水行业是能源密集型行业。在全球化石能源日趋枯竭和气候变化的双重压力下，节能与二氧化碳减排，将与供水保障、洪涝灾害防治和水环境保护一起，成为未来城市水系统设计和运行的目标。城市水系统的碳排放与城市水量、水质、水压、水温需求密切相关。它取决于系统建设、运行和维护过程中能源和物质的消耗，还取决于水处理过程中生化反应产生的温室气体。《城市水系统与碳排》以评估和管理城市水系统的碳排放为目的，阐述城市水系统与碳排放的基本原理，探讨供水系统、污水处理系统、建筑水系统和雨洪系统碳排放的规律和评估方法，并介绍城市水系统碳减排的途径。
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主要面向环境能源学科方向的高年级本科生和研究生，也可为从事城市水资源、水环境、能效、城市规划研究和管理的人员提供参考。
《城市水系统与碳排》主要面向环境与能源学科方向的高年级本科生和研究生，也可为从事城市水资源、水环境和能效管理的人员提供参考。
北京大学环境与能源学院教授。清华大学水利水电工程系字士(1991～1996)、北京大学城市与环境学系博士(1996～2001)。2002年起在北京大学深圳研究生院从城市水环境的教学与科研工作。2008~2010在英国University of Exeter任“玛丽？居里”学者。主要围绕城市暴雨管理和流域水环境修复开展应用基础研究。在国内外重要期刊上发表论文46篇。主持／承担了国家“973”项目、国家自然科学基金青年／面上／重点项目、国家水体污染控制与治理科技重大专项、欧盟第七科研框架计划项目、广东省水利科技创新项目等。
第一篇基本原理
第1章概述
Chapter1Introduction
1.1城市水系统的结构与功能
1.1.1城市水系统的结构
城市水系统是由城市的水源、供水、用水和排水四大要素组成，集城市供水的取水、净化和输送，城市排水的收集、处理和综合利用，以及城区防洪排涝为一体，是各种供水排水设施的总称。
城市水系统主要包含以下供排水设施。
1)水源取水设施。包括地表和地下取水设施、提升设备和输水管渠等。
2)给水处理设施。包括各种水质处理设备和构筑物。生活饮用水一般采用混凝、沉淀、过滤和消毒处理工艺流程，工业用水一般有冷却、软化、淡化、除盐等。
3)供水管网。包括输水管渠、配水管网、水量与水压调节设施（泵站、减压阀、清水池、水塔等）。
4)终端用水单元。包括難物内部用水管道、用水设备、调节设施（阀门、气压罐、水箱、水池等）、计量升压设备（水表、水泵等）、排水管道、局部污水处理构筑物等。
5)排水管网。包括收集与输送污水（径流）的管渠、水量调节池、提升泵站及附属构筑物（如检查井、跌水井、水封井、雨水口等）等。
6)污水处理设施。包括各种水质净化设备和构筑物。由于污水的水质差异大，采用的污水处理工艺各不相同，常用物麵理工艺有格栅、沉淀、曝气、过滤等；常用化学处理工艺有中和、氧化等；常用生物处理工艺有活性污泥处理、生物膜、生物滤池、氧化沟等。
7)排放和再生利用设施。包括污水受纳体（如水体、土壤等）和最终处置设施，如排放口、稀释扩散设施、隔离设施和污水回用设施等。
城市水系统黯明显的分层结构特征。系统可以划分为水源、供水、用水和排水四个子系统，每个子系统又包含若干个组成要素，系统、子系统和要素之间构成一个逐层分解的三级谱结构（图D)。不同层次之间相互联系、相互制约；
同一层内的各子系统或要素之间既有联系，又有矛盾和冲突，需要在上一层次系统中加以综合与协调，以保持系统的整体性和稳定性。
从水的循环特征看，城市水系统是水的自然循环和社会循环的耦合系统。城市水系统的自然循环是在自然界力量的作用下水的相态不断发生转化的过程；而水系统的社会循环是从自然界获取水、经过适当处理输送至城市各种水用户、使用后的污水经过净化后又回归自然水体的过程。城市水系统的社会循环起始于自然循环，最后又终止于自然循环，并且依赖于取水、供水、用水和排水四个子系统满足人类生产活动需要，是对城市水系统自然循环的强化。
当天然水体被开发利用进入社会循环时，便组成了一个“从水源取清水”到“向水源排污水”的城市水循环系统，这个系统每循环一次有赠?滅的水量被消耗，水质也会随之恶化，若将这些污水直接排入环境，会进一步污染水源，从而陷入水量越用越少、水质越用越差的恶性循环之中。为了避免这种恶性循环的发生，必须加强对城市水系统社会循环的控制，尽量减少其对自然水循环的影响。
1.1.2城市水系统的功能
水系统是城市的重要组成部分，相当于城市的“血脉”。城市水系统给城市社会经济的发展提供支持和保障，城市的发展也会促进城市水系统的发展和完善。城市水系统的功能主要有以下四方面。
(1)供水保障
向指定的用水点及时可靠地提供满足用户水量、水质和水压要求的用水。
(2)污染防治
将用户排出的污水及时可靠地收餅输送到指定地点’采用恰当的措施理污水，使其水质达到排放标准，保护环境不受污染。
(3)防洪排涝
在暴雨件下，城市水系统具有及时排出积水、削减洪峰、保障城市居民生命财产安全的功能。由于城市的规模不断扩大，不透水地面增加，雨水入渗量减小，地表径流量增大，洪峰到达时间提前，造成城市洪涝灾害日趋严重，城市水系统防洪排涝的压力也越来越大。
(4)景观生态
城市水系统还具有景观生态功能。水系统中的洪泛区、湿地及河道等多样的生境给城市态统的完、稳定发提供了条件；城市域还能改善局部的小气候、净化环境，对城市热岛效应的减弱也有明显作用；城市水域景观还给人们提供了视觉上的享受及精神上的麵体验。
1.1.3城市水系统的演变
水是生命之源，是城市生活和生产必不可少的物质，世界上绝大部分的城市都建设在江、河、湖、海附近或依山傍水地区。城市水系统集取水、供水、用水和排水四大子系统于一体，是城市的重要基础设施。
随着城市的出现，取水和供水系统首先发展起来。两千多年前古埃及建设的马立斯湖，面积达12000hm2以上，是尼罗河流域中的最大蓄水库，可为当时两千万居民供水；纪元前罗马建造了著名的“罗马水道”，它的一部分仍保存至今;1235年伦敦細铅管等输水入城；1619年伦敦创设了新河公司，在全城敷设水管，实现挨户供水；1800年开始使用铸铁管代替木管等管道，并且出现蒸汽式水泵，促进了城市供水系统的发展。与取水和供水系统相比，排水系统的发展较为迟缓，直到19世纪中叶，欧洲城市才开始普遍建造近代排水系统，1898年出现规模较大的污水灌溉，为城市污水生化处理奠定了基础。
我国近代第一个给水工程于1879年在旅顺建成，该工程敷设了长224km、直径0.15m的管道。1882年上海设立上海自来水公司，1901年大连建立水厂，之后青岛、广州、南京、杭州、镇江等地也相继建成自来水厂。1879?1949年，全国修建大小自来水厂达75个，但只有少数几个城市建设了污水处理厂和排水系统，而且很不完善。
随着城市的发展，城市水系统不断演变，其演变经历了以下三个阶段。
⑴小型、分散阶段
该阶段城市的规模较小、人口不多、工业企业的分布较分散，城市的用水和污水排放均未形成规模。此时城市供水基本都处于自由开发阶段，就近細地下水或地表水，普遍采用常规净水工艺。生产和生活污水未处理或经过简单的处理后直接排入自然水体。
(2)大型、集中阶段
该阶段城市人口急剧增长、工业规模日益增大、城市用水量迅猛增长，对水质的要求逐渐提高。大型供水水库开始修建，城市的供水管网系统不断扩大。为了减少污水排放对自然水体的影响，大型污水处理设施开始建造。
(3)可持续发展阶段
在这个阶段，人们已经充分意识到只有合理利用水资源才能实现水与人类的和谐发展，用水健康循环的理念逐步形成；充分使用雨水和再生水资源，供水系统、污水系统和雨水系统相互耦合大型、集中的水基础设施与小型、分散的生态型供水、排水和水处理单元相互补充。这种系统在满足社会经济可持续发展需求的同时，还能促进生态环境的改善，保证水生态系统的稳定。
1.2城市水系统的规划
1.2.1城市水系统规划的目标
城市水系统规划是对城市给水排水系统作出统一的安排，从时序上保证给排水工程建设与城市发展相协调，优化水资源的配置，促进水系统的良性循环和城市的可持续发展。城市水系统规划的目标主要体现在以下四个方面。
(1)保障城市供水
充足的水量、合格的水质和持续的供给是城市供水系统规划的主要目标。供水系统规划是在充分掌握城市发展现状的基础上，结合城市总体规划，对城市现有的管网布局、未来的社会经济发展、人口变化、水源保障和用水要求等情况进行综合考虑，选择合适的水源和相应的供配方式。
(2)保障城市排水
保证城市污水及时顺畅排出，采取合理工艺对污水进行净化和促进污水再生利用是城市排水系统规划的主要目标。排水系统规划要求考察城市、流域甚至区域的水环境情况，对排水体制、主干管渠公布、污水处理厂的规模与布局等进行分析和确定，选择合理的城市排水方案。
(3)减轻洪涝灾害
城市地面径流系数大、建筑密集、交通流量大，因此对防洪排涝的要求较高。城市防洪排涝规划应根据城市的自然地理条件和经济发展情况适当调整规划设计錄，修建水库、堤防、泵站、调蓄工程等防洪排涝设施，降低洪涝灾害对
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