劉文博，宋文杰，石 林，趙麗子

（湖南省水利水電科學(xué)研究院，湖南 長沙 410007）

前 言

水域作為人居環(huán)境的重要組成部分, 起著維持生態(tài)平衡的重要作用，維系著人類社會的正常運轉(zhuǎn)[1]。長株潭地區(qū)的江河湖庫及坑塘、溝渠等水域，在防洪、排澇、供水、灌溉、發(fā)電、航運、生態(tài)景觀等方面發(fā)揮了巨大的綜合功能。但自20 世紀90 年代以來，隨著長株潭經(jīng)濟一體化建設(shè)的推進，城市化、工業(yè)化快速發(fā)展，水域大量被占用，已嚴重影響到水域綜合功能的發(fā)揮。以長沙市為例，20 世紀70 年代、90 年代和21 世紀10 年代的水面率分別為12.75%、6.17%和5.18%[2]，在90 年代水面率急劇降低，目前仍呈下降趨勢。

水面率是指一定區(qū)域范圍內(nèi)承載水域功能的區(qū)域面積占區(qū)域總面積的比率，但是水面率并不是一個恒定的數(shù)值，水域面積會隨著水文年份、不同季節(jié)、水文氣象條件等條件而發(fā)生變化, 因此水面率是一個動態(tài)變化的數(shù)值。通過對這些條件綜合分析，結(jié)合水面率對城市發(fā)展的綜合作用，提出一個符合人類社會和水域發(fā)展的協(xié)調(diào)指標，對城市可持續(xù)發(fā)展有著重要意義。因此，科學(xué)合理的水面率需求分析，是開展水域管理的重要前提[3]。

在水域和合理水面率研究領(lǐng)域中，國內(nèi)外作了一些研究和探索，但國內(nèi)研究主要集中在水域和水面率在防洪排澇領(lǐng)域的影響。如在防洪排澇方面，2014 年孟慧芳等[4]通過鄞東南平原河網(wǎng)區(qū)水系變化提出受城鎮(zhèn)化等人類活動的影響，下墊面和水系變化改變了流域的“產(chǎn)蓄關(guān)系”平衡，區(qū)域產(chǎn)水量的增加、河網(wǎng)調(diào)蓄能力的減弱，使得區(qū)域洪澇災(zāi)害加劇。2016 年劉蕾蕾等[5]通過一維非恒流數(shù)學(xué)模型，校核河道斷面情況，通過MATLAB 軟件進行求解，確定城市適宜水面率。2017年趙璧奎等人[6]通過建立區(qū)域降雨和水系水位安全調(diào)蓄變幅的數(shù)學(xué)模型。表明適當回復(fù)水域面積可以顯著提升雨洪蓄滯能力。2018 年顧唯甬等[7]運用GM 軟件演算出南明河水系變化對貴陽市洪水的影響。

而國外研究大部分集中在城市水域面積對城市可持續(xù)發(fā)展和對城市氣候方面的影響，如日本學(xué)者Yoshikoshi A 等[8]通過對東京、大阪、曼谷等不同城市化階段城市的研究，考察水域環(huán)境的變化對城市氣候的影響。得到結(jié)論是：城市化發(fā)展程度與水域環(huán)境變化密切相關(guān)。城市化發(fā)展程度越高對水文環(huán)境的影響就越大。Lise Herslund 等[9]通過非洲撒哈拉地區(qū)城市的研究，探討城市水域?qū)Τ鞘锌沙掷m(xù)發(fā)展的重要性，加強對城市水域的管理和保護。JianYong Huang 等[10]對澳門水資源緊急情況的處理中得到，城市水域?qū)Τ鞘兴Y源應(yīng)急有著不可取代的作用。美國學(xué)者Lucas A. Djehdian[11]通過對美國大陸的69 個都市統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)城市水資源一部分被用來生產(chǎn)食物和能源，當城市水域面積減小，對食物和能源的供應(yīng)也會產(chǎn)生負面影響。澳大利亞學(xué)者V.Marchionni[12]通過估算2017～2018 年3 個城市的水平衡情況發(fā)現(xiàn)，水域面積大的城市有足夠的水分來維持樹木的蒸騰作用，對城市氣候穩(wěn)定發(fā)揮了巨大的作用。Paul Kirshen 等人[13]通過對城市發(fā)展進程的研究中發(fā)現(xiàn)水域?qū)Τ鞘械陌l(fā)展有著巨大的影響，無論是氣候環(huán)境、食品安全保障、人的健康等等。

目前對于水域變化和水面率對城市的影響還缺乏系統(tǒng)和全面的分析，必要水面率還沒有統(tǒng)一的計算和標準。

當前長株潭地區(qū)水域管理和保護，面臨的新問題、新情況主要包括：水域占用從零星向成片逐年發(fā)展；不合理，甚至是違法水域占用問題突出；水域管理和保護規(guī)劃滯后；分類管理和占補平衡制度尚未建立。因此，需要針對長株潭地區(qū)水域特征和水域占用現(xiàn)狀，深入開展水域管理技術(shù)與方法研究，其中一項重要的工作就是全面把握現(xiàn)狀水域分布特征，并科學(xué)合理地確定維系長株潭地區(qū)可持續(xù)發(fā)展所需的水面率。

1 水面率需求計算方法

長株潭地區(qū)發(fā)展對水域總體功能需求水面率計算公式為：

式中R 為某地區(qū)發(fā)展對水域總體功能需求的綜合水面率，R1、R2、R3、R4、R5分別為經(jīng)濟社會發(fā)展對供水、行洪排澇、水景觀功能、航運功能和生態(tài)環(huán)境功能需求的水面率。

R1：供水需求的水面率是指城市發(fā)展中水域滿足城市人口日常用水所需的水面率，可采用下式進行估算：

式中 R——水面率（%）；

W——長株潭地區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展所需供水總量（m3）；

H——區(qū)域內(nèi)水域平均水深（m）；

S——地區(qū)總面積（m2）。

長株潭地區(qū)供水水域類型主要包括水庫型水域、河流型水域、坑塘型水域和溝渠型水域，其中溝渠型水域面積非常小，在水面率需求計算中忽略不計。各種水域平均水深存在較大差別，供水需求水面率可采用下式估算：

式中 R1——供水需求水面率；

a1、a2、a3——分別為長株潭地區(qū)水庫、河流和坑塘供水取水系數(shù)，a1+a2+a3=1；

H1、H2、H3——分別為區(qū)域水庫、河流和坑塘的平均水深；

其余同上。由于水庫、河流、坑塘對供水的貢獻度不同，因此需要在前面乘以供水取水系數(shù)。

R2是指水域功能中起到行洪除澇作用的需求水面率，其計算公式為：

式中 R2——水域起到行洪除澇需求的水面率；

T——降雨匯流時間（h）；

Q——洪峰流量（m3/s）；

S——地區(qū)總面積（hm2）；

w1、w2——分別表示計算區(qū)域內(nèi)水庫和坑塘所占的蓄洪比例系數(shù)，w1+w2=1，該參數(shù)可通過調(diào)查長株潭地區(qū)水庫和坑塘總蓄水容量計算獲取。

由于水域生態(tài)環(huán)境功能和航運功能沒有確定的計算公式計算，所以通過采用相關(guān)地區(qū)水域規(guī)劃數(shù)值進行整理估算的方法。具體依據(jù)長株潭3 市的環(huán)境保護規(guī)范、航運發(fā)展規(guī)劃和水資源保護規(guī)劃。

2 長株潭地區(qū)水域分布現(xiàn)狀

2014 年和2017 年長株潭地區(qū)各種類型水域分布情況如圖1 所示?？梢钥闯?，在2014 年和2017 年，各種類型水域所占面積比例基本穩(wěn)定，這說明當前長株潭地區(qū)水域占用現(xiàn)象得到了有效的遏制。2017 年，長株潭水域總面積1 247.02 km2，水面率為4.43%，其中河流383.775 km2，占水域總面積的30.8%；水庫253.098 km2，占水域總面積的20.3%；坑塘602.492 km2，占水域總面積的48.3%；溝渠7.655 km2，占水域總面積的0.6%。

圖1 長株潭地區(qū)不同類型水域面積分布情況

3 長株潭地區(qū)水面率需求分析

3.1 供水需求水面率

長株潭地區(qū)供水用水類型主要包括農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水、居民生活（含公共用水）和生態(tài)用水4 個部分。其中工業(yè)用水、居民生活和生態(tài)用水3 個部分現(xiàn)狀年2017 年用水情況，以及農(nóng)業(yè)用水P=75%的典型年（2013 年）數(shù)據(jù)見表1。

表1 長株潭地區(qū)用水量數(shù)據(jù)表 億m3

長株潭地區(qū)農(nóng)業(yè)用水量比較穩(wěn)定，在需水量預(yù)測時可以采用2013 年（P=75%）數(shù)據(jù)。工業(yè)用水、居民生活用水和生態(tài)用水隨著工業(yè)增加值的不斷增加，以及城鎮(zhèn)化水平和居民生活品質(zhì)的不斷提高，會有所增加，但同時隨著節(jié)水水平的提升，又可以減少相應(yīng)的用水量?；诖?，本文考慮工業(yè)用水、居民生活用水和生態(tài)用水水量每年以3%的速率增加。P=75%情況下，不同時期長株潭地區(qū)需水量預(yù)測結(jié)果見表2。

表2 長株潭地區(qū)不同時期需水量預(yù)測（P=75%） 億m3

由于水庫、河流和坑塘供水所占百分比不同，因此水面率計算應(yīng)先對長株潭地區(qū)進行調(diào)查，獲取不同供水取水系數(shù)。再根據(jù)己有水域統(tǒng)計資料，分別計算水庫、河流和坑塘平均水深。經(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，長株潭地區(qū)不同水域供水取水系數(shù)和平均水深見表3。

表3 長株潭地區(qū)不同類型水域供水系數(shù)和平均水深

計算得到長株潭地區(qū)P=75%時不同年份供水對水面率的需求結(jié)果如圖2 所示。

3.2 行洪排澇需求水面率

圖2 長株潭地區(qū)P=75%時不同發(fā)展階段供水水面率需求

對于洪峰流量的計算主要是以流域作為計算單元，而采取水力學(xué)方法計算洪峰流量適宜于流域地區(qū)面積小，水利條件簡單。因此水力學(xué)方法計算洪峰流量對于整個長株潭區(qū)域來說也是不可行的。本研究假設(shè)將整個長株潭地區(qū)水域為一封閉流域，采用封閉流域內(nèi)10 年一遇最大暴雨產(chǎn)生的洪峰為標準。地區(qū)性流域設(shè)計洪峰流量采用如下經(jīng)驗公式進行估算：

式中 Q——最大洪峰流量（m3/s）；

K——徑流系數(shù)，根據(jù)長株潭地區(qū)實際水文情況，本研究取值為0.25；

I——按10 年一遇1 h 最大暴雨強度，根據(jù)長沙市最新暴雨強度計算公式，長株潭地區(qū)取值21.2 mm；

F——流域匯水面積（km2），計算中取值為2.8×104km2。

經(jīng)計算，上述假設(shè)封閉流域的洪峰流量為9.84×105m3/s。

本研究w1和w2分別為區(qū)域內(nèi)水庫和坑塘所占的蓄洪比例系數(shù)，根據(jù)長株潭地區(qū)實際情況為0.67 和0.33，H1和H2分別為區(qū)域水庫和坑塘的平均水深，取值見表3。計算方法參照行洪除澇的需求水面率的計算方法，通過計算得到長株潭地區(qū)行洪除澇能力對水庫和坑塘水面率需求值分別為0.71%和0.79%，也即對于長株潭地區(qū)來說，水庫和坑塘水面率分別大于0.71%和0.79%，則可滿足行洪除澇需求。

3.3 生態(tài)環(huán)境需求水面率

2017 年，長沙市共監(jiān)測評價的省級水功能區(qū)有24個，根據(jù)水功能區(qū)水質(zhì)目標和《地表水資源質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)程》（SL 395-2007）對這24 個省級水功能區(qū)進行評價，年度達標的水功能區(qū)占21 個，總體達標率為87.5%；株洲市在主要江河上布設(shè)水質(zhì)檢測站14 個，檢測河長555.1 km，全市水功能區(qū)達標率75%，流經(jīng)主要城市和工礦企業(yè)江段區(qū)域的河段水質(zhì)相對較差。湘潭市在全市主要江河上設(shè)水質(zhì)監(jiān)測站10 個，監(jiān)測河長220.0 km，結(jié)果表明全市Ⅱ～Ⅲ類水質(zhì)河長在汛期和全年均占總評價河長的93.6%，非汛期占總評價河長的64.0%。

水域生態(tài)環(huán)境功能的需求對于區(qū)域發(fā)展主要是滿足對水環(huán)境質(zhì)量的需求。2017 年，長株潭地區(qū)水環(huán)境質(zhì)量狀況均滿足湖南省考核目標值，因此長株潭地區(qū)的現(xiàn)狀水面率就可以作為水域生態(tài)環(huán)境功能的水面率需求，即總水面率4.43%，其中河流1.37%、水庫0.90%、坑塘2.16%。

3.4 航運功能需求水面率

長株潭地區(qū)河網(wǎng)密集，其中湘江干流長135 km，區(qū)域內(nèi)湘江一級支流共有7 條，自上游至下游依次為淥河、涓水、漣水、靳江河、瀏陽河、撈刀河與溈水，發(fā)展航運具有優(yōu)越的自然條件。

湘江長沙綜合樞紐自2014 年蓄水通航，打通了湘江干流株洲樞紐～湘潭61 km 河段的瓶頸航運河段，確保了干流通航水深在2.6 m 以上，長株潭地區(qū)通航能力的到了大幅提升[14]。在2016 年長沙綜合樞紐貨運量首次突破1 億t。

長株潭地區(qū)現(xiàn)有水面率基本滿足航運功能需求，因此以現(xiàn)有符合航運功能的水面率作為需求水面率，即現(xiàn)有河流水域水面率，為1.37%。

3.5 總體水面需求率

根據(jù)長株潭地區(qū)發(fā)展對水域總體功能需求水面率計算公式，最終可得P=75%時，不同發(fā)展階段的水面率見表4。

表4 長株潭地區(qū)P=75%時不同發(fā)展階段的水面率需求率 %

由表4 可知，在干旱年份（P=75%）長株潭地區(qū)水面率遠不能滿足需求。由于水域在防洪、排澇、抗旱、供水和生態(tài)環(huán)境等方面的重要作用，有必要在長株潭地區(qū)開展水域恢復(fù)工作，使水面率逐漸恢復(fù)到20 世紀90 年代之前的水平。

4 結(jié) 論

長株潭地區(qū)現(xiàn)狀水域總面積1 247.02 km2，水面率為4.43%，水域面積逐漸趨于穩(wěn)定。但現(xiàn)狀水域水面率遠不能滿足需求。P=75%時，經(jīng)計算2017 年、2027 年和2037 年的水面率需求分別為6.11%、7.15%和8.55%。水面恢復(fù)將是未來長株潭地區(qū)水與管理的重點工作。