城市二元水循环系统演化与安全高效用水机制

城市水循环既包括降雨、径流等自然循环过程，也包括供水、排水等社会循环过程，具有明显的"自然-社会"二元特性。城市水系统是自然水循环和社会水循环的重要载体和耦合界面，也是人类实现水资源安全、高效和可持续利用的重要调控手段。本书基于城市水循环系统的二元特征，提出了可持续城市水系统理论框架、调控原则和决策支持工具，构建了城市二元水循环系统数值模拟体系，定量研究了城市二元水循环关键过程的演化机制和规律，并提出了海河流域城市安全高效用水的调控机制。本书可供水文水资源、环境科学与工程、给排水工程、城市规划等领域的科技工作者、管理工作者和相关专业院校师生参考。

总序
序
前言
第1章引言1
1.1我国城市水问题的现状1
1.2我国城市水问题的未来挑战3
1.3传统城市水系统的局限4
1.4研究目的、技术路线和内容5
第2章基于二元循环的可持续城市水系统理论7
2.1基于二元循环的可持续城市水系统理论框架7
2.2基于水质的可持续城市水资源评价新模式9
2.2.1基于水质的城市水资源量化概念9
2.2.2基于水质的城市可用水资源量评价框架10
2.3多尺度城市水资源利用效率评价理论与方法11
2.3.1不同尺度水资源利用效率评价指标体系构建13
2.3.2不同尺度水资源利用效率的转化16
2.4可持续城市水系统规划设计运行理论与支撑工具16
2.4.1可持续城市水系统的内涵16
2.4.2可持续城市水系统的主要特征17
2.4.3可持续城市水系统的规划、设计及运行原则20
2.4.4基于二元循环的城市水系统数值模拟体系21
第3章多尺度城市二元水循环系统数值模拟体系的构建24
3.1基于水质的城市可用水资源量核算模型24
3.1.1建模方法24
3.1.2模型概化24
3.2基于ABSS的城市生活用水需求预测与管理模型28
3.2.1ABSS建模方法28
3.2.2模型结构与功能29
3.2.3模型核心机理与子模块31
3.3城市工业用水需求预测与管理模型36
3.3.1I-WaDEM模型结构36
3.3.2模型核心计算模块37
3.4城市给水系统水质模拟与风险评估模型43
3.4.1建模方法与框架43
3.4.2模型结构与功能44
3.5基于GIS的城市排水系统和非点源污染模拟模型45
3.5.1建模方法与框架45
3.5.2模型结构与功能46
3.5.3排水系统模拟的核心机理47
3.6基于支付意愿的城市居民再生水需求模型50
3.6.1研究的理论基础50
3.6.2支付意愿函数的构造与分析51
3.6.3居民对再生水的总和需求函数52
3.7基于真实期权的再生水工程项目投资策略优化模型53
3.7.1基本模型53
3.7.2再生水项目的价值55
3.7.3最优投资规模的确定57
3.7.4投资期权的价值及最佳投资时机58
3.8城市污水系统可持续性估算模型59
3.8.1基于成本效益分析的建模方法59
3.8.2模型结构与功能60
3.9城市污水系统布局规划决策支持模型61
3.9.1多目标空间优化的建模方法61
3.9.2模型结构与功能61
3.9.3模型求解算法63
3.10基于事件驱动的流域分布式非点源模型65
3.10.1模型结构与功能65
3.10.2模型应用框架66
3.11模型不确定性分析方法66
3.11.1不确定性分析的基本方法66
3.11.2基于Sobol序列的GLUE算法68
3.11.3基于空间信息统计学的参数空间相关性分析方法69
3.11.4基于图论的空间采样方法71
第4章城市二元水循环系统演化机制与规律研究73
4.1基于水质再生的城市水资源量73
4.1.1单个城市最大可用水资源量理论极限值73
4.1.2多个城市全流域最大可用水资源量理论极限值73
4.1.3考虑经济可行性的单个城市可用水资源量74
4.2城市生活节水技术的扩散特征77
4.2.1节水器具扩散规律77
4.2.2居民用水结构变化和节水器具未来发展趋势78
4.3工业节水技术的发展规律79
4.3.1工业技术发展水平判断79
4.3.2技术进步对节水潜力的影响识别81
4.4常规处理工艺下城市饮用水水质风险特征82
4.4.1城市饮用水水质风险评价标准82
4.4.2饮用水源水质参数83
4.4.3给水处理工艺参数84
4.4.4不同水源水质条件下的饮用水安全风险84
4.4.5海河流域的饮用水安全风险84
4.5城市饮用水水质安全的社会和技术影响因素87
4.5.1案例研究区域87
4.5.2模拟情景设计88
4.5.3模拟结果分析90
4.6典型下垫面污染物初期冲刷效应91
4.6.1颗粒物初期冲刷效应92
4.6.2有机物和营养物质初期冲刷效应92
4.6.3其他物质初期冲刷效应92
4.7BMP在城市径流污染控制中的去除规律94
4.7.1控制措施的选择94
4.7.2控制措施方案制订与模拟分析94
4.8居民支付意愿对再生水需求的影响98
4.8.1居民支付意愿的影响因素98
4.8.2北京市再生水需求曲线99
4.9投资再生水项目的最优规模和最佳时机101
4.9.1污水再生利用工程的经济可行性101
4.9.2再生利用工程经济可行性的敏感影响因素分析102
4.9.3投资再生水项目最优规模和最佳时机的影响因素103
4.10城市污水系统结构与布局对城市可持续性的影响105
4.10.1城市污水系统结构对城市可持续性的影响105
4.10.2城市污水系统布局对城市可持续性的影响112
4.11污水再生利用条件下污水系统的理想服务规模114
4.11.1污水系统单位成本曲线规律识别115
4.11.2传统模式与污水回用模式污水系统理想规模的差异116
第5章城市二元水循环系统调控机制研究118
5.1城市节水潜力预测与实现途径118
5.1.1海河流域城市生活用水节水潜力分析与管理对策118
5.1.2海河流域工业用水节水潜力分析与管理对策123
5.2海河流域城市给水系统水质风险控制126
5.2.1海河流域未来饮用水水质风险126
5.2.2影响饮用水水质风险的关键因素识别128
5.2.3饮用水水质风险控制策略的效果129
5.3海河流域城市水资源利用效率评价130
5.3.1各项评价指标和权重确定130
5.3.2城市综合用水效率评价136
5.4海河流域城市污染负荷总量控制对策137
5.4.1城市污染负荷排放的估算方法138
5.4.2海河流域城市污染负荷排放量的计算及调控路径识别140
5.4.3城市区域污染负荷排放调控路径的选择153
5.5海河流域城市排水体制的选择策略157
5.5.1不同排水体制性能差异的识别157
5.5.2海河流域城市排水体制分区160
5.5.3城市特征与排水体制选择的关系162
第6章成果总结与展望164
6.1基于二元循环的可持续城市水系统理论164
6.2多尺度城市二元水循环系统数值模拟体系165
6.3城市二元水循环系统演化机制与规律165
6.4城市二元水循环系统调控机制167
6.5对未来研究工作的建议167
参考文献169
索引172