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现代城市病的系统识别理论与生态调控机理

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。

二、预期目标

总体目标:

（1）初步建立一套城市生命体理论与方法体系。

针对因城市发展的不断加快而产生的日益严峻的城市“病”问题，本研究将紧密围绕城市生命体的物流能流代谢过程，系统剖析城市的结构功能、生态环境、能源供需、交通网络、土地利用、产业布局的时空变化规律和及其对人体健康的影响。

由此从全新角度全方位剖析城市生命体的能量与物质的传输、转化、循环的基本规律，探索经济、社会、人口、能源、资源、环境六大驱动力与城市生命体健康的互动关系。

从而揭示隐藏在城市“病”背后的核心机理，并建立综合全面的、动态的、多层次、多目标城市“病”诊断识别与生态调控理论与方法体系。

（2）有效促进城市发展过程中能源、资源、经济、社会、交通、土地、环境、生态等一系列基础科学问题的解决。

通过对城市生命体各子系统及其间互动关系的广泛和深入研究，阐明其中多方面、多层次的复杂性，进而揭示系统的内在规律。

由此，塑造一个结构合理、功能高效和关系协调的复合城市生命体。

该研究成果将可以辐射到许多相关领域，进而从广度和深度两方面同时促进一系列城市科学问题的研究。

（3）显著提高我国城市科学的整体研究水平。

通过城市生命体理论与方法的建立，有力推动城市科学及相关学科的快速发展，同时形成一支专门从事城市科学研究的、组成相对固定的、多学科交叉的、老中青相结合并以优秀中青年学术骨干为主体的研究队伍，促进我国城市科学研究整体学术水平的提高。

具体目标：

（1）建立一体化城市病诊断、预防与控制研究方法体系。

（2）揭示城市生命体能流物流循环的时空演变规律，城市生命体生态特征及其演变规律，以及城市生命体健康与经济、社会、人口、能源、资源、环境六大驱动力之间的互动规律。

（3）剖析城市生命体的能源活动规律及其与大气环境、气候变化之间的相互影响机理，城市生命体代谢产物的循环与转化机理，城市生态工业的物质和能量代谢机理，以及城市交通、用地与生态环境的互动机理。

（4）创建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，环境导向的生命体承载系统的综合评价指标体系，城市生态工业综合评价体系，以及城市生命体多功能健康诊断与综合评价体系。

（5）开发城市生命体能源系统代谢、大气流域、水循环与水环境、固体废物循环与转化、交通用地、生态工业等一系列模拟模型

（6）创建城市能源与大气环境系统最优化模型、城市水资源管理最优化模型、城市生态社区和生态产业系统最优化模型、环境导向的城市交通与用地优化模型、以及基于多个子优化模型系统的一体化复合城市“病”诊断、防治与生态调控辅助决策体系。

（7）开发多功能城市生命体健康实时和中长期动态预测与预报系统。

（8）完成2个典型案例研究：

系统发育完善的超大型北方城市—北京；南方新型的迅速发展的中型城市--深圳。

（9）培养一批有国际影响的中青年学术带头人；

（10）培养100名博士和博士后；

（11）在国内外核心期刊发表论文400篇以上，其中SCI论文100篇以上，有重要国际影响的论文30篇以上，出版专著8部。

三、研究方案

1.总体学术思路：

城市生命体系统具有动态性、实时性、多目标性、非线性以及不确定性等复杂特点。

这些复杂性常表现为城市系统中不同层次、不同组分间大量错综复杂的矛盾组合，如线性与非线性、平衡与非平衡，连续与离散、无序与有序等。

因此，在研究认识城市系统特点的过程中，必然需要正确认识和把握这种多层次的复杂性，才能全面、综合地反映众多子系统及其组分之间的互动关系。

然而，过去的研究通常只局限于对整个大系统内部的某个或有限几个子系统进行定量研究，或对整个系统的定性研究。

相应的研究成果必然也只能表现为对城市“病”问题的定性描述或定量特解，从而难以了解和抓住其内在成因与规律。

本研究提出城市生命体的概念，并能够对系统中各组分进行细致的解构分析，并在剖析多层次、多组分间互动关系的基础上，对此复杂系统进行整合研究。

这一解构与整合分析体系将有助于研究城市生命体各组分的时空变异特征和演化规律，揭示城市健康问题的形成机理，由此求导城市生命体健康问题的通解，并建立一体化的城市“病”诊断、防治与调控系统。

图1展示了具体的学术思路。

（1）提出并定义城市生命体概念，对其系统特征进行辨识。

通过对城市生命体的解构与整合分析，深入剖析各系统组分的特征以及它们之间的复杂互动关系。

（2）对城市生命体新陈代谢过程的机理进行全方位综合分析：

包括物流和能流的循环过程及过程间的互动关系，城市承载系统的运作过程，以及生命体代谢产物的传播过程与途径。

图1总体学术思路

（3）在上述机理研究的基础上，遵循“特征辨识—指标评价—系统模拟—优化决策”的途径，分析各过程对城市生态环境、人类健康、社会经济的影响机制，从而对城市“病”进行识别诊断与成因分析。

（4）在城市“病”识别与成因分析的基础上，提出一体化的城市“病”诊断、防治与生态调控理论与方法体系，为保障我国城市的可持续发展提供科学依据和技术支持。

主要技术路线：

基于上述系统“解构与整合”思路以及“辨识—评价—模拟—优化”的途径，本研究的技术路线可描述如下（见图）：

（1）现代城市生命体系统特征的辨识。

通过收集城市生命体的RS/GIS数据、历史数据以及来自社会调查与公众参与的统计资料，结合种种不确定性信息，对城市生命体的时空分异特征和演化规律进行分析。

（2）建立物流和能流循环过程的模拟模型系统。

在系统特征辨识的基础上，对能流循环和水循环（及相关的物流循环）过程及其互动关系机理进行研究。

并据此开发能量和水循环过程管理模型系统，建立能量和水循环过程管理理论与方法体系，从而实现相应的城市“病”诊断与调控。

（3）完成代谢产物循环与转化过程模拟。

在系统识别和能流物流循环机理研究的基础上，对城市生命体代谢产物的输送与转化过程和影响机制进行模拟和分析，从而为针对各种城市活动的决策模型提供基础支持，由于建立代谢产物循环过程管理理论与方法体系。

（4）对城市承载系统的运行机制和调控机理以及城市生态工业运作机理进行研究。

在以上研究的基础上，通过对城市交通、土地利用、工业发展、污染控制和生态保护的进一步研究，建立一系列环境导向式的城市生态系统特征识别、城市生态工业综合评价以及城市承载体健康识别的理论与方法。

（5）进行城市“病”的成因分析、诊断识别与生态调控机理研究。

在前面各子系统研究的基础上，根据自下而上和自上而上相结合的反馈式决策原则，建立双层迭代式综合优化体系，实现大系统与子系统的整体协调与优化，并结合多功能城市生命体健康诊断综合评价体系，最终建立一体化的城市“病”诊断、防治、与调控决策支持系统。

（6）将本研究开发的城市生命体系统分析理论与方法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（南方新型的迅速发展的中型城市）。

虽然两个城市的特征与功能有异，但它们都在我国改革开放的大潮中，在较短的时段内实现了经济腾飞，也因此经历了许多伴随城市发展而出现的城市“病”问题。

这些案例的研究将不仅可验证所提出的城市“病”诊断、防治与生态调控理论与方法的科学性，而且有助于解决这两个城市目前存在的诸多问题，并在将来向我国其它城市推广。

2.项目可行性分析：

国家重大需求：

我国的城市化建设正处于快速发展的阶段，由此产生了一系列城市“病”问题,已经对我国的社会经济发展产生了一系列的惩罚性影响，如环境污染对我国城市居民产生的健康危害，不合理用地和交通规划导致的城市功能效率低下，能源与资源紧缺及不合理利用导致的城市产业结构失调。

它们已成为我国社会经济可持续发展的重要制约因素。

对于这些问题，目前我国在相关研究的深度和广度上均大大缺乏，使得有关的治理对策和中长期规划均缺乏有效的科学依据。

本研究将从深度上对一系列有关的城市“病”的重点难题进行深入研究，并在广度上借助城市生命体概念的提出，而对各方面城市“病”问题进行全方位的综合分析。

从而为从根本上解决一系列城市“病”问题提供科学的依据和方法手段。

城市科学前沿：

鉴于城市系统本身的高度复杂性，如动态性、不确定性、多目标性和互动性，传统城市可持续发展的理论与方法不能充分解析繁多的系统及子系统间复杂的多层次、多目标、非线性相互作用规律，更难于利用这些规律来优化系统结构，调节系统关系，提高物质转化和能量利用效率以及改善环境质量。

因此，对城市可持续发展的研究必须摆脱传统理论与观念的束缚，建立全新的城市科学理论与方法。

国内外在此领域的研究尚处于起步阶段。

本研究所提出并将初步建立的多学科交叉融合的城市生命体理论与方法体系，能够从一个全新的角度理解城市环境、经济、政治、社会和文化之间的相互作用关系，从而形成城市科学的一个新分支，并有力推动相关学科的发展，如城市生态、城市地理、城市规划、城市管理、交通工程、能源电力、水资源、大气科学、环境科学等等。

学科与队伍优势：

本项目组织了一个涉及城市科学、环境科学、交通科学、能源科学、生态学、水文学、水资源、地球科学、生物学、经济学、社会学等多学科的研究群体。

研究人员可以利用各自的学科背景与专长，发挥各自优势，对各专项以及总体研究做出贡献；在研究队伍方面，以中国环境科学院为首席单位，已组织清华大学、北京大学、中国科学院、北京师范大学、武汉理工大学、华北电力大学、北京工业大学、大连理工大学、东北大学、湖南大学等城市与环境科学研究领域的优势单位，并融合了一系列国家、教育部、中国科学院、国家环保局重点实验室（如水环境模拟与污染控制国家重点实验室、环境水质学国家重点实验室，化学品生态效应与风险评估国家重点实验室、环境保护生态工业国家重点实验室、水沙科学教育部重点实验室、硅酸盐材料工程教育部重点实验室、中国科学院系统生态学重点实验室、中国科学院环境化学与生态毒理学重点实验室等），组成了一支精悍的研究队伍，可为本项目的顺利实施提供人才保障。

工作基础优势：

本项目组的参加人员多年来一直致力于城市与环境科学以及相关领域的研究，完成了一系列国内外重大研究课题，并取得了令人瞩目的丰硕成果。

前期承担或完成相关国家级纵向研究项目超60项（已完成973项目10项、863项目10项、国家科技攻关项目29项，以及多个国家自然科学基金委项目）。

前期相关研究获奖逾50项（国家科技进步一等奖3项、国家科技进步二等奖10项）。

课题团队中长江学者4人、国家杰出青年基金获得者6人。

课题团队在相关领域发表的论文逾2000篇，其中被SCI、EI收录800多篇。

前期相关研究涉及我国众多城市，如北京、深圳、昆明、广州、宁波、厦门、包头、珠海、青岛、烟台、大同、呼和浩特、沈阳、大理、武汉、郑州、济南、洛阳等。

同时，课题团队在拟选定的两个案例研究城市进行了诸多前期工作，具有良好的工作基础。

在北京，课题组成员与北京市水利局、中国水利水电规划总院、中国环境监测总站、北京环境监测站、交通局、规划局等单位有多年合作关系，可以保证数据共享。

课题单位还在北京有环境监测实验站，对污染状况有着长期的监测能力。

在深圳，中国环境科学研究院、北大、清华、中国科学院有长期的研究基地，并与深圳市环保局、建设局、规划局、交通局及环境监测站等单位有着长期合作关系，具有良好的工作基础。

3.项目创新点：

本项目将针对我国城市“病”问题，将城市看作一个完整的有机“生命体”，全面系统地剖析其生命活动特征，从“代谢”的角度阐明城市生命体各种“疾病”成因，揭示其物质能量的传输、转化、循环的时空变化规律，探索生态环境与城市健康的动态响应和相互作用机理，从而形成完整的城市生命体辨识、评价、模拟和优化理论与方法体系。

这不仅是国际城市科学的研究的最前沿，同时也是新世纪我国城市可持续发展所迫切需要解决的重大问题。

针对工业高度密集、产业结构复杂、资源和能源短缺、生态环境污染严重的复杂的城市系统而开展的综合性城市“病”形成机理和生态调控研究，在国内外尚无先例。

因此，本研究体现了解决城市“病”问题、实现城市可持续发展的国家战略需求，并具有显著的学术创新性和前瞻性。

（1）提出城市生命体新概念，初步建立城市生命体理论与方法体系

提出城市生命体新概念，对城市赋予了新的生命特征与科学内涵：

这是在认识论上的重大突破，能为城市“病”的诊断、预防机理的研究开拓新的思路和研究途径。

国际上过去未能对城市“病”问题进入全方位、多层次的深入分析，并非由于有关方法的缺失，而主要是囿于认识论上的缺陷。

本研究提出了对城市生命体先解构、后辨识、再综合的思想；同时以多学科、多理论、多技术、多方法为知识背景，对城市“病”的时空分异特征进行综合分析。

通过本研究，将能够系统的阐明经济、社会、人口、能源、资源、环境六大驱动力与城市健康的动态响应关系和相互作用规律，形成完整的城市生命体理论与方法体系，实现对现代城市“病”的溯源逐本，为从根本上解决现代城市“病”问题提供理论基础。

采用不确定性理论与方法对城市“病”进行系统研究：

通过一系列区间规划、随机分析、模糊数学理论、多阶段优化和多元分析等方法的组合，有效地反映了城市系统的不确定性与复杂性，从而有助于深入分析和理解城市“病”的特征、成因和内在发展规律，并全面阐明城市“病”的致病机理。

由此解决这个在城市的评价、规划、控制、管理过程中一直困扰城市科学研究人员的国际性难题，并完善城市科学的理论与方法体系。

解决我国城市发展中的一系列基础科学问题：

城市能流物流循环的时空演变规律，城市生命体生态特征及其演变规律，城市健康与经济、社会、人口、能源、资源和环境六大驱动力的互动规律，城市生命体的能源活动规律及其与大气环境和气候变化相互影响的机理，城市生命体代谢产物的循环与转化机理，城市生态工业的物质和能量代谢机理，以及城市交通、土地利用与生态环境的互动机理。

（2）揭示城市“病”系统特征，形成城市“病”的系统识别和生态调控理论和方法体系

在能源与大气环境研究方面，国际上首次建立综合性的城市生命体能源-大气模拟与优化理论与方法体系，并开发我国首个城市区域能源系统规划模型；在城市水循环机理研究方面，开发的不确定性城市降水径流模型和一体化的城市地表地下水循环模拟模型系统均属首创。

同时，创造性的建立多目标、动态、不确定、非线性城市生命体水资源综合管理模型系统；在城市固体废物研究方面，创建基于多目标多阶段随机优化的城市固体废物优化模型体系，并结合公众参与和随机反馈模拟，建立固体废物综合管理与互动决策系统；在城市生态特征研究方面，建立基于特征辨识和系统模拟的不确定性模糊多层次多指标绿色评价体系，并在此基础上构建城市生态综合模拟模型，最终形成一套创新性的城市生命体生态特征辨识、评价、规划及管理决策系统；在城市生态工业研究方面，首次提出城市生态工业复合体系的概念，全面揭示园区内部、园区之间、园区与独立企业之间、工业系统与非工业单元之间多层次的互动机理，从一个全新的高度认识工业活动在城市生命体中的总体影响和整体价值。

由此建立基于多级模糊综合评价、模糊多判据动态聚类分析和互反馈机制的城市生态工业复合体系综合评价、模拟和决策支持系统；在城市“病”诊断与防治综合研究方面，开发了一套创新性的双层迭代式综合优化体系,有机整合了六大子题的研究子成果。

同时，建立一套多功能城市生命体健康诊断综合评价与预警体系，弥补国内外目前在这一方面的空白。

此外，开发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。

（3）将城市“病”系统识别和生态调控理论与方法体系应用于我国典型城市

研究开发的城市“病”系统识别和生态调控理论与方法体系将应用于北京和深圳两个城市。

这将是我国首次对城市“病”问题进行综合、全方位的研究分析。

更具有现实意义的是，本研究的阶段成果将会为2008年“绿色奥运”的成功举办作出应有的贡献。

（4）初步形成城市科学的一个新分支，提高我国城市科学研究整体学术水平

城市生命体理论与方法的建立，能够有力地推动城市科学及相关学科的快速发展，形成城市科学的一个新分支，并极大提高我国在城市系统识别、模拟、预测、规划、管理、过程控制等领域的科研实力。

同时还将推动城市生态、城市地理、城市规划、城市管理、交通工程、能源电力、水资源、大气科学、环境科学，以及社会、经济、人口、文化、管理等学科的发展。

次外，通过本研究还将促进城市科学研究平台与研究网络的建立，从而形成一支多学科交叉、老中青结合、中青年为骨干的研究队伍，从而全面提高我国解决城市问题的科研水平和实践能力。

4.课题设置及课题间相互联系

（1）课题设置

本项目设7个课题:

课题1:

城市生命体能源代谢与大气污染互动机理研究

课题2：

城市水和营养物循环机理与演变规律研究