基于ARIMA模型的黄土高原河谷城市生态足迹动态模拟及测算——以甘肃省兰州市为例

为了从经济发展的角度探究生态足迹动态变化的成因,论文在测算黄土高原河谷城市——甘肃省兰州市2002—2014年人均生态足迹的发展轨迹的基础上,引入ARIMA模型,模拟预测了该市2015—2020年生态足迹变化趋势。研究结果显示:1)2002—2014年,甘肃省兰州市人均生态足迹总体呈现上升态势,数值由2.70 hm^(2)增长至4.25 hm^(2),增幅达到1.57倍;2)从生态足迹增速看,2002—2014年人均生态足迹平均增速达到4.04%,同一时期兰州市地区生产总值平均增速为11.88%,较人均生态足迹增速高出7.84%,表明该地区经济发展的速度高于资源环境消耗的速度;3)2015—2020年甘肃省兰州市人均生态足迹仍然呈现上升态势,预测值分别达到4.48 hm^(2)、4.61 hm^(2)、4.75 hm^(2)、4.89 hm^(2)、5.02 hm^(2)和5.17 hm^(2),甘肃省兰州市生态赤字逐年增大,总生态足迹是城市土地利用总面积的19.59倍,说明经济发展与地区生态需求呈现较强正相关性,环境库兹涅茨曲线“拐点”并未出现,处于不可持续发展状态。基于以上分析结果提出了甘肃省兰州市降低生态足迹的具体路径:1)实施产业结构调整,降低生态赤字,提升经济发展质量和可持续发展能力;2)推动绿色发展,构建生态类型多样、布局合理、功能完善的自然生态系统和城乡一体的生态网络,提高生态环境容量。

黄花植株三维动态生长及产量模拟模型

[目的/意义]为探究并表达环境因素对黄花各器官生长发育、形态结构和产量的影响,提出一种基于源库关系的黄花植株三维动态生长及产量模拟模型。[方法]以大同地区黄花主要栽培种植品种大同黄花为研究材料,采集黄花叶片、花葶、花蕾等形态数据和叶片光合生理参数,利用功能-结构植物模型(Functional-Structural Plant Model,FSPM)平台的三维建模技术,建立基于云量的室外地表太阳辐射模型及适配黄花的光合作用模型,同时基于黄花源库关系建立黄花光合产物碳分配模型,利用β生长函数构建黄花各器官生长模拟模型,计算黄花生长期内逐日形态数据,最终实现黄花植株三维动态生长及产量模拟。[结果和讨论]采用实测数据对模型进行检验。结果显示,室外地表太阳辐射实测值和模拟值R2为0.87;剩余标准差(Root Mean Squared Error,RMSE)为28.52 W/m^(2),黄花各器官模拟模型实测值和预测值R^(2)为0.896~0.984,RMSE为1.4~17.7 cm;平均花蕾产量模拟R^(2)为0.880,RMSE为0.5 g;整体F值为82.244~1168.533,Sig.值均小于显著水平0.05,表明上述模型拟合度和显著性较好。[结论]模型能够准确地表现黄花植株在3个主要生长时期的生长规律和形态特征,模拟结果与实际情况相符合,表现出较高的可信度。因此,本模型具有理想的模拟效果,足以满足精细农业领域的研究需求。

基于交织点改进弹簧-质点模型的纬编针织物动态变形模拟

为了对不同线圈单元组成的纬编针织物进行动态变形模拟,从而预设织物结构形态和加速面料设计流程。首先通过建立三维结构模型,获得了线圈中心线型值点和交织点之间的关系,并基于交织点改进传统弹簧-质点模型,得到了与纬编针织物适配度更高的变形模型,然后以交织点为桥梁关联结构模型和变形模型,通过NURBS曲线反算原理绘制线圈中心线路径,采用力学求解方法不断更新织物形态变化,使用计算机工具展现了关联模型的动态模拟过程,并举例展示了不同织物组织的变形模拟效果。模拟效果表明,建立的三维结构模型具有合理性与真实性,改进的弹簧-质点模型具有极高的适配性,基于交织点关联两者为后续模拟提供了支撑,采用NURBS曲线并通过力学求解等方法实现纬编针织物的三维动态模拟具有可行性。

不同情景下乌鲁木齐河流域土地利用动态模拟研究

收集2000、2010、2020年乌鲁木齐河流域土地利用/覆被变化等数据,通过多评价准则(MCE)的元胞自动机(CA)和马尔可夫链(Markov)模型,对2020年土地利用变化进行模拟,预测结果与实际解译结果对比,各土地利用类型的面积预测精度达到82%以上,空间格局kappa系数平均值为81.57,表明预测结果可信。在此基础上,在不同场景下对2030年的土地利用空间格局进行模拟,结果表明,在趋势发展情景下,耕地、草地面积呈减少趋势,分别为15.1%和5.22%,建设用地、未利用地面积增幅较大,分别为26.09%和21.15%,表明按照当前城市扩张速度和产业结构布局方式发展,生态用地与建设用地需求的矛盾将日益突出,生态环境面临巨大挑战。在生态优先情景下,建设用地面积增幅减缓至18.03%,耕地、林地、水域面积呈上升趋势,分别为10.26%、2.36%和11.11%,草地面积下降趋势减缓至3.55%,表明城市快速扩张得到遏制,耕地得到保护,林地、草地能够发挥更大的生态调节作用,水源的涵养能力有所提升,土地利用结构变化趋于均衡。

水稻计算机模拟模型及其应用之三——水稻群体光合生产的动态模拟模型

本文根据农业气象学和植物生理学的基本原理,建立了水稻群体光合生产的动态模拟模型,该模型包括3个子模型,即:(1)叶面积动态;(2)光合作用与呼吸作用;(3)干物质积累与产量形成。利用模拟模型,对水稻群体光合生产过程进行了动态模拟,并利用大田资料对模拟结果进行了验证。

多孔介质各向异性动态渗透率模型

基于迂曲毛细管网络模型,推导建立了各向异性渗透率与岩石正应变间的关系式,即各向异性动态渗透率模型(ADPM),采用孔隙尺度流动模拟对模型进行了验证,并对单轴应变过程进行了计算,分析了变形过程中影响不同方向渗透率变化的主要因素。研究表明:层状油气藏开采的单轴应变过程中,有效面孔率对各方向的渗透率影响规律一致,随着有效面孔率的减小,渗透率对应变的敏感程度增大;垂直于压缩方向的渗透率对应变的敏感程度随迂曲度的增加而减小,沿压缩方向的渗透率对应变的敏感程度随迂曲度的增加而增大。初始各方向迂曲度相同的层状油气藏,在压力下降的过程中,迂曲度对各方向渗透率变化幅度的相对关系起决定性作用,迂曲度小于1.6时,岩石水平方向渗透率的降幅要高于垂向渗透率,迂曲度大于1.6时则相反,传统动态渗透率模型无法表征这一现象。经孔隙尺度模拟实验数据的验证,新模型拟合精度高,可以有效表征不同方向变形对各方向渗透率的影响。

人工神经网络模型在水稻群体分蘖动态模拟中外推能力的测试

研究利用人工神经网络模型 ,以水稻群体分蘖动态为例 ,采用交互验证和独立验证的方式 ,对水稻生长 BP网络模型进行了训练与模拟 ,其结果与水稻群体分蘖的积温统计模型、基本动力学模型和复合分蘖模型进行了比较。研究结果表明 ,神经网络模型具有一定的外推能力 ,但其外推能力依赖于大量的训练样本。神经网络模型具有较好的拟合能力 ,是因为有较多的模型参数 ,因此对神经网络模型的训练需要大量的参数来保证其参数不致过度吻合。具有外推能力神经网络模型的最少训练样本数应大于 6 .75倍于神经网络参数数目 ,小于 13.5倍于神经网络参数数目。因此在应用神经网络模型时 ,如果神经网络模型包括较多的输入变量时 ,可考虑采用主成分分析、对应分析等技术对输入变量进行信息综合 ,相应地减少网络模型的参数。另一方面 ,当训练样本不足时 ,最好只用神经网络模型对同一系统的情况进行模拟 ,应谨慎使用神经网络模型进行外推。神经网络模型给作物模拟研究的科学工作者提供了一个“傻瓜”式工具 ,对数学建模不熟悉的农业研究人员 ,人工神经网络可以替代数学建模进行仿真实验 ;对于精通数学建模的研究人员来说 。

换流变内部短路电流计算及动态模拟技术

研究换流变压器内部故障下不同位置的短路电流分布特征可以加深故障机理认识为其保护研究提供重要参考。换流变压器内部短路后轴向安匝分布不均匀,从而引起辐向漏磁场分量显著增加。提出以辐向短路电抗修正内部故障后绕组电感参数的变化,将短路绕组与剩余绕组进行等效处理,优化内部故障后的等效电路模型,并提出匝间短路电流的计算方法。所定义的空载运行匝间短路电抗比K可用于描述换流变匝间短路故障后,短路环内电流与网侧短路电流的比值。以工程产品为原型,提出了换流变压器物理模型的一致性技术指标。并通过与原型产品的仿真比对提出了匝间短路电流分布的规律,受故障发生位置影响,相同匝比的短路电流从线圈轴向上看呈现马鞍状分布特点,进一步研制了可以反映内部短路故障的换流变压器物理模型。最后,搭建全物理的换流变压器内部故障动态模拟试验平台,验证了所提出的内部短路电流计算方法的正确性,其K值计算误差控制在-1.70%~0.72%。

利用Excel模拟非均衡生产模式下奶羊群存栏动态科学设计奶羊场研究

规模养殖场科学设计的重要参数是基础母畜存栏量和分群存栏结构,奶羊场一般采取季节性自然分散发情配种模式,非全年均衡生产,所以没有固定的羊群存栏结构。目前,奶羊场设计主要参考基础母羊存栏量,在满负荷生产情况下不能正常分群、转群、空舍消毒,严重影响生产水平和效益。该文利用Excel生产模型模拟羊群存栏动态和转群流程,分析各生产阶段羊群的最大值、成群撤群时间,为科学设计奶羊场提供依据,合理布局各功能羊舍,满足正常分群、转群需要,实现群体精准饲养管理,并能够在满负荷生产状态下执行“全进全出”制度。

基于不同时空区域下网约车资源供求匹配模型的动态仿真模拟

基于网约车司机为了避免空车放回,主观选择拒绝郊区订单的问题,我们建立了不同时空网约车资源供求匹配模型、司机理想决策模型、异区域动态实时模型,通过对已有的天津市居民出行情况数据,智能打车平台上网约车实时分布情况,基于天津市地图数据为基础,对现实进行合理的抽象和简化,使用matlab软件对城市的实时载客情况进行动态化的仿真模拟,实现了对模型的求解,从而有效帮助郊区居民解决打车难的问题。

基于HEC-HMS模型的太行山小流域山洪模拟研究——以邢台路罗川流域为例

太行山南段东坡路罗川流域山洪灾害频发,然而相关的模拟研究较少。采用HEC-HMS模型,以罗川流域1982—2016年间8场山洪进行参数率定,2场洪水进行验证,并对比两套参数组合方案((1)初损常损法+Sndyer单位线法+指数衰退法+马斯京根法;(2)SCS曲线数法+SCS单位线法+指数衰退法+马斯京根法)。结果表明:两套方案合格率均为90%,平均Nash效率系数分别为0.83和0.79,预报精度均到达乙级水平,方案一优于方案二。产流初损和CN值均与起涨流量密切相关,分别为对数和指数关系。在验证期,基于经验关系的动态推求法模拟的洪峰流量平均相对误差为12.35%,洪量平均相对误差为12.35%,平均Nash系数为0.82,均优于固定参数法(17.26%、13.35%和0.77),可有效提高模拟精度。

水稻群体成穗率与干物质积累动态关系的模拟研究

应用两个水稻茎数动态模型 (TIL和 RGR模型 ) ,分析了成穗率与群体干物质积累动态的关系。结果表明 :(1)成穗率与最高茎数呈极显著负相关 ,支持了“降低苗峰是提高成穗率的关键”的结论 ;(2 )最高茎数与穗分化始期干重呈极显著正相关 ,前期干物质积累过快是苗峰过高的原因之一 ;(3)成穗率与群体干物质积累动态密切相关。同样的干物质积累量 ,干物质积累动态不同 ,其茎数动态相差很大。在抽穗期干物质积累量相近的情况下 ,穗分化以前干物质积累所占的比例越大 ,成穗率越低。采用一组独立的实测资料进行分析 ,也得到了相似的结果。由此可见 ,优化干物质积累动态是提高成穗率 。

水稻叶色变化动态的模拟模型研究

定量描述叶片颜色变化的动态过程是植物生长数字化和可视化的重要内容。本研究通过对不同水稻品种和不同水氮处理条件下主茎和分蘖不同叶位叶色变化过程的连续观测和定量分析,构建了水稻叶片颜色随生长度日变化的动态模拟模型。水稻叶片颜色变化的基本过程可以用3个阶段的SPAD值分别表达,第一阶段为基于幂函数的伸长期,叶色逐渐增强,第二阶段为相对稳定的功能期,叶色基本不变,第三阶段为基于二次曲线的衰老期,叶色逐渐减弱;并基于二次曲线方程分别描述了叶片含氮量和含水量对叶色变化过程的调控效应。在此基础上,进一步建立了叶片SPAD值与叶色组分(RGB)值的关系模型。利用独立的水稻田间试验资料对所建模型进行了测试和检验,显示主茎不同叶位叶色变化3个阶段模拟值的均方根差分别为2.58、3.69和3.82,4个分蘖不同叶位叶色变化模拟值的均方根差分别为4.65、4.39、3.51和4.25;SPAD值与叶色组分间模拟值的均方根差分别为2.98和3.25。表明本模型可较好地模拟不同生长条件下水稻不同茎蘖上不同叶位叶色的动态变化过程,从而为实现水稻生长系统的数字化模拟和可视化显示奠定了基础。

作物高产群体干物质积累动态模型的构建及生长特性分析

利用归一化的方法分别将最大干物质积累(DMA)以及出苗至成熟生长天数设定为1,以相对DMA(0～1)和相对时间(0～1)为参数进行动态模拟,得到不同春玉米品种的相对化通用干物质积累模型。通过模型筛选,建立了春玉米高产群体的相对化DMA模型:y=a/(1+be-cx),并建立了不同品种的相对化DMA动态变化模型:四密25:y=1.065 0/(1+71.588 3e-6.6972x);郑单958y:=1.062 9/(1+90.424 9e-7.0640x);先玉335:y=1.051 9/(1+132.982 1e-7.7984x)。3个品种的相关性均在0.98以上,并达到极显著水平。通过其它作物对模型验证,早、晚稻以及冬小麦的相对化干物质积累动态变化趋势同样符合Logistic模型,且复相关系数均在0.96以上,说明相对化的干物质积累模型y=a/(1+be-cx)可作为作物群体干物质积累动态模拟的共性模型。该模型为"三合结构"理论所建立的产量性能等式方程(MLAI*D*MNAR*HI=EN*GN*GW)的数量化、模式化和指标化提供了理论基础。

小麦群体叶面积的动态模型

根据作物生理生态学原理，建立了小麦群体叶面积指数动态模型，用小麦品种８９５００４在南京地区种植时的试验和当年气象资料对其进行了检验，表明小麦群体叶面积动态模型是可行的。

不同损伤模型下超高性能混凝土SHPB试验数值模拟对比

目的探讨不同损伤模型下超高性能混凝土SHPB试验数值模拟效果的差异性。方法应用大型有限元程序LS-DYNA,结合UHPC材料特性,明确了KCC、HJC和CSC模型中关键参数的取值,建立了超高性能混凝土SHPB试验数值仿真模型。在此基础上,开展不同损伤模型下UHPC试件波形、动态应力-应变曲线、弹性模量和动力增大系数(DIF)值模拟结果与实测结果的对比,探讨不同损伤模型下超高性能混凝土SHPB试验动态破坏进程。结果CSC模型在低速冲击下能更好地模拟UHPC材料的实测波形和动态应力-应变曲线,而在中高应变率下KCC模型和HJC模型得到的计算波形以及动态应力-应变曲线与实测值吻合度更好;低应变率下三种损伤模型得到的DIF值相差不大,但随着应变率提高,CSC模型在一定程度上将低估UHPC材料的动力特性;UHPC试件破碎程度随应变率的增加而增大,相对于CSC模型在冲击破坏时表现出的核心存留现象,KCC模型和HJC模型分别表现出明显的整体塌陷和边缘塌陷现象。结论对于UHPC材料,CSC模型适用于低速冲击下SHPC试验数值模拟,而KCC模型和HJC模型适用于中高应变率下数值模拟。

大仓鼠种群季节动态的模拟模型

本文提出了一个描述大仓鼠种群增长的计算机模型,其主要结构为:其中,x_1为幼鼠,x_2为产仔雌鼠,x_3为产仔后雌鼠,x_4为越冬雌鼠。R_(i,j)为相对转移率,这里R_(12),R_(32)分别由成熟历期,生殖时滞所决定,R_(23)=1_3R_(42)决定了越冬雌鼠首次产仔的分布。d_i为相对死亡率。MF为雌性占总体的比例。L为胎仔数。BRC为繁殖钟。Δt为推进步长。采用Boxcar法模拟各发育过程。 通过对模型中各参数的估计,对1986年河北饶阳县的大仓鼠种群的实际铗捕数据进行了拟合分析,结果表明,模型能够较好地描述大仓鼠种群繁殖与增长特性。此外,对模型中各参数的重要性都作了检验,发现成熟历期,性比和胎仔数对种群繁殖与数量增长影响较大。

水稻群体生长指标动态的知识模型研究

通过定量描述水稻群体基本苗以及主茎与分蘖数、叶面积指数和干物质积累动态与品种类型、生态环境因子和栽培措施之间的动态关系,以基于生理发育时间的积温来计算的发育进程为主线,建立了广适性的水稻适宜群体生长指标的知识模型,可为不同条件下水稻栽培过程中的生长调控与苗情诊断提供定量化的动态指标体系,包括群体主茎与分蘖动态、叶面积指数动态和干物质积累动态等。利用不同生态点的常年逐日气象资料以及不同品种类型对所建知识模型进行了实例分析。结果表明,本模型设计的大田基本苗与实际生产值RMSE平均为5.0,模型设计的群体生长动态指标与已有的高产栽培模式中实测结果平均相关系数达r=0.85**以上,故知识模型对不同条件下的水稻生长指标适宜动态具有较好的预测性。

细沟侵蚀动态过程模拟数学模型和有限元计算方法

建立了集中水流作用下均质土壤坡面上细沟侵蚀动态模拟数学模型。模型包括根据质量守恒原理推导而得到的变沟宽水流连续性方程和泥沙运移方程;根据动量守恒方程推得到的水流动力学方程;由紊流冲击分布概率来确定的土壤剥离方程;过量泥沙采用沉积的一阶沉积方程。模型还考虑了沟床形态、水流动力、土壤侵蚀与泥沙沉积形成相互依赖的反馈环,具有表达细沟的空间变化和时间演变的能力。给出了利用有限元方法对水动力学方程及泥沙运移连续方程进行顺序求解的数值计算公式以及模型数值求解的具体步骤。