城市生态学-杨小波版-第五章-城市环境

第五章城市环境第一节城市地质第二节城市大气环境第三节城市气候环境第四节城市水环境第五节城市噪声环境第六节城市土壤环境第七节城市植被第八节城市动物第九节城市环境与居民健康及经济益损分析自然环境（naturalenvironment）:一切可以直接或间接影响到人类生产、生活的自然界中物质和能量的总体。包括空气、水、生物、土壤、岩石矿物、太阳辐射等。按要素分:大气环境、水环境、土壤环境；按地理纬度分:低纬度环境（热带环境）和高纬度环境；按生态特征分:陆生环境和水生环境等；按人类的干扰（disturbance）程度分：原生环境和次生环境。人工环境（artificialenvironment）:人类在开发利用、干预改造自然环境的过程中构造出来的有别于原有自然环境的新环境,次生环境(secondaryenvironment)。如农田、水库、林场、牧场、城市等。第一节城市地质一、地质环境（geologicalenvironment）指地球表面以下坚硬的地壳层(crust)。1、生物与地质环境的关系(1)地质环境是人类和其他生物的栖息场所和活动空间，为人类和其他生物提供丰富营养元素，故人类和生物体的物质组成及其含量同地壳的元素丰度之间有明显的相关性。(2)地质环境向人类提供矿产和能量。(3)人类对地质环境的影响随着现代技术水平的提高而愈来愈大。2、城市建设的地质环境（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。世界上的城市大体分两种情况：一种是整个城市位于古老地台之上，多由花岗岩（granite）、片麻岩(gneiss)、石英(quartz)等古老结晶组成岩底，其上盖有数米乃至上千米厚度不等的沉积岩，如Moscow。另一种情况是城市占地面积较大，位于复杂的地质构造环境之中，如Mexicocity，SaoPaulo,Beijing。二、城市建设用地的工程地质类型可分为4个等级：(1)不需要进行任何处理的良好建设用地；(2)适宜于建设，但需要简单工程处理的用地；(3)可以进行建设，但需要进行适当工程处理的用地；(4)不适于工程建设的用地。上述工程地质等级类型主要是根据岩性、地基土承载力、压缩性、湿陷性，基础底面下的内聚力和内摩擦力，工程病害和措施，以及地貌、土质、地下水和洪水淹没等条件的综合分析而划分的。（一）黄土(loess)又称湿陷大孔性土壤，当干燥时有较高的耐压力，当进水受潮时，会产生大量沉陷，从而使地面上的建筑物下沉、变形或破坏等。分为自重湿陷性和非自重湿陷性二类。自重湿陷性:指黄土被浸湿后，未加任何荷重而产生下沉的现象；非自重湿陷性:指黄土被浸湿后，因外加荷重而产生下沉的现象。（二）冲沟(gully)在黄土和黄土状的砂质粘土地带，土壤疏松，易于被水冲刷形成冲沟。冲沟可将市区分割成许多零碎的地段，影响交通及市政工程建设。（三）喀斯特现象（karstlandform）喀斯特现象就是石灰岩等溶洞。（四）滑坍由于地质构造、地形、地下水或风化作用，造成大面积的土壤弧形下滑，就会造成滑坍。其他地质：沼泽、海滩、沙丘等。滑坡landslide，泥石流（mud-rockflow）喀斯特地貌第二节城市大气环境大气环境主要是指大气圈。一、城市大气（见图5-1）从地表向上大约80公里或85公里的高度，大气的化学组成按其体积成分比例基本上是一致的，称为均质层，包括对流层，平流层和中间层。均质层里有地球生物赖于生存的干洁大气，即除水汽以外的纯净空气，其主要成分见表。气体种类分子式空气中的含量（%）按体积按质量氮N278.0975.52氧O220.9523.15氩Ar0.931.28二氧化碳CO20.030.05臭氧O30.000001对流层：大气最下层为对流层，下界为地表，上界距地表约8-18km，夏季比冬季略高。它提供生物生存所必需的C、H、O、N等元素，这层大气有垂直对流与水平运动，含有杂质，并集中了地球大气总质量的74%以及几乎全部水汽。产生一系列复杂的气候变化，直接影响着人类的生产和生活。平流层：对流顶层至50-55km的范围为平流层。这是一个强大的逆温层，垂直运动微弱，气流平稳，水汽和尘埃极少，除偶有贝母云、夜光云外，没有复杂的天气现象。距地表25-50公里处有一圈臭氧层。它能吸收太阳紫外线和宇宙射线，成为人类的“保护伞”。中间层：自平流层顶到80-85公里时中间层。热层：从中间层顶以上进入非均质层，气流急剧上升，温度高达1100-1650oC。这是太阳辐射中的紫外线被该层大气中的氧原子强烈吸收的结果。从85-800公里的气层称电离层,反射无线电波，通讯中起作用。GPS（GlobalPositionSystem）,GIS(GeographicInformationSystem),RS(RemoteSensing)。GPS卫星高度20，000km左右,三颗即覆盖全球。中国大地原点陕西泾阳，水准原点青岛观象山。二、城市大气污染（一）大气污染（airpollution）指大气中污染物质的浓度达到有害的程度，以至破坏生态系统和人类正常生存和发展的条件，对人和物造成危害的现象。大气污染由污染源、大气圈和受影响者三个环节组成。（二）空气污染空气污染源分点源和面源。点源:集中在一点或可当作一个点的小范围内空气中排放污染物的污染源。面源：在一个面积大小不可忽略的范围内向空气排放污染物的污染源。取暖，农田燃烧秸杆。城市中大气污染物的来源有两种：一为固定源，指污染物从固定地点排出，如工厂、火电厂、钢铁厂等。二为流动源，如汽车、火车、轮船、飞机。洁净空气，污染空气中气体污染物的含量（ppm）污染物洁净空气污染空气二氧化硫10-3-10-20.02-2二氧化碳310-330350-700一氧化碳15-200二氧化氮10-3-10-210-2-10-1碳氢化合物11-2(1)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。(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。(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，起粒径多大于1微米。(v)烟雾:空气中的煤烟和自然界的雾相结合的产物。较典型的有两种：①伦敦型，煤尘、二氧化硫和雾相混合并伴有化学反应产生的烟雾。②洛杉矶型，汽车排气和氮氧化合物通过光化学反应形成的烟雾。(vi)烟气:含有粉尘、烟雾及有害有毒气体成分的废气。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。（2）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)微粒：微粒有尘、烟、雾3种。大于1µm的固体物质为尘，小于1µm的固体物质为烟，液体微粒为雾。降尘可以为人们上呼吸道纤毛所阻拦，危害不大，飘尘则可能进入肺泡并吸收进血液循环。飘尘的成分十分复杂。(vi)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）酸雨(acidrain)pH5.6的雨雪或其他方式形成的大气降水（如雾，露，霜等)。酸雨的毒害比SO2大，当空气中硫酸雾达到0.8ml.L-1时，会使人患病。酸雨影响动植物的生长，使水体酸化，腐蚀金属，油漆，含碳酸钙的建筑材料等。引起酸雨的主要离子有：SO42-、NO3-、Cl-、F-。中国酸雨的特点：1.在空间地理分布上南方比北方严重,尤以烧高硫煤的西南城市为重,如重庆和贵阳.2.在时间分布上冬天和春天比较严重。（四）中国城市空气污染特点中国城市大气污染是以二氧化硫,颗粒物质为代表的煤烟污染。中国能源结构中煤炭占76.12%,工业能源结构中烧煤占73.9%。北方比南方严重，大城市最严重，特大城市，中小城市次之。工业城市、交通稠密城市严重，综合性城市、旅游城市、经济欠发达城市较轻。（五）大气污染对人类健康的危害1、环境空气污染传统上把空气污染和工业排放联系起来,但城市机动车已经变成一个主要的污染源。气喘和慢性支气管炎和空气污染极为密切。2、家庭来源的空气污染发展中国家的家庭炉火可能构成了最大的空气污染和健康公害，妇女和儿童是主要的受害者。蚊香，吸烟，废物燃烧。发展中国家家庭燃料的能量阶梯：不干净的燃料如庄稼残余物和木柴处于最低层，随后是木炭，煤油,液化气，最后是电能。在这个能量阶梯中位置越高，燃烧的污染越小。应发展洁净方便的燃料，如液化气和电能。第三节城市气候环境一、概述城市气候：城市内部形成的不同于城市周围地区的特殊小气候。1、城市空气垂直分层（见图5-2）(1)城市覆盖层（urbancanopylayer）:在城市建筑物屋顶以下至地面。这一层气候变化受人类活动影响最大,与城市规划、布局、建筑物密度、高度、几何形状、街道宽度、走向、建筑材料、空气污染浓度、人为热与人为水汽、绿化覆盖率及水系等因素有关。（2）城市边界层(urbanboundarylayer):由建筑屋顶向上至积云中部高度,这一层气候变化受大气质量和参差不齐的屋顶热力和动力影响，与城市覆盖层进行能流与物流交换，并受区域气候影响。（3）市尾烟气层(urbanplumelayer):在城市下风方向还有一个城市尾羽层,这一层空气中的云、雾、降水、气温、污染物等均受城市中人的行为的影响。（4）乡村边界层(ruralboundarylayer):在市尾烟气层之下。2、城市气候形成的原因(1)城市具有特殊的下垫层。(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，使城市内部形成一个不同于自然气候的城市气候环境。(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。二、城市气候环境各论（一）城市气温1、城市“热岛效应”(heatislandeffect)指城市气温高于郊区气温的现象。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。在园林绿地园或地带形成低温中心或低温带，城市绿地在冬季和夜晚起保温作用，在夏季和白天起降温作用。城市热岛形成的原因:(i)城市下垫面的性质特殊。(ii)下垫面的建筑材料的热容量,导热率比郊区自然界的下垫面要大。(iii)建筑物，道路，广场不透水。(iv)有较多的人为热进入大气层。(v)建筑密集，通风不良，不利于热量的扩散。2、逆温(inversiontemperature)在大气圈的对流层内，气温垂直变化的总趋势是随着海拔高度的增加而逐渐降低。这是因为大气主要依靠吸收地面的长波辐射而增温。在近地面的低层中，可能有气温的垂直递减率t0,t=0或t0。t=0时，气温不随高度变化，这种气层称为等温气层；t0时，气温随海拔高度增加而增加,这种气层称为逆温层。逆温的形成有多种原因，在晴朗无风的夜晚，地面和近地面的大气层强烈冷却降温，而上层空气降温较慢，因而出现上暖下冷的逆温现象，这种逆温称为辐射逆温。在山区，夜间山坡上的空气冷却很快，于是冷空气順坡下沉到谷底，把谷地中原来的暖空气抬挤上升，而形成上暖下冷的逆温现象