摘要:

基于生态热力学的城市系统结构的研究是实现城市生态规划和环境管理等实际工作优化与决策的关键理论问题之一.基于生态热力学(火用)流核算方法,建立大连市生态网络模型,通过路径分析探讨了代谢长度与代谢路径数量、连通性的变化关系,确定了城市代谢系统的基本营养结构,以及各组分间的作用途径；利用网络有效利用矩阵中正负号分布、数量比值,确定了城市代谢系统各组分间的作用方式、共生状况,最后揭示出固有网络结构中复杂的生态关系.结果表明:大连是具有一个高度竞争性的部门共生体,而且随着代谢长度的增加,城市代谢系统中各组分间的作用途径更为多样,代谢路径数量、连通性不断提高.该研究可为政策制定者确定如何在现有的经济基础上,避免支付高额生态成本和重复发达国家城市建设中的末端控制模式,推动社会系统的生态化转型实践,促进城市的健康发展.

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城市代谢过程研究是实现城市生态规划和环境管理等实际工作优化与决策的关键理论问题之一.核算了1999-2006年北京代谢过程中能值通量和强度,并依照Eco-Indictor 99的划分标准,结合自然系统对污染物的自净化及污染对经济系统和生态系统的损害程度测度方法(DALY法和PDF法),从城市代谢生产过程和消费过程研究城市代谢对人群健康和自然生态系统的影响,结果表明:(1)北京城市代谢过程大部分依赖于外部购买的不可更新资源的消耗;(2)外部购买的不可更新资源主要依赖于它省的资源供给,对国外资源利用很少,说明北京是一个本国资源依赖性的城市,而且这种依赖程度在不断增长;(3)当前过快的城市代谢过程主要由固定资产建设所拉动,随着北京基础建设程度放缓,这种高依赖性的代谢模式会的到一定的改变;(4)在考虑生态损失的情况下其可持续发展水平有5％的下降.该研究克服传统外在预警式评价方法的局限,综合评价城市生态系统内在代谢过程及代谢水平,为城市生态规划和环境管理提供更为有效的优化与决策依据.

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作为一个以人类活动为中心的社会-经济-自然复合生态系统,城市所遵循的高投入、低产出、高污染的粗放型发展模式导致了严重的结构性隐患与环境问题.基于生物物理的视角考虑,城市生态环境问题的出现,与城市代谢不良密切相关.当前对城市代谢的研究视角多基于污染物排放和资源消费,需要一种热力学的全新视角从整体角度来重新诠释可持续发展.开发了一种基于能值分析方法的城市代谢过程研究框架,首先对城市的可持续发展进行热力学解析,其次针对现有能值方法的局限,结合自然系统对污染物的自净化及污染对经济系统和生态系统的损害程度测度方法,从水体污染、大气污染和固体废物研究城市代谢对人群健康和自然生态系统的影响.研究有利于解决城市代谢不良的影响因子识别问题和代谢系统综合评价问题,使政策制定者建立以生态为本的城市观,推动社会系统的生态化转型实践,力求突破当前城市发展的瓶颈,促进城市的可持续发展.

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改革开放以来我国的城市化率急速提高,城市住区形态变迁呈现出大规模、翻新频率快和多样化的特点.研究不同城市住区形态变迁前后的代谢效率变化,对我国的可持续人居环境构建有着重大的意义.运用功能分类法设计了城市代谢系统分类框架作为构建城市代谢系统动力学模型的基础,继而通过对住区与住区形态的文献调研与形态分析,将典型住区类型分为旧式住区、传统单位住区、普通商品房住区、新式商品房住区与半城市化住区.选择厦门市为研究区域,采用调查问卷进行了数据收集,并用能值分析法计算出不同住区类型的代谢效率,随后用Vensim软件构建了住区形态变迁对城市代谢效率影响的系统动力学模型.通过情景模拟后发现:住区形态的更迭过程基本上都会带来福利效率的提升,但在很多情况下会给城市整体物质代谢效率带来负面影响,交通效率与住房效率的下滑是最主要的原因.旧式住区向半城市化住区转变是仅有一个城市整体物质代谢效率提高的情景.半城市化住区和普通商品房住区向新式商品房住区转变的情景下,城市整体物质代谢效率的下降幅度与福利效率的增长幅度都较为适中.

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基于元素流分析原理,将食物源碳氮磷3种元素在城市系统中的代谢特征进行耦合分析,追踪以“食物消费”、“废物处置”、“人体代谢”为主要环节的食物碳氮磷代谢过程,发掘其中共同的代谢环节,明晰3种元素代谢路径、代谢通量及其影响因素的差异,并对厦门市1991-2010年食物源碳氮磷城市代谢进行案例分析.结果表明,食物源碳氮磷城市代谢中通量最大的代谢路径是“食物—食物摄入—人体粪尿—未还田粪尿—污水处理—污泥—污泥填埋—土壤”;食物源碳氮磷城市代谢主要引起土壤和水体的环境负荷加重;厨余垃圾中碳氮磷占食物源的比例分别为13.7％、32.2％、70.3％,在整个代谢过程中具有最大的减量管理潜力.提出优化代谢过程、减少碳氮磷环境负荷的若干对策建议,包括增大食物的有效食用比例、资源化利用污泥和厨余垃圾等.

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随着城市发展面临的生态问题日益显著,部分研究者试图通过对自然生态系统进行类比来寻求解决途径,城市代谢理论应运而生.当以系统科学来研究城市生态系统时,哲学思想的引入为探索和城市及城市代谢的内涵提供了最原始的桥梁.因此,在介绍城市代谢内涵与研究进展的基础上,融合产业、家庭、社会等多尺度代谢理论,对城市代谢的边界进行扩展,将其分为狭义与广义两类,结合亚里士多德的“四因说”对其质料因(组分)、形式因(结构)、动力因(驱动力)和目的因(功能)进行识别分析,据此将城市代谢研究方法归纳为质料、形式和混合研究方法三类,并提出未来研究的主要动向和解决手段.城市代谢“四因图”可为相关研究者提供参考.

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城市代谢是导致城市发展、能量生产和废物排放的社会、经济和技术过程的总和.生活垃圾管理系统是一类典型的、具备社会、经济、自然要素的复杂系统,它不仅同管理体制、技术水平和居民素质有关,也贯穿生产、消费、流通、还原过程,更和水体、土壤、大气、生物、矿产等自然环境紧密联系.综述了近年来基于城市生态系统代谢思路,在生活垃圾碳、重金属、营养元素和能量的城市代谢等方面的研究进展,分析了未来该领域研究需重点关注的方向.生活垃圾在城市生态系统中的能量流动、物质循环、代谢效率等方面的研究,可为生活垃圾管理系统的评价、规划、工程、管理研究提供科学基础.

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运用物质流分析法,以龙岩市为例,分析了1985-2010年城市食物磷代谢的变化,估算了食物磷足迹.研究表明,龙岩市总磷输入和总磷输出都有明显的增长(总磷输入从4110 t增加到12102 t,总磷输出从3855 t增加到11315 t);总磷足迹从6482t增加到20473 t,直接磷足迹的比例从53％下降到42％;而间接磷足迹的增速明显高于直接磷足迹;龙岩市在城市尺度上是重要的磷汇,在流域尺度上则是重要的磷源.磷足迹的研究有助于全面理解和评估城市磷代谢的特征;将磷足迹与磷流动分析结合,对我国磷资源和区域磷素管理调控具有指导意义.

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城市代谢是城市可持续发展研究的重要部分，其有序运行为城市发展与居民生活提供重要保障，代谢效率的提高有助于缓解资源利用与环境保护间的矛盾。通过分析国内外近30年的城市代谢效率的研究进展，整合代谢效率研究热点选取综合效率评估所需指标，并以深圳市为案例研究，结合数据包络分析(DEA)模型对城市物质代谢综合效率进行评估。结果表明：(1)近30年城市代谢研究处于蓬勃发展阶段，中国在相关研究领域中的影响力凸显，而城市代谢效率研究主要关注能源、水资源、碳氮元素及耐用物质(主要为建筑材料)等要素及其环境效应；(2)基于上述要素对深圳城市代谢的综合效率进行评估，其综合效率在2005-2017年间呈波动状态，多数年份城市代谢过程取得了高效运行(效率值大于1)，但仍存低效年份，包括2006(0.96)、2007(0.76)、2011(0.85)和2013(0.97)年，研究期间综合效率提高不明显。在资源投入与效益产出方面，深圳市在水资源利用效率方面需进一步提高；在当前资源消耗水平下经济效益仍有提高潜力；在减少碳氮元素的环境排放及建筑垃圾产生的效率方面有一定程度的提高。(3)通过城市代谢效率研究的热点识别，可明晰目前城市代谢综合效率评估所需涵盖的要素，由此建立评估体系可用于综合效率评估的实践，通过案例分析研究其反映城市资源利用效率动态的可行性，以期为城市可持续发展评估提供科学参考。

摘要:

地面建筑物的累积与更新是城市化过程的结果与显性特征之一.城市建筑系统在不同层面上与外部环境系统进行着物质能量交换,对这种交互产生的资源压力与环境胁迫的关注,使其成为城市代谢研究领域中的热点问题.系统分析与模拟城市建筑物流量-存量的动态变化过程及其资源环境响应,对于揭示城市建筑系统代谢机理,提高城市总体规划精准性、强化资源系统韧性管理、提升废弃物处置效率等宏观战略具有重要意义.以北京市为例,基于Stella建模平台,构建了城市居民住宅建筑系统流量-存量的动态模拟模型,定量模拟了不同管理情景下钢材需求量与建筑拆除垃圾产生量的变化区间.结果表明:(1)基准情景下,北京住宅建筑新建流量前期增速较快,2005年达到峰值3024.1万m2,而拆除流量约于2057年达到峰值,拆除面积为2073.14万m2;城市住宅建筑存量最高值出现在2075年左右,面积为7.51亿m2;(2)与基准情景相比,如果人均住宅建筑面积提高到45 m2,从现在到模拟期结束(2019-2100)将增加钢铁需求量3251.65万t;而如果延长住宅建筑寿命至设计值,同期可减少钢铁需求量3022.9万t;(3)基准情景、大面积情景以及长寿命情景下,北京市城镇住宅建筑拆除垃圾峰值产生量分别为0.29亿t、0.39亿t、0.20亿t,政府管理部门应采取有针对性的应对措施,提前做出综合利用和处理处置方案.