（环境科学专业论文）中国东部城市水环境代谢研究——以上海市为例.pdf

中国东部城市水环境代谢研究以上海市为例 2 0 0 8 届硕士毕业论文 s t u d yo nu r b a nw a t e r m e t a b o l i s mi ne a s t e r nc h i n a - - - t h ec a s eo fs h a n g h a i a b s t r a c t a sb a s i cn a t u r a lr e s o u r c e sa n ds t r a t e g i ce c o n o m i cr e s o u r c e s ，w a t e rr e s o u r c e sa r e c r u c i a l l yi m p o r t a n tt ot h el i f ea n d h e a l t ho fh u m a nb e i n g ，a sw e l la st ot h ee c o l o g i c a l s y s t e m t h e ya r eo n e o ft h ep r i m a r yc o n d i t i o n so ft h en a t i o n a la n du r b a ns u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n t w e l l b a l a n c e dw a t e rm e t a b o l i s md o e sn o to n l yp r o m o t et h ep r o c e s so f w a t e rs u p p l y , u s ea n dd r a i n a g ei nt h ec i t y , b u ta l s oc o n t r o l st h eu r b a ne n v i r o n m e n t ， e c o l o g ya n dl a n d s c a p e t h ec u r r e n ts t u d i e so fu r b a nw a t e rm e t a b o l i s ma r ef e wa td o m e s t i ca n da b r o a d m a n y s c h o l a r sh a dd o n eal o to fw o r ko nt h es u p p l ya n dd r a i n a g ep r o c e s so fw a t e r m e t a b o l i s m ，b u tal i t t l eo fq u a n t i t a t i v es t u d yo nt h er e u s e ，r e c y c l i n gp a r to fw a t e r m e t a b o l i s ma sw e l la st h e i ri m p a c t so nu r b a ns u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t e a s t e r nc h i n ah a ss e r i o u sp r o b l e m so fw a t e rr e s o u r c e s ，w a t e re n v i r o n m e n t ，w a t e r s a f e t yw h i l er a p i de c o n o m i cd e v e l o p m e n t s h a n 曲a ii sat y p i c a lc i t yi nc o a s t a le a s t e r n c h i n a 1 2i n d i c a t o r sh a db e e nc h o s e nf r o mt h es o c i a l ，e c o n o m i ca n de n v i r o n m e n t m o n i t o r i n gd a t ao ft h i sc i t y , a n da n a l y z e di nt h em o d e lo fg r e ys y s t e m ，c o n s e q u e n t l y g o t t e nt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ec a u s e so fs h a h 【g h a iu r b a nw a t e rm e t a b o l i s mf r o mt h e 口a yr e l a t i o nb e t w e e nt h e1 2i n d e x i nt h ev i e wo fw a t e rm e t a b o l i s m ，5i n d i c a t o r s ，i n c l u d i n ga m o u n to fa g r i c u l t u r ew a t e r u s e ，p e rr m b1 0 ，0 0 0a m o u n to fa g r i c u l t u r ew a t e ru s e ，p e rr m b1 0 ，0 0 0a m o u n to f i n d u s t r i a lw a t e ru s e r a t i oo fi n d u s t r i a lw a s t e w a t e re f f l u e n ta n di n d u s t r i a lw a t e ru s e ， a m o u n to fd o m e s t i cs e w a g e ，h a db e e nc h o s e nt ob u i l dt h eu r b a nw a t e rm e t a b o l i s m s a f e t ym o d e l r a p i du r b a n i z a t i o nh a st a k e ni ns h a n g h a i 。t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dt h e s a f e t ys t a t eo fu r b a nw a t e r m e t a b o l i s mh a v ec h a n g e df o l l o w i n gb y , t h e s ec h a n g e sh a d b e e na n a l y z e da n dc o m p a r e dw i t ht h eo t h e r9e a s t e r nc i t i e s ，i n v o l v i n gb e i j i n g ，t i a n j i n ， d a l i a n ，j i n a n ，n a n j i n g ，h e f e i ，h a n g z h o u ，g u a n g z h o u ，x i a m e nf r o m1 9 9 8a n d2 0 0 5 i nt h ee a s t e r nc h i n a ，t h ee s s e n t i a lp r o b l e m so fu r b a nw a t e rm e t a b o l i s ma n dt h e i r m e c h a n i s mh a db e e nd i s c u s s e d f u r t h e r m o r e ，t h em e t h o d st os o l v et h e s ep r o b l e m s a n dc o u n t e r m e a s u r e sh a db e e nb r o u g h tf o r w a r d ，w i s h i n gt op r o v i d eas c i e n t i f i cb a s i s t ot h eu r b a ns u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fc h i n a ，a sw e l la st os h a r et h ee x p e r i e n c eo f w a t e rm e t a b o l i s ms t u d ya n du r b a nw a t e re n v i r o n m e n tm a n a g e m e n tt oo t h e rc i t i e sa t d o m e s t i ca n da b r o a d k e y w o r d s ：u r b a nm e t a b o l i s m ，u r b a nw a t e rm e t a b o l i s m ，g r e yr e l a t i o nd e g r e e ，w a t e r s a f e t y , e a s t e r nc h i n a ，s h a n g h a i c l c ：x 1 7 1 1 中国东部城市水环境代谢研究以上海市为例2 0 0 8 届硕士毕业论文 1 1 研究背景 第一章引言 水是一种宝贵的自然资源。水资源不足和水环境污染是多数国家所面临的时 代挑战。如同人体内的血液一样，水是城市主要的运输和净化处理载体之一。它 担负着输送进出货物、接受和稀释废弃物、并通过城市系统运送人口和货物等功 能【1 1 。现代城市排出的废弃物、即代谢物中，以水的形式排出的量最大【2 1 。健康 的水环境代谢不仅是城市给水、用水、排水过程满足城市需要的重要保证，更是 城市环境、生态和景观的关键控制要点。本论文的选题主要基于以下重要背景： 1 1 1 我国东部城市水资源紧缺 我国水资源紧缺，需要加强水环境代谢的效率，减少对环境的压力。 世界经济发展进程的规律表明，当国家和地区人均g d p 在5 0 0 美元至3 0 0 0 美元阶段时，往往对应着资源与环境等瓶颈约束最为严重的时期1 3 】。2 0 0 5 年我国 人均g d p 达到1 7 0 3 美元，正不可避免地遭遇资源与环境的巨大压力。本世纪头 2 0 年，我国将处于工业化加速发展阶段，延续原有的水环境代谢模式，水资源 将难以为继，水环境将不堪重负。 根据联合国有关机构总结的水资源短缺的基本标准：人均水资源拥有3 0 0 0 m 3 以下为轻度缺水；人均2 0 0 0m 3 以下为中度缺水；人均1 0 0 0m 3 以下是重度缺 水；人均5 0 0m 3 以下为极度缺水l 训。依照这一标准，我国东部省市大多处于缺水 情况，特别是北京、天津、上海等特大城市，均属于极度缺水城市。具体情况如 表1 - 1 ： 表1 12 0 0 6 年中国不同地区的缺水情况 甲均年水资源总量人均水资源量水资源折合地表径流 地区 缺水情况 ( x 1 0 8 m 3 ) ( m 3 人。1 、深( m m ) 北京 2 2 11 4 1 52 4 8 6 极度缺水 天津1 0 1 9 5 5 1 2 2 5极度缺水 上海2 7 61 5 3 93 2 6 5极度缺水 广州9 3 51 2 3 7 41 2 8 0中度缺水 全国2 5 3 3 0 11 9 3 2 12 8 8 9 中度缺水 资料来源：水资源量资料取自参考文献f 5 7 】 根据另一个标准，我国相当一部分水资源折合径流深小于1 5 0 m m 的地区属 中国东部城市水环境代谢研究以上海市为例2 0 0 8 届硕士毕业论文 于天然的生态不平衡地区。在这样的地区，人类与脆弱的生态环境之间的冲突及 其严重的生态后果愈演愈烈，对社会发展构成了严重的刚性制约【剐。如天津市的 径流深未达到标准，且京津唐地区城市密集，产业结构重型化特点突出，加剧了 水资源供需矛盾，当地经济发展和人民生活已经受到了极其严重的影响。 1 1 2 我国东部城市降水污染严重 据上海市排水部门多年监测，上海市现阶段前2 0 m i n 的初期雨水，其污染物 的浓度相当于城市生活污水【9 1 。淀山湖明显受到降水污染，非汛期水质好与汛期， 非汛期各代表断面水质均为i i i 类；汛期则全是类，主要污染项目为高锰酸盐指 数【1 0 i 。影响雨水质量的原因主要是，城市的大气污染日趋严重，致使雨水水质 下降，不少城市出现酸雨。 1 1 3 我国东部城市生活污水剧增 城市生活的大量用水和排水是城市水环境物质代谢的重要一环，生活污水中 含有大量各种污染物质，远超过了城市水环境系统正常代谢的能力。如上海和广 州等东南沿海城市，虽然水资源供应丰富，但是由于不注意生活污水的处理，把 未经处理的生活污水大量排到天然河道，污染了水体，影响了水资源的有效性， 造成有水不能用，形成了水质型缺水的严重状况。根据环境部门对全国河流、湖 泊、水库的水质状况的监测，由于近年来工业废水和城镇生活污水的排放等原因， 我国主要水系的水体都遭到了不同程度的污染。2 0 0 6 年，我国七大水系中，除 珠江、长江水质良好外，松花江、黄河、淮河为中度污染，辽河、海河为重度污 染。其中7 4 5 个地表水监测断面中只有4 0 断面满足国家地表水环境质量标准 ( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) 规定的l i i i 类水质要求【6 。事实上，水质型缺水己成为困扰中国 东部城市发展的水资源问题。 1 1 4 我国东部城市工业排放达标率不高 工业废水排放量大、成分复杂，大量人工合成化学物质随废水进入生态环境 系统，不但造成了城市水环境代谢难以承担工业废水的排放量，而且不具有代谢 大量人工合成化学物质的能力。对城市水环境代谢造成极大压力。 虽然我国城市工业废水的排放量占废水排放总量的比例在逐渐减小，1 9 9 5 年 为6 7 8 ( 2 8 1 6 亿t ) ，2 0 0 0 年降到了4 6 7 ( 1 9 4 2 亿t ) 1 1 1 j ，但其中真正的达标处 理率并不高。许多工厂进入园区污水管网的污水并没有达标，以致造成对城市污 中国东部城市水环境代谢研究以上海市为例 2 0 0 8 届硕十毕业论文 水处理厂的大负荷冲击，结果使得城市污水处理厂的排水很难达到标准，城市水 环境的有毒有机污染状况仍然没有根本改观。 1 1 5 我国东部城市地下水环境恶化 城市中，工业固体废弃物和城市生活垃圾通过大气降水的垂直淋滤作用进入 地下水，工业废水、生活污水由于排放不当或因排污管道渗漏进入地下含水层。 这些都造成了城市地下水环境代谢的失衡，使城市地下水污染严重。据2 0 0 6 年 统计，我国多数城市地下水受到一定程度的点状或面状污染，许多地下水水质超 标，主要有矿化度、总硬度、硝酸盐、亚硝酸盐、氨氮、铁、锰、氯化物、硫酸 盐等【6 1 。 此外，由于地表水不够用或地表水受到污染不能用，而长期超量开采地下水， 引发了地面沉降等恶果。据2 0 0 6 年中国水资源公报，对部分省级行政区地下水 降落漏斗( 以下简称漏斗) 进行了不完全调查，共计漏斗8 1 个( 3 7 个浅层漏斗 中与4 4 个深层漏斗中) ，漏斗总面积6 4 万k m 2 1 6 j 。在北京、天津等城市，地下 水是重要的供水水源，地下水开发利用程度普遍较高，过度开采的情况也很普遍。 河北的地下水供应量甚至超过了当地的天然地下水含量，加速了地下漏斗沉降。 上海等长三角地区城市也因长期超采地下水，引起了区域性地面沉降、海水入侵、 岩溶塌陷、地裂缝等地质灾害，甚至已对社会发展和生态环境构成了威胁i l 引。 在广东省由于过量抽取地下水而引起的地面沉降主要分布于湛江市区。工程作用 引起的地面沉降则主要分布于珠江三角洲和潮汕平原地区，包括广州、深圳、东 莞、珠海等在内的珠江三角洲地区广泛分布高含水量的软土地基，人类工程活动 是主要致灾因烈玎j 。 1 2 研究目的与意义 水环境代谢概念提出以来，逐渐得到了学术界的认同。并认为城市水环境代 谢不同与单纯的自然生态系统中的代谢体系，而应是受人类活动与社会行为影响 的复合型体系1 2 , 1 a , 1 5 1 。 近年来一些国外城市进行了水环境代谢的相关研究，如加拿大多伦多i l 酬、 澳大利皿悉尼【1 7 】，国内部分城市，如深圳【1 8 1 和香港【1 9 】也已率先进行了这方面的 研究。将这都对国内水资源利用和水环境保护起到积极的推进作用。城市水环境 代谢过程的研究尚不全面，对于重复利用和污水最后的排放等环节研究较少。 上海是中国东部沿海经济带的典型城市，面临着严重的由污染导致的水质型 缺水问题，在面向全球经济一体化的过程中，上海城市水安全问题尤其突出。上 中国东部城市水环境代谢研究以上海市为例 2 0 0 8 届硕士毕业论文 海自实施“环保三年行动计划”以来，进行了用水管理和水环境治理，但是对于 系统化地分析城市水环境代谢还比较少。同时，2 0 1 0 年上海即将召开世界博览 会，如何将“城市让生活更美好 这一主题落实到上海城市建设当中，充分考虑 城市中水的代谢与循环、水生态保护，形成安全、可持续的水环境代谢体系对于 实现上海市“水清、岸绿、景美、游畅”，建设上海生态型国际大都市具有重要 的现实意义。 为更好地研究上海城市水环境代谢，本文通过横向比较上海和其他9 个东部 代表城市北京、天津、大连、济南、南京、合肥、杭州、厦门、广州的 水环境代谢特点；纵向比较分析1 9 8 5 2 0 0 5 年以来上海市的城市水环境代谢变化 特征和类型，进而提出调控措施。考虑到水环境代谢安全是水环境代谢的重要基 础，本文以农业用水总量、农业万元g d p 耗水量、工业万元g d p 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，计算水环境代谢安全指数，分析上海市的水环境代谢安全状况。采用回归 分析、相关性分析等一系列方法，结合定量定性的手段研究水环境代谢与人类活 动影响因素之间的相关性，找出在时空分布中的大致规律，以期对中国东部城市 在研究城市水环境代谢体系特征、预测以及构建工作中起到一定的指导作用。 1 3 研究论文技术路线 在对城市水环境代谢定义、内涵及研究方法综述的基础上，通过城市水环境 代谢体系评价等方法，横向比较东部1 0 座城市之间水环境代谢过程中环境与经 济之间的相互作用，分析东部城市水环境代谢的影响因素。之后，以上海市为例， 选择1 9 8 5 2 0 0 5 年之间上海水环境代谢的相关指标，研究和分析了上海市的城市 水环境代谢的具体特征和变化，并评价了城市水环境代谢体系对城市水安全的影 响，提出相应对策和措施。 技术路线如图1 1 。 中国东部城市水环境代谢研究以上海市为例 2 0 0 8 届硕士毕业论文 s t e p l ：研究背景 s t e p 2 ：构建城市水环代谢理论 - 一。一一1 i 概念 i： 概念 ： i 圈圈； | - - 芮藩- ! l 一 塑一国国j 蛩 圜圈圉囡 s t e p 3 ：构建城市水环 境代谢效率计算模水代谢安全评价模型 = ，蟹堇夔堑孽里鼐j 纵向比较 匦圜匦圆圃圆 、， 横向比较 圈囡圉圉囡囡囡园园园 s t e p 5 ：结论与展望 i 撰过程芬奚。i 围困 f 。_ 。- 。- - 。_ 。一- - - 1 ：按要素分类 ： 国囡圉园 上海市水环境代谢调整措施 图1 1 研究技术路线示意图 5 一一一一一 中国东部城市水环境代谢研究以上海市为例2 0 0 8 届硕十毕业论文 第二章城市水环境代谢背景研究 2 1 城市水环境代谢研究进展综述 尽管城市水环境代谢概念的正式提出是二十世纪七十年代左右，但早期的相 关概念可追溯至u j a c o bm o l e s h o t t ( 1 8 5 7 ) 的著作中有关代谢论的描述，他认为生 命是一种代谢现象，是能量、物质与环境的交换过程【驯。2 0 世纪以后，工业化、 城市化速度的加快促使全球经济快速发展，但同时也增加了对自然环境的压力， 引起一些学者开始讨论工业化、城市化与物质代谢以及自然环境的相互作用关系 【2 1 埘j ，并且相继提出“城市代谢 和“工业代谢的概念。 城市代谢【2 5 】这一概念最早由w o l m a na b e l ( 1 9 6 5 ) 提出，他明确指出城市代 谢与循环必须是可持续的；p e t e rw gn e w m a n ( 1 9 9 9 ) 扩展了城市代谢的概念， 将城市代谢定义为是基于资源输入与废弃物产出分析的生物系统模式瞄j 。城市 代谢的目标是提高城市居住性的同时，维持再循环功能，尽量减少对自然资源的消 耗和避免废弃物的产生，同时最好控制在生态系统承载力之内。过去5 0 多年中， 诸多学者撰写了关于城市代谢的文剥2 5 , 2 7 。2 9 】，但是城市代谢的研究成果很少被用 于城市政策的制定。 城市水环境代谢的概念最早见于丹保宪仁的著作【砌，他提出了“水资源按 用途分类并重复利用 ，“供给必须水量并满足必要水质 ，将“用水和排水( 水 环境代谢) 的城市要对水环境负直接责任”的水环境代谢体系。如把城市看作一 个有机系统，则城市水环境的“水质”污染实际上是城市物质代谢失衡的结果1 2 j 。 其后也有国内学者在此基础上研究水环境代谢与水环境问题的关系，如颜京松认 为水环境代谢的失衡是城市水环境问题的生态实质1 3 。刘晶如、王如松等对中 国城市家庭近2 0 年的水资源和能源的经济及人1 2 社会因素进行了分析【3 2 j 。熊家 晴等认为城市水环境代谢系统与人工生命系统的相应机制具有的类似性质【3 引。 宋新山等指出了水环境代谢失衡的原因，即大量的矿石、燃料、化学合成物质输 入城市后，部分转化为产品，部分在生产过程中以工业污水形式排入水环境，或 以气体、颗粒物的形式进入大气环境，随大气降水一起进入水环境，转化为产品 的部分又通过人们的消费和使用以生活污水的形式排入水环境。大量污染物进入 城市水环境，造成城市水环境物质代谢的失衡( 图2 1 ) 1 3 4 l 。傅钢等分析讨论了我 国发展城市污水回用事业的可行性p 5 | 。此外还有学者就关于地下水环境代谢有 定义和比较系统的研刭3 6 , 3 7 。 中国东部城市水环境代谢研究以上海市为例 2 0 0 8 届硕十毕业论文 图2 1城市水环境物质代谢示意图 资料来源：参考文献 3 4 1 2 1 1 城市水环境代谢概念与相关概念比较 ( 1 ) 自然界的水资源、水循环、水代谢 水是生物机体、自然界的重要组成部分。从广义上讲，水资源指地球上水的 总体，而从狭义上讲，水资源是人类生存和发展不可替代的自然资源，又是人类 环境的基本要素。因此水资源指人类可以利用的，逐年可以得到恢复和更新的淡 水量，大气降水是它的补给水源1 3 踟。 自然界中的水循环是指，在太阳能和地球表面热能的作用下，地球上的水不 断被蒸发成为水蒸气，进入大气。水蒸气遇冷又凝聚成水，在重力的作用下，以 降水的形式落到地面，这个周而复始的过程1 3 刎( 见图2 2 ) 。 图2 2 自然界水循环示意图 资料来源：参考文9 1 3 9 1 水是维持生命最重要的物质之一，各种生命现象几乎全部在水中进行，人体 中国东部城市水环境代谢研究以上海市为例2 0 0 8 届硕士毕业论文 中的水代谢是指，人体主要从饮水及食物中获取水分，经胃肠道吸收进入体内， 在体内起到运输、排泄、交换、调解体温及各种生物化学反应的作用，经过2 0 多 次的循环再利用后，经过肾脏、皮肤、呼吸道及肠道排出体外l 柏】。体内的循环 系统和各个部位以水为媒体进行的热量、物质传递和分离，都包含着生物膜的作 用，并伴随着生物化学反应，其动力为高质量的生物能量1 3 引。 ( 2 ) 城市中的水循环、水代谢 相较于自然界有序的、自组织的水循环与水代谢过程，城市中的水循环与水 代谢过程更多地依赖于人工力量的驱动以维持城市生命系统的正常运转。由于城 市聚集了高密度的人群、物质和能量，城市水环境系统比天然水环境情况显得更 为复杂。城市水环境系统由自然系统和城市水循环系统所组成。在自然循环系统 中，水体通过蒸发、降水和地面径流与大气联系起来，通过土壤渗透和地下水补 给与地下水联系起来。城市水资源利用的城市水循环系统由城市给水系统、排水 处理系统组成( 图2 3 ) 。 蒸 腾 作 用 深层下游 图2 3 城市水循环系统 资料来源：参考文献【4 1 】 城市水代谢主要包括给水、排水和之间的循环利用环节。城市水环境代谢不 中国东部城市水环境代谢研究以上海市为例2 0 0 8 届硕十毕业论文 同于城市水代谢之处在于：前者除了研究城市的供水、排水和循环利用过程之外， 还考虑到城市水代谢，即城市的供水、排水和循环利用等过程对于自然环境和城 市环境的影响，并试图将城市对环境的压力和危害减至合理范围。 2 1 2 城市水环境代谢的概念、内涵和功能 ( 1 ) 城市水环境代谢的概念 综上所述，虽然国内外学者对城市水环境代谢的原则、涉及的环节等方面进 行了比较清晰的论述，但对城市水环境代谢的概念与内涵仍不甚明晰，本文在上 述国内外研究工作的基础上提出了城市水环境代谢的定义、内涵和功能。 本文认为，城市水环境代谢是指水资源经过城市系统的工业、生活、杂用等 利用，以及人工循环系统、污水处理厂等的处理后，除了有部分水量消耗外，大 部分水质发生变化，最终被排放到自然界水文大循环中的过程。 ( 2 ) 城市水环境代谢的内涵 城市水环境代谢的内涵包括： 城市水环境代谢系统是个复杂的开放的生态系统，生态链上任何一个外 节发生问题都会引起生态失调。在人工循环系统中，许多城市由于缺乏完善的污 水处理系统，往往导致城市水体严重污染问题的发生；上游不适当的输入也会引 起洪涝灾害，或者造成水污染等。 城市水环境代谢系统与人类活动强度密切相关。自然状况下，物质通过生 命体之间进行循环利用，物质的合成、利用、降解机制是完备的。但是随着经济 发展、城市扩张，人类活动强度不断增加，城市水环境代谢系统中的物质循环和 能量流动方式被改变了，人成了决定性因素。 城市水环境代谢系统设计需与自然属性保持一致。城市人口密集，靠城市 本身的食物养活不了城市人口，它依靠外来的资源和能量予以维持。城市的活动 强度高、外界输入的物质量大，人在生存、活动时直接或间接地利用这些物质。 其利用过程中的降解是不完全的，而纯自然降解又是有限度的，物质的反复循环 利用遇到困难，使系统压力凸现；活动强度高，但某些环节脆弱；人口密度越大， 强度越高，与自然的偏离趋势就越大。这就要求城市水环境代谢系统从设计到处 理尽量与自然属性保持一致，保证其稳定性和正常运转。 城市水环境代谢系统内能量的消耗与物质循环再生利用是动态的过程。 如同人体或生态系统的消化类似，水在参与物质的循环利用、能量的流动、信息 的传递使用【4 2 】生命活动的过程中，吸纳了废弃物【矧，之后或被循环使用，或被 迁移，自然能力对废水的完全降解有限，中间代谢物形成不可避免，这就要求人 中国东部城市水环境代谢研究以上海市为例2 0 0 8 届硕士毕业论文 工的方式对这些问题进行补救，保证正常代谢运转。 ( 3 ) 城市水环境代谢的功能 城市水环境代谢的功能包括： 给城市提供人工循环系统处理的二次水源； 城市产品、物流和人流的运输； 流域洪水调节； 郊区农业灌溉； 旅游观赏和水上娱乐活动； 城市小气候的调节； 发展渔业和水产： 补给地下水； 直接提供工业冷却水源 城市地表径流和污水的最终受纳体。 城市水环境系统的这些功能是相互联系和促进的，某种功能满足了，则其它 功能也可以发挥。反之，有些功能过分示利用，则会导致其它功能的丧失。比如 作为污水受纳体的功能，在过去对污染物的就地排放，被看作是经济的和方便的， 但现在看来是以丧失其它功能为代价的，在经济上的代价是巨大的。上述的大多 数功能均以水质为前提，因此，水质控制及其有关的系统是决定城市水资源功能 的关键。 2 2 城市水环境代谢分析方法综述 水环境代谢分析的基本观点是，人类活动所产生的环境影响在很大程度上取 决于进入区域生态系统的水资源的数量与质量，以及从区域生态系统排出的水和 废弃物质的数量与质量m j 。前者产生对环境的扰动，引起环境的退化；后者被 循环使用或在区域系统内被排入自然系统，再或者通过人工循环系统进行转移， 最终被排放到大气、陆地和水系统中，从而又对区域生态系统产生影响。现阶段 国际上对于定量分析城市水环境代谢效应的方法主要有3 种： ( 1 ) 工业代谢分析方法，基于模拟生物和自然界新陈代谢功能的一种系统 分析方法【4 5 1 ，主要思想是，城市中的工业生态系统由生产者、消费者、再生者 和外部环境构成，通过“供给链网”分析和物料平衡核算等方法针对城市中的工 业生态系统进行水环境代谢机理的分析m j 。 ( 2 ) 物质流分析( m a t e r i a l sf l o wa n a l y s i s ，简称m f a ) ，物质流分析的基 本思想可以追溯到1 0 0 多年以前一7 1 ，主要是以质量守恒定律为基本依据，从实 中国东部城市水环境代谢研究以j ：海市为例2 0 0 8 届硕士毕业论文 物的质量出发，将通过城市生态系统的物质分为输入、贮存、输出三大部分，来 研究水在特定区域内的流动特征和转化效率【铜。物质流分析方法又可分为 b u l k m f a 和s f a 两类，前者主要用于国家尺度；后者主要针对某种特定的物质 流【捌。 ( 3 ) 生态足迹( e c o l o g i c a lf o o t p r i n t ，简称e f ) ，最初于1 9 9 2 年由加拿大 生态经济学家w i l l i a mr e e s 提出，主要是通过将社会经济系统中物质流与能量 流转换成相应的土地与水域面积，计算出满足城市或者区域社会经济系统物质代 谢所需要的土地数量【5 0 1 。水足迹概念的形成与发展与1 9 9 0 年代后半期引入的生 态足迹概念相似：一定人群的生态足迹表征的是在一定物质生活标准下，生产该 特定人群所利用的资源和吸收这些人群资源消费所产生的废弃物所需的生物生 产性面积和水域生态系统面积1 5 1 1 。水足迹的计算方法有两种：一种方法是采用 自下而上的方法。它将该国家居民所消费的商品与服务数量与各自产品和服务的 单位产品虚拟水含量相乘求和得到；另一种是自上而下的方法，水足迹就等于总 的区域内水资源利用量加上流入该区域的虚拟水流量，再减去流出该区域的虚拟 水流量【5 2 1 。国内学者主要采用后一种方法进行研究【5 ”6 1 ，即一个城市的水足迹 ( w f p ，m 3 a ) 等于生产该城市居民消费的商品和服务所直接或间接利用的总水 量。 由于工业代谢分析方法主要针对城市中的工业生态系统进行分析，没有考虑 到生活和农业等其他方面的水环境代谢过程，而生态足迹分析没有描述完全自然 系统提供资源、消纳废物的功能，忽略了地下资源和水资源的估算，也没有考虑 污染的生态影响。因此本文采用物质流分析方法来进行中国东部城市水环境代谢 的计算和分析。 2 3 城市水环境代谢实证研究现状 上世纪9 0 年代末开始，澳大利亚【5 7 枷】、香港【1 9 】开始尝试将城市代谢理论应 用到城市设计与管理中。n e w m a n 对比了悉尼2 0 年间城市代谢的变化趋判5 8 】。 1 9 7 8 年n e w c o m b e 等人在对香港城市代谢的过程研究的基础上，提出城市环境 管理时要以节能和提高资源利用效率为重点【1 9 1 。2 0 0 1 年，n e w c o b e 等人的先驱 性工作得到了k i m b e r l e yw a r r e n r h o d e s 和a l b e r tk o e n i g 的更新。结果表明，香 港也为其经济腾飞付出了高昂的环境代价1 6 1 j 。 由于系统边界确定和数据资料获取等一些难度，目前物质代谢从国家和区域 角度开展物质代谢吞吐量的研究较多，而造成针对小尺度区域的物质代谢研究尚 为缺乏。2 0 0 0 年，e t h a nh 等人在已有研究成果的基础上，对比分析了世界上 2 5 个大城市的物质代谢【6 2 j 。还有一些学者探讨7 a n 拿大多伦多市斟1 6 l 、莱茵河 中国东部城市水环境代谢研究以上海市为例 2 0 0 8 届硕士毕业论文 盆地区域1 6 3 l 、澳大利亚的悉尼【1 7 l 等区域，以及中国的香港地区【1 9 l 、台北【删、南 通【6 5 ，鲫、深圳【1 引、贵阳1 6 7 1 、铜耐镪1 、青岛1 6 9 , 7 0 l 等城市的物质代谢。 总体而言，目前城市水环境代谢理论在近几年才开始得到应用。这些研究多 将城市水环境代谢作为城市物质代谢中的一个部分来进行研究，很少对于水环境 代谢体系内部的各个环节进行详细的研究。也有一些学者比较系统地研究了城市 水环境代谢的各个环节，但是比较注重供水和排水的质和量的分析及研究，但是 对于水环境代谢的水处理、循环代谢等环节不够重视，特别是工业用水的重复利 用和生活污水的重复利用等方面的研究还比较少。因此本文针对城市水环境代谢 的各个环节进行了更为细致的研究和探索。 中国东部城市水环境代谢研究以上海市为侈j 2 8 届硕士毕业论文 第三章城市水环境代谢研究模型 3 1 城市水环境代谢模型 结合上海市和我国东部城市的实际情况，本文在丹保宪仁的城市水环境代谢 模型的基础上，细化了供水，用水和污水排放环节，构建了城市水环境代谢模型： 取水分为地表水和地下水取水，并按照取水的单位分为火电工业取水、公共取水、 地下水取水、其他及输水损耗四类；用水环节按照用水对象的不同分为火电工业 用水、居民生活用水、城市公共用水、一般工业用水、农业用水五类；污水分为 生活污水和工业废水两类。特别说明的是，上海市的火电工业和钢铁工业取水量 比较大，其工业重复用水量比较多，且这部分用水的取水和排水量暂时没有数据， 因此暂不计入供水和排水的总量，仅在图中以劫符号来表征工业重复用水。另 外，环境湖泊系统在上海案例分析中主要是指上海的地表水系统及近海，本文采 用物质流分析方法按照图3 1 的代谢过程计算城市水代谢效率。 啄腓。x 一、 _ 处理1 分质供水。 f 一、 r蛐t l ij 。 il 稿逢润磊、j r r r 舅j 粼茎勤黟 髫 处j 一一一一一一一一- 水 i 火电1 , i k l f j 水： i 火l n 上q k ： i ，、： -? i 7 l 七一，一1一一，1 ”一i ? o 少处f _l l r i 壬：j l i l 一一： i i j | t ：；【c 生酒州水i ：躲t 水： i 地l 、+ 水i l。l i 城； j 公j 哳j 水： ：iq k 腹水： ：输删m ： i + i 般i 、 心 水： 。之一一一一一。 ：一一j 地一j i 农业f _ f l 水： ：罗 i 太， i 。： 图3 1 城市水环境代谢模型图 中国东部城市水环境代谢研究以上海市为例 2 0 0 8 届硕十毕业论文 3 2 城市水环境代谢指标灰色关联度计算模型 3 2 1 灰色系统理论口1 1 灰色系统理论提出以“部分信息己知部分信息未知的“小样本 、“贫信息 不确定性系统为研究对象，主要通过对“部分”己知信息的生成、开发，提取有 价值的信息，以灰色关联空间为依托，以灰色序列生成为基础，以灰色模型( g m ) 为核心，实现对系统运行行为的正确认识和有效控制。灰色系统理论的优点在于 对“部分未知 系统的研究和有限信息的最大利用。 在城市水环境代谢的指标关系分析中，涉及的水、经济和社会指标之间的相 互关系具有复杂性、多变性和难测性的特点，其中蕴涵的大量不可得因素，由此， 采用模糊评价的灰色系统理论对各因素相关性的研究具有着重要的意义。 3 2 2 灰色关联度分析 城市水环境代谢指标之间的关系比较复杂，特别是相互之间的影响度存在差 异，而这对于分析城市水环境代谢特征产生的原因又十分重要，因此需要对水环 境代谢内部的各因素进行相互协调、影响关系的具体机制分析。 灰色系统理论作为一种研究“部分信息已知，部分信息未知 的不确定系统 的方法，其建立的模型可以通过对所记录得系统状态中已知部分的演化特征来需 求因素之间或因素本身的数学关系，因此用灰色模型来研究相关性分析具有重要 的意义口。 ( 1 ) 数据初始化 假设有n 个指标，每个指标有m 个观察值，即综合发展值，记为：x 。= ( x 。， x 。，) ( - ，) ，( i = 1 ，2 ，n ) 。为防止各因子在数量上相差悬殊，导致计算 中出现数据大的序列“淹没 数值小的序列，所以需将各原始数据列初值化，生 成新的数据列： 舻) = 即( 1 ) x i ( o ) ( 孔，x i 。) 虹1 , 2 ，n ) ；其e e x i o ) ( k ) = k 黜a ( 2 ) x i o ( k ) 累加生成 得到数列：x i ( 1 ) = 恤m ( 1 ) ，x i m ( 2 ) ，x i m ( 肌) i ( f = 1 , 2 ，n ) ； 1 4 中国东部城市水环境代谢研究以上海市为例2 0 0 8 届硕士毕业论文 其中而。k 2 再筒( n ( 3 ) 求数据矩阵b b = 一丢( ( 1 ) + x m ( 2 ) ) 一三( 础) ( 2 ) + x m ( 3 ) ) x 2 0 ) ( 2 ) x n 1 ( 2 ) x 2 1 1 ) ( 3 ) 以1 ( 3 ) 一l ( x ( 1 o 一1 ) + x ( 1 o ) ) x ：( 1 o ) 以l 0 ) ( 4 ) 用最小二乘法求参数a 按最小范数算式b b t 辩识g m ( 1 ，n ) 的参数系列向量a = a ，b ：，b 。，b 。 ， 其中a ，b ：，b 。，b 。为参数或待估常数。按最小范数算式b b 辩识g m ( 1 ，n ) 参数 系列a ，有 口n ( t ，b 2 ，也，钆) = ( b 1 b ) 一1 b t y n ；其中y n 一伍1 o ( 2 ) ，x l o ( 3 ) ，x 1 o ) ) r 即舀= b r ( b b r ) 。1 y ( 5 ) 建立系统动态协调模型 对x f o ( 1 ) 作a g o ( a c c u m u l a t e dg e n e r a t i n g0 p e r a t i o n ) 生成，即有用最小 二乘法求参数 z f d ；a o o x 】f 口= 【a , b 2 ，6 3 ，b 。】2 从而建立系统动态协调模型： x l 。 ) + 昙( x l 1 ) + x i ( 1 ) 一1 ) - - b 2 x 2 ( 1 ) ( k ) s o b 3 x 3 ( 1 ) ) + + b 。x n ( 1 ) ( k ) 通过系数b 2 ，b 3 ，b 4 ，b n ，可以对模型等式右边的各项因素与被研究对 象间的关联度进行判断分析。如果系数为正，说明该因素起促进作用；为负，则 起到制约作用。系数的大小反映了其作用程度的强弱。 中国东部城市水环境代谢研究以上海市为例2 0 0 8 届硕十毕业论文 3 3 城市水代谢安全评价模型 3 3 1 城市水代谢安全与水安全的比较 水安全涵义广泛，具体包括生命安全、经济安全、粮食安全、生态系统安全、 环境安全和社会安全等一系列方面。本文主要关注的是东部城市水环境代谢方面 的安全问题，故选取指标时有所偏向。本模型用农业用水总量、农业万元g d p 耗水量表征农业水环境代谢方面的安全问题；用工业万元g d p 用水量、工业废 水排放量与工业用水量的比值表征工业水环境代谢方面的安全问题；用生活污水 排放量表征人民生活及第三产业水环境代谢方面的安全问题。并选用上述各指标 的人均量做一套平行参数。 3 3 2 城市水代谢安全与城市水代谢之间的关系 考虑到水代谢安全是水环境代谢的重要基础，对城市水代谢安全进行定量化 分析有利于评价城市的水环境代谢体系对于城市系统内外部环境的影响。本文在 所选定的5 个指标的基础上，建立综合指标水代谢安全指数和人均量水代谢 安全指数，进行评价和分析。 3 3 3 城市水代谢安全综合指标的计算 在上述所选定的各个指标的基础上，建立综合指标水代谢安全指数( 及 人均量水代谢安全指数) 。选用无量纲方法( 公式1 ) 对各指标进行同度量处理， 各指标权重相同。 v i = ( v i v n l i n ) ( v 一- v 盏) ( i = 1 ，2 ，3 1 ) ( 1 ) 式中，i 为省市序号，v i 为标准化后的赋值，v i 为各省市的初始值，v 一 为各省市之间的最大值，v i i l i n 为各省市之间的最小值。 在指标标准化的基础上，将标准化后的各项指标分别定义为y i ，再根据式 ( 2 ) 计算每个省市的水代谢安全指数。 y t = v j i ( i = 1 ，2 ，3 1 ；j = 1 ，2 ，3 ，4 ，5 ) ( 2 ) 式中：y i 为序号为i 的省市的水代谢安全指数，j 代表水代谢安全指标类 中国东部城市水环境代谢研究以上海市为例2 0 0 8 届硕上毕业论文 型，旷j i 为序号为i 的省市第j 种水代谢安全指标的标准化值。 第四章城市水环境代谢案例研究一以上海市为例 中国东部地区背负大陆，面临海洋，地势平缓，有良好的农业生成条件，水 产品、石油、铁矿、盐等资源丰富。这一地区由于开发历史悠久，地理位置优越， 劳动者的文化素质较高，技术力量较强，工农业基础雄厚，在全国的经济发展中 发挥着龙头作用。 中国东部地区面