环境科学研究院.docx

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环境科学研究院

项目名称：

现代城市“病”的系统识别理论与生态调控机理

首席科学家：

黄国和中国环境科学研究院

起止年限：

2005.12至2010.11

依托部门：

国家环境保护总局教育部

一、研究内容

过去10年，我国城市的高速发展使总体经济实力剧增，但也同时伴生许多城市“病”。

近年来，由于过度追求经济利益使我国城市“病”持续恶化，并反作用于经济发展，严重阻碍了城市发展的可持续性。

如何从根本上予以解决城市“病”已成为我国城市科学及相关学科所面临的迫切任务。

综合而言，本项目中拟解决的关键科学问题包括：

（1）如此诸多的城市“病”问题是如何产生的？

这需要从城市系统内在的演变和运行机制以及各组分之间的互动关系进行科学剖析和论证；

（2）相关的影响因子和互动机理是什么？

这需要通过对城市系统的复杂性进行特征辨析，并对所要采取的相应科学理论和方法进行综合评价；（3）如何从根本上调控解决现存和潜在的问题？

这需要对城市系统行为进行准确模拟，以期对其过程中的复杂性进行客观分析和反映。

具体而言，本项目将以北京和深圳为案例城市，在如下几个方面进行着重研究：

（a）城市系统的复杂性及其中多因子间的相互作用机理；（b）城市系统物质代谢和能量循环机理；（c）城市代谢产物在城市系统中的迁移转化规律；（d）城市“病”的成因机制、诊断识别与调控机理。

其中最关键的问题是如何有效地对城市物流能流循环、生态环境破坏、以及城市“病”机理进行深入透彻的研究。

本研究将在城市生命体概念的基础上，围绕三个关键科学问题，开展三个层面的研究。

第一层面将从物流、能流的角度研究城市生命体在能量、大气、水和固废诸方面的新陈代谢基本规律，探索城市生命体及各个子系统的运行机制及互动规律，进而剖析其中物质能量转化和循环的核心机理。

第二层面将从形态特征角度研究城市生命体的基础设施、工业生产、人居活动、生态环境等方面的时空演变规律，进而透析城市生命体的构成、运行、演变及调控机制。

第三层面则将在前两个层面的研究基础上，进行系统性的理论整合和方法集成，建立一体化的城市“病”诊断、防治和调控理论与方法体系，对整个城市生命体健康状况的总体识别和全局调控。

具体研究内容如下：

（1）城市生命体能流和物流演化机理与调控研究

本研究将综合研究城市生命体的能量代谢机制和城市能源系统的运行规律，全方位和多层次地辨识城市系统能量流动及行为特征，并对城市与能源系统中的不确定性、能流和物流的互动关系进行模拟、评价和优化。

同时引入城市大气域系统的概念，解析和模拟城市大气环境中的能流和物流互动关系，掌握污染物在城市大气环境中的迁移转化规律，并通过大气域环境质量模型的建立，定量分析大气污染与能源结构、工业发展、交通运输等子系统之间的相互关系。

在此基础上，将城市能源系统与大气环境看作一有机整体，探索复杂变化条件下的城市能源活动规律及其与大气环境、气候变化间的互动机理，从而确立由于城市能源活动、大气环境污染和气候变化而导致的各种城市“病”的“病原”和“病理”，并由此构建适合我国特点的城市能源代谢与大气污染偶合管理系统理论与方法体系，从能量流动和大气循环的角度为有关城市“病”的解决提供科学依据。

在城市生命体水循环和营养物的流动机理研究方面，本项目将系统辨识城市地表和地下水在自然和人工系统中的流动与传输过程，以及营养物在不同时空条件下的迁移与转化过程，以利分析与水环境相关的城市“病”的形成机理。

在此基础上，通过建立区域气候模型以及一系列地表地下水文环境模型，开发一套集成式的不确定性城市生命体水循环模拟系统。

该系统将用于衡算城市可利用水资源量，并分析城市生命体的水循环和营养物流过程。

在此基础上，建立多层次不确定的城市水环境、水资源综合管理优化决策模型，实现对与水循环过程相关的城市“病”的综合诊断、防治与调控。

在固体废物的循环与转化机理研究方面，本项目将以废物减量化、资源化、再利用和再生循环（４R）为原则，按照辨识-评价-模拟-优化决策的思路，运用环境科学、生命科学、城市科学、经济学及工程科学的研究方法，综合剖析和评价我国城市固体废物的代谢过程。

通过辨识典型行业的物质代谢特点，开展代谢工艺的环境友好性评价，并开发我国城市危险废物的安全管理系统。

通过解析代谢产物的过程循环机理，探索城市固体废物资源化方法和管理运行模式，并由此建立一套全方位、多层次的有关固体废物处理与处置的综合决策系统。

（2）城市生命体形态特征辨识与调控研究

在城市生命体生态特征及演变机理研究方面，本项目将从生命科学的角度深入分析城市生命体的内在结构和代谢机理，探索城市生命体生态系统组分间相互作用的内在规律，从而评估城市生命体的生态承载能力，并开发城市生命体生态特征及演变规律的多层次多指标绿色评价体系。

由此对城市生态系统的服务功能、健康状态以及稳定性等一系列生态特征进行全面、科学的评价，并对城市生命体生态状况的演变趋势进行模拟预测。

在以上评价和模拟的研究基础上，通过开发新型的多判据决策分析模型，建立城市生命体生态特征综合诊断、评价与管理系统。

在城市生态工业系统的内在运行机制和演变规律研究方面，本项目将基于工业生态学理论，提出城市生态工业复合体系的概念。

利用城市生命体理论中的“解构-整合”思想，从多个园区间的互动关系研究入手，对整个城市范围内园区与非园区工业之间、工业与非工业之间的互动关系进行研究，以解析生态工业复合体系内多层次的互动关系及其相互依赖和制约的机理，在深入辨识城市工业“病症”，建立城市生态工业复合体系综合评价、模拟与决策的理论与方法体系。

针对城市生命体承载系统的健康状况问题，本课题拟建立环境导向式的综合评价系统，以及基于多判据决策分析的城市生命体承载系统健康识别及调控理论。

通过环境导向式综合评价系统的建立，对城市生命体承载系统的健康状况进行评估；通过不确定性城市载体营运模拟系统的建立，对其中机理进行深入的剖析和探讨；通过开发环境导向式城市承载体健康识别与调控系统，实现城市承载体与能源、生态和环境系统之间的良性互动。

（3）城市生命体健康综合诊断、防治与调控的理论与方法研究

本研究将采用反复“分解--协调—整合”的思想，通过对城市生命体这一复杂的系统进行多层次、多阶段、多目标及多模式的解构分析与反馈调节，集成六大子课题的研究成果以及本课题所开发的多目标多阶段综合优化系统。

与此同时，还将利用开发的多功能城市生命体健康诊断综合评价体系对城市生命体的健康状态进行快速、准确、整体的把握，对城市各种城市“病”防治方案进行动态评价。

在此基础上，还将利用基于多判据决策分析与智能专家知识系统的后优化体系，科学地分析整合公众与专家意见，实现对不可定量信息的综合分析，同时该系统还将采纳计算机仿真，GIS等技术，实现分析、评价、决策过程和实施结果的直观化、可视化，从而最终形成维护城市生命体健康的综合性“医院”系统。

此外，本研究开发的城市生命体理论与方法体系将应用于两个典型城市：

北京（系统发育完善的超大型北方城市）和深圳（新型的迅速发展的中型南方城市）。

通过这些案例研究，验证城市生命体系统理论和方法的科学性和有效性，进而推广到我国其它城市，从而有效实现我国现代城市“病”的系统识别和生态调控。