城市人水系统互馈模拟及政策调控研究——以武汉市为例
文献类型：学位论文
| 作者 | 董怡 |
| 答辩日期 | 2024-12 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 夏军 |
| 关键词 | 城市人水系统 互馈关系 政策驱动 系统动力学 协同调控 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 自然地理学 |
| 英文摘要 | 伴随着城镇化快速推进，城市地区人水关系愈发复杂且易于失衡，城市水安全与高质量发展面临新的挑战。城市人水关系是指城市水循环联系的“水系统”与“人类系统”之间的关系，包括具有重要驱动影响的政策因素等。城市人水系统涉及自然和社会多过程、多要素在不同政策驱动下的复杂相互作用，需要以系统思维和动态视角探究城市人水系统互馈作用及其变化过程。科学认识城市人水系统作用规律和政策驱动机制，是自然科学与社会科学交叉领域的国际前沿方向，也是解决城市水问题、保障城市水安全的前提和关键。 论文以武汉市为研究区，聚焦城市人水系统模拟与调控，开展了城市人水系统政策量化、政策驱动的城市人水系统互馈模型研发、城市人水系统变化趋势分析及政策调控情景模拟四个方面研究，旨在揭示城市人水系统互馈机理及政策驱动机制，为城市水安全与高质量发展提供科学依据。论文主要研究内容与结论如下： （1）解析城市人水系统互馈关系，提出了城市人水系统政策驱动强度量化方法。在界定城市人水系统相关概念的基础上，探究了城市人水系统互馈作用关系，将城市人水系统政策划分为节约用水、生态环境监管、经济发展激励、科技创新鼓励、人口调控和产业结构优化六类，厘清了影响城市人水系统的政策因素。基于Word2Vec模型和TF-IDF（Term Frequency-Inverse Document Frequency）算法，提出了一种考虑政策关注偏好与实施强制程度的城市人水系统政策驱动强度量化方法。 （2）研发了政策驱动的城市人水系统互馈模型，将机器学习优化算法嵌入系统动力学框架，提升了复杂城市人水系统建模效率和模拟精度。将政策驱动强度作为模型变量，研发了政策驱动的城市人水系统互馈模型，分别采用带约束的有限内存拟牛顿法（Limited-memory BFGS with Bounds, L-BFGS-B）和非支配排序遗传算法II（Nondominated Sorting Genetic Algorithm II, NSGA-Ⅱ）率定参数，基于存量流量图和模型变量方程揭示了城市人水系统各要素之间的互馈机理。结果表明，模型在捕捉政策驱动下城市人水系统动态变化方面具有较高适用性和准确性，两种优化算法均能显著提升复杂城市人水系统的建模效率和模拟精度；L-BFGS-B算法适用于凸目标函数且初始解较优的情况，NSGA-II算法则更适用于解决优化目标冲突或目标函数呈非凸、多峰形态的问题。 （3）揭示了2001-2035年武汉市人水系统的整体行为及变化规律，评价了城市人水系统政策驱动效果。分析了可供水量、水环境质量、生产用水、生活用水、人口规模和GDP等表征城市人水系统的核心要素及其相关指标的变化特征，变化规律。结果表明，非常规水源供水量的增加将有效缓解城市供水压力，水环境质量显著提升但增速减缓，生产用水呈现先下降再上升趋势，生活用水呈持续增长趋势。第二、三产业用水量增长和人口持续增长分别是生产、生活用水变化的主要影响因素，外来人口流入是武汉市人口增长的主要原因，GDP呈现增长趋势但增速变缓。武汉市人水系统处于良性互动阶段且整体发展水平不断提升。科技创新鼓励、节约用水和生态环境监管政策是系统核心要素变化的主要正向驱动因子；人类系统发展水平主要受人口调控政策驱动，而水系统和城市人水系统发展水平主要受生态环境监管政策的影响。综合而言，政策对城市人水系统的驱动效果是多种机制相互博弈的结果，这种博弈也是系统呈现非线性变化的主要原因。 （4）模拟了大量政策协同调控情景，揭示了城市人水系统的政策驱动机制，探寻了应对复杂城市人水系统变化的适应性对策及路径。基于拉丁超立方采样方法构造政策驱动系数组合，设计了3000种政策协同调控情景，采用CART（Classification and Regression Tree）算法量化了政策对系统发展的贡献。结果表明，政策驱动效果与城市人水系统发展的阶段性特征密切相关，未来生态环境监管和产业结构优化政策的驱动效果将逐渐减弱。相比基准情景，大多数政策协同调控方案均能提升可供水量、水环境质量和GDP，其中，科技创新鼓励政策是提高可供水量和水环境质量的主要驱动因子，人口调控政策对GDP增长贡献最大。生产用水节约潜力有限；生活用水有较大节约潜力，强化节约用水政策是减少生活用水的关键。保持适度稳定的经济发展激励政策有助于实现城市人水系统高质量发展。 |
| 学科主题 | 自然地理学 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 134 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/217276]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 董怡. 城市人水系统互馈模拟及政策调控研究——以武汉市为例[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2024. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
浏览0
下载0
收藏0
其他版本
除非特别说明，本系统中所有内容都受版权保护，并保留所有权利。