城市复合生态系统理论及其应用业界精制课件

城市复合生态系统理论及其应用清华大学环境学院环境管理与政策教研所

温宗国

副教授/博士生导师E-Mail:wenzg@1谷风书苑城市复合生态系统理论及其应用清华大学环境学院1谷风书苑主要内容城市的概念和城市化发展城市复合生态系统的特征复合型的城市环境问题城市复合生态系统的复杂性解决城市环境问题的案例2谷风书苑主要内容城市的概念和城市化发展2谷风书苑城·

市·

城市城城，所以盛民也。——《说文》本义是都邑四周用作防御的高墙。引申为城池，一般分两重，里面的叫城，外面的叫郭。城字单用时，多包含城与郭。市市，买卖之所也。——《说文》本义指市场，是形成城市的原因之一。城市人口密集、工商业发达的地方，通常是周围地区政治、经济、文化的中心。3谷风书苑城·市·城市城3谷风书苑1800年，3%；1850年，7%1900年，15%；1950年，30%2000年，48%，现已超过50%1840~1939伦敦城市发展轨迹世界城市化率城市化：农业人口的转化及其生产、生活方式由乡村型向城市型转化的人口集聚过程世界各国城市化率从25%增加到70%所用时间（年）4谷风书苑1800年，3%；1850年，7%1840~1939伦敦城市5谷风书苑5谷风书苑1995年以来我国城市化发展迅速>30%47%6谷风书苑1995年以来我国城市化发展迅速>30%47%6谷风书苑地级及以上城市是我国经济增长的主要推动力大中城市对于我国的经济贡献最大，占据主导性的战略地位7谷风书苑地级及以上城市是我国经济增长的主要推动力大中城市对于我国的经8谷风书苑8谷风书苑城市复合生态系统的空间结构空间组合的圈层式结构9谷风书苑城市复合生态系统的空间结构空间组合的圈层式结构9谷风书苑城市复合生态系统的构成能流和物流劳动经济系统建筑科技金融运输农业贸易工业通讯社会系统供应服务教育医疗饮食文娱居住旅游自然系统大气景观能源动物土地矿产水体植物管理决策生产污染资源利用力产品人类响活影境环信息流城市居民赖以生存的基本物质环境生产、分配、流通和消费的各个环节城市居民活动个体、集体之间的各种关系10谷风书苑城市复合生态系统的构成能流和物流劳动经济系统建筑科技金融运输城市复合生态系统的定义与特征定义：是城市居民与周围生物和非生物环境相互作用而形成的一类具有一定功能的网络结构，也是人类在改造和适应自然环境的基础上建立起来的特殊的人工生态系统，由自然系统、经济系统和社会系统所组成这三大系统之间通过高度密集的物质流、能量流和信息流相互联系，其中人类的管理和决策起着决定性的调控作用

11谷风书苑城市复合生态系统的定义与特征定义：是城市居民与周围生物和非生城市复合生态系统的主体：

1.以人为中心城市是人口聚集地，高密度的人群分布，城市复合生态系统是地球上最高效的土地利用类型12谷风书苑城市复合生态系统的主体：

1.以人为中心城市是人口聚集地，1.1城市复合生态系统：以人为中心与自然生态系统相比，城市复合生态系统的生产者绿色植物的量很少消费者主要是人类，而不是野生动物；分解者微生物的活动受抑制，分解功能不强城市中的一切设施都是人制造的，人类活动对城市复合生态系统的发展起着重要的支配作用。肉食动物草食动物植物人

动物植物13谷风书苑1.1城市复合生态系统：以人为中心与自然生态系统相比，城市1.2人工创造的环境人口集中创造了人工环境：建筑物、构筑物、道路、桥梁和其它设施人工化的覆被（沥青、混凝土、绿化）、水系（给排水系统）、气候（城市热岛）人工环境主导下的城市复合生态系统，在空间上结构和功能上同自然生态系统差别较大，其人工建设空间所占比重非常高。例如，《城市用地分类与城市规模用地标准》：

居住用地：20-30%；工业用地：12-25%；道路广场：8-15％；绿地：8-15％（逐年提高）14谷风书苑1.2人工创造的环境人口集中创造了人工环境：建筑物、构筑城市用地对大气循环的影响15谷风书苑城市用地对大气循环的影响15谷风书苑城市复合生态系统用水的人工设施16谷风书苑城市复合生态系统用水的人工设施16谷风书苑1.3人工化的营养结构：产业链市区外生态系统生物产品城市农产品初级加工业生产资料加工业饲料等进入农业食物链生产资料深加工最终产品生活消费品加工业废水废渣产品输出国内外市场城市人口消费污染综合整治废物综合利用产业链上人作为次级生产者，生产活动所需的物质和能量均来自于系统外部，输出产品和废物；难以仅依靠自然生态系统17谷风书苑1.3人工化的营养结构：产业链市区外生态系统生物产品城市农氮元素循环18谷风书苑氮元素循环18谷风书苑化石燃料农业生态系统化肥TotalHumanAdditionsNaturalSourcesTeragramsofNitrogenperYearSource:MillenniumEcosystemAssessment19谷风书苑化石燃料农业生态系统化肥TotalHumanAdditi2.高度开放的生态系统物质和能量的流通量大、运转快、高度开放城市中人口密集，城市居民的食物、城市工业、建筑业、交通等都所需物质和能量，从其他生态系统输入废弃物：有害气体飘散到城市以外的空间，污水和固体废弃物绝大部分不能靠城市自然系统的净化能力来自然净化和分解，不进行人工处理往往造成污染这种能量和物质的高度开放，使其对其他生态系统具有高度的依赖性，同时干扰其他生态系统20谷风书苑2.高度开放的生态系统物质和能量的流通量大、运转快、高度开2.1高密度的物质和能量代谢美国一个百万人口的物质代谢输入(万t/d)输出(t/d)水62.5废水50食物0.2固体废物0.2燃料固体尘埃0.016煤0.3二氧化硫0.016油0.28氮氧化物0.01气0.27一氧化碳0.045河北武安市60万人口和工业的物质代谢21谷风书苑2.1高密度的物质和能量代谢美国一个百万人口的物质代谢输入热原生能源次生能源有用能源最终能源传输率损耗热损耗热损耗热损耗热利用率损耗热传输率转化率利用率城市复合生态系统能流的基本过程电力、柴油、液化气煤、石油、天然气机械能，热能水的势能22谷风书苑热原生次生有用最终传输率损耗热损耗热损耗热损耗热利用率损耗热城市复合生态系统与自然生态系统能量流动的相同点遵守热力学第一、第二定律，在流动中不断有损耗，不能构成循环除部分热损耗是同辐射传输外，其余的能量都是由物质携带的，能流的特点体现在物质流中。但是能量每流过一个能级时，并不服从所谓的“10%定律”23谷风书苑城市复合生态系统与自然生态系统能量流动的相同点遵守热力学第一在城市的生态系统中，存在着强大的能流、物流，必然对环境产生不可估量的影响。Eg.北京市2000年预计输入6000万吨标准煤，暂不考虑其燃烧释放的SOX、NOX、粉尘等对环境的污染，仅就燃烧一项，燃烧热达1.76×1018

焦耳.

我国能源利用率按30%计,则进入城市环境的余热:1.76×1018×(1－30%)=1.23×1018焦耳这些热量进入城市环境是十分惊人的。目前北京市的“热岛”效应已很严重，“热岛”强度已达5℃24谷风书苑在城市的生态系统中，存在着强大的能流、物流，必然对环境产生不01年北京市热岛分布图

87年北京市热岛分布图

北京规划市区范围内共出现了10个热岛集中分布区总面积占23.9%，其中二环路以内占52.6%

在热岛效应明显的区域，气温比城郊高出50C，近地面温度高出约100C。功能板结：热岛效应200119872001198725谷风书苑01年北京市热岛分布图87年北京市热岛分布图北京规划市区佛山市热岛效应比较26谷风书苑佛山市热岛效应比较26谷风书苑2.2高度开放的物流体系27谷风书苑2.2高度开放的物流体系27谷风书苑各种交通方式的特点28谷风书苑各种交通方式的特点28谷风书苑自行车/公共汽车/小汽车的生态足迹比较:

（假定住房离工作单位5公里）交通方式生态足迹总量（ha）人均（m2/人）自行车0.0122122公共汽车0.03301小汽车0.141442不同交通方式的生态足迹比较29谷风书苑自行车/公共汽车/小汽车的生态足迹比较:交通方式生态足迹总量30谷风书苑30谷风书苑2.3高度发达的信息网络城市复合生态系统的信息流信息具有三个作用：传递知识、传递情报、节省时间提高效率。信息流能把城市复合生态系统各组分联系成一个整体，并具有调节系统稳定性的作用

城市的重要功能之一就是输入分散的、无序的信息，输出经过加工的、集中的、有序的信息城市的输出物中，除了物质产品和废物外，还有精神产品，这通过信息流来完成31谷风书苑2.3高度发达的信息网络城市复合生态系统的信息流31谷风书3.功能不完善的生态系统3.1丧失初级生产功能。生态系统包括初级生产和次级生产，初级生产功能由绿色植物完成32谷风书苑3.功能不完善的生态系统3.1丧失初级生产功能。生态系统城市绿地不用于生产33谷风书苑城市绿地不用于生产33谷风书苑

34谷风书苑

34谷风书苑3.2割裂了物质循环链条城市复合生态系统：食物链（人工化）食物链缺少生产者和分解者，营养来自外部，排泄物也输送到系统外部天然输入:

空气、河水等人工输入:

原材料、生产资料、生活资料等生产消耗生活消费城市活动不改变形态：流通物质或商品。形态改变：建筑材料、生产原料、废弃物等。物质输入物质输出或保留物质使用35谷风书苑3.2割裂了物质循环链条城市复合生态系统：食物链（人工化）水循环：合流制排水系统36谷风书苑水循环：合流制排水系统36谷风书苑37谷风书苑37谷风书苑38谷风书苑38谷风书苑3.3对不可再生资源的依赖城市复合生态系统对能源的需求极高，不仅要维持高密度人口在生物水平上的代谢，还要为产业系统提供能量支持城市复合生态系统较自然生态系统的能量转换率要高效：绿色植物对太阳能的转换率：0.14%；机械装置：>50%39谷风书苑3.3对不可再生资源的依赖城市复合生态系统对能源的需求极高40谷风书苑40谷风书苑3.4信息的不对称发育表现在：主观信息和客观信息的分离，和获得信息能力的不平等自然系统信息流畅通，每个生物体直接感知和利用客观信息，调节行为维持系统正常功能城市复合生态系统的人工环境割裂了人与自然的联系，许多源于自然系统的信息被阻隔主观信息，作为一种间接信息，反应有时滞。经济学上资源无限假定；违背自然规律的活动41谷风书苑3.4信息的不对称发育表现在：主观信息和客观信息的分离，和YearofPeakFishHarvestHarvestpeakPre-peakPost-peakSource:MillenniumEcosystemAssessmentandSeaAroundUsproject42谷风书苑YearofPeakFishHarvestHarveYearofPeakFishHarvestHarvestpeakPre-peakPost-peakSource:MillenniumEcosystemAssessmentandSeaAroundUsproject43谷风书苑YearofPeakFishHarvestHarve4.人类调控的生态系统4.1人口数量控制与分工－没有天敌;－掌握获取资源的手段控制人口的增长1billionin18004billionin19752billionin19206.5billionin2005WorldPopulation(billions)44谷风书苑4.人类调控的生态系统4.1人口数量控制与分工1bil4.2城市的空间结构－>生态化设计45谷风书苑4.2城市的空间结构－>生态化设计45谷风书苑4.3城市功能定位与内部功能设计城市功能的的不完整性构建完整的功能单元生产者：动脉产业单元分解者：静脉产业单元46谷风书苑4.3城市功能定位与内部功能设计城市功能的的不完整性构建城市复合生态系统结构特性带来的问题城市在自然界占有很小的一部分空间，却集中了如此多的物质和能源的消耗，集中了大量的人口、交通和信息流，改变了原来的生态和生态平衡，改变了地区的物质流动方向和数量，失去了原来的平衡，造成城市环境污染城市的物理环境也发生了迅速的变化，如城市热岛的产生、地形的变迁和人工地面改变了自然土壤的结构与性能，增加了不透水的地面等等，从而破坏了自然调节净化机能47谷风书苑城市复合生态系统结构特性带来的问题城市在自然界占有很小的一部不同城市化阶段主要环境问题及其原因48谷风书苑不同城市化阶段主要环境问题及其原因48谷风书苑1991年市区影象图2001年市区影象图城市建设存在的问题：城市“摊大饼”式的扩张不仅导致城市复合生态系统的紊乱，造成土地资源的极大浪费，也容易导致城市中心区功能的衰退。49谷风书苑1991年市区影象图2001年市区影象图城市建设存在的问题：《总体规划》确定的绿化隔离区遭到挤占。

在北京市城市规划中的241km2隔离绿地中，目前可用于绿化的仅余62km2。北京市绿化带被房地产开发挤占50谷风书苑《总体规划》确定的绿化隔离区遭到挤占。在北京市城市规城市化引发的一系列社会、经济和环境问题越来越严重城市化的集聚效应，人类强烈干预自然环境使其发生剧烈变化。维持城市生产和生活所需要的各种物质和能量，必须从外界输入城市产生的废气、污水、垃圾往往超出了城市环境的承载能力，需要向外界输出。因此，资源耗竭、环境污染和生态破坏必然成为城市发展的附属物。51谷风书苑城市化引发的一系列社会、经济和环境问题越来越严重城市化的集（1）工业化初期的城市环境问题世界城市环境问题的主要发展阶段贫困型的环境问题生产型的环境问题（2）工业化中期的城市环境问题城市管理者忽视城市公共基础设施建设城市环境灾难集中出现的时期（环保运动开始兴起）（3）工业化高级阶段的城市环境问题城市规划成为指导城市可持续发展的重要手段，区域和全球性的环境问题受到广泛的关注，许多城市进行生态城市、绿色城市、紧凑型城市、低碳城市等探索与实践52谷风书苑（1）工业化初期的城市环境问题世界城市环境问题的主要发展阶段不同类型城市的环境问题中小城市大/特大城市城市群资源型城市不同类型城市许多发达国家的小城镇具有较好的资源和环境优势，拥有比大城市更为健康舒适的人居环境(如：欧洲的德国、荷兰、奥地利等国家小城市)人口与资源高度集聚在带来集聚效应的同时，也带来空气污染、交通拥挤、热岛效应、水资源短缺、疫病流行等环境问题（如：洛杉矶、伦敦、曼谷、孟买等）城市群环境问题如污染转移、酸雨、水污染等具有复合型和复杂性等特点（如：北美五大湖城市带、日本太平洋沿岸城市带、欧洲西北部城市带等）除了一般城市所具有的“三废”等常规问题以外，还存在一些特殊的生态环境问题，如地面沉陷，植被破坏，固体废弃物堆积，水资源和空气污染不断加剧等（如：德国鲁尔区，美国匹兹堡等）53谷风书苑不同类型城市的环境问题中小城市大/特大城市城市群资源型城市不我国城市环境所面临的问题：城市空气细颗粒物和有机污染加重、呈现区域化特征并向农村和郊区曼延城市水环境污染严重，以氨氮和有机物为主，饮用水源地受富营养化影响严重水资源短缺，利用效率不高，城市严重缺水固体废弃物增量迅速，无害化处理率低开发圈占土地过多，资源局部粗放使用大城市交通拥堵，尾气和噪声污染严重PM2.5超标严重NOx总体水平高“无意义的空间”——大广场54谷风书苑我国城市环境所面临的问题：城市空气细颗粒物和有机污染加重、呈未来中国城市环境发展：日益呈现复杂性和综合性趋势快速城市化加剧复合型环境污染细粒子/灰霾－臭氧为代表的大气复合污染有机污染物—重金属共存的土壤复合污染有机物、重金属以及氮磷等共存并联合作用水体复合污染 多介质、多界面复合污染快速城市化加剧城市生态环境失衡每增加1％的全国城镇化率(居住在城市的人口比例)，中国必须增加3亿至4亿平方米的住房,消费1800平方公里土地、14000万立方米的饮用水,开发出6.4亿千瓦的能源和花费约2600至2700亿元人民币(350亿美元)的资金;每年要处理污水11.4亿立方米。55谷风书苑未来中国城市环境发展：日益呈现复杂性和综合性趋势快速城市化加举例说明城市复合生态系统的复杂性56谷风书苑举例说明城市复合生态系统的复杂性56谷风书苑东10号线明渠57谷风书苑东10号线明渠57谷风书苑同江上游202.8公里11日16时：0.174011日18时：0.145013日2时:0.052713日16时:0.0247同江上游244公里12日4时:0.027012日20时:0.0077同江上游65公里13日20时:0.019314日4时：0.070915日3时：0.169416日6时:0.045658谷风书苑同江上游202.8公里同江上游244公里同江上游65公里16跨国界环境影响59谷风书苑跨国界环境影响59谷风书苑影响区域系统分析：特征污染物影响受体60谷风书苑影响区域系统分析：特征污染物影响受体60谷风书苑松花江流域图江嫩松花江干流第二松花江松原水厂达连河水厂佳木斯水厂哈尔滨水厂集中供水61谷风书苑松花江流域图江嫩松花江干流第二松花江松原水厂达连河水厂佳木斯2.2哈尔滨三水厂、绍和水厂应急供水技术方案取水口稳压井反应池沉淀池滤池泥水处理系统清水池清水池反冲洗系统1、水源预处理、混凝沉淀工艺实施方案在二水厂取水口投加唐山木质粉末活性炭，采用湿式投加方式，吸附时间为2h。投加混凝剂和助凝剂，保证沉淀池出水浊度控制在：三水厂4.0NTU，绍河水厂3.0NTU。62谷风书苑2.2哈尔滨三水厂、绍和水厂应急供水技术方案取水口稳压井反2.2哈尔滨三水厂、绍河水厂应急供水技术方案取水口稳压井反应池沉淀池滤池泥水处理系统清水池清水池反冲洗系统2、过滤工艺实施方案对炭砂滤池初滤水实时监测，如发现粉末活性炭泄漏，需要将5min内的初滤水直接排放。三水厂反冲洗条件（包括反冲洗方式、强度、时间）保持不变；绍和水厂气冲强度和时间保持不变，水冲强度也保持不变，但反冲洗时间需延长至10min。3、污水污泥的安全处理方案水厂污泥进行脱水处理，脱水后的污泥运送到指定的处理场进行卫生填埋;脱泥产生的污水需进行光催化氧化处理后排放;水厂反冲洗水通过管线返回到水厂混凝工序可行，与原水一并进行吸附混凝处理。63谷风书苑2.2哈尔滨三水厂、绍河水厂应急供水技术方案取水口稳压井反底质中硝基苯的衰减特性底质中硝基苯的衰减作用机理64谷风书苑底质中硝基苯的衰减特性底质中硝基苯的衰减作用机理64谷风书苑生态样品中特征污染物现状检测污染过程中松花江水体中生物内硝基苯含量一度增高，单个生物最大检出值为乌苏里白鲑达到0.57mg/kg,，最小值为鲫鱼0.0004mg/kg,各生物种硝基苯平均值最高为鲤鱼达到0.19mg/kg,鲶鱼0.171mg/kg。不同生物体中硝基苯平均含量从大到小为鲤鱼>鲶鱼>餐条>乌苏里白鲑>狗鱼>雅罗>黑鱼>唇鲴>花鲴>鲫鱼。0.017mg/l检出限0.002mg/kg65谷风书苑生态样品中特征污染物现状检测污染过程中松花江水体中生物内硝基特征污染物对农作物的影响66谷风书苑特征污染物对农作物的影响66谷风书苑67谷风书苑67谷风书苑68谷风书苑68谷风书苑城市生态化改造案例69谷风书苑城市生态化改造案例69谷风书苑田园城市（GardenCity）山水城市（Shan-ShuiCity）健康城市（HealthyCity）绿色城市（GreenCity）生态城市（Ecocity）可持续城市（SustainableCity）等70谷风书苑田园城市（GardenCity）70谷风书苑生态城市的基本概念生态城市为ecologicalcity,ecocity；生态社区(eco-community);生态村(eco-village)等Ecocity一词是由Ecology和City构成的复合词，即——生态城市化概括地说是指按