基于分区异步元胞自动机的土坝漫顶溃坝模拟

根据土坝漫顶溃坝特点,建立了土坝漫顶溃坝分区异步元胞自动机模型,在模型中考虑了不同分区的演化特性,提出了不同区域的径流规则、冲刷规则和坍塌规则,考虑了抗冲性能分布差异对土坝漫顶溃坝过程的影响,该模型能够更加准确地模拟土坝漫顶溃坝全过程。结果表明,溃坝初期,冲刷首先从背水坡发展,背水坡坡面上也会形成冲沟;考虑坝体纵向和横向坍塌影响后,溃坝发展过程比较快,伴随着坝体纵向和横向坍塌,坝体冲刷迅速向坝顶方向发展,直至形成溃口。

基于分区异步元胞自动机模型的耕地利用布局优化——以武汉城市圈为例

以武汉城市圈为例,根据城市圈内各县域社会经济发展对土地资源需求的区域差异,探讨分区异步元胞自动机模型在耕地利用布局优化中的应用。模型根据各县域建设用地需求优先度确定异步演化速率,根据各县域土地利用变化的规律结合粮食自给率和建设用地满足程度确定分区转换规则,根据全区域的粮食安全得到全局终止条件,以此实现武汉城市圈2020年耕地利用优化布局。优化结果显示,在武汉城市圈耕地总量满足全区域粮食安全的基础上,黄陂区、应城市、新洲区、汉阳区、潜江市、黄冈市市辖区、鄂州市市辖区、孝感市市辖区、武昌区、仙桃市、黄梅县、武穴市、阳新县、咸宁市市辖区和赤壁市等建设用地优先度较高的区域建设用地需求均得到了满足;团风县和通城县虽然建设用地优先度较低,但是建设用地需求量较小,建设用地需求也得到了满足;其他县(市、区)由于建设用地需求量和建设用地优先度之间存在一定的矛盾,建设用地需求量没有得到完全满足。结果表明,基于分区异步元胞自动机的耕地区际优化模型在全区域耕地保护和粮食安全的基础上,考虑了社会经济发展对建设用地需求的区域差异,能够协调建设用地和耕地之间的矛盾,实现在区域间合理配置建设用地和耕地保护指标。

滇池流域不透水表面动态模拟及其非点源污染风险评价

利用混合模型综合模拟不透水表面的时空演化规律及其水环境效应是定量探索湖滨型城市可持续发展模式的有效途径。以滇池流域为研究区域,借助遥感与GIS技术探索2000—2016年城市化过程中不透水表面的时空演变特征及其扩张规律,并采用分区元胞自动机模型对2021年和2031年不透水表面的分布进行模拟与预测。进而在子流域和水文响应单元的尺度上计算2000—2031年不透水表面的覆盖率(ISC),对滇池流域历史和未来的水环境城市非点源污染风险进行评价。结果表明:(1)滇池流域不透水表面的扩张具有以滇池湖体为中心向外辐射的显著特征,不透水表面面积增加了286.28 km 2,增长速率为17.9 km 2/年。2006—2009年增长最快为38.8 km 2/年,其覆盖率从2000年的10.16%增加到2016年的20.64%;(2)相比较不分区元胞自动机模型,分区元胞自动机模型在模拟用地变化时的精度有显著提升(Kappa系数提高超过16%,总体精度提高超过26%),可以借以模拟未来不透水表面的扩张情景;(3)子流域和水文响应单元两种尺度下的不透水表面覆盖率都逐年升高,城市非点源污染风险也逐年增大,若不加以重视,风险将会进一步增加。研究结果可为调整土地利用结构、协调城镇建设与水环境保护提供科学依据。

基于土地利用效率区域差异的建设用地区际优化配置——以武汉城市圈为例

建设用地利用效率的优化是建设用地区际优化配置的核心目标。针对这一目标,以武汉城市圈为案例区,提出了基于土地利用效率区域差异的建设用地区际优化配置的思路:建设用地利用效率越高的区域,在建设用地区际优化配置中拥有越高的优先度。构建分区异步元胞自动机模型,并根据此原则率定分区异步元胞自动机模型的异步演化速率,实现武汉城市圈建设用地区际优化配置。结果表明:(1)分区异步元胞自动机模型可以根据建设用地利用效率对不同的区域赋予不同的演化速率,因而可以实现基于土地利用效率区域差异的建设用地区际优化配置;(2)武汉城市圈建设用地利用效率存在着显著的区域差异,因而各城市建设用地需求的满足程度也存在明显的差异:建设用地利用效率最高的仙桃市、鄂州市和潜江市建设用地需求得到完全满足,而建设用地利用效率较低的武汉市和黄冈市建设用地需求的满足程度较低。提出了根据建设用地利用效率开展建设用地区际优化配置的新方法,可以为建设用地区际优化配置提供决策参考。

基于粮食安全与经济发展区域差异的土地资源优化配置——以武汉城市圈为例

从武汉城市圈全局粮食安全的角度出发,综合考虑案例区内各县域经济发展的区域差异,采用灰色预测模型预测的人口总量结合人均粮食消费水平测算得到武汉城市圈耕地需求总量,并运用层次分析法测算各区域建设用地需求优先度,进而构建分区异步元胞自动机模型,可为基于粮食安全与经济发展区域差异的土地资源优化配置提供重要的方法支撑。研究发现,武汉城市圈土地资源区际优化配置结果能满足武汉城市圈粮食安全对耕地的需求,同时也兼顾各区域经济发展水平差异对建设用地的需求。土地资源区域间优化配置须同时考虑全区域粮食安全和经济发展水平的区域差异,为实现土地资源的合理利用和社会经济的可持续发展提供决策支持。