应对气候变化的园林喷灌节水技术应用与评价研究

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摘要：中国是世界上严重缺水的国家之一，也是全球气候变化导致极端天气事件增多的国家之一。水资源是园林灌溉管理系统中最主要的利用对象。面对水资源短缺节约用水，合理利用水资源，是当今迫切需要解决的问题。本文针对水资源浪费较严重的区域问题，提出积极采用喷灌技术，并对城市绿地节水灌溉综合效益评价指标的设计与模型进行研究，提出园林灌溉节水系统设计具体要求。

关键词：气候变化、园林、喷灌、节水、评价

中图分类号：TU986文献标识码： A

引言

以树木为主体的城市园林绿地是维持和改善城市生态环境重要的生物屏障，城市树木具有很好的吸热、遮荫和蒸腾水分的作用，可以有效地应对气候变化，减轻城市的“热岛效应”，为改善城市景观、提供游憩空间等方面发挥着不可替代的作用。我国是一个水资源短缺的国家，全国城市绿地每年消耗了多少水资源没有具体的统计数据。以福建省福州市为例，城区共拥有绿地总面积6407公顷以上，公园景区45处，绿地面积的日益增加，园林用水量逐年显著增加。此外，由于人类活动不断向大气中排放大量的二氧化碳所引起的温室效应，导致了全球气候正在经历以大气温度升高、降水分布改变、极端天气事件增多为主要特征的显著变化[1]，预测表明，未来50-100年全球和中国的气候将继续向变暖的方向发展，到21世纪末，全球地面平均温度还将上升1.4-5.8℃[2]。全球气候变化的潜在影响已成为各国政府、学术界、社会公众广泛关注的重大问题，因此，建设节水型园林绿地是缓解城市居民用水和园林用水矛盾的一个重要手段，而园林灌溉模式是影响园林用水的一个十分重要的方面。

1、福建的地理气候情况

（1）从自然和人文方面来看。虽然福建地区的水资源较丰富，但是在水资源的利用上却存在着严重的浪费现象，如把生活垃圾倒入河流、向河中排放污水，用完水后不及时关掉水龙头等等现象。在园林作物的灌溉方面。许多高效用水技术未被广泛采纳使用。

（2）从地理气候方面来看。福建气候也正在经历大气温度升高、降水分布改变、极端天气事件增多等现象。从2007年以来，福州市出现的持续高温天数创百年记录。平均年持续出现35℃以上的高温天气达36天, 超过1956年的26天和2003年的24天，为1880年福州市有气象记录以来的第一位，持续高温日数破历史记录，福州跃进全国高温城市之列，与广州、杭州并列为新的三大“火炉”。

2、城市绿地节水灌溉技术及综合效益评价方法

2.1 节水灌溉技术的发展

上世纪40年代，喷灌、滴灌技术不仅在农业上得到空前发展之外，而且在城市园林绿化上也得到广泛应用。西方国家在园林灌溉新技术应用方面比中国起步早，以美国为代表的发达国家较早的认识到水资源的重要性。很早的就开始应用园林喷灌和滴灌等现代化灌溉方式。我国引入灌溉采用定时器控制灌溉己有十多年，但应用尚不普遍。采用喷灌技术，可以体现以下优点:1)喷灌基本上不产生深层渗漏和地面径流，灌水比较均匀，管道输水损失少，灌水有效利用系数高。比地面灌溉省水30%-50%，对于透水性强、保水能力差的沙质土地则节水效果更为明显，用同样的水能浇灌更多的土地。2)喷灌的水滴直径和喷洒强度可根据土壤质地和透水性大小进行调整，能达到不破坏土壤的团粒结构、保持土壤的疏松状态、不产生土壤冲刷、使水分都渗入土层内、避免水土流失的目的。对于可能产生次生盐碱化的地区，采用喷灌的方法，可严格控制湿润深度，消除深层渗漏，防止地下水位上升引起土壤次生盐碱化。3)采用喷灌不仅可大大减少土石方工程，提高土地利用率。4)喷灌的利用提高了灌溉机械化程度，大大减轻灌水劳动强度，节省劳动力。5)喷灌是通过喷洒的方式灌水，不受地形坡度的限制，在地面灌水方法难于实现的场合，都可以采用喷灌。6)喷灌可以采用较小的灌水定额进行浅浇勤灌，便于严格控制土壤水分，保持土壤肥力，既不破坏土壤团粒结构，又可促进作物根系在浅层发育，有利于充分利用土壤表层的养分。7)喷灌可以调节绿地的小气候，增加近地表空气湿度，在空气炎热的季节起到调节叶面温度的作用。

2.2 城市绿地节水灌溉综合效益评价指标的设计

在全球气候变化背景下，人类面临的人口―资源―环境危机将进一步加剧。如何实现水资源的可持续利用已成为当今研究的焦点。园林节水技术适宜性评价系统是一个综合的系统，它的影响因素包括气候因素、土壤因素、技术因素和经济因素等。因此，其评价指标体系应由气候因子、土壤因子、地形因子、技术和经济因子组成。气候指标主要包括温度、降雨、参考作物蒸散量、太阳辐射量等因素。土壤指标包括土壤类型。地形指标包括高程、坡度和坡向。社会和经济指标是指在应用某项园林节水技术种植作物过程中的所有经济投入与收益指标。技术及生态效益指标是指园林灌溉行业新技术发展，改善城市热岛效应、调节温湿度、净化调节空气、消除噪音、降低环境污染等效益。详见表1所示。

城市绿地节水灌溉综合效益评价指标表

指标类型 指标名称 单位 说明

气候因子 温度t ℃ 温度是反映该地区热能资源的基本指标之一

≥10℃积温T ℃ ≥10℃积温反映了树木生长期内的热量积累，考察热量条件对园林绿化树木等是否适宜的重要指标

无霜期F d 无霜期反映该地区广义上的适宜种植期内的热量积累

降雨量P mm 年降雨量用来反映水分资源的绝对数量，可作为选择一些园林绿化植物的参考值

4-10月降雨量Ps mm 降水不但直接供给绿化植物，而且也提供了发展灌溉的水源。4-10月是我国降雨量最大的时段，也是南方高温的时段，该阶段降水充沛与否不仅影响到绿化植物生理需水，同时可以适当的进行雨水集蓄。

蒸散量(ET) mm 蒸散量的大小直接影响到绿化植物对灌溉的要求，蒸发量大的地方，绿化植物耗水量大，易发生干旱，特别是降水量小、蒸发量大的地区，采用节水灌溉是重要保障。

干燥度(K) - 干燥度就是某一时期平均降水量与最大可能蒸发量之比，用公式表示为:K=ET / P，（K干燥度;ET为年(或季、月)最大可能蒸发量;P为年(或季、月)平均降水量)。干燥度K与气候干燥度有关系如下:干旱地区K≥2.00;半干旱地区―1.50≤K＜2.00;半湿润地区―1.00≤K

太阳辐射量(SR) 太阳辐射量是太阳直接辐射与散射辐射之和，是衡量某地区太阳能资源数量的指标。太阳能资源丰富程度等级:资源最丰富SR>6300，资源很丰富5040

土壤因子 土壤类型 - 土壤是土地资源质量的重要影响因素，土壤类型是反映土壤基本性质的分类，是土地评价、土地规划的依据。

地形因子 坡度(s)

坡向(A)

高程(E) 地形条件影响着水热状况的再分配和物质的迁移等，在很大程度上决定了开发的难易程度和经济效益，同时也影响到开发的生态风险问题。坡度、坡向和高程是其三个主要的表现因素。

基本投入(BI) 元/ha 基本投入包括绿化种植、措施项目费、安全施工、文明施工、生产工具用具使用费、工程点交、场地清理费等投入费用等。

额外投入AI 元/ha 额外投入是指与常规园林绿化种植相比应用某项工程项目的额外经济投入。如临时设施费、风雨季施工增加费、工程排污费、农民工工伤保险费、危险作业意外伤害保险费等等。

社会经济效益因子 经济内部回收率；景观改善；群众满意率； % 测定固定二氧化碳、释放氧气、吸热降温、滞尘4项生态效益的经济价值。园林绿化树种的环境效益评价

技术及生态效益因子 植物需水量、灌溉水利用率、调节温湿度等 % 植物需水量、灌溉水利用率、林草比例适宜度和灌溉设备运行难易程度。改善城市热岛效应、调节温湿度、净化调节空气、消除噪音、降低环境污染等效益。变量喷洒技术是精确灌溉的重要研究内容。变量喷头是否能根据喷洒域形状变化自动实现射程和喷洒水量调节，需要从喷灌均匀性影响因素及水力性能进行评价。

2.3城市绿地节水灌溉综合效益评价方法与模型

模糊隶属函数方法对评价因子评价。模糊隶属函数的基本思想是根据Burrough和McBratney[3，4]。模糊隶属函数确定的方法有多种，这里重点接受2种方法:(1)模糊统计法:以调查统计所得结果，绘制出经验曲线作为隶属函数，利用数学中曲线回归的方法，找出隶属函数的解析表达式。(2)专家经验法:由专家的实际经验给出模糊信息的处理算式或相应权息数来确定隶属函数的方法。特别专家经验法值得我们做进一步的研究分析。

假设模糊综合评价是在考虑多种指标的影响下,运用模糊数学工具对某事物进行综合评价。将实际获得的试验数据根据置信限理论诱导出G的一个分布(称为置信分布)。记由数据X用经典统计的置信区间理论获得的G的下限(置信度为)为，满足

(1)

当x给定时，随的变动可生成G的概率分布。记其密度为，称之为置信分布。从置信上限也可以诱导出G的置信分布。对一般连续型变量X，由置信下限和置信上限诱导出的置信分布是相同的，而对于离散型变量X，基于上限和下限诱导出的置信分布一般稍有不同。例如，对置信分布G的成败型数据(n, s)(n表示试验次数，s表示成功次数)，G的置信度为的下限由下式确定

，或可以表示为 ，(4.45)

F(G)= ， 故 F(G)=1- (2)

即对于不同的置信度和与之相对应的下限，上式都成立。根据定义可以看出，F(G)即为G的下限置信分布函数，而G的下限置信密度为

(3)

即为G的一个置信分布。同理，利用置信上限可得G的另一个置信分布Beta（G；s+1,n-s）。在成败型试验数据场合可取产品可靠度G的置信分布为

(4 )

假设系统工程专家对系统有一定的先验知识，可将之等效成一组成败型试验数据(n,s)，n是样本量，s是成功数。根据置信分布和等效的试验数据(n,s)进行Bayes分析得到后验分布。

(5)

根据此后验分布进行统计推断得出可靠度R的点估计值或区间估计值等。由于可靠性工程专家习惯于将自己的意见用模糊信息来表达，如“可靠度高”、“可靠度大约为0.8”等。此时，将这些模糊信息等效为试验数据不太容易处理。Thomas[5]在文献中指出Bayes过程可以应用在模糊观测情形下，即

(6)

上式中的隶属函数，(x)被看作似然函数，P()=为模糊事件的Zadeh概率。在此处，我们己经根据试验数据诱导出了一个置信分布(x)作为“先验分布”，专家意见用模糊数表示，则有，

(7)

其中， (8)

以上方法告诉我们，可以根据先验信息按一定的方法来构造先验分布。例如，当专家意见为点估计值、置信区间等形式时，可采用最大熵方法来确定先验分布。如果当专家提供的是模糊信息时，难以用有效的方法来构造先验分布，可以提出一种将试验数据视为“先验信息”，而将专家经验等先验信息视为“试验数据”，再利用Bayes方法进行统计推断得出“后验分布”。Bayes方法可以有效地综合先验信息和样本信息，既避免只使用先验信息可能带来的主观偏 见和缺乏样本信息时的大量盲目计算，也可以避免只使用样本信息带来的信息偏见的影响。

3园林灌溉节水系统设计。

园林灌溉系统是一个大系统，它由植被系统、灌溉设计系统、灌溉设备系统组成，现代灌溉系统设计要综合考虑各种子系统组合功能。

（1）植被系统设计，要根据植被各自生长环境和特性来结合选取。首先要选择低耗水树种。研究表明，不同树种的耗水能力有显著差异，这由树种的遗传特性决定的。这样的巨大差异为城市绿化低耗水树种选择提供了广阔的空间。其次，要配置节水型绿地植物。根据混交林培育理论，当两树种对同一生态因子的要求存在差异时，种间关系表现为互利为主，当两树种对同一生态因子的要求都高时，种间关系以竞争为主，因此，在绿地植物配置时，如果将属于不同季节耗水型的树种搭配在一起，在缺水季节可以缓和不同树种对土壤水分的竞争，从而减轻水资源供需矛盾。

（2）灌溉设计，一是要结合当地水资源状况，适当确定合理的最大蒸发量、灌水周期、有效灌水时间、灌溉水利用系数、灌水均匀系数、设计最大日用水量、设计喷灌最大日灌水时间、设计系统流量等设计参数。二是确保在植物需水的时候进行灌溉，如果在植物不需水的时间灌溉势必造成水资源浪费，如果在植物需水时没有及时灌溉则影响植物生长，降低景观效果，要做到这一点，必须通过耗水性研究掌握植物在不同上壤水势条件下的生理变化规律和外貌变化特征，在不对植物生长和景观造成长期不利影响的前提下，根据不同的绿地养护等级确定土壤水势的下限，在生产实践中，只需对土壤水势(含水量)进行监测，当水势(含水量)达到选定养护等级的下限时开始进行灌溉。三是按量灌溉。所谓按量灌溉就是确保每次灌溉的水量刚好使土壤水势从所选养护等级的下限提高到上限。 四是如果当地的条件允许，可以结合滴灌、地下滴灌、渗灌等较好的节水方式。

（3）灌溉设备重点要提高自动化和智能化。园林灌溉系统技术，应包括泵站技术、喷滴灌技术、中央控制系统硬件及软件技术、阀门技术构成。灌溉自控系统主要由中心主控系统、GPRS无线传输设备、现场控制器、电磁阀、绿地湿度传感器(可测土壤湿度绝对值，园林土壤湿度的远程检测，主要是连续、多点、快速和准确地采集土壤湿度值)、气象观测站(可测量气温、风向、风速)等设备所组成。系统可设计为由多个控制单元组成，每个控制单元管理一片区域，利用GPRS/GSM网路，由计算机统一管理。室外的空气温湿度传感器及园林绿地的湿度传感器把结果送入计算机，在这里进行灌溉参数设置，及对灌溉情况进行统计，并可通过软件在计算机数据库上存储，显示数据和图表。

这样设计的目的是使得我们对园林绿化工程进行了科学化的管理，为研究制定灌水制度，做到适时灌溉，适度灌溉，科学用水，定期检查和数据维护均起到积极的作用。

4结语

采用模糊综合评价方法对城市绿地节水灌溉效益评价的优点是,这种方法能够从多个方面(气候、土壤、地形、技术指标、社会效益、经济效益、和生态效益)出发对综合指标进行评价,评价指标不仅有定性指标,而且还有定量指标。模糊综合评价方法的制约往往在于某些指标的数据收集,对于定量指标的数据收集主要来自于项目的实施过程中统计资料;而对于定性指标的数据的收集,要求根据先验信息按一定的方法来构造先验分布。“先验”置信分布的确定及模糊先验信息的Bayes可靠性评估，有效地解决系统试验分析和评定中现场样本量不足的瓶颈问题。此外，园林灌溉信息系统的设计模式可以很好地解决适时灌溉，适度灌溉，科学用水，节约用水的目标。