水行業(yè)是能源密集型行業(yè)。在全球化石能源日趨枯竭和氣候變化的雙重壓力下，節(jié)能與二氧化碳減排，將與供水保障、洪澇災(zāi)害防治和水環(huán)境保護(hù)一起，成為未來城市水系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行的目標(biāo)。城市水系統(tǒng)的碳排放與城市水量、水質(zhì)、水壓、水溫需求密切相關(guān)。它取決于系統(tǒng)建設(shè)、運(yùn)行和維護(hù)過程中能源和物質(zhì)的消耗，還取決于水處理過程中生化反應(yīng)產(chǎn)生的溫室氣體�！冻鞘兴到y(tǒng)與碳排》以評(píng)估和管理城市水系統(tǒng)的碳排放為目的，闡述城市水系統(tǒng)與碳排放的基本原理，探討供水系統(tǒng)、污水處理系統(tǒng)、建筑水系統(tǒng)和雨洪系統(tǒng)碳排放的規(guī)律和評(píng)估方法，并介紹城市水系統(tǒng)碳減排的途徑。
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主要面向環(huán)境能源學(xué)科方向的高年級(jí)本科生和研究生，也可為從事城市水資源、水環(huán)境、能效、城市規(guī)劃研究和管理的人員提供參考。
《城市水系統(tǒng)與碳排》主要面向環(huán)境與能源學(xué)科方向的高年級(jí)本科生和研究生，也可為從事城市水資源、水環(huán)境和能效管理的人員提供參考。
北京大學(xué)環(huán)境與能源學(xué)院教授。清華大學(xué)水利水電工程系字士(1991～1996)、北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)系博士(1996～2001)。2002年起在北京大學(xué)深圳研究生院從城市水環(huán)境的教學(xué)與科研工作。2008~2010在英國(guó)University of Exeter任“瑪麗？居里”學(xué)者。主要圍繞城市暴雨管理和流域水環(huán)境修復(fù)開展應(yīng)用基礎(chǔ)研究。在國(guó)內(nèi)外重要期刊上發(fā)表論文46篇。主持／承擔(dān)了國(guó)家“973”項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金青年／面上／重點(diǎn)項(xiàng)目、國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)、歐盟第七科研框架計(jì)劃項(xiàng)目、廣東省水利科技創(chuàng)新項(xiàng)目等。
第一篇基本原理
第1章概述
Chapter1Introduction
1.1城市水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能
1.1.1城市水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
城市水系統(tǒng)是由城市的水源、供水、用水和排水四大要素組成，集城市供水的取水、凈化和輸送，城市排水的收集、處理和綜合利用，以及城區(qū)防洪排澇為一體，是各種供水排水設(shè)施的總稱。
城市水系統(tǒng)主要包含以下供排水設(shè)施。
1)水源取水設(shè)施。包括地表和地下取水設(shè)施、提升設(shè)備和輸水管渠等。
2)給水處理設(shè)施。包括各種水質(zhì)處理設(shè)備和構(gòu)筑物。生活飲用水一般采用混凝、沉淀、過濾和消毒處理工藝流程，工業(yè)用水一般有冷卻、軟化、淡化、除鹽等。
3)供水管網(wǎng)。包括輸水管渠、配水管網(wǎng)、水量與水壓調(diào)節(jié)設(shè)施（泵站、減壓閥、清水池、水塔等）。
4)終端用水單元。包括難物內(nèi)部用水管道、用水設(shè)備、調(diào)節(jié)設(shè)施（閥門、氣壓罐、水箱、水池等）、計(jì)量升壓設(shè)備（水表、水泵等）、排水管道、局部污水處理構(gòu)筑物等。
5)排水管網(wǎng)。包括收集與輸送污水（徑流）的管渠、水量調(diào)節(jié)池、提升泵站及附屬構(gòu)筑物（如檢查井、跌水井、水封井、雨水口等）等。
6)污水處理設(shè)施。包括各種水質(zhì)凈化設(shè)備和構(gòu)筑物。由于污水的水質(zhì)差異大，采用的污水處理工藝各不相同，常用物麵理工藝有格柵、沉淀、曝氣、過濾等；常用化學(xué)處理工藝有中和、氧化等；常用生物處理工藝有活性污泥處理、生物膜、生物濾池、氧化溝等。
7)排放和再生利用設(shè)施。包括污水受納體（如水體、土壤等）和最終處置設(shè)施，如排放口、稀釋擴(kuò)散設(shè)施、隔離設(shè)施和污水回用設(shè)施等。
城市水系統(tǒng)黯明顯的分層結(jié)構(gòu)特征。系統(tǒng)可以劃分為水源、供水、用水和排水四個(gè)子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)又包含若干個(gè)組成要素，系統(tǒng)、子系統(tǒng)和要素之間構(gòu)成一個(gè)逐層分解的三級(jí)譜結(jié)構(gòu)（圖D)。不同層次之間相互聯(lián)系、相互制約；
同一層內(nèi)的各子系統(tǒng)或要素之間既有聯(lián)系，又有矛盾和沖突，需要在上一層次系統(tǒng)中加以綜合與協(xié)調(diào)，以保持系統(tǒng)的整體性和穩(wěn)定性。
從水的循環(huán)特征看，城市水系統(tǒng)是水的自然循環(huán)和社會(huì)循環(huán)的耦合系統(tǒng)。城市水系統(tǒng)的自然循環(huán)是在自然界力量的作用下水的相態(tài)不斷發(fā)生轉(zhuǎn)化的過程；而水系統(tǒng)的社會(huì)循環(huán)是從自然界獲取水、經(jīng)過適當(dāng)處理輸送至城市各種水用戶、使用后的污水經(jīng)過凈化后又回歸自然水體的過程。城市水系統(tǒng)的社會(huì)循環(huán)起始于自然循環(huán)，最后又終止于自然循環(huán)，并且依賴于取水、供水、用水和排水四個(gè)子系統(tǒng)滿足人類生產(chǎn)活動(dòng)需要，是對(duì)城市水系統(tǒng)自然循環(huán)的強(qiáng)化。
當(dāng)天然水體被開發(fā)利用進(jìn)入社會(huì)循環(huán)時(shí)，便組成了一個(gè)“從水源取清水”到“向水源排污水”的城市水循環(huán)系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)每循環(huán)一次有贈(zèng)?滅的水量被消耗，水質(zhì)也會(huì)隨之惡化，若將這些污水直接排入環(huán)境，會(huì)進(jìn)一步污染水源，從而陷入水量越用越少、水質(zhì)越用越差的惡性循環(huán)之中。為了避免這種惡性循環(huán)的發(fā)生，必須加強(qiáng)對(duì)城市水系統(tǒng)社會(huì)循環(huán)的控制，盡量減少其對(duì)自然水循環(huán)的影響。
1.1.2城市水系統(tǒng)的功能
水系統(tǒng)是城市的重要組成部分，相當(dāng)于城市的“血脈”。城市水系統(tǒng)給城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供支持和保障，城市的發(fā)展也會(huì)促進(jìn)城市水系統(tǒng)的發(fā)展和完善。城市水系統(tǒng)的功能主要有以下四方面。
(1)供水保障
向指定的用水點(diǎn)及時(shí)可靠地提供滿足用戶水量、水質(zhì)和水壓要求的用水。
(2)污染防治
將用戶排出的污水及時(shí)可靠地收餅輸送到指定地點(diǎn)’采用恰當(dāng)?shù)拇胧├砦鬯蛊渌|(zhì)達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，保護(hù)環(huán)境不受污染。
(3)防洪排澇
在暴雨件下，城市水系統(tǒng)具有及時(shí)排出積水、削減洪峰、保障城市居民生命財(cái)產(chǎn)安全的功能。由于城市的規(guī)模不斷擴(kuò)大，不透水地面增加，雨水入滲量減小，地表徑流量增大，洪峰到達(dá)時(shí)間提前，造成城市洪澇災(zāi)害日趨嚴(yán)重，城市水系統(tǒng)防洪排澇的壓力也越來越大。
(4)景觀生態(tài)
城市水系統(tǒng)還具有景觀生態(tài)功能。水系統(tǒng)中的洪泛區(qū)、濕地及河道等多樣的生境給城市態(tài)統(tǒng)的完、穩(wěn)定發(fā)提供了條件；城市域還能改善局部的小氣候、凈化環(huán)境，對(duì)城市熱島效應(yīng)的減弱也有明顯作用；城市水域景觀還給人們提供了視覺上的享受及精神上的麵體驗(yàn)。
1.1.3城市水系統(tǒng)的演變
水是生命之源，是城市生活和生產(chǎn)必不可少的物質(zhì)，世界上絕大部分的城市都建設(shè)在江、河、湖、海附近或依山傍水地區(qū)。城市水系統(tǒng)集取水、供水、用水和排水四大子系統(tǒng)于一體，是城市的重要基礎(chǔ)設(shè)施。
隨著城市的出現(xiàn)，取水和供水系統(tǒng)首先發(fā)展起來。兩千多年前古埃及建設(shè)的馬立斯湖，面積達(dá)12000hm2以上，是尼羅河流域中的最大蓄水庫，可為當(dāng)時(shí)兩千萬居民供水；紀(jì)元前羅馬建造了著名的“羅馬水道”，它的一部分仍保存至今;1235年倫敦細(xì)鉛管等輸水入城；1619年倫敦創(chuàng)設(shè)了新河公司，在全城敷設(shè)水管，實(shí)現(xiàn)挨戶供水；1800年開始使用鑄鐵管代替木管等管道，并且出現(xiàn)蒸汽式水泵，促進(jìn)了城市供水系統(tǒng)的發(fā)展。與取水和供水系統(tǒng)相比，排水系統(tǒng)的發(fā)展較為遲緩，直到19世紀(jì)中葉，歐洲城市才開始普遍建造近代排水系統(tǒng)，1898年出現(xiàn)規(guī)模較大的污水灌溉，為城市污水生化處理奠定了基礎(chǔ)。
我國(guó)近代第一個(gè)給水工程于1879年在旅順建成，該工程敷設(shè)了長(zhǎng)224km、直徑0.15m的管道。1882年上海設(shè)立上海自來水公司，1901年大連建立水廠，之后青島、廣州、南京、杭州、鎮(zhèn)江等地也相繼建成自來水廠。1879?1949年，全國(guó)修建大小自來水廠達(dá)75個(gè)，但只有少數(shù)幾個(gè)城市建設(shè)了污水處理廠和排水系統(tǒng)，而且很不完善。
隨著城市的發(fā)展，城市水系統(tǒng)不斷演變，其演變經(jīng)歷了以下三個(gè)階段。
⑴小型、分散階段
該階段城市的規(guī)模較小、人口不多、工業(yè)企業(yè)的分布較分散，城市的用水和污水排放均未形成規(guī)模。此時(shí)城市供水基本都處于自由開發(fā)階段，就近細(xì)地下水或地表水，普遍采用常規(guī)凈水工藝。生產(chǎn)和生活污水未處理或經(jīng)過簡(jiǎn)單的處理后直接排入自然水體。
(2)大型、集中階段
該階段城市人口急劇增長(zhǎng)、工業(yè)規(guī)模日益增大、城市用水量迅猛增長(zhǎng)，對(duì)水質(zhì)的要求逐漸提高。大型供水水庫開始修建，城市的供水管網(wǎng)系統(tǒng)不斷擴(kuò)大。為了減少污水排放對(duì)自然水體的影響，大型污水處理設(shè)施開始建造。
(3)可持續(xù)發(fā)展階段
在這個(gè)階段，人們已經(jīng)充分意識(shí)到只有合理利用水資源才能實(shí)現(xiàn)水與人類的和諧發(fā)展，用水健康循環(huán)的理念逐步形成；充分使用雨水和再生水資源，供水系統(tǒng)、污水系統(tǒng)和雨水系統(tǒng)相互耦合大型、集中的水基礎(chǔ)設(shè)施與小型、分散的生態(tài)型供水、排水和水處理單元相互補(bǔ)充。這種系統(tǒng)在滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展需求的同時(shí)，還能促進(jìn)生態(tài)環(huán)境的改善，保證水生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。
1.2城市水系統(tǒng)的規(guī)劃
1.2.1城市水系統(tǒng)規(guī)劃的目標(biāo)
城市水系統(tǒng)規(guī)劃是對(duì)城市給水排水系統(tǒng)作出統(tǒng)一的安排，從時(shí)序上保證給排水工程建設(shè)與城市發(fā)展相協(xié)調(diào)，優(yōu)化水資源的配置，促進(jìn)水系統(tǒng)的良性循環(huán)和城市的可持續(xù)發(fā)展。城市水系統(tǒng)規(guī)劃的目標(biāo)主要體現(xiàn)在以下四個(gè)方面。
(1)保障城市供水
充足的水量、合格的水質(zhì)和持續(xù)的供給是城市供水系統(tǒng)規(guī)劃的主要目標(biāo)。供水系統(tǒng)規(guī)劃是在充分掌握城市發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，結(jié)合城市總體規(guī)劃，對(duì)城市現(xiàn)有的管網(wǎng)布局、未來的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口變化、水源保障和用水要求等情況進(jìn)行綜合考慮，選擇合適的水源和相應(yīng)的供配方式。
(2)保障城市排水
保證城市污水及時(shí)順暢排出，采取合理工藝對(duì)污水進(jìn)行凈化和促進(jìn)污水再生利用是城市排水系統(tǒng)規(guī)劃的主要目標(biāo)。排水系統(tǒng)規(guī)劃要求考察城市、流域甚至區(qū)域的水環(huán)境情況，對(duì)排水體制、主干管渠公布、污水處理廠的規(guī)模與布局等進(jìn)行分析和確定，選擇合理的城市排水方案。
(3)減輕洪澇災(zāi)害
城市地面徑流系數(shù)大、建筑密集、交通流量大，因此對(duì)防洪排澇的要求較高。城市防洪排澇規(guī)劃應(yīng)根據(jù)城市的自然地理?xiàng)l件和經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況適當(dāng)調(diào)整規(guī)劃設(shè)計(jì)錄，修建水庫、堤防、泵站、調(diào)蓄工程等防洪排澇設(shè)施，降低洪澇災(zāi)害對(duì)
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