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《水代谢、水再生与水环境承载力》可作为高等院校水科学与环境科学等专业的研究生教材，以及从事相关领域研究的学者的参考书。

内容简介

基于海河流域经济社会发展及与水资源相关的生态环境现状问题，论述海河流域水资源、经济、社会、生态、环境五个维度各自和相互之间可持续发展目标下的协调与整体调控决策过程和决策方法。提出了高强度人类活动影响下的海河流域多维整体临界调控的知识理论体系和海河流域多维临界调控理论框架、调控准则和调控方法；分析提炼了多维调控的表征体系及关键指标，形成了流域水循环多维临界整体调控阈值分析计算方法，评估了各关键指标的理想点和阈值，提出流域水循环多维临界整体调控阈值分析计算方法；提出了水循环系统五维三层次递进（水循环再生维持能力、经济社会发展与水生态环境保护平衡模式、提高水资源保障能力）方案设置技术与方案集，提出了海河流域水循环多维临界整体调控的水资源高效利用与管理模式；创建了五维临界调控的决策机制，根据多维之间价值均衡关系提出了流域综合效益平衡下的总量控制指标，预测了南水北调工程通水后海河流域生态环境效应。

目录

总序
第二版序
第二版前言
第二版改动说明
第1章绪论1
1.1研究背景与意义1
1.2国内外相关研究综述2
1.2.1水代谢的研究进展2
1.2.2水再生的研究进展5
1.2.3水环境承载力研究进展7
1.3本书的内容框架9
第2章水代谢？水再生与水环境承载力概述12
2.1水代谢？水再生及水环境承载力之间的关系12
2.2水代谢系统的内涵？组成与研究对象13
2.2.1水代谢系统的内涵14
2.2.2水代谢系统组成及其边界分析15
2.2.3城市水代谢系统的研究对象16
2.3水再生系统组成？特征与功能18
2.3.1水再生系统的组成19
2.3.2水再生系统基本特征20
2.3.3水再生系统功能21
2.4水环境承载力的概念辨析及其特征21
2.4.1环境？资源与生态概念及其间关系的界定21
2.4.2水环境承载力22
2.4.3水环境承载力的主要特征24
2.5水代谢？水再生和水环境承载力的理论基石25
2.5.1城市水体的可持续发展观25
2.5.2城市水代谢系统健康运行与水体可持续利用的关系27
2.5.3基于循环经济理论的城市水代谢系统健康运行的理论依据28
2.6水代谢的驱动因素研究29
2.6.1对水代谢影响的自然驱动因素29
2.6.2对水代谢影响的人类活动驱动因素33
第3章基于PLS结构模型的城市水代谢系统的驱动因素分析———以昆明市为例35
3.1基于PLS结构模型的驱动因素作用效果评价方法35
3.2城市水代谢系统驱动因素的PLS结构模型38
3.2.1假设模型的构建38
3.2.2样本选择与处理方法39
3.3研究区域昆明市概况40
3.3.1总体概况40
3.3.2社会经济发展概况41
3.3.3水资源概况41
3.3.4水环境状况46
3.4基于PLS结构模型的案例数据分析53
3.4.1数据来源53
3.4.2模型检验与结果54
第4章基于水足迹的城市水代谢系统整体代谢效果评价———以昆明市为例58
4.1基于虚拟水与水足迹的代谢效果评价方法58
4.2综合水质和水量的城市水代谢系统代谢效果评价60
4.2.1简介60
4.2.2基于水足迹的评价方法中的相关概念61
4.2.3评价城市水代谢系统整体代谢效果的评价方法61
4.3城市水代谢系统中各种水质变化过程的量化62
4.3.1城市水代谢系统中存在的各种水质变化过程62
4.3.2基于GWF的城市水代谢系统中水质变化过程的量化64
4.4昆明市水代谢系统的整体代谢效果评价66
4.4.1基于GWF量化各水质变化过程量化结果66
4.4.2昆明市水代谢系统整体代谢效果评价70
第5章基于虚拟水的城市水代谢系统边界与代谢功能研究———以昆明市为例73
5.1城市水代谢系统边界与代谢功能的逻辑关系分析73
5.1.1城市水代谢系统边界与代谢功能的分析思路73
5.1.2城市水代谢系统边界与代谢功能的逻辑关系分析73
5.2城市水代谢系统边界水代谢通量核算原理及评估指标的建立75
5.2.1系统边界的水代谢通量核算原理75
5.2.2构建系统边界代谢影响评价指标76
5.2.3城市水代谢系统边界？水代谢通量核算的数据准备———虚拟水的计算77
5.3昆明市水代谢系统边界与代谢功能研究79
5.3.1边界代谢研究中所需指标核算79
5.3.2昆明市水代谢系统边界的代谢影响分析结果81
第6章基于ENA的城市水代谢系统内部结构分析与评价———以昆明市为例83
6.1用以描述系统内部结构的生态网络分析方法83
6.2基于EWA的城市水代谢系统内部结构分析85
6.2.1水代谢系统中参与水量变化过程的各节点间的作用关系85
6.2.2水代谢系统中参与水质变化过程的各节点间的作用关系86
6.2.3研究城市水代谢系统内部结构的生态网络分析方法88
6.3昆明市水代谢系统内部结构分析89
6.3.1基于水量变化的昆明市水代谢系统内部结构分析89
6.3.2基于水质变化的昆明市水代谢系统内部结构分析99
第7章城市水代谢系统模拟仿真与措施优化设计———以昆明市为例110
7.1城市水代谢系统模拟仿真模型110
7.1.1城市水代谢系统模拟仿真模型研究进展110
7.1.2系统动力学方法111
7.2SD与水环境质量耦合模型概述112
7.2.1模型中包含的独立模块112
7.2.2模型耦合115
7.3昆明市水代谢系统模拟仿真模型的建立116
7.3.1输入参数116
7.3.2参数率定118
7.3.3模型检验118
7.4昆明市水代谢系统驱动力分析及有效措施设计119
7.4.1昆明市水代谢系统主要驱动因素的发展趋势120
7.4.2昆明市水代谢系统健康运行措施的优化设计121
7.5未来发展情景对昆明市水代谢系统的影响预测124
7.5.1基准情景分析124
7.5.2不确定性讨论126
7.6各种措施对昆明市水代谢系统的作用效果及措施优选126
7.6.1各种措施对昆明市水代谢系统的作用效果126
7.6.2基于多目标分析方法的措施优选130
第8章基于GIS的流域水资源自然再生能力评价———以泾河流域为例133
8.1相关研究进展133
8.1.1水资源评价研究133
8.1.2水量转化规律和水平衡模型研究134
8.1.3地统计学在环境和水资源领域的应用研究135
8.2流域水资源自然再生能力评价方法136
8.2.1水资源自然可再生能力综合评价方法136
8.2.2水资源自然可再生能力单指标评价方法136
8.2.3基于GRID的流域水资源自然可再生能力评价方法138
8.3基于GIS的流域水量平衡模拟139
8.3.1模型输入140
8.3.2模型系统集成及模型参数率定142
8.4案例研究143
8.4.1泾河流域概况143
8.4.2泾河流域水资源自然再生能力影响要素分析147 8.4.3流域水平衡模拟154
8.4.4泾河流域水资源自然再生能力评价159
第9章城市水资源社会再生能力评价———以黄河流域主要城市为例162
9.1相关研究进展162
9.1.1城市水资源评价的研究现状与进展162
9.1.2常用评价方法164
9.2城市水资源社会再生系统分析及其功能165
9.2.1城市水资源社会再生系统分析165
9.2.2城市水资源社会再生系统的功能表征167
9.3城市水资源社会再生能力评价指标体系167
9.3.1指标体系的构建167
9.3.2各指标解释169
9.3.3综合评价指标170
9.4城市水资源社会再生能力评价方法概述171
9.4.1评价方法的选择171
9.4.2人工神经网络方法简介172
9.4.3基于人工神经元网络评价模型174
9.4.4评价标准的建立175
9.4.5基于MATLAB城市水资源社会再生能力评价模型176
9.4.6基于灰色关联的城市水资源社会再生能力评价方法178
9.5案例研究179
9.5.1黄河流域概况179
9.5.2数据预处理180
9.5.32000年黄河流域主要城市水资源社会再生能力评价186
9.5.4水资源再生效率动态评价194
9.5.5基于WebGIS城市水资源社会再生能力评价信息发布198
第10章基于城市水代谢的水环境承载力动态调控———以北京市通州区为例206
10.1水环境承载力量化方法的相关研究进展及方法选择206
10.1.1水环境承载力量化方法的相关研究进展206
10.1.2确定量化方法208
10.2基于城市水代谢提高水环境承载力的方案设计210
10.2.1水环境承载力的双向调控210
10.2.2传统城市水代谢下提高水环境承载力的对策211
10.2.3新型城市水代谢下提高水环境承载力的方案设计212
10.3系统动力学建模213
10.3.1确定问题213
10.3.2划定系统边界213
10.3.3确定反馈回路213
10.3.4构建城市水代谢模型213
10.3.5模型验证214
10.3.6灵敏度分析214
10.3.7模型校正214
10.3.8模型证实214
10.4城市水代谢系统反馈回路分析214
10.5城市水代谢动态仿真模型217
10.5.1变量和参数的选择217
10.5.2水代谢动态仿真模型结构设计217
10.5.3模型中方程式的建立218
10.5.4模型参数选择218
10.6基于城市水代谢的水环境承载力动态调控模型219
10.7案例研究221
10.7.1研究区概况221
10.7.2模型参数来源223
10.7.3通州区水环境承载力情景设计224
10.7.4情景模拟结果234
10.7.5模型灵敏度分析237
第11章结论与建议241
11.1结论241
11.2建议243
参考文献245
附录1模型变量和参数列表256
附录2模型结构图259
附录3模型公式266

精彩书摘

第1章绪论
1.1研究背景与意义
水是人类社会最基本的生命物质之一，它的重要作用体现在生产生活的各个方面尽管地球上70%多的面积被水覆盖，总水量为1.8×1021L，但是其中海水占总体积的97.2%，大陆水体占2.8%，在大陆水体中极地和高山地区的冰体约占其体积的78.6%，河流湖泊的水仅占总量的0.01%，至于雨水只占总量的0.001%，而且大部分落在海洋中陆地上每年径流总量约为4.1×1013m3，其中，78%以洪水形式从无人区流入大海，只有22%可供人类开发利用所以，在现有条件下，地球上可开发的水量大约只有1.065×1016m3，仅占水资源总量的1%左右尽管从理论上说，每年流入河流和渗入地下的淡水人均拥有量为7000m3，但世界上已有18个国家的人均可再生水资源拥有量不到1000m3世界资源研究所的一项报告表明，世界上有3.4亿人口平均每天只能得到50L水而且随着社会的发展，人类对水的需求量越来越大，水资源受到人类的影响越来越强，用水形势也就越来越严峻1972年6月，在瑞典斯德哥尔摩举行的“联合国人类环境会议”上，水荒和水污染问题被提到比任何其他问题都更为突出的地位，会议指出:“遍及世界的许多地区，由于工业的膨胀和人均消费的提高，需水量已经增加到超过天然来源水量的境地地下水枯竭，而且受到污染为不断增长的人口和膨胀的工业提供适当清洁的水，已是许多国家的一个技术经济和政治上的复杂问题
对于中国而言，尽管水资源总量在巴西俄罗斯加拿大之后居世界第四位，但是我们的人均水资源量仅为世界平均水平的1/4我国是一个水资源十分缺乏的国家，而且生活用水和工农业用水浪费非常严重据统计，目前我国工业用水的利用率不足发达国家的一半，重复利用率不足60%
在我国北方地区，水资源紧缺与水环境污染问题突出，特别是黄河流域所处的西北地区属于干旱半干旱地带，降水量少蒸发量大，原来水资源就十分短缺，目前，该地区经济产业迅速发展，水资源使用更是捉襟见肘加之很多地方超采地下水，以不加控制地排污等不可持续的方式使用水资源，更加剧了水资源的不足在过去，北京天津等地由于过度开采地下水资源，造成地面沉降，不加控制地排污也使这些地区的水质严重污染水量严重缺乏，造成河流水量减少形成干涸随着社会的发展和大量的人类社会活动，对水的需求量将会越来越大，用水形势也就越来越紧张，从而引发更多尖锐的水资源供需矛盾，导致一系列的环境生态问题，使某些地区水资源短缺洪水灾害加剧水体退化严重等严峻的局面一一出现这些问题的出现已经成为制约我国经济发展的瓶颈，如何解决这些问题，实现我国流域/区域水资源与水环境的协调持续发展已成当务之急
为了缓解水资源危机，实现水资源的可持续利用，可以采取两种有利的途径:一是加强水文学水资源学的基础研究，探讨水资源可循环利用的物理机制通过调整水循环水代谢过程，提高水资源再生能力二是加强水资源可持续利用及其过程监管方面的研究，明确水环境的水资源供给能力和水环境对水污染的承受能力，使人们改变观念，使水资源可持续发展
近年来，随着水资源紧缺与水环境污染问题日趋严重，人类开始关注水资源的一些重要的属性———循环性代谢性与再生性其中，代谢性，即水代谢过程既涉及水量的变化又包括水质的变化，可以综合反映出流域/区域的水问题，从而逐渐引起学者们的关注可以通过调节水代谢过程，提高水资源的再生能力与水环境承载力，减少由于人类活动而导致水代谢过程紊乱所引发的城市用水危机暴雨危害水环境污染等一系列水问题这一关键即是建立一套研究水代谢的理论方法体系，识别导致水代谢过程紊乱的驱动因素模拟分析当前水代谢系统所面临的问题，通过制定有效措施予以缓解和解决，使整个代谢过程实现水的再生
另外，深入研究水资源的水环境承载力，在可持续发展利用的框架内，从人口资源环境与经济发展之间的关系着手，研究水资源开发利用自然生态保护社会经济发展与人口承载量的关系，可以进一步开发水环境的潜力，由此，不仅可以更全面地考察人类活动与水代谢过程的关系，而且，探索提高水环境承载力的有效途径与措施，进而实现水资源的可持续利用，对于缓解水资源供需矛盾改善水环境质量具有实际研究价值为此，本书针对我国部分典型地区水资源紧缺与水环境污染问题，从水代谢过程研究入手，建立一整套基于水代谢水再生与水环境承载力研究的理论框架与方法体系;进一步将其应用到实例研究中，有助于系统全面地了解城市的水问题，有利于提出综合调控手段满足各方要求
1.2国内外相关研究综述
1.2.1水代谢的研究进展
在城市水代谢的研究中，有的偏重理论基础的研究;有的偏重水资源使用过程的研究;有的偏重以水代谢系统为研究对象，通过不同的方法研究其内部的组成和相互之间的关系;有的偏重水资源水环境问题的城市水代谢研究;有的偏重可持续的城市水代谢系统研究这些研究中，依照不同的侧重点和不同的尺度(即研究边界)，存在不同的研究内容和结果，具体如下
在前人的研究中，大多数是站在城市水代谢系统结构的角度上研究的，最初只是作为城市代谢研究的一个重要组分，由于其比较复杂，除了城市代谢中仍对其进行初步研究外，很多学者开始单独对城市水代谢系统进行详细的系统研究这些研究趋于两种:一种是使用可以用来描述自然或者人工能量的资源代谢来进行研究，例如，Liang和Zhang(2012)等预测了苏州市在2015年的城市代谢，并使用物理的投入产出模型来阐明整个水循环中四类物质(废轮胎食品废物粉煤灰和污泥)对城市代谢的影响同类的对城市代谢的研究很多(Browneetal.，2009;Zhangetal.，2009a;2009b;2009c)，研究的边界也出现了变化，出现了工业系统的代谢研究，还有企业的社区的和单一建筑的代谢研究，这些研究为代谢流进程的研究提供了价值基础另一种是使用能描述水物质和营养盐代谢的质量流进行研究，主要关注的是城市代谢中各种资源的使用过程(水的使用排放处理的一系列过程)从而，对水代谢的单独研究逐渐发展起来，研究内容也越加细化，研究中加入系统的概念并有效地联系实际问题例如，钱家忠等(2000)等从系统的观点出发，提出了地球水循环过程中地下水代谢的概念，分析了地下水代谢过程并制定了极限代谢条件方程，阐述了解决水资源问题的根本出路在于:最大限度地发挥水资源的恢复功能调节功能与重复利用功能颜京松和王美玲(2005)认为水资源的供需矛盾水旱灾害威胁增大水质污染日益加剧地下水超量开采地下水水位下降水体生态系统结构与功能的失调和破坏，以及忽略自然生态用水，破坏了原有自然景观和生态平衡等问题的生态实质和根本原因是水资源代谢在时间空间尺度上的生态滞留或耗竭，即水环境代谢的失衡造成的城市水系统的问题
在此之后，学者们开始就水代谢模型的构造展开一系列的研究例如，熊家晴等(2006)分析了城市水代谢系统的代谢机理，开发了一个可以提升系统先天代谢功能的概念模型，并研究了系统内部的机制来提高水循环和水环境的承载能力;最后总结出城市水环境代谢系统与人工生命系统的相应机制具有类似性质黄志(2007)通过分析近代城市给水排水系统的局限性，面对人口剧增资源和能量消耗巨大的21世纪，阐述了对现代城市新型水环境代谢体系的基本构思邵田(2008)定义了城市水环境代谢的概念内涵和功能针对农业用水总量农业万元GDP耗水量工业万元GDP用水量工业废水排放量与工业用水量的比值生活污水排放量5项指标构建水环境代谢安全模型，对上海城市化过程中水环境代谢的动态特征及水环境代谢安全状况进行了分析与评价，进而提出了解决问题的途径和对策Jenerette等(2006)通过使用水足迹和系统动力学方法来研究水代谢系统中淡水水体的使用情况和影响因素柴莹(2009)通过对传统城市水代谢和新型城市水代谢的特征及优劣进行系统分析后，构建了新型城市水代谢系统的动态仿真模型;并将水质水量综合表征方法及人口和经济规模表征方法相结合，开展了基于水代谢的城市水环境承载力动态仿真研究，提出基于新型水代谢下缓解城市社会经济发展与水环境承载力矛盾的具体对策Wang和Chen(2010)以热力学第二定律为基础，对基于水代谢理念的水系统构建作了进一步研究，认为水系统应被看做是自然水循环和人工水循环过程叠加的体系;并论述了熵值增加与代谢容量之间的关系，得出健康的水环境是需要减少由于人类干扰而产生的熵增加值，以及确保水系统的人工或工程部分尽可能接近自然状况才能得到Zeng等(2014)等分析比较了传统水代谢系统与新型水代谢系统的差异，利用系统思考中反馈回路分析方法论证了通过“双向调控”建立新型水代谢系统，才能使城市水代谢系统进入良性循环的具体对策;并采用系统动力学的方法模拟了新型水代谢系统的各组分之间的关系，为提高城市的水环境承载力提供重要研究价值
同一时期里，前人对城市水代谢的研究更注重可持续发展研究，并由此引入了生态学的理念，将其运用到代谢系统中以实现城市中各种资源的有效利用和可持续发展比如，Bodini和Bondavalli(2002)使用生态网络分析的方法研究了意大利萨马托市的城市水代谢系统，并发展了一个将系统分为农业工业家庭服务地下水源和河流为单位的网络模型通过计算各种各样的指标，如各单位的相关性循环水网络路径的长度和水路径的构成，来描述水资源，分析该市水资源利用的可持续性Marc等(2006)建立了一个评价江河代谢率的生态网格代谢指示器，来预报水文的变化是否影响江河的代谢率再生与可持续发展的能力及河体是否受损的情况Zhang等(2010)采用生态网络方法分析了城市水代谢系统中各组分之间的关系(分为生态环境雨水收集系统工业部门农业部门家庭部门及废水收集系统6个组分)，以北京市作为案例，从时间尺度上研究水代谢系统的功能特点，为水资源可

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