基于分布式ca和bp水质模型的城市空间增长边界研究

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1、基于分布式CA和BP水质模型的城市空间增长边界研究（申请清华大学工学硕士学位论文）培养单位：环境学院学科：环境科学与工程研究生：宁雄指导教师:刘毅教授二○一五年六月ResearchonUrbanSprawlBoundarybasedontheDistributedCellularAutomataandtheBPNeuralNetworkWaterQualityModelThesisSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofMasterofScienceinEn

2、vironmentalScienceandEngineeringbyNingXiongThesisSupervisor:ProfessorLiuYiJune,2015摘要摘要城市建设用地扩张带来区域土地利用结构变化，城市面源污染排放负荷增加，对流域水环境质量可能产生复杂而又长远的不利影响。模拟区域城市土地利用变化，预测上下游水质对城市区域污染排放的响应关系，定量分析城市空间扩张与水环境质量变化之间的特征规律，以下游控制断面水质达标为前提识别沿江城市安全距离，对于科学划定城市空间增长边界、从源头控制流域水环境风险具有重要意义。论文从城市土地利用变化出发，运用分布式元胞自动机模

3、型（CA）和BP神经网络模型，构建城市土地利用变化及水质响应模拟模型。考虑土地利用变化的驱动和约束因素，在CA转换规则中实现对影响因素及作用机制的数学表达；借鉴水文模型，对传统集总式CA模型进行空间分区，不同区域选择不同参数；利用遗传算法的并行性特点，对分布式参数进行识别；分析参数空间灵敏性的差异，识别不同区域土地利用变化的控制因素。依据BP神经网络需求，概化河网和土地利用数据，建立关于排放量和排放位置的BP水质模型，分析城市间距对上下游水环境影响的大小，并以水质标准为约束反推上下游城市发展安全距离。研究选择长江沿岸的芜湖、马鞍山作为研究案例，对两地土地利用变化及沿江水质的

4、变化进行模拟分析。研究表明，两地城市间距不断缩小，建成区呈现出连片建设的趋势，上游（芜湖）排放的污染物对下游（马鞍山）的水质安全产生了影响。2020年马鞍山建成区起始点断面COD和氨氮浓度分别为12.80mg/L和0.31mg/L，较2010年分别增长29.2%和23.2%，增幅超出同期污染物排放量的增长。为保证2020年马鞍山市饮用水安全，在不改变排放量的情况下，建议芜湖马鞍山的建成区之间保留3.17km以上的安全距离。关键词：城市土地利用变化；分布式元胞自动机；遗传算法；BP神经网络；安全距离IAbstractAbstractUrbansprawlmaycausecha

5、ngesinregionalland-usecover.Withtheincreaseofurbannon-pointpollution,itproducesacomplexandlong-termadverseeffectstothewatershed.Tosimulatethechangeofurbanland-use,andpredicttheresponseofthewaterqualityupstreamanddownstreamtothepollution,sothatthequantitativerelationbetweenurbansprawlandwat

6、erqualitycanbeget.Thenusingthewaterqualitystandardstofindthesafedistancealongtheriverbetweendifferentcities,itwillmakebigsenseforthecontroloftheriskinthewatershed.Basedonurbanland-usechange,thisstudyuseddistributedcellularautomataandBPneuralnetworktobuildthemodel,whichcansimulateland-usech

7、angeandwaterqualityresponse.Achievingmathematicalexpressionsofdrivingandconstrictionfactorsofland-usechange,anddividingtheregionintoseveralsub-regionsashydrologicalmodelsdo.Theparametersindifferentsub-regionsaredifferentfromeachother.Geneticalgorithmwasusehere