需水量比（共6篇）
需水量比 篇1
摘要：为克服岩土工程勘察中饱和粉土的取样和送样过程中产生的震动及水分损失对其原始含水量及孔隙比的影响,通过建立土体介电常数与孔隙比及含水量的关系,采用TDR测试方法,实现对不同深度饱和粉土的含水量及孔隙比的原位测试。经与室内土工试验结果相比较,表明TDR方法测试结果可靠,且测试速度快、对土层扰动小,是一种值得推广的原位测试手段。
关键词：TDR,含水量,孔隙比,原位测试
0 引言
粉土在东南沿海地区广泛分布，且土层多位于地下水位以下，处于饱和状态，其孔隙比及含水量指标对于粉土物理力学性质研究、岩土工程设计及抗震稳定性分析等都具有重要意义。目前岩土工程勘察中普遍采用钻孔取样结合室内土工试验的方法确定土的含水量和孔隙比，而取样和送样过程中产生的震动和水分损失会对土样含水量及孔隙比产生影响，不能反映土样原始情况，尤其是粉土这类摇振反应迅速的砂性土，其孔隙比及含水量极易受影响。同时，烘干法试验所需时间较长，且无法在现场完成。因此，寻求一种快速、准确、扰动小的含水量及孔隙比原位测试方法是值得研究的课题。
时域反射法(Time Domain Reflectometry,TDR)是一种基于电磁波的远程遥感测试技术，最初被用于定位通讯电缆的缺陷[1]。近来TDR方法被广泛应用于岩土工程领域，通过测试土体介电特性来获得物理性质指标。理论研究上许多学者建立了土体介电常数与含水量的关系模型，其中经验模型[2]具有一定的适用性，但缺乏理论依据;扩散模型[3,4]是根据分子极化和扩散理论提出来的，公式比较简洁且各参数物理意义比较明确，但该模型只将各种介质进行简单的混合，而没有考虑介质的电学特性;体积混合模型[5,6,7,8,9,10,11]在形式上表现为混合介质介电参数可用各组分介电参数的体积加权平均来计算，但模型参数需要通过拟合来得到，使用不方便。
利用已建立的模型，TDR方法被用于测试土体体积含水量[2]和土体电导率[12]。随后研究中TDR技术被用于测试土体质量含水量和干密度[13,14]，但这些现场测试局限于地表浅层土体。本文重点在于从极化机理出发，建立一种物理意义明确、应用便捷的土介质介电常数与土的孔隙比和含水量之间的关系，作为现场测试土体的孔隙比和含水量的理论依据，并利用自行研发的现场测试装置，对不同深度饱和粉土的含水量及孔隙比进行原位测试，而不仅局限于地表土层，并与规范土工试验结果对比，以验证本文理论模型的可靠性及TDR原位测试方法的可行性。
1 电磁波与混合介质的相互作用
当电磁波作用在单一介质上时，在介质中会产生有效分子电场，介质在该电场作用下发生极化，从而表现出与极化前不同的电磁性质。
描述介质极化程度的基本物理量电极化强度P可表示为:
式中:χe为介质的电极化率;ε0为真空的介电常数;E为电场强度。
同时，电位移D可表示为:
式中:εr为介质相对介电常数。
对于单一介质，有效分子电场为[15]:
分析介质中电子或等离子体在电场中的动力特性，综合考虑电子极化和等效电子极化效果，有[16]:
式中:N为介质每单位体积的分子数;e为电子电量;m为电子质量;ω为电磁场频率;k为回复力弹性系数;ε∞为介质光频介电常数。将上式变形约分，得到单一介质介电常数的表达式:
土是由土颗粒、水和空气组成的混合介质，因此必须在电磁波与单一介质相互作用模型的基础上研究电磁波与混合介质相互作用的模型。如果考虑混合介质中各组分的相互作用以及该组分分子间的相互作用，则有效分子电场为:
综合考虑电子极化和等效电子极化效果，对于混合介质，有:
对于混合介质中某一组分，有:
考虑到混合介质中参与极化的电子(包括等效后增加的极化电子数)来源于各组成成分，可根据各组分自由电子的体积比例得到:
式中:vi为各组分的体积含量。联合式(7)、式(8)、式(9)，可得:
其中:Ai=εri+εri-21vi。这便是混合介质介电常数的表达式。
对于饱和粉土，是由土颗粒和土中水组成的两相介质。而水的介电常数为81，土颗粒的介电常数变化不大，为3～5[17]，本文取5，代入式(10)，便可得到饱和粉土的介电常数表达式:
其中:θ为体积含水量。而在饱和状态下，θ=e1+e=w1+dswds，其中e为孔隙比，ds为土颗粒比重，不同土类的比重变化不大，对于粉土，通常为2.70左右，因此通过式(11)可以建立起饱和粉土介电常数与孔隙比及质量含水量之间的关系。
2 介电常数的测定
雷达是TDR系统的雏形，对雷达而言，由无线电发射机发射能量脉冲，通过测定能量在被测对象上反射的回波时间而对其进行定位。TDR系统的工作原理与此类似，其本质可理解为一种闭合回路雷达，由信号发生器激发的电脉冲以电磁波的形式在同轴传输线及测试探头中传播，当遇到阻抗不连续面时，就会发生反射，反射波形由数据采集器进行记录。通过对反射波形的分析，便可得到介电常数、电导率等信息。
电磁波在同轴传输线中的传播速度v与传输线内外导体之间填充介质的表观介电常数εra有关[18]，如式(12)所示，其中c为真空中的光速。
电磁波经同轴传输线传播后进入插入介质中的测试探头，并在探头起始与结束的阻抗不连续面发生反射。典型的TDR反射波形如图1所示，通过这两处反射点的时间差Δt，可以得到电磁波在介质中的传播速度，为:
式中:Lp为探头的长度。将式(13)代入式(12)，得到表观介电常数为:
而对于绝大多数土介质，其表观介电常数εra=εr[2]。因此，通过TDR方法测得的饱和粉土介电常数，结合式(11)，现场便可得到饱和粉土的孔隙比与含水量。
3 试验仪器及试验方法
本次试验信号发生器为美国Campbell Scientific公司的TDR100测试仪，测试探头为自行研发的深层饱和无粘性土孔隙比现场测试装置[19]，如图2所示。该探头为三针式，探针长度350mm，直径6mm，间距30mm，由于探针直径较小，因此插入土体时对其扰动小，且配有可变长度连接杆件，可适用于不同深度土层的测试。
试验时，首先通过钻机钻孔至试验土层，如图3(a)所示，用取土器取样。然后插入TDR测试探头，如图3(b)所示。开启试验设备，发射电磁波信号，利用计算机接收并记录相应的TDR反射波形，完成该深度处的试验。随后继续钻进，进行下一深度处的试验，对不同深度的土层进行测试。通过对TDR反射波形的分析得到试验土层的介电常数，利用已建立的饱和粉土介电常数表达式，得到试验土层的含水量及孔隙比，并与取回试样的室内土工试验结果比较，验证TDR测试方法的可靠性。
4 试验结果及分析
本次试验对杭州滨江区两个工程场地饱和粉土层进行测试，场地地貌属钱塘江三角洲冲海积平原。其中工程1测试孔号为ZK23、ZK42及ZK66，其稳定地下水位分别为0.50m、0.35m及0.20m，测试深度均为2m、4m、6m、8m。工程2测试孔号为ZK6及ZK40，其稳定地下水位分别为0.50m及0.10m，测试深度分别为3m、5m、7m、9m及2m、4m、6m、8m。因此试验土层均位于地下水位以下，处于饱和状态。工程1、工程2试验所涉及的地基土层物理力学参数分别如表1、表2所示。
图4～图5所示为土层孔隙比及含水量测试结果随深度的变化，图6～图7所示为室内土工试验与TDR方法孔隙比及含水量测试结果的误差分析。由图可见:
(1)对于不同测试孔，不同深度土层孔隙比测试结果，TDR方法与室内土工试验相对误差基本在3%之内，准确度较高。
(2)对于不同测试孔，不同深度土层含水量测试结果，TDR方法与室内土工试验绝对误差基本在3%之内，其准确度亦能满足实际工程要求。且TDR方法测得的含水量略高于室内土工试验，这是由于TDR方法属于原位测试，没有取样和送样的过程，避免了土样的水分损失，测试结果更符合土层原始状态。
5 结语
本文从电磁波的基本理论出发，根据土中粒子的极化机制，通过对土颗粒细观电磁运动特性分析，推导出电磁波作用下饱和粉土的介电常数与孔隙比及含水量的关系模型。并利用TDR测试技术，对不同深度的饱和粉土层进行了测试，得出如下结论:
(1)经与室内土工试验结果比较，公式(11)所建立的饱和粉土介电常数与含水量及孔隙比的关系方程应用于实际工程所得的结果准确可靠，且公式理论意义明确，实际应用方便快捷。
(2)与以往TDR测试局限于地表土层不同，本文自行研发的现场试验装置能进行不同深度土层的原位测试，测试速度快，现场便能测得饱和粉土的孔隙比及含水量，结果准确度较高，对土层扰动小，避免了取样与送样过程中的震动与水分损失对含水量及孔隙比可能造成的影响，为岩土工程勘察提供了新的原位测试方法。
进一步的研究工作可从如下两方面继续深入:
(1)通过研究不同性质土层的介电特性与物理性质指标的关系，将本文理论模型应用于粘性土等其它类型的工程地质土层。
(2)本文模型适用于饱和土层，如何利用本文方法测试非饱和土层的孔隙比及含水量还有待进一步研究。
定额法计算灌溉需水量 篇2
灌溉需水量采用定额法计算时还应注意作物的种植结构及复种指数。特别指出定额法求得灌溉需水量为净灌溉需水量, 一般根据实际需要的是毛灌溉需水量, 因此还应再考虑灌溉水利用系数的问题。下面以实际例子来计算灌溉需水量。分析区种植作物为玉米, 种植面积为92.998 8 hm2, 耕作制度为一年一熟。
1 灌溉用水定额
1.1 灌溉分区及灌溉方式
根据《河北省用水定额第1部分:农业用水 (DB13/T1161.1—2009) 》[1]中的表1河北省灌溉用水定额编制分区表, 分析区所处分区名称为冀西北山间盆地 (分区编号Ⅱ) 。
根据《灌溉与排水工程设计规范 (GB50288—99) 》[2]和《节水灌溉工程技术规范 (GB/T50363-2006) 》[3], 分析区内采用“机井+水泵提水”的方式灌溉, 区内布井均匀, 地埋管连接喷灌设备进行灌溉, 地埋管道只设置干管一级管道。
1.2 灌溉用水基准定额
根据灌溉分区、种植作物、保证率和土壤性质来确定灌溉用水基准定额。分区内种植作物全部为玉米, 保证率为50%、75%, 土壤性质为壤土, 按以上条件参考河北省用水定额确定不同保证率下分析区灌溉用水基准定额为:P=50%为90 m3/667 m2, P=75%为135 m3/667 m2。
1.3 调节系数
根据灌溉分区及灌溉方式确定分析区调节系数。分析区取水水源为地下水, 灌溉规模大于13.33 hm2, 采用喷灌方式灌溉, 参考河北省用水定额表2农业灌溉用水基准定额调节系数, 确定分析区规模调节系数1.10、工程形式调节系数0.50、水源调节系数1.00。
1.4 灌溉用水定额
灌溉用水基准定额和调节系数的乘积即为灌溉用水定额。根据以上数据计算, 不同保证率下的灌溉用水定额为:P=50%为49.5 m3/667 m2, P=75%为74.25 m3/667 m2。
2 灌溉水利用系数
分析区灌溉水利用系数计算公式如下:η=ηs×ηf
式中, η—灌溉水利用系数, ηs—渠系 (管道) 水利用系数, ηf—田间水利用系数, ηf=0.90。分析区采用打井管灌式灌溉, 管道水利用系数取0.98, 由此计算得灌溉水利用系数为0.882。
3 灌溉需水量
3.1 净灌溉需水量
净灌溉需水量是不包括损失的灌溉需水量, 指完全用于作物的水量, 采用定额法计算, 公式如下:Wj=AM
式中, Wj—净灌溉需水量 (万m3) , A—灌溉面积, 为92.998 8 hm2, M—灌溉用水定额 (m3/667 m2) 。经计算分析区不同保证率下的净灌溉需水量为:P=50%为6.91万m3, P=75%为10.36万m3。
3.2 毛灌溉需水量
毛灌溉需水量是包含损失在内的灌溉需水量, 即除作物吸收的水量, 还包括输水过程和灌入田间的损失水量, 采用下式计算:W=Wj/η
式中, W—毛灌溉需水量 (万m3) 。通过上式计算分析区不同保证率下的毛灌溉需水量为:P=50%为7.83万m3, P=75%为11.75万m3。
4 结论与讨论
灌溉需水量由三方面因素决定, 即灌溉用水定额、灌溉面积和灌溉水利用系数, 其中关键的是确定灌溉用水定额。灌溉用水定额由2个因素决定, 即灌溉用水基准定额和调节系数。灌溉用水基准定额一般都采用既定标准里的数值, 也是适合这一地区的经验值, 决定因素为作物种类、保证率和土壤质地。调节系数的决定因素有水源类型、灌溉形式和灌区规模。定额法计算灌溉需水量方法简单, 但通过上述分析灌溉需水量各个因素及其因素的因素, 总结定额法计算灌溉需水量所要考虑的影响因素包含水源类型、灌溉形式、灌区规模、作物种类、土壤质地、保证率、灌溉面积、种植结构、复种指数和灌溉水利用系数等。这些影响因素在定额法计算灌溉需水量时应当首先考虑清楚, 通过各影响因素的确定才能得到灌溉需水量正确的计算结果。
参考文献
[1]DB13/T1161-2009河北省用水定额[S].北京:中国标准出版社, 2009.
[2]GB50288-99灌溉与排水工程设计规范[S].北京:中国标准出版社, 1999.
四河村供水工程需水量的计算 篇3
根据《规范》规定, 农村供水工程设计年限一般可按10年~20年计算, 本工程设计年限按10年考虑。设计保证率为90%。通过年限的设计要求和保证率的设计要求以达到工程设计的基本要求, 从而为工程下一步的预算做准备。通常情况下, 工程预算的基本状况应该从设计水平年和设计保证率出发。
对于村供水工程来讲, 一般需要达到至少10年的设计使用年限, 由于村供水工程直接或间接受更大型的供水工程的影响, 一般不需要超额设计。
2 设计用水量计算
2.1 用水标准
根据四河村生活用水现状, 结合《辽宁省农村饮水安全工程总体规划及“十一五”规划技术大纲》及《乡镇供水》中有关规定, 将本工程人畜最高用水标准列入表1。
2.2 用水量计算
用水量的基本考虑应考虑到两大方面的基本需求, 即人口用水需求和牲畜用水需求。在基本满足了这两大方面的用水需求的前提下, 工程造价有条件的基础上可以进行适当扩容计算。
四河村计划使用水人口及畜类数量见表2。
用水量计算公式:
1) 居民生活用水量Q1
式中:
q1为村镇居民最高用水定额 (L/人.d)
p1为设计人口 (人)
n为设计年限取10年
p0为现状人口 (人)
α为人口增长率取α=12‰。
则依据公式计算:
代入上式:Q1=60/1000×1713=102.8 (m3/d)
2) 牲畜用水量计算Q2
q2q3为分别为大小牲畜最高用水定额 (L/头.d)
p2p3为分别为大小牲畜头数 (头)
依据公式计算:Q2= (60×279+15×320) ×10-3=21.5 (m3/d)
2.3 管网漏失水量Q3
4未预见用水量Q4
通过用水量的计算, 可以保证全村的用水量维持在一个平衡的状态。其中包括居民饮用水量、牲畜用水量。而未做考虑的是农田灌溉用水, 对于农田灌溉用水采用的是农田自由灌溉系统, 因此在此供水工程上不做考虑。用水标准必须达到辽宁省关于饮用水的标准。再综合考虑人口及人口增长的情况, 做出比较全面细致的计算, 以满足未来十年内饮用水量的基本需求。
3 消防用水量
本供水工程设计主要解决当地的人畜饮水困难问题。受益区内虽有一些企业以及小型加工业存在, 但分布相对分散, 密度不大, 设计时不再单独考虑消防用水量, 一旦需要, 可通过限制或减少其他用水的方式来满足消防用水要求。为此, 在初步设计阶段暂不计入这部分用水量, 即5=0。
4 供水规模
供水规模即设计供水能力, 也就是工程运行过程中所应达到的最大生产能力, 包括生活用水量、牲畜用水量、管网漏失与未预见水量以及消防用水量之和。即:
据此, 本工程实际供水规模按180m3/d进行设计。
5 最高时供水量Qh
Kh-时变化系数, 取Kh=2
依据公式计算:Qh=Kh Qd/24=2×164.2/24=15.0 (m3/h)
供水规模的综合考虑应该做到全面并且彻底, 基本考虑的层面相加起来, 达到供水的总需求量, 从而保证本次供水工程的设计要求, 设计过程, 必须搜到到真实准确的数据, 对于数据有疏忽, 数据存在不确定性的, 需要设计人员走访一线进行实地考察, 取得真实可靠数据后加以计算。
6 结论
综合上述的全面考虑, 对于本次供水工程的需水量的计算可以达到四河村的用水需求。在工程建设的过程中, 局部问题的发生, 尤其是引起数字变化或者导致计算发生较大变化的, 应该及时进行设计调整, 以挽回不必要的损失。同时, 在整个过程的建设过程中, 应该始终把握整体工程与细节工程需水量计算的差异与统一, 从而确保需水量计算在整个过程建设中起到主导和关键的作用。
摘要：本文将四河村的供水工程的需水量进行系统性的计算, 以求得四河村供水工程建设的基本要求。在工程需水量的计算过程中, 尽量考虑到四河村的未来发展, 对于饮用水使用标准及规范都应该遵循有关的规范进行计算并加以制定, 使得供水工程的建设可以保障四河村发展的长久需求。
关键词：供水工程,需水量,标准
参考文献
[1]殷荣, 卞煜.城市供水监管与应急指挥体系建设[J].城市公用事业, 2004 (5) .
[2]游进军.水资源系统模拟理论与实践[D].中国水利水电科学研究院, 2005.
宁波城市生态环境需水量研究 篇4
水是基础性的自然资源, 是生态环境的控制要素。然而, 在我国由于缺乏统筹规划, 很多地区水资源过度开发。特别是在很长一段时间里, 生态环境水常常被认为是廉价水而被无偿挤占。导致城市河流断流或干涸, 湖泊萎缩, 地下水位下降。由于对生态环境水的忽略, 致使依赖于水的生态系统健康受损, 区域生态环境恶化、生态脆弱、生物多样性减少等生态环境问题不断出现。
20世纪60年代以来, 很多国家开展了河道基本流量的研究, 并确定了较完善的计算方法, 但早期并没有把水资源和生态环境系统联系起来。直到20世纪90年代, 当水资源的可持续利用受到严重威胁时, 人类才逐渐认识到保证自然生态环境需水的重要性。Gleick (1996) 明确给出基本生态需水 (basic ecological water requirment) 的概念框架。这一概念随着研究的深入进一步得到升华, 从最初的研究河道流量与鱼类生息环境的关系, 到研究生态系统与水资源的内在联系、生态水量的最优化分配及生态环境用水与经济用水的关系等, 研究内容正逐渐展开, 并加强了国际之间的合作。
我国从20世纪90年代后期开始注重河道和流域生态需水量的研究, 对生态环境需水量的内涵作了进一步探讨, 提出了不同生态环境条件下生态需水量的计算方法。但国内外对生态环境需水量的研究主要针对河道及流域范围, 针对城市的研究还处于刚刚起步的阶段。城市是不同于流域的生态系统, 受人类干扰和主观意识的影响程度非常高。
本文以宁波市区为例对城市的生态需水量的计算问题进行探讨。首先, 划定研究区域;其次, 综合相关文献, 构建城市生态环境需水量计算模型;最后, 运用TM影像判读数据、宁波市志和宁波市统计年鉴等资料算出宁波市区生态环境需水量。
2 城市生态环境需水量
2.1 概念的界定
目前, 生态环境需水量研究主要集中于河流、湖泊、湿地和陆地植被等生态系统类型, 并形成了较为完善的计算方法。
城市生态系统是由社会、经济和自然三个子系统通过一定的生态网络与生态过程耦合而成的复合生态系统, 具有开放性、不完整性、脆弱性和人控性等特征。城市自然生态系统是城市生态系统中具有负反馈调节功能的重要组分, 作为生态支持系统而存在, 是城市生态系统健康存在的基础。
城市生态环境需水量是针对城市中的自然生态系统而言的, 它不仅取决于城市自然生态系统的结构状态与生态过程, 还受到人控因素的影响。从需水机理来看, 城市生态环境需水量是在社会经济系统调控下的城市自然生态系统与城市水文水资源系统耦合的结果与体现, 不同的生态系统类型正是通过一定的生态过程和水文循环过程联系起来的, 体现出整体关联性的特征。
2.2 城市生态环境需水量的分类
需水量类型因分类依据而不同。按照生态系统类型来分, 城市生态环境需水量包括城市绿地生态环境需水量、城市河道生态环境需水量、城市湖泊生态环境需水量和城市湿地生态环境需水量。按照生态环境功能来分, 城市生态环境需水量可以分为:基本生态功能需水量、生态服务功能需水量和环境功能需水量。
宁波城市中普遍存在的自然生态系统类型是城市绿地、河流与湖泊, 仅有少数的河湖岸滨发育的湿地和作为污水处理系统的人工湿地, 面积相对较少, 且在实际操作中难于区分, 本文并不涉及, 而重点对城市绿地和城市河湖的生态环境需水量进行研究。此外, 不同的需水量类型之间, 可能存在兼容性, 如保证一定的河道基流量, 同时可以部分或全部的满足水体自净、调节气候、美化景观等的需水量, 具体研究中应充分考虑这一特性, 避免重复计算问题。据此, 本文从生态系统类型和生态环境功能两个层次建立城市生态环境需水量的二级分类体系, 并确定不同需水量类型的计算指标 (表1) 。
3 宁波市区生态环境需水量
3.1 城市生态环境需水量的计算方法
根据研究区的实际情况, 本文研究的城市环境需水量主要包括城市绿地生态环境需水量和城市河湖生态环境需水量两部分。此处所指的河湖是城内河流和湖泊, 其需水量是指维持城内河流基流和湖泊一定水面面积、满足景观条件及水上航运、保护生物多样性所需的水量。利用有限水资源进行污染物稀释不符合城市水资源可持续利用的原则, 故污染稀释需水量不包括在此次计算中。
3.1.1 植被蒸散需水量。城市绿地植被的蒸散需水量是人均绿地定额需水量和城市绿化覆盖率需水量的总和。
人均园林绿地面积是城市园林绿地的一个重要定额指标, 利用人均绿地定额来推算的需水量, 在一般情况下可以体现城市绿地的需水量, 不足之处在于绿地的适宜数量仅从人口来决定, 可能造成一定的偏差。公式如下:W1=P×T×E (式4.1)
式中, W1为绿地定额需水量 (108m3) ;P为市区非农业人口 (万人) ;T为人均绿地定额 (m2/人) ;E为植被蒸散量 (mm/a) ;城市绿化覆盖率是全面衡量城市绿化水平的标准, 从宏观上表达城市绿化规划目标, 因此需水量与城市绿化覆盖率具有相关性。公式如下:W2=A×η×E (式4.2)
式中, W2为绿化覆盖需水量 (108m3) ;A为市区面积 (hm2) ;η为绿化覆盖率;
式中, W绿E为植被蒸散需水量 (108m3) ;为绿地定额需水量 (108m3) ;为绿化覆盖需水量 (108m3) 。
3.1.2 植被生长需水量。
从植物生理角度看, 植物在生命活动中所吸收的大量水分, 有小部分用于制造有机物质, 其余绝大部分用于蒸腾及棵间蒸发, 这一微小部分是城市植被存在所必须的水分。取植被自身的含水量和植被蒸散量的比例大致为1:
式中, WP为植被生长需水量 (108m3) ;W绿E为植被蒸散需水量 (108m3) 。
3.1.3 植被土壤含水量。
当土壤含水量在凋萎系数以下时, 土壤含水量不能补偿植物的耗水量, 植物将产生永久凋萎, 通常把它作为植物可利用土壤水分的下限。如果土壤含水量达到植物生长阻滞含水量, 植物虽然还能从土壤吸收水分, 但因补给不足, 只能维持生命, 生长受到阻滞。当灌溉超过田间持水量时, 只能加深土壤的湿润深度, 而不能再增加土层中的含水量的百分数。因此, 田间持水量是土壤中作物有效含水量的上限值, 常用来作为灌溉上限和计算灌溉定额的依据和标准。
式中, Ws为土壤含水量 (108m3) ;As为植被覆盖土壤面积 (hm2) ;hs为土壤深度, 取1.5m;为土壤容量, ρs取1.6g/cm3;ξi为不同含水量的系数 (%) 。
3.1.4 水面蒸发需水量。
水面蒸发是水体水分的消耗项, 无论是湖泊还是河流, 都必须将这部分水进行补充, 才能保证在入水和水平衡的情况下, 水位保持基本不变, 水量不至于减少或干涸。W水E=A1×Eω (式4.6)
式中, W水E为河湖水面蒸发需水量 (108m3) ;A1为河湖面积 (hm2) ;Eω为河湖水面蒸发量 (mm/a) 。
3.1.5 河湖自身需水量。
为保证湖泊、河流的正常存在及功能的发挥, 在水位略有变化的情况下, 保持常年河、常年湖存蓄一定的水量, 此水量是水体发挥生物栖息地和娱乐场所功能存在的前提条件, 属于生态环境需水的重要组成部分, 公式为
式中, W自身为河湖自身存在的需水量 (108m3) ;为河湖面积 (hm2) ;为河湖的平均水深 (m) 。
3.1.6 河湖渗透需水量。
当河流、湖泊中有水存在, 水位抬高, 水压加大, 在地下水又较低的情况下就会产生渗漏, 产生渗漏损失。W年渗=K1×F1 (式4.8)
式中, W年渗为河湖渗漏需水量 (m3) ;F1为河湖平均蓄水水面面积 (m2) ;K1为经验取值。
3.1.7 河道基流需水量。
城市河流 (特别是人工沟渠) 有两个问题需要关注:一是水流的速度比较低, 有些河流基本就是死水, 为维持城市水体的流动性, 城市河流必须保持一定的流速;另一个是, 在缺水情况下, 城市河流的水位很低, 反映在河道断面上是有水的浸润的部分在整个断面上的比例较低。
河道基流需水量的计算公式如下:WR=A2×V×T (式4.9)
式中, WR为河道基流需水量 (m3) ;A2为河道中河流的横断面面积 (m2) ;V为流速 (m/s) ;T为径流时间 (h) 。
3.2 宁波市区生态环境需水量的计算
本文研究区域限定于宁波市六区当中的老三区, 即江东区、海曙区、江北区。其中江北区不包括北端部分, 界限如下:南部及东部以江北区行政区划为界, 北部以绕城高速为界, 西部以慈江为界。经宁波市区卫星影像图量算得出研究区域土地总面积约为146.8km2。
3.2.1 宁波市区植被蒸散需水量。
研究区域非农业人口为72.83万人 (因研究区范围未包括整个江北区, 所以此人口数据将偏大, 但考虑本部分需水量在宁波市区生态环境需水总量中所占比例约为1%左右, 故对总需水量计算结果影响不大) 。
2009年宁波市人均公共绿地面积10.36m2 (按城区常住人口计算) 。研究区面积为14680hm2;绿化覆盖率为37.83%;蒸散量取值为360mm/a (关于绿地植被蒸散量Ep不同植被数值不同, 我国各地缺乏植物蒸腾量的测定资料, 但从多年的调查分析, 尚有可供参考的蒸散量估计数字:适宜森林地区的年降水>400mm, 蒸腾量360mm, 适宜草地生长的年降水量≥300mm, 蒸腾量约200mm) 。由公式4.1～4.3算得宁波市区绿地植被蒸散需水量为2270.87×104m3。
3.2.2 宁波市区植被生长需水量。
宁波市区绿地植被蒸散需水量为2270.87×104m3, 由公式4.4算得的宁波市区植被蒸散需水量, 可算得植被生长需水量为22.94×104m3。
3.2.3 宁波市区植被土壤含水量。
宁波市区植被覆盖土壤面积约为941.24hm2;为土壤深度, 取1.5m;为土壤容量, 取1.6g/cm3;为不同含水量的系数 (%) 取68%。由公式4.5算得土壤含水量为1536.10×104m3。
3.2.4 宁波市区水面蒸发需水量。
研究区的河流根据其河流宽度与河流深度可分为三类———Ⅰ (主干河流) :甬江、姚江、奉化江;Ⅱ (一类内河) :如后塘河、护城河、柳西河等平均宽度在30m左右的河流;Ⅲ (二类内河) :其它河流宽度在15m左右的河流。
各级河流的长度和深度, 统计如下:
Ⅰ:主干河流数据见表2。
Ⅱ:研究区内此类河流总长度为92.4km, 河流水面面积为2772hm2。
Ⅲ:研究区内此类河流总长度为106.53km, 河流水面面积为1597.95hm2。
研究区域内的湖泊———月湖, 其水面面积9hm2。
此外, 根据往年系列数据得到宁波地区水面年均蒸发量约为1400.0mm。
根据以上数据算得宁波市区河湖水面总面积为12347.41 hm2。
由公式4.6算得宁波市区河湖水面蒸发需水量为17286.37×104m3。
3.2.5 宁波市区河湖自身需水量。由宁波市志查得宁波市水系
的平均深度如表3。
由公式4.7算得宁波市区河湖自身存在的需水总量为35279.38×104m3。
3.2.6 宁波市区河湖渗透需水量。
宁波市区河湖平均蓄水水面面积为12347.41hm2, 根据杨志峰的经验, 并结合宁波市的实际情况可取0.75m。由公式4, 8算得河湖渗透需水量为9260.56×104m3。
3.2.7 宁波市区河道基流需水量。
为保持宁波市区中内河的流动性, 必须保持其有一定流速。在河道基流的计算中, 根据杨志峰等的经验:在数据缺乏的情况下, 可假定城市人工河道的横断面面积为16m2, 断流天数控制为零。参考宁波市区实际情况, 一级内河的横断面面积可设为30m2, 二级内河的横断面面积可设为15m2。流速设为0.1m/s。由公式4.9算得宁波市区河道基流年均需水量为7095.60×104m3。
3.3 宁波市区生态环境需水总量
综上所述, 宁波市区生态环境需水总量为72751.82×104m3 (表4) 。
4 结语
城市生态环境需水量是指为了维持城市生态环境质量不再下降或改善城市环境而人为补充的水量, 它是以改善城市环境为目的。当前对其理论与方法的研究还处于初期的探索阶段。本文对其概念与内涵、类型与特征以及研究方法等进行了系统的探讨。在此基础上, 从理论公式出发, 利用卫星影像图等资料, 同时结合市志、统计年鉴等数据, 算得宁波市区生态环境需水总量为72751.82×104m3。
以往关于城市生态环境需水量的研究不足, 在进行城市水资源开发的过程中往往忽略了生态环境的需水量, 从而导致了一些对城市水资源利用的决策失误。如今随着对生态环境需水量研究的定量化, 为改善生态环境质量、维护生态平衡、合理配置和利用水资源、提高水资源的利用率、促进水资源的可持续利用提供科学依据。
摘要：城市生态环境需水量是一个整合的新概念, 涉及到多学科的内容。以宁波城市为例探讨了生态环境需水量的概念、计算方法以及预测方法, 认为城市是一个特殊的生态系统, 其生态环境需水量主要包括植被需水、河湖需水两部分。在此基础上, 根据相关理论, 利用卫星影像图、市志、统计年鉴等资料计算生态环境需水量。结果表明:宁波市区年均生态环境需水量约为72751.82×104m3。这一结果对宁波城市今后的水利项目规划建设、水资源保护等都有着重要的参考作用。
关键词：生态环境,需水量,宁波市区
参考文献
[1]许有鹏, 城市水资源与水环境[M].贵州:贵州人民出版社, 2003:79～91.
[2]姜翠玲、范晓秋, 城市生态环境需水量计算方法与应用[J].海河大学学报 (自然科学版) , 2004 (1) :14～17.
[3]田英、杨志峰、刘静玲, 等.城市生态环境需水量研究[J].环境科学学报, 2003 (23) :100～106.
[4]刘静玲、杨志峰, 湖泊生态环境需水量计算方法研究[J].自然资源学报, 2002, 17 (5) :604～609.
[5]许文杰、曹升乐, 城市湖泊生态环境需水量计算方法研究——以东昌湖为例[J].水力发电学报, 2009, 28 (1) :102～107.
稻田人工湿地生态环境需水量研究 篇5
拥有强大综合服务功能的稻田生态系统,其重要性已得到社会广泛认可,它在承载粮食生产的同时,还肩负着固碳减排、调节区域气候、净化空气质量、改善水土环境、维持土壤肥力等生态系统服务功能［1-3］。湿地作为纳污净化的“地球之肾”起着重要的生态环境平衡功能。系统地分析湿地的季节性水量特性,并据此提供相应湿地生态用水供水策略将为水务部门确定合理的湿地调配水资源、优化供水方案提供支持［4-5］。目前国内外对湿地生态环境需水量的研究较为深入全面的有Michael Getzner、Klaus Schmiede、崔保山等［6-12］。综合国内外有关湿地生态环境用水量研究文献,可见自然湿地研究较多,人工湿地研究较少,而稻田人工湿地生态环境需水量研究尚属空白。为此,本文对稻田人工湿地生态环境需水量进行初步探讨与研究,以期为稻田人工湿地水生态保护及湿地水务管理策略的制定提供理论参考。
2 稻田人工湿地生态环境需水量内涵
稻田人工湿地有自身特点,其生态环境需水概念应从基本特征、表现形式、生态保护和管理目标以及稻田湿地所呈现出的效益等方面加以综合考虑,予以定义。因此,本文定义稻田湿地生态环境需水量为基本遏制其生境恶化、解决生境问题及实现保护其管理目标所需的水量,即稻田湿地为支撑自身发展、保证其发挥基本生态功能所需的水量。其内涵与生态环境建设和服务目标密切相关。稻田湿地不仅须维持一定水量,以保证其不因退化而衰亡,而且也须维护一定水质,以满足生态系统、景观和稻作文娱等功能需求。稻田人工湿地实况不同,首要满足的服务功能也不尽相同。对于资源型缺水稻田湿地,满足其他服务功能的前提条件是维持水量; 对于水质型缺水稻田湿地,其他服务功能的先决条件则是环境稀释需水的满足。
鉴于稻田湿地生态环境保护目标,将生态环境需水划分极大、最优和极小三个等级。极大生态环境需水系指稻田湿地生态系统维持自身发展与动态平衡所能承受的上限需水,超过此限,系统便遭洪涝灾害; 最优生态环境需水系指稻田人工湿地各生态功能互调互协,生物生存状态最佳,生态系统无重大外界因素干扰可长时间保持相对稳定的需水; 极小生态环境需水系指维持稻田湿地生态系统的生物生存空间不再萎缩及生态环境不再降低所需的下限水量,低于此值,生态系统便会退化甚至崩溃。
3 稻田人工湿地生态环境需水量计算
稻田人工湿地生态环境需水包含生态需水和环境需水两个方面。其中生态需水指植物、土壤及栖息地等需水,环境需水指补给地下水、净化环境及稻作文化、旅游、娱乐等需水。
3. 1 生态需水量计算
a. 植物生态需水。植物生长需水源自水文循环。稻田人工湿地植物需水系指植物正常生长需水,用于同化消耗、组织构成、植株蒸腾及棵间蒸发四个方面,前两项系生理需水,为植物生理代谢所需,后两项系生态需水,为植物生活环境构建所需。其中后两项为主要耗水指标,占植物需水的99% ,近似植物需水量,称之为腾发量。水分充分满足条件下,推荐采用彭曼公式计算植物腾发量。估算区域性或流域性稻田人工湿地植物需水的理论公式为
式中d Wp———植物需水量;
A(t)———植被面积;
ETm(t)———腾发量;
t———时间。
b. 土壤需水。稻田人工湿地土壤需水与植物生长需水存在显著相关性。一定时空尺度,土壤含有一定水量,但并不代表土壤所需水量。土壤含水量仅是个参照,可作为土壤需水计算的前提。稻田人工湿地不同土壤类型,其水物理化学特性及指标所差异,需水就存在差别。为研究需要,本文用田间持水量进行土壤需水量计算,其公式为
式中Qt———土壤需水量;
α———田间持水量体积百分比;
Ht———土壤腐殖层厚度;
At———稻田湿地面积。
c. 野生生物栖息地需水。稻田湿地这部分需水主要涉及鸟类、蛙类等栖息繁殖所需基本水量。稻田湿地区域不同,野生生物有异,可根据正常年份某一区域主要保护物种栖息、繁殖计算其所需水量,为避免重复计算,此处只考虑满足野生动物栖息、繁殖所需水量。鉴于稻田湿地点多面广,本文估算区域性或流域性稻田人工湿地野生生物栖息地需水量时,通常按稻田栖息地水深、水面比等确定,计算公式为
式中Wq———野生生物栖息地需水量;
A( t) ———稻田湿地植被面积;
B ———水面面积百分比,通常为10% ~ 40% ;
H( t) ———稻田湿地水深,表面流人工湿地一般取0. 1 ~ 0. 6m;
t ———时间。
3. 2 环境需水量计算
a. 补给地下水需水。稻田人工湿地补给地下水以渗漏途径达到。水分在土壤中的渗透运动系指土壤充分饱和前提下在重力作用下的自由运动,大小取决于水位差、渗距、土壤孔度与断面大小。平原区水稻生长期灌溉与降水入渗应一齐考虑,二者数量可根据灌水与同期有效降水之间的比例关系分别确定。入渗补给量的计算公式为
式中Φ ———土塘稳渗率,实验数据表明: 黏土 Φ =1mm/d,亚黏土Φ=1.7mm/d,亚砂土Φ=2.5mm/d,粉细砂Φ=3mm/d;
T———水稻生长期( 包括泡田期) ,单季稻为120天,双季稻为180天;
F———水稻田计算面积。
b. 净化环境需水。稻田湿地在污水净化上效果显著。研究表明: 污水入稻田5 ~ 7d,BOD降72% ~97% ,NH3-N降超85% ,P降超98% ,K降超78% ,CN降约98% ,细菌和蛔虫孵数降超95% ,悬浮物SS降75% ~ 94% ,每公顷水稻田每季可净化生活污水0. 75万~ 1. 2 万m3,可无害化处理规模养殖场75000t牛粪或60000t猪粪,并显著改善土壤［13-14］。污水中含有的Cu、Zn、Cr等重金属为植物必需的微量营养元素,经稻田湿地物理、化学及生物作用,含量显著降低。
稀释和自净为稻田人工湿地净化污染物的主要原理［9，15］。计算稻田湿地净化环境需水需参照周遭年污水排放总量、水质监测资料等。从理论上讲,净化环境需水量模型可表达为
式中Wj———净化环境需水量;
Qd,Qm———点源及面源污水排放进入湿地总量;
α,β———点源及面源污水稀释倍数,按达标排放浓度与地表水国家标准之比确定;
t ———时间。
c. 稻作文娱需水。稻作文化、旅游及娱乐等功能是现代高效生态农业产业规划不可或缺的重要组成部分,是稻田人工湿地重要的生态环境功能,此项属非消耗性需水,可与野生生物栖息地需水相互替代。
4 结语
人工湿地合理利用及生物多样性有效保护已经引起高度重视和普遍关注。稻田是地球上最大的人工湿地生态系统,合理利用稻田人工湿地及保护生物多样性,实现区域可持续发展,对稻田人工湿地生态环境需水进行量化分析及研究,可为区域生态环境整体需水的确定奠定坚实基础。
本文探讨的稻田人工湿地生态环境需水计算,主要针对各需水指标的特定功能,专门进行了独立研究,理论上是可行的。湿地中各类型的水看似相互独立,实际上它们之间的界限很难明显区分。此外,文中一些理论模型和计算公式均是从稻田人工湿地生态环境需水量各类型的基本原理这一角度经分析提出的。鉴于不同时空尺度要求,需采集大量实测数据率定和修正各参数,使其反映实际需水特征。
摘要：本文分析了稻田人工湿地生态环境需水量的内涵,系统地阐述了稻田人工湿地生态需水量和环境需水量二者所含各需水指标的主要特征,探讨了稻田人工湿地生态环境需水量各需水指标的计算方法和理论模型。研究成果可为稻田人工湿地调水和补水策略的制定提供理论依据。
需水量比 篇6
国内外河道内生态需水量计算方法主要分为4大类[3,4,5,6,7,8]: 标准流量法(又称水文学分析法)、水力学法、整体分析法和栖息地法。四种方法以标准流量法应用最为广泛,主要依靠历史水文数据确定河流的生态流量,包括有:Tennant法、逐月频率法、7Q10法、水生物基流法、可变范围法、德克萨斯法(Texas)、 年内展布计算法、河流基本生态环境需水量法等。近年来,国内专家根据研究区域的不同提出了不同的改进方法:1刘昌明[9]在研究南水北调西线河流生态需水时,针对鱼类产卵育幼期进行修正;2韩会玲[10]提出引入季节修正系数;3黄强[11]将环境比降引入计算黄河干流环境生态需水量;4吴国燕[12]根据灌区河道水文特征周期修正Tennant法的汛期、非汛期河道环境需水量。5夏自强[13]在研究年际、年内变化较为剧烈的北方中小型河流时,提出丰、平、枯水期采用不同保证率的流量作为适宜生态流量。本文采用较为实用的5种水文学分析法计算受“自然和社会”条件影响下的河道内生态流量,同时采用Tennant生态环境状况评价等级标准[14]对计算结果进行评价。
1河道内生态需水量计算理论基础
(1)Tennant法或称蒙大拿法:该方法属于非现场测定类型的标准设定法,取预先确定的年天然径流的百分比作为河流生态需水的推荐值。将河道内生态环境状况分为8个等级:极差、差、中、好、非常好、极好、最佳范围、最大或冲刷,同时依据水生生物生育期分为两个时间段,一般用水期(10月- 翌年3月)和鱼类产卵育幼期(4-9月),见表1。
该方法是使用简单,操作方便,在建立流量~ 水生生物关系后,需要数据相对较少,适用于生态资料缺乏的地区。但是, 该方法也有自身不足之处:未考虑河流的几何形态对流量的影响、流量变化大的河流及季节性河流、多泥沙河流的特性等。 由于该方法最早是Tennant等人对美国3个州共11条河流进行了详细的野外勘察研究,基于58个断面分析了38个不同流量下物理、化学、生物信息对水生生物的影响后设定的,不能直接应用于具有独特自然属性和社会属性的河流。
(2)逐月频率计算法。根据研究区域水文资料,建立多年逐月天然流量系列,将全年12个月序列划分为丰、平、枯三个不同系列,分别采用不同保证率(丰水系列采用50%保证率,平水系列采用75%保证率,枯水系列采用90%保证率),具体保证率所对应的流量即为河流该月最小生态流量。
(3)7Q10法。采用90%保证率最枯连续7d的日平均流量作为河流最小生态流量值,该方法最初由美国开发,用于保证在干旱季节污水处理厂排放的废水满足水质标准,不代表河道内生态需水量。后来于20世纪70年代传入我国,演变为采用近10年最枯月平均流量或90%保证率最枯月平均流量作为河流最小生态流量值。
(4)年内展布法。根据已建立的多年逐月天然流量系列, 1选取逐月最小月均流量值qmin(i)并求得12个月的均值Qmin(最小年均流量值);2计算多年年均径流值Q珚;3求出均值比 η;4多年逐月平均径流值qi乘以均值比η便可求出年内逐月河道生态流量q生态。
式中:i=1,2…12;j=1,2…40;qij第j年第i个月的月均流量, m3/s。
(5)中位数法。对于有限的数集,可以通过把所有观察值高低排序后找出正中间的一个作为中位数[15]。如果观察值有偶数个,通常取最中间的两个数值的平均数作为中位数。影响中位数主要因素来自于观测值样本的容量,不受观测值极大或极小值影响,从而在一定程度上提高了中位数对分布数列的代表性。将多年逐月天然流量按月序列从小到大排列,选取该月序列的中位数值作为该月生态流量值。
2丰乐河生态流量计算分析
2.1研究区概况
丰乐河又名界河[16],地处安徽省六安市金安区和舒城县境内,河长(包括主干流)76km,向东流延伸至大潭湾与杭埠河汇合,流入巢湖,流域面积2 080km2。丰乐河流域处于中纬度地带,气候为亚热带湿润季风气候,年平均气温在15 ℃ 左右, 多年平均年降水量为1 026mm,降水量年内分布特点表现为: 主要集中在3-9月,主降水期多年平均降水量占全年降水量的76.8%,其中夏季易出现暴雨,降雨强度大,且持续时间较长。
流域范围内土地利用多为农业和林业用地,大型工业企业较少,存在非点源、点源污染。其中以非点源污染为主,主要是由于该区域农业较为发达,化肥施用量较高。湖泊的富营养化,对水中生物产生了较大的影响:大型鲫鱼、鲢鱼、鳙鱼、草鱼数量在逐渐减少,繁育期在每年4-5月;以湖鲚等小型经济鱼类占据绝对优势,约占总产量的80%,每年6-7月是繁殖盛期。
2.2河道内生态流量计算
本次计算河道内生态需水量采用丰乐河干流中下游段重要控制站-桃溪水文站1960-2000年天然径流资料进行计算,考虑河流受到降雨、蒸发等水文因素,人类生产、生活社会因素以及水生生物因素影响,将一年周期分为两个时间段:丰水期(5-9月)、枯水期(10月-翌年4月)。采用中位数、Ten- nant法、逐月频率法、近10年最小月平均流量法以及年内展布法分别计算丰乐河生态流量(见表2),同时采用Tennant生态环境状况评价等级标准对计算结果进行评价(见表3)。
m3/s
2.3生态需水量计算成果与评价分析
(1)经过对比发现采用7Q10法(近10年最小月平均流量) 和年内展布法计算结果偏小,且非汛期评价结果均为极差等级,汛期流量较小不利于河流纳污、降低了河床输沙能力。 Tennant法是一种预先设定的流量标准,不适用于年内具有明显丰、枯特性变化的河流,即流域降雨时间较为集中且雨强较大,流量年内分配差异较大,汛期生态需水量计算结果明显偏小。采用逐月频率法计算的流量结果能够较为适宜表征具有明显季节性变化特征的河流,维护了河流径流年内分布的完整性;汛期流量较大,有利于向下游输送养分、纳污,同时涨水可以刺激湖鲚鱼产卵,也扩展了产卵水域,对湖鲚鱼生长有利。 中位数法有效弥补平均值受极端值影响的不足,增强了生态需水量阈值的准确性。
(2)在使用逐月频率法确定河流生态需水量值时发现:统一保证率不适用于年内各个时期,这是因为河流在年内不同时期拥有的自然属性和社会功能属性是不同的。应根据在“自然界和人类活动”双重因素影响下河流能够呈现基本健康状态并发挥良好功能的基础上确定年内各个时期的生态需水量。
(3)采用五种标准流量法进行比较,丰水期(5-9月)最小生态需水量可采用多年同期平均流量的65% ~75%;枯水期(10月-翌年4月)最小生态流量可采用多年同期平均流量的40%~60%。丰乐河年内逐月最小生态流量见表4。
3结论及建议
(1)丰乐河的污染物主要是非点源污染(总磷、氨氮以及硝态氮),同时非点源污染的输出是一个冲刷或积累的过程,受降雨径流影响较大。文中生态需水量计算成果考虑了污染物的影响,计算水量满足水体自净需要,以免污染物的长期积累对下游产生高负荷。
(2)每年4-7月是鱼类繁殖高峰期,表4中该时间段生态流量所对应的水位能够淹没浅滩及沿岸旱草,增加水域面积, 有利于鱼类产卵;高流量可为幼鱼生长提供充足的食物来源。
(3)采用逐月频率法计算生态需水量并且使用同期均值比进行评价能够充分体现了南方河流汛期时间长、流量大、年内分配差异大的特性,该方法适合南方河流生态需水量计算。
(4)河流生态功能包括维持水生物栖息地、排盐、输沙、稀释自净、补给地下水、景观娱乐、航运、涵养植被、发电、灌溉等。 因功能属性不同,河流生态需水量存在差异。
摘要：首先对河道内生态需水计算方法进行了研究,采用Tennant生态环境状况评价等级标准对常用的五种生态需水量计算方法进行了评价。其次,分析了河流受降雨、污染物、水生生物三大因素的影响条件下的状态变化。将所研究的计算方法应用与丰乐河生态需水量计算。结果表明,丰水期(5-9月)河道生态需水量可采用多年同期平均流量的65%75%计算;枯水期(10月-翌年4月)生态需水量可采用多年同期平均流量的40%60%。实践证明,研究结果对于河道生态需水量计算具有重要参考价值。