第四章城市生态系统中的非生物环境

1第四章城市生态系统中的非生物环境第一节城市地质环境一、地质环境是城市发展的基础1、地质环境：指地球表面以下坚硬的地壳层。2.城市建设中的地质问题（1）城市的地质稳定性：（2）城市的地质安全性：现代地质作用对城市的影响。（3）城市地质基础：（4）城市的供水条件：在干旱地区和地表水缺乏的地区，地下水是城市用水的主要来源。二、影响城市建设的主要地质因素1.工程地质因素；2.水文地质因素；3.地质构造因素；4.海平面升高或降低5.地震三、城市建设用地的工程地质类型(1)一类用地：自然条件优越，不需要进行任何处理的良好建设用地；(2)二类用地：适宜于建设，但有一定限制，需要简单工程处理的用地；(3)三类用地：可以进行建设，但需要进行适当工程处理的用地；取决于科学技术水平和经济发展水平。(4)不适于工程建设的用地。按生产建设对地质稳定程度的要求将建筑地段分：（1）高度稳定地段：任何外力都不能破坏的地段。岩浆岩、变质岩或具有水平”块状”并形成平滑表面的沉积岩。（2）不稳定地段:在自然条件下处于稳定状态，但容易被一定形式的外力或者不适宜的建筑结构所破坏。它的不稳定性有一定的限度，可以通过某种措施来监测。（3）高度不稳定地段（十分危险地段）：这类地段常发生现代技术手段难以监测的地质灾害。如大面积土崩、现代冰川、遭受强烈腐蚀的海崖、地震高发区、地壳热力作用和活火山等地段。2四、地貌环境与城市建设1.城市化引起地貌过程发生变化2.同时地貌环境对城市开发建设也产生影响3.地貌对城市生态环境产生影响：影响水文资源、城市土地类型及垃圾场的选止。第二节城市气候环境一、城市气候的概念、形成的原因（一）城市气候的概念：城市内部形成不同于城市周围地区的特殊小气候。（二）城市气候所涉及的范围（1）城市覆盖层：在城市建筑物屋顶以下至地面。（2）城市边界层：由建筑屋顶向上至积云中部高度。（3）市尾烟气层：在城市下风方向还有一个城市尾羽层，（4）乡村边界层：在市尾烟气层之下。（三）城市气候形成的原因(1)城市具有特殊的下垫面。(2)由于工业生产、交通运输、取暖降温、家庭生活等活动所释放出的能量，废气和尘埃，使城市比郊区增加了许多额外的热量收入。(3)由于大量气体和固体污染物排入空气中,明显的改变了城市上空大气组成，影响了城市空气的透明度和辐射能量收支。并为城市的云、雾、降水提供了大量的凝结核。(4)城市供排水的方式和农村不同，在燃烧和某些工业生产产生大量的人为水汽，致使城市水分平衡与农村不同。二、城市的辐射与日照1.城市太阳总辐射较乡村少2.城市下垫面反射率小3.城市日照总时数和日照百分率小于乡村4.城市内部日照地区差异明显3三、城市的热量平衡与城市热岛效应（一）城市热岛效应：指城市气温高于郊区气温的现象。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。在人口密度大，建筑密度大，人为释放热量多的市区，形成高温中心。（二）城市热岛形成的原因(1)城市下垫面的性质特殊；(2)下垫面的建筑材料的热容量，导热率比郊区下垫面要大；(3)建筑物，道路，广场不透水，降雨后很快随排水系统流走，因而地面蒸发量小；(4)有较多的人为热进入大气层。(5)建筑密集，通风不良，不利于热量的扩散；（四）城市热岛强度的变化1.周期性变化日变化：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2.非周期性临界风速：风速大则热岛效应小，超过临界风速时则消失云量：强热岛大多出现在无云的天气状态下3.城市热岛强度的地区差异A.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B.城市规模（面积、人口及其密度等）对热岛强度亦有影响。在规模大，人为热量释放多的市区，易形成高温中心。C.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4大。在园林绿地带白天或夏天易形成低温中心或低温带，起降温作用。在夜晚和冬季起保温作用，气温的日振幅、年振幅较小。所以，城市中的水面和有植被的地方增温和缓，可以降低热岛强度，且面积越大，越明显D.城市热岛是一种小尺度的气象现象，它受到大尺度天气形势的影响。当天气形势在稳定的高压气团控制下，气压梯度小，微风或无风，天气晴朗，无云或少云，有下沉逆温时，有利于热岛的形成。四、城市的风及局部环流（一）城市热岛环流（二）城市发展对盛行风的影响1.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。2.城市的平均风速比郊区小。3.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。（三）城市覆盖层内部风的局地差异1.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。2.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。五、城市的湿度、降水及水分平衡1.城区年均绝对湿度和相对湿度比郊区低2.城区比郊区雾多，能见度低3.城市的降水与水分平衡与郊区存在差异1)城市水分收入项比郊区大2）城市下垫面蒸散量和水分贮存量比郊区小3）城市径流量比郊区大，峰值出现时间早六、城市大气污染与城市气候的关系（一）大气污染的概念：指大气中的污染物质的浓度达到有害的程度，以致于破坏生态系统和人类正常生存发展的条件，对人和物造成危害的现象。5（二）大气污染源和污染物1.大气污染源（1）按范围大小，大气污染源分为点源：集中在一点或可当做一个点的小范围内向空气排放污染物的污染源。如工业污染源。面源：一个面积大小不可忽略的的范围向空气排放污染物的污染源。如居民的取暖锅炉、炊事炉灶、农田、林场等。（2）按流动性与否，大气污染源分为固定源：从固定地点排放的污染源；工厂、火电厂、钢铁厂等。流动源：汽车、火车、轮船、飞机。流动源特点：小型的、分散的、具流动性，但数量庞大，活动频繁。目前许多城市中机动车已变成一个最主要的污染源。2.大气污染物按习惯分为颗粒状污染物和气态污染物。颗粒状污染物(i)降尘：直径大于10µm的微粒，在空气中很容易自然沉降。降尘可以为人们上呼吸道纤毛所阻拦，危害不大。(ii)飘尘：直径小于10µm的微粒，它在大气中长时间漂浮而不易沉降下来。飘尘中，粒径在0.25-10µm之间的均称为云尘。飘尘的成分十分复杂，可进入肺泡并吸收进血液循环。(iii)粉尘：工业生产中由于物料的破碎、筛分、堆放、转运或其他机械处理而产生的直径介于1-100µm之间的固体微粒，其化学组成相当复杂，有镉、铬、铜、铁、猛、钛、锌，非金属氧化物、各种盐类及有机化合物。(iv)烟尘：由于燃烧、熔融、蒸发、升华、冷凝等过程所形成的固态或液态悬浮微粒，其粒径多大于1微米。(v)烟雾：空气中的煤烟和自然界的雾相结合的产物。(vi)烟气:含有粉尘、烟雾及有害有毒气体成分的有害物。颗粒状污染物约占整个大气污染物的10%，其余90%全部为气态污染物。6气态污染物(i)硫氧化物：SO2、SO3。(ii)氮氧化物：NO、NO2。(iii)碳氢化物：化石燃料不完全燃烧的产物。(iv)碳的氧化物：CO,可降低血液中的输氧能力而引起死亡(v)3，4-苯并芘：BP，是燃料及有机物质400℃以上热解，环化，聚合生成的一种芳香族类化合物，是一种对人及动物有较强致癌作用的化学物质。（三）城市大气污染的类型城市大气污染有伦敦型和洛杉矶型两种类型伦敦型污染的特点（1）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；我国各大城市的空气污染基本上属于这种类型，又称煤炭型空气污染。（2）排出的主要污染物：烟尘、SO2、CO等；（3）大气中烟尘浓度变化：年变化：冬季最高，春秋次之，夏季最小；日变化：烟尘浓度以早晨8时左右最大，晚间次之。（4）当硫化物和雾一起形成硫酸烟雾时危害严重。洛杉矶型污染的特点（1）大气污染源：主要来自汽车等交通工具；又称石油型空气污染。（2）大气的主要污染物：汽车尾气排出的一次污染物（NOx、HxCx、CO和铅尘等）和经光化学变化产生的二次污染物；（3）大气中烟尘浓度变化（与煤炭型相反）：年变化：夏秋季节最浓，冬季最淡，日变化：光化学烟雾只在白天出现，中午附近最浓，夜晚因无日照，因而不会有污染现象。在60°的高伟地区不易发生光化学污染，在30-35°的地区受害严重。（四）城市大气污染与城市气候的关系71.城市气象条件对大气污染物的稀释和扩散作用A.风和湍流的影响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。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。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。B.大气稳定度的影响大气稳定度():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。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。大气垂直递减率越大，大气越不稳定，湍流得以发展，污染物被稀释扩散的越强。反之，递减率越小，大气越稳定，在市区上空往往形成一穹隆形的尘盖。污染物停滞积累在近地大气层中，加剧大气污染。一年之中，夏季的垂直温差较大，冬季较小，所以冬季常出现逆温，易形成大气污染；一天之中，白天垂直温差较大，夜晚较小，夜间易发生大气污染；所以一般在冬季无风的的夜晚，最易形成大气污染。2.对大气污染物的冲洗、凝聚、和化学反应3.城市大气污染的地区差异4.城市大气污染产生的各种不良影响：对城市气候的影响；对城市居民健康的危害；对各种物品的腐蚀七、城市气候与城市规划和城市建设（一）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8洲各地比较适用。然而我国属季风气候区，该原则其实并不适用。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：季风变化区、主导风向区、无主导风向区、准静止风区、特殊地区季风变化型：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，冬季污染在城南，夏季在城北。城市规划中不能仅用年风向风频率玫瑰图，而要将1月、7月风向玫瑰图一并考虑，在规划中应尽量避开冬夏对吹的风向，把那些向大气排放污染物的企业，按最小风频方向，布置在居住区的下风向，以尽可能减少居住区的污染。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%；两者夹角为135~180；全年最