刘文博，宋文杰，石 林，赵丽子

（湖南省水利水电科学研究院，湖南 长沙 410007）

前 言

水域作为人居环境的重要组成部分, 起着维持生态平衡的重要作用，维系着人类社会的正常运转[1]。长株潭地区的江河湖库及坑塘、沟渠等水域，在防洪、排涝、供水、灌溉、发电、航运、生态景观等方面发挥了巨大的综合功能。但自20 世纪90 年代以来，随着长株潭经济一体化建设的推进，城市化、工业化快速发展，水域大量被占用，已严重影响到水域综合功能的发挥。以长沙市为例，20 世纪70 年代、90 年代和21 世纪10 年代的水面率分别为12.75%、6.17%和5.18%[2]，在90 年代水面率急剧降低，目前仍呈下降趋势。

水面率是指一定区域范围内承载水域功能的区域面积占区域总面积的比率，但是水面率并不是一个恒定的数值，水域面积会随着水文年份、不同季节、水文气象条件等条件而发生变化, 因此水面率是一个动态变化的数值。通过对这些条件综合分析，结合水面率对城市发展的综合作用，提出一个符合人类社会和水域发展的协调指标，对城市可持续发展有着重要意义。因此，科学合理的水面率需求分析，是开展水域管理的重要前提[3]。

在水域和合理水面率研究领域中，国内外作了一些研究和探索，但国内研究主要集中在水域和水面率在防洪排涝领域的影响。如在防洪排涝方面，2014 年孟慧芳等[4]通过鄞东南平原河网区水系变化提出受城镇化等人类活动的影响，下垫面和水系变化改变了流域的“产蓄关系”平衡，区域产水量的增加、河网调蓄能力的减弱，使得区域洪涝灾害加剧。2016 年刘蕾蕾等[5]通过一维非恒流数学模型，校核河道断面情况，通过MATLAB 软件进行求解，确定城市适宜水面率。2017年赵璧奎等人[6]通过建立区域降雨和水系水位安全调蓄变幅的数学模型。表明适当回复水域面积可以显著提升雨洪蓄滞能力。2018 年顾唯甬等[7]运用GM 软件演算出南明河水系变化对贵阳市洪水的影响。

而国外研究大部分集中在城市水域面积对城市可持续发展和对城市气候方面的影响，如日本学者Yoshikoshi A 等[8]通过对东京、大阪、曼谷等不同城市化阶段城市的研究，考察水域环境的变化对城市气候的影响。得到结论是：城市化发展程度与水域环境变化密切相关。城市化发展程度越高对水文环境的影响就越大。Lise Herslund 等[9]通过非洲撒哈拉地区城市的研究，探讨城市水域对城市可持续发展的重要性，加强对城市水域的管理和保护。JianYong Huang 等[10]对澳门水资源紧急情况的处理中得到，城市水域对城市水资源应急有着不可取代的作用。美国学者Lucas A. Djehdian[11]通过对美国大陆的69 个都市统计，发现城市水资源一部分被用来生产食物和能源，当城市水域面积减小，对食物和能源的供应也会产生负面影响。澳大利亚学者V.Marchionni[12]通过估算2017～2018 年3 个城市的水平衡情况发现，水域面积大的城市有足够的水分来维持树木的蒸腾作用，对城市气候稳定发挥了巨大的作用。Paul Kirshen 等人[13]通过对城市发展进程的研究中发现水域对城市的发展有着巨大的影响，无论是气候环境、食品安全保障、人的健康等等。

目前对于水域变化和水面率对城市的影响还缺乏系统和全面的分析，必要水面率还没有统一的计算和标准。

当前长株潭地区水域管理和保护，面临的新问题、新情况主要包括：水域占用从零星向成片逐年发展；不合理，甚至是违法水域占用问题突出；水域管理和保护规划滞后；分类管理和占补平衡制度尚未建立。因此，需要针对长株潭地区水域特征和水域占用现状，深入开展水域管理技术与方法研究，其中一项重要的工作就是全面把握现状水域分布特征，并科学合理地确定维系长株潭地区可持续发展所需的水面率。

1 水面率需求计算方法

长株潭地区发展对水域总体功能需求水面率计算公式为：

式中R 为某地区发展对水域总体功能需求的综合水面率，R1、R2、R3、R4、R5分别为经济社会发展对供水、行洪排涝、水景观功能、航运功能和生态环境功能需求的水面率。

R1：供水需求的水面率是指城市发展中水域满足城市人口日常用水所需的水面率，可采用下式进行估算：

式中 R——水面率（%）；

W——长株潭地区经济社会发展所需供水总量（m3）；

H——区域内水域平均水深（m）；

S——地区总面积（m2）。

长株潭地区供水水域类型主要包括水库型水域、河流型水域、坑塘型水域和沟渠型水域，其中沟渠型水域面积非常小，在水面率需求计算中忽略不计。各种水域平均水深存在较大差别，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——分别为长株潭地区水库、河流和坑塘供水取水系数，a1+a2+a3=1；

H1、H2、H3——分别为区域水库、河流和坑塘的平均水深；

其余同上。由于水库、河流、坑塘对供水的贡献度不同，因此需要在前面乘以供水取水系数。

R2是指水域功能中起到行洪除涝作用的需求水面率，其计算公式为：

式中 R2——水域起到行洪除涝需求的水面率；

T——降雨汇流时间（h）；

Q——洪峰流量（m3/s）；

S——地区总面积（hm2）；

w1、w2——分别表示计算区域内水库和坑塘所占的蓄洪比例系数，w1+w2=1，该参数可通过调查长株潭地区水库和坑塘总蓄水容量计算获取。

由于水域生态环境功能和航运功能没有确定的计算公式计算，所以通过采用相关地区水域规划数值进行整理估算的方法。具体依据长株潭3 市的环境保护规范、航运发展规划和水资源保护规划。

2 长株潭地区水域分布现状

2014 年和2017 年长株潭地区各种类型水域分布情况如图1 所示。可以看出，在2014 年和2017 年，各种类型水域所占面积比例基本稳定，这说明当前长株潭地区水域占用现象得到了有效的遏制。2017 年，长株潭水域总面积1 247.02 km2，水面率为4.43%，其中河流383.775 km2，占水域总面积的30.8%；水库253.098 km2，占水域总面积的20.3%；坑塘602.492 km2，占水域总面积的48.3%；沟渠7.655 km2，占水域总面积的0.6%。

图1 长株潭地区不同类型水域面积分布情况

3 长株潭地区水面率需求分析

3.1 供水需求水面率

长株潭地区供水用水类型主要包括农业用水、工业用水、居民生活（含公共用水）和生态用水4 个部分。其中工业用水、居民生活和生态用水3 个部分现状年2017 年用水情况，以及农业用水P=75%的典型年（2013 年）数据见表1。

表1 长株潭地区用水量数据表 亿m3

长株潭地区农业用水量比较稳定，在需水量预测时可以采用2013 年（P=75%）数据。工业用水、居民生活用水和生态用水随着工业增加值的不断增加，以及城镇化水平和居民生活品质的不断提高，会有所增加，但同时随着节水水平的提升，又可以减少相应的用水量。基于此，本文考虑工业用水、居民生活用水和生态用水水量每年以3%的速率增加。P=75%情况下，不同时期长株潭地区需水量预测结果见表2。

表2 长株潭地区不同时期需水量预测（P=75%） 亿m3

由于水库、河流和坑塘供水所占百分比不同，因此水面率计算应先对长株潭地区进行调查，获取不同供水取水系数。再根据己有水域统计资料，分别计算水库、河流和坑塘平均水深。经数据统计，长株潭地区不同水域供水取水系数和平均水深见表3。

表3 长株潭地区不同类型水域供水系数和平均水深

计算得到长株潭地区P=75%时不同年份供水对水面率的需求结果如图2 所示。

3.2 行洪排涝需求水面率

图2 长株潭地区P=75%时不同发展阶段供水水面率需求

对于洪峰流量的计算主要是以流域作为计算单元，而采取水力学方法计算洪峰流量适宜于流域地区面积小，水利条件简单。因此水力学方法计算洪峰流量对于整个长株潭区域来说也是不可行的。本研究假设将整个长株潭地区水域为一封闭流域，采用封闭流域内10 年一遇最大暴雨产生的洪峰为标准。地区性流域设计洪峰流量采用如下经验公式进行估算：

式中 Q——最大洪峰流量（m3/s）；

K——径流系数，根据长株潭地区实际水文情况，本研究取值为0.25；

I——按10 年一遇1 h 最大暴雨强度，根据长沙市最新暴雨强度计算公式，长株潭地区取值21.2 mm；

F——流域汇水面积（km2），计算中取值为2.8×104km2。

经计算，上述假设封闭流域的洪峰流量为9.84×105m3/s。

本研究w1和w2分别为区域内水库和坑塘所占的蓄洪比例系数，根据长株潭地区实际情况为0.67 和0.33，H1和H2分别为区域水库和坑塘的平均水深，取值见表3。计算方法参照行洪除涝的需求水面率的计算方法，通过计算得到长株潭地区行洪除涝能力对水库和坑塘水面率需求值分别为0.71%和0.79%，也即对于长株潭地区来说，水库和坑塘水面率分别大于0.71%和0.79%，则可满足行洪除涝需求。

3.3 生态环境需求水面率

2017 年，长沙市共监测评价的省级水功能区有24个，根据水功能区水质目标和《地表水资源质量评价技术规程》（SL 395-2007）对这24 个省级水功能区进行评价，年度达标的水功能区占21 个，总体达标率为87.5%；株洲市在主要江河上布设水质检测站14 个，检测河长555.1 km，全市水功能区达标率75%，流经主要城市和工矿企业江段区域的河段水质相对较差。湘潭市在全市主要江河上设水质监测站10 个，监测河长220.0 km，结果表明全市Ⅱ～Ⅲ类水质河长在汛期和全年均占总评价河长的93.6%，非汛期占总评价河长的64.0%。

水域生态环境功能的需求对于区域发展主要是满足对水环境质量的需求。2017 年，长株潭地区水环境质量状况均满足湖南省考核目标值，因此长株潭地区的现状水面率就可以作为水域生态环境功能的水面率需求，即总水面率4.43%，其中河流1.37%、水库0.90%、坑塘2.16%。

3.4 航运功能需求水面率

长株潭地区河网密集，其中湘江干流长135 km，区域内湘江一级支流共有7 条，自上游至下游依次为渌河、涓水、涟水、靳江河、浏阳河、捞刀河与沩水，发展航运具有优越的自然条件。

湘江长沙综合枢纽自2014 年蓄水通航，打通了湘江干流株洲枢纽～湘潭61 km 河段的瓶颈航运河段，确保了干流通航水深在2.6 m 以上，长株潭地区通航能力的到了大幅提升[14]。在2016 年长沙综合枢纽货运量首次突破1 亿t。

长株潭地区现有水面率基本满足航运功能需求，因此以现有符合航运功能的水面率作为需求水面率，即现有河流水域水面率，为1.37%。

3.5 总体水面需求率

根据长株潭地区发展对水域总体功能需求水面率计算公式，最终可得P=75%时，不同发展阶段的水面率见表4。

表4 长株潭地区P=75%时不同发展阶段的水面率需求率 %

由表4 可知，在干旱年份（P=75%）长株潭地区水面率远不能满足需求。由于水域在防洪、排涝、抗旱、供水和生态环境等方面的重要作用，有必要在长株潭地区开展水域恢复工作，使水面率逐渐恢复到20 世纪90 年代之前的水平。

4 结 论

长株潭地区现状水域总面积1 247.02 km2，水面率为4.43%，水域面积逐渐趋于稳定。但现状水域水面率远不能满足需求。P=75%时，经计算2017 年、2027 年和2037 年的水面率需求分别为6.11%、7.15%和8.55%。水面恢复将是未来长株潭地区水与管理的重点工作。