“三生空间”统筹的科学基础与优化途径探析

党的十八大提出了将优化国土空间开发格局作为生态文明建设的首要举措,以及“促进生产空间集约高效、生活空间宜居适度、生态空间山清水秀”的目标要求。通过文献调研和总结归纳法,系统梳理了“三生空间”统筹优化的研究进展。总结发现,现有工作主要从国土空间利用质量、土地利用适宜性评价、资源环境承载力与比较优势等角度开展了“三生空间”统筹优化研究。但由于对“三生空间”科学内涵的认识不足、定量识别方法与分类体系的构建不完善,目前“三生空间”统筹优化的技术途径存在诸多问题尚待明晰。未来“三生空间”统筹优化的技术途径应以美丽中国建设愿景为目标导向,以人地耦合系统理论为核心,系统构建识别与优化国土空间的理论体系与技术框架。     

智慧城市人地系统理论框架与科学问题

智能技术的快速发展，不仅为城市人地系统的监测与调控提供新的技术手段，更会对城市人地系统的要素结构、耦合关系及动态演进等产生深刻影响，探索并构建面向智慧城市的人地系统理论势在必行。从流空间、“人—技术—空间”一体化耦合、复杂韧性系统等方面探讨了智慧城市人地系统的理论基础，进而提出智慧城市人地系统的概念模型。面向未来，智慧城市人地系统研究需要聚焦要素时空耦合过程、要素构成及影响机理、建模方法与评价、综合调控与优化路径等内容。从智能技术带来的人类行为模式与活动变化、空间智能化、虚实关联等方面，提出智慧城市人地系统理论、方法创新与可持续调控的未来展望，以完善适应中国国情的智慧城市人地系统理论方法体系，支撑城市地理学创新及“智慧大脑”、数字孪生城市建设等现实需求。     

社会经济—生态环境耦合系统动力学模型

为实现生态环境优化调控与科学管理，促进社会经济与生态环境的协调发展，从社会经济系统、生态环境系统以及二者的相互联系定量研究入手，建立了经济系统与生态环境系统相耦合的动力学模型，给出了此模型的一般表达式和耦合计算方法。     

某涡桨发动机隔振安装系统弹性参数优化研究

目的降低某型涡桨发动机安装系统中存在的振动耦合。方法在ADAMS中建立该涡桨发动机安装系统的动力学模型,以发动机安装系统模态频率及侧向、垂向模态对应的振动解耦率为优化条件,通过ADAMS/insight模块对该动力学模型进行刚度优化。结果通过优化,发动机安装系统侧向模态频率为8.03 Hz,垂向模态频率为28.23Hz,满足隔振要求。侧向、偏航、俯仰模态实现了振动解耦,解耦率均在97%以上。由于主隔振器结构特点,垂向、航向、滚转模态仍存在振动耦合,可考虑改变主隔振器结构以降低该振动耦合。结论所述方法可提高涡桨发动机安装系统的振动解耦率,降低安装系统的刚度设计难度,进而提高涡桨发动机安装系统的隔振效率。     

基于水土保持下的纸坊沟流域农业产业-资源系统耦合效应评价

农业产业-资源系统耦合不仅表现为两子系统之间耦合协调作用的程度,而且表现为这种协调作用下系统的耦合效率。以黄土丘陵区典型流域纸坊沟流域为例,采用耦合协调度模型与DEA方法,揭示农业产业-资源系统耦合效应:一系列水土保持政策和措施显著改善了区域农业资源环境条件、促进了农业产业的发展,并提高了二者的耦合协调度,然而在此协调趋势下,资源环境条件向产业效益转化的效率却只在很小幅度的波动中变化,水土保持在提高系统的耦合效率方面作用甚微。究其原因主要是由于在林草地资源大量闲置和利用不充分的状况下,农业产业结构与资源结构尚存在较大偏差,系统的这种结构性矛盾影响了其耦合效率,系统演变过程中潜伏了较大危机。为此,需要保证现有林草资源得以充分利用、林果业和畜牧业得以有序发展的经济、政策环境,并在此基础上优化系统的资源与产业结构,转变资源利用和产业发展方式。     

黄河流域工业水资源效率与经济协调发展特征及时空演变

揭示工业水资源效率与工业经济发展的耦合协调特征及时空演变规律,是实现黄河流域生态保护和高质量发展的现实需求.利用考虑非期望产出的超效率EBM模型和基于熵权法的综合评价模型,分别测度黄河流域9省份以及上中下游的工业水资源效率及工业经济发展水平,然后运用耦合协调度模型探究两系统的耦合协调关系,最后通过莫兰指数进行空间自相关分析.结果表明：(1)2010-2019年黄河流域整体工业水资源效率高于工业经济发展水平,皆呈上游<中游<下游的空间递增分布格局,各省份差异显著.(2)两系统处于高级耦合状态,耦合协调度由中等协调进入良好协调阶段;各省份的耦合度和耦合协调度所处阶段不同,且耦合协调度总体存在显著的空间正相关,集聚类型多为高-高集聚和低-低集聚.(3)局部莫兰指数显示,高-高集聚区的具体构成最稳定,始终为山东省、河南省和山西省,使得耦合协调发展水平呈现出“强者恒强”的空间集聚特征.研究显示,黄河流域各区域应发挥比较优势实施差异化、特色化发展策略,通过科技赋能与环境规制提高工业水资源效率和工业经济发展水平;发挥高耦合协调度地区的示范带动作用及空间溢出效应,以区域互联互通互补促进要素...     

中部地区新型城镇化与农业现代化耦合协调机制及优化路径

基于城乡统筹和区域协调发展的视角,构建了新型城镇化与农业现代化耦合协调发展评价指标体系,采用全局主成分分析、耦合协调度模型对2007—2017年中部地区两化的耦合协调机制及时空演化特征进行了系统研究。结果表明：（1）研究期间各省份新型城镇化与农业现代化以一定幅度的波动持续增长,但双向交互下的综合效益总体偏低,经济发展是驱动二者水平提升的主要动力;（2）中部地区新型城镇化与农业现代化表现为高度的耦合相关,2007—2017年两系统经历了“轻度失调—初级协调”的转变,耦合协调关系总体趋于不断优化,协调水平在空间格局上呈现“南高北低”的分异特征;（3）中部地区新型城镇化与农业现代化的耦合协调存在一定短板,相比之下新型城镇化的发展稍显滞后。2012年以来,在宏观政策的调控和引导下两系统发展的不平衡趋势逐步减弱,多数省份已先后实现不同协调等级的同步发展。掌握新型城镇化与农业现代化的耦合协调特征和时空演化趋势,对新时期中部地区崛起和现代化建设目标的实现有着积极的现实意义。     

热膜耦合海水淡化工艺系统热经济性评价

对规模为10000t/d的独立反渗透(RO)膜法海水淡化系统和独立低温多效蒸馏系统(MED)进行了产水及经济性分析;将热法低温多效蒸馏海水淡化系统与膜法反渗透海水淡化系统进行集成得到MED-RO热膜耦合海水淡化系统,并以膜法与热法的产水分配比为优化参数对该耦合系统进行了产水特性及经济性分析与优化,得出耦合海水淡化系统中产水浓度随着产水比的增大而增大,制水成本随着产水比的增大而减小,当产水比为1.2时,产水浓度为297.47mg/L,制水成本为0.7174$/t,热膜耦合法海水淡化系统得到最佳产水特性和最优经济性。     

流域系统优化调控的新模型与应用

流域系统具有复合性和非线性特征,其机理过程的数值描述本身也存在随机和认知不确定性.在此前提下,如何优化调控流域系统,实现水质改善和水生态系统健康成为当前水资源、水环境及水生态领域亟待解决的突出问题.本文提出了贝叶斯递归回归树模型和区间不确定性的风险决策分析方法,与强化区间线性规划结合形成了新的不确定性＂模拟-优化＂间接耦合模型,实现流域系统优化调控及风险决策方案.上述方法将应用于美国佛杰尼亚州Chesterfield县Swift Creek水库营养盐TMDL分配方案,确定8个子流域的最小负荷分配以实现叶绿素a浓度达标.结果表明该耦合模型既能表征流域系统特征,也能兼顾不确定性模拟的准确度、计算效率以及不确定性优化与风险决策的解空间全局最优性、绝对可行性,为流域系统优化调控及其未来非线性系统的预测与最优控制提供了新的计算工具.     

黄土高原沟道农业系统与优化模式

黄土高原沟道农业是现代人地关系耦合发展的一种新兴农业地域类型，其可持续发展对于区域农业提质增效、乡村振兴和黄河流域高质量发展具有重大现实意义。本文基于人地系统科学原理阐述了沟道农业的概念内涵、科学认知、优化模式及其保障政策。结果表明：（1）沟道农业可持续性应遵从“要素—系统”到“结构—功能”，注重“沟坡水土保持、流域生态建设与区域乡村振兴”的多目标有机结合。同时，处理好宏观与微观效益的关系以及不同尺度的沟道水土构型、农田景观、农业系统的层次体系，深化贯通式研究，全面揭示沟道农业发展演变过程及其微观作用机理。（2）总结了沟道农业优化模式，搭建了不同模式的框架图，建议完善相关的技术与制度保障体系，以支撑实现区域乡村振兴和黄河流域高质量发展目标。（3）新时期黄土高原现代沟道农业高质量发展应立足于人地系统科学前沿，全面构建现代沟道农业系统理论与方法，深入探究优化沟道农业生产方式和创新经营管理模式的新途径。（4）基于要素流、产业链、流通网，面向SDGs目标和乡村振兴、粮食与生态安全，深入探究不同尺度沟道农业状态评估与情景模拟，服务支撑区域现代化建设决策。黄土高原沟道农业系统特征与优化模式研究，是推动农业地理学研究理论与方法创新，进而为黄土高原农业高质量发展提供科学依据的重要途径。     

冲击环境后峰锯齿脉冲试验条件自动寻优方法

目的 通过自动寻优制定冲击环境后峰锯齿脉冲试验条件,避免冲击“过试验”。方法 根据冲击响应谱的基本原理和谱型特征,提出利用对数距离量化评价2条谱型的吻合度。对冲击环境和后峰锯齿脉冲分别进行冲击响应谱分析,将2条冲击响应谱之间的对数距离最小作为优化目标,将后峰锯齿脉冲的波形参数作为优化参数,基于自适应差分进化算法,提出冲击环境后峰锯齿脉冲试验条件自动寻优方法。结果 将所提方法分别应用于模拟冲击环境和实测冲击环境,均获得了合理的后峰锯齿脉冲试验条件,验证了所提方法的正确性。结论 提出的基于自适应差分进化算法的冲击环境后峰锯齿脉冲试验条件自动寻优方法正确可行。     

东北地区产业结构优化与城市土地集约利用协调性

精准识别产业结构优化与城市土地集约利用的协调状况,对于推动东北地区产业结构转型升级、协调国土空间规划及产业布局具有重要现实意义。运用耦合协调度模型及探索性空间数据分析法,深入探究了2009—2018年东北地区产业结构优化与城市土地集约利用的耦合协调水平及其空间相关性。结果表明：（1）东北地区城市产业结构合理化水平逐年降低,且区域差异程度较大;产业结构高级化水平小幅上升,但不存在明显的空间分异特征。（2）城市土地集约利用水平呈现出先上升后下降的倒“U”型演变特征,并沿着哈大交通经济带的中心城市向两侧梯度递减。（3）产业结构合理化、产业结构高级化与城市土地集约利用协调度分别呈现先上升后下降及稳步上升的演变态势。两协调度均以大连、哈尔滨等城市为中心向外辐射,呈现“多中心多圈层”的空间分布特征。（4）城市两系统协调度存在显著的空间正相关,但显著性逐年减弱,其中高—高聚集类型主要集中在辽中南城市群,低—低聚集类型集中在黑龙江东部城市群。     

南昌市浅层地下水水质评价及监测指标优化

地下水环境监测过程中保证地下水水质评价代表性的同时尽量优化监测指标数量,对地下水环境管理具有重要的意义.选取南昌市地区2014年和2019年浅层地下水监测数据,运用统计分析、 Piper三线图和熵权水质指数(EWQI)分析水化学特征及水质变化,并耦合逐步多元线性回归分析构建基于水质评价的关键指标优化方法,评估此方法应用的可行性.结果表明,南昌市地下水2014年和2019年水化学类型主要为HCO₃-Ca型;pH值、 NO^-₃、 I^-、 Fe和Mn等5项超标指标是水质变化的主要影响因子;2019年水质状况总体上高于2014年,基本为“中等”水质,二者EWQI平均值分别为53.72和82.34;基于关键指标优化方法构建的最优模型EWQI_min-4能够较好地代表实际的EWQI,关键指标包括Mn、 NO^-₃、 TH、 Fe、 pH值和I^-,其决定系数(R²)和百分比误差(PE)值分别为0.865和10...     

基于GLUE法的多指标水质模型参数率定方法

目前对水质模型进行参数率定通常利用计算机算法来实现,但由于水质模型日趋复杂的非线性结构往往会导致"异参同效"现象,无法通过单个似然度判断参数的取值是否能够取得真值.为避免这一情况,本文提出了一套基于GLUE法的多目标模型参数率定方法,并以WASP水质模型的应用为例,通过Sobol方法确定模型的敏感参数,并利用DO、CBOD、氨氮、硝态氮4项指标的似然函数对参数同时进行率定.结果表明,该方法既可以有效地避免因追求"过拟合"而造成模型参数取值不当,也可以减小模型参数的不确定性,为具有"异参同效"现象的复杂模型的参数率定工作提供了一个更为可靠的方法.     

基于PSO-BP神经网络的山西省碳排放预测

山西作为能源使用和碳排放大省,推动“双碳”战略对全国具有重要示范意义。基于IPCC（政府间气候变化专门委员会）排放系数法测算山西省2000—2020年的碳排放量,运用Tapio脱钩模型分析碳排放与经济发展之间的脱钩关系,利用LMDI法对影响碳排放变化的因素进行分解,采用PSO-BP神经网络模型对山西省的碳排放量进行模拟和预测。结果表明：2000—2020年山西省碳排放量呈增长趋势,碳排放强度呈下降趋势,脱钩系数为0.585,整体处于弱脱钩状态。经济增长是碳排放量增长的决定因素,而产业结构与能源强度的优化调整是抑制碳排放的主导因素。引入PSO（粒子群优化算法）有效提高了BP神经网络的预测精度。预测结果显示,在基准情景、低碳情景和强化低碳情景下,山西省碳排放分别于2032年、2029年和2027年达峰。针对预测结果,提出了相关政策建议。

     

基于改进FWA-NN的污水处理过程溶解氧浓度预测

为实现对污水处理过程溶解氧质量浓度的实时准确预测,提出了一种改进的混沌烟花混合优化算法并构建了基于改进算法的神经网络在线软测量模型.结合污水处理过程的数据特征,定义了一项新的样本相似度衡量指标用于提取更具代表性的建模数据.在改进算法中,为提高基本烟花算法初始成员的质量,定义了一种改进的两级正弦混沌映射并利用混沌运动的遍历性精选烟花算法的初始群成员;通过融合混沌算法改进了基本烟花算法的搜索机制,基于设定准则将寻优过程分为两阶段并采用两分群同时进行.测试结果表明改进算法的收敛速度和收敛精度有较大程度提高.将改进的软测量建模方法和样本数据提取方法用于污水处理过程溶解氧质量浓度软测量建模,应用结果表明该模型的均方根误差和平均泛化误差分别为0.0175和0.0118,具有较强的泛化性能.     

城镇污水处理设施空间优化配置研究

城镇污水处理设施建设总体规模不足、空间布局不平衡等问题突出,基于效率最大化、费用最小化原则,从微观效率和宏观布局两个维度进行空间优化配置,为解决城镇污水处理设施的空间均衡问题提供思路.以淮安市盱眙县盱城镇为例,利用ArcGIS网络分析工具,构建"目标市场份额"和"最小阻抗"模型,进行镇区污水处理设施的空间优化配置.结果表明:已有的污水处理设施中,由于管网配套不足,富春运行负荷低,未来扩大服务范围、提高运行效率是重点;在合理运行条件下,已有的污水厂的设计能力仍不满足治理需求,根据排污治污缺口,需新建一座2万t/d规模的污水处理设施;新建污水厂的最佳位置位于缺口地区的最小费用点.微观效率与宏观布局的协同优化方案可为盱城镇污水处理设施的格局优化提供科学依据,同时也为全国同类地区城镇污水处理设施空间规划管理提供参考.     

一种模拟动力学边界条件的环境振动试验方法研究

目的提高环境振动试验的可靠性。方法以某典型钛合金蜂窝夹芯壁板试验件为例,提出一种模拟试验件动力学边界条件的试验方法,在试验件周围引入弹性连接件,再通过刚性转接工装与振动台台面连接,以试验件在试验安装状态下的共振频率及振型节线位置为优化目标,以弹性连接件的外形尺寸及厚度为优化变量,对弹性连接件进行优化设计,从而模拟试验件真实的动力学边界条件。结果弹性连接件的优化设计使得试验件在试验安装状态下前两阶共振频率与试验要求相差小于8%,而且振型节线位置与试验要求基本重合,达到了模拟试验件真实动力学边界条件的设计目标。结论对于壁板类试验件,在传统刚性夹具的基础上引入弹性连接件的试验方法,可以较好地模拟试验件真实动力学边界条件,提高环境振动试验的可靠性,并且这种方法对试验费用及试验周期影响较小,具有良好的工程应用前景。     

基于理想点法的加筋板屈曲承载力优化

目的针对加筋板在使用工况中易发生屈曲和结构失稳,提出一种基于理想点法的屈曲承载力优化设计方法。方法以加筋板的屈曲承载力最大和结构质量最小为目标,以加筋板的屈曲、最大vonMises应力和筋条压损等为约束条件,并利用理想点法将多目标优化问题转化为单目标优化问题。基于ANSYS参数化建模技术,构建屈曲分析、优化设计一体化分析与设计模型,并采用单目标优化算法——DOWNHILL SIMPLEX算法实施了优化分析。结果优化后结构质量从0.195 kg增加到0.24 kg,增加了23%,结构承载力从129.4 k N提升到235.84 kN,提高了82%。结论通过优化能够获得结构性能折中的方案,可为加筋板结构设计应用提供参考。     

基于U-D分解卡尔曼滤波地下水污染源溯源辨识

采用基于U-D分解的卡尔曼滤波与非线性规划优化模型相结合,溯源辨识出地下水污染源的个数、位置与释放强度.基于一个假想例子,建立地下水污染质数值模拟模型,运用灵敏度分析筛选出对模型影响较大的参数作为模型中的随机变量.然后,应用基于U-D分解的卡尔曼滤波辨识出污染源的个数与位置.在此基础上建立辨识污染源释放强度的优化模型,...