城镇化与生态环境耦合圈理论及耦合器调控

城镇化与生态环境之间客观上存在着极其复杂的近远程非线性耦合关系,如何协调城镇化与生态环境的关系问题已上升为全球性战略问题和世界性科学难题。本文从理论上揭示了城镇化与生态环境交互作用的耦合性、耦合关系和耦合度;根据主控要素总结出了城镇化与生态环境耦合的10种关系和交互方式;根据耦合度强弱将耦合性分为低度耦合、较低耦合、中度耦合、较高耦合、高度耦合和完全耦合6种类型,分别对应随性耦合、间接耦合、松散耦合、协同耦合、紧密耦合和控制耦合,进而形成城镇化与生态环境耦合塔;创建了城镇化与生态环境耦合圈理论,按每旋转10°生成一个图谱构建了由直线图谱、指数曲线图谱、对数曲线图谱、双指数曲线图谱和"S"型曲线图谱等组合而成的45种耦合图谱,不同图谱对应着不同的城市发展阶段和发展模式。在多种耦合图谱中,认为"S"型曲线耦合图谱是最佳图谱,代表着多种图谱中体现城镇化与生态环境相互作用的最佳耦合状态。以"S"型曲线耦合图谱为依托,借助SD模型及各变量之间存在的一对一、一对多和多对多的复杂关系,构建了由11个调控要素和201个变量构成的耦合调控器(UEC),只要一个变量发生变化,就会牵一发而动全身,影响整个耦合调控器的结构、功能和调控结果。这种耦合调控器包括同一时间多个城市城镇化圈与生态环境圈之间的静态调控、不同时间同一城市城镇化圈与生态环境圈之间的动态调控、不同时间多个城市城镇化圈与生态环境圈之间的动态调控3种时空尺度,通过调控将逐步推动城镇化圈与生态环境圈之间由低级耦合向高级耦合方向演进。

特大城市群地区城镇化与生态环境交互耦合效应解析的理论框架及技术路径

特大城市群地区是国家经济发展的战略核心区和国家新型城镇化的主体区,担当着世界经济重心转移承载地的历史重任,但在发展过程中面临着日益严重的资源与生态环境的胁迫压力。开展特大城市群地区城镇化与生态环境交互耦合效应的研究,是未来10年地球系统科学研究的前沿领域和高优先研究主题。本文系统解析了特大城市群地区城镇化与生态环境交互耦合效应的基本理论框架。首先从理论上分析了特大城市群系统各自然要素和人文要素交互作用的非线性耦合关系及耦合特征,科学辨识近远程主控要素作用下城市群系统内外部各要素相互作用的胁迫强度、近远程耦合机理与规律,总结特大城市群地区城镇化与生态环境交互耦合圈理论,进一步构建多要素—多尺度—多情景—多模块—多智能体集成的时空耦合动力学模型,研发特大城市群地区可持续发展优化智能调控决策支持系统;其次从方法上将特大城市群地区视为一个开放的复杂巨系统,在建立同一标准化共享数据库的基础上,采用多要素—多目标—多模型—多情景环境下的城镇化与生态环境交互耦合集成技术方法、大数据支持下的城镇化与生态环境交互耦合技术方法,构建多尺度—多技术—多智能体集成的城镇化与生态环境交互耦合技术框架,按照分析时空演变特征—寻求主控要素—辨识耦合关系—揭示胁迫机制—发现耦合规律—筛选调控变量—求解临界阈值—进行调控试验—完成情景模拟—提出优化方案—完成情景模拟—提出优化方案—实现国家目标这样一条技术路径,提出解决问题的整体优化方案。本文旨在为特大城市群地区由问题集中区转为可持续发展区提供理论指导和方法支撑。