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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。
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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研究背景与意义
1.2国内外相关研究综述
1.2.1水代谢的研究进展
1.2.2水再生的研究进展
1.2.3水环境承载力研究进展
1.3本书的内容框架
第2章水代谢？水再生与水环境承载力概述
2.1水代谢？水再生及水环境承载力之间的关系
2.2水代谢系统的内涵？组成与研究对象
2.2.1水代谢系统的内涵
2.2.2水代谢系统组成及其边界分析
2.2.3城市水代谢系统的研究对象
2.3水再生系统组成？特征与功能
2.3.1水再生系统的组成
2.3.2水再生系统基本特征
2.3.3水再生系统功能
2.4水环境承载力的概念辨析及其特征
2.4.1环境？资源与生态概念及其间关系的界定
2.4.2水环境承载力
2.4.3水环境承载力的主要特征
2.5水代谢？水再生和水环境承载力的理论基石
2.5.1城市水体的可持续发展观
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
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
2.6水代谢的驱动因素研究
2.6.1对水代谢影响的自然驱动因素
2.6.2对水代谢影响的人类活动驱动因素
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
3.1基于PLS结构模型的驱动因素作用效果评价方法
3.2城市水代谢系统驱动因素的PLS结构模型
3.2.1假设模型的构建
3.2.2样本选择与处理方法
3.3研究区域昆明市概况
3.3.1总体概况
3.3.2社会经济发展概况
3.3.3水资源概况
3.3.4水环境状况
3.4基于PLS结构模型的案例数据分析
3.4.1数据来源
3.4.2模型检验与结果
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
4.1基于虚拟水与水足迹的代谢效果评价方法
4.2综合水质和水量的城市水代谢系统代谢效果评价
4.2.1简介
4.2.2基于水足迹的评价方法中的相关概念
4.2.3评价城市水代谢系统整体代谢效果的评价方法
4.3城市水代谢系统中各种水质变化过程的量化
4.3.1城市水代谢系统中存在的各种水质变化过程
4.3.2基于GWF的城市水代谢系统中水质变化过程的量化
4.4昆明市水代谢系统的整体代谢效果评价
4.4.1基于GWF量化各水质变化过程量化结果
4.4.2昆明市水代谢系统整体代谢效果评价
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
5.1城市水代谢系统边界与代谢功能的逻辑关系分析
5.1.1城市水代谢系统边界与代谢功能的分析思路
5.1.2城市水代谢系统边界与代谢功能的逻辑关系分析
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
5.2.1系统边界的水代谢通量核算原理
5.2.2构建系统边界代谢影响评价指标
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
5.3昆明市水代谢系统边界与代谢功能研究
5.3.1边界代谢研究中所需指标核算
5.3.2昆明市水代谢系统边界的代谢影响分析结果
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
6.1用以描述系统内部结构的生态网络分析方法
6.2基于EWA的城市水代谢系统内部结构分析
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
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
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
6.3昆明市水代谢系统内部结构分析
6.3.1基于水量变化的昆明市水代谢系统内部结构分析
6.3.2基于水质变化的昆明市水代谢系统内部结构分析
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
7.1城市水代谢系统模拟仿真模型
7.1.1城市水代谢系统模拟仿真模型研究进展
7.1.2系统动力学方法
7.2SD与水环境质量耦合模型概述
7.2.1模型中包含的独立模块
7.2.2模型耦合
7.3昆明市水代谢系统模拟仿真模型的建立
7.3.1输入参数
7.3.2参数率定
7.3.3模型检验
7.4昆明市水代谢系统驱动力分析及有效措施设计
7.4.1昆明市水代谢系统主要驱动因素的发展趋势
7.4.2昆明市水代谢系统健康运行措施的优化设计
7.5未来发展情景对昆明市水代谢系统的影响预测
7.5.1基准情景分析
7.5.2不确定性讨论
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
7.6.1各种措施对昆明市水代谢系统的作用效果
7.6.2基于多目标分析方法的措施优选
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
8.1相关研究进展
8.1.1水资源评价研究
8.1.2水量转化规律和水平衡模型研究
8.1.3地统计学在环境和水资源领域的应用研究
8.2流域水资源自然再生能力评价方法
8.2.1水资源自然可再生能力综合评价方法
8.2.2水资源自然可再生能力单指标评价方法
8.2.3基于GRID的流域水资源自然可再生能力评价方法
8.3基于GIS的流域水量平衡模拟
8.3.1模型输入
8.3.2模型系统集成及模型参数率定
8.4案例研究
8.4.1泾河流域概况
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
8.4.4泾河流域水资源自然再生能力评价
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
9.1相关研究进展
9.1.1城市水资源评价的研究现状与进展
9.1.2常用评价方法
9.2城市水资源社会再生系统分析及其功能
9.2.1城市水资源社会再生系统分析
9.2.2城市水资源社会再生系统的功能表征
9.3城市水资源社会再生能力评价指标体系
9.3.1指标体系的构建
9.3.2各指标解释
9.3.3综合评价指标
9.4城市水资源社会再生能力评价方法概述
9.4.1评价方法的选择
9.4.2人工神经网络方法简介
9.4.3基于人工神经元网络评价模型
9.4.4评价标准的建立
9.4.5基于MATLAB城市水资源社会再生能力评价模型
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
9.5案例研究
9.5.1黄河流域概况
9.5.2数据预处理
9.5.32000年黄河流域主要城市水资源社会再生能力评价
9.5.4水资源再生效率动态评价
9.5.5基于WebGIS城市水资源社会再生能力评价信息发布
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
10.1水环境承载力量化方法的相关研究进展及方法选择
10.1.1水环境承载力量化方法的相关研究进展
10.1.2确定量化方法
10.2基于城市水代谢提高水环境承载力的方案设计
10.2.1水环境承载力的双向调控
10.2.2传统城市水代谢下提高水环境承载力的对策
10.2.3新型城市水代谢下提高水环境承载力的方案设计
10.3系统动力学建模
10.3.1确定问题
10.3.2划定系统边界
10.3.3确定反馈回路
10.3.4构建城市水代谢模型
10.3.5模型验证
10.3.6灵敏度分析
10.3.7模型校正
10.3.8模型证实
10.4城市水代谢系统反馈回路分析
10.5城市水代谢动态仿真模型
10.5.1变量和参数的选择
10.5.2水代谢动态仿真模型结构设计
10.5.3模型中方程式的建立
10.5.4模型参数选择
10.6基于城市水代谢的水环境承载力动态调控模型
10.7案例研究
10.7.1研究区概况
10.7.2模型参数来源
10.7.3通州区水环境承载力情景设计
10.7.4情景模拟结果
10.7.5模型灵敏度分析
第11章结论与建议
11.1结论
11.2建议
参考文献
附录1模型变量和参数列表
附录2模型结构图
附录3模型公式
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| 內容試閱：
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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14？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Zhang2012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Chen2010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Bondavalli2002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，为水资源可持续的健康发展提供决策依据？还有一些学者以生态系统的角度研究城市水代谢的同时，加入了一些评估方法，比较常见的有水足迹法，也有少量采用系统动力学法？物质流分析法等？比如，VanLeeuwen等2012采用城市代谢？水足迹和生态系统方法论的理念制定了一个用以评估城市水循环可持续能力的城市蓝图以确定城市水的可持续性？Huang等2013在城市水代谢效率评估中，综合分析可用水和虚拟水，建议使用基于物质流分析的方法研究城市水代谢系统运转状况;根据所得结果建立综合评估可用水和虚拟水的水代谢效率指标体系，并以此评估如何减少城市化带来的水代谢问题，以使其能够实现可持续发展？
综合国内外学者对城市水代谢的研究发现，已有的研究并不像对城市代谢？物质代谢的研究那么成熟？虽然对于城市水代谢系统的理论？结构？问题及可持续发展等内容的研究已展开探索，但是，目前的研究体系仍然存在一些不足之处，具体如下？
1城市水代谢的理论基础和水代谢系统基本特性的研究有待深入？在已有的研究中，缺乏对城市水代谢系统的组成？结构？性质及理论依据的深入？细致的研究？特别是城市水代谢系统涉及社会？经济？环境？资源？生态等多个方面，更与人类社会的可持续发展密切相关，只有健康的城市水代谢系统才会有利于其内部水的补给与再生，进而实现社会经济发展的持续使用？因此，需要将城市水代谢系统运行状况与可持续发展的概念性理论相契合，使具体研究有章可循，实现研究成果可以对人类社会进步和城市发展起到推动作用？
2在城市水代谢的相关研究中，基于水代谢过程中水质和水量的变化，特别是水质变化的研究相对匮乏，有待研究？因为水体的水质和水量变化是互相促进？相互影响的，在整个水代谢的过程中，如果仅根据水量在代谢过程中的补充来衡量水代谢的效果是不全面的？比如，经过污水处理厂处理的污水，其水质浓度仍未达到地表水环境功能区划要求，而用于补充河道，给受纳水体的自净过程带来很大压力？这种水代谢过程中，仅补充水量，而水质没有得到改善的方式是无法实现水体“再生”的，也不能就此判断这种水代谢的效果是有利的？因此，需要从水量和
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