3-345章城市生态学及原理

城市生态学及原理 3 1 1城市系统 1 定义按照系统论的观点的城市系统是以人为中心的 以一定的环境条件为背景 以经济为基础的社会 经济 自然综合体 3 1城市系统 城市的结构与功能满足系统的基本条件 由108个单元 元素 组成 是一个复杂的巨系统 城市具有其特定的结构 城市具有其特定的功能 各组成单元之间存在关联性 3 1 2城市系统的特征 以人为中心的复合系统 包括自然 经济 社会几大子系统 人工特征 人的活动在系统中起主导作用 城市系统是一个开放系统 其边界较难划定 不同的城市具有不同的系统特征 结构 功能 3 2城市生态学定义 城市生态学是在20世纪20年代由芝加哥学派的创始人帕克提出3 2 1定义指城市空间范围内的居民与自然环境系统和人工建造的社会环境系统相互作用而形成的统一体 属城市生态系统 3 2 1城市生态系统的概念 输入 自然 人工 能流物流价值流信息流 输出 自然 人工 概念框图 3 2 2城市生态学的分类根据研究对象的不同可分为 1 城市自然生态学 2 城市经济生态学重点研究城市代谢过程和物流能流的转化 利用效率 3 城市社会生态学研究城市人工环境对人的生理和心理的影响 效用及人在建设城市 改造自然过程中所遇到的问题 如人口 交通问题等 3 3城市生态学产生背景 3 3 1城市规划理论的发展需要生态思想的介入1 工业革命时期规划理论1898年霍华德的 田园城市 规划理论 2 20世纪60年代的规划理论 区域发展规划 理论 重点是研究核心城市与其外围地区的发展关系 3 在全球面临五大危机的背景下 生物学家和生态学家也都介入城市规划专业 研究保护城市自然环境 协调城市发展与城市生态环境之间的平衡 3 3 2解决城市问题需要生态学思想 一 城市问题产生根源从本质上说 城市问题的产生有两个原因 1 城市的高度集聚与高度稀缺的统一体 1 城市的集聚性 2 城市的稀缺性 2 人们对自然环境及城市环境的错误认识自工业革命以来 人类只忙于征服自然 很少考虑去调节人与自然的协调关系 二 城市发展需要生态学思想要解决城市问题应从协调城市发展与自然生态系统及自然环境之间的关系 3 3 3城市生态学的发展阶段 1 萌芽阶段 20世纪之前 2 初级应用阶段3 蓬勃发展阶段 3 4城市生态系统的结构 城市生态系统 人口结构城市居民智力结构劳动结构政治组织经济组织文化组织城市组织群众组织家庭组织 1 社会学家提出的城市生态系统的构成 2 环境学家提出的城市生态系统构成 3 复合系统把城市生态系统结构划分为三大部分即 自然生态系统 经济生态系统 社会生态系统 城市居民具有社会与自然双重属性 城市生态系统的结构分解 城市生态系统的结构 各子系统之间的功能关系 金融信息产业商业 科技工业农业运输 经济子系统 景观太阳生物资源 水体土壤空气矿藏 自然子系统 计划规划管理决策系统政策法规 旅游生活环境服务 就业居住交通供应通讯服务保险教育科技餐饮娱乐 社会子系统 生产污染 资源利用 信息反馈 消费需求 经济收入 经济措施 价值流 物流和能流 信息流 信息反馈 环保法规 生活污染 生态需求 企事业管理法规 人口控制 信息反馈 4 其他 城市生态系统的形态结构城市生态系统的营养结构 3 5城市生态系统的特征 1 城市生态系统区别于自然生态系统的根本特征 2 城市生态系统的人为性 3 城市生态系统的不完整性 4 城市生态系统的开放性 5 城市生态系统的高 质量 性 6 城市生态系统的复杂性 7 城市生态系统的脆弱性 自然生态系统与城市生态系统间比较 1 开放度 自然生态系统 自我维持的封闭系统城市生态系统 人工高度开放生态系统 主体是人 而不是动 植物或微生物 非生态结构无限扩大 是不完全的生态系统 消费者大大超过生产者 营养物质及能量大量输入 废弃物大量排出 2 能量投入 自然生态系统太阳能为主城市生态系统是大量的工业能投入及生物能投入3 生产力 自然生态系统生物量高 没有或少有产出 净生产力低城市生态系统生产力高 4 系统稳定机制 自然生态系统是通过 负反馈机制 进行自我调节的 城市生态系统 人工调控 不稳定 靠自身不可能持续发展 5 服从规律 自然生态系统自然规律城市生态系统社会经济规律 6 目的性 自然生态系统生物现存量最大 维持结构功能的平衡与稳定城市生态系统人类社会经济发展需求7 效率 自然生态系统低城市生态系统高 8 环境问题 自然生态系统少 城市生态系统多9 相互关系 自然生态系统自我维持的封闭系统城市生态系统依靠农业生态系统的广阔空间和特有的自净能力缓解城市自身承载能力所不能解决的生态问题 10 生态位自然生态系统自然生态位城市生态系统自然生态位 社会生态位 经济生态位 三级 消费者 二级消费者 一级消费者 生产者有机体 人类 动物 植物 人类 动物 植物 图不同类型生态系统的组成结构示意图 a自然生态系统 b农村生态系统 c城市生态系统 城市生态系统的主要特点 3 6城市生态系统的基本功能 UES功能的双重性 UES的生产功能 UES能源结构和能量流动 城市生态系统的功能 即是城市生态系统在满足城市居民的生产 生活 游憩 交通活动中所发挥的作用 包括 生产功能 能量流动功能 物质循环功能 信息传递功能 3 6 1UES功能的双重性 内部功能 维持系统内部的物流和能流的循环和畅通 并将各种流的信息不断反馈 以调节内部功能 同时把系统内部剩余的或不需要的物质与能量输出到外部生态系统 外部功能 UES作为人工复合生态系统 必须具备外部物质 能量补充并经城市生态系统生产 向外部系统输出物质和能量 以实现城市生态系统的平衡与发展 1 生物性生产 3 6 2UES的生产功能 城市内绿色植物 森林 草地 果园 农田 蔬菜 苗圃及藻类 的初级生产 动物生产 2 非生物生产是城市生态系统特有的生产功能 是指其具有创造物质与精神财富满足城市人类的物质消费与精神需求的性质 1 物质生产 是指满足人们的物质生活所需的各类有形产品及服务 包括 A 各类工业产品 B 设施产品 C 服务性产品 2 非物质生产 是指满足人们的精神生活所需的各种文化艺术产品及相关的服务 城市生态系统的非物质生产实际上是城市文化功能的体现 3 6 3能量流动城市生态系统的能量流动 是指能源在满足城市多种功能过程中在城市生态系统内外的转化 传递 流通和耗散过程 1 能源结构是指能源总生产量和总消费量的构成及比例关系 能源的生产结构 是从总生产量分析能源结构 即各种一次能源如煤炭 石油 天然气 水能 核能等所占比重 能源的消费结构 是从消费量分析能源结构 即能源的使用途径 UES能源结构与能量流动 中国与世界部分国家能源消费构成 引自沈清基 1998 上海市能源消费行业分配情况 从生态学角度对能源利弊的比较1 从生态学角度对能源利弊的比较2 从生态学角度对能源利弊的比较3 UES能量流动 原生能源 有用能源 最终能源 损耗热 损耗热 损耗热 损耗热 利用 利用 转化 传输 传输 损耗热 城市生态系统的能量流动基本过程 引自何强 1994 次生能源 城市生态系统能量流动的特点 1 在能量流运行机制上 城市生态系统的能流以人工为主 2 能量转换上 除热损耗外其余都是由各类物质携带 3 能量流动具有明显的单向性 4 在能量生产 消费过程中 有部分能量以三废形式排入环境造成环境污染 在能源问题上中国的规划师和建筑师面临的挑战 如何在保证生活品质的前提下降低建筑物所需能源 未来生态节能的城市发展模式是什么样的 什么样的交通体系是健康的 美国绿色建筑协会与 绿色建筑评价体系 LeadershipinEnergy EnvironmentalDesignBuildingRatingSystem简称LEEDTM LEEDTM评估体系由五大方面 若干指标构成其技术框架 主要从可持续建筑场址 水资源利用 建筑节能与大气 资源与材料 室内空气质量几个方面对建筑进行综合考察 评判其对环境的影响 并根据每个方面的指标进行打分 综合得分结果 将通过评估的建筑分为白金 金 银 铜和认证级别 以反映建筑的绿色水平 3 7物质循环 城市与其周围环境的联系 3 7物质循环1 指各项资源 产品 货物 人口 资金等在城市各个区域 各个系统 各个部分之间以及城市与外部之间的反复作用过程 物质循环的功能 是维持城市生存和居住 工作 游憩 交通四大城市功能的运行按物质流流动介质的属性分为 自然物质流 经济物质流 废弃物质流物质循环中物质流的类型 资源流 货物流 人口流 劳力流 智力流 2 物质循环的特点 1 城市生态系统所需物质对外界有依赖性 2 城市生态系统物质既有输入又有输出 3 生产性物质远大于生活性物质 4 物质流缺乏循环 5 物质循环在人为状态下进行 其循环过程中产生大量废物 3 8信息传递 信息流 1 定义信息流是对城市生态系统的各种 流 的状态的加工 传送 控制和认识的过程 2 城市信息流的类别 经营信息 生产 流通信息 生活信息 物质生活及精神生活信息 科技信息 科技情报 期刊等 纵向控制信息 上下级关系 家庭关系 横向反馈信息 部门之间 同事之间 亲戚之间以及与城市外部环境之间的关系 等结构性信息城市信息流是通过文字 语言 音响 思维及感觉来传播的 3 信息在城市生态系统中的作用 1 信息对城市功能的发挥有重要的作用2 城市是信息高度利用的区域3 城市信息流量与质量反映了城市现代化水平4 城市是信息的辐射源 3 9城市生态系统的平衡与调控 1 定义是指城市这一自然 经济复合生态系统在动态发展过程中 保待自身相对稳定有序的一种状态 2 城市生态调控的目标 高效和谐经济高效是正反馈过程 强调发展的速度 社会和谐是负反馈过程 强调发展的稳定 3 如何对城市生态系统进行调控 循环再生原则协调共生原则持续自生原则 1 城市生态位原理从区域范围看 城市生态位 城市生态位可定义为城市在上级区域系统中与区域环境相互作用的过程中所形成的相对地位和作用 从城市内部来看 城市生态位 是一个城市给人们生存和活动所提供的生态位 是城市提供给人们的或可被人们利用的各种生态因子和生态关系的集合 反映了一个城市的现状对于人类各种经济活动和生活活动的适宜程度 人们寻找良好的生态位是人的本能 城市发展的动力 3 10城市生态学基本原理 城市生态位分类 生产生态位 包括城市的经济水平 资源丰盛度 生活生态位 包括社会环境 自然环境自然生态位经济生态位社会生态位 2 建立在生态位概念基础上的生态位理论有 生态位态势理论生态位扩充理论生态位适宜度分析方法生态位重叠和分离理论 生态位理论和方法不仅能广泛用于自然生态系统 而且对于社会 经济生态系统也具有重要意义 3 应用 1 生态位态势理论生态位的态 指生态元的状态 生态位的势 是生态元对环境的现实影响力或支配力 态 是 势 的基础 势 的积蓄促使 态 的转化能力 生态位的 态 随时间的变化一般呈 S 型曲线 而 势 的变化则呈 钟 型曲线 生态位的态势理论在城市研究中的应用 生态位态势理论在城镇体系规划中的应用 提高城镇生态位态势 强化城镇中心性的强度 加速生产要素空间集聚 促使优势产业向中心城镇集中 达到提升以中心城市 镇 为核心的城镇体系竞争力的目标 另一方面 重点发展中心城市和少数建制镇 扩充其生态位 扩大自身职能生态位的宽度 从而达到加速区域内同等级和不同等级城镇的职能生态位的分离 提高城镇体系分工协作水平 2 生态位适宜度 性 理论 需求生态位 把某种发展方式对资源需求所构成的多维空间称为该种发展方式资源需求生态位 在实际工作中 通常根据城市资源特征 分析那些可能成为制约条件的资源因素 现实生态位 城市现实资源也构成对应的资源空间 称为现实资源生态位 现实生态位与需求生态位的匹配关系 反映了现实资源条件对某种发展方式的适宜性程度 其度量采用多维资源生态位适宜度指数来估计 当生态位适宜度指数为1时 表示城市现实资源条件完全满足所选择的发展方式要求 当生态位适宜度指数为0时 则表示现实资源条件完全不满足所选择的发展方式 当一种资源的现实条件在数量或质量上不足 接近可利用限度时 即其生态位适宜度为0 则整个生态位适宜度指数为0 根据生态位适宜度 性 原理 提出人居环境积极化理念 在生态环境设计中 要注意挖掘和量化其积极因素 合理利用现实生态位 发现和转化其消极因素 努力开拓潜在生态位 使原来不被生态元适应 利用或占据的部分 转变成生态元的生态位 提高生态位适宜度指数 达到生态平衡和人居环境良性发展的目的 生态位适宜度 性 理论应用案例 中关村科技园海淀园发展区生态规划 清华大学建筑学院栗德祥 这个发展区是成功运用生态位理论和生态适宜性原理的实例 塞纳河左岸改造工程 塞纳河左岸奥斯特里茨火车站以南地区 是巴黎东部的衰落地区之一 充斥着铁路编组站 工业废弃地和旧厂房等 在塞纳河左岸130公顷改造项目中 充分利用几十条铁路的上部空间 构成一个巨型托盘 建设若干条高架道路及街区 使城市跨过铁路直到塞纳河边 形成一个整体 成为巴黎东部的一个新亮点 该工程的成功在于 挖掘出该地区的潜在生态位 即城市用地潜力 并将其变成现实生态位 增加了大量紧俏的城市建设用地 上海 新天地 昨天 明天 相会于今天 的设计理念 北地块保留了最具传统特色的里弄肌理 中央拆除保留价值低和违章的建筑后 形成了一个贯通南北的线性室外空间 少量现代处理手法穿插期间 南地块保留少量传统建筑 以新的时尚建筑为主围合成内部广场 在时空序列中 浓郁传统风味的老肌体与具有强烈现代艺术特征的新肌体富有节奏地接替出现 形象地展现了 昨天 明天 相会于今天 的设计主题 该项目所确定的适宜生态位 并非是遗产保护或旧城改造 而是满足人们对消费文化的需求 凝聚人气 以此提升周边的地价 新天地广场自北而南的鸟瞰图 广场东面是新开的大型人工湖 湖的北面建高层办公楼 湖的南面是高层公寓 从北里望向南里 可以看到南里沿兴业路约有二三十米深的地带仍然保留着旧式里弄的面貌 以后逐渐过渡到现代式 深圳蛇口 海上世界 改造工程 停靠在海岸边的一艘法国旧邮轮 明华轮 改造成游乐设施 属旧船再利用的典范 它的特点是 充分挖掘其潜在生态位 使 海上世界 这一地标性建筑物与时俱进 重放光彩 增加城市的吸引力 维也纳煤气罐改造工程 该项目的适宜生态位是工业遗产与现代生活的巧妙结合 2 多样性导致稳定性原理 多样性导致稳定性 这条重要的生态学原理蕴含着深刻的科学思想 具有普遍意义 能对许多领域有重要的启示 形成以三条绿色生态廊道 多处楔形绿地沟通南 北两大湿地的 带 片 网 相结合的绿地系统 3 食物链 网 原理通过物种之间的食物链关系 有效地搭配物种结构组成 一般包括食物链的 加环 设计 生产环 增益环 减耗环 复合环 食物链的 解链 设计 加工环 的设计等三个方面 食物链原理在工业园区规划用的应用 4 系统整体功能最优原理一个稳定高效的系统应该是一个和谐的整体 各组分之间必须具有适当的量的比例关系和明显功能上的分工与协调 以使系统顺利完成物质 能量 信息 价值的转换功能 5 最小因子原理在城市生态系统中 影响其结构 功能行为的因素很多 但处于临界值 最小 的生态因子对城市生态系统功能的发挥具有最大的影响力6 环境承载力原理环境承载力 指某一环境状态和结构在不发生对人类生存发展有害变化的前提下 所能承受的人类社会作用 环境承载力的特点 客观性 主观性 区域性 时间性的特点 环境承载力的分类 1 资源承载力包括 现实的资源承载力 潜在的资源承载力 2 技术承载力包括 现实的技术承载力 潜在的技术承载力3 污染承载力 环境承载力原理的内容 环境承载力会随城市外部环境条件的变化变化 环境承载力的改变会引起城市生态系统的演替 城市生态系统的演替方向与城市中人类活动强度是否与城市环境承载力相协调有关 3 11城市化及其生态后果 一 城市化及城市化的发展1 城市化 通常是指人口向城市地区集中和农村地区转变为城市地区的 或指农业人口转变为非农业人口 过程 2 其表现为 城市数目的增多城市人口规模的不断扩大城市人口增长 以