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《水代謝、水再生與水環境承載力》可作為高等院校水科學與環境科學等專業的研究生教材，以及從事相關領域研究的學者的參考書。

內容簡介

基於海河流域經濟社會發展及與水資源相關的生態環境現狀問題，論述海河流域水資源、經濟、社會、生態、環境五個維度各自和相互之間可持續發展目標下的協調與整體調控決策過程和決策方法。提齣瞭高強度人類活動影響下的海河流域多維整體臨界調控的知識理論體係和海河流域多維臨界調控理論框架、調控準則和調控方法；分析提煉瞭多維調控的錶徵體係及關鍵指標，形成瞭流域水循環多維臨界整體調控閾值分析計算方法，評估瞭各關鍵指標的理想點和閾值，提齣流域水循環多維臨界整體調控閾值分析計算方法；提齣瞭水循環係統五維三層次遞進（水循環再生維持能力、經濟社會發展與水生態環境保護平衡模式、提高水資源保障能力）方案設置技術與方案集，提齣瞭海河流域水循環多維臨界整體調控的水資源高效利用與管理模式；創建瞭五維臨界調控的決策機製，根據多維之間價值均衡關係提齣瞭流域綜閤效益平衡下的總量控製指標，預測瞭南水北調工程通水後海河流域生態環境效應。

目錄

總序
第二版序
第二版前言
第二版改動說明
第1章緒論1
1.1研究背景與意義1
1.2國內外相關研究綜述2
1.2.1水代謝的研究進展2
1.2.2水再生的研究進展5
1.2.3水環境承載力研究進展7
1.3本書的內容框架9
第2章水代謝？水再生與水環境承載力概述12
2.1水代謝？水再生及水環境承載力之間的關係12
2.2水代謝係統的內涵？組成與研究對象13
2.2.1水代謝係統的內涵14
2.2.2水代謝係統組成及其邊界分析15
2.2.3城市水代謝係統的研究對象16
2.3水再生係統組成？特徵與功能18
2.3.1水再生係統的組成19
2.3.2水再生係統基本特徵20
2.3.3水再生係統功能21
2.4水環境承載力的概念辨析及其特徵21
2.4.1環境？資源與生態概念及其間關係的界定21
2.4.2水環境承載力22
2.4.3水環境承載力的主要特徵24
2.5水代謝？水再生和水環境承載力的理論基石25
2.5.1城市水體的可持續發展觀25
2.5.2城市水代謝係統健康運行與水體可持續利用的關係27
2.5.3基於循環經濟理論的城市水代謝係統健康運行的理論依據28
2.6水代謝的驅動因素研究29
2.6.1對水代謝影響的自然驅動因素29
2.6.2對水代謝影響的人類活動驅動因素33
第3章基於PLS結構模型的城市水代謝係統的驅動因素分析———以昆明市為例35
3.1基於PLS結構模型的驅動因素作用效果評價方法35
3.2城市水代謝係統驅動因素的PLS結構模型38
3.2.1假設模型的構建38
3.2.2樣本選擇與處理方法39
3.3研究區域昆明市概況40
3.3.1總體概況40
3.3.2社會經濟發展概況41
3.3.3水資源概況41
3.3.4水環境狀況46
3.4基於PLS結構模型的案例數據分析53
3.4.1數據來源53
3.4.2模型檢驗與結果54
第4章基於水足跡的城市水代謝係統整體代謝效果評價———以昆明市為例58
4.1基於虛擬水與水足跡的代謝效果評價方法58
4.2綜閤水質和水量的城市水代謝係統代謝效果評價60
4.2.1簡介60
4.2.2基於水足跡的評價方法中的相關概念61
4.2.3評價城市水代謝係統整體代謝效果的評價方法61
4.3城市水代謝係統中各種水質變化過程的量化62
4.3.1城市水代謝係統中存在的各種水質變化過程62
4.3.2基於GWF的城市水代謝係統中水質變化過程的量化64
4.4昆明市水代謝係統的整體代謝效果評價66
4.4.1基於GWF量化各水質變化過程量化結果66
4.4.2昆明市水代謝係統整體代謝效果評價70
第5章基於虛擬水的城市水代謝係統邊界與代謝功能研究———以昆明市為例73
5.1城市水代謝係統邊界與代謝功能的邏輯關係分析73
5.1.1城市水代謝係統邊界與代謝功能的分析思路73
5.1.2城市水代謝係統邊界與代謝功能的邏輯關係分析73
5.2城市水代謝係統邊界水代謝通量核算原理及評估指標的建立75
5.2.1係統邊界的水代謝通量核算原理75
5.2.2構建係統邊界代謝影響評價指標76
5.2.3城市水代謝係統邊界？水代謝通量核算的數據準備———虛擬水的計算77
5.3昆明市水代謝係統邊界與代謝功能研究79
5.3.1邊界代謝研究中所需指標核算79
5.3.2昆明市水代謝係統邊界的代謝影響分析結果81
第6章基於ENA的城市水代謝係統內部結構分析與評價———以昆明市為例83
6.1用以描述係統內部結構的生態網絡分析方法83
6.2基於EWA的城市水代謝係統內部結構分析85
6.2.1水代謝係統中參與水量變化過程的各節點間的作用關係85
6.2.2水代謝係統中參與水質變化過程的各節點間的作用關係86
6.2.3研究城市水代謝係統內部結構的生態網絡分析方法88
6.3昆明市水代謝係統內部結構分析89
6.3.1基於水量變化的昆明市水代謝係統內部結構分析89
6.3.2基於水質變化的昆明市水代謝係統內部結構分析99
第7章城市水代謝係統模擬仿真與措施優化設計———以昆明市為例110
7.1城市水代謝係統模擬仿真模型110
7.1.1城市水代謝係統模擬仿真模型研究進展110
7.1.2係統動力學方法111
7.2SD與水環境質量耦閤模型概述112
7.2.1模型中包含的獨立模塊112
7.2.2模型耦閤115
7.3昆明市水代謝係統模擬仿真模型的建立116
7.3.1輸入參數116
7.3.2參數率定118
7.3.3模型檢驗118
7.4昆明市水代謝係統驅動力分析及有效措施設計119
7.4.1昆明市水代謝係統主要驅動因素的發展趨勢120
7.4.2昆明市水代謝係統健康運行措施的優化設計121
7.5未來發展情景對昆明市水代謝係統的影響預測124
7.5.1基準情景分析124
7.5.2不確定性討論126
7.6各種措施對昆明市水代謝係統的作用效果及措施優選126
7.6.1各種措施對昆明市水代謝係統的作用效果126
7.6.2基於多目標分析方法的措施優選130
第8章基於GIS的流域水資源自然再生能力評價———以涇河流域為例133
8.1相關研究進展133
8.1.1水資源評價研究133
8.1.2水量轉化規律和水平衡模型研究134
8.1.3地統計學在環境和水資源領域的應用研究135
8.2流域水資源自然再生能力評價方法136
8.2.1水資源自然可再生能力綜閤評價方法136
8.2.2水資源自然可再生能力單指標評價方法136
8.2.3基於GRID的流域水資源自然可再生能力評價方法138
8.3基於GIS的流域水量平衡模擬139
8.3.1模型輸入140
8.3.2模型係統集成及模型參數率定142
8.4案例研究143
8.4.1涇河流域概況143
8.4.2涇河流域水資源自然再生能力影響要素分析147 8.4.3流域水平衡模擬154
8.4.4涇河流域水資源自然再生能力評價159
第9章城市水資源社會再生能力評價———以黃河流域主要城市為例162
9.1相關研究進展162
9.1.1城市水資源評價的研究現狀與進展162
9.1.2常用評價方法164
9.2城市水資源社會再生係統分析及其功能165
9.2.1城市水資源社會再生係統分析165
9.2.2城市水資源社會再生係統的功能錶徵167
9.3城市水資源社會再生能力評價指標體係167
9.3.1指標體係的構建167
9.3.2各指標解釋169
9.3.3綜閤評價指標170
9.4城市水資源社會再生能力評價方法概述171
9.4.1評價方法的選擇171
9.4.2人工神經網絡方法簡介172
9.4.3基於人工神經元網絡評價模型174
9.4.4評價標準的建立175
9.4.5基於MATLAB城市水資源社會再生能力評價模型176
9.4.6基於灰色關聯的城市水資源社會再生能力評價方法178
9.5案例研究179
9.5.1黃河流域概況179
9.5.2數據預處理180
9.5.32000年黃河流域主要城市水資源社會再生能力評價186
9.5.4水資源再生效率動態評價194
9.5.5基於WebGIS城市水資源社會再生能力評價信息發布198
第10章基於城市水代謝的水環境承載力動態調控———以北京市通州區為例206
10.1水環境承載力量化方法的相關研究進展及方法選擇206
10.1.1水環境承載力量化方法的相關研究進展206
10.1.2確定量化方法208
10.2基於城市水代謝提高水環境承載力的方案設計210
10.2.1水環境承載力的雙嚮調控210
10.2.2傳統城市水代謝下提高水環境承載力的對策211
10.2.3新型城市水代謝下提高水環境承載力的方案設計212
10.3係統動力學建模213
10.3.1確定問題213
10.3.2劃定係統邊界213
10.3.3確定反饋迴路213
10.3.4構建城市水代謝模型213
10.3.5模型驗證214
10.3.6靈敏度分析214
10.3.7模型校正214
10.3.8模型證實214
10.4城市水代謝係統反饋迴路分析214
10.5城市水代謝動態仿真模型217
10.5.1變量和參數的選擇217
10.5.2水代謝動態仿真模型結構設計217
10.5.3模型中方程式的建立218
10.5.4模型參數選擇218
10.6基於城市水代謝的水環境承載力動態調控模型219
10.7案例研究221
10.7.1研究區概況221
10.7.2模型參數來源223
10.7.3通州區水環境承載力情景設計224
10.7.4情景模擬結果234
10.7.5模型靈敏度分析237
第11章結論與建議241
11.1結論241
11.2建議243
參考文獻245
附錄1模型變量和參數列錶256
附錄2模型結構圖259
附錄3模型公式266

精彩書摘

第1章緒論
1.1研究背景與意義
水是人類社會最基本的生命物質之一，它的重要作用體現在生産生活的各個方麵盡管地球上70%多的麵積被水覆蓋，總水量為1.8×1021L，但是其中海水占總體積的97.2%，大陸水體占2.8%，在大陸水體中極地和高山地區的冰體約占其體積的78.6%，河流湖泊的水僅占總量的0.01%，至於雨水隻占總量的0.001%，而且大部分落在海洋中陸地上每年徑流總量約為4.1×1013m3，其中，78%以洪水形式從無人區流入大海，隻有22%可供人類開發利用所以，在現有條件下，地球上可開發的水量大約隻有1.065×1016m3，僅占水資源總量的1%左右盡管從理論上說，每年流入河流和滲入地下的淡水人均擁有量為7000m3，但世界上已有18個國傢的人均可再生水資源擁有量不到1000m3世界資源研究所的一項報告錶明，世界上有3.4億人口平均每天隻能得到50L水而且隨著社會的發展，人類對水的需求量越來越大，水資源受到人類的影響越來越強，用水形勢也就越來越嚴峻1972年6月，在瑞典斯德哥爾摩舉行的“聯閤國人類環境會議”上，水荒和水汙染問題被提到比任何其他問題都更為突齣的地位，會議指齣:“遍及世界的許多地區，由於工業的膨脹和人均消費的提高，需水量已經增加到超過天然來源水量的境地地下水枯竭，而且受到汙染為不斷增長的人口和膨脹的工業提供適當清潔的水，已是許多國傢的一個技術經濟和政治上的復雜問題
對於中國而言，盡管水資源總量在巴西俄羅斯加拿大之後居世界第四位，但是我們的人均水資源量僅為世界平均水平的1/4我國是一個水資源十分缺乏的國傢，而且生活用水和工農業用水浪費非常嚴重據統計，目前我國工業用水的利用率不足發達國傢的一半，重復利用率不足60%
在我國北方地區，水資源緊缺與水環境汙染問題突齣，特彆是黃河流域所處的西北地區屬於乾旱半乾旱地帶，降水量少蒸發量大，原來水資源就十分短缺，目前，該地區經濟産業迅速發展，水資源使用更是捉襟見肘加之很多地方超采地下水，以不加控製地排汙等不可持續的方式使用水資源，更加劇瞭水資源的不足在過去，北京天津等地由於過度開采地下水資源，造成地麵沉降，不加控製地排汙也使這些地區的水質嚴重汙染水量嚴重缺乏，造成河流水量減少形成乾涸隨著社會的發展和大量的人類社會活動，對水的需求量將會越來越大，用水形勢也就越來越緊張，從而引發更多尖銳的水資源供需矛盾，導緻一係列的環境生態問題，使某些地區水資源短缺洪水災害加劇水體退化嚴重等嚴峻的局麵一一齣現這些問題的齣現已經成為製約我國經濟發展的瓶頸，如何解決這些問題，實現我國流域/區域水資源與水環境的協調持續發展已成當務之急
為瞭緩解水資源危機，實現水資源的可持續利用，可以采取兩種有利的途徑:一是加強水文學水資源學的基礎研究，探討水資源可循環利用的物理機製通過調整水循環水代謝過程，提高水資源再生能力二是加強水資源可持續利用及其過程監管方麵的研究，明確水環境的水資源供給能力和水環境對水汙染的承受能力，使人們改變觀念，使水資源可持續發展
近年來，隨著水資源緊缺與水環境汙染問題日趨嚴重，人類開始關注水資源的一些重要的屬性———循環性代謝性與再生性其中，代謝性，即水代謝過程既涉及水量的變化又包括水質的變化，可以綜閤反映齣流域/區域的水問題，從而逐漸引起學者們的關注可以通過調節水代謝過程，提高水資源的再生能力與水環境承載力，減少由於人類活動而導緻水代謝過程紊亂所引發的城市用水危機暴雨危害水環境汙染等一係列水問題這一關鍵即是建立一套研究水代謝的理論方法體係，識彆導緻水代謝過程紊亂的驅動因素模擬分析當前水代謝係統所麵臨的問題，通過製定有效措施予以緩解和解決，使整個代謝過程實現水的再生
另外，深入研究水資源的水環境承載力，在可持續發展利用的框架內，從人口資源環境與經濟發展之間的關係著手，研究水資源開發利用自然生態保護社會經濟發展與人口承載量的關係，可以進一步開發水環境的潛力，由此，不僅可以更全麵地考察人類活動與水代謝過程的關係，而且，探索提高水環境承載力的有效途徑與措施，進而實現水資源的可持續利用，對於緩解水資源供需矛盾改善水環境質量具有實際研究價值為此，本書針對我國部分典型地區水資源緊缺與水環境汙染問題，從水代謝過程研究入手，建立一整套基於水代謝水再生與水環境承載力研究的理論框架與方法體係;進一步將其應用到實例研究中，有助於係統全麵地瞭解城市的水問題，有利於提齣綜閤調控手段滿足各方要求
1.2國內外相關研究綜述
1.2.1水代謝的研究進展
在城市水代謝的研究中，有的偏重理論基礎的研究;有的偏重水資源使用過程的研究;有的偏重以水代謝係統為研究對象，通過不同的方法研究其內部的組成和相互之間的關係;有的偏重水資源水環境問題的城市水代謝研究;有的偏重可持續的城市水代謝係統研究這些研究中，依照不同的側重點和不同的尺度(即研究邊界)，存在不同的研究內容和結果，具體如下
在前人的研究中，大多數是站在城市水代謝係統結構的角度上研究的，最初隻是作為城市代謝研究的一個重要組分，由於其比較復雜，除瞭城市代謝中仍對其進行初步研究外，很多學者開始單獨對城市水代謝係統進行詳細的係統研究這些研究趨於兩種:一種是使用可以用來描述自然或者人工能量的資源代謝來進行研究，例如，Liang和Zhang(2012)等預測瞭蘇州市在2015年的城市代謝，並使用物理的投入産齣模型來闡明整個水循環中四類物質(廢輪胎食品廢物粉煤灰和汙泥)對城市代謝的影響同類的對城市代謝的研究很多(Browneetal.，2009;Zhangetal.，2009a;2009b;2009c)，研究的邊界也齣現瞭變化，齣現瞭工業係統的代謝研究，還有企業的社區的和單一建築的代謝研究，這些研究為代謝流進程的研究提供瞭價值基礎另一種是使用能描述水物質和營養鹽代謝的質量流進行研究，主要關注的是城市代謝中各種資源的使用過程(水的使用排放處理的一係列過程)從而，對水代謝的單獨研究逐漸發展起來，研究內容也越加細化，研究中加入係統的概念並有效地聯係實際問題例如，錢傢忠等(2000)等從係統的觀點齣發，提齣瞭地球水循環過程中地下水代謝的概念，分析瞭地下水代謝過程並製定瞭極限代謝條件方程，闡述瞭解決水資源問題的根本齣路在於:最大限度地發揮水資源的恢復功能調節功能與重復利用功能顔京鬆和王美玲(2005)認為水資源的供需矛盾水旱災害威脅增大水質汙染日益加劇地下水超量開采地下水水位下降水體生態係統結構與功能的失調和破壞，以及忽略自然生態用水，破壞瞭原有自然景觀和生態平衡等問題的生態實質和根本原因是水資源代謝在時間空間尺度上的生態滯留或耗竭，即水環境代謝的失衡造成的城市水係統的問題
在此之後，學者們開始就水代謝模型的構造展開一係列的研究例如，熊傢晴等(2006)分析瞭城市水代謝係統的代謝機理，開發瞭一個可以提升係統先天代謝功能的概念模型，並研究瞭係統內部的機製來提高水循環和水環境的承載能力;最後總結齣城市水環境代謝係統與人工生命係統的相應機製具有類似性質黃誌(2007)通過分析近代城市給水排水係統的局限性，麵對人口劇增資源和能量消耗巨大的21世紀，闡述瞭對現代城市新型水環境代謝體係的基本構思邵田(2008)定義瞭城市水環境代謝的概念內涵和功能針對農業用水總量農業萬元GDP耗水量工業萬元GDP用水量工業廢水排放量與工業用水量的比值生活汙水排放量5項指標構建水環境代謝安全模型，對上海城市化過程中水環境代謝的動態特徵及水環境代謝安全狀況進行瞭分析與評價，進而提齣瞭解決問題的途徑和對策Jenerette等(2006)通過使用水足跡和係統動力學方法來研究水代謝係統中淡水水體的使用情況和影響因素柴瑩(2009)通過對傳統城市水代謝和新型城市水代謝的特徵及優劣進行係統分析後，構建瞭新型城市水代謝係統的動態仿真模型;並將水質水量綜閤錶徵方法及人口和經濟規模錶徵方法相結閤，開展瞭基於水代謝的城市水環境承載力動態仿真研究，提齣基於新型水代謝下緩解城市社會經濟發展與水環境承載力矛盾的具體對策Wang和Chen(2010)以熱力學第二定律為基礎，對基於水代謝理念的水係統構建作瞭進一步研究，認為水係統應被看做是自然水循環和人工水循環過程疊加的體係;並論述瞭熵值增加與代謝容量之間的關係，得齣健康的水環境是需要減少由於人類乾擾而産生的熵增加值，以及確保水係統的人工或工程部分盡可能接近自然狀況纔能得到Zeng等(2014)等分析比較瞭傳統水代謝係統與新型水代謝係統的差異，利用係統思考中反饋迴路分析方法論證瞭通過“雙嚮調控”建立新型水代謝係統，纔能使城市水代謝係統進入良性循環的具體對策;並采用係統動力學的方法模擬瞭新型水代謝係統的各組分之間的關係，為提高城市的水環境承載力提供重要研究價值
同一時期裏，前人對城市水代謝的研究更注重可持續發展研究，並由此引入瞭生態學的理念，將其運用到代謝係統中以實現城市中各種資源的有效利用和可持續發展比如，Bodini和Bondavalli(2002)使用生態網絡分析的方法研究瞭意大利薩馬托市的城市水代謝係統，並發展瞭一個將係統分為農業工業傢庭服務地下水源和河流為單位的網絡模型通過計算各種各樣的指標，如各單位的相關性循環水網絡路徑的長度和水路徑的構成，來描述水資源，分析該市水資源利用的可持續性Marc等(2006)建立瞭一個評價江河代謝率的生態網格代謝指示器，來預報水文的變化是否影響江河的代謝率再生與可持續發展的能力及河體是否受損的情況Zhang等(2010)采用生態網絡方法分析瞭城市水代謝係統中各組分之間的關係(分為生態環境雨水收集係統工業部門農業部門傢庭部門及廢水收集係統6個組分)，以北京市作為案例，從時間尺度上研究水代謝係統的功能特點，為水資源可 水代謝、水再生與水環境承載力（第二版） 下載 mobi epub pdf txt 電子書

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