城市化進程與地球物理學研究【內(nèi)容提要】城市是現(xiàn)代社會政治、經(jīng)濟和生活的重心，隨著世界經(jīng)濟一體化的進一步加劇，國內(nèi)外城市化的進程迅速發(fā)展。我國在面臨WTO挑戰(zhàn)的同時，必將面對我國城市機體迅速擴大所產(chǎn)生的各類與地學研究有關的問題。城市地球物理學在這樣的背景下應運而生。主要論述城市地球物理學這一新興學科的發(fā)生與發(fā)展、城市地球物理學重要的社會價值、關鍵的科學問題、主要的研究方法、當前的研究內(nèi)容以及與城市地球物理學發(fā)展有關的問題，希望得到社會各界和有關部門的關注。

1國內(nèi)外城市化進程發(fā)展狀況

當前，城市的快速發(fā)展已成為全球的共同趨勢。聯(lián)合國的統(tǒng)計資料[1]表明，人口城市化的趨勢在不斷地加速發(fā)展。圖1表示了這種發(fā)展趨勢。從圖1可以看出，1950年的世界人口約為25億，其中僅有30%的人口生活在城市。到20世紀末，城市人口大幅度增加，已經(jīng)達到世界人口的50%。根據(jù)圖1所示數(shù)據(jù)，預計到2025年，城市人口將占據(jù)世界人口的60%。城市數(shù)量和城市人口的迅速增長對人居環(huán)境提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。表1給出了世界上人口在100萬以上的城市數(shù)量的增長[1]。從1950-1995年期間，全世界擁有百萬人口以上的城市數(shù)目由83個增加到325個，說明95年城市數(shù)量是50年的倍，這種趨勢在第三世界國家尤為明顯，同一時期城市的數(shù)目增加了倍。

表11950-1995年間人口在百萬以上的城市數(shù)目

Table

1

City

numbers

of

population

beyond

one

million

between

1950

to

1995

年代

19501995

1995:1950

第三世界城市數(shù)34213

發(fā)達國家城市數(shù)49112

全世界城市數(shù)83325

我國的城市化進程與世界同步，近年來呈現(xiàn)出高速發(fā)展的趨勢。圖2給出了我國城市數(shù)量增加的數(shù)據(jù)[2]。

2城市化促進自然科學新領域的產(chǎn)生與發(fā)展

我們首先以傳統(tǒng)的地理學為例。近幾十年來，尤其是第二次世界大戰(zhàn)以后城市地理研究發(fā)展迅速，內(nèi)容和影響都超過了傳統(tǒng)地理學，成為人文地理學的一門重要分支學科。對城市進行地理學研究始于19世紀。第二次世界大戰(zhàn)以后，許多國家的城市需要重建，世界范圍內(nèi)的城市化進程加速，這些都要求對城市進行全面的研究和規(guī)劃，促使大批地理學家投入城市研究或城市規(guī)劃工作。新興的城市地理學的核心問題是研究區(qū)域的空間組織與城市內(nèi)部的空間組織兩種地域系統(tǒng)的關系。圍繞這兩種地域系統(tǒng)，具體的研究內(nèi)容有：城市化研究、城市分類研究、城市體系研究、城市群和大城市集群區(qū)研究、城市綜合地理研究等。城市地理學在城市化進程中逐漸形成了獨特的研究方法：早期數(shù)量方法、系統(tǒng)分析方法、城市信息系統(tǒng)方法、空間抽樣調(diào)查方法等。此外，地圖是地理研究的傳統(tǒng)工具。航空像片和衛(wèi)星像片在城市地理研究中表現(xiàn)出重要作用，是研究城市時空變化關系的基礎數(shù)據(jù)。

附圖

圖1全世界城市化城市人口百分比[1]

Percentage

of

urban

population

among

the

total

population

in

world

cities

附圖

圖2中國城市數(shù)目隨時間的變化[2]

Number

of

cities

in

China

以典型的工程科學——建筑學為例，隨著城市化現(xiàn)象的迅速推進，建筑學向廣度和深度發(fā)展。孤立地、狹隘地研究建筑現(xiàn)象已經(jīng)說明不了問題，滿足不了需要?？陀^實際已經(jīng)按照系統(tǒng)工程的規(guī)律伸展了它固有的領域。城市及其區(qū)域已經(jīng)逐步形成了一個開放的復雜的巨系統(tǒng)。城市化對建筑科學的影響，使得系統(tǒng)的思想進入到傳統(tǒng)的建筑科學，進一步突出了新的建筑科學的關系——人與環(huán)境的關系[3]。錢學森考慮到中國傳統(tǒng)的文化藝術和自然特色等種種因素，形象地提出了山水城市的理念，這一思想對建筑科學的發(fā)展，具有深遠的意義。

以地球物理學為例，城市化問題使得傳統(tǒng)地球物理學的研究方法、研究對象和研究內(nèi)容面臨新的機遇和挑戰(zhàn)。20世紀初，地震波證實了地球鐵核的存在，證明了2900km深度存在地核與地幔的邊界。30年代，地球物理方法發(fā)現(xiàn)了地球內(nèi)核的存在，在此基礎上，科學家提出了地球內(nèi)部分層模型。20世紀中期，各種地球物理勘探方法初步形成。40～50年代，地球物理學的主要研究對象是勘探固體礦產(chǎn)資源，60～70年代在此基礎上增加了石油和天然氣，80～90年代又增加了水資源。隨著工業(yè)化進程的加快，環(huán)境問題也日益成為地球物理學的研究對象。總而言之，20世紀地球物理學的研究對象是以自然資源為主。20世紀末的全球性城市化發(fā)展趨勢，使21世紀的地球物理學不可避免地要面對諸多的城市問題。80年代以來，由于地球科學各分支學科的日益成熟和全球環(huán)境問題的日益突出，人們認識到地球各圈層相互作用以及人類活動的重要性，地球科學的發(fā)展開始進入地球系統(tǒng)科學的新時代。城市地球物理學的發(fā)展在這樣的時代背景下產(chǎn)生。城市地球物理學是一個全新的概念，是地球科學國際研究前沿的新興學科。傳統(tǒng)地球物理學的主要研究對象是自然現(xiàn)象，而城市地球物理學則主要研究自然現(xiàn)象與人類活動的相互作用。因此，在城市地球物理學研究中，除了自然科學問題之外，還應強調(diào)科學與社會的結合、各相關學科的綜合及與各社會部門的協(xié)調(diào)。圖3表示了城市地球物理學與環(huán)境科學和地理學之間的關系，這三者既有各自獨特的研究領域，又有密切相關的交叉研究內(nèi)容。

附圖

圖3城市地球物理學、環(huán)境科學、地理學之間的關系

Relationship

among

urban

geophysics,environmental

sciences

and

geography

3城市地球物理研究的社會需求

(1)城市建設?？茖W家們預計21世紀的城市在向高空發(fā)展的同時，也將向地下索取空間，建設深層地下都市已經(jīng)在科學家構想之中。20世紀平面式的城市功能在21世紀將從地下、地上兩個方面重新進行立體配置。在一系列城市建設活動中，迫切需求地學界利用地球物理的觀測和預測方法對城市地下空間的結構給出定量的描述，為城市規(guī)劃積累基礎數(shù)據(jù)。

(2)城市災害。人類大規(guī)模的經(jīng)濟—工程活動對環(huán)境的影響，已經(jīng)達到了與自然地質(zhì)作用相提并論的程度，而且發(fā)展速度快、影響范圍大。各種災害無情地破壞著人類的居住空間，給人類的生存造成威脅。這些災害發(fā)生在地學研究的領域，迫切需求地學界利用地球物理的觀測和預測方法對各種起因的城市地質(zhì)災害和對環(huán)境的破壞進行詳細的調(diào)查。

(3)城市地下污染。原生環(huán)境的缺陷以及由人為因素造成的地下環(huán)境污染，在地下水的作用下，對生態(tài)與工業(yè)構成極大的危害，迫切需求地學界利用地球物理的觀測和預測方法調(diào)查地下水的分布，為制定防治規(guī)劃提供基礎數(shù)據(jù)。

4城市地球物理研究的主要科學問題及其研究方法

城市地球物理學作為一門新興學科，其主要特點是學科的交叉性及其社會服務性，城市地球物理不僅與地學界的其他學科有廣泛的交叉性，而且與地學界以外的諸如人文類、社科類學科也有不可缺少的交叉內(nèi)容。城市地球物理研究的最終任務是服務于社會，科學研究的核心問題是人與自然的關系問題。具體解釋為：

(1)城市近地表結構與地質(zhì)災害的相互作用關系。天然與人為的地質(zhì)災害對城市構成極大的危害。這些災害改變和破壞近地表地質(zhì)結構，近地表地質(zhì)結構從客觀上阻止或促成地質(zhì)災害的發(fā)生。二者之間的相互作用關系是科學研究的問題之一。

(2)城市近地表結構與地下基礎設施和地下建筑的相