地表过程与可持续发展研究进展与展望

自2007年地表过程与资源生态国家重点实验室批准建设以来,围绕地表多要素、多尺度和多过程及其资源生态效应,开展了基础性和面向国家需求的系统研究．总结实验室15年来的建设和发展,取得的主要成果如下:1）地表过程监测与研究,包括风沙过程、土壤侵蚀过程和生态水文过程等的观测系统与大型模拟设施建设,以及理论突破与应用;2）资源生态研究,包括生物多样性维持机制、植被-环境系统互馈及生态参数测量、景观生态与服务等方面的理论与应用实践;3）人-地系统动力学研究,包括环境演变与人类活动、人-地系统动力学模型与模拟2方面的探索;4）区域可持续发展范式,包括土地利用/覆盖变化（LUCC）和综合自然灾害风险2个方面取得的显著成果．面对国家重点实验改革与重组,展望未来,将围绕地表过程与可持续发展,开展更加有组织的、面向系统性解决方案的科学探究,核心目标是研究生态脆弱区和灾害高风险区人-地系统耦合理论与区域高质量发展路径．主要任务:1）通过构建天空地网一体化观测体系,系统开展从“山水林田湖草沙冰”等要素过程到生命共同体的综合研究;2）通过研发实验和模拟装置,揭示水土气生人相互作用的机制与动力学过程,构建多要素、多过程、多尺度的地表动态模型体系,揭示人地系统耦合机制与过程;3）以承接系统性国家级科研任务,解析人与自然系统互馈机制和关联效应,建立区域高质量发展监测、评估和预警体系,服务于制定区域与国家生态文明建设的长远战略．      

黄河流域人地系统协调与高质量发展

科学解析黄河流域人地系统协调机理,寻求可持续发展途径,成为促进区域生态环境保护和高质量发展的关键。在新时代“一带一路”与黄河流域国家战略背景下,充分发挥多学科交叉综合优势,实施黄河流域人地系统协调与高质量发展科学计划,具有重要的理论价值和现实意义。该文梳理黄河流域人地系统面临主要问题,解析黄土高原“三生”空间演化及其耦合特征,探讨人地系统科学研究的重点领域和主要内容,提出了黄河流域人地系统研究范式和“土”字样带。通过黄河流域人地系统智能化模拟、高质量发展情景分析,揭示黄河流域人地系统结构功能时空格局及其演变规律,阐明国土空间生态保护与生态安全的关键因子及其驱动机制,为全面构建黄河流域资源能源节约与集约利用技术体系,深入推进生态环境保护和高质量发展战略决策提供参考依据。     

地理系统与地理治理

 通过介绍地理科学的基础研究核心--地理系统,梳理了地理系统的组成要素：地理要素、地理空间以及人地系统,说明其独特的系统结构与系统功能。结果表明,地理系统包含了地球表层系统、土地利用系统、人类活动系统与人地耦合系统。地理科学应用研究核心是地理治理。地理治理是国家治理体系的重要组成部分,包含了调查评价、规划设计、地理模拟、地理工程、监测预警。地理治理目前在国家治理体系中的应用体现在国土空间治理方面,主要有自然资源调查、国土空间规划、国土生态修复等。中国地理科学需要创新发展理论、方法和技术体系,为全球的可持续发展做出更大贡献。     

多尺度科学及其在油气田开发中的应用研究

在简述多尺度科学的主要研究内容、方法及现状的基础上,从多尺度科学角度出发,提出了油气藏即是一个复杂的多尺度系统,油气产出是一个跨时间和空间尺度的复杂过程,是在微观孔喉、微裂缝至宏观裂缝、水力裂缝等渗流通道中的一系列串联耦合过程的观点。油气田开发中多尺度问题主要包括油气藏多尺度描述、多尺度数据整合以及多尺度模拟。以致密砂岩气藏为例,探讨了非常规天然气开发中的多尺度现象及其对气藏开发的影响及对策。指出致密砂岩气藏多尺度结构由基块孔喉、天然裂缝和水力裂缝组成,基块供气不足和储层损害是制约气井产能的关键因素。基于多尺度传质理论大幅度提高传质效率,强调加强钻井、完井和增产改造等全过程储层保护、采用最大储层接触面积（MRC）技术是开发非常规油气资源的有效途径。     

地热储多场多相数值模拟与介尺度技术进展

热储工程系统具有很强的多样性和复杂性,随着当前地热开发利用需求的提高,裂隙介质热-流-力多场耦合复杂物理过程的高效模拟变得日益重要,它也是热储工程面临的关键技术问题。经典的多孔介质中的流动、传热和力学模拟技术已经得到了很大的发展,但其内部的多相、多物质流动和传递过程的理论仍然不成熟,裂隙介质由于本身的多尺度特性,对其热-流-力多场耦合问题的研究更为复杂,新的研究方法体系亟须建立。鉴于此,本文综述了裂隙介质热-流-力多场耦合既有的研究现状,并指明了未来面向热储工程应用的新一代裂隙介质热-流-力耦合模拟技术发展趋势及关键问题。     

过程水文学的方法框架与学科体系探讨

基于水科学发展历程和实体水-虚拟水耦合流动理论基本框架,指出过程水文学是揭示实体水-虚拟水在复杂系统中耦合流动规律与伴生效应的交叉学科,进一步明确了其科学内涵、主要特征、学科框架、学科基础、方法体系和主要研究方向。在明晰过程水文学科学价值的基础上,认为过程水文学的发展有望解决未来经济社会复杂系统面临的水科学问题。     

复合材料与界面纳米结构热传导问题分子动力学与连续介质跨尺度耦合模型与算法

构一体化的热、力耦合多尺度模型与算法研究是力学、数学、物理学与材料科学多学科交叉的前沿领域,也是重大装备研发中需要着重解决的基础科学问题。材料与结构在裂纹、空洞、夹杂、纤维取向、基体分布形态等方面具有内在的不确定性,其损伤和破坏还表现为复杂的热力耦合非线性多尺度力学行为。尺度间隙和跨尺度连接,涉及微—细—宏观不同尺度间数学物理模型的联系与差别等基本问题,建立微/纳米尺度的热、力模型,揭示热、力耦合的物理机制,发展材料与结构一体化的宏—细—微观耦合的多尺度模型与算法,具有重要的理论与实际意义。结果表明:复合材料界面结构对于材料的力、热、电、磁等物理、力学性能有十分重要的影响。我们针对复合材料与界面纳米结构热传导问题,发展了一类分子动力学与连续模型跨尺度耦合模式、MD/FEM耦合算法,并编写了相关计算程序。主要进展有:(1)实现了纳米结构导热系数等热学参数的分子动力学计算和量子校正;(2)发展了复合材料和多孔材料周期及随机结构热传导问题连续模型的多尺度算法;(3)提出了一类分子动力学与连续模型的跨尺度关联模式和MD/FEM耦合算法;(4)实现了三维复合材料和界面纳米结构的MD/FEM计算。     

基于GIS的广西西江流域人地关系地域系统耦合关联分析

以流域社会经济与资源环境的相互作用关系为主线,以广西西江流域77个县(市、区)为研究对象,运用灰色关联分析法,选取社会经济系统4个指标和资源环境系统2个指标,构建流域人地系统耦合关联模型,分析广西西江流域人地系统耦合度及空间分布。研究结果表明:2015年广西西江流域社会经济与资源环境耦合作用以较强和中等为主,耦合度空间分布差异大,呈现北高南低的趋势。耦合度类型以磨合型为主,拮抗型与协调型次之,低水平耦合型最少。     

生物体多尺度热学响应问题的研究与应用

论述了生物学对象中多尺度热响应问题的研究意义,重点介绍了生物系统中从微/纳米尺度对象到整体层次上的热响应模型的研究进展,分析了多尺度、多效应耦合问题的研究方法和难点,同时对作者实验室所开展的一些相关工作也做了扼要介绍.     

关于人地系统研究的理论思考

人地系统正在由多学科研究走向跨学科研究 ,最终成为一门综合性的研究——人地系统科学 .综合研究的建立首先依赖于人地系统范型和科学共同体 ,在此基础上形成自上至下综合研究体系 .人地系统研究最终必须落实到区域层次     

区域能源-经济-环境系统耦合协调演化特征——以宁波市为例

 人类社会可持续发展的关键是实现能源、经济和环境3个系统之间的协调发展，对3者之间协调状况的定量分析，是本领域的核心问题之一。宁波市经济发展迅速，已成为中国“万亿俱乐部”的新成员，以宁波市为例，建立了能源-经济-环境（3E）系统的指标体系，分析了宁波市及其各个县市区的能源、经济和环境系统的发展水平，并通过耦合协调度算法计算了3个系统之间的耦合协调性。结果表明宁波市经济发展过程中3个系统的耦合协调性呈不断增加的趋势，整体处于一种良好的、可持续的发展状态。     

中部地区旅游经济与交通耦合协调互动研究——以河南省为例

旅游经济系统和交通系统的耦合协调度是衡量一个地区旅游业可持续发展水平的重要指标.选取中部地区的河南省为样本区域,利用耦合协调度模型对2014—2018年河南省的旅游经济系统和交通系统耦合协调状况进行实证分析.结果表明:河南省旅游经济系统与交通系统的综合发展水平近年来逐步提升,两系统间互动明显,耦合度不断加深,耦合协调度也逐年提升,整体态势较好.总体上,河南省旅游经济系统发展速度优于交通系统,但其入境和国内旅游业务都存在亟须解决的问题,交通发展的短板效应也对二者的耦合协调起一定制约作用.河南省应加快入境业务开发和旅游产业转型升级,同时完善空中交通网的布局,推动提升两系统的发展状况和协调程度.     

入境旅游流与饭店业的耦合协调度分析——以西安市为例

目的以西安市为样本区域,探析西安市入境旅游流发育和饭店业发展的耦合协调状况。方法借鉴物理学耦合度函数,构建了入境旅游流-饭店业的耦合协调度分析模型,建立耦合评价系统和评价模型。结果西安市入境旅游流系统和饭店业系统综合发展水平稳步提升,两系统耦合互动效应明显,耦合协调度也在逐年提升,但两系统仍处于由失调向低水平协调缓慢发展的初级阶段,饭店业发展水平滞后于旅游流发育水平。结论西安饭店业必须转变经营模式,注重结构性调整,提高国际化管理水平和集团化运作能力,协调好数量增长与质量提升之间的平衡,促进西安饭店业持续健康地发展。     

基于可持续发展的西北地区城市生态系统安全研究

城市生态系统安全是城市可持续发展的保障。通过建立城市生态系统评价指标体系,借鉴动态耦合模型,计算得出1990-2007年新疆城市发展与生态安全耦合度并对耦合态势进行分析,得出新疆城市生态系统进入极限发展阶段的结论,安全问题已经凸显,并指出走集约型可持续发展的城镇化道路是必然选择。     

南宁城市可持续发展评价实证研究

综合分析了中国城市可持续发展评价指标体系构建的基本原则与方法,结合南宁市经济、资源、社会、人口、生态与环境、科教、文化与休闲七方面的已有数据及其相互之间的关系及南宁市在国家、广西区内各领域的地位,构建了符合南宁市实情的可持续发展评价指标体系,并对南宁市的可持续发展进行评估.     

中国农业生态经济可持续发展分析

运用能值分析的理论和方法,定量分析了25年来中国农业生态经济系统的系统生产力、环境负荷力、系统生产优势度和可持续发展状况.研究表明了中国农业生态经济系统生产力较低,辅助能与环境能耦合度下降,环境消耗较大且稳定性差.研究还表明了中国农业正处于生计农业向市场农业转型,传统农业向石油农业转型,混合农业向现代农业转型的过程中.     

城市房地产业与区域经济关系研究——基于陕西省整体及辖区10城

房地产业作为经济发展的支柱产业,其与经济的良好协调对区域可持续发展有重要作用。为了分析两者之间的关系,基于2005年—2014年陕西省域时间序列数据,引入系统耦合度及耦合协调度模型,利用Arcgis10.2从空间上进行了研究。结论表明,陕西省整体房地产业及区域经济在研究时段内两者间存在较高的耦合度,且随着时间推移耦合协调度在逐渐改善;部分来看下属10个地级市耦合协调度差异明显,不平衡现象较为严重,耦合度呈现由南向北递减的规律。     

全球变化与天—地—生—人耦合关系研究

从全球变化的分析入手,探讨了天-地-生-人系统的耦合关系：（1）地球演化与宇宙演化的和谐统一;（2）生命与自然界的和谐统一;（3）人-地-系统耦合关系演变及趋向,最后指出,为保证人类社会的生存和长久发展,走可持续发展之路是人类的惟一选择。     

基于GIS与Geo-CA模型的半干旱区土壤盐碱化动态模拟研究

土壤盐碱化是半干旱地区土壤退化的重要表现形式之一,其发生发展是一个复杂的非线性动力学过程.利用地理元胞自动机对复杂系统时空动态演化过程具有较强的计算与模拟能力的特点,以吉林省西部盐碱化土地为研究区,在GIS的支持下系统分析了土壤盐碱化的特征及其影响因子,建立了基于Geo-CA的土壤盐碱化动态模型,模拟了吉林省西部土地盐碱化发生发展的时空动态规律.