城市生态学课件整理.完整版

PAGEPAGE40城市生态学本课程的着重点城市气候学与城市自然环境城市生态系统的特点城市中的环境问题城市园林绿地与绿化城市生态环境管理与规划城市生态系统研究方法举例城市规划理念、思路与方法城市生态评价与生态可持续发展规划目标1城市与城市生态学1.1城市的发展与城市化1.1.1城市的概念和城市的形成与发展城市(city)—是非农业人口为居民主体,以空间与环境利用为基础,以聚集经济效益为特点,以人类社会进步为目的的一个集约人口、经济、科学技术和文化的空间地域综合体 —人类社会与地域空间的高度结合《》城市的形成(三次社会分工与私有制)1第一次:畜牧业与农业分离—聚落(城市胚胎) 第二次:农业与手工业分离—产生聚落中心 第三次:手工业与商业分离—“市”(集)形成2私有制产生—聚落争斗防卫—“城”(镇)形成城市的发展 自然条件：大河冲积平原区；经济技术发展水平：冲破自然束缚向外扩张拓展城市景观发展变迁过程：自然→人工：原始自然景观-—新石器及青铜时代景观-—铁器时代末期景观-约公元前1000—历史乡村景观-1100~1800—传统农业景观-1800~1950—现代农业景观-1950~—城市化景观《》海岸地面抬升(1cm/a)促使港口向河流下游深水处迁移,船只吨位(吃水深度)的增加亦加速了该过程—港口城市形成1.1.2城市化与城市问题城市化(urbanization)—通常是指农业人口转化为城市人口的过程。其表现为：空间上城市规模的扩大数量上农业人口转变为城镇非农业人口质量上城市居民生活方式的现代化城市人口增长:(以前)自然®(目前)机械城市化(urbanization)—通常是指农业人口转化为城市人口的过程。其表现为：空间上城市规模的扩大数量上农业人口转变为城镇非农业人口质量上城市居民生活方式的现代化城市人口增长:(以前)自然®(目前)机械《》城市化发展过程孤立农家®市井集镇®老工业区®新工业区《》交通线形式对不同城市景观类型形成的影响《》深圳市的土地利用变化《》欧洲的城市化发展城市问题：由于城市化的发展和城市人口、工业、建筑的高度集中,带来了一系列的~~。当城市人口膨胀到一定程度，城市扩大到一定规模时，势必造成城市用地紧张、交通拥挤、住房短缺、基础设施滞后、环境污染、生态条件恶化，并导致失业率增加和犯罪率上升等一系列现代城市社会弊病。城市化的生态后果一、城市化的特点人口集中产业集中能源结构改变需水量增加信息传递快速不透水地面增加绿地减少人们相应的生活习惯的改变二城市化的优、缺点（一）优点（二）缺点1.2城市生态学的研究对象、目的、任务1.2.1城市生态学经典的生态学研究生物与其生活环境之间的相互关系。其研究对象主要是：生物个体(个体生态学autecology)生物种群(种群生态学populationecology）生物群体(群落生态学synecology)生态系统(生态系统学ecosystemecology)—将某一环境及其中的生物群体结合起来加以研究,目的是阐明生态系统的机制。现代生态学强调的这种机制,主要指生态系统中物质和能量的流动。城市生态学(urbanecology)—生态学的一个分支,是以城市空间范围内生命系统和环境系统之间联系为研究对象的学科。由于人是城市中生命成分的主体,因此也可以说,城市生态学是研究城市居民与城市环境之间相互关系的科学。其研究内容主要包括：城市居民变动及其空间分布特征(城市人口的生物特征、行为特征、社会特征研究)城市物质代谢功能及其与城市环境质量之间关系(城市物流、能流及经济特征研究)城市自然生态变化与城市环境的互动影响(城市生物及非生物环境的演变过程研究)城市生态管理与调控(城市交通、供水、生活废物处理及其中的物质、能量利用,社会、自然和谐,系统动态调控方法研究)城市自然生态特征的指标体系及城市合理容量对城市进行生态学研究,仅仅运用自然科学的原理是不够的。这首先因为城市是人类社会的产物,所以有关生态学的研究也必然涉及社会科学的不同领域。人类往往不能适应城市生活的自然环境,要按照自己的意愿,如按照传统、政治、经济状况等改造城市。这种改变常常不可能不使城市生态系统受到影响,而且是影响到城市的自然和社会各个方面,因此城市生态学必然要运用到自然科学和社会科学两方面研究领域的成果与方法。1.2.2城市生态学研究的流派城市生态学的研究起源于欧美,然而北美的城市生态学概念和西欧的城市生态学概念并不完全相同。西欧的城市生态学是由自然科学家,特别是植物学家所首先创立,在以后的研究中,也一直基本保持着自然科学的性质。把非自然科学亦纳入城市生态学研究范畴的观点,仅仅是在近期才开始被德国和其他一些欧洲国家所接受。在北美洲，城市生态学植根于社会科学。RobertE.Park—芝加哥学派著名的代表人物之一,在1926年就已开始讲授“城市生态学”课程,其内容是“城市和社会之间关系的多样性”。北美的城市生态学概念,从一开初到现在,始终比西欧的城市生态学概念具有更浓烈的社会科学色彩。特别是在其发展初期,纯粹属于社会科学。随着时间的推移，城市生态学概念在西欧和北美间开始相互协调，逐渐趋于统一。在欧洲，城市生态学的概念正在逐渐扩展自己的含义；在北美,自然科学方面的研究(如气候学、绿地建设和城市园林树木的意义等),已在有关的城市环境规划中获得了广泛的应用。1.2.3我国的城市生态学研究我国城市生态学的研究起步较晚,但发展很快。 1984年12月在上海举行了“首届全国城市生态科学研讨会”,会议探讨了城市生态学的目的、任务、研究对象和方法，以及在实际工作中的作用。这次会议标志着中国城市生态研究工作的开始。以后的研究首先将注意力集中在把城市生态理论研究应用到城市规划、建设和管理实践中去,主要是对一些大城市进行生态系统工程方面的研究。 1983~1985年间组织的“天津市城市生态系统与污染防治综合研究”；“北京市城市生态系统特征及其环境规划的研究”等。这些研究为制定城市总体规划、城市经济发展规划、城市环境保护规划和城市管理措施等提供了决策依据。 在城市生态系统个别组分的研究方面，有江苏植物研究所等开展的南京市“城市空气污染与某些植物种的关系”的个体生态研究。 此外在北京以及其它城市还有一些有关城市生态调控决策支持系统方面的研究，目的是为城市规划、环境管理与决策者提供信息支持、方法支持和知识支持。城市生态学研究现阶段研究方向:为使城市发展步入正常良性循环轨道,为使日益严重的城市问题得到妥善解决,应该分城市职能类别开展城市生态的深入研究(以政治文化、工业企业、风景旅游、交通枢纽、商贸金融、港口运输等各类城市进行研究);城市生态的单项基础性研究(要构建城市总体模型,首先应有单项基础研究,如有关城市植被、植物区系、动物区系、水文、气候、土壤等以及有关城市交通、人口居住、环境美化方面的研究);城市生态环境管理及规划研究2生态学有关概念与原理2.1生态平衡及其反馈调节机制生态平衡(ecologicalequilibrium)—指生态系统的一种相对稳定状态。当处于这一状态时,生态系统内生物之间和生物与环境之间相互高度适应,种群结构和数量比例长久保持相对稳定,生产与消费和分解之间相互协调,系统能量和物质的输入与输出之间接近平衡。生态系统平衡是一种动态平衡,因为能量流动和物质循环仍在不间断地进行,生物个体也在不断地进行更新。负反馈机制(negativefeedbackmechanism)生态系统的平衡靠负反馈机制维持。生态系统中的反馈现象十分复杂,既表现在生物组分与环境之间,也表现于生物各组分之间及结构与功能之间,其中起主要作用的是能够使系统达到和保持平衡或稳态的负反馈机制。负反馈是指系统或其中某成分因一系统输入而在输出上产生一响应变化趋势,该响应变化又反过来作用于导致产生该响应变化的系统输入,使该输入受到抑制从而衰减之(见下页图示)。《》生态系统负反馈环作用示意图《》兔与植物种群之间的负反馈环《》狼、兔、植物种群之间的双重负反馈环当自然生态系统处于平衡状态时,生物种类通常较多,结构复杂,食物链网错综,对外界的干扰有较强的抵御能力,功能发挥亦较稳定。有人称此为多样性—稳定性学说。此时系统内各物种通过竞争和生态适应,占据各自独特的生态位,彼此协调相处,对环境资源的利用较为充分;同时复杂的食物网结构使能量和物质可通过多种途径流动,一个环节或途径发生了损伤或中断,可以由其他方面的调节所抵消或得到缓冲,从而使整个系统不易受到致命伤害。然而生态系统的稳定性(stability)至少包含两方面的涵义(其他有持久性persistence等):抵抗力(resistance)—系统抵御外界干扰使自身不致受到伤害的缓冲能力,抵抗力越强则系统越不容易出现伤害或崩溃现象。恢复力(resilience)—当系统遭到外界干扰致使系统受损后迅速修复还原自己的能力,恢复力越强则系统恢复(restoration)到正常的时间越短。两者难以兼得,恢复力强则抵抗力弱,反之亦然(见下二页图)。生态平衡失调与生态危机现实中生态系统常受到外界的干扰,但干扰造成的损坏一般都可通过负反馈机制的自我调节作用使系统得到修复,维持其稳定与平衡。不过生态系统的调节能力是有一定限度的。当外界干扰压力很大,使系统的变化超出其自我调节能力限度即生态阈限(ecologicalthreshold)时,系统的自我调节能力随之丧失。此时,系统结构遭到破坏,功能受阻,整个系统受到严重伤害乃至崩溃,此即生态平衡失调。严重的生态平衡失调,从而威胁到人类的生存时,称为生态危机(ecologicalcrisis)—由于人类盲目的生产和生活活动而导致的局部甚至整个生物圈结构和功能的失调。生态平衡失调起初往往不易被人们觉察,如果一旦出现生态危机就很难在短期内恢复平衡。因此,人类应该正确处理人与自然的关系,在发展生产,提高生活水平的同时,注意保持生态系统结构和功能的稳定与平衡,实现人类社会的可持续发展(sustainabledevelopment)。2.2生态学的一般规律这里仅着重对生态学的一般规律进行简要概括。生态学所提示或遵循的下述一般规律,对搞好城市生态环境保护,发展工业生产,保障居民生活等均有指导意义。相互依存与相互制约规律反映生物间及生物与环境间的协调关系,主要是普遍的依存与制约关系,亦称“物物相关”和“相生相克”规律生态系统中的(同种或异种)生物间,不同生态系统间,甚至生态系统中的生物与环境之间,均存在相互依存和相互制约的关系,亦可以说彼此影响。这种影响有些是直接的,有些是间接的,有些是立即表现出来的,有些需滞后一段时间才显现出来。一言以蔽之,生物之间和生态系统间的相互依存与制约关系,是普遍存在的。因此,在城市建设和城市居民生活中,特别是在需要排放污染、倾倒废物、喷洒药品、采伐、开山、筑路、修建大型给水工程及其它建设项目时,务必注意调查研究,摸清自然界诸事物之间的相互关系,对与某生产活动有关的其它事物也加以通盘的考虑,包括考虑此种活动可能会产生的影响(短期的和长期的、明显的和潜在的),从而做到统筹兼顾,全面安排。物质循环与再生规律生态系统中,生物借助能量的不停流动,一方面不断地从自然界摄取物质并合成新的物质,另一方面又随时分解为原来的简单物质,即所谓“再生”,重新被系统中的生产者植物所吸收利用,进行着不停顿的物质循环。因此要严格防止有毒物质进入生态系统,以免有毒物质经过生物放大作用和多次循环后富集到危及人类的程度。至于流经生态系统中的能量,通常只能通过系统一次,当能量经食物链转移时,每经过一个营养级,就有大部分能量转化为热散失掉,无法加以回收利用。因此,为了充分利用能量,必须设计出能量利用率高的系统。如城市垃圾的处理,从最初的填埋法到后来的焚化法再进一步到堆肥制取沼气法,便体现了人类逐步掌握生态学的循环与再生规律,并应用于实践的过程。特别是后者,既能较彻底地消除污染,又能充分回收垃圾中含有的物质养分(有机肥料)和有用能量(沼气),是较有前途的城市垃圾处理方法。物质输入输出的动态平衡规律物质输入输出的平衡规律,又称协调稳定规律,涉及到生态系统中生物与环境两个方面。生态系统中生物与环境之间的输入与输出,是相互对立的关系,当生物体进行输入时,环境必然进行输出,反之亦然。生物体一方面从周围环境摄取物质,另一方面又向环境排放物质,以补偿环境的损失(这里的物质输入与输出,包含着量和质两个指标)。因而,一个稳定的生态系统,其物质的输入与输出总是相平衡的。当输入不足时,会产生生态匮乏,例如一个城市物资供应不足,必然造成生产生活紧张,效率下降;反之,当城市物资供应足够但输出不足,又会导致生态滞留,使环境恶化,生产生活同样受阻。环境资源的有效极限规律任何生态系统中,作为生物生存的各种环境资源,在质量、数量、空间和时间等方面,其供给量和供给速度都有一定的限度,因而生态系统的生物生产通常都有一个大致的上限。也因此,每一生态系统对任何外来干扰都有一定的忍耐极限。所以,采伐森林、捕鱼狩猎等不应超过资源利用的最大可持续产量;保育某一物种时,必须保有足够它生存和繁殖的空间;城市排污时,必须使排污量不超过环境的自净能力等。以上几条生态学的一般规律,是生态平衡的理论基础,也是解决人类当前面临的人口、粮食、能源、资源、环境等五大问题的理论基础。许多科学家认为,解决这五大问题,核心是控制人口的增长,即维持人类自身种群数量的稳定,做到与地球生物圈协调共处,从而实现既满足当前人类需要,又不危及后代子孙生存的可持续发展(sustainabledevelopment)。3城市气候学影响城市气候的因素城市的辐射和日照城市的热量平衡与城市热岛效应城市的风及局部环流城市的降水及水分平衡城市的大气污染及与城市气候的关系城市气候与城市规划和城市建设3.1影响城市气候的因素城市除了受当地纬度、大气环流、海陆位置、地形等区域气候因素的作用外,还受人类(生产与生活)活动中放出热量及水汽的影响,因而形成有别于近郊区和乡村的局地气候。通常我们称之为城市气候城市气候所涉及的范围主要包括三个部分:即城市覆盖层、城市边界层和市尾烟气层城市气候所波及的范围〉城市气候所波及的范围〉在城市高强度的经济活动中,要消耗大量能源。据统计一个百万人口的城市,每天要消耗煤3000t,石油2800t,天然气2700t,同时排放出粉尘约150t,二氧化硫150t,一氧化碳450t,一氧化氮100t。当这些粉尘和有害气体进入空气后,会改变大气的组成成分,影响城市空气的透明度和辐射热能收支,减弱能见度,为云雾提供丰富的凝结核,从多方面影响气候。如果污染物超过大气的自净能力,还会造成城市大气污染。由于城市居民的生活和生产活动,如家庭炉灶、取暖、工厂生产、公共交通、人、畜的新陈代谢和其他各种能源燃烧所排放的热量,使城市比郊区增加了许多额外的热量收入。这种人为的热量在某些中高纬度城市可以接近或超过太阳辐射热量。如在德国的汉堡每天从煤燃烧所产生的热量为167J/cm2,而冬季地面从太阳直接辐射和天空辐射一天中所得到的热量为175J/cm2。在莫斯科,人为热竟超过太阳辐射热的3倍,对城市增温的影响十分显著。此外由于城市供水、排水的方式和农村不同,在燃烧和某些工业生产过程中还产生一定量的“人为水汽”进入大气,致使城市中的水分平衡与农村有明显差异。3.2城市的辐射与日照城市太阳总辐射较乡村少污染物浓度大®直接辐射少®散射辐射多®总辐射少城市下垫面反射率小冬季更是如此.反射率小意味着吸收率高总体说,城市地面吸收的太阳辐射与乡村差别不大城市日照总时数和日照百分率小于乡村1大气污染物多,云雾多,透明度小;2热岛效应所引起的对流云经常出现城市内部日照地区差异明显此为建筑物遮阴所致,主要取决于街道走向,及建筑群高度与街道宽度之比:H/D北墙冬半年完全荫蔽,夏半年一天两次日照,但时间不长;南墙每天一次,但随太阳赤纬增加而减少《》西安(北纬34°)街道可照时间(h)3.3城市的热量平衡与城市热岛效应热量平衡人为热的大量输入:工业生产、家庭炉灶、空调制冷、机动车排放、冬季取暖等下垫面导热率高出乡村3倍,热容量较乡村大1/3倍,因而贮热量大热收入远高于乡村城市热岛效应城市热岛(urbanheatisland)—城市内部气温比周围郊区高的现象，城市气候中最典型的特征之一，无论是在中高纬度或低纬度地区，这一现象均普遍存在。城市热岛效应可以从两个方面来分析：同一时间城市和郊区气温的对比同一城市历史发展过程中气温的前后对比城、郊气温对比DTu-r—热岛强度=同时间同高度(离地1.5m)热岛中心与近郊的气温差值。“城市热岛”矗立在农村较凉的“海洋”之上,国内外均如此:冬季傍晚上海市区比郊外要高2~5°巴黎城中心年均温比郊区高1.7°城市热岛温度剖面示意图〉《》城市发展过程中气温的前后对比随城市化发展,市区呈现出越来越暖的趋势.如东京历史时期气温逐年变化可分三个阶段1920~1942年:气温变化趋势逐年上升(城市发展)1942~1945年:气温变化趋势逐年下降(值第二次世界大战期间,东京城市受到大规模的破坏,城市热岛效应不存在)1945~1967年:气温变化趋势逐年上升(战后城市建设迅速恢复,气温又开始回升)《》日本东京1916~1965年年平均气温的变化城市热岛强度的变化周期性日变化:夜晚强,白昼午间弱年变化:冬秋两季比夏春两季表现更明显,可能归因于冬季城市取暖耗能较多,释放大量人为热量周变化:明显受工休日周期影响,周末弱,周内强《》维也纳城市和郊区气温差值的日变化《》美国两座城市冬季热岛强度DTu-r(℃)的周变化非周期性1）临界风速：风速大则热岛效应小，超过临界风速时则消失2）云量：强热岛大多出现在无云的天气状态下《》北京地区热岛消失的临界风速城市热岛强度的地区差异城市热岛强度与城市的布局形状、城市地形等有密切关系。团块状紧凑布局，城中心增温效应强。条形分散结构，城中心增温效应弱。盆地或凹地，由于风速小，热岛效应特别强，这里不仅抵消了冷空气的下沉作用，反而成为最暖的热岛中心城市规模（面积、人口及其密度等）对热岛强度亦有影响《》城市规模与城乡气温(夜晚)差别的关系城市附近自然景观以及城市内部下垫面性质亦对城市热岛强度起一定作用。无绿化的宽阔街道和广场，到中午时剧烈增温，在夜里又急剧冷却，气温日振幅最大。林荫道和有绿化的广场白昼较凉爽，气温的日振幅较小《》上海市区公园同其附近街道的气温平均差值(℃)3.4城市的风及局部环流城市热岛环流在天气睛朗无云，大范围内气压梯度极小的形势下，由于城市热岛的存在，城市中形成一个低压中心，并出现上升气流。从热岛垂直结构看来，在一定高度范围内，城市低空都比郊区同高度的空气为暖，因此随着市区热空气的不断上升，郊区近地面的空气必然从四面八方流入城市，风向向热岛中心辐合。此时郊区因近地面层空气流失需要补充，于是热岛中心上升的空气又在一定高度上流回到郊区，在郊区下沉，形成一个缓慢的热岛环流(localheatislandcirculation)，又称城市风系。在近地面部分风由郊区向城市辐合,称为乡村风(countrybreeze)。应该指出,向城市中心辐合的乡村风,并不是很稳定的,它往往具有间歇性或脉动性(周期性),即吹一段时间,要停一段时间。此脉动周期约为1.5~2.0h。这种脉动性在夜间特别明显。城市发展对盛行风的影响随着城市的发展，人口增多，建筑物的密度和高度增加，下垫面的粗糙度加大，因而有使城市年平均风速减小的趋势。《》上海历年风速(m/s)城市的平均风速比郊区小。《》上海地区1980年年平均风速示意图城市与郊区风速的差值还因时、因风速而异:一般是白天差值大，晚上小；夏季大，冬季小。城市覆盖层内部风的局地差异从城市整体而言，其平均风速比同高度的开旷郊区小，但在城市覆盖层内部风的局地性差异很大。有些地方风速极微；而在特殊情况下，某些地点其风速亦可大于同时期同高度的郊区。造成城市覆盖层内部风速差异的主要原因是由于街道的走向、宽度、两侧建筑物的高度、形式和朝向不同,当风吹过城市中鳞次栉比、参差不齐的建筑物时,因阻障效应产生不同的升降气流、涡动和绕流等,使风的局地变化复杂化。盛行风遇到不能穿透的建筑物时,在迎风面上一部分气流上升越过屋顶,一部分气流下沉降至地面,另一部分则绕过建筑物的周侧向屋后流去。当盛行风向与街道平行时,由于狭管效应,风速会加大。如果风向与街道成一定角度则风受阻而速度减小。在街道中部风速要比人行道靠近建筑物的部分大些。如果以街道中心的风速算作100%的话,那么在迎风面的人行道风速为90%,背风面的人行道风速只有45%。人行道旁如果种植行道树,树叶茂盛时风速将再减低20%~30%;在公园的浓荫中,风速更会削弱50%上下。3.5城市的湿度、降水及水分平衡城区年均绝对湿度和相对湿度比郊区低欧洲几座城市年平均湿度的城乡差异 维也纳柏林特利尔科隆弗罗茨瓦夫慕尼黑

(20年平均)(14年平均)(2年平均)(3年平均)(9年平均)(4年平均)城乡绝对湿度差(Pa)-20 -20 -50 -40 -50 -25城乡相对湿度差(%) -4 -6 -6 -6 -6 -5.5城区比郊区雾多，能见度低城市多雾的原因，首先是因为人为造成的大气污染，颗粒物质为雾的形成提供了丰富的凝结核。城市中鳞次栉比的建筑物群，增加了下垫面的粗糙度，减少了风速，为雾的形成提供了合适的风速条件。又由于城市热岛环流，郊区农村带来的水汽，使低空辐合上升凝结成雾的机率增大。城市的大雾阻碍交通，使航班停开，增加城市交通事故。大雾阻滞了空气中污染物的稀释与扩散，加重了大气污染。城市雾还减弱了太阳辐射，不利于人类与其它生物的生活。城市的降水与水分平衡1)城市水分收入项比郊区大城市水分收入比郊区大,首先在于城市中的降水量一般比郊区多,一般比郊区多5%~15%。形成城市降水较多的原因有三：第一,城市热岛效应。城市由于有热岛效应,空气层结不稳定,有利于产生热力对流,当城市中水汽充足时(城市中还有一定量的人为水汽和人工管道供应的水分),容易形成对流云和对流性降水。第二,城市阻滞效应。城市因有高高低低的建筑物,其粗糙度比附近郊区平原大。它不仅能引起机械湍流,而且对移动滞缓的降水系统(如静止锋、静止切变、缓进冷锋等)有阻滞效应,使其移动速度减慢,在城区滞留时间加长,因而导致城区的降水强度增大,降水的时间延长。第三,城市凝结核效应。城市因生产和生活强度较大,空气中尘粒及其它微粒比周围地区多,为形成降水提供了丰富的凝结核。2)城市下垫面蒸散量和水分贮存量比郊区小城市由于地面一般经人工铺装,植被覆盖率低,不透水面积大,降雨后雨水滞留地面时间短,地面水分蒸发量及植物蒸腾量均小于郊区。根据在美国东北部一个小流域的观测研究估算:当流域面积的25%为不透水区时,其年蒸腾量要减少19%;若不透水面积增加到50%,年蒸腾量减少38%;不透水面积增大到75%时,则年蒸腾量减少59%城市下垫面善于贮存热量,却不善于贮存水分。这自然是由于城市中建筑物密集,植被覆盖率小,又有人工排水管道,降水后水分渗透并贮存在下垫面中极少的缘故。3)城市径流量比郊区大,峰值出现时间早城市下垫面的水分收入量比郊区多,而向空气的蒸散量和向下垫面内部的渗透贮存量比郊区少,则其径流量必然要比郊区大得多。城市在降雨后,径流量急剧增高,很快出现峰值,然后又迅速降低,其径流曲线非常陡峻,急升急降。郊区径流曲线则平缓得多,其峰值比市区低,出现时间比市区迟,缓升缓降。《》降雨后城市与郊区径流曲线的图式在城市水分平衡中,上述三个特征对于如何规划城市的排水管道,有极重要的意义。3.6城市大气污染与城市气候的关系城市中大气污染物和污染源污染源固定源：燃料燃烧、废物焚化、工业生产流动源：汽车、火车、轮船、飞机等《》自然环境与城市环境比较:城市大气污染源城市大气中的主要污染物分类 成分 烟尘,粉尘碳粒,飞灰,碳酸钙,氧化锌,氧化铝硫化物二氧化硫,三氧化硫,硫酸,硫化氢,硫醇氮化物一氧化氮,二氧化氮,氨等 氧化物臭氧,过氧化物,一氧化碳等 卤化物氯,氟化氢,氯化氢等 有机化合物甲醛,有机酸,焦油,有机卤化物,酮等城市大气污染与气象条件对大气污染物的稀释和扩散作用1风和湍流的影响风对排入大气中的污染物有显著的输送、冲淡、稀释和扩散作用。城市中严重的大气污染现象都出现在风速小的时候,一般在风速£2m/s或<3m/s时《》大气中污染物浓度与风速的关系必须指出,风速与污染浓度的关系是比较复杂的,如其它条件相同,一般呈反比关系。但如果风速剧增,在烟囱的下风方向近地面层反而会出现较高的污染浓度。这是因为烟囱下风方向近地面空气污染浓度不仅与风速有关,也与烟囱的有效高度有关。烟囱的有效高度：烟囱的实体高度与烟气高度之和,也就是烟流中心线完全变成水平时的高度《》烟囱的有效高度烟囱有效高度越高,下风方向地面浓度也越小,但随着风速增大烟气离烟囱口以后的上升高度随之降低,从而使烟囱有效高度也随之降低,这样使地面附近浓度增大。这个效果正好与风速对浓度影响效果相反。所以当风速增大到某一定值时,在烟囱附近的下风方向,就有可能出现最高的地表浓度。特别是当烟气从烟囱口排出的速度小于风速时,烟气就在烟囱背后发生涡流,在附近建筑物影响下,涡流卷入涡旋,急速降落地面。这种现象称为下曳气流(downdraft)《》烟囱附近的下曳气流

(使烟囱附近地面层空气形成高浓度污染)2大气稳定度的影响大气稳定度(g):表示空气是否安于原在的层次,是否易于发生垂直运动,即是否易于发生对流的量度假定有一微团空气受到对流冲击力的作用产生上下移动后,如果该空气微团减速,并有返回原来高度的趋势,这时的气层对于该空气微团而言是稳定的;如果空气微团一离开原位后,就逐渐加速运动,并有远离起始高度的趋势,这时的气层对于该空气微团而言是不稳定的;如果空气微团被推到某一高度后,既不加速也不减速,而是随遇而安,这时的层,对于该空气微团而言,它的稳定度是中性的。大气是否稳定，通常用周围空气的“温度直减率(γ)”与上升空气微团的“干绝热直减率(γd)”的对比来判断干绝热直减率γd是每上升100m温度降低1℃。而周围空气气温随高度变化的直减率γγ>γd:每隔100m高度气温降低很快,空气层处于不稳定状态(不稳定层结)γ<γd:每隔100m高度气温降低很少,甚至随高度而递增,称为“逆温”,空气层处于稳定状态(稳定层结)γ=γd:每隔100m高度刚好是减低1℃,空气层的稳定度处于中性状态(中性层结大气稳定度是影响污染物在大气中扩散的极重要因素当大气层结不稳定时,热力湍流发展旺盛,对流强烈,污染物容易扩散当大气层结稳定时,湍流受到抑制,污染物不易扩散稀释。特别是当有逆温层出现时,通常风力微弱甚或平静无风,低空好象蒙上一个“盖子”,使烟尘聚集地表,造成严重污染从烟囱排出的烟流形状看大气稳定度的影响：全层不稳定(波浪型):晴午后;烟源附近污染全层中性(锥型):风力较大的夜间出现全层稳定(扇型):晴,风小的夜或晨;易污染下层稳定上层不稳定(屋脊型,上扬型):日落后不久出现;地面可免受污染下层不稳定上层稳定(熏烟型,漫烟型):日出后风力微弱时易出现;下风处严重污染对大气污染物的冲洗、凝聚和化学反应影响降水的淋洗作用:雨滴在下降过程中捕获颗粒污染物,从而“清冼大气”雾的凝聚作用:水汽与凝结核结合形成雾滴.高浓度的SO2污染常与浓雾相伴出现光化学反应作用:高温与强光照下易发生,光化学烟雾呈浅蓝色,其化学反应复杂城市大气污染实况1城市大气污染的地区差异不同城市对比雷克雅未克(Reykjavik,冰岛首都):无烟城市,可谓天蓝、地绿、水清、气爽中国城市:属煤烟型污染,北方城市比南方城市更甚,尤其是在冬天我国因能源结构以煤炭为主,因此各大城市大气污染状况基本上类似同一城市内部不同区域大气污染浓度分布不均匀:靠近工业区污染最为严重;靠近市中心的交通和商业区污染次之,也较严重;绿化区稍好些当市内的污染区风速较小,低空又有逆温层存在时,在市区上空往往形成一穹隆形的尘盖。如果风速达到3.5m/s,就会使穹形尘盖破坏,形成鸟羽状尘盖。在强污染源的排放下,如果低空层结稳定,地面风能将城市羽状尘盖向下风方向扩展数百千米<>城市上空的尘盖2城市大气污染的类型及其日变化和年变化伦敦型：大气污染源主要来自工业炉窑和民用炉灶,使用燃料为煤炭类,排出的主要污染物为烟尘、SO2、CO等。在冬季因取暖用的燃料较多,排放的烟尘量大,再加上冬季辐射逆温频率大,湍流弱,烟尘不易扩散,因此大气中烟尘浓度冬季最高,春秋次之,夏季最小。日变化烟尘浓度以早晨8时左右为最大洛杉矶型：大气污染源主要来自汽车等交通工具。污染物为汽车尾气排出的一次污染物NOX、HXCX、CO和铅尘等经光化学变化产生的二次污染物光化学氧化剂PAN。浓度年变化:夏、秋季节(5月~9月)为最浓,冬季最淡。日变化:光化学烟雾只在白天出现,以中午附近为最浓。夜晚无日照,因而不会有污染现象出现。城市大气污染的影响1对城市气候的影响 城市大气污染与整个城市气候是相互影响相互制约的。城市中的风、大气稳定度、天气形势、降水、雾、温度和日照等影响和制约着城市大气污染的浓度及其时空分布；而城市大气污染又反过来影响城市的气候。其中最突出的影响有以下几方面：减少太阳入射辐射和日照时数增加城市烟雾频率、减小能见度改变城市的热状况2 对城市居民健康的危害呼吸道疾病、致癌、心血管、消化道、神经系统、泌尿系统疾病等3对各种物品的腐蚀城市纪念性建筑物(30=500)、艺术品等4酸雨及其危害pH＜5.6；跨地区、跨国界；我国西南严重，以贵州、重庆、四川盆地较集中；北方较轻3.7城市气候与城市规划和城市建设1合理布局减轻居住区的大气污染1914年德国学者Schmaess提出,在考虑城市布局时,工业区应布置在主导风向的下风方向,居住区在其上风方向,以减少居民受工厂烟尘的危害。该原则对欧洲各地比较适用我国在上世纪50年代以来也一直沿用。然而我国属季风气候区,该原则其实并不适用:因为我国冬季风与夏季风一般是风频相当,风向相反的,在冬季属上风方向的区域夏季就会成为下风方向此外,该原则对全年有两个主导风向以及静风频率在50%以上的或各风向频率相当的地区,也都不适用朱瑞兆于1980年根据我国600多个气象台站1月、7月及年的风向频率玫瑰图进行相似形分类,将我国按风向大致划分为4大类型区:季风变化型:中国东半壁多属之,盛行风向随季节变化而转变,冬季风向偏N,夏季偏S主导风向型:一年中不管什么季节都有相同的盛行风向,新疆-内蒙(W),云贵(SW),青藏(W)无主导风向型:全年风向不定,各方位风向频率相当,没有一个较突出的盛行风向,宁夏-甘肃河西走廊-陇东-内蒙阿拉善准静止风型:全年静风频率在50%以上,年平均风速在1.0m/s以下的地区,四川,西双版纳<>城市规划风向分区图(朱瑞兆,1980)季风变化型:中国东半壁多属之,盛行风向随季节变化而转变,冬季风向偏N,夏季偏S例如南昌市,冬季盛行北风,风频27%,加上东北偏北风,风频为52%;夏季盛行西南风,风频为19%,加上西南偏南风,风频为36%,夹角为135°~180°,全年最小风频方向为西北偏西,风频为0.6%,工业企业应布置在这个方向,居住区应在东南偏东方向<>南昌风向频率玫瑰图(于志熙,1992)主导风向型:一年中不管什么季节都有相同的盛行风向,新疆-内蒙(W),云贵(SW),青藏(W)可将排放有害物质的工业企业布置在常年主导风向的下风侧,居住区布置在主导风向上风侧无主导风向型:全年风向不定,各方位风向频率相当(<10%),没有一个较突出的盛行风向,宁夏-甘肃河西走廊-陇东-内蒙阿拉善这类区域在城市规划布局时常用污染系数(烟污系数,卫生防护系数)Cp来表示:式中,CP—某方向污染系数f—某方向风向频率v—该方向平均风速它说明来自某方向的污染程度,与该方向风向频率成正比,与该方向平均风速成反比。可以计算出各风向的污染系数,并绘成玫瑰图。将向大气排放有害物质的工业企业布置在污染系数最小的方位,或最大风速风向的下风方向上。居住区在污染系数最大的方位。准静止风型:全年静风频率在50%以上,年平均风速在1.0m/s以下的地区,四川,西双版纳在规划布局上,必须将向大气排放有害物质的工业企业布置在居住区的卫生防护距离之外。一般说来,在风速不大,大气较稳定和地形较平坦的条件下,污染物质最大着地浓度出现在烟囱烟体上升有效高度10~20倍之间,因此居民区应布在烟囱有效高度20倍距离之外的地区<>考虑风对大气污染影响作用的城镇布局图式上面所指均是对平原地区而言。在地形复杂的山地、海滨或盆地地区,情况较为特殊:在一山地的迎风区,居民区与工厂区的安排按前述原则是适宜的(下页图左边位置);但在背风区(下页图右边位置),虽然居民区位于上风方向,然而因涡流作用,不但山下工厂的烟尘扩散困难,并且还会反卷至山坡,对居民区产生严重的污染,这样的布局显然不妥当<>地形对工厂区布局的影响沿海城市(如日本神户,大阪,横滨,中国的天津等)为了海运方便，往往将工业区设在海滨,生活区放在内地然而由于海滨地区有海陆风的影响，白天工业区的污染物会顺着海风吹向内地生活区,从而造成污染。世界许多沿海城市均有过这样的“经历”，一时成为空气污染防治的难题因而沿海地区城市功能分区应与海岸平行布局<>海滨地区城市功能分区布局图式在山岭环抱的盆地城市,气流不通畅,静风日数多,又因热力作用形成山谷风局地环流,在夜晚山风作用下,极易发生“地形逆温”。这些气象条件对污染物的扩散十分不利,在这种城市中不宜建立可能会严重污染环境的工业区<>谷地昼夜空气环流情况2城市总体规划与日照日照不仅可以杀菌抗病,促使人体生成维生素D,给寒冷的冬季室内增加温暖,而且更重要的是促进人们的精神爽快和精力充沛,对人们的健康状况和工作效率起着有益的作用原则:节约用地,保证建筑物和绿化带有合理日照,在城市总体规划和小区规划中,必须考虑日照的变化规律,根据日照标准,合理确定道路网的方位,宽度,建筑物的朝向,间距及建筑形体,综合考虑通风,采光及调温等,做出合理规划设计建筑日照间距—保证建筑物朝阳面有不过少日照持续时间而留有的建筑物与建筑物间的空地,以间距系数—日照间距与建筑物计算高度的比值,亦称间距比,来表示建筑日照标准—衡量建筑物日照效果的最低限度指标,因地理位置,气候条件,生活习惯,居住卫生要求和节约用地的不同而异.日照间距和日照标准两者之间是相辅相成的关系:标准高,则相应的间距大;间距大则标准高<>室内日照时间指标(吉林省)通常计算建筑日照标准的日子是以最不利的情况即冬至(12月22举例说,如果北京在冬至日日照保证2h,其间距系数为1.89,在大寒日(1月22日)日照保证2h,由此可见,冬至与大寒二者间距系数相差0.25。若以冬至为标准日,比大寒为标准日要少建住宅15m2/100m2,降低了土地利用率。从北京的情况来看,若以大寒日为标准日,间距系数为1.64,冬至日不保证日照的窗户约有7%左右。考虑到日照对机体的生物学效应、土地利用和气候特征等多种因素,综合起来看,北京居住建筑采用大寒日为日照时间的标准日,按日照2h决定间距系数是合理的建筑布局形式对日照的影响在建筑群体间安排通道,不仅有利于交通联系和小区内部通风,还可以大大地改善日照时间<>南北平行两幢住宅楼日照示意<>房屋间缺口安排对街坊内日照的影响高层塔式住宅不仅有加大建筑的南北进深，增加电梯服务户数，减少过道面积等优点，而且在充分保护采光日照条件下，可以大大缩小建筑物间距系数，以达到节约用地的目的。如北京20层60m高塔楼，南北排列距离只30m，冬至日后排每日仍有5h的日照街道走向对日照的影响偏东南或偏西南平行布置的居住建筑，较正南北向布置的居住建筑有利于日照如北京正南北向的建筑，在冬至日后排见不到阳光，若将正南北朝向扭转30°时，可得到日照约5h。这样虽造成夏季的部分东西晒之弊，但在冬半年却能适当改善日照条件，适于高纬度地区如果按间距系数1.8计算冬至日各种不同走向街道中的最多可照时间:<>各种不同走向的街道…..在同样走向的街道中,由于街道相对间距(L/H,L是街道宽度,H是建筑物高度)不同,每天被两侧房屋遮挡太阳光线的时间长短不同,其可照时间也有很大差异。如以北纬32°为例(下页图),随着相对间距的增大,街道可照时间增加。但当相对间距增大到3(即L/H=3)以后趋于平缓,再后就很少增加了。同时街道可照时间夏季比冬季平均多1~2h在城镇街道规划时,应适当考虑这些因素3城市居住区的自然通风城市居住区自然通风,可以排出室内的污浊气体,有利于居住卫生,同时可以降低空气的相对湿度,帮助人体散热和汗液的蒸发,使人感到舒适。在不同的气候条件下,有不同的通风要求。研究建筑物自然通风的物理机制,针对各城市的通风要求,进行建筑设计,充分利用自然通风,少用机械通风,也有助于城市降低消耗,节约能源通风的作用和要求健康通风:新鲜空气与混浊空气相互交换流通,保证室内空气质量维持在健康所允许的最低水平时的通风量舒适通风:温度舒适要求上的通风。在夏季,正常人坐着休息时,舒适的风速为0.23m/s;冬季为0.15m/s.广州地区调查情况如下页表所示:<>室内气候条件对人体舒适感影响的评价<>室内气候条件对人体舒适感影响的评价在冬季潮湿但温度不十分寒冷的城市，其人口密集的居住区，如果没有暖气管设备，那么房屋自然通风的速度要减小，避免室温太低。但因湿度大，特别是厨房、浴室这类房间，相对湿度过大，容易导致水汽凝结，在此情况下，就需要有排湿通风的设备，使室内水汽排出，避免空气过湿发生凝结现象在炎热的城市，则须根据其温度情况对住宅区采取相应的通风速度，以保证居民在室内有比较舒适的温度，并能促进汗水的蒸发。一般在湿热地区，室内风速需要有2m/s左右。在干热地区，白天可关闭一部分门窗，通风速度可适当减小，维持到健康通风的水平之上。在夜晚室内气温和墙面温度比室外高，则需要打开门窗，增加通风速度，以便使室内温度合适。这时室外环境温度已不甚高，只需大约1m/s的风速即可建筑物设计与自然通风：首先应了解当地的风向频率(风玫瑰图),特别要重视夏季的盛行风向和地方风特点夏季通风以夜晚为最重要，如有地方风的日变化时，建筑朝向要重点考虑夜晚风向。与此同时，还要兼顾日照条件，避免东西晒一般参照日照间距来确定适当的通风建筑间距<>房屋间距不同引起风压变化建筑物布局形式对通风的影响南方地区:行列式和自由式通风较好.行列式中又以错列型和斜列型更好一些，房子互相挡风较少，错列型相当于加大了前后幢房子之间的距离，对通风有利；无风时因热压作用产生巷道风：白天巷道(胡同)受太阳辐射较少，升温慢，风从巷道吹出；夜里，巷道散热慢，风从外面吹入.错列式的前、后幢房子的距离可稍为缩小，以节约用地<>建筑群平面形式周边式或四合院式，部分房子的前后都处在负压区，通风不好，而且部分房子又处于东、西朝向，日照条件亦不利，不适宜风小炎热地区北方地区或位于水面附近并常有强风:为了防风，其房屋布置多采用周边式在建筑群的立体布置方面,为使通风好,可以布置成“前低后高”或有规律的“高低错落”的方式。这些布置,房子之间挡风少,不致太影响后面房子的通风,对日照亦有利,同时,也可缩短两幢房子之间的距离,节约用地<>建筑群在立体上的处理4城市土壤与生物群落4.1城市的土壤1城市化对土壤的影响及城市土壤特点城市发展与建设导致形成废墟式土壤这类土壤较利于植物根系伸展，但养分布不均；通气良好，但土体甚为干燥城市道路交通使其两侧土壤性质发生改变瓦砾、砖、砂、混凝土等建筑废料多，pH值高，铅金属含量大，紧实度增加<>城市道路侧旁土壤中及其上生长的植物体内铅含量城市化过程常常导致土壤含水量减少和地下水位降低大部分降水形成地表径流而流失，地下水得不到补偿城市地下设施(地铁/地下停车场等)施工需要排出地下水<>不同地表状况下形成的地表径流占降水量的平均比例2城市环境污染对土壤的影响土壤酸化:酸雨影响的结果垃圾污染:城郊多有发生污水灌溉:造成土壤潮湿或过潮湿、通气性变差，营养元素虽丰富但也富集了有害物质。特别是由于镉和铅的富集，已不再适宜于蔬菜、农作物和其他经济作物生长。此外通过放牧常常还对动物造成毒害综上述，城市土壤具有较高污染物(重金属、有机物等)含量。工业“三废”和城市垃圾、废物是引起土壤污染最重要的物质来源污染物质通过人类向水体排放或引工业污水和生活污水灌溉而进入土壤。此类引起的土壤污染最普遍进入大气，以飘尘、降尘的形式淋洗入土壤废渣、垃圾等固体废物堆放，或作为肥料施用而进入土壤4.2城市生物群落1生境特点生存空间狭窄:群落在条带状或斑块状存在自然光照少,人工光照多:夜间照明导致。24h持续光照,一方面有利于植物生长,另一方面也对植物生长产生间接不利影响:主要体现在植物更易于受到大气污染和早霜的伤害,这一现象被称为光污染小气候：温度高、湿度低、风速小,造成物候期较郊区提前土壤：盐离子浓、紧实度大、质地较粗生境类型表面蒸发蒸腾强烈生境:公园绿地,绿化良好而宽阔的街道,河流湖泊周边,夏季气温较低、湿度较高,冬季较周围区偏冷,适合多种生物生存空旷干燥生境:未绿化的宽阔街道和广场,高温、干旱,不适于耐旱性差植物生存封闭狭窄生境:狭窄的街区、被高大建筑物环绕的小空地;夏季气温低,风速小;冬季暖,小气候条件良好,适合许多生物生存人类活动产生的特殊生境：屋顶(干旱,阳光充足,瓦松生长)建筑物外墙(越老越利于植物生长)路旁(污染严重,改变种间竞争关系,地衣/苔藓生长受抑)铁道侧(热条件好,喜城市植物可沿此分布很远)2城市植物群落的区系特征城市植物—通常指仅限于城市地区出现的植物种类,主要包括以下两类：以建筑群密集地段为最佳生境，在城市以外地带缺失或即使存在，但只选择该地带内有限的特殊生境的种类，这类植物通常被称为喜城市环境种(urbanophileplant),如野大麦(Hordeummurinum),大蒜芥(Sisymbriumaltissimum)等生活的最佳生境局限于城市环境，或者说是受人类活动强烈影响的环境，即城市或乡镇附近,在城市以外地方亦可存在,这类植物被称为城市环境中立种(urbanneutralplant),如大车前(Plantagomajor),黄花柳(Salixcaprea)等那些明显回避城市生境的植物(多为典型的森林植物),即使他们有时也出现在城市地区,但并不能被认为属于城市植物,通常他们被称为厌城市环境种(urbanphobplant)城市植物区系的特征往往只具有一种或少数几种常见植物,这一特点在城市行道树的树种组成中体现最为明显,如悬铃木(Plantanusacerifolia),国槐(sophorajaponica),槭(Acerspp.)等具有较大比例的世界广布种和归化植物(naturalizedplant):有人认为一地的植物区系中,归化植物种类数目占总种类数目的比率(归化率)是表示城市化程度的标志之一影响城市植被的植物区系种类组成的因素首先取决于城市所处地区的自然条件,如在南方城市中所常见的热带植物一般不会出现在北方城市中,反之亦然在很大程度上还受其本身目的或功能的影响，如为了满足遮挡阳光、美化环境之目的，常常选择冠幅大、色彩美的阔叶树；而为了创造迷人的风景，则常常选择树形优美的常绿针叶树种在不同地区和不同国家,还受其文化传统和社会经济等因素的影响如我国许多古老城市的古迹周围常分布着参天古柏或茂林修竹又如在西方国家,低收入阶层居住区的植物群落中,常常只能见到散生的、生活力衰退的老龄土生树;或见到以速生树种为主的人工营造林地。而在高收入阶层居住的区域,则常可见到自然林地的群落片段城市土地利用对植物区系的影响大规模建筑群和不透水地面,是城市中人类利用土地资源的典型形式。就一般而言,这种土地利用形式的强度是从城市中心逐渐向外围减弱的。与之相应,城市植物区系中外来成分所占的比例亦从城市中心向城市外围减少,而非外来成分则沿此方向增多。这一现象很类似于古典城市生态学派的同心圆学说<>柏林四个城市分区中植物区系组成的变化城市土地利用对植物区系的影响,还表现在不同地区的城市,虽位于不同大陆不同气候带,但其植物区系组成具有一定相似性。如德国杜塞尔多夫的植物区系与北京的相似性为10%,与智利首都利马的为7%。而在这些城市所处区域中,由气候和土壤条件所决定的潜在自然植被,在种一级水平上则没有任何相似性。Kunick于1982年对中欧地区九个城市植物区系的比较结果表明,在所有被统计的种类当中,有15%的种为这九个城市所共有。如果仅仅对这些城市中工业用地范围内的植物种类进行统计,则相似性程度可高达50%城市化对植物区系的影响①表现为：乡土植物种类的减少，人布植物的增多②一般认为城市化程度越高，人布植物在植物区系总种数中所占的比例也越大③城市中物种多样性高于同一地区的乡村④对植物的生态习性产生了影响3城市环境下的植物群落城市植物群落的结构特征群落结构简单:水平变化多为均匀结构;垂直分层多为单层或双层结构。如草坪、公园绿地、行道树群落均属此类种类组成单纯并相似:城市植物群落往往是为特定目的如绿化观赏而营造的,而观赏价值,在世界各地人们心目中有其共通之处城市植物群落中植物种的生态学特征对光、温度、大陆性和土壤反应的平均指示值明显向高值区移动,而对湿度和氮素营养的指示值倾向于向低值区移动中生植物居多,但大多数具有旱生植物特点,绝少有湿生植物具有较高比例的常绿植物耐践踏、竞争力较强、种子易于广泛散布城市植被1、城市植被的特点所谓“植被”是地面上生长着的植物的总称是由许多植物群落所组成的。城市植被包括城市内一切自然生长的和人工栽培的各种植被类型。其特点是：①覆盖率低②群落类型发生了变化，多成孤岛状分布，总的特征是自然群落比例少，人工、半人工群落的比例增加。2、城市植被的作用⑴改善气候①调节气温②增加空气中的湿度③对风速的影响⑵净化空气①光合作用吸收CO2释放O2②还能吸收一定数量的污染物质⑶降低噪声⑷防灾减害⑸保健卫生⑹有利于心理健康⑺观赏游憩植物对城市环境的指示意义植物指示环境的作用：即利用植物生长、发育、分布等变化推测环境质量的状况。①城市中植物物候期的差异可用来进行环境的分区②根据植物的受害情况（外部情态特征），判断环境质量。植物受害情况有：A质的方面B量的方面③分析城市内不同地点同种植物体内某种物质含量，可以对环境进行分级。4城市环境下动物区系的变化(Numata,1978)鸟的种类呈减少趋势：如东京自然园内的鸟类从58年的16种减少到77年的8种因而以鸟类为天敌的害虫得以大量繁殖，从而危害到城市树木的生长不休眠的赤家蚊的生态型地下家蚊（赤家蚊的生理性变种）逐渐扩展鼠类发生变化：沟鼠正在排挤熊鼠--沟鼠以地下市街为居住场所，随着地下建筑的建成与发展，沟鼠在那里不断大量繁殖鱼的种类组成发生变化：喜欢清水的鱼类由于河水污染而已经消失，代之而来的是繁殖量很大的鲤科小鱼如白票子等5城市生态系统5.1城市生态系统的特点城市生态系统的概念城市是城市居民与其周围环境相互作用形成的网络,是人类生产和生活活动集中的较大场所,是人类在改造和适应自然环境的基础上建立起来的特殊空间地域综合体该空间地域综合体是自然实体和社会,、经济和科学文化实体的有机统一:占有一定空间,有包括人类在内的生物和非生物组成等要素要素间存在物质—能量代谢、生物地球化学循环以及物质供应(输入)和废物处理(输出)要素间相互作用构成有内在联系的统一整体因而可将城市看成是一个(马世俊等,1984)：自然—经济—社会复合生态系统—SENCE,i.e.,Social-Economic-NaturalComplexEcosystem在这个复合生态系统中:各种自然及物理组分是城市赖以生存的基础各个部门的经济活动和代谢过程是城市生存发展的活力和命脉每个人的社会行为及文化观念是城市演替与进化的动力泵严格地讲,城市只是人口集中居住的地方,是当地自然环境的一部分,并非一个完整的、自我稳定的、典型的生态系统:1)城市所需的物质和能量大都来自周围其它生态系统,城市之状况如何往往取决于外部条件2)城市同时也具有生态系统的某些特征,如组成城市的生物成分,除人类外,还有植物,动物和微生物;能够进行初级生产和次级生产;具有物质循环和能量流动等功能上述类似或不似典型生态系统的方面,因人类的参与而发生大小不等的变化。然而不管怎样,城市与其周围的自然和人工生态系统间存在着各种联系,彼此间相互影响,相互作用。因此将城市看作一个生态系统,研究其物质和能量的高效利用,社会与自然的协调发展,系统内部的动态调控,不仅有益于城市本身的规划与管理,也有利于处理和协调城市与其周围地区的关系,从而达到整个区域的可持续发展城市生态系统的组成自然系统:居民赖以生存的基本物质环境,如阳光、空气、雨露、植被、土壤、动物等自然景观要素经济系统:生产、分配、流通与消费的各个环节,包括工业、农业、交通、运输、贸易、金融、建筑、通讯、科技等社会系统:物质生活与精神生活诸方面,如衣、食、住、旅、医等和人们的心理状态,以及文化、艺术、宗教、法律等上层建筑城市生态系统的结构空间结构:土地利用的空间排布形式社会结构:包括人口结构®劳动力结构®智力结构劳动力~—劳动人口中不同职业劳动力所占比例,反映城市的经济特点和主要职能智力~—具有一定专业知识和技能的劳动力部分,能反映城市的文化水平和现代化程度,并往往决定着城市的经济发展前景营养结构:为一特殊的倒三角形(见下页图)在城市生态系统的结构研究中,最能反映系统内部运动规律的关键因素有:城市人口变动城市经济活动城市土地利用—对之研究尤其重要,因为它是人类社会经济活动规模与水平的综合反映,是城市空间结构状况的实际反映城市生态系统的特点城市生态系统是以人为主体的生态系统身兼数任:生产者、消费者、主宰者城市生态系统是容量大、流量大、密度高、运转快、高度开放的系统城市生态系统是人类自我驯化的系统城市生态系统是多层次的复杂系统上述城市生态系统特点表明:与周围其它生态系统高速而大量的能流和物流交换,主要并必须靠人类活动来进行协调,使之趋于相对平衡,从而最大限度地完善城市生产和生活环境,满足城市生产和居民生活的需要正是由于城市生态系统的这种非独立性(对其它生态系统的依赖性),使城市生态系统显得特别脆弱,传统生态意义上的自我调节能力极小5.2城市生态系统的功能组织社会生产,方便居民生活1城市生态系统的能量流能量流动的基本过程原生®次生®有用®最终自然界®加工转化,便于输送或贮存®做功利用®转移至产品中或投入到使用中《》生态系统中的能量流与物质流特征的关系比较《》城市生态系统能流的基本过程能量流动的性质1)遵循热力学第一、第二定律,在流动中不断有损耗,不能构成循环(单向性);2)能流的特点体现在物质流中:除部分热损耗由辐射传输外,其余的能量均由物质携带。但是能量在流过每一个能级时,并不服从所谓的“百分之十律”(10%law)城市能源的利用率和利用形式直接影响着城市的污染状况,但城市能源利用政策既不能走所谓“多多亦善”论的道路,也不必刻求“零增长”论的效果“多多亦善”论—发展城乡经济必须相应增加体外能量投入,愈多愈好,形成所谓规模效应“零增长”论—能量消耗的指数增长已造成严重生态破坏,决不能再持续下去,否则会导致人类的毁灭,故必须把能量消耗严格限制在现有水平Comments:两者均过于极端化,其实在这两者之间有一条更合理的道路:加快能源结构改造,积极开发无污染和商业价值更大的新能源,开发并合理利用能够提高能效的新技术这样,人类就有可能在不是无限增加人均能量消耗的情况下,仍然保持社会经济的持续增长,使人类的生活水平逐步得到提高,生活质量得到不断改善2城市生态系统的物质流可从资源货物流、人口流等方面分析:人口流:城市人口在时间与空间上的变化常住人口流:出生/死亡迁入/迁出规则或不规则的市内流动:合理的城市布局可以使居民的上下班时间缩短,也会使居民生活感到方便《》西安市城区道路网示意图流动人口流:旅游、探亲、过境、出差、经商、做生意,和“打工族”—8000万(1993年)流动人口同样参与城市的物流与能流,消耗的物质与能量常常超过常住人口的水平,从而大大加剧城市环境污染和交通拥挤。据桂林市调查,外国游客比本市居民排放的生活污水多6.8倍,生活垃圾多9.8倍,废气多8倍。国内游客比本市居民排放的生活污水多2倍,生活垃圾多2.5倍,废气多2倍……资源货物流:包括资源流(如水流)和货物流等资源货物流不仅仅是简单的输入与输出,还包括其中的开发、生产(形态与功能的转变)、交换、分配、消耗、累积、及废物排放等物质在系统中所经过的一切过程货物流程(见下页图)《》城市生态系统中的货物流示意《》唐山市物质流动估算(1981~1983年平均)不同规模、不同性质的城市,其物质输入、输出的规模、性质、代谢水平不同:如工业城市输入以原材料、能源资源为主,输出以加工产品为主;风景旅游城市输入以消费品为主,输出以废弃物垃圾为主城市物质流的输入输出收支平衡非常重要:凡输入近等于或略大于输出的城市,其规模和内部积蓄量变动较小,维持着相对的动态平衡;输入比输出大得多的城市是发展型的城市;输入比输出小得多的城市,是整体已开始衰落的城市城市的物流运转,消纳,输入与输出可看做城市的物质代谢。研究城市物质代谢的重点:物质的来源、利用、分配、管理废物的排放、扩散、处理、再生城市的负载能力、环境容量污染物质的流动规律及对人和物理环境的影响等问题3城市生态系统的信息流:信息(information,message)—就是指消息,是对某一事物不确定性的度量,或者说指对某事物知道和了解的程度。一个事物越复杂,它其中所包含的信息就越多,要想了解该事物,就需要掌握更多的信息。信息虽无形,但却有价信息具有三个作用:传递知识:通过发布消息、宣传广播、输出数据、图象、指令、信号等,可以传递和散播知识,把知识变成生产力传递情报:战争时代的军事情报,和平时代的政治、经济和科技情报,都要依靠灵通的信息传递。掌握了情报,往往就会在竞争中居于有利地位节省时间提高效率:信息出时间,出效率。据国外资料报道,交通部门采用调度通讯,可使运输能力提高50%以上;基建部门利用电信指挥,可以提高劳动生产率15%以上。日本有人计算,靠电话及电报传真进行业务联系,可节约交通能源60%城市的信息功能(反映城市的现代化程度):具有完善的新闻传播网络系统,可在广阔范围内高速、高容、及时传播信息具有现代化的通信基础设施,能以信息系统连接生产、交换、分配和消费的各个领域和环节,高效组织社会生产和生活输入分散的无序信息,输出经加工浓缩的有序信息。对于政治、文化、科学、商业中心城市,这一功能尤其重要:输出精神产品5.3城市生态系统的平衡与调控1城市生态系统的平衡—城市自然—社会—经济复合生态系统在动态发展过程中,自身保持相对稳定有序的一种状态:人类与自然环境间相互协调各个组成部分比例结构合理系统的输入与输出均衡,功能得到正常发挥各经济部门有计划按比例发展社会安定,人民安居乐业从定义出发,可以想像,城市生态系统的平衡与自然生态系统的平衡间最大的不同点在于:前者是在人类有意识的参与和调控下才能达到。这是因为城市不能自给自足,需要周围腹地支持供养城市为高度开放系统,与自然有物能交流,资源来自自然,向自然排放污染物,发展最终决定于自然容量内部组分之间关系错综复杂2城市生态系统平衡的标志1)城市生存发展的基础资源环境(水,土地)土地资源前已述及,我国城市与世界其他国家城市相比,人均用地面积偏小。就本国来说,也有差异:我国不同规模城市人均占地情况:>考虑到我国人口众多的特点,大城市的用地按104人/km2或1人/100m2的标准来规划,比较实际,也比较合理。据此,我国制定了城市发展的基本方针:控制大城市规模合理发展中等城市积极发展小城市大城市拥有雄厚的物质条件和技术优势,专业门类齐全,协作条件好;并具有科学文化发达,交通便利等优势,因此经济效益较高然而城市规模过大,将会受到供水、能源、交通、环境等许多因素的限制,当规模超过一定限度时,城市各部门就会运转不灵,效率下降城市规模的控制,主要是人口和土地利用规模的控制按照我国目前的经济和技术发展水平,城市的最佳规模以不超过50万人口为宜,占地约50km2,城市直径为7~8km,职工上下班交通,无论是骑自行车,还是乘公交车,耗时一般不超过半小时。若人口再增加,占地面积势必过大,不仅需加密交通网,污染问题也会变得严重如果城市面积过小,公共设施不易完善,企业之间难以协作,投资建设的经济效益比较低,城市本身的发展亦受到限制城市土地作为各项工程建设的基础,对其质量一般有以下几点要求:地形较平坦,一般情况下坡度应小于10°;具有一定的承载力,通常不小于1000g/cm2或100kg/m2;不易受洪水淹没,排水较畅通,地下水埋深应大于1m淡水资源淡水是城市居民生活和城市生产不可缺少的重要资源,水既是生活必需品,又是原材料,还是传递物质和能量的载体。如洗涤用水是污染物的载体,发电和冶金用冷却水是余热(能量)的载体。每发1000kW·h电、炼1t钢、造1t纸,大约都需要200t水一座百万人口的城市,仅就生活用水而言,若按人均用水300L/d计算,100万人每年需要至少1´108t水我国大城市人均用水明显低于世界发达国家<>世界几个主要城市的居民生活用水量(1980’s)我国是水资源并不丰富的国家,淡水资源的人均拥有量仅为世界的四分之一,北方城市缺水是普遍现象。许多北方和沿海城市,水源不足已成为限制城市发展的重要因素。为此,在城市规划、建设和管理过程中,必须周密地考虑城市人口与淡水资源之间的平衡,合理分配生产用水和生活用水,并要注意节约用水解决城市水资源缺乏的关键药方是什么?合理制定水价2)城市容量城市容量—在一定自然背景基础、生产力技术水平和生产条件下,城市所能供养的人口数量对于一个未城市化的原始地区,其人口容量主要取决于自然条件,人口容量相对很小。随着人类社会和经济的发展,劳动生产率不断提高,人类改造自然的能力逐渐增强,人口容量随之增强由此可见,城市容量一般与下列因素密切相关:城市所在地区的自然条件:不同的自然条件下所能提供的水、土资源和对污染物的自净消纳能力不同,限制着城市人口规模的发展城市的技术经济发展水平:城市能容纳的劳动力数量一般随城市的经济发展而增大;城市生态环境可通过追加资金投入和加强管理得到改善,从而使城市的容量得以扩大一般认为,城市容量主要分成以下三个方面：城市生产发展人口容量:城市容纳劳动力人口的最大数量城市生活条件人口容量:住房、市内交通、供水、供电、商业网点、学校、医院、文化娱乐设施等综合起来能够容纳的人口数量城市生态环境的人口容量:城市提供物质、能量和消纳、处理生活及工业垃圾的能力3)城市生态平衡的标志就是城市生态系统的高度有序:生态协调,经济发展,社会安定。表现为城市三个效益达到最佳,城市各子系统间协调有序,比例适当:居民消费需求、经济发展需求与自然环境自我补偿能力之间的平衡人口数量与城市基础设施的平衡生产发展与生活消费之间的平衡城市生活质量不断提高城市生活质量不同于城市生活水平的概念,生活水平多以货币和实物的数量来反映。生活水平是生活质量的基础,但是单纯的、丰富的物质生活享受并不能全面反映生活质量的提高生活质量还包括以心理上的满足与满意程度为准则的感觉评价城市生活质量的(8字)目标:舒适:生活、居住、工作、休息的满足与满意方便:居民的各种生理和心理需要在时间和空间上得到合理分配的水平和质量和谐:物质、精神、社会政治生活之间的有序,人与人(社会)、人与物(自然)之间的融洽;城市结构与功能,自然与人文景观美之间的和谐康乐：居民心理和生理上的健康发展,涉及医疗保健、文化享受、旅游休憩和社会安全感等衡量生活质量的指标可以参照如下表达式:Ii—对某一生活领域i的满意指数P—因素的实际状态S—因素的期望状态Wi—权重生活质量的表达式可由下式得出:1,2,…,n为生活领域的维数衡量生活质量也可以用生态环境适宜度来表示生态环境适宜度—城市生态环境为人类的生存和延续所提供的各种条件与人类对这些条件需求之比的总合。这些条件包括人口密度指数、人类活动强度指数、物质生活指数、居住指数、教育服务指数、医疗服务指数、交通便利指数、环境污染指数、安全指数等如这些单项因素的适宜度用S1(t),S2(t),…,Sn(t)表示,则有n维矢量显然,各种因素对人类生存和延续所产生的影响是不同的,即权重不一样,由此定义适宜度指数