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城市化进程与地球物理学研究

时间:2006-11-23栏目:物理论文

 【内容提要】城市是现代社会政治、经济和生活的重心,随着世界经济一体化的进一步加剧,国内外城市化的进程迅速发展。我国在面临WTO挑战的同时,必将面对我国城市机体迅速扩大所产生的各类与地学研究有关的问题。城市地球物理学在这样的背景下应运而生。主要论述城市地球物理学这一新兴学科的发生与发展、城市地球物理学重要的社会价值、关键的科学问题、主要的研究方法、当前的研究内容以及与城市地球物理学发展有关的问题,希望得到社会各界和有关部门的关注。
    1 国内外城市化进程发展状况
  当前,城市的快速发展已成为全球的共同趋势。联合国的统计资料[1]表明,人口城市化的趋势在不断地加速发展。图1表示了这种发展趋势。从图1可以看出,1950年的世界人口约为25亿,其中仅有30%的人口生活在城市。到20世纪末,城市人口大幅度增加,已经达到世界人口的50%。根据图1所示数据,预计到2025年,城市人口将占据世界人口的60%。城市数量和城市人口的迅速增长对人居环境提出了严峻的挑战。表1给出了世界上人口在100万以上的城市数量的增长[1]。从1950-1995年期间,全世界拥有百万人口以上的城市数目由83个增加到325个,说明95年城市数量是50年的3.9倍,这种趋势在第三世界国家尤为明显,同一时期城市的数目增加了6.3倍。
    表1 1950-1995年间人口在百万以上的城市数目
    Table  1  City  numbers  of  population  beyond  one  million  between  1950  to  1995  
年代        1950    1995      1995:1950
第三世界城市数  34     213      6.3
发达国家城市数  49     112      2.3
全世界城市数   83     325      3.9

  
  我国的城市化进程与世界同步,近年来呈现出高速发展的趋势。图2给出了我国城市数量增加的数据[2]。
    2 城市化促进自然科学新领域的产生与发展
  我们首先以传统的地理学为例。近几十年来,尤其是第二次世界大战以后城市地理研究发展迅速,内容和影响都超过了传统地理学,成为人文地理学的一门重要分支学科。对城市进行地理学研究始于19世纪。第二次世界大战以后,许多国家的城市需要重建,世界范围内的城市化进程加速,这些都要求对城市进行全面的研究和规划,促使大批地理学家投入城市研究或城市规划工作。新兴的城市地理学的核心问题是研究区域的空间组织与城市内部的空间组织两种地域系统的关系。围绕这两种地域系统,具体的研究内容有:城市化研究、城市分类研究、城市体系研究、城市群和大城市集群区研究、城市综合地理研究等。城市地理学在城市化进程中逐渐形成了独特的研究方法:早期数量方法、系统分析方法、城市信息系统方法、空间抽样调查方法等。此外,地图是地理研究的传统工具。航空像片和卫星像片在城市地理研究中表现出重要作用,是研究城市时空变化关系的基础数据。
  附图
    图1 全世界城市化城市人口百分比[1]
    Fig.1  Percentage  of  urban  population  among  the  total  population  in  world  cities
  附图
    图2 中国城市数目随时间的变化[2]
    Fig.2  Number  of  cities  in  China
  以典型的工程科学——建筑学为例,随着城市化现象的迅速推进,建筑学向广度和深度发展。孤立地、狭隘地研究建筑现象已经说明不了问题,满足不了需要。客观实际已经按照系统工程的规律伸展了它固有的领域。城市及其区域已经逐步形成了一个开放的复杂的巨系统。城市化对建筑科学的影响,使得系统的思想进入到传统的建筑科学,进一步突出了新的建筑科学的关系——人与环境的关系[3]。钱学森考虑到中国传统的文化艺术和自然特色等种种因素,形象地提出了山水城市的理念,这一思想对建筑科学的发展,具有深远的意义。
  以地球物理学为例,城市化问题使得传统地球物理学的研究方法、研究对象和研究内容面临新的机遇和挑战。20世纪初,地震波证实了地球铁核的存在,证明了2900km深度存在地核与地幔的边界。30年代,地球物理方法发现了地球内核的存在,在此基础上,科学家提出了地球内部分层模型。20世纪中期,各种地球物理勘探方法初步形成。40~50年代,地球物理学的主要研究对象是勘探固体矿产资源,60~70年代在此基础上增加了石油和天然气,80~90年代又增加了水资源。随着工业化进程的加快,环境问题也日益成为地球物理学的研究对象。总而言之,20世纪地球物理学的研究对象是以自然资源为主。20世纪末的全球性城市化发展趋势,使21世纪的地球物理学不可避免地要面对诸多的城市问题。80年代以来,由于地球科学各分支学科的日益成熟和全球环境问题的日益突出,人们认识到地球各圈层相互作用以及人类活动的重要性,地球科学的发展开始进入地球系统科学的新时代。城市地球物理学的发展在这样的时代背景下产生。城市地球物理学是一个全新的概念,是地球科学国际研究前沿的新兴学科。传统地球物理学的主要研究对象是自然现象,而城市地球物理学则主要研究自然现象与人类活动的相互作用。因此,在城市地球物理学研究中,除了自然科学问题之外,还应强调科学与社会的结合、各相关学科的综合及与各社会部门的协调。图3表示了城市地球物理学与环境科学和地理学之间的关系,这三者既有各自独特的研究领域,又有密切相关的交叉研究内容。
  附图
    图3 城市地球物理学、环境科学、地理学之间的关系
    Fig.3  Relationship  among  urban  geophysics,environmental  sciences  and  geography

    3 城市地球物理研究的社会需求
  (1)城市建设。科学家们预计21世纪的城市在向高空发展的同时,也将向地下索取空间,建设深层地下都市已经在科学家构想之中。20世纪平面式的城市功能在21世纪将从地下、地上两个方面重新进行立体配置。在一系列城市建设活动中,迫切需求地学界利用地球物理的观测和预测方法对城市地下空间的结构给出定量的描述,为城市规划积累基础数据。
  (2)城市灾害。人类大规模的经济—工程活动对环境的影响,已经达到了与自然地质作用相提并论的程度,而且发展速度快、影响范围大。各种灾害无情地破坏着人类的居住空间,给人类的生存造成威胁。这些灾害发生在地学研究的领域,迫切需求地学界利用地球物理的观测和预测方法对各种起因的城市地质灾害和对环境的破坏进行详细的调查。
  (3)城市地下污染。原生环境的缺陷以及由人为因素造成的地下环境污染,在地下水的作用下,对生态与工业构成极大的危害,迫切需求地学界利用地球物理的观测和预测方法调查地下水的分布,为制定防治规划提供基础数据。
    4 城市地球物理研究的主要科学问题及其研究方法
  城市地球物理学作为一门新兴学科,其主要特点是学科的交叉性及其社会服务性,城市地球物理不仅与地学界的其他学科有广泛的交叉性,而且与地学界以外的诸如人文类、社科类学科也有不可缺少的交叉内容。城市地球物理研究的最终任务是服务于社会,科学研究的核心问题是人与自然的关系问题。具体解释为:
  (1)城市近地表结构与地质灾害的相互作用关系。天然与人为的地质灾害对城市构成极大的危害。这些灾害改变和破坏近地表地质结构,近地表地质结构从客观上阻止或促成地质灾害的发生。二者之间的相互作用关系是科学研究的问题之一。
  (2)城市近地表结构与地下基础设施和地下建筑的相互作用关系。地下基础设施是城市的命脉,地下基础设施的科学规划以及地下建筑计划需要对近地表结构的观测与评价,大型地下建筑有可能改变城市地下应力场的平衡,二者之间的相互作用关系在未来城市发展中为地学研究提供了一个新的研究空间。
  (3)城市近地表结构与地下环境污染的相互作用关系。地下环境污染破坏生态环境、危害人类

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