基于水环境基础设施可持续性的城市空间增长模式研究

This study aims to explore environment friendly urbanization strategies in China, regarding the sustainability of urban wastewater infrastructures. First, the study will summarize the changing patterns of urban spatial growth, the variations of land use type and intensity of major cities in China over the last ten years. It will also analyze the evolutionary characteristics of the amounts, structures and layouts of urban wastewater infrastructures in the context of rapid urbanization. Subsequently, the key impacts of urban spatial growth on wastewater infrastructures are to be identified. Second, this study will apply theories and methods of complex system analysis to develop an urban spatial growth simulation model based on land use change, and an urban wastewater infrastructure planning model based on a multi-objective optimization algorithm. Furthermore, the two models will be integrated, at a land plot scale, into a comprehensive computational system. Third, the integrated model will be operationalized in case studies. Typical urban spatial growth scenarios will be constructed and the responsive changes in system structures and layouts of the water environmental infrastructures will be examined for a few selected cities/urban areas. Forth this study will assess the sustainability of the urban wastewater infrastructures in different scenarios, regarding economic and environmental effectiveness as well as system resilience. Lastly, this study will discuss and present key implications for future urban spatial growth (including urban growth rate, spatial development and conservation, and intensified land use, etc.), aiming at a gradual improvement of the infrastructure's sustainability. This study will provide valuable insights to urban growth and its environmental effects and is therefore believed to facilitate a rational decision-making process, at both national and local levels, as a guiding variable for China's contemporary urbanization strategy.

本研究围绕国家推进新型城镇化的重大战略需求，分析总结过去十年中国主要地级城市空间增长规模、用地类型及强度的变化规律，研究快速城镇化背景下城市水环境基础设施规模、结构和布局的演变特征，识别不同城市空间增长模式对于水环境基础设施的关键影响；综合运用复杂系统建模理论和方法，分别研发基于土地利用变化的城市空间增长动态模拟模型、基于多目标优化的水环境基础设施规划模型，集成开发基于地块尺度的城市空间增长-水环境基础设施综合模拟系统；将该系统应用于若干典型城市，定量模拟案例城市未来十年空间增长速度和用地强度情景下水环境基础设施结构和布局的变化响应，评估和比较不同水环境基础设施规划方案的投资费用、环境效益、系统弹性等特征；以提高水环境基础设施可持续性为目标，从规模理性增长、空间合理利用、用地集约高效等方面提出城市空间增长模式选择的对策建议，为国家和地方科学制定城镇化战略提供研究支撑。

如何选择合理的城市空间增长模式，提高水环境基础设施系统的可持续性，确保城市中长期的水环境安全，是今后国家推进新型城镇化面临的重要挑战。.本研究建立了2000-2013年中国地级市城市发展与水环境基础设施数据库，基于此分析了全国284个地级城市空间、人口、经济和社会四方面城市化的时空特征，以及污水处理设施、雨污水收集管网、节水和再生水设施三方面的水环境基础设施时空特征，并利用相关性分析的方法识别了城市空间增长模式对水环境设施的影响。结果显示，我国城市化水平总体呈现东高西低，南高北低的趋势，东西差异更为明显，全国城市的空间、人口、经济和社会城市化都呈现明显的集簇现象，城市密集区逐渐形成；城市水环境设施水平呈现“中高周低”的特征，东西部差异明显，不同地区在管网建设、污水处理厂建设及提高设施利用率等方面需要有不同的侧重；相关性分析结果显示，空间城市化、经济城市化指标对水环境设施水平影响最大，雨污水收集设施指标对城市化响应最为明显。.运用复杂系统建模理论和方法，分别研发了基于分布式元胞自动机的城市土地利用变化及空间增长模型、基于多目标优化的水环境基础设施规划模型，并分别在芜湖-马鞍山城市区域及昆明市北排水片区进行参数率定和模拟应用。考虑到实际案例数据获得难、代表性有限等局限性，本研究稍作调整，构建虚拟城市作为研究对象，通过提取和概化中国小城市的空间特点，设置虚拟城市相关参数，集成开发了基于虚拟城市地块尺度的城市空间结构-水环境基础设施综合模拟系统，定量模拟了不同城市外轮廓形态、人口布局方式、空间扩张方式、用地布局方式下分流制雨水和污水系统性能的响应规律，评估和比较了不同水环境基础设施规划方案的生命周期成本、环境有效性、系统适应性等特征；以提高水环境基础设施可持续性为目标，从规模理性增长、用地集约高效、空间合理利用等方面提出城市空间增长模式选择的对策建议，为国家和地方科学制定城镇化战略提供研究支撑。