元胞自动机在模拟土壤侵蚀时空演化过程中的应用

土壤侵蚀作为一个全球性的环境问题已经越来越受到人们的广泛关注。动态模拟和预测土壤侵蚀的发育及演化过程具有十分重要的意义。元胞自动机（Cellular Automata简称CA）是一种“自下而上”的动态模拟建模框架，具有模拟地理复杂系统时空演化过程的能力。从元胞自动机的概念和原理入手，介绍了CA模型的特征及其在土壤侵蚀学科中的应用情况和存在问题，对CA模型应用于土壤侵蚀过程的模拟、预测的可行性和可操作性进行了探讨。     

试论元胞自动机模型与LUCC时空模拟

对土地利用变化过程的模拟和预测,需要地理信息系统(GIS)等相关技术的支撑。但目前GIS不能完整地表达地理实体的时态信息和时空关系,缺乏时空分析和动态模拟的能力。元胞自动机(Cellular Automata,简称CA)是一种自下而上的动态模拟建模框架,具有模拟地理复杂系统时空演化过程的能力。本文从元胞自动机的原理和特征入手,介绍了CA模型的构造方法,对CA模型应用于土地利用变化过程的动态模拟及预测的可操作性进行了探讨,并分析了其应用现状,存在的问题及前景。     

漯河市规划区雨洪格局空间分布特征综合量化研究

[目的]探索城市雨洪格局空间分布规律,为海绵城市建设提供参考。[方法]建立GIS数据库,ArcGIS空间模拟与SCS-CN,SWMM模型相结合,定量分析20a重现期和2h,85.43mm降雨,漯河规划区产流和积水分布特征。[结果]研究区径流量和径流系数(相等)、径流体积、峰值流量、积水区域的自相关Moran's I系数分别为0.338(p0.001),0.142(p0.001),0.101(p0.001),0.918(p0.001),表明产流与积水分布均呈现显著集聚性,土地类型和管网分布对产流影响大于积水过程,而地形影响则相反;径流量和径流系数由中心向外递减趋势,径流体积与峰值流量受汇水区面积和城市管网分布影响;高产流风险区不透水面占该区域82.73%,径流系数0.7和不透水面70%的汇水区集中在城市中心;积水区用地类型以农业用地、城市绿地、道路用地为主,分别占总面积的36.56%,21.39%,21.82%,分布特征存在显著差异。[结论]城市地表结构变化与城市产流和积水分布关系密切,综合量化方法可以直观地反映城市雨洪格局特征与趋势。     

大区域尺度下地理系统的空间直观模拟与景观演变

元胞自动机（CA）支持下的地理系统空间直观模拟（SEM）,能够以空间可视化方式显示模拟结果,不仅能够弥补缺失的资料,更能够推演土地利用的未来趋势和可能情景,从而揭示土地利用的时空过程与变化规律。基于Logistic回归的CA模型,模拟了大区域尺度下的上海市陆域土地利用变化,并利用景观指标对结果进行刻画和分析。研究表明:上海市城市建设用地面积持续增加,植被面积不断减少,而水域面积保持稳定;此外,景观指标揭示的土地利用空间形态变化过程及趋势,与所采用的元胞尺度有较大关系,即空间直观模拟结果与景观指标具有显著的尺度敏感性。     

基于元胞自动机的小流域侵蚀产沙模型研究

动态模拟和预测土壤侵蚀的发育及演化过程具有十分重要的意义.传统土壤侵蚀模型从本质上来说是一种稳态模型,缺乏对土壤侵蚀发生、发展及演化过程的动态模拟能力.元胞自动机(cellular automata,简称CA)是一种"自下而上"的动态模拟建模框架,具有模拟复杂地理系统时空演化过程的能力.利用元胞自动机理论和方法,提出了将CA应用于土壤侵蚀过程模拟的基本思想.以黄土高原丘陵沟壑区小流域为例,构建了基于元胞自动机的小流域侵蚀产沙过程模型.     

基于智能体和元胞自动机的鱼道内鱼类行为模拟

为建立基于智能体和元胞自动机(Agent-CA)的鱼道内鱼类行为模型,该研究以计算流体力学软件得到的水流流场数据为基础,根据过鱼试验研究认识到的鱼上溯行为特征和规律,定义了不同场景下鱼的避开障碍、寻找主流、逆流向前、逆流后退、冲刺、随机6种行为和行为规则,将鱼道划分成多个二维元胞空间,将元胞空间中元胞状态为"鱼"的网格看作是一个智能体(Agent)。在3种体型的竖缝式鱼道中应用该模型对草鱼幼鱼的上溯行为进行模拟,并将模拟结果与实际过鱼轨迹进行对比。结果表明:该研究构建的模型能够较好地描述实际过鱼的主要上溯轨迹,针对3种体型竖缝式鱼道的模拟特征轨迹范围相对误差分别为23.5%、7.7%和2.3%。本研究提出的基于智能体和元胞自动机的鱼道内鱼类行为模型具有较好的适用性,可为鱼类行为模拟研究提供重要基础数据。     

紫色土细沟水流输沙能力对近地表水流作用的响应

地表径流与近地表水流耦合作用会引发强烈的土壤侵蚀。输沙能力作为土壤侵蚀的关键参数之一,对完善近地表水流作用下的土壤侵蚀过程具有重要的理论意义。通过限定性细沟模拟试验,采用从底部供水的方式构建近地表水流,在此基础上测定了距弱透水层不同饱和深度(5、10、15 cm)与水力条件(3个流量2、4、8 L·min–1,3个坡度5°、10°、15°)下细沟水流的输沙能力,进一步采用多变量非线性方程分析流量、坡度、近地表水流饱和深度及其交互作用对细沟水流输沙能力的影响。结果表明,输沙能力随近地表水流饱和深度的增加而增大,且增大的速率逐渐减小,最终输沙能力趋于稳定。细沟水流输沙能力与流量、坡度及近地表水流饱和深度呈正相关关系,与坡度相比流量对输沙能力的影响作用更大。试验结果为明确地表径流与近地表水流耦合作用的土壤侵蚀机制提供了一定的理论基础与科学依据。     

基于Visual Modflow的某油库地下水污染模拟

[目的]对陕西省黄陵县某油库地下水污染状况进行模拟,为油库区地下水污染的辅助预测和防治提供科学指导。[方法]通过野外调查试验获得初始参数,应用Visual Modflow软件建立了地下水水流模型,进行模型识别验证,获得最终水文地质参数。耦合水流方程与污染物迁移方程,得到地下水溶质运移模型。[结果]模拟了两种假设情形下运移情况:正常工况和油罐漏油。数值模拟预测了污染的范围和程度。到预测时间20a,污染物影响范围最大。[结论]污染物主要沿水流方向运移,对水环境的影响随时间逐渐增大,污染浓度随距离增大而减小;两种情况下,油罐漏油时对水环境造成的影响更加恶劣,污染范围远超出油库区。     

海岸带土地利用模拟结果对元胞邻域的响应研究

通过元胞自动机（Cellular Automata,CA）动态模拟能够重建和预测复杂系统的全局结构及其演变。海岸带土地利用变化模拟是CA应用研究的重要领域之一。元胞邻域及其组合作为CA的必要组成部分,对海岸带模拟结果有显著影响。以半径为1,2和3的Moore邻域为例,测试并分析了模拟结果对元胞邻域的响应。研究表明:这种影响表现在3个方面:分别是元胞数量、空间形态和不确定性。小范围邻域组合模拟结果形态真实、不确定性较低,但是模拟变化容易过早终止;大范围邻域组合模拟结果形态真实性较差、不确定性较高,但是模拟结果能够保持延续。针对具体的模拟案例,元胞邻域的选择需要结合影响系统演变的全局因素而确定。模拟结果的响应特征不仅适合海岸带土地利用模拟,也适合其他类型的空间系统演变模拟。     

不同空间尺度下的土壤侵蚀元胞自动机建模评述

土壤侵蚀系统是一个典型的非线性动力系统,系统内部的侵蚀发育演化过程十分复杂,为了对该过程进行精确的模拟和预测,需要发展有效的技术和方法.元胞自动机( cellular automata,CA)是一种具有时空特征的离散动力学模型,采用“自下而上”的构模方式,对于模拟和分析具有空间特征的土壤侵蚀系统具有先天优势.由于空间尺度变化所引起的土壤侵蚀因子对侵蚀产沙过程的影响不同,CA模型在坡面尺度下主要针对细沟侵蚀和土壤颗粒的变化,在小流域尺度下涉及到更多的元胞状态和更加完整的侵蚀过程,在大区域尺度下重点研究气候和地貌之间的相互作用.不同空间尺度建立的CA模型没有确定的转换规则,模型通用性较低,今后需要在三维可视化、智能化等方面深入研究CA模型在土壤侵蚀领域的应用.     

不同空间布局对城市降雨径流的影响

[目的]探讨不同城市空间布局(包括分析绿地、建筑)分别到出水口不同水流长度、面积比等因素与降雨径流的关系,以优化城市典型下垫面的空间布局,实现城市雨水径流的控制。[方法]以漯河市中心城区为研究对象,基于2016年3月航拍影像,提取中心城区的土地覆被信息,利用SWMM模型分析研究区在不同降雨重现期的径流特征以及影响降雨径流的因素,并定量研究城市绿地、建筑不同空间分布格局对径流削减的影响。[结果]绿地、建筑面积比与径流系数呈极显著负相关,二者到出水口的水流长度对产流效应有较显著影响,绿地较建筑离出水口近的子汇水区径流系数较小,其中重现期为5a时,径流削减率最高可达到44.49%。[结论]结合水流长度、面积比等因素,合理安排绿地、建筑的规模及布局,可实现雨水空间再分配,从而达到削减径流的目的。     

灞河流域产流产污的时空特征模拟研究

[目的]探究灞河流域非点源污染物总氮(TN)和总磷(TP)时空演变特征及其与年径流量的负荷关系,提出污染负荷的空间分布规律,为流域规划治理提供思路。[方法]以1996年和2017年两期土地利用数据和2001-2017年灞河流域降雨数据为基准,基于GIS技术和AnnAGNPS模型开展现状模拟与情景设计。[结果]①相比1996年,2017年林地和耕地的面积减少,建设用地、水域等面积增多;模拟结果显示建设用地产流定额增加,TN负荷定额增加,TP负荷定额增加;林地产流减少,TN负荷减少,TP负荷减少;水域的产流、TN和TP负荷基本无变化。②2017年建设用地TN污染负荷相比1996年(5.24 kg/hm²)增加到16.13 kg/hm²,一定程度上反映了灞河流域近20 a城市非点源污染的严重性。③径流最大的区域是清峪河、灞河上游、清河以及辋川河这4个子流域。当径流值大于4.00×10⁸t时,TN和TP污染物负荷处于高负荷状态。④辋川河、库峪、岱峪以及清峪这4个子流域的TP,TN负荷分布占到了灞河整个流域的50.32%,56.09%。[结论]目前非点源污染是灞河流域的主要污染源,尤其要重视城市非点源污染。     

汉江流域荆门段面源污染负荷时空分布与污染现状评价

[目的]对汉江流域荆门段面源污染负荷时空分布与污染现状进行分析和评价,为汉江水污染的治理提供科学依据。[方法]利用输出系数模型和等标负荷估算法,对汉江流域荆门段的面源污染负荷进行了空间分析和负荷估算,包括总氮(TN)、总磷(TP)、化学需氧量(COD)和氨氮(NH3-N),得出了汉江流域荆门段面源污染负荷及其空间分布状况。[结果]在所有污染源中,农村生活、畜禽养殖、降雨、土地利用和城镇径流是5个主要的面源污染源;该地区各市县总氮和总磷污染负荷与COD和氨氮污染负荷的输出量的排序均表现为:钟祥市沙洋县东宝区掇刀区;各类污染源总氮贡献率排序为:农村生活农业用地畜禽养殖降雨非农业用地;各类污染物总磷贡献率排序为:畜禽养殖农村生活农业用地非农业用地降雨。[结论]总体来说,河流富营养化主要是由于农村污染物未经处理排放或处理措施不当引起的。     

中国城市建设用地集约利用评价研究综述

[目的]总结分析城市建设用地集约利用评价的发展历程、技术体系和关键问题。[方法]采用文献资料法综合分析中国城市建设用地集约利用评价研究成果。[结果](1)在发展历程上,从起步阶段、探索阶段向发展阶段转变;(2)在研究内容上,总结为宏观、中观和微观尺度研究;(3)在评价指标方面,概括为IO(投入—产出),PSR(压力—状态—响应),ESE(经济—社会—生态)和SF(结构—功能)等具有代表性的指标体系;(4)在评价方法上,从数学模型法向结合RS,GIS的空间分析法转变。[结论]今后应加强对基础理论和微观尺度评价的研究,增加空间分析和动态模型相结合的评价方法,加强动态监测管理软件的开发应用。     

基于FLUS-InVEST模型的北部湾城市群生态空间碳汇演变模拟及驱动因素研究

[目的] 探究未来湾区城市群生态空间变化对碳汇的影响,找出变化背后的主要驱动因素,为城市群制定未来生态空间发展方向与策略提供参考,促进陆海新通道的科学开发。[方法] 以北部湾城市群为例,基于2010,2015与2020年土地利用数据,使用GeoSOS-FLUS模型预测生态优先、耕地优先及城镇优先3种不同预设情境下2035年的北部湾城市群生态空间土地利用格局,使用InVEST模型对2020—2035年各情景下生态空间碳汇变化情况进行分析,使用地理加权回归找出影响土地碳汇变化的主要驱动因素。[结果] 生态优先导向下2020—2035年北部湾城市群碳储量有所增加;城镇优先导向下碳储量降低较多,达到3.12×10⁶ t。坡度、人口密度和高程是城市群生态空间碳汇格局最重要的影响因素,城镇空间扩张是变化的主因。生态优先情景下,生态空间的土地将有所增加。[结论] 生态优先导向能兼顾城镇发展与生态空间的环境保护需求,城镇优先导向和农业优先导向会大幅降低碳汇。另外政策措施也需尽早制定以抑制城镇空间扩张。     

不同土地利用变化情景下的洪汝河流域水文响应

[目的]研究洪汝河流域土地利用变化对水文过程的影响,为当地水资源的合理规划和利用提供依据和参考。[方法]本研究以土壤水体评价模型(soil and water assessment tool,SWAT)为基础,通过设计多种土地利用情景模式模拟洪汝河流域水文情景,首先利用数字高程模型(digital elevation model,DEM),土地利用数据、土壤数据以及日气象数据建立模型;其次选用2006—2008年的水文观测数据进行模型率定,并进行敏感性和不确定性分析;最后,设置4种土地利用情景模式进行水文模拟。[结果]退耕还林情景下径流减少4.23%;而在耕地增加,城镇用地增加和以城镇用地、林地草地增加为主的复杂土地利用变化这3种情景下,径流分别增加3.01%,4.91%和1.50%。[结论]退耕还林增加了可涵养水源的森林,使得径流减少,而增加耕地开垦或城市建设用地则会增加地表径流。     

东南沿海地区小流域土地利用/覆被变化的水文效应

[目的]研究我国东南沿海小流域土地利用/覆被变化的水文效应,为该区水土资源合理配置和可持续发展提供科学依据。[方法]以东南沿海福建省晋江山美水库集水区为例,运用SWAT水文模型。[结果](1)研究区土地利用变化表现为林地转向园地和建设用地、耕地转向建设用地的特征。(2)固定其他条件,将构建的模型2006年土地利用数据替换为1995年,对比分析发现2000—2010年全流域和典型子流域的年径流深增加,洪水期平均径流增加,枯水期径流基本减少。(3)从全流域空间角度看,径流量均增大,特别是研究区西部地区和东南部地区;同时径流量变率增大,稳性减小。(4)园地、林地、建设用地和水田是驱动区内水文变化的主要因子。[结论]研究区土地利用与覆被变化导致"洪水量更大,枯水量更小"的径流变化趋势。河川径流的变化受各地类变化的组合叠加效应影响,这种叠加效应还须进一步研究。     

基于MIKE建模的城市生态公园行洪能力分析

[目的]预测并分析工程对河道行洪能力变化的影响,为城市生态公园工程防洪影响评价提供研究技术方法。[方法]基于MIKE 21建立城市生态公园工程河段的平面二维水流数学模型,以渭河宝鸡段为例,选取1954型洪水过程验证模型合理性,模拟3种典型流量下河道流场和水位的变化特征,讨论城市生态公园修建后对河道行洪能力的安全影响。[结果]3种典型流量洪水下沿线水位均低于堤顶高程,对城市行洪安全不构成威胁,因此行洪安全可以保证。但由于河道行洪宽度变窄左岸流速增大,加剧了对岸堤的冲刷,采取岸堤加固措施是极为必要的。[结论]河道形状的改变会影响水的流态,水流速度过大会影响河堤结构稳定性,最终影响河道的行洪能力。     

贵州省城乡人口变化与建设用地扩张的脱钩关系

[目的]研究贵州省人口与建设用地变化的关系,以促进土地资源优化配置。[方法]利用贵州省2000—2017年城乡人口及建设用地数据,采用脱钩模型和GIS空间分析方法,研究城乡人地关系演化过程。[结果]贵州省城镇人口持续增加,乡村人口逐年减少;城乡建设用地面积不断扩大,城镇和乡村建设用地同向增长。2000—2008年,贵州省城乡人口变化与建设用地扩张关系为强负脱勾类型,乡村人口与乡村建设用地变化为强负脱钩类型,城镇人口与城镇建设用地变化为扩张负脱钩类型。农村人口减少伴随着建设用地增加,农村人地关系处于较不合理状态;城镇人口和建设用地二者均增长,但建设用地增幅快于人口增幅。[结论]贵州省应积极推动农村宅基地流转,提高城乡建设用地集约利用水平,促进城乡融合。