伴随全球城市化进程加速，大城市普遍面临人口膨胀、交通拥堵、环境污染、资源短缺等“城市病”问题，严重制约可持续发展。本研究以系统科学理论为基础，首次构建包含宏观城市结构、中观功能分区、微观人类行为的耦合多尺度数学模型。模型深度融合人口动力学、空间经济学及环境承载力理论，采用智能体建模、元胞自动机、非线性动力学方程等多种方法，精确量化分析城市病在各尺度上的演化路径、关键驱动因子及其交互作用机制。模拟结果表明，交通拥堵与居住成本存在显著空间正反馈，环境污染对人口分布的滞后效应可达5-8年阈值。基于此，研究提出跨尺度协同治理框架，包括分级交通诱导算法、复合用地弹性调配机制、基于环境阈值的开发许可模型等创新策略，为大城市从应急治理转向源头防控提供量化依据，具备显著的应用价值与社会效益。