基于生態(tài)服務(wù)功能的城市湖泊生態(tài)系統(tǒng)需水量分析

1、第14卷第3期水土保持研究Vol.14No.3 2007年6月Research of Soil and Water Conservation J un.,20073基于生態(tài)服務(wù)功能的城市湖泊生態(tài)系統(tǒng)需水量分析馮翠紅1,劉海學(xué)2,余建民1(1.華北水利水電學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院,鄭州450011;2.中化地質(zhì)礦山總局河南地質(zhì)勘查院,鄭州450011摘要:城市湖泊生態(tài)系統(tǒng)具有提供產(chǎn)品、調(diào)節(jié)生態(tài)、文化娛樂和生命支持等四大服務(wù)功能,城市湖泊生態(tài)系統(tǒng)需水量的確定應(yīng)以維護(hù)其生態(tài)服務(wù)功能,實(shí)現(xiàn)湖泊生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展為目標(biāo)。闡述了城市湖泊生態(tài)系統(tǒng)需水量的內(nèi)涵,提出了需水量計(jì)算應(yīng)遵循功能性原則、生態(tài)優(yōu)先原則、兼容性

2、原則和動態(tài)性原則,建立了基于生態(tài)服務(wù)功能的城市湖泊生態(tài)系統(tǒng)需水量動態(tài)模擬模型,最后進(jìn)行了實(shí)證檢驗(yàn)。關(guān)鍵詞:城市湖泊;生態(tài)系統(tǒng);服務(wù)功能;需水量;模擬中圖分類號:X171.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:100523409(20070320161202The W ater R equirement Analysis of LakeEcological System B ased on Ecological ServiceFEN G Cui2ho ng1,L IU Hai2xue2,YU Jian2min1(1.Geotechnical Engineering,N orth Chi na I nstit

3、ute of W ater Conservancy and H y d roelect ric Power,Zhengz hou450011;2.Henan Geological Ex ploration I nstitute of China Chemical Geolog y&Mining B ureau,Zhengz hou450011,China Abstract:The city lake ecological system have four service f unctions:supplying product,adjusting ecology,culture and

4、 enter2 tainment,sustaining lives.The determination of the city water requirement of lake ecological system must consider maintaining the ecological service f unction and the sustainable development of the lake ecological system.The meaning of the water require2 ment of city lake ecological system i

5、s represented;the f unctional principle,ecology priority principle,compatibility principle and dynamic principle for calculating the water requirement are put forward;the dynamic simulation model of water requirement of lake ecological system based on ecological service is built.At last,verifies the

6、 theory.K ey w ords:the city lake;ecological system;service functions;water requirement;simulation1引言湖泊水資源可持續(xù)利用與生態(tài)環(huán)境效應(yīng)調(diào)控已成為湖泊及流域科學(xué)和城市水利科學(xué)發(fā)展的一個(gè)重要方向1。城市湖泊是城市水文系統(tǒng)的重要組成部分,是理想城市模式的重要組成部分,是聯(lián)系自然生態(tài)系統(tǒng)與人口社會系統(tǒng)的重要紐帶2。城市湖泊承擔(dān)著防汛、供水、調(diào)節(jié)城市生態(tài)平衡和美化城市風(fēng)貌等重要職能3。但人們在規(guī)劃、開發(fā)利用城市湖泊的過程中,往往僅注重它是資源和功能的載體,而忽視了如何維護(hù)它的生態(tài)服務(wù)功能?？茖W(xué)合理的確定

7、城市湖泊生態(tài)系統(tǒng)需水量,對于維護(hù)它的生態(tài)服務(wù)功能,可持續(xù)利用城市湖泊水資源,實(shí)現(xiàn)它的生態(tài)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值具有重要的意義。2城市湖泊生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能定位生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能是指生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)過程所形成及所維持的人類賴以生存的自然環(huán)境條件和效用4。它不僅包括各類生態(tài)系統(tǒng)為人類所提供的食物、醫(yī)藥及其它工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)原料,更重要的是支撐與維持了地球的生命支持系統(tǒng)5。城市湖泊是城市水文系統(tǒng)的重要組成部分,由于人類活動的影響,城市湖泊生態(tài)系統(tǒng)具有不同于自然湖泊的特點(diǎn):湖岸帶及湖體人工化,湖盆淺,換水周期長,珍稀物種、挺水及浮水水生植物缺失等。城市湖泊在保留自然湖泊生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的同時(shí),又增加了一些人為的服務(wù)功能

8、。根據(jù)城市湖泊生態(tài)系統(tǒng)提供服務(wù)的機(jī)制、類型和效用,把城市湖泊生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能劃分為提供產(chǎn)品、調(diào)節(jié)生態(tài)、文化娛樂和生命支持四大類3,6,7。城市湖泊提供的產(chǎn)品主要包括城市生活及生產(chǎn)用水、水產(chǎn)資源等。城市湖泊的生態(tài)調(diào)節(jié)作用主要包括:雨洪調(diào)節(jié)、水資源蓄積、水質(zhì)凈化、空氣凈化、區(qū)域氣候調(diào)節(jié)等。城市湖泊的文化娛樂功能主要包括:教育價(jià)值、景觀價(jià)值、文化遺產(chǎn)價(jià)值、娛樂和生態(tài)旅游價(jià)值等等。城市湖泊的生命支持功能是指維持自然生態(tài)過程與區(qū)域生態(tài)環(huán)境條件的功能,是上述服務(wù)功能產(chǎn)生的基礎(chǔ)。如:土壤形成與保持、光合產(chǎn)氧、氮循環(huán)、水循環(huán)、初級生產(chǎn)力和提供生境等。3城市湖泊生態(tài)系統(tǒng)需水量的概念與計(jì)算原則3.1城市湖泊生態(tài)

9、系統(tǒng)需水量的概念根據(jù)城市湖泊生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的定位,可將城市湖泊生態(tài)系統(tǒng)需水量定義為:為保證特定發(fā)展階段的城市湖泊生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),維護(hù)其生態(tài)服務(wù)功能,保護(hù)生物多樣性,維護(hù)并逐步改善生態(tài)環(huán)境,保障一定范圍的社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)用水,為3收稿日期:2006206209基金項(xiàng)目:國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃資助項(xiàng)目(2002AA2Z4291;華北水院青年科研基金(HSQJ2004005作者簡介:馮翠紅(1973-,女,華北水利水電學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院,碩士,主要從事水文水資源方面的教學(xué)和研究。實(shí)現(xiàn)其生態(tài)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值所需的一定質(zhì)量的水量。3.2基于生態(tài)服務(wù)功能的城市湖泊生態(tài)系統(tǒng)需水量的計(jì)算原則城市湖泊生態(tài)

10、系統(tǒng)需水量的計(jì)算要遵循功能性原則、生態(tài)優(yōu)先原則、兼容性原則和動態(tài)性原則。(1功能性原則。城市湖泊生態(tài)系統(tǒng)需水量的確定必須以維護(hù)其服務(wù)功能,實(shí)現(xiàn)湖泊生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展為目標(biāo)。為維護(hù)提供產(chǎn)品的服務(wù)功能,城市湖泊必須滿足一定范圍的社會經(jīng)濟(jì)需水量;為維護(hù)調(diào)節(jié)功能,必須滿足湖泊自身存在的需水量、水面和水生植物蒸散發(fā)量、湖泊凈化需水量;為維護(hù)文化功能,必須滿足景觀和娛樂需水量;為維護(hù)生命支持功能,必須滿足湖泊滲漏需水量和生物棲息地的需水量。(2生態(tài)優(yōu)先原則。城市湖泊生態(tài)系統(tǒng)需水量計(jì)算應(yīng)以保證湖泊的生態(tài)環(huán)境功能,恢復(fù)和維護(hù)其生物多樣性和生態(tài)完整性為前提8,應(yīng)優(yōu)先滿足湖泊自身存在的需水量、水面和水生植物蒸散發(fā)

11、量、湖泊滲漏需水量、湖泊凈化需水量和生物棲息地的需水量9。(3兼容性原則。由于水資源的特殊性,城市湖泊生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能具有兼容性,從而使得各項(xiàng)需水量中部分類型具有兼容性。兼容性主要表現(xiàn)在:湖泊自身存在的需水、生物棲息地的需水和景觀娛樂需水三者兼容;湖泊向城市的供水過程與湖泊的水體凈化循環(huán)過程兼容,社會經(jīng)濟(jì)需水與湖泊凈化需水兼容。(4動態(tài)性原則。動態(tài)性原則表現(xiàn)在:由于各項(xiàng)需水量的動態(tài)變化,如社會經(jīng)濟(jì)需水隨季節(jié)和人口、經(jīng)濟(jì)規(guī)模的變化,以及湖泊蒸散發(fā)需水的季節(jié)性變化,導(dǎo)致城市湖泊生態(tài)系統(tǒng)需水量的動態(tài)變化;城市湖泊水深隨著降雨的豐枯和防洪要求發(fā)生季節(jié)性變化。4基于生態(tài)服務(wù)功能的城市湖泊生態(tài)系統(tǒng)需水量

12、動態(tài)模擬4.1總體思路基于生態(tài)服務(wù)功能的城市湖泊生態(tài)系統(tǒng)需水量動態(tài)模擬的總體思路是,以維護(hù)城市湖泊生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能,實(shí)現(xiàn)城市湖泊的生態(tài)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值為目標(biāo),遵循功能性原則、生態(tài)優(yōu)先原則、兼容性原則和動態(tài)性原則,將城市湖泊水體循環(huán)過程與一定范圍的社會經(jīng)濟(jì)需水過程統(tǒng)一運(yùn)行,推求出既滿足城市湖泊生態(tài)環(huán)境需水又滿足一定范圍社會經(jīng)濟(jì)需水的城市湖泊生態(tài)系統(tǒng)需水過程。4.2模擬模型(1目標(biāo)函數(shù)為提高水資源的利用效率,擬定城市湖泊生態(tài)系統(tǒng)需水量最小。min W =nt =1W (t (1式中:W (t 第t 時(shí)段城市湖泊生態(tài)系統(tǒng)需水量(m 3;為防止對湖泊生態(tài)系統(tǒng)的破壞,擬定城市湖泊各時(shí)段始末最大水位差最小

13、。minh =min max|h (t +1-h (t |(2式中:h (t +1城市湖泊第t 時(shí)段末水位(m ;h (t 城市湖泊第t 時(shí)段初水位(m 。(2約束條件水量平衡約束V (t +1=W (t -EW (t -L O (t -DL (t -D R (t (3式中:V (t +1第t 時(shí)段末城市湖泊的蓄水量(m 3;EW (t 第t 時(shí)段城市湖泊供水范圍內(nèi)的社會經(jīng)濟(jì)需水量(m 3;L O (t 第t 時(shí)段城市湖泊的蒸散發(fā)需水量與滲漏需水量之和(m 3;DL (t 因防洪度汛,第t 時(shí)段城市湖泊的棄水量(m 3;D R (t 因水質(zhì)超標(biāo),第t 時(shí)段城市湖泊的排水量(m 3。庫容約束:V

14、 min V (t V max (t (4式中:V (t 第t 時(shí)段初城市湖泊的蓄水量(m 3;V min 城市湖泊的最小蓄水量(城市湖泊自身存在的需水量、生物棲息地的需水量和景觀娛樂需水量三者的最大值(m 3;V max (t 第t 時(shí)段城市湖泊的允許最大蓄水量(m 3,汛期為汛限水位以下的庫容,其余時(shí)期為正常蓄水位以下的庫容。排水約束:若C 2(t >C s (t ,則(W (t -V (t C 1(t +V (t C 2(t -W (t C s (t C 2(t -C s (t D R (t V (t (5若C 2(t C s (t ,則D R (t =0(6式中:C 1(t 第t

15、 時(shí)段城市湖泊補(bǔ)充新鮮水體中污染物的濃度(mg/L ;C 2(t 第t 時(shí)段城市湖泊中污染物的濃度(mg/L ;C s (t 第t 時(shí)段污染物濃度控制標(biāo)準(zhǔn)(mg/L 。變量非負(fù)約束。5應(yīng)用實(shí)例某生態(tài)住宅小區(qū)以城市生態(tài)水系工程為基礎(chǔ),形成湖面、濱湖綠地和環(huán)湖住宅區(qū)的幽美環(huán)境,以提升城市品位。該生態(tài)小區(qū)湖泊除了具有調(diào)節(jié)城市生態(tài)平衡和美化城市風(fēng)貌等功能外,還將作為城市非飲用水(居民生活雜用和市政用水水源。本次研究擬計(jì)算該生態(tài)小區(qū)湖泊滿足上述生態(tài)服務(wù)功能的生態(tài)系統(tǒng)需水量。由于該生態(tài)小區(qū)湖泊是人工城市湖泊,建成之后要一次性蓄滿。在運(yùn)行階段,為維護(hù)湖泊提供產(chǎn)品的服務(wù)功能,必須滿足一定范圍的社會經(jīng)濟(jì)需水量(

16、居民生活雜用和市政用水;為維護(hù)調(diào)節(jié)城市生態(tài)平衡的功能,必須滿足湖泊水面和水生植物蒸散發(fā)量、湖泊凈化需水量;為維護(hù)美化城市風(fēng)貌的功能,必須滿足景觀和娛樂需水量;為維護(hù)生命支持功能,必須滿足湖泊滲漏需水量和生物棲息地的需水量。根據(jù)城市湖泊生態(tài)系統(tǒng)需水量的計(jì)算原則,該生態(tài)小區(qū)湖泊生態(tài)系統(tǒng)需水量必須滿足湖泊最小蓄水(湖泊自身存在的需水量、生物棲息地的需水量和景觀娛樂需水量三者的最大值、湖泊蒸散發(fā)和滲漏需水、小區(qū)的社會經(jīng)濟(jì)需水要求。多年平均條件下該生態(tài)小區(qū)湖泊最小蓄水量為240.0萬m 3,湖泊蒸散發(fā)和滲漏需水量為214.6萬m 3,2010年和2030年小區(qū)的社會經(jīng)濟(jì)需水量分別為600.5萬m 3和8

17、39.0萬m 3。本次分析采用長系列操作,資料系列為19512000年。假定該生態(tài)小區(qū)湖泊水質(zhì)滿足水質(zhì)要求。根據(jù)基于生態(tài)服務(wù)功能的城市湖泊生態(tài)系統(tǒng)需水量動態(tài)模擬模型,模擬計(jì)算得2010年和2030年該生態(tài)小區(qū)湖泊生態(tài)系統(tǒng)需水量分別為4005.3萬m 3和4244.2萬m 3。該生態(tài)小區(qū)湖泊生態(tài)系統(tǒng)逐月需水量如表1所示:表1生態(tài)小區(qū)湖泊生態(tài)系統(tǒng)需水量模擬計(jì)算成果萬m 3水平年1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月2010年314.3317.6337.3340.7336.3359.0332.9326.8353.9339.0324.6322.92030年323.8327.7353.1

18、358.3354.0389.8359.8351.8385.3358.3343.7338.66結(jié)論城市湖泊生態(tài)系統(tǒng)具有提供產(chǎn)品、調(diào)節(jié)生態(tài)、文化娛樂和生命支持等四大服務(wù)功能。城市湖泊生態(tài)系統(tǒng)需水量的確定應(yīng)以維護(hù)其生態(tài)服務(wù)功能,實(shí)現(xiàn)湖泊生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)(下轉(zhuǎn)第165頁261水土保持研究第14卷料。5具體的生態(tài)恢復(fù)工藝5.1土質(zhì)邊坡(115m 路堤邊坡。以草本為主,在坡肩和坡角栽植小灌木。采用條播或者噴播方式在坡面上種植生命長短不一的各類豆科禾本科牧草。牧草應(yīng)具有根系發(fā)達(dá),固土能力強(qiáng),對環(huán)境要求不嚴(yán),抗性強(qiáng)、耐瘠薄的特征,類型可選擇冰草、野牛草、羊草、紫花苜蓿、沙打旺、小冠花等。(2510m 路堤邊坡

19、。采取灌木為主,草本為輔的植被恢復(fù)措施。設(shè)計(jì)在坡面上以株行距0.5m ×0.5m 或0.5m ×1.0m 栽植灌木,品字形排列,灌木類型可選擇錦雞兒、紫穗槐、珍珠梅等。中間套種或間種生命長短不一的各類豆科禾本科牧草,草本選擇沙打旺、紫花苜蓿、草木樨、無芒雀麥等。(310m 以上路堤邊坡。在采取網(wǎng)格面墻的工程措施穩(wěn)定邊坡后,再在坡面上栽植以灌木為主的護(hù)坡植物。灌木類型可選擇錦雞兒、紫穗槐、珍珠梅等。坡角或平地栽植喬木數(shù)行,樹種選擇山楊、楊槐、旱柳等。(4路塹邊坡。對于寬度小于5m 的路塹邊坡可直接進(jìn)行植被恢復(fù),對于寬度大于5m 的路塹邊坡應(yīng)先采取修建擋土墻的方式穩(wěn)定邊坡后,再

20、采取以藤本為主,灌木為輔的植被恢復(fù)措施。坡角種植1行藤本植物,路塹上部平坦處可栽植小灌木。藤本選用爬山虎、牽牛、蝙蝠葛、野葡萄等,灌木可選擇丁香、珍珠梅、錦雞兒等。5.2石質(zhì)邊坡(1坡度<45°,寬度<5m 的路塹邊坡。在坡角平臺挖種植池,種植向上爬的攀緣植物,在邊坡頂挖種植槽栽植向下垂掛的植物,造成上垂下爬的效果;按照一定圖案和比例規(guī)劃,在邊坡上挖種植池,客土種植小灌木以點(diǎn)綴坡面,可形成一定的路域景觀。藤本選用爬山虎、牽牛、蝙蝠葛、野葡萄、大瓣鐵線蓮等,灌木可選擇丁香、珍珠梅、錦雞兒等。(2坡度>45°,寬度<5m 的路塹邊坡。在坡角平臺挖種植池,

21、種植向上爬的攀緣植物,在邊坡頂挖種植槽栽植向下垂掛的植物,通過上爬下垂而形成覆蓋整個(gè)邊坡的效果。藤本選用爬山虎、牽牛、蝙蝠葛、野葡萄、大瓣鐵線蓮等。(3寬度>5m 的路塹邊。較好的做法是先采取漿砌石護(hù)面墻等工程措施對邊坡進(jìn)行防護(hù),再在坡角、邊坡臺面和坡頂種植攀緣植物和花灌木,攀緣植物最終能覆蓋坡面,形成軟硬質(zhì)混合景觀,改善視覺效果。藤本選用爬山虎、牽牛、蝙蝠葛、野葡萄、大瓣鐵線蓮等。6結(jié)語生態(tài)脆弱區(qū)主要分布在我國經(jīng)濟(jì)落后地區(qū),這些地區(qū)不僅自然環(huán)境狀況惡劣,經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平也比較低。目前國內(nèi)外普遍采用地一些先進(jìn)邊坡生態(tài)恢復(fù)技術(shù)投資都比較大,對技術(shù)設(shè)施水平要求也比較高,在這些地區(qū)很難大范圍推廣,

22、尤其對于一些由地方政府或企業(yè)投資建設(shè)的地方性道路工程,很難拿出大量資金用于道路邊坡的生態(tài)修復(fù)工程,因此,研究適用于生態(tài)脆弱區(qū),投資較少,技術(shù)要求不高,后期管理較粗放,且能達(dá)到較好生態(tài)恢復(fù)效果的邊坡生態(tài)恢復(fù)技術(shù)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。沙蔚鐵路生態(tài)恢復(fù)實(shí)踐中并未對邊坡的生態(tài)恢復(fù)技術(shù)進(jìn)行重大改革和創(chuàng)新,只是在充分調(diào)查道路沿線邊坡立地條件的基礎(chǔ)上,考慮經(jīng)濟(jì)技術(shù)可行性和企業(yè)的承受能力,按照適地適樹,以鄉(xiāng)土樹種為主的原則對傳統(tǒng)邊坡生態(tài)恢復(fù)技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)優(yōu)化,對適用植被進(jìn)行了優(yōu)化選擇,形成了自己的一套完整的邊坡生態(tài)恢復(fù)技術(shù)體系,對各類邊坡進(jìn)行了量化分類,分別采取有針對性地生態(tài)恢復(fù)技術(shù),達(dá)到了恢復(fù)生態(tài)環(huán)境和節(jié)

23、省投資的雙重目的,具有較強(qiáng)的可操作性,希望能為今后生態(tài)脆弱區(qū)的邊坡生態(tài)恢復(fù)實(shí)踐提供一定的參考。參考文獻(xiàn):1孫書存,包維楷,等.恢復(fù)生態(tài)學(xué)M .北京化學(xué)工業(yè)出版社,2004.11.2潘樹林,王麗等.論邊坡的生態(tài)恢復(fù)J .生態(tài)學(xué)雜志,2005,(2:217-221.3劉龍.平西高速公路生態(tài)恢復(fù)適用技術(shù)研究J .公路,2005,(2:139-143.4鄧輔唐,呂小鈴,鄧輔商.高速公路邊坡生態(tài)恢復(fù)研究進(jìn)展J .中國水土保持,2005,(11:48-50.5何兵,陳其兵,曾得剛,等.高速公路建設(shè)中生態(tài)恢復(fù)理論及其應(yīng)用研究J .四川林業(yè)科技,2005,26(4:66-69.6董建輝.山區(qū)高速公路生態(tài)恢復(fù)研究J .陜西林業(yè)科技,2005,(3:52-54.7王淑芬,龔雪琴.山區(qū)高等級公路邊坡景觀設(shè)計(jì)J .北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2005,31:61-63.(上接第162頁展為