地用水量数据，用水量指标及临港工业园区完全建成后需水量估算结果见表6。

表6 研究区域临港产业需水量

3 结 论

根据上述研究，可获得长兴岛港区域各类生态环境需水，其中植被适宜生态需水为146.0×106m3，湿地适宜生态需水为185.0×106m3，临港区域完成开发建设后，城市需水为285.2×106m3，以适宜生态需水量计，长兴岛临港区域生态环境总需水量为616.2×106m3。

表7 各类生态环境需水量及需水强度

由表7可见，临港区域开发建设会导致生态环境需水量的急剧增加，需水强度有显著增强。长兴岛临港区域开发前，原有生态环境需水量为118.4×106m3；开发后，由于建设用地增加，临港产业发展引起的需水增加量为166.8×106m3，较原有生态环境需水量增加141 %，对所开发区域的水资源承载能力提出较大的考验。故在临港区域规划建设中，应综合考虑建设规模，合理控制生态环境需水量的变化程度，避免严重的生态环境需水矛盾。

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Research on Water Requirement for Port-neighboring Ecological environment

Song Xiangqun，Yu Haiyang，Wang Wenyuan，Zhang Qi
(The Faculty of Infrastructure Engineering, Dalian University of Technology, Dalian Liaoning 116024, China)

Abstract:Port construction changes the factors of ecological environment within a region. In order to research its influence on water requirement for regional ecological environment, based on Dalian Changxing island, the port-neighboring area has been classified from the aspect of landscape ecology by using RS, GIS techniques and ecological method. And the calculation models have been built to meet the water requirements for vegetation, wetland and urban area. The above different water requirements are compared to analyze the increment of water demand due to the exploitation of port-neighboring area. The above analysis will serve as a port construction decision basis from the aspect of water requirement for ecological environment.

Key words：port-neighboring; water demand for ecological environment; RS; GIS; landscape ecology

作者简介：宋向群（1959-），女，教授，主要从事港口规划研究。

基金项目：国家自然科学基金（51279026）生态型港口时空演化机理与开发模式研究。

收稿日期：2015-03-18

DOI:10.16403/j.cnki.ggjs20160115

中图分类号：U652.3

文献标识码：A

文章编号：1004-9592（2016）01-0063-04