現(xiàn)代城市“病”及系統(tǒng)識(shí)別理論與生態(tài)調(diào)控機(jī)理

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1、項(xiàng)目名稱(chēng)：現(xiàn)代城市“病”的系統(tǒng)識(shí)別理論與生態(tài)調(diào)控機(jī)理首席科學(xué)家：黃國(guó)和中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院起止年限：2005.12至2010.11依托部門(mén)：國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局教育部一、研究?jī)?nèi)容過(guò)去10年，我國(guó)城市的高速發(fā)展使總體經(jīng)濟(jì)實(shí)力劇增，但也同時(shí)伴生許多城市“病”。近年來(lái)，由于過(guò)度追求經(jīng)濟(jì)利益使我國(guó)城市“病”持續(xù)惡化，并反作用于經(jīng)濟(jì)發(fā)展，嚴(yán)重阻礙了城市發(fā)展的可持續(xù)性。如何從根本上予以解決城市“病”已成為我國(guó)城市科學(xué)及相關(guān)學(xué)科所面臨的迫切任務(wù)。綜合而言，本項(xiàng)目中擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題包括：（1）如此諸多的城市“病”問(wèn)題是如何產(chǎn)生的？這需要從城市系統(tǒng)內(nèi)在的演變和運(yùn)行機(jī)制以及各組分之間的互動(dòng)關(guān)系進(jìn)行科學(xué)

2、剖析和論證；（2）相關(guān)的影響因子和互動(dòng)機(jī)理是什么？這需要通過(guò)對(duì)城市系統(tǒng)的復(fù)雜性進(jìn)行特征辨析，并對(duì)所要采取的相應(yīng)科學(xué)理論和方法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)；（3）如何從根本上調(diào)控解決現(xiàn)存和潛在的問(wèn)題？這需要對(duì)城市系統(tǒng)行為進(jìn)行準(zhǔn)確模擬，以期對(duì)其過(guò)程中的復(fù)雜性進(jìn)行客觀(guān)分析和反映。具體而言，本項(xiàng)目將以北京和深圳為案例城市，在如下幾個(gè)方面進(jìn)行著重研究：(a)城市系統(tǒng)的復(fù)雜性及其中多因子間的相互作用機(jī)理；(b)城市系統(tǒng)物質(zhì)代謝和能量循環(huán)機(jī)理；(c)城市代謝產(chǎn)物在城市系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律；(d)城市“病”的成因機(jī)制、診斷識(shí)別與調(diào)控機(jī)理。其中最關(guān)鍵的問(wèn)題是如何有效地對(duì)城市物流能流循環(huán)、生態(tài)環(huán)境破壞、以及城市“病

3、”機(jī)理進(jìn)行深入透徹的研究。本研究將在城市生命體概念的基礎(chǔ)上，圍繞三個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，開(kāi)展三個(gè)層面的研究。第一層面將從物流、能流的角度研究城市生命體在能量、大氣、水和固廢諸方面的新陳代謝基本規(guī)律，探索城市生命體及各個(gè)子系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制及互動(dòng)規(guī)律，進(jìn)而剖析其中物質(zhì)能量轉(zhuǎn)化和循環(huán)的核心機(jī)理。第二層面將從形態(tài)特征角度研究城市生命體的基礎(chǔ)設(shè)施、工業(yè)生產(chǎn)、人居活動(dòng)、生態(tài)環(huán)境等方面的時(shí)空演變規(guī)律，進(jìn)而透析城市生命體的構(gòu)成、運(yùn)行、演變及調(diào)控機(jī)制。第三層面則將在前兩個(gè)層面的研究基礎(chǔ)上，進(jìn)行系統(tǒng)性的理論整合和方法集成，建立一體化的城市“病”診斷、防治和調(diào)控理論與方法體系，對(duì)整個(gè)城市生命體健康狀況的總體識(shí)

4、別和全局調(diào)控。具體研究?jī)?nèi)容如下：（1）城市生命體能流和物流演化機(jī)理與調(diào)控研究本研究將綜合研究城市生命體的能量代謝機(jī)制和城市能源系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律，全方位和多層次地辨識(shí)城市系統(tǒng)能量流動(dòng)及行為特征，并對(duì)城市與能源系統(tǒng)中的不確定性、能流和物流的互動(dòng)關(guān)系進(jìn)行模擬、評(píng)價(jià)和優(yōu)化。同時(shí)引入城市大氣域系統(tǒng)的概念，解析和模擬城市大氣環(huán)境中的能流和物流互動(dòng)關(guān)系，掌握污染物在城市大氣環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，并通過(guò)大氣域環(huán)境質(zhì)量模型的建立，定量分析大氣污染與能源結(jié)構(gòu)、工業(yè)發(fā)展、交通運(yùn)輸?shù)茸酉到y(tǒng)之間的相互關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，將城市能源系統(tǒng)與大氣環(huán)境看作一有機(jī)整體，探索復(fù)雜變化條件下的城市能源活動(dòng)規(guī)律及其與大氣環(huán)境

5、、氣候變化間的互動(dòng)機(jī)理，從而確立由于城市能源活動(dòng)、大氣環(huán)境污染和氣候變化而導(dǎo)致的各種城市“病”的“病原”和“病理”，并由此構(gòu)建適合我國(guó)特點(diǎn)的城市能源代謝與大氣污染偶合管理系統(tǒng)理論與方法體系，從能量流動(dòng)和大氣循環(huán)的角度為有關(guān)城市“病”的解決提供科學(xué)依據(jù)。在城市生命體水循環(huán)和營(yíng)養(yǎng)物的流動(dòng)機(jī)理研究方面，本項(xiàng)目將系統(tǒng)辨識(shí)城市地表和地下水在自然和人工系統(tǒng)中的流動(dòng)與傳輸過(guò)程，以及營(yíng)養(yǎng)物在不同時(shí)空條件下的遷移與轉(zhuǎn)化過(guò)程，以利分析與水環(huán)境相關(guān)的城市“病”的形成機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)建立區(qū)域氣候模型以及一系列地表地下水文環(huán)境模型，開(kāi)發(fā)一套集成式的不確定性城市生命體水循環(huán)模擬系統(tǒng)。該系統(tǒng)將用于衡算城

6、市可利用水資源量，并分析城市生命體的水循環(huán)和營(yíng)養(yǎng)物流過(guò)程。在此基礎(chǔ)上，建立多層次不確定的城市水環(huán)境、水資源綜合管理優(yōu)化決策模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)與水循環(huán)過(guò)程相關(guān)的城市“病”的綜合診斷、防治與調(diào)控。在固體廢物的循環(huán)與轉(zhuǎn)化機(jī)理研究方面，本項(xiàng)目將以廢物減量化、資源化、再利用和再生循環(huán)（４R）為原則，按照辨識(shí)-評(píng)價(jià)-模擬-優(yōu)化決策的思路，運(yùn)用環(huán)境科學(xué)、生命科學(xué)、城市科學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)及工程科學(xué)的研究方法，綜合剖析和評(píng)價(jià)我國(guó)城市固體廢物的代謝過(guò)程。通過(guò)辨識(shí)典型行業(yè)的物質(zhì)代謝特點(diǎn)，開(kāi)展代謝工藝的環(huán)境友好性評(píng)價(jià)，并開(kāi)發(fā)我國(guó)城市危險(xiǎn)廢物的安全管理系統(tǒng)。通過(guò)解析代謝產(chǎn)物的過(guò)程循環(huán)機(jī)理，探索城市固體廢物資源化方法和

7、管理運(yùn)行模式，并由此建立一套全方位、多層次的有關(guān)固體廢物處理與處置的綜合決策系統(tǒng)。（2）城市生命體形態(tài)特征辨識(shí)與調(diào)控研究在城市生命體生態(tài)特征及演變機(jī)理研究方面，本項(xiàng)目將從生命科學(xué)的角度深入分析城市生命體的內(nèi)在結(jié)構(gòu)和代謝機(jī)理，探索城市生命體生態(tài)系統(tǒng)組分間相互作用的內(nèi)在規(guī)律，從而評(píng)估城市生命體的生態(tài)承載能力，并開(kāi)發(fā)城市生命體生態(tài)特征及演變規(guī)律的多層次多指標(biāo)綠色評(píng)價(jià)體系。由此對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能、健康狀態(tài)以及穩(wěn)定性等一系列生態(tài)特征進(jìn)行全面、科學(xué)的評(píng)價(jià)，并對(duì)城市生命體生態(tài)狀況的演變趨