CN102073925A - 一种基于水质水量约束的工业企业空间增长模拟实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于水质水量约束的工业企业空间增长模拟实现方法。该方法以城市CA理念为指导，首先，提取企业分布的区位条件，运用基于主成分分析与交通可达性分析改进的场强模型计算工业企业分布概率，再采取小值法叠加工业企业距离概率，最终模拟未来工业企业空间增长概率，获取微观动力；其次，代入子流域水质水量参数，获取宏观控制指标；最终，实现基于线性规划的区域宏观与微观相协调的工业企业空间增长模拟及其总体效应优化。该方法能有效模拟并指导工业企业空间增长，提高企业集群适度规模效益、循环经济效益，实现土地高效集约利用，改善水资源综合利用与水污染综合治理效率，为治污设施配套提供科学决策依据。
Description
技术领域
本发明涉及一种空间增长模拟方法，属于利用工业企业增长空间分布概率模型与水质水量约束模型进行区域工业企业空间增长模拟的技术领域。
背景技术
现有的空间增长模拟方法多是用于研究城市用地空间增长模拟，尚未单独研究工业企业空间增长模拟，对于工业企业空间增长的研究应考虑工业区位论的相关内容；同时其模拟方法也多以元胞自动机(Cellular Automata，简称CA)模型模拟为主，CA模型是一种微观动力学模型，是一种“自下而上”的微观模拟系统，目前其在城市发展动态模拟的应用过程中存在宏观因素缺乏、因素层单一、邻居和转换规则主观等几个明显的局限性；目前考虑水质水量约束的水文分析模型中常用的是水文学D8分析方法；而线性规划是实现多目标问题最优化的运筹学数学方法。
本发明的背景技术主要涉及以下四个方面：
1.工业区位论
工业区位论从理论上解释区位因子对工业布局的引导，韦伯工业区位论认为：工业的地理位置(工业区位)的选择决定于生产成本费用的大小，任何理想的工业区位都应当选择在生产成本费用最低的地点上，对成本费用起关键作用的区位因子有运输费用、劳动力费用和集聚力。工业厂商希望工厂的位置接近货运站或交通非常便利的地区，这样可以节省原料和产品在区内的运费，降低成本，增加利润。同时工业企业商希望工厂的位置接近市中心地区，这样即可为企业员工提供便利的生活条件，降低劳动力成本，又可以靠近市场。运费对工业的基本布局起最有力的决定作用，既包括到市场的距离，也包括到原料地距离。
工业区位理论强调：工业布局一般会考虑离市场距离、劳动力成本、产业集聚以及市场规模等因素，其中交通条件优势是影响地区工业生产的重要因素。交通导向、集聚导向、市场因素等是选择制造业区位的重要因子，交通导向表现为工业沿交通轴线分布。集聚导向则更多理解为现有城市所产生的集聚与规模效益，距离中心城市远近、中心城市规模及距离主要道路轴线距离是制造业布局的重要条件。
“场强模型”是定量运用工业区位论理论进行空间分析的重要模型。中心城市作为一定区域的核心，影响着周围区域被称为腹地，影响力的大小称为“场强”。采用场强模型可得到各地区接受区域中心城市辐射力的大小，辐射力越强，区域经济增长能力越强。场强模型可以更好地模拟包括到中心城市距离与中心城市规模影响等在内的工业区位条件。
2.元胞自动机模型
CA模型是由Ulam和Von Neumann于20世纪40年代提出的时间、空间、状态都离散，空间的相互作用及时间上的因果关系皆局部的网格动力学模型。不同于一般的动力学模型，CA模型没有明确的方程形式，而是包含一系列模型构造的规则。
CA模型的思想在地理学中的应用最早可追溯到20世纪60年代；Tobler在20世纪70年代，认识到元胞自动机在模拟地理复杂现象的优势，首先正式采用了元胞自动机的概念来模拟当时美国五大湖边底特律地区城市的迅速扩展；到20世纪80年代后期，随着计算机图形学以及复杂系统、混沌系统、分形等学科理论的发展，CA模型开始广泛地应用于城市和区域方面的研究；到20世纪90年代，城市CA模型获得了很大的发展，开始结合微观和宏观空间尺度上的要素来进行分析；当前城市CA模型正在向不再把城市看成是一个单独的自组织系统，而是把城市看作一个受更大尺度因素限制和修改的局部尺度上的自组织过程转变，在模拟时开始更多地考虑宏观外部因素的影响。
3.水文学D8分析方法
要在栅格DEM上提取流域信息，栅格间流向的判别是基础，确定各个栅格单元的水流方向是采用DEM进行地表水文分析的基础。D8算法是较早提出并得到广泛应用的一种实用算法。基于D8算法有不同的改进算法，但各算法类似，主要的区别在于对疑难点(例如对平坦区域流向的判别)处理乎法的异同。
D8算法中，确定一个栅格的水流方向就是将被处理的栅格单元同其最邻近的8个栅格单元之间的坡降进行比较，被处理栅格单元中心同其相邻的8个栅格单元中坡降最大的一个栅格单元中心之间连线的方向被定义为被处理栅格的水流方向，并规定一个栅格的水流方向用一个特征码表示。有效的水流方向定义为东北、东、东南、南、西南、西、西北和北。D8算法提取河网一般分4个步骤：首先，利用无凹陷点的栅格数字高程模型，计算有效水流方向分布图；其次，从选定的流域出口栅格始，遍寻所有流向及流径指向出口的栅格，即可确定该流域的区域及边界；第三步是提取河网，流域中的每一个栅格均可算出汇流至该栅格的栅格个数，汇流栅格个数超过某一阈值的栅格即可认为是河道；最后，对生成的河网分级，并划分子流域。
水文分析模块是ArcGIS空间分析中的一个功能模块，其运用了水文学D8分析方法，它的功能主要是通过DEM提取地表水径流模型的水流方向、汇流量积累、水流长度、河流网络(包括河流网络的分级等)以及对研究区的流域进行分割等。通过对这些基本水文因子的提取和基本水文分析，可以在DEM表面上再现水流的流动过程，最终完成水文分析的过程。
4.线性规划方法
线性规划是运筹学中研究较早、发展较快、应用广泛、方法较成熟的一个重要分支，它是辅助人们进行科学管理的一种数学方法.研究线性约束条件下线性目标函数的极值问题的数学理论和方法，英文缩写LP。它是运筹学的一个重要分支，广泛应用于军事作战、经济分析、经营管理和工程技术等方面。为合理地利用有限的人力、物力、财力等资源作出的最优决策，提供科学的依据。一般地，求线性目标函数在线性约束条件下的最大值或最小值的问题，统称为线性规划问题。满足线性约束条件的解叫做可行解，由所有可行解组成的集合叫做可行域。决策变量、约束条件、目标函数是线性规划的三要素。
从实际问题中建立数学模型一般有以下三个步骤：1)根据影响所要达到目的的因素找到决策变量；2)由决策变量和所在达到目的之间的函数关系确定目标函数；3)由决策变量所受的限制条件确定决策变量所要满足的约束条件。
本发明是以城市CA理念为指导，从宏观控制与微观动力两方面进行考虑；根据工业区位理论，提取企业分布的区位条件，运用基于主成分分析法与交通可达性分析方法改进的场强模型计算工业分布概率，再采取小值叠加方法叠加工业企业分布距离概率，最终模拟未来工业企业空间生长概率，获取微观动力；根据水文学D8分析方法，划分各子流域，代入各子流域水资源总量与水环境容量指标，获取宏观控制指标；运用线性规划方法最终实现多个子流域内部及之间宏观控制与微观动力相协调的总体效应最优化的一种工业企业空间增长模拟方法。目前工业企业空间增长模拟技术研究在国内尚属空白。
发明内容
1.发明目的
本发明目的在于构建一种基于水质水量约束的工业企业空间增长模拟方法。通过应用该方法，能在可预测的未来有效地模拟基于水质水量约束下的工业企业空间布局趋势，进而直接指导工业企业布局，提高工业企业集群的适度规模效益，为发展循环经济、促进土地高效集约利用以及提高水资源综合利用与水污染综合治理效率提供技术支撑；同时该方法可以为未来有效地表征与模拟工业水污染负荷空间分布状况及演化趋势提供技术支撑，进而为治污设施配套提供科学决策依据。
2.技术方案
未来克服背景技术中所述的现有空间增长模型的缺陷，达到发明目的中所述的效果，本发明的技术方案包括构建工业企业增长空间分布概率模型，计算工业企业用地增长需求总量，构建水质水量约束模型，构建运用线性规划方法求最优解及其空间化方法四个部分，最终模拟在水质水量约束下的工业企业空间增长，技术路线如附图1所示。
1)构建工业企业增长空间分布概率模型，计算空间分布概率
A.构建如权利要求2所述的数据库
数据库包括基础地形数据，河、湖、水库水文水质数据，土地利用数据，道理交通数据，工业企业分布数据，社会经济统计数据。
B.确定数据分析的最小单元，即栅格尺寸d
C.计算场强模型所需的时间距离参数D
根据交通可达性计算方法，采用GIS成本加权距离模块，计算最短可达时间距离，作为每个中心城市场强模型所需的时间距离参数D。
D.计算场强模型所需的综合规模参数Z
a.在遵循系统性、可比性、全面性和可操作性原则的基础上，选取以下5方面16项指标，构建场强综合规模评价指标体系，如表1所示
表1城市场强综合规模评价指标体系
b.计算场强综合规模，计算公式为：
式中：Zi为i城市的综合规模值；Ak是第k主成分的贡献率；m是特征值大于1的主成分个数；k是主成分编号；Ckj是第k主成分在第j变量上的载荷；Mij为第i城市第j个指标标准化后的新值，Mij＝Xij/Xj；Xij为第i城市第j个指标的原始统计值；Xj为所有城市第j个指标的算术平均值：
E.基于ARCGIS软件平台，通过编程，构建工业分布概率分析模块，如附图2，计算总场强值并将其进行(0，1)标准化，得出工业分布概率
F.采用缓冲区分析技术构建工业企业距离概率，概率与现有企业距离成反比
G.采取小值叠加方法叠加工业分布概率与工业企业距离概率，最终获得工业企业增长空间分布概率
2)计算工业企业用地增长需求总量，确定目标函数
根据地区发展目标，得到规划年份工业生产总值Q，按地均工业用地标准，地均产值S，得到规划年份工业用地需求量，需要工业用地总量N＝Q/S。
3)构建水质水量约束模型，得出相关约束条件
根据D8水文模型，将区域划分为n个子流域，并将参照子流域水资源总量W与工业COD总量Y来约束工业生长空间。根据某地区水资源总量，按照40％的保证率来控制，水环境按照工业COD总量U来控制。工业用地的地均水资源量为a立方米/平方公里；工业用地的地均COD排放量为b吨/平方公里，子流域内部工业用地总量为x平方公里。
4)运用线性规划方法求最优解，模拟水质水量约束下的工业企业空间增长目标函数：
(i＝1，…，n) 
(i＝1，…，n)
约束条件：xi×a≤40％Wi(i＝1，…，n)；
xi×b≤Ui (i＝1，…，n)；
最终可以计算出每个子流域的工业用地总量x；设每个子流域原有工业用地总量为x1，栅格尺寸大小为d
进而计算栅格增长需求Y：Y＝(x-x1)/d2
再根据ArcGIS栅格属性重分类按各自流域与增长工业用地栅格比例，在工业企业增长空间分布概率提取相应比例的大概率用地，即为增长的工业用地。
3.有益效果
通过将本发明所构建的一种基于水质水量约束的工业企业空间增长模拟方法应用于实践可以获得以下有益效果：
1)修正了场强模型，提高其科学性、针对性及数据精度，并开发了相关计算模块，提高其运算速度。运用主成分分析法确定的场强综合规模比传统的单个因子(如人口因子或经济总量因子)确定的规模更具有科学性及区域针对性；同时将运用区域交通可达性方法计算得到的时间距离作为场强距离，比传统的依据空间直线距离计算场强更为科学，模型精度大幅提升。
2)改变了单纯的依靠城市CA模型进行空间增长模拟，过于重视微观自组织行为，忽视宏观调控，并且方法复杂，计算量大的缺陷；构建了从宏观水质水量控制与微观工业企业空间生长动力两方面进行考虑，并用线性规划方法实现最优化布局，方法科学，技术简便。
3)能在可预测的未来有效地模拟基于水质水量约束下的工业企业空间布局趋势，进而直接指导工业企业布局，为政府部门规划决策提供支持。
4)提高工业企业集群规模效益，并使其发展规模适度，有利于可持续发展，为发展循环经济、促进土地高效集约利用以及提高水资源综合利用与水污染综合治理效率提供技术支撑。
5)可以为未来有效地表征与模拟工业水污染负荷空间分布状况及演化趋势提供技术支撑；并为污染集中治理配套设施布局与管网铺设提供基础科学决策依据，减少投资成本。
6)可以将将行政区工业水污染负荷转化落实到自然流域单元上，识别自然尺度工业污染强度分布与程度，可更为有效地明确责任，协调城市间、县市间工业污染减排及污水处理工程的进展，指导区域间污染治理协调与生态补偿机制构建。
附图说明
附图1：一种基于水质水量约束的工业企业空间增长模拟实现方法的技术路线图。
附图2：示例区域场强模型操作平台，操作平台所需栅格数据为500×500m格网。
附图3：示例区域场强值概率图层，概率值为0～1的值，表示每个栅格受中心城市辐射强度高低。
附图4：示例工业企业分布图。
附图5：示例工业企业分布概率图层，概率值为0～1的值，表示每个栅格转化成工业用地的概率高低。
附图6：示例子流域单元工业分布概率。
附图7：示例线性规划模型处理平台。
附图8：示例水质水量约束下的2010年工业用地(500×500m)空间用地生长空间。
具体实施方案
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。在此实例中，工业企业增长空间分布概率模型应用选择江苏与上海2007年的相关空间与统计数据，基于水质水量约束的工业企业空间增长模拟的实施例选择江苏省宿迁市。
1.构建工业企业增长空间分布概率模型，并计算空间分布概率
1)首先建立如技术方案所述之输入数据集。选定栅格大小为0.5km×0.5km，设计空间对象时间成本。
2)根据可达性计算，得到每个中心城市场强模型所需的时间距离参数。
最短可达时间距离计算采用GIS成本加权距离方法，通过该方法算出场强模型所需要的最短时间距离参数D。基本原理：在成本栅格图中，算出栅格图层中任意一个栅格点到目标点的最短时间。主要步骤：依据选定栅格大小为0.5km×0.5km，设定时间成本数值的参考为平均出行0.5km大约所需要的分钟数。
公式为：
(其中：V为各类空间对象设定速度)根据2005年中国不同等级的铁路里程和速度标准，以及中华人民共和国国内公路设计标准(《中华人民共和国公路工程技术标准(JTGB01-2003)》)，本文采用：①高速公路100km/h，国道80km/h，省道及一般公路60km/h；②陆地：20km/h；③水域：湖泊水库：1km/h，考虑水域依然有一定的通行能力，但有些地方要绕行一定距离才能到达对岸，需要付出比陆地更大成本，所以取其平均速度为1km/h，河流6km/h。其成本值见表2，依据设定数据，得到中心城市最短时间距离，作为场强模型所需要的参数。
表2主要的空间对象时间成本值设定
| 空间对象 | 陆地 | 湖泊水库 | 河流 | 高速 | 国道 | 省道 |
| 速度(km/h) | 20 | 1 | 6 | 100 | 80 | 60 |
| 时间成本(分钟) | 1.5 | 30 | 3.3 | 0.2 | 0.25 | 0.33 |
3)运用主成分分析方法来测度城市综合规模，得到结果如表3所示，作为每个中心城市场强模型所需的规模参数。
表3中心城市综合规模值
| 市名 | 综合值 | 市名 | 综合值 |
| 宿迁市 | 3.689263 | 南通市 | 8.917374 |
| 连云港市 | 5.616673 | 徐州市 | 11.61536 |
| 泰州市 | 5.630057 | 常州市 | 16.60035 |
| 盐城市 | 6.159036 | 无锡市 | 24.24873 |
| 淮安市 | 7.146003 | 苏州市 | 24.56696 |
| 镇江市 | 8.236661 | 南京市 | 47.98932 |
| 扬州市 | 8.305986 | 上海市 | 152.0699 |
4)采用场强模型集成平台，如附图2，得到区域每个栅格场强值，通过数据标准化，得到每个栅格场强概率值，如附图3。
5)采用缓冲区分析技术从工业企业分布图(如附图4)得到工业企业距离概率。将场强概率与工业企业距离概率按最小值叠加，得到工业分布概率图(如附图5)。
2.计算工业企业用地增长需求总量，确定目标函数
根据地区发展目标，得到规划年份工业生产总值Q，按地均工业用地标准，地均产值S，得到规划年份工业用地需求量，需要工业用地栅格N＝Q/S。如：以宿迁为例，工业行业包括：2007年工业总产值为4303885万元。分配到735个地块上，地均产值为5856万元，按照2007年的地均标准来预测2010年工业用地空间生长，根据预测2010年宿迁工业总产值值1080亿元，那么所需工业用地为1845个地块。
3.构建水质水量约束模型，得出相关约束条件
根据D8模型，得到各子流域，如：附图6，并将参照子流域水资源总量与工业COD总量来约束工业生长空间。根据某地区水资源总量，按照40％的保证率来控制，水环境按照工业COD总量来控制。
宿迁市水资源总量248857万立方米，2010年工业化学需氧量(COD)排放总量控制在7000吨，宿迁市内划分三个子流域，各子流域为水资源总量与工业COD总量如表4。
表4各子流域水资源总量与工业COD排放量控制
| 流域划分 | 水资源总量(万立方米) | 工业COD排放量控制(吨) |
| 子流域1 | 140000 | 3500 |
| 子流域2 | 60000 | 2000 |
| 子流域3 | 40000 | 1500 |
4.运用线性规划方法求最优解，模拟水质水量约束下的工业企业空间增长1)通过线性规划方法，按最优化目标得到每个子流域的工业用地需求量。设各子流域1，2，3的工业用地需求量分别为X，Y，Z个栅格(每个栅格0.25平方公里)；工业用地地均水资源量为a立方米/平方公里；工业用地的地均COD排放量为b吨/平方公里；水资源量按40％保证率供水。以宿迁为例：设a＝90万立方米/0.25平方公里；b＝3吨/0.25平方公里；
目标函数：x+y+z＝1845
约束条件：x×a≤140000*40％；y×a≤60000*40％；z×a≤40000*40％
x×b≤3500；y×b≤2000；z×b≤1500
运用线性规划软件，如附图7；
通过计算得到x，y，z值，x＝1012，y＝499，z＝334。
2)将按子流域为单元，再根据ArcGIS栅格属性重分类按各自流域与增长工业用地栅格比例，在工业企业增长空间分布概率提取相应比例的高概率用地，即为增长的工业用地。然后将得到工业生长区的若干子流域单元合并，最终得到水资源环境约束下的区域工业增长空间。
Claims (7)
1.一种基于水质水量约束的工业企业空间增长模拟实现方法，是在受到水资源总量制约与水环境纳污容量限制下，以提高水资源综合利用与水污染综合治理效率及土地高效集约利用为目标，在可预见的未来模拟工业企业空间布局增长的一种方法，其特征是：在一定的电子数据上，依据工业企业用地增长概率空间分布情况，以水质水量为约束条件，对工业企业用地增长总量需求进行空间分配，实现工业企业空间布局增长模拟。
2.根据权利要求1所述的工业企业布局空间增长模拟实现方法，其特征是：方法实现的基础电子数据为地理空间矢量与栅格数据及其对应的属性数据，包括基础地形数据，河、湖、水库水文水质数据，土地利用现状与规划数据，道理交通现状与规划数据，工业企业分布数据，社会经济统计数据。
3.根据权利要求1所述的工业企业布局空间增长模拟实现方法，其特征是：方法实现的电子数据分析格式是栅格数据，即通过栅格定量分析模拟工业企业用地增长概率，实现增长概率空间化并获得每个栅格的独立增长概率，进而在栅格上最终模拟工业企业布局空间增长结果。
4.根据权利要求1或权利要求3所述的工业企业布局空间增长模拟实现方法，其特征是：栅格尺寸确定依据为分析模拟区域范围大小需求及地理空间数据精度支撑。
5.根据权利要求1所述的工业企业布局空间增长模拟实现方法，其特征是：该方法包括工业企业增长空间分布概率模型与水质水量约束模型。
6.根据权利要求1或权利要求5所述的工业企业布局空间增长模拟实现方法，其特征是：应用GIS空间统计与空间叠置分析技术，综合运用主成分分析法、场强分析方法、交通可达性分析方法、水文学D8分析方法、线性规划方法，模拟工业企业用地空间布局。
7.根据权利要求1或权利要求5所述的工业企业布局空间增长模拟实现方法，其特征是：工业企业用地增长概率空间分布模拟适用于可预见的未来，即区域社会经济发展目标与环境保护需求不发生重大改变，区域水资源与水环境状况不发生重大改变，区域道路交通与土地利用按照相关规划实施建设不发生重大改变，工业企业生产治污技术与交通运输方式不发生重大改变。
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