（环境科学专业论文）环境规划的尺度问题研究.pdf

中山大学环境科学硕士论文环境规划的尺度问题研究 t i t l e ：s c a l ei s s u e ss t u d yo ft h ee n v i r o n m e n t a lp l a n n i n g m a j o r ： e n v i r o n m e n t a ls c i e n c e n a m e ：x uc a i m e i s u p e r v i s o r ：p r o f c h e nb i n g l u a b s t r a c t e n v i r o n m e n t a l p l a n n i n g i sd e f i n e da st h e i d i o g r a p h i ca r r a n g e m e n t o f e n v i r o n m e n t a ld e c i s i o n - m a k i n gi n t e m p o r a la n ds p a t i a ls c a l e t h ep a p e rp u t s e m p h a s i so nt h es o r t so fe n v i r o n m e n t a lp l a n n i n gi nt h et e m p o r a la n ds p a t i a ls c a l e ，t h e c o n f l i c ta n dh a r m o n i z a t i o nb o t hi i la l lk i n d so fs c a l e sa n di nt h e i rb o w e l s t h ee n v i r o n m e n t a lp l a n n 啦i ss e p a r a t e di n t ol o n g t e r me n v i r o n m e n t a lp l a n n i n g , m e d i u m - t e r me n v i r o n m e n t a lp l a n n i n ga n ds h o r t - t e r me n v i r o n m e n t a lp l a n n i n gi nt h e t e m p o r a ls c a l e ；a n dl a r g es c a l ee n v i r o n m e n t a lp l a n n i n g , m e s o s c a l ee n v i r o n m e n t a l p l a n n i n ga n ds m a l ls c a l ee n v i r o n m e n t a lp l a n n i n gi nt h es p a t i a ls c a l ea c c o r d i n gt ot h e s p a t i a lh e t e r o g e n e i t yt h e o r y t h el a r g es c a l ee n v i r o n m e n t a lp l a n n i n gi n c l u d e sn a t i o n a l , p r o v i n c i a l ，d r a i n a g ea r e aa n db i gt e r r i t o r i a l ( w h i c hc o r r e s p o n d st oo ri sg r e a t e rt h a na p r o v i n c e ) e n v i r o n m e n t a lp l a n n i n g ；t h em e s o s c a l ee n v i r o n m e n t a lp l a n n i n gi n c l u d e sa s m a l l e ra r e a ( w h i c hi ss m a l l e rt h a nap r o v i n c e ) a n du r b a ne n v i r o n m e n t a lp l a n n i n g ；t h e s m a l ls c a l ee n v i r o n m e n t a lp l a n n i n gi n c l u d e saw i d ep l a c ei nt h er o a de n v i r o n m e n t a l p l a n n i n g a n di n d u s t r i a le s t a t ee n v i r o n m e n t a lp l a n n i n ga n ds oo n a n de v e r y e n v i r o n m e n t a lp l a n n i n gc a nh es e p a r a t e di n t om a n yt y p e so fe n v i r o n m e n t a lp l a n n i n g ， t h e nt h e s et y p e so fe n v i r o n m e n t a lp l a n n i n gf o r mas e r i e so fg r a d u a l l yp a r t i c u l a r p l a n n i n gs y s t e m s t h e r ea r en o to n l yd i f f e r e n c e sb u ta l s oc o n s a n g u i n e o u sr e l a t i o ni n e v e r y l e v e l t h ed i f f e r e n c e ss h o u l db ec o n s i d e r e di nd i f f e r e n tz o n e s ，a n d c h a r a c t e r i s t i c ss h o u l db ei n c a r n a t e d i nag e n e r a lw a y , h i g h e r - l e v e lp l a n n i n gi st h eg i s t a n ds y n t h e s i so fl o w e r - l e v e lp l a n n i n g ，a n dt h el o w e r - l e v e lp l a n n i n gi st h ec o n d i t i o n 中山大学环境科学硕士论文 环境规划的尺度问题研究 a n dd e c o m p o s a b i l i t yo ft h e h i g h e r l e v e lp l a n n i n g ，s ow em u s tc o n s i d e rt h e i r r e l a t i o n s h i pa n dk c 印b a l a n c ea m o n g t h e s ee n v i r o n m e n t a lp l a n n i n g , i no r d e rt or e a l i z e u n i t a r yc o n s i s t e n c ea n dh a r m o n y a c c o r d i n gt oc o n f l i c tt h e o r ya n dh a r m o n i o u sd e v e l o p i n gt h e o r y ，t h ep a p e r m a i n l yd i s c u s s e st h ec o n f l i c t sw h i c hl i ei ne v e r ye n v i r o n m e n t a lp l a n n i n gf l o mt h e h a r m o n yo ft h ec o m p i l i n g ，o b j e c t i v e ，i n d e x ，c n v k o n m e m a lf u n c t i o nz o n e sa n dp u b l i c e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nf a c i l i t i e so ft h e s ee n v i r o n m e n t a lp l a n n i n g ，a n a l y z e st h e c o n f l i c t sb a s e do nt h ed o m e s t i ce n v i r o n m e n t a lp l a n n i n g ，a n dd i s c u s s e st h er e s o l u t i o n i np r a c t i c e a n dt h ep a p e rb r i n g sf o r w a r ds o m ea d v i c e ，s u c ha sc o n s i d e r i n gt h e i n t e g r i t yo ft h ee n v i r o n m e n t a lp l a n n i n g ，s t r e n g t h e n i n gt h eu s ea n db u i l d i n go ft h e i n f o r m a t i o ns y s t e m s ，r e i n f o r c i n gt h eh a r m o n yw i t hc i r c u m j a c e n tc o n d i t i o n , t o n i n gu p t h ed i a p h a n e i t yo f t h ee n v i r o n m e n t a lp l a n n i n g ，a n de n h a n c i n gt h ep u b l i cp a r t i c i p a t i o n t h es t u d yo fs c a l ei s s u e si nt h ee n v i r o n m e n t a lp l a n n i n g , c o n f l i c ta n dt h e h a r m o n yp r o v i d e si m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lb e n e f i tt ot h ed e v e l o p m e n to f t h ee n v i r o n m e n t a lp l a n n i n g k e y w o r d s ；e n v i r o n m e n t a lp l a n n i n g ；s c a l ei s s u e s ；c o n f l i c t ；p l a no b j e c t i v e ；p l a ni n d e x ； e n v i r o n m e n t a lf u n c t i o nz o n e s ；h a r m o n i z a t i o n 中山大学环境科学硕士论文 环境规划的尺度问题研究 1 1 环境规划概述 第1 章绪论 在环境规划学中环境规划是指为使环境与社会经济协调发展，把“社会 一经济一环境”作为一个复合生态系统，依据社会经济规律、生态规律和地学原 理，对其发展变化趋势进行研究，并对自身活动和环境所做的在时间和空间上的 合理安排【”。它是国民经济和社会发展的有机组成部分，是实行环境目标管理的 基本依据，是规划管理者对一定时期内的环境保护目标和措旌所做的具体安排， 是一种带有指令性的环境保护方案，其目的是在发展经济的同时保护环境，使经 济与社会协调发展，实行环境可持续发展。 根据可持续发展理论，环境规划是“保持可持续发展的宏观调控措施”。从 可持续发展的角度来看，环境资源是稀缺的、环境的纳污能力是有限的，环境质 量以及自然环境为人类提供服务功效，它为每个人提供了维持生命、身体健康和 保障生活质量所必需的条件。因此，一定的环境质量和一定的自然资源，是服务 人类健康和福利的基础，同时也为经济过程提供所需的投入，是保障经济持续发 展的基础【2 1 。因而环境规划就可以理解为调整人类行为的决策安排( 行政、法律、 经济、财政等) ，其目的是保护生产功能、承载功能、调节功能、信息功能在内 的环境功能，以实行人与环境的协调发展，满足可持续发展的要求。 1 2 本文的研究背景 我国的环境规划是于六十年代末七十年代初开始的，先后经过了一个从单纯 的点源治理、局部控制到目前的综合控制的过程，规划工作得到了不断的发展。 近几年来，我国的环境规划工作取得了很大进展，尤其是城市环境规划的理论、 程序、技术和方法已趋成熟，并从科研走向应用，在许多城市的建设和发展中起 着不可估量的作用。但是，与当前的经济发展和环保工作发展的需要相比，环境 规划仍存在着很大的差距。特别是对其重要性的认识上，对不同层次环境规划编 制范围和内容的界定上，以及对规划编制方法体系的研究和环境规划工作的开展 上都存在着相当大的差距和混乱。也就是说对于城市和区域的环境规划研究较 中山大学环境科学硕士论文环境规划的尺度问题研究 多，理论也较完善。然而，对于国家级的环境规划和小城镇的环境规划的研究则 很少，国家级的环境规划的研究主要停留在五年规划上：对于小城镇环境规划， 一直没有国家统一的小城镇环境规划目标、指标体系、程序和方法，基本还是沿 用大中城市环境规划的理论方法和目标指标体系等，没有形成适用于城镇环境规 划的目标、指标体系、程序和方法。 在国家级和小城镇的环境规划沿用城市、区域环境规划的同时，必然会产生 一系列的问题，在城市和区域环境规划中适用的理论方法和对于本地范围产生的 环境问题提出的规划在其他的区域范围内可能就不再适用，不能正确解决随着各 种条件的变化新产生的问题。现存的各种环境规划的质量、可操作性不高，形成 一些走过场的环境规划，环境规划一旦制定就束之高阁，不能在当地的社会经济 发展过程中对其实行一种监督约束和指导作用。在以往的环境规划中各不同地域 范围的环境规划也会出现一些矛盾，大范围的环境规划约束、限制了小范围环境 规划的编制，使得小范围的环境规划在编制的过程中往往不能根据当地的实际情 况做出规划，必须以上一级的环境规划制定的底线为依据，造成小范围的环境规 划目标指标制定的或高或低。 1 3 本文的研究目的和意义 1 3 1 本文的研究目的 ( 1 ) 从理论上，本文主要研究环境规划中的尺度问题，探讨不同尺度标准 下的环境规划类型、发展情况及其存在的问题，为以后开展各尺度环境规划问题 的研究提供理论基础。 ( 2 ) 从实践上，本文是结合过去我国在各个尺度范围内制定的环境规划的 实例，研究不同尺度及其同一尺度环境规划中的冲突的协调和统一，为我国在以 后各尺度的环境规划编制提供借鉴。 ( 3 ) 对各尺度环境规划的编制提出建议，为未来各尺度环境规划的编制和 落实提供技术支持。 巾山大学环境科学硕士论文 环境规划的尺度问题研究 1 3 2 本文的研究意义 ( 1 ) 尺度问题在许多领域得到了很好的发展，如水文学、生态学、气象学 等，但是在环境学领域的研究还算是一个比较新的应用，其理论和实践方面的应 用研究都比较少，如何更好的使尺度问题在环境学领域，特别是环境规划领域得 到很好的发展，使整个环境系统得到良性的发展，具有非常重要的意义。 ( 2 ) 本文分析评价我国以往的各尺度环境规划存在的缺陷，各尺度问环境 规划存在各种冲突，甚至在同一尺度的环境规划中也存在各种各样的冲突，那么 如何解决这些冲突，使得环境规划旦编制就能在实践中起作用也就显得非常重 要。本文的研究对以后我国协调各个尺度间环境规划的冲突问题具有良好的实践 指导意义。 1 4 论文定位及研究方法 1 4 1 论文定位 目前环境规划在实践上有许多的成功范例，特别是在城市环境规划和区域环 境规划方面，已经形成了比较成熟的一套理论、目标、指标体系，涉及的时间范 围也比较广泛。但是对于省域环境规划和国家级的环境规划及较小范围的小城镇 环境规划的研究较少，省域和国家级的环境规划的时间范围大多是五年性质的， 对于小城镇的环境规划研究因为起步比较晚，目前大多还是沿用了城市环境规划 的目标、指标体系、程序和方法，没有形成适用于城镇环境规划的目标、指标体 系、程序和方法。因此可以说，在制定较小地域范围的环境规划时大多是在上一 级环境规划编制完成后再制定，而且很多上级的环境规划在制定过程中目标指 标完全定量化，给下一级环境规划的制定带来很大难度，那么不依照上级的环 境规划则当地的环境规划审批不能通过，反之又可能会在规划期内完成不了目 标，且会对当地经济的发展带来很大的约束，那么如何解决这些问题也就显得非 常必要。 因此，论文将根据空间异质性，通过冲突理论和协调发展理论的支持，在对 环境规划从时间、空间尺度进行分类说明的基础上，结合我国现存的环境规划中 的冲突与协调来分析，说明各个尺度环境规划在实际制定的过程中如何来协调， 3 中山大学环境科学硕士论文环境规划的尺度问题研究 为将来进行各尺度环境规划提供技术支持，尽量避免过去环境规划一旦制定就束 之高阁的现象出现。 1 4 2 论文的主要框架 我国的环境规划经过三十多年的发展已经初具规模，它的基本任务就是依据 资源环境特点及其承载力，对人们的经济和社会活动进行约束和限制，对环境的 保护与建设活动做出时间和空间的安排与部署，以便调控人类自身的各种活动， 以达到人与自然的和谐发展。但是目前的环境规划真正能从时间和空间上对人类 活动做出有效控制的还很有限。 总的来说，论文主要以环境规划的时间和空间尺度的分类和协调为主线，以 空间异质性、冲突理论和协调发展理论为主要的理论支持，采取理论和实例相结 合的方式进行阐述。大体框架见图1 1 。 论文的第一章对环境规划的基本情况进行概述，并对论文的研究目的、意义 和基本框架进行说明。 论文第二章对论文撰写过程中用到的理论基础进行了阐述，主要包括空间异 质性、冲突理论和协调发展理论。 论文第三章对尺度问题的界定进行分析说明，首先引出尺度问题的概念，并 对尺度问题在水文学、生态学和环境学领域方面的应用进行回顾探讨，为下章环 境规划中的尺度问题的研究打下基础。 论文第四章是论文的一个重点，是对国内外环境规划的发展及其存在的问题 进行了分析说明，并对环境规划从时间和空间尺度上进行了分类，对我国已做过 的各种尺度的环境规划进行分类探讨。 论文第五章是各个尺度环境规划的协调问题，是本论文的另一个重点及难点 所在。论文对各尺度的环境规划的协调问题从目标指标、功能区划和污染治理设 施等方面进行，不但有理论的阐述也有实例的应用分析，并且对不同尺度规划的 协调提出了自己的建议。 晟后一章对本论文的总结，并提出了论文的难点与不足所在。 4 中山大学环境科学硕士论文 环境规划的尺度问题研究 1 4 3 研究方法 图1 1 论文框架图 f i 9 1 - 1t h ef r a m ef o rp a p e r 对比分析：根据我国现存的环境规划情况从时空尺度进行分类，并对各类型 的规划进行分析比较，探索适合我国实际的不同尺度环境规划的理论与技术方法 等。 存在问题分析：对我国现有的各尺度环境规划现状进行概况，分析不同尺度 环境规划在制定、实施过程中存在的冲突问题，为我国不同尺度环境规划的良好 发展提供借鉴资料。 实例研究：在对我国当前各尺度环境规划的现状、趋势及各冲突分析总结的 基础上，结合我国己做过的各尺度的环境规划中存在的一些冲突进行实例分析， 并进行各尺度环境规划协调问题的分析研究。 中山大学环境科学硕士论文环境规划的尺度问题研究 2 1 空间异质性 第2 章理论基础 笼统地讲，空间异质性是指生态学变量在空间上的不均匀性和复杂性，表现 为生态系统的缀块性和环境的梯度变化，是由环境要素的时空差异及各种自然和 人为干扰作用的时空不均匀性所产生。这一名词在生态学领域应用广泛，其含义 和用法亦有多种。 早在十八和十九世纪，植物学家和早期的生态学家就曾在区域和景观水平上 对空间异质性做过定性的描述。在种群和群落生态学的理论研究中，为了研究的 方便和简单化，人们往往以环境的同质性和空间上的随机分布为基本假定，把空 间异质性看作是一个棘手的问题【3 1 。但是，所有生态系统都在一个广阔的尺度范 围内表现出异质性和斑块镶嵌的特点，并且随时间以复杂的、有时是不可预测的 方式而变化。 二十世纪九十年代空间异质性就成为生态学研究的一个极为重要的理论问 题，也是生态学家研究不同尺度的生态系统功能和过程中最感兴趣的问题【4 】。 l i 和r e y n o l d s 提出一个定量的、便于描述和应用的空间异质性的概念，即 “空间异质性定义为所研究的系统特性在空间上的复杂性和或变异性”。景观的 生态系统组成构成了基本的空间异质性格局，同时，资源可利用性、环境因子的 空间特征以及生物种群和群落在景观上的分布等都表现了异质性的分布格局，这 种异质性格局反映了环境异质性对生物在景观上的异质性分布的制约作用【3 1 。空 间异质性是随着所研究的系统特征不同而变化，不同系统特征的空间异质性描述 方式和变异格局是不同的。因此，当研究空间异质性的时候，必须弄清所研究的 系统特性是什么，是整个景观的生态系统和土地覆盖类型等基本结构组成? 还 是具有许多子系统的大环境系统，如整个国家范围的大环境? 还是具有生态学意 义的一个或一组系统特性，如植被盖度，物种多样性，土壤养分含量，等等? 空间异质性也是环境系统中普遍存在的特性，它是指环境系统的现象、格局、 过程和机制在某一等级空间尺度上表现出的不同特征。它不仅存在于不同的尺度 域内，而且存在于某个尺度域内不同的尺度等级，环境越复杂，空间异质性程度 也就越高。 6 中山大学环境科学硕士论文 环境规划的尺度问题研究 2 2 冲突理论 冲突又称矛盾、争议、抵触等，它是某一问题相关各方利益对立的情形。社 会中广泛存在着多种冲突问题，如夫妻间的争议，朋友间的分歧，劳资双方的纠 纷，国家间的矛盾，商业集团间的竞争，环保主义者与开发者的矛盾等p j 环境领域中冲突也广泛存在，诸如在公共设施选址、污染集中治理投资的分 摊、允许排污量在各排污口问的公平分配、水资源集中管理、协调度模型处理环 境与经济的冲突、跨行政区河流边界水质标准的确定、资源的开发与保护等过程 中都不可避免，应用冲突分析来处理这些问题则具有一定优势。 环境冲突是在发展经济过程中，人类活动和地理环境之间产生的不同地区、 不同程度、不同形式的多方面对立态势( 情况) 的总称。人类对自然环境、自然资 源利用和分配方式错误或不当，地区间、行业间的无序竞争都可能造成环境的退 化，甚至破坏，产生负面影响，从而引起矛盾与冲突。有时隐含着不同地区人群 间的关系对自然环境的影响。正如u n e p l 9 9 7 年全球环境展望所指出的，“从 全球角度看，过去十年间环境状况持续退化，各种重大环境问题仍然根深蒂固地 存在于所有区域，”。由于各类环境冲突日益明显和尖锐，以致最终可能难 免导致全球性环境灾难的爆发，这已经不是危言耸昕的口号。因此提高对环境冲 突的警觉性，进行环境冲突研究，寻求冲突的协调，探讨协调发展的途径，是摆 在人们面前的严峻任务。 大中尺度的环境冲突很多，表现在跨国、跨省间因环境问题所产生的纠纷上， 例如臭氧层破坏及其保护问题的争执：农业土地和人类住区的扩展危及自然区域 的生物多样性，都市化给邻近生态系统造成的过重负担和破坏；燃煤工业区将大 量含硫废气排向大气，并大范围飘向周边区域形成酸雨，对森林、草原、农作物 以及人类居住环境产生危害，甚至出现以前人们不知道的健康风险，形成中尺度 的酸雨污染问题等。2 0 0 5 年末的松花江污染事件引起了省界甚至是国界( 中国 与俄罗斯) 间的环境问题，也造成了较大尺度的环境冲突问题。 中小尺度间的环境冲突影响范围往往可大可小，但发生的频率大，常常引起 利益群体间的纠纷。如太港油田、辽河油田、胜利油田等陆地石油类污染源影响 了较大范围内的渤海水域水质，因此造成鱼类资源萎缩，海水养殖业受损，影响 自然保护区湿地生态环境，引发地区间和企业间尖锐的环境冲突，一般范围不大， 7 中山大学环境科学硕士论文 环境规划的尺度问题研究 但频率高。再如2 0 0 6 年北江的镉污染事件，涉及到韶关、清远等几个城市的水 环境污染问题，也在一定程度上造成中小尺度间的环境冲突问题。 在环境规划与管理的实践中，也广泛存在着冲突问题，如开发建设中开发者 与环保主义者的矛盾，污染纠纷中责任者与受害者之间的争议，资源分配中各需 求方之间的矛盾。这些问题大多具有非零和的特点。如何解决这些问题就需要进 行环境冲突分析，而环境冲突分析是对在一定区域内人类活动与地理环境之间产 生的各种矛盾现象的认识和分析，是对其正确认识并最终协调解决的基础。这种 分析和认识的正确性直接与各尺度的利害关系的对立态势及其发展趋势密切相 关，而在理论上寻找人类活动与地理环境协调的规律，也是实践上实现经济可持 续发展，继而影响到社会，甚至文化的可持续发展的核心问题，这也是环境规划 需要解决的问题。环境冲突分析方法在解决环境规划所面临的经济与环境保护、 环境资源分配等的矛盾冲突问题上将起越来越重要的作用。 2 3 协调发展理论 协调发展理论是中国提出的促进经济与环境协调发展的理论。早在1 9 7 6 年 第一次全国环境保护会议时，国务院在“国发 1 9 7 3 1 5 8 号文”中提出：“经济 发展和环境保护同时并进，协调发展”。二十世纪八十年代末，协调发展理论日 趋成熟，并在正式公布的中华人民共和国环境保护法( 1 9 8 9 年1 2 月2 6 日) 第四条中明确规定“国家采取有利于环境保护的经济、技术政策和措施，使环境 保护工作同经济建设和社会发展相协调。” 协调发展理论的基本观点可概括为：经济与环境协调发展是历史的必然，我 们绝不能走“先污染后治理”的老路，经济与环境必须协调发展，也能够协调发 展；为了实现经济与环境协调发展，必须对“环境一经济”系统进行调控，才能 保证经济持续稳定地发展【2 】o 环境规划是协调经济与环境的关系、促进经济与环境协调发展的重要措旌， 是协调发展思想的具体体现。在协调发展论的指导下，可以提出切实可行的环境 规划方案，如建立低消耗、高效益的“经济一环境”系统，调控到最佳运行状态， 使经济与环境协调发展，这也是协调发展论的一项基本原则。协调发展也可以用 于不同尺度间环境的协调发展，并不应该单纯指环境与经济间的协调。 8 中山大学环境科学硕士论文 环境规划的尺度问题研究 3 1 尺度的界定 第3 章尺度问题 尺度是一个广泛的术语，在不同的领域，不同的人对尺度有不同的理解。传 统认为尺度是研究对象或现象在空间上或时间上的量度，即空间尺度和时间尺 度。尺度还可以指研究对象或过程的时间或空间维，用于信息收集和处理的时间 或空间单位，由时间或空间范围决定的一种格局变化等。另外尺度在遥感上还包 括数据的精度或分辨率，即数据表达属性的精细程度。尺度是自然与社会科学都 存在的一个基本概念，是观测、过程或过程模型在空间或时间方面的基准尺寸， 它囊括过程的离散状态或过程状态间的临界点【7 l 。根据牛津字典的定义，尺度也 包含了对物体重量和大小的测定及测量方法的含义。 尺度的存在根源于地球表层自然界的等级组织和复杂性。地表系统作为由不 同级别子系统构成的复杂巨系统，在其系统内的不同层次和不同运行周期上存在 着明显的时空尺度。尺度本质上是自然界所固有的特征或规律，为有机体所感知。 因而尺度又可分为测量尺度和本征尺度。测量尺度是用来测量过程和格局的，是 人类的一种感知尺度，随感知能力的发展而不断发展。本征尺度是自然现象固有 而独立于人类控制之外的。测量尺度相当于研究手段，隶属方法论范畴，而本征 尺度则是研究的对象【8 】。尺度研究的根本目的在于通过适宜的测量尺度来揭示和 把握本征尺度中的规律性。它广泛存在于生态学、气象学、生物学等学科中的一 个重要概念。一直以来，各学科学者都致力于尺度问题的研究。 尺度划分本身是无穷的，在实际中人们根据研究需要给定尺度的时空范围： 而尺度在狭义上是人们在目前指导思想、技术水平、经济允许下可以研究且能确 保研究本身有意义的时空范围。一般，大尺度对应于较大的空间范围，对应于小 比例尺、低分辨率；而小尺度则对应于大比例尺和高分辨率。 尺度的影响，不仅仅是尺度本身，而是与其周围的环境紧密联系。而环境本 身又具有空间异质性，空间异质性来源于自然干扰、人类活动、植被的内源演替 及特定的发展历史，是导致空间格局的主要原因，因此考虑空间异质性问题就必 须要考虑尺度问题。尺度是空间异质性的量度单位，具有明显的等级结构特征， 是空间异质性的一个重要方面，依赖于尺度的自相关，而不是连续的自相关，是 中山大学环境科学硕士论文环境规划的尺度问题研究 一个普遍的现象。空问异质性的程度决定于测量所用的尺度大小，尺度大小决定 了空间异质性的程度，它标志着对所研究对象细节了解的水平。对于一个生态学 实体，尺度的变换可能会导致异质性的出现和消失【3 】。空间异质性在不同尺度上 具有不同的格局，并且生物及生态学过程对空间异质性的反应发生在不同的特定 的尺度上。 g o o d c h i l d 9 】等从地理学的视角出发，认为有关尺度的科学研究应回答这样几 个问题：尺度在空间模式和地表过程检测中的作用，以及尺度对环境建模的冲 击；尺度域( 尺度不变范围) 和尺度闽值的识别；尺度转换，尺度分析和多尺 度建模方法的实现，由此可以看出尺度问题是广阔而复杂的。 截至目前，对空间尺度的研究较多，所涉及的问题也较广，而对时间尺度的 研究相对较少。实际上，自然现象和过程的空间和时间尺度是紧密相关的，一定 空间尺度内的各种现象都有一定变化过程，从而也就与一定的时间尺度相对应， 因此在进行尺度研究中把时间尺度和空间尺度联系起来更有助于揭示和把握其 规律。 3 2 尺度问题的应用研究 环境的演变是当今人们比较关心的一个课题，而环境问题的起因和特性涉及 到多方面的因素，一般通过气候、水文、生态等的相互作用来探索，故要研究尺 度问题在环境领域的应用，首先应该了解其在水文学、大气和生态学等领域中的 应用研究。 在联合国教科文组织国际水文1 0 年计划( i h d ) 的末期，单纯的水文物理 过程的研究逐渐有了环境和生态方面内容，水文学与生态学、气象学等学科的联 系十分紧密，通常是相互影响和相互制约的。 3 2 1 尺度问题在水文学中的应用研究 水文尺度是指水文过程、水文观测或水文模型的特征时间或长度，水文尺度 问题则是指水文系统在不同尺度之间进行尺度转换( 信息传递) 时所遇到的问题 【1 0 l 。尺度问题早在1 9 9 1 年维也纳召开的第2 0 届i u g g 大会或者更早就提出来了， 现在已成为当今水文学研究最为前沿的问题，同时也是目前研究中的重点与难 1 0 中山大学环境科学硕士论文 环境规划的尺度问题研究 点。 水文学是地球学科的- - f 7 分支，水文学研究范围广泛，小到水质点，大到全 球水循环变化，即水文学涉及到各种尺度的对象，它包括了地球水圈范围所有尺 度水文现象及过程与环境的相互作用研究【1 l 】。从这个意义上讲，水文尺度通常按 三个量级划分，即微观尺度、中观尺度和宏观尺度，另外时间尺度和空间尺度也 是相互联系的。目前，水科学中尺度研究主要集中于时空尺度。 就空间尺度而言，流域面积大小是主要的。大、中、小流域具有因尺度不同 而发生显著差异的水文特性。在空间尺度中，宏观类第一子类是全球尺度 ( 1 0 7 m ) ，它是地球赤道到极地距离通用估计量级，适合水圈中全球气候变化尺 度问题讨论：其次为大陆尺度( 1 0 6 m ) ；再次为一般大、中流域尺度( 1 0 5 m ) ， 相当于研究流域气候与水循环模型网络长度。中观尺度范围包括水文单元、小流 域和中流域下届，它们是流域水文学研究最活跃部分。当进入微观尺度，水文学 与水利学、流体力学产生联系，尺度从1 0 。8 i n 的水分子到代表性微元，如有孔介 质土壤水运动研究的1 0 。2 m 范卧1 2 1 。 就时间尺度而言，时段的长短极其重要，不同时段的水文量( 日平均流量、 月平均流量、年平均流量等) 呈现出性质迥异的变化特征。在时间尺度中，宏观 类涉及到影响气候变异的平均1 1 年太阳黑子变化周期到地球演化更长历时( 1 矿 年) 。以秒记录的水文试验过程以下更短历时，属于微观尺度。介于这两者之间 为中观时间尺度，它们分别对应日、月和年的水文过程变化，是流域水文学研究 的主要时间尺度【1 2 1 。 自二十世纪九十年代初水文尺度问题被正式提出后，尺度问题在水文科学中 一直受到广泛的关注和重视，并日益壮大成为生态水文科学研究的理论焦点，也 被众多水文学家确定为首要研究的问题。b l o s c h l 1 3 】等将水文尺度划分为过程尺 度、观测尺度和模拟尺度三种。c u s h m a n 1 4 时论了过程尺度和观测尺度间的关系： 过程尺度过大时，只能观测到水文过程的趋势；观测尺度过大时，水文过程会被 误认为测量噪音。国际水文界在委内瑞拉加拉加斯( 1 9 8 2 ) 、美国普林斯顿( 1 9 8 4 ) 和澳大利亚罗伯森( 1 9 9 3 ) 已经举办过3 次水文学尺度问题的专题会议，尽管许 多学者对该问题进行了大量的研究，但仍未能解决尺度转换问题。在第2 1 2 2 届国际地球物理与大地测量( i u g g ) 大会上，国际水文协会( i a h s ) 专题讨论了水 1 1 中山大学环境科学硕士论文环境规划的尺度问题研究 文尺度、地下水、人类活动影响、可持续性与冰雪水文等6 大问题，特别注重水 流和污染物负荷的尺度效应，用代表单元尺度的概念研究诸如雨量站布设的空间 变异性问题，出现了把尺度从点的物理机制扩散到面上的v p a 模式和简单的水 量平衡模式( s w b ) ，并考虑把大尺度的水流输送融入全球气候模式中( g c m s ) ， 其中2 1 届i u g g 大会揭示了一级山区流域、大河流域、喜马拉雅山的冰川流域 等各种尺度下水流和污物运移规律。国际地圈生物圈计划( i g b p ) 的核心项目“水 文循环的生物圈方面”( a h a c 计划) ，把实验小区尺度水文生态变化过程( 植被一 大气一水文过程) 的模拟，分析推广到考虑陆面地貌和不均匀分布的空间尺度上并 建立区域尺度陆面过程的参数化方案。 国内对水文尺度问题的研究颇具代表性的成果是刘国纬1 1 5 】在中国大陆尺度 和流域与区域尺度水文循环大气过程的研究，出版了全国水汽输送与水分循环专 著，首次确切计算了我国境内的水汽通量。李长兴【1 q 研究了流域水文尺度化和 相似性问题及其小尺度要素如地貌、土壤和降雨等的空间变化对流域径流形成的 影响，提出了反映流域产流面积空间变化动力特性的尺度化理论。刘贤赵f 1 7 j 提 出了水文尺度研究涉及的关键问题，包括水文过程尺度、水文观测尺度以及尺度 连结“桥”和遥感水文等。 3 2 2 尺度问题在生态学中的应用 尺度问题不仅存在于水文学中，同时也是生态学的重点和难点问题，其中景 观生态学上的尺度最具有复杂性和多样性。生态学家很早就认识到了尺度问题的 重要性，一般以所研究生态系统的面积大小或其动态变化的时间间隔来表示。 尺度在生态学中真正受到关注始于二十世纪八十年代早期，这主要是由于地 球环境问题显得越来越严峻，其中酸雨、全球气候变化、生境破碎化、以及生物 多样性保护等问题存在于几十年的时间范围和广阔的空间范围内，要求在大尺度 上理解其格局和过程。由于大多数变量只能在短时间、小范围内直接测定，而且 大多数速率变量只能现场测定，相对只有很少的变量：小尺度上获得的数据如何 进行合理地转换。再者，小尺度上测得的格局在大尺度上不一定存在，而在小尺 度上占主导的过程在大尺度上也不一定占主导地位。因此，尺度问题成为人们关 注的焦点。 中山大学环境科学硕士论文 环境规划的尺度问题研究 d e l c o u r t 1 8 1 提出了宏观生态学研究的4 个尺度域：微观尺度域( m i c r o s c a l e d o m i n i o n l ，包括l 5 0 0 a 的时间范围和1 1 0 6 i n 2 的空间范围。在这一尺度域内 可以研究干扰过程( 火干扰、风干扰和砍伐等) 、地貌过程( 土壤剥蚀、沙丘运动、 滑坡崩塌、河流输移等) 、生物过程( 种群动态、植被演替等) 和生境破碎化过程等。 中观尺度域( m e s o s c a l ed o m i n i o n ) ，包括5 0 0 1 0 4 a 的时间范围和1 0 6 1 0 ”m 2 的空间范围。这一尺度域囊括了最近间冰期以来次级支流流域上的事件。宏观 尺度域( m a c r o s c a l ed o m i n i o n ) ，包括1 0 4 1 0 6 a 的时问范围和1 0 加1 0 1 2 m 2 的空 间范围。在这一尺度域内发生了冰期间冰期过程以及物种的特化和灭绝。超 级尺度域( m e g a s c a l ed o m i n - i o n ) ，包括1 0 6 4 6 1 0 9 a 的时间范围和大于1 0 1 2 m 2 的空间范围，与类似于地壳运动的地质事件相适应。d e l c o u r t 所定义的尺度域是 粗线条的。在每一个尺度域内还可以做进一步细化。在近年来的生态学研究中， 所涉及的尺度问题多集中于微观和中观尺度域内。有的研究所涉及的尺度更小， 在空间上达到了c m 级以下，时间上达到季、月以下。 国内生态学家对尺度的研究开始于二十世纪九十年代，邬建国【1 9 1 、吕一河【9 】 等回顾和总结了尺度研究在生态学研究中的最新进展及其重要地位。赵文武1 2 u j 等探讨了生态学研究尺度转换的理论和方法等研究了流域生态一经济重建中的 尺度选择问题。周红章1 2 1 1 等研究了生物多样性的变化格局与时空尺度的关系。 在进行陆地生态系统的生产力、生物地球化学循环、脆弱性与恢复力等问题时， 往往从较小的约1 0 1 0 0 m 2 的空间尺度上考虑，景观生态学基本对应于中尺度范 围( 空间上是几几百k m 2 ，时间上是几年到几百年) ，区域生态学对应于大尺度的 范围，而一些全球性的问题，如海平面上升、温室效应等，则须把研究的空间尺 度扩展到全球甚至周围囤层，研究的时间也会上溯到较久远的年代。w 0 2 2 】等认 为，景观生态学中尺度主要是指空间和时间上的粒度和幅度，对世界上最主要的 4 种生态学期刊h b 美两种：e c o l o g y ，e c o l o g i c a lm o n o g r a p h s ；欧洲两种：j o u r n a l o fe c o l o g y ，j o u r n a lo f a n i m a l ) 从二十世纪三十年代到九十年代包含“尺度”、“等 级结构”等相关词语的论文进行了统计，发现该类论文增长迅速，二十世纪三十 年代只有2 篇，六十年代为7 9 篇；而在1 9 9 1 1 9 9 6 年，6 年内就有4 1 7 篇，由 此可见尺度问题受越来越受重视。l e v i n 2 3 】认为，因为生态系统及其格局是在多 尺度上存在的，所以空间异质性分析必须考虑尺度问题。岳文泽【圳等以上海市 中山大学环境科学硕士论文 环境规划的尺度问题研究 外环以内的中心城区为区域背景，基于s p o t 全色波段遥感影像数据和g i s 技术， 运用空间统计分析方法，研究城市景观格局的空间尺度效应。 还有许多学者关注旅游资源、渔业资源、滩涂资源、土地资源等开发和利用 研究中存在的尺度效应和尺度选择、转换问题。 3 2 3 尺度问题在大气中的应用 大气过程和陆面水文过程在空间变化尺度上存在明显差异，大气过程在空间 上比较均匀，而陆面水文过程则往往相反，空间分布很不均匀。在气象学中，研 究跨越的时空尺度非常广泛，时问尺度从地质年代到几十年，空间尺度从全球一 直到某一局部地区。 中国气象学相关领域的科研人员在气候变化研究方面做了大量工作，这些工 作在研究思路上主要集中在两方面：其一是针对某一地区气温或降水的时间序列 进行单一时间尺度或多时间尺度的分析( 根据采用的技术手段) ，得到气温或降水 的变化幅度、变化周期以及查找突变点等等；其二是针对某一较大区域，通过研 究区域内不同气象台站的气温、降水数据，寻找气温、降水或与气候有关的某种 现象在空间上的分布格局。气候变化具有明显的地域特征，因此气候变化在空间 上体现出的分布格局会随着研究的时间尺度和空间尺度变化而变化。 路云阁【2 5 】等结合平均气温和降水数据研究了气候变化的尺度效应；朱蓉【2 6 l 等讨论了气象数值模拟中参数选择的多尺度问题。高艳红阿等研究了黑河流域 的大气资料的尺度转换问题，对比分析了由n c e p 再分析资料直接内插到较小尺 度而得到的局地气候变化与由尺度转换统计模式。任阵海【2 8 l 等根据在北京市沿 南北方向分布的3 台激光雷达阵和地面同步的粒子观测数据，选择一次重污染过 程进行情景分析，研究不同尺度大气系统对该过程粒子边界层的影响。 3 2 4 尺度问题在环境领域的应用 尺度( s c a l e ) 提：大环境系统中各个子系统传递信息的空间和时间范畴【2 9 】，环境 科学领域内许多的理论和方法体系都要涉及到尺度，因此尺度问题是研究环境科 学的学者所共同关心的问题。在环境科学领域内尺度被定义为：尺度是空间和 或时间的分析范围，在这一分析范围内，可以用来测量和研究事物及过程。 1 4 中山大学环境科学硕士论文环境规划的尺度问题研究 一般而言，环境领域中所研究的尺度是一种时空尺度，是指所研究客体或过 程的时间维和空间维，现在尺度问题已经成为环境科学研究增长点的一个焦点。 人类面临着越来越严峻的全球生态环境问题，对这些环境问题的认识需要开 展多尺度的研究，当前，地球系统科学研究以地球岩石圈一水圈一生物圈一大