城市环境容量集成模型研究 岳天祥 ( 中国科学院地理科学与资源研究所, 资源与环境信息系统国家重点实验室, 北京 100101) 摘要: 本文针对我国城市化形势和信息时代的信息集成需求, 分析了城市化集成模型的内涵.在研究城市化对 生态环境各种影响的基础上, 提出了基于巨量数据的子模型体系.阐述了现代信息技术条件下城市化集成模型的 主要特点. 关键词: 城市化 环境容量 现代信息技术 集成模型 1 引言 城市化是国家发展阶段经济变化的必然结果, 城市化促进了经济的发展.它与工业化和商业化相 辅相成, 有利于提高生产力和增加就业机会, 它使人 们更易于接近各种生产要素、 市场和其它基础设施. 因此, 城市化可以提高国民收入、 改变生活方式、 提 高服务质量、 使人民生活更加舒适.然而, 无控制和 没有计划的城市化会对城市生态环境和居民产生严 重的负面影响.过大的城市人口密度会使城市基础 设施和服务系统严重超载, 生态环境严重破坏, 城市 生活质量恶化, 社会不安定因素增加. 虽然大城市在我国的国民经济中发挥着" 龙头" 的作用, 但城市人口的迅速增长, 正在使一些城市环 境退化和自然资源利用过度. 也就是说, 考虑到我国 人口多、 农村规模大、 资源有限、 生态环境不理想等 因素, 城市化水平低了不行, 太高也不现实. 因此, 在 我国已经或正在进入城市化加速阶段的形势下, 城 市环境容量研究势在必行.城市环境容量可定义为 在不损害生态系统的条件下, 城市地区单位面积上 所能承受的资源最大消耗率和废物最大排放量. 环境容量于 20 世纪 70 年代末引入我国后, 在 环境科学界迅速得到了广泛应用.但当时将环境容 量定义为某环境单元所允许承纳污染物质的最大数 量, 并将环境容量区分为水环境容量、 大气环境容量 和土壤环境容量. 不过, 这一时期的环境容量概念仅 局限于环境污染的局部问题. 新一代环境容量集成模型研究需要借助地理信 息系统和遥感等先进的计算机软件和技术, 建立集 成社会经济系统和自然系统及其相互作用各个方面 的环境容量时空动态模型. 2 城市化对生态环境的影响 2. 1 城市化对气候的影响 位于自然景观中的城市会对区域气候产生较大 的影响.城市的自然结构、 人造能量和污染排放、 气 候因素等的相互作用产生了特殊的城市气候.城市 地区对气候产生影响的原因至少有 5 种: 草、 农田 和树木被沥青、 混凝土和玻璃代替; 树和灌木的柔 和、 圆满外形被建筑物的生硬和块状结构代替; 建筑、 空调、 工业和汽车释放人造热; !排水系统对降 水的有效处理阻碍了地表入渗; ? 各种污染物的排 放.城市对气候的影响可通过与农村地区比较以下 6 个指标来量度.它们是温度( 包括年均气温、 冬天 最低温度和夏天最高温度) , 相对湿度( 包括年均相 对湿度、 冬天相对湿度和夏天相对湿度) , 云雾( 包括 云量、 冬天雾和夏天雾) , 太阳辐射( 包括地平线表面 总太阳辐射、 冬天紫外线辐射、 夏天紫外线辐射和日 照时数) , 风速( 包括年均风速、 狂风风速和无风) 和 降雨量( 包括降雨量、 雷暴和降雪量) . 2. 2 城市化对水系统的影响 城区的人类活动改变了地表的原始面貌, 对土 地和水系产生了巨大的影响.城市中的土地被沉积 在地表的污染物质污染.小的颗粒物质和可浮动的 废物被城市地表径流带入排水道; 工业放射性废物 进入土壤; 大批非法倾倒的垃圾和废弃的汽车需要 第4期2001 年12 月地球信息科学GEO- IN FORM AT ION SCIENCE No. 4 Dec. , 2001 周干峙院士在本文写作过程中提出了许多宝贵意见, 特此谢忱! 大量的清除劳动; 大量的固体生活垃圾和工业废物 必须被搬运到垃圾场, 埋入地下或高温焚烧. 它们污 染了水的供给源, 严重的影响了水生物的饮食系统, 各种毒素在食物链中的生物积聚给人类健康带来了 严重问题. 被建成的建筑物、 马路、 柏油停车场密封了大部 分城区地面, 它干扰了正常的水分循环过程. 水分不 是渗入土壤和通过植物蒸发, 而是通过排水系统迅 速地将它们排放到现存的水系.因为人们的各种活 动常常使区域表面很脏, 这种水的排放过程就改变 了有关水系的质量, 污染了河床、 水道入口、 河口、 泻湖、 湿地和近海滨环境. 由于区域降雨量增加, 蒸发量、 蒸腾作用和植被 拦截降雨减少, 再加上穿过石板、 瓦管、 下水道、 道路、 排水沟和排洪系统的有效运动, 不但地表径流的 流量大大增加, 流速也必然增高.因此, 城市化使水 灾更频繁、 洪峰更高, 这就更进一步增加了洪灾的风 险和对洪泛区附近居民的威胁. 2. 3 城市化对空气质量的影响 城市空气受到了由许多污染源排放出的各种污 染物的污染. 这些污染物进入大气以后, 就会相互发 生化学反应及与自然的大气元素发生化学反应, 因 此产生其它污染物, 在特殊的气象条件下, 污染影响 居民的健康.城市空气中的污染物也可能被顺风带 到数千公里以外的农村地区, 影响那里的空气质量. 城市大气中有大约几千种空气污染物, 它们中 绝大多数的浓度很小.大多数空气污染研究和监测 一般都集中于对人类健康和城市生活质量带来严重 影响的几种主要污染物.空气污染物包括直接从污 染源排放到空气中的一代污染物及其与大气元素通 过化学反应产生的二代污染物. 主要污染源包括: 工业区, 电厂和炼油厂; 以汽油和柴油为动力的各 种车辆, 包括汽车和飞机; 港口活动, 包括大船、 鱼 船和娱乐艇的排放物以及码头的装卸活动; !居民 区; ? 矿物储备, 裸露的土壤和未铺的公路; #其它 污染源, 例如, 加油站, 燃料储存区和商业区等. 城市中的空气被地表污染源污染. 废气、 颗粒物 质和废热被添加到空气中, 改变了气候和气象条件, 通过化学反应又会产生光化学烟雾和酸雨等.随污 染源位置、 盛行天气系统和当地地形的不同, 对人身 健康、 植物、 动物和建筑而产生着不同程度的负面影 响. 2. 4 城市化对生物系统的影响 城市化改变了许多天然动、 植物物种的平衡. 虽 然城市化对部分物种会产生正面影响, 但它对大多 数物种产生了负面影响, 使许多物种变得稀少, 甚至 濒临灭绝. 这些负面影响源于生境的清除和破碎、 营 养富集、 水分循环的改变、 环境污染和新的动植物种 的大量引进. 随着城市人口的增加, 大量的动、 植物种被有意 或无意地引入城市.有计划引进的物种主要包括作 物、 树木、 草和牲畜.牲畜被置于城市边缘或城市以 外的地方, 而装饰性的植物和家养的玩赏动物被有 意地引入城市.同时, 许多物种被无意中带进城市, 它们中的部分物种对人类是有害的. 也就是说, 在过 去的大多数情况下, 城市化的后果是: 清掉了天然 的植物, 以单一的作物或树种代之; 富有哺乳动 物、 鸟、 爬行动物和昆虫的动物区系被人类及其家养 的玩赏动物和许多意想不到的害虫、 有害动物所代 替, 它往往会引起疾病和卫生问题; 城市里的动物 生物量显著增加, 而多样性减小; !如果天然草地被 水养的城市林园所代替, 则植物生物量增加; 如果天 然林区被草坪代替, 生物量减小. 城市化使大片的植物生境变得支离破碎、 成为 城市化海洋中的一系列小岛屿, 它减少了植物和动 物种群繁殖的机会.城市中这些小天然生境岛屿面 临的问题是基因库越来越小, 同时, 由于外部不利环 境的影响, 使得这些植物种群非常脆弱. 根据岛屿生 物地理学理论, 离其它岛屿足够近的较大岛屿有利 于物种的生存; 同时, 岛屿的形状也是一个很重要的 方面, 也就是说, 形状越接近于圆或正六边形, 越有 利于自然生态系统内部的调控和反馈机制. 然而, 以 往的大多数城市规划对绿色岛屿的形状没有给予足 够的重视. 3 城市化集成模型 虽然已有许多城市模型研究集中于城市的系统 动态, 但大多数可操作的城市模型聚焦于诸如住房 供给、 就业机会、 土地利用、 交通运输的很少几个子 系统, 考虑了几个有限的影响城市动态的要素. 这些 模型对人类活动空间分布的预测基于简单的空间相 互作用机制和经济原理, 没有系统全面地描述城市 与环境过程的相互作用. 目前, 已有的城市模型按照 · 31 · 4 期 岳天祥: 城市环境容量集成模型研究 其使用的理论方法可区分为 6 类: 模拟人口、 就业 机会、 服务和土地利用的最大熵模型; 基于人口、 就业机会、 可接近性、 地租和土地市场清算的市场经 济模型; 集成住宅、 职业和交通选择的优化模型; !包括商品、 服务和劳动力等生产和消费要素的投 入产出模型; ? 分析交通、 就业和居住等家庭和商业 特征的微观模拟模型; #基于简单几何过程的模拟 城市变化的元胞推理机模型. 21 世纪城市化集成模型的首要任务是应用信 息技术提高信息的生产力, 解决决策中的结构和复 杂性问题.人类对其赖以生存的地球已经进行了许 多研究, 积累了大量资料; 与此同时, 各种高、 中、 低 轨道相结合, 大、 中、 小卫星相互协同, 高、 中、 低分辨 率互补的全球对地观测系统, 将能快速、 及时地提供 多种空间分辨率、 时间分辨率和光谱分辨率的对地 观测海量数据. 有关研究表明, 收集的数据量每年将 成倍增长. 但主要由于没有将这些不同来源、 不同类 型和不同分辨率的资源环境巨量数据进行归纳, 没 有将局部的与整体的、 乃至全球的数据进行综合分 析, 这些资料和数据没有转变为人们容易理解的信 息, 没有得到充分的利用. 目前, 对巨量数据进行归纳的主要手段是建立 指标体系.世界资源研究所( World Resource ins- titute) 的研究结果表明, 成功指标体系的特点之一 就是只包含不多几个信息高度聚集的指标. 据此, 本 文将城市化集成模型的指标体系( 子模型体系) 浓缩 为以下 6 个方面: ( 1) 城市经济发展预测: 工业化和工业现代化是 20 世纪经济发展的主旋律, 城市化和城市现代化是 现代社会进步的主旋律, 工业化是城市化的经济内 容, 城市化是工业化的空间落实, 工业化和城市化的 相互促进与协调发展是现代经济社会健康发展的重 要标志.经济发展预测主要包括经济增长和产业结 构这两方面. ( 2) 城市人口增长预测: 城市化首先表现为城市 人口的增长. 由于乡村向城市的转化, 人口由乡村向 城市的转移, 及城市自身人口的增长, 城市人口呈不 断上升的趋势.这是城市化的一个最基本特征. ( 3) 城市空间动态模拟: 城市空间增长和空间格 局的演变是城市化扩展的体现, 有效地预测和模拟 城市空间动态是城市环境容量评估与预测的一个非 常重要方面.城市空间动态是在城市经济发展和城 市人口增长驱动下, 城市各种要素空间相互作用的 结果. ( 4) 资源承载力分析: 主要内容包括就业、 住宅 和非住宅建筑, 交通运输、 能源供应、 水供应和废水 处理基础设施等人文资源承载能力以及自然资源承 载能力. ( 5) 环境质量标准: 按照国际 21 世纪的国际化 大都市的标准, 建立水环境质量标准、 空气环境质量 标准、 区域环境噪声污染标准、 绿地标准和热岛效应 等气候异常标准, 这些标准是环境容量模型的重要 参数. ( 6) 环境软、 硬件条件: 包括公民的环境意识, 居 民的富裕程度和政府的政策措施以及水污染、 大气 污染、 固体污染物和噪音、 放射污染的处理和防护设 施, 它们是城市现代化的主要内容, 是量度城市化的 重要参数. 这里应当说明的是, 这些指标体系没有包含各 指标之间相互作用和相互关联的信息, 只是城市化 集成模型的组成部分. 城市生态系统是一个社会、 经济、 自然相互作用的复杂巨系统. 因为社会经济系统 和自然系统的相互作用发生在各个不同的时间和空 间尺度, 人类决策和环境影响的时间差和人类活动 环境影响的空间分异, 使人们认识这些相互作用的 尝试都变的更加复杂. 因此, 模拟城市生态系统的行 为不仅要详细地考虑这些子系统的时空动态, 而且 必须注意各种过程在不同时间和空间尺度起作用的 连贯性. 也就是说, 在社会经济系统和自然系统相互 作用的建模研究中, 必须考虑许多因素同时在各个 层次发生作用的复杂性和非线性, 不能简单地对有 关因素进行线性模拟. 城市化集成模型需要突出 3 大特点: ( 1) 针对各 个城市生态系统的特点建立具体的城市环境容量集 成模型, 在大量案例研究的过程中, 发展通用的城市 环境容量集成模型; ( 2) 在地理信息系统的支持下, 达到城市生态系统的全数字化和定量化; ( 3) 在遥感 技术集成服务体系的支持下, 监测城市生态系统及 其近邻地区的动态变化. 4 讨论 城市生态系统可概括为社会经济系统和自然系 统及其相互影响.社会经济系统包括就业、 土地、 住 宅和非住宅建筑, 交通运输、 能源、 供水、 废水处理基 础设施以及家庭、 商业、 开发者和政府, 它们直接或 · 32 · 地球信息科学2001 年12 月 间接地通过土地利用与土地覆盖变化、 资源使用和 废物排放影响自然系统.城市发展是生态系统结构 的主要决定因素, 它通过土地利用与土地覆盖变化、 自然资源利用和污染与废物排放对自然生态系统功 能产生重大影响; 人口增长和人类活动是城市生态 系统动态的主要驱动力; 气候、 地形、 水文、 土地覆盖 和环境质量等自然环境因素是城市系统的重要限制 因素. 有关研究成果表明, 当城市人口密度越过临界 值0. 788K 时( 其中 K 为最大人口承载能力, 是可持 续发展意义上单位面积允许承载的最大人口数量) , 环境影响超过了自然系统消除或消散干扰的能力, 对重要的生态功能就会产生不可挽回的损失; 当人 口密度小于这个临界值时, 城市生态系统可以吸收 干扰而对生态系统结构和功能不产生损害性影响. 参考文献 [ 1] 周干峙. 深入研究做好规划促进城市化的健康发展. 城 市规划, 2000, 24( 10) : 5~7 [ 2] Chen S. P. , Zeng S. and Xie C. F. Remote sensing and GIS for urban growt h analysis in China. Photogrammetric Engineering & Remote Sensing, 2000, 66( 5) : 593~598 [ 3] 陈述彭. 城市化与城市地理信息系统. 北京: 科学出版 社[4] 李京文. 21 世纪中国城市发展面临的机遇与挑战. 见: 刘 国光主编, 21 世纪中国城市发展, 北京: 红旗出版社, 2000, 3~31 [ 5] 徐冠华. 序. 见: 承继成, 林珲, 周成虎等编著, 数字地 球导论. 北京: 科学出版社, 2000, i~ii [ 6] Yue, T. X. Analysis on sustainable growt h range of populat ion. Progress in Natural Science, 2000, 10 ( 8) : 631~636 A Study on Integrated Model of Urban Ecological Carrying Capacity Yue T ianxiang ( L REIS , Institute of Geographical Sciences and N atural Resources Research, CA S, Beijing , 100101) Abstract This paper analyses connotation of the integrated model for urbanization in terms of the situation of urbanization in China and requirement to information integration in the new information age. On the basis of studying effects of urbanization on ecosystems, a system of huge-data-based sub-models is proposed and major characteristics of the integrated model is described under the modern information technology. Keywords: U rbanization Ecological carrying capacity M odern information technology Int- egrated model · 33 · 4 期 岳天祥: 城市环境容量集成模型研究
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城市环境容量集成模型研究 岳天祥 ( 中国科学院地理科学与资源研究所, 资源与环境信息系统国家重点实验室, 北京 100101) 摘要: 本文针对我国城市化形势和信息时代的信息集成需求, 分析了城市化集成模型的内涵.在研究城市化对 生态环境各种影响的基础上, 提出了基于巨量数据的子模型体系.阐述了现代信息技术条件下城市化集成模型的 主要特点. 关键词: 城市化 环境容量 现代信息技术 集成模型 1 引言 城市化是国家发展阶段经济变化的必然结果, 城市化促进了经济的发展.它与工业化和商业化相 辅相成, 有利于提高生产力和增加就业机会, 它使人 们更易于接近各种生产要素、 市场和其它基础设施. 因此, 城市化可以提高国民收入、 改变生活方式、 提 高服务质量、 使人民生活更加舒适.然而, 无控制和 没有计划的城市化会对城市生态环境和居民产生严 重的负面影响.过大的城市人口密度会使城市基础 设施和服务系统严重超载, 生态环境严重破坏, 城市 生活质量恶化, 社会不安定因素增加. 虽然大城市在我国的国民经济中发挥着" 龙头" 的作用, 但城市人口的迅速增长, 正在使一些城市环 境退化和自然资源利用过度. 也就是说, 考虑到我国 人口多、 农村规模大、 资源有限、 生态环境不理想等 因素, 城市化水平低了不行, 太高也不现实. 因此, 在 我国已经或正在进入城市化加速阶段的形势下, 城 市环境容量研究势在必行.城市环境容量可定义为 在不损害生态系统的条件下, 城市地区单位面积上 所能承受的资源最大消耗率和废物最大排放量. 环境容量于 20 世纪 70 年代末引入我国后, 在 环境科学界迅速得到了广泛应用.但当时将环境容 量定义为某环境单元所允许承纳污染物质的最大数 量, 并将环境容量区分为水环境容量、 大气环境容量 和土壤环境容量. 不过, 这一时期的环境容量概念仅 局限于环境污染的局部问题. 新一代环境容量集成模型研究需要借助地理信 息系统和遥感等先进的计算机软件和技术, 建立集 成社会经济系统和自然系统及其相互作用各个方面 的环境容量时空动态模型. 2 城市化对生态环境的影响 2. 1 城市化对气候的影响 位于自然景观中的城市会对区域气候产生较大 的影响.城市的自然结构、 人造能量和污染排放、 气 候因素等的相互作用产生了特殊的城市气候.城市 地区对气候产生影响的原因至少有 5 种: 草、 农田 和树木被沥青、 混凝土和玻璃代替; 树和灌木的柔 和、 圆满外形被建筑物的生硬和块状结构代替; 建筑、 空调、 工业和汽车释放人造热; !排水系统对降 水的有效处理阻碍了地表入渗; ? 各种污染物的排 放.城市对气候的影响可通过与农村地区比较以下 6 个指标来量度.它们是温度( 包括年均气温、 冬天 最低温度和夏天最高温度) , 相对湿度( 包括年均相 对湿度、 冬天相对湿度和夏天相对湿度) , 云雾( 包括 云量、 冬天雾和夏天雾) , 太阳辐射( 包括地平线表面 总太阳辐射、 冬天紫外线辐射、 夏天紫外线辐射和日 照时数) , 风速( 包括年均风速、 狂风风速和无风) 和 降雨量( 包括降雨量、 雷暴和降雪量) . 2. 2 城市化对水系统的影响 城区的人类活动改变了地表的原始面貌, 对土 地和水系产生了巨大的影响.城市中的土地被沉积 在地表的污染物质污染.小的颗粒物质和可浮动的 废物被城市地表径流带入排水道; 工业放射性废物 进入土壤; 大批非法倾倒的垃圾和废弃的汽车需要 第4期2001 年12 月地球信息科学GEO- IN FORM AT ION SCIENCE No. 4 Dec. , 2001 周干峙院士在本文写作过程中提出了许多宝贵意见, 特此谢忱! 大量的清除劳动; 大量的固体生活垃圾和工业废物 必须被搬运到垃圾场, 埋入地下或高温焚烧. 它们污 染了水的供给源, 严重的影响了水生物的饮食系统, 各种毒素在食物链中的生物积聚给人类健康带来了 严重问题. 被建成的建筑物、 马路、 柏油停车场密封了大部 分城区地面, 它干扰了正常的水分循环过程. 水分不 是渗入土壤和通过植物蒸发, 而是通过排水系统迅 速地将它们排放到现存的水系.因为人们的各种活 动常常使区域表面很脏, 这种水的排放过程就改变 了有关水系的质量, 污染了河床、 水道入口、 河口、 泻湖、 湿地和近海滨环境. 由于区域降雨量增加, 蒸发量、 蒸腾作用和植被 拦截降雨减少, 再加上穿过石板、 瓦管、 下水道、 道路、 排水沟和排洪系统的有效运动, 不但地表径流的 流量大大增加, 流速也必然增高.因此, 城市化使水 灾更频繁、 洪峰更高, 这就更进一步增加了洪灾的风 险和对洪泛区附近居民的威胁. 2. 3 城市化对空气质量的影响 城市空气受到了由许多污染源排放出的各种污 染物的污染. 这些污染物进入大气以后, 就会相互发 生化学反应及与自然的大气元素发生化学反应, 因 此产生其它污染物, 在特殊的气象条件下, 污染影响 居民的健康.城市空气中的污染物也可能被顺风带 到数千公里以外的农村地区, 影响那里的空气质量. 城市大气中有大约几千种空气污染物, 它们中 绝大多数的浓度很小.大多数空气污染研究和监测 一般都集中于对人类健康和城市生活质量带来严重 影响的几种主要污染物.空气污染物包括直接从污 染源排放到空气中的一代污染物及其与大气元素通 过化学反应产生的二代污染物. 主要污染源包括: 工业区, 电厂和炼油厂; 以汽油和柴油为动力的各 种车辆, 包括汽车和飞机; 港口活动, 包括大船、 鱼 船和娱乐艇的排放物以及码头的装卸活动; !居民 区; ? 矿物储备, 裸露的土壤和未铺的公路; #其它 污染源, 例如, 加油站, 燃料储存区和商业区等. 城市中的空气被地表污染源污染. 废气、 颗粒物 质和废热被添加到空气中, 改变了气候和气象条件, 通过化学反应又会产生光化学烟雾和酸雨等.随污 染源位置、 盛行天气系统和当地地形的不同, 对人身 健康、 植物、 动物和建筑而产生着不同程度的负面影 响. 2. 4 城市化对生物系统的影响 城市化改变了许多天然动、 植物物种的平衡. 虽 然城市化对部分物种会产生正面影响, 但它对大多 数物种产生了负面影响, 使许多物种变得稀少, 甚至 濒临灭绝. 这些负面影响源于生境的清除和破碎、 营 养富集、 水分循环的改变、 环境污染和新的动植物种 的大量引进. 随着城市人口的增加, 大量的动、 植物种被有意 或无意地引入城市.有计划引进的物种主要包括作 物、 树木、 草和牲畜.牲畜被置于城市边缘或城市以 外的地方, 而装饰性的植物和家养的玩赏动物被有 意地引入城市.同时, 许多物种被无意中带进城市, 它们中的部分物种对人类是有害的. 也就是说, 在过 去的大多数情况下, 城市化的后果是: 清掉了天然 的植物, 以单一的作物或树种代之; 富有哺乳动 物、 鸟、 爬行动物和昆虫的动物区系被人类及其家养 的玩赏动物和许多意想不到的害虫、 有害动物所代 替, 它往往会引起疾病和卫生问题; 城市里的动物 生物量显著增加, 而多样性减小; !如果天然草地被 水养的城市林园所代替, 则植物生物量增加; 如果天 然林区被草坪代替, 生物量减小. 城市化使大片的植物生境变得支离破碎、 成为 城市化海洋中的一系列小岛屿, 它减少了植物和动 物种群繁殖的机会.城市中这些小天然生境岛屿面 临的问题是基因库越来越小, 同时, 由于外部不利环 境的影响, 使得这些植物种群非常脆弱. 根据岛屿生 物地理学理论, 离其它岛屿足够近的较大岛屿有利 于物种的生存; 同时, 岛屿的形状也是一个很重要的 方面, 也就是说, 形状越接近于圆或正六边形, 越有 利于自然生态系统内部的调控和反馈机制. 然而, 以 往的大多数城市规划对绿色岛屿的形状没有给予足 够的重视. 3 城市化集成模型 虽然已有许多城市模型研究集中于城市的系统 动态, 但大多数可操作的城市模型聚焦于诸如住房 供给、 就业机会、 土地利用、 交通运输的很少几个子 系统, 考虑了几个有限的影响城市动态的要素. 这些 模型对人类活动空间分布的预测基于简单的空间相 互作用机制和经济原理, 没有系统全面地描述城市 与环境过程的相互作用. 目前, 已有的城市模型按照 · 31 · 4 期 岳天祥: 城市环境容量集成模型研究 其使用的理论方法可区分为 6 类: 模拟人口、 就业 机会、 服务和土地利用的最大熵模型; 基于人口、 就业机会、 可接近性、 地租和土地市场清算的市场经 济模型; 集成住宅、 职业和交通选择的优化模型; !包括商品、 服务和劳动力等生产和消费要素的投 入产出模型; ? 分析交通、 就业和居住等家庭和商业 特征的微观模拟模型; #基于简单几何过程的模拟 城市变化的元胞推理机模型. 21 世纪城市化集成模型的首要任务是应用信 息技术提高信息的生产力, 解决决策中的结构和复 杂性问题.人类对其赖以生存的地球已经进行了许 多研究, 积累了大量资料; 与此同时, 各种高、 中、 低 轨道相结合, 大、 中、 小卫星相互协同, 高、 中、 低分辨 率互补的全球对地观测系统, 将能快速、 及时地提供 多种空间分辨率、 时间分辨率和光谱分辨率的对地 观测海量数据. 有关研究表明, 收集的数据量每年将 成倍增长. 但主要由于没有将这些不同来源、 不同类 型和不同分辨率的资源环境巨量数据进行归纳, 没 有将局部的与整体的、 乃至全球的数据进行综合分 析, 这些资料和数据没有转变为人们容易理解的信 息, 没有得到充分的利用. 目前, 对巨量数据进行归纳的主要手段是建立 指标体系.世界资源研究所( World Resource ins- titute) 的研究结果表明, 成功指标体系的特点之一 就是只包含不多几个信息高度聚集的指标. 据此, 本 文将城市化集成模型的指标体系( 子模型体系) 浓缩 为以下 6 个方面: ( 1) 城市经济发展预测: 工业化和工业现代化是 20 世纪经济发展的主旋律, 城市化和城市现代化是 现代社会进步的主旋律, 工业化是城市化的经济内 容, 城市化是工业化的空间落实, 工业化和城市化的 相互促进与协调发展是现代经济社会健康发展的重 要标志.经济发展预测主要包括经济增长和产业结 构这两方面. ( 2) 城市人口增长预测: 城市化首先表现为城市 人口的增长. 由于乡村向城市的转化, 人口由乡村向 城市的转移, 及城市自身人口的增长, 城市人口呈不 断上升的趋势.这是城市化的一个最基本特征. ( 3) 城市空间动态模拟: 城市空间增长和空间格 局的演变是城市化扩展的体现, 有效地预测和模拟 城市空间动态是城市环境容量评估与预测的一个非 常重要方面.城市空间动态是在城市经济发展和城 市人口增长驱动下, 城市各种要素空间相互作用的 结果. ( 4) 资源承载力分析: 主要内容包括就业、 住宅 和非住宅建筑, 交通运输、 能源供应、 水供应和废水 处理基础设施等人文资源承载能力以及自然资源承 载能力. ( 5) 环境质量标准: 按照国际 21 世纪的国际化 大都市的标准, 建立水环境质量标准、 空气环境质量 标准、 区域环境噪声污染标准、 绿地标准和热岛效应 等气候异常标准, 这些标准是环境容量模型的重要 参数. ( 6) 环境软、 硬件条件: 包括公民的环境意识, 居 民的富裕程度和政府的政策措施以及水污染、 大气 污染、 固体污染物和噪音、 放射污染的处理和防护设 施, 它们是城市现代化的主要内容, 是量度城市化的 重要参数. 这里应当说明的是, 这些指标体系没有包含各 指标之间相互作用和相互关联的信息, 只是城市化 集成模型的组成部分. 城市生态系统是一个社会、 经济、 自然相互作用的复杂巨系统. 因为社会经济系统 和自然系统的相互作用发生在各个不同的时间和空 间尺度, 人类决策和环境影响的时间差和人类活动 环境影响的空间分异, 使人们认识这些相互作用的 尝试都变的更加复杂. 因此, 模拟城市生态系统的行 为不仅要详细地考虑这些子系统的时空动态, 而且 必须注意各种过程在不同时间和空间尺度起作用的 连贯性. 也就是说, 在社会经济系统和自然系统相互 作用的建模研究中, 必须考虑许多因素同时在各个 层次发生作用的复杂性和非线性, 不能简单地对有 关因素进行线性模拟. 城市化集成模型需要突出 3 大特点: ( 1) 针对各 个城市生态系统的特点建立具体的城市环境容量集 成模型, 在大量案例研究的过程中, 发展通用的城市 环境容量集成模型; ( 2) 在地理信息系统的支持下, 达到城市生态系统的全数字化和定量化; ( 3) 在遥感 技术集成服务体系的支持下, 监测城市生态系统及 其近邻地区的动态变化. 4 讨论 城市生态系统可概括为社会经济系统和自然系 统及其相互影响.社会经济系统包括就业、 土地、 住 宅和非住宅建筑, 交通运输、 能源、 供水、 废水处理基 础设施以及家庭、 商业、 开发者和政府, 它们直接或 · 32 · 地球信息科学2001 年12 月 间接地通过土地利用与土地覆盖变化、 资源使用和 废物排放影响自然系统.城市发展是生态系统结构 的主要决定因素, 它通过土地利用与土地覆盖变化、 自然资源利用和污染与废物排放对自然生态系统功 能产生重大影响; 人口增长和人类活动是城市生态 系统动态的主要驱动力; 气候、 地形、 水文、 土地覆盖 和环境质量等自然环境因素是城市系统的重要限制 因素. 有关研究成果表明, 当城市人口密度越过临界 值0. 788K 时( 其中 K 为最大人口承载能力, 是可持 续发展意义上单位面积允许承载的最大人口数量) , 环境影响超过了自然系统消除或消散干扰的能力, 对重要的生态功能就会产生不可挽回的损失; 当人 口密度小于这个临界值时, 城市生态系统可以吸收 干扰而对生态系统结构和功能不产生损害性影响. 参考文献 [ 1] 周干峙. 深入研究做好规划促进城市化的健康发展. 城 市规划, 2000, 24( 10) : 5~7 [ 2] Chen S. 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On the basis of studying effects of urbanization on ecosystems, a system of huge-data-based sub-models is proposed and major characteristics of the integrated model is described under the modern information technology. Keywords: U rbanization Ecological carrying capacity M odern information technology Int- egrated model · 33 · 4 期 岳天祥: 城市环境容量集成模型研究