基于元胞自动机面向生态的水土资源综合配置研究——以陕北延河流域为例

水土资源是人类生产、生活的基本资料。进入20世纪，人类对水土资源的利用广度和深度在不断加强，从而导致全球性的资源短缺和生态破坏，很大程度上削弱了自然环境的承载能力。因此，优化配置水土资源，提高其综合利用率已经成为区域发展中亟待解决的重大课题之一。然而，由于不同区域的复杂性和特殊性以及研究方法的多样性，目前仍存在一些问题，例如对水资源-土地资源耦合系统进行综合性研究较少；对基于生态环境需水的"面向生态的"配置研究较少。鉴于此，本项目基于延河流域近50年的水、土、气等因素的动态资料，以RS和GIS空间分析为技术支持，分别采用水文模型法和神经网络模型法测评流域生态环境需水和社会经济用水；在此基础上，运用灰色线性规划（GLP）方法，构建水量-水质-生态耦合系统模型，提出"面向生态的"水土资源综合配置方案；借助元胞自动机（CA）模型，实现流域水土资源数量配比与空间分布的有效结合。

项目基于陕北延河流域近50年的水、土、气等因素的动态资料，以RS和GIS空间分析为技术支持，选取具有生态学和水文学意义的指标，建立流域生态功能分区指标体系，划分流域生态功能分区。同时，运用相关模型，对流域旱地系统和湿地系统的生态环境需水及其空间分布特征进行测评和分析；采用具有自学习、自适应特点的BP神经网络模型，预测了流域社会经济需水量。在测评流域生态环境需水和社会经济用水的基础上，运用灰色线性规划（GLP）方法，构建水资源—土地资源耦合系统模型，提出“面向生态的”水土资源综合配置方案；借助元胞自动机（CA）模型，模拟多目标情景下水土资源优化配置的空间格局，从而实现水土资源数量配比与空间分布的有机结合。研究结果表明：①延河流域基本划分为防风固沙区、防旱抗旱区、水土保持区、农业种植区和植被保护区等五大生态功能分区。②景观尺度上，有林地—粘壤土的单位面积生态环境需水最大，约为502.31mm/a；牧草地—砂壤土的单位面积生态环境需水最小，约为300.01mm/a；生态分区尺度上，植被保护区的单位面积生态环境需水最大，约为357.72mm/a，防旱抗旱区的单位面积生态环境需水最小，约为304.73mm/a。延河河道的生态环境需水主要表现为输沙需水，其年内需求主要集中于夏季，占到全年最小生态环境需水的65.79%。50%保证率下的多年平均生态环境缺水主要发生在每年的7月份，且中游河段的缺水最为严重。20世纪50年代到2005年期间，河道生态环境需水量呈逐年减少的趋势，生态环境缺水量有所波动，但变幅不大。③随着流域人口的持续增长和经济的快速发展，社会经济各项需水量以及流域供水能力均呈现逐年增加的趋势。预计2010-2030年，在生态保护政策稳步实施的前提下，在满足土地资源最小生态环境需水的配置方案下，流域有林地、灌木林、牧草地、园地等面积均有不同程度的增加，而且随着城市化进程的不断加快，建设用地面积也将保持较高的增长速率。