本发明属于土地空间规划
技术领域：
，具体涉及一种面向岛礁资源环境承载力多目标优化的空间规划方法。
背景技术：
：岛礁作为海上极其稀少的陆地资源，是开发利用海洋资源的重要依托，高效、合理利用有限的岛礁陆域空间成为我国海洋空间规划的重要任务。充分利用岛礁区域的太阳能、风能、降水等可再生资源和岛礁有限的土地空间面积，最大化岛礁发电能力的同时尽可能降低岛礁大气、水体污染排放，成为当前岛礁空间规划面临的重要难题。现行的空间规划体系主要有主体功能区划、土地利用总体规划和城乡规划。主体功能区划是政府宏观决策的体现，但主体功能区规划指标并没落实到具体地块，在空间布局上缺乏执行手段。土地利用总体规划优势在于对耕地特别是基本农田保护和建设用地指标管控发挥了重要作用，但土地利用总体规划受决策者影响较大，不能客观反应区域发展的需求。城乡规划则是对城乡规划范围以外的空间缺乏考虑，不能覆盖全域全要素。采用现有的空间规划方法不能充分考虑岛礁上的各种资源，规划过程中不能覆盖全域全要素，其规划结果还存在客观性和可比性等争议，不宜直接应用于岛礁空间规划。因此，为合理开发和利用岛礁空间资源，亟需一种科学方法制订满足岛礁可持续发展的空间规划。技术实现要素：本发明的目的在于提供面向岛礁资源环境承载力多目标优化的空间规划方法，以解决现有技术中存在的技术问题。为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种面向岛礁资源环境承载力的空间规划方法，包括如下步骤：步骤1，获取岛礁发展现状数据集，所述岛礁发展现状数据集包括：岛礁统计数据、资源环境要素数据和空间规划数据；步骤2，根据岛礁空间规划现状及未来空间规划设想，建立适用于岛礁的用地分类体系，所述岛礁的用地分类体系中包括陆域用地类型和海域用地类型；步骤3，根据岛礁的所述资源环境要素数据，建立岛礁资源环境承载力评估模型，利用所述评估模型得到所述岛礁资源环境承载力评估结果；步骤4，根据步骤3中的所述岛礁资源环境承载力评估结果，设置岛礁资源承载力和岛礁环境承载力目标函数，建立岛礁可持续发展的约束条件；步骤5，采用多目标优化算法计算所述岛礁可持续发展的约束条件下各类用地类型的占地面积的最优解，得到面向岛礁资源环境承载力多目标优化的空间规划结果。可选实施例中，所述步骤1中，所述岛礁统计数据包括岛礁人口总数、用电量统计数据、用水量统计数据；所述资源环境要素数据包括：岛礁光照强度数据、风速数据、降水量数据、雨水收集数据和污染物排放量数据；所述空间规划数据包括：岛礁土地利用现状矢量图、可用陆域及可用海域面积、各类用地类型的最大占地面积比例数据、各型号发电设备单台占地面积。可选实施例中，所述步骤2中，所述陆域用地类型分为居住用地、公共管理与公共服务设施用地、道路与交通设施用地、绿地与广场用地、特殊用地；所述海域用地类型分为邻近海域开发区、滨海风景旅游区、水产养殖区、海洋生态保护区。可选实施例中，所述步骤3中，利用所述岛礁资源环境承载力评估模型对岛礁太阳能丰富度、岛礁风能丰富度、岛礁雨水收集总量和岛礁污染物排放总量进行评估。可选实施例中，所述步骤4中，所述岛礁可持续发展的约束条件包括岛礁电力供需平衡约束、岛礁水资源供需平衡约束、岛礁各用地类型占地面积约束。可选实施例中，在步骤3中，利用所述岛礁资源环境承载力评估模型对岛礁太阳能丰富度、岛礁风能丰富度、岛礁雨水收集总量和岛礁污染物排放总量进行评估的具体方法如下：步骤a，根据岛礁光照强度数据，采用多年平均值法计算岛礁的水平面太阳年总辐射量，计算方法如公式(1)所示，并参考《太阳能资源评估方法》(qx/t892008)，根据太阳年总辐射量指标评估岛礁太阳能的资源丰富程度；上述公式(1)中，hi为第i小时的单位面积光照强度，n为光照强度数据总记录数，表示岛礁水平面太阳辐射年总量多年平均值；步骤b，根据岛礁风速数据，采用双参数威布尔分布模型计算岛礁风功率密度、矩估计法计算双参数威布尔分布模型的形状参数和尺度参数，具体计算方法如公式(2)所示，并参考《风电场风能资源评估方法》(gb/t18710-2002)，根据风功率密度指标评估岛礁风能资源的丰富程度；上述公式(2)中，p为风功率密度，ρ为岛礁的年均空气密度，k为威布尔分布模型的形状参数，c为威布尔分布模型的尺度参数，γ表示伽马函数，为岛礁平均风速，vi为第i小时的风速观测值，n为风速数据总记录数，δ为岛礁风速的标准差；步骤c，根据岛礁降水量数据和岛礁雨水收集数据，采用公式(3)计算岛礁的雨水收集总量；上述公式(3)中，fc为雨水收集总量，η为收集效率，r为降水量，l为雨水收集启动阈值，即降水量达到l时收集装置开始收集雨水，h为雨水收集截止阈值，即降水量达到h时收集装置的雨水收集能力达到上限，ac为雨水回收面积；步骤d，参考大气污染物排放标准(gb3095-2012)、海水水质标准(gb3097-1997)，将岛礁用地类型划分为两级大气环境功能区、四级水质分级区域，采用公式(4)计算岛礁污染物排放总量；上述公式(4)中，v大气为岛礁排放大气污染物的排放总量，i代表排放大气污染物的两级环境功能区，一级环境功能区包含的用地类型有：将海洋生态保护区、绿地与广场用地划分为一级环境功能区，即i＝1；将居住用地、公共管理与公共服务设施用地、道路与交通设施用地、邻近海域开发区、滨海风景旅游区、水产养殖区用地划分为二级环境功能区，即i＝2；ai为第i级环境功能区的总占地面积；j为排放大气污染物的种类，j∈[1,2,……，6]，分别代表：so2、co、no2、o3、pm10和pm2.5；vi,j为第i级大气环境功能区单位面积排放第j种大气污染物的排放量；v水体为岛礁排放水体污染物的排放总量，x代表排放水体污染物的四级水质分级区域，将海洋生态保护区用地划分为一级水质分级区域，即x＝1；将水产养殖区划分为二级水质分级区域，即x＝2；将滨海风景旅游区用地划分为三级水质分级区域，即x＝3；将邻近海域开发区等用地划分为四级水质分级区域，即x＝4；y代表排放水体污染物的种类，y∈[1,2,……，5]，分别代表：ph、溶解氧、化学需氧量、无机氮、非离子氨；vx,y为第x级水质分级区域单位面积排放第y种水体污染物的排放量。可选实施例中，在步骤4中，设置岛礁资源承载力和岛礁环境承载力目标函数，建立岛礁可持续发展的约束条件的具体方法如下：步骤a，针对岛礁能源发电，设置岛礁资源承载力目标函数，该过程包括：首先根据岛礁太阳能丰富度及风能资源丰富度评估结果，判断岛礁可利用的可再生能源种类；然后确定目标函数计算的时间尺度，所述时间尺度包括日、月、年；若选取时间尺度为日，使用典型日每小时风速和光照强度计算可再生能源实时输出功率，选取时间尺度为月、年尺度时同理；最后根据岛礁可再生能源发电种类及柴油机发电设置资源承载力目标函数，具体公式如下：maxf1＝e可再生能源 e柴油机(5)上述公式(5)中，e可再生能源为可再生能源发电总量，采用风机和光伏组件实时输出功率进行计算，e柴油机为柴油机发电总量，根据柴油机燃料消耗曲线进行计算；针对单台风机实时输出功率计算，需要得到风机轮毂所在高度处的风速vhub，然后根据风机的风速功率曲线得到风机输出功率，具体计算公式如下：上述公式(6)中，pwind(t)为风机在第t小时的输出功率，vhub(t)为风机轮毂高度处第t小时的风速，α为风切变系数，vref(t)为测量高度href处第t小时的风速；针对光伏组件实时输出功率计算，需要得到光伏组件实时工作温度tpv准确计算光伏组件输出功率，具体计算公式如下：上述公式(7)中，ppv(t)为第t小时内光伏组件发电功率，pstc为标准测试条件下的光伏组件额定功率，ηpv为光伏组件降容系数，g(t)为第t小时内的岛礁光照强度，gstc为标准测试条件按下的光照强度，αtp为光伏组件功率温度系数，tpv(t)为光伏组件第t小时内的工作温度，tstc为标准测试条件下的光伏组件工作温度，t(t)为光伏组件在第t小时内的环境温度，tnoct为电池标称工作温度，ηstc为标准测试条件下光伏组件工作效率；针对柴油机输出功率计算，需要考虑柴油机的燃料消耗f，具体计算公式如下：f(t)＝f0×pe f1×pgen(t)(8)上述公式(8)中，f(t)为柴油机在第t小时内的燃料消耗量，f0和f1分别表示柴油机的燃料消耗曲线的截距和斜率常数，pe为柴油机额定功率，pgen(t)为柴油机第t小时内的实际输出功率；步骤b，设置岛礁环境承载力目标函数，包括：首先，考虑到柴油机发电是可再生能源发电的补充手段，其污染物排放与柴油机燃料消耗f相关，根据柴油机大气污染物排放系数，计算柴油机大气污染物排放，具体计算公式如下：上述公式(9)中，v柴油机为柴油机排放大气污染物的总排放量，βj为柴油机每消耗1个单位的燃料第j种大气污染物的排放量，j∈[1,2,3，4]，代表柴油机排放大气污染物的种类，分别为：co、nox、总悬浮颗粒物及碳氢化合物，f为柴油机燃料消耗总量；然后结合岛礁污染物排放评估结果，设置岛礁环境承载力目标函数，具体公式如下：minf2＝v大气 v水体 v柴油机(10)上述公式(10)中，v大气为岛礁用地排放大气污染物的排放总量，v水体为岛礁用地排放水体污染物的排放总量，v柴油机为柴油机运行时排放大气污染物的排放总量；步骤c，建立岛礁可持续发展的约束条件，具体为：根据目标函数计算采用的时间尺度，确定岛礁在一定时间内的用电需求，并建立岛礁电力供需平衡约束，具体公式如下：上述公式(11)中，i表示发电设备类型，i∈[1,...,m]，可代表：风力发电机、光伏组件及柴油发电机，m的取值与太阳能丰富度和风能丰富度评估结果相关，ki为第i种发电设备占公共管理与公共服务设施用地面积的比例，a公服设施为公共管理与公共服务设施用地的总占地面积，pi,t为在第t小时内第i种发电设备的单位面积发电功率，loadt为在第t小时内的岛礁总体用电需求，n的取值与目标函数计算所采用的时间尺度相关；根据岛礁降水及雨水回收能力建立岛礁水资源供需平衡约束，具体公式如下：上述公式(12)中，fs为用水外部补给量，fc为雨水收集量，q为人均用水量，n为人口数量；根据《城市用地分类与规划建设用地标准》(gb50137-2011)建立岛礁空间规划面积约束，具体公式如下：上述公式(13)中，s为需要占用海域的用地类型编号，l为需要占用陆域的用地类型编号，as为第s类用地占海面积，js为第s类用地的最大占海面积百分比，asea为岛礁可用海域面积，al为第l类用地占地面积，jl为第l类用地的最大占地面积百分比，aland为岛礁可用陆域面积。与现有技术相比较，本发明的有益效果在于：本发明在建立针对岛礁的用地分类体系基础上，考虑岛礁的资源环境承载能力，充分评估岛礁可再生资源、污染物排放与人口需求，同时采用多目标优化算法计算各类用地类型在目标条件下的最优解，该方法能够客观反应岛礁发展的需求，得到各类用地的空间规划面积，为充分利用岛礁资源及岛礁可持续发展提供助力。附图说明图1是本发明一实施例中提供的空间规划方法步骤流程图；图2是本发明一实施例中提供的xantl-33型风力发电机风速功率曲线图；图3是本发明一实施例中提供的柴油机燃料功率曲线图；图4是本发明一实施例中提供的generic500kw柴油发电机组污染物排放种类及排放量示意图。具体实施方式为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。需要说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接或者间接位于该另一个部件上。当一个部件被称为“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置为基于附图所示的方位或位置，仅是为了便于描述，不能理解为对本技术方案的限制。术语“第一”、“第二”仅用于便于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。请参阅附图1，本实施例的目的在于提供了一种面向岛礁资源环境承载力多目标优化的空间规划方法，具体包括：步骤1，获取岛礁发展现状数据集，发展现状数据集包括：岛礁统计数据，包括岛礁人口总数、用电量统计数据(典型日每小时耗电量)、用水量统计数据(日用水总量)；资源环境要素数据，包括岛礁光照强度数据(岛礁所在位置一年以上每小时单位面积光照强度、每小时环境温度)、风速数据(岛礁所在位置一年以上每小时10米高度处风速)、年均空气密度、风切变系数、降水量数据(岛礁所在位置一年以上每小时降水量)、雨水收集数据(雨水回收效率、雨水回收阈值、雨水回收装置覆盖面积)、污染物排放量数据(岛礁各类用地污染物日排放总量)；空间规划数据，包括岛礁土地利用现状矢量图、可用陆域及可用海域面积、各类用地类型的最大占地面积比例、各型号发电设备单台占地面积等，如表1所示。表1岛礁发展现状数据集明细表步骤2，根据岛礁空间规划现状及未来空间规划设想，建立适用于岛礁的用地分类体系，包括陆域用地类型和海域用地类型，其中陆域用地类型分为居住用地、公共管理与公共服务设施用地、道路与交通设施用地、绿地与广场用地、特殊用地，海域用地类型分为邻近海域开发区、滨海风景旅游区、水产养殖区、海洋生态保护区；步骤3，根据岛礁资源环境要素数据，建立岛礁资源环境承载力评估模型，利用评估模型完成岛礁太阳能丰富度评估、岛礁风能丰富度评估、岛礁雨水收集总量评估和岛礁污染物排放总量评估，得到岛礁资源环境承载力评估结果，具体方法如下：步骤a，根据岛礁光照强度数据，采用多年平均值法计算岛礁的水平面太阳年总辐射量，计算方法如公式(1)所示，并参考《太阳能资源评估方法》(qx/t892008)，根据太阳年总辐射量指标评估岛礁太阳能的资源丰富程度(见表2)。上述公式(1)中，hi为第i小时的单位面积光照强度，n为光照强度数据总记录数，表示岛礁水平面太阳辐射年总量多年平均值。表2太阳能资源丰富度等级水平面太阳总辐射年总量资源丰富程度≥1750kw·h/(m2·a)资源最丰富1400～1750kw·h/(m2·a)资源很丰富1050～1400kw·h/(m2·a)资源丰富＜1050kw·h/(m2·a)资源一般大于等于1750千瓦时每平方米为太阳能资源最丰富地区，1400～1750千瓦时每平方米为太阳能资源很丰富地区，1050～1400千瓦时每平方米为太阳能资源丰富地区，小于1050千瓦时每平方米为太阳能资源一般地区。步骤b，根据岛礁风速数据，采用双参数威布尔分布模型计算岛礁风功率密度、矩估计法计算双参数威布尔分布模型的形状参数和尺度参数，具体计算方法如公式(2)所示，并参考《风电场风能资源评估方法》(gb/t18710-2002)，根据风功率密度指标评估岛礁风能资源的丰富程度(见表3)。上述公式(2)中，p为风功率密度，ρ为岛礁的年均空气密度(标准条件下空气密度约为1.29kg/m3)，k为威布尔分布模型的形状参数，c为威布尔分布模型的尺度参数，γ表示伽马函数，v为岛礁平均风速；δ为岛礁风速的标准差，vi为第i小时的风速观测值，n为风速数据总记录数。表3风能资源丰富度等级风功率密度等级10m高度处风功率密度应用于并网风力发电1＜100w/m2一般2100～150w/m2一般3150～200w/m2较好4200～250w/m2好5250～300w/m2很好6300～400w/m2很好7400～1000w/m2很好风功率密度在400～1000瓦每平方米为风功率密度等级7级，风功率密度在300～400瓦每平方米为风功率密度等级6级，风功率密度在250～300瓦每平方米为风功率密度等级5级，风功率密度在200～250瓦每平方米为风功率密度等级4级，风功率密度在150～200瓦每平方米为风功率密度等级3级，100～150瓦每平方米为风功率密度等级2级，小于100瓦每平方米为风功率密度等级1级。风功率密度等级5～7级能够很好的应用于并网风力发电，4级为好，3级为较好，2级以下为一般。步骤c，根据岛礁降水量数据和岛礁雨水收集数据，采用公式(3)计算岛礁的雨水收集总量。上述公式(3)中，fc为雨水收集总量，η为收集效率，r为降水量，l为雨水收集启动阈值，即降水量达到l时收集装置开始收集雨水，h为雨水收集截止阈值，即降水量达到h时收集装置的雨水收集能力达到上限，ac为雨水回收面积。步骤d，参考大气污染物排放标准(gb3095-2012)、海水水质标准(gb3097-1997)，将岛礁用地类型划分为两级大气环境功能区、四级水质分级区域，采用公式(4)计算岛礁污染物排放总量。上述公式(4)中，v大气为岛礁排放大气污染物的排放总量。i代表排放大气污染物的两级环境功能区，将海洋生态保护区、绿地与广场用地等用地划分为一级环境功能区(即i＝1)，将居住用地、公共管理与公共服务设施用地、道路与交通设施用地、邻近海域开发区、滨海风景旅游区、水产养殖区等用地划分为二级环境功能区(即i＝2)。ai为第i级环境功能区的总占地面积。j为排放大气污染物的种类，j∈[1,2,……，6]，分别代表：so2、co、no2、o3、pm10和pm2.5。vi,j为第i级大气环境功能区单位面积排放第j种大气污染物的排放量。v水体为岛礁排放水体污染物的排放总量。x代表排放水体污染物的四级水质分级区域，将海洋生态保护区等用地划分为一级水质分级区域(即x＝1)，水产养殖区等用地划分为二级水质分级区域(即x＝2)，滨海风景旅游区等用地划分为三级水质分级区域(即x＝3)，邻近海域开发区等用地划分为四级水质分级区域(即x＝4)。y代表排放水体污染物的种类，y∈[1,2,……，5]，分别代表：ph、溶解氧、化学需氧量、无机氮、非离子氨。vx,y为第x级水质分级区域单位面积排放第y种水体污染物的排放量。步骤4，根据岛礁资源环境承载力评估结果，设置岛礁资源承载力和岛礁环境承载力目标函数，建立岛礁可持续发展的约束条件。其中，可持续发展的约束条件包括岛礁电力供需平衡约束、岛礁水资源供需平衡约束、岛礁各用地类型占地面积约束；在步骤4中，设置资源、环境承载力目标函数，建立相关约束条件的具体方法如下：步骤a，针对岛礁能源发电，设置岛礁资源承载力目标函数，该过程包括：首先根据岛礁太阳能丰富度及风能资源丰富度评估结果，判断岛礁可利用的可再生能源种类，若岛礁太阳能丰富度等级为一般则不考虑配置光伏发电组件，若岛礁风功率密度等级为2级或1级则不考虑配置风力发电机。然后确定目标函数计算的时间尺度为日，使用典型日24小时内每小时风速和光照强度计算可再生能源实时输出功率，典型日的风速和光照强度由多年历史数据取平均值计算得出。最后根据岛礁可再生能源发电种类及柴油机发电设置资源承载力目标函数，具体公式如下：maxf1＝e可再生能源 e柴油机(5)上述公式(5)中，e可再生能源为可再生能源发电总量，e柴油机为柴油机发电总量。在计算e可再生能源时，利用典型日24小时内的第t小时风速、光照强度计算单台风机和单位面积光伏组件实时输出功率。其次，根据单台风机占地面积和风机占地总面积(风机占用邻近海域开发区面积的一定比例，如50％)计算风机数量。最后根据风机数量和单台风机实时输出功率计算风机逐小时发电总量，根据光伏组件占地总面积(光伏组件占用公共管理与公共服务用地面积的一定比例，如50％)和单位面积光伏组件实时输出功率计算光伏组件逐小时发电总量。进一步的，针对风机实时输出功率计算，需要得到风机轮毂所在高度处的风速vhub，然后根据风机的风速功率曲线得到风机输出功率，具体计算公式如下：上述公式(6)中，pwind(t)为风机在第t小时的输出功率，vhub(t)为风机轮毂高度处第t小时的风速，α为风切变系数，vref(t)为测量高度href处第t小时的风速。针对光伏组件实时输出功率计算，需要得到光伏组件实时工作温度tpv才能更准确地计算光伏组件输出功率，具体计算公式如下：上述公式(7)中，ppv(t)为第t小时内光伏组件发电功率，pstc为标准测试条件下的光伏组件额定功率，ηpv为光伏组件降容系数，g(t)为第t小时内的岛礁光照强度，gstc为标准测试条件按下的光照强度，αtp为光伏组件功率温度系数，tpv(t)为光伏组件第t小时内的工作温度，tstc为标准测试条件下的光伏组件工作温度，t(t)为光伏组件在第t小时内的环境温度，tnoct为电池标称工作温度，ηstc为标准测试条件下光伏组件工作效率。针对柴油机输出功率计算，需要考虑柴油机的燃料消耗f，具体计算公式如下：f(t)＝f0×pe f1×pgen(t)(8)上述公式(8)中，f(t)为柴油机在第t小时内的燃料消耗量，f0和f1分别表示柴油机的燃料消耗曲线的截距和斜率常数，pe为柴油机额定功率，pgen(t)为柴油机第t小时内的实际输出功率。步骤b，设置岛礁环境承载力目标函数，该过程包括：首先，考虑到柴油机发电是可再生能源发电的补充手段，其污染物排放与柴油机燃料消耗f相关，根据柴油机大气污染物排放系数，计算柴油机大气污染物排放，具体计算公式如下：上述公式(9)中，v柴油机为柴油机排放大气污染物的总排放量，βj为柴油机每消耗1个单位的燃料第j种大气污染物的排放量，j∈[1,2,3，4]，代表柴油机排放大气污染物的种类，分别为：co、nox、总悬浮颗粒物及碳氢化合物，f为柴油机燃料消耗总量。然后结合岛礁污染物排放评估结果，设置岛礁环境承载力目标函数，具体公式如下：minf2＝v大气 v水体 v柴油机(10)上述公式(10)中，v大气为岛礁用地排放大气污染物的排放总量，v水体为岛礁用地排放水体污染物的排放总量，v柴油机为柴油机运行时排放大气污染物的排放总量。步骤c，建立岛礁发展约束条件，包括电力供需平衡、水资源供需平衡、占地面积约束。根据目标函数计算采用的时间尺度，确定岛礁在典型日24小时内的用电需求，并建立岛礁电力供需平衡约束，具体公式如下：上述公式(11)中，i表示发电设备类型，i∈[1,...,m]，可代表：风力发电机、光伏组件及柴油发电机，m的取值与太阳能丰富度和风能丰富度评估结果相关，ki为第i种发电设备占公共管理与公共服务设施用地面积的比例，a公服设施为公共管理与公共服务设施用地的总占地面积，pi,t为在第t小时内第i种发电设备的单位面积发电功率，loadt为在第t小时内的岛礁总体用电需求，根据计算所选时间尺度可知n的取值为24。根据岛礁降水及雨水回收能力建立岛礁水资源供需平衡约束，具体公式如下：上述公式(12)中，fs为用水外部补给量，fc为雨水收集量，为人均用水量，n为人口数量。根据《城市用地分类与规划建设用地标准》(gb50137-2011)建立岛礁空间规划面积约束，具体公式如下：上述公式(13)中，s为需要占用海域的用地类型编号，分别代表邻近海域开发区、水产养殖区和海洋生态保护区，l为需要占用陆域的用地类型编号，分别代表居住用地、公共管理与公共服务设施用地、道路与交通设施用地、绿地与广场用地和特殊用地，as为第s类用地占海面积，js为第s类用地的最大占海面积百分比，asea为岛礁可用海域面积，al为第l类用地占地面积，jl为第l类用地的最大占地面积百分比，aland为岛礁可用陆域面积。步骤5，采用多目标优化算法计算该发展条件下各类用地类型的占地面积最优解，得到面向岛礁资源环境承载力多目标优化的空间规划结果。需要指出的是，本发明在建立针对岛礁的用地分类体系基础上，考虑岛礁的资源环境承载能力，充分评估岛礁可再生资源、污染物排放与人口需求，同时采用多目标优化算法计算各类用地类型在目标条件下的最优解，该方法能够客观反应岛礁发展的需求，得到各类用地的空间规划面积，为充分利用岛礁资源及岛礁可持续发展提供助力。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页1 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技术特征：1.一种面向岛礁资源环境承载力的空间规划方法，包括如下步骤：
步骤1，获取岛礁发展现状数据集，所述岛礁发展现状数据集包括：岛礁统计数据、资源环境要素数据和空间规划数据；
步骤2，根据岛礁空间规划现状及未来空间规划设想，建立适用于岛礁的用地分类体系，所述岛礁的用地分类体系中包括陆域用地类型和海域用地类型；
步骤3，根据岛礁的所述资源环境要素数据，建立岛礁资源环境承载力评估模型，利用所述评估模型得到所述岛礁资源环境承载力评估结果；
步骤4，根据步骤3中的所述岛礁资源环境承载力评估结果，设置岛礁资源承载力和岛礁环境承载力目标函数，建立岛礁可持续发展的约束条件；
步骤5，采用多目标优化算法计算所述岛礁可持续发展的约束条件下各类用地类型的占地面积的最优解，得到面向岛礁资源环境承载力多目标优化的空间规划结果。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1中，所述岛礁统计数据包括岛礁人口总数、用电量统计数据、用水量统计数据；所述资源环境要素数据包括：岛礁光照强度数据、风速数据、降水量数据、雨水收集数据和污染物排放量数据；所述空间规划数据包括：岛礁土地利用现状矢量图、可用陆域及可用海域面积、各类用地类型的最大占地面积比例数据、各型号发电设备单台占地面积。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2中，所述陆域用地类型分为居住用地、公共管理与公共服务设施用地、道路与交通设施用地、绿地与广场用地、特殊用地；所述海域用地类型分为邻近海域开发区、滨海风景旅游区、水产养殖区、海洋生态保护区。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3中，利用所述岛礁资源环境承载力评估模型对岛礁太阳能丰富度、岛礁风能丰富度、岛礁雨水收集总量和岛礁污染物排放总量进行评估。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4中，所述岛礁可持续发展的约束条件包括岛礁电力供需平衡约束、岛礁水资源供需平衡约束、岛礁各用地类型占地面积约束。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在步骤3中，利用所述岛礁资源环境承载力评估模型对岛礁太阳能丰富度、岛礁风能丰富度、岛礁雨水收集总量和岛礁污染物排放总量进行评估的具体方法如下：
步骤a，根据岛礁光照强度数据，采用多年平均值法计算岛礁的水平面太阳年总辐射量，计算方法如公式(1)所示，并参考《太阳能资源评估方法》(qx/t892008)，根据太阳年总辐射量指标评估岛礁太阳能的资源丰富程度；
上述公式(1)中，hi为第i小时的单位面积光照强度，n为光照强度数据总记录数，表示岛礁水平面太阳辐射年总量多年平均值；
步骤b，根据岛礁风速数据，采用双参数威布尔分布模型计算岛礁风功率密度、矩估计法计算双参数威布尔分布模型的形状参数和尺度参数，具体计算方法如公式(2)所示，并参考《风电场风能资源评估方法》(gb/t18710-2002)，根据风功率密度指标评估岛礁风能资源的丰富程度；
上述公式(2)中，p为风功率密度，ρ为岛礁的年均空气密度，k为威布尔分布模型的形状参数，c为威布尔分布模型的尺度参数，γ表示伽马函数，为岛礁平均风速，vi为第i小时的风速观测值，n为风速数据总记录数，δ为岛礁风速的标准差；
步骤c，根据岛礁降水量数据和岛礁雨水收集数据，采用公式(3)计算岛礁的雨水收集总量；
上述公式(3)中，fc为雨水收集总量，η为收集效率，r为降水量，l为雨水收集启动阈值，即降水量达到l时收集装置开始收集雨水，h为雨水收集截止阈值，即降水量达到h时收集装置的雨水收集能力达到上限，ac为雨水回收面积；
步骤d，参考大气污染物排放标准(gb3095-2012)、海水水质标准(gb3097-1997)，将岛礁用地类型划分为两级大气环境功能区、四级水质分级区域，采用公式(4)计算岛礁污染物排放总量；
上述公式(4)中，v大气为岛礁排放大气污染物的排放总量，i代表排放大气污染物的两级环境功能区，一级环境功能区包含的用地类型有：将海洋生态保护区、绿地与广场用地划分为一级环境功能区，即i＝1；将居住用地、公共管理与公共服务设施用地、道路与交通设施用地、邻近海域开发区、滨海风景旅游区、水产养殖区用地划分为二级环境功能区，即i＝2；ai为第i级环境功能区的总占地面积；j为排放大气污染物的种类，j∈[1,2,……，6]，分别代表：so2、co、no2、o3、pm10和pm2.5；vi,j为第i级大气环境功能区单位面积排放第j种大气污染物的排放量；v水体为岛礁排放水体污染物的排放总量，x代表排放水体污染物的四级水质分级区域，将海洋生态保护区用地划分为一级水质分级区域，即x＝1；将水产养殖区划分为二级水质分级区域，即x＝2；将滨海风景旅游区用地划分为三级水质分级区域，即x＝3；将邻近海域开发区等用地划分为四级水质分级区域，即x＝4；y代表排放水体污染物的种类，y∈[1,2,……，5]，分别代表：ph、溶解氧、化学需氧量、无机氮、非离子氨；vx,y为第x级水质分级区域单位面积排放第y种水体污染物的排放量。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述在步骤4中，设置岛礁资源承载力和岛礁环境承载力目标函数，建立岛礁可持续发展的约束条件的具体方法如下：
步骤a，针对岛礁能源发电，设置岛礁资源承载力目标函数，该过程包括：首先根据岛礁太阳能丰富度及风能资源丰富度评估结果，判断岛礁可利用的可再生能源种类；然后确定目标函数计算的时间尺度，所述时间尺度包括日、月、年；若选取时间尺度为日，使用典型日每小时风速和光照强度计算可再生能源实时输出功率，选取时间尺度为月、年尺度时同理；最后根据岛礁可再生能源发电种类及柴油机发电设置资源承载力目标函数，具体公式如下：
maxf1＝e可再生能源 e柴油机(5)
上述公式(5)中，e可再生能源为可再生能源发电总量，采用风机和光伏组件实时输出功率进行计算，e柴油机为柴油机发电总量，根据柴油机燃料消耗曲线进行计算；
针对单台风机实时输出功率计算，需要得到风机轮毂所在高度处的风速vhub，然后根据风机的风速功率曲线得到风机输出功率，具体计算公式如下：
上述公式(6)中，pwind(t)为风机在第t小时的输出功率，vhub(t)为风机轮毂高度处第t小时的风速，α为风切变系数，vref(t)为测量高度href处第t小时的风速；
针对光伏组件实时输出功率计算，需要得到光伏组件实时工作温度tpv准确计算光伏组件输出功率，具体计算公式如下：
上述公式(7)中，ppv(t)为第t小时内光伏组件发电功率，pstc为标准测试条件下的光伏组件额定功率，ηpv为光伏组件降容系数，g(t)为第t小时内的岛礁光照强度，gstc为标准测试条件按下的光照强度，αtp为光伏组件功率温度系数，tpv(t)为光伏组件第t小时内的工作温度，tstc为标准测试条件下的光伏组件工作温度，t(t)为光伏组件在第t小时内的环境温度，tnoct为电池标称工作温度，ηstc为标准测试条件下光伏组件工作效率；
针对柴油机输出功率计算，需要考虑柴油机的燃料消耗f，具体计算公式如下：
f(t)＝f0×pe f1×pgen(t)(8)
上述公式(8)中，f(t)为柴油机在第t小时内的燃料消耗量，f0和f1分别表示柴油机的燃料消耗曲线的截距和斜率常数，pe为柴油机额定功率，pgen(t)为柴油机第t小时内的实际输出功率；
步骤b，设置岛礁环境承载力目标函数，包括：首先，考虑到柴油机发电是可再生能源发电的补充手段，其污染物排放与柴油机燃料消耗f相关，根据柴油机大气污染物排放系数，计算柴油机大气污染物排放，具体计算公式如下：
上述公式(9)中，v柴油机为柴油机排放大气污染物的总排放量，βj为柴油机每消耗1个单位的燃料第j种大气污染物的排放量，j∈[1,2,3，4]，代表柴油机排放大气污染物的种类，分别为：co、nox、总悬浮颗粒物及碳氢化合物，f为柴油机燃料消耗总量；
然后结合岛礁污染物排放评估结果，设置岛礁环境承载力目标函数，具体公式如下：
minf2＝v大气 v水体 v柴油机(10)
上述公式(10)中，v大气为岛礁用地排放大气污染物的排放总量，v水体为岛礁用地排放水体污染物的排放总量，v柴油机为柴油机运行时排放大气污染物的排放总量；
步骤c，建立岛礁可持续发展的约束条件，具体为：
根据目标函数计算采用的时间尺度，确定岛礁在一定时间内的用电需求，并建立岛礁电力供需平衡约束，具体公式如下：
上述公式(11)中，i表示发电设备类型，i∈[1,...,m]，可代表：风力发电机、光伏组件及柴油发电机，m的取值与太阳能丰富度和风能丰富度评估结果相关，ki为第i种发电设备占公共管理与公共服务设施用地面积的比例，a公服设施为公共管理与公共服务设施用地的总占地面积，pi,t为在第t小时内第i种发电设备的单位面积发电功率，loadt为在第t小时内的岛礁总体用电需求，n的取值与目标函数计算所采用的时间尺度相关；
根据岛礁降水及雨水回收能力建立岛礁水资源供需平衡约束，具体公式如下：
上述公式(12)中，fs为用水外部补给量，fc为雨水收集量，为人均用水量，n为人口数量；
根据《城市用地分类与规划建设用地标准》(gb50137-2011)建立岛礁空间规划面积约束，具体公式如下：
上述公式(13)中，s为需要占用海域的用地类型编号，l为需要占用陆域的用地类型编号，as为第s类用地占海面积，js为第s类用地的最大占海面积百分比，asea为岛礁可用海域面积，al为第l类用地占地面积，jl为第l类用地的最大占地面积百分比，aland为岛礁可用陆域面积。
技术总结本发明属于土地空间规划技术领域，具体涉及一种面向岛礁资源环境承载力多目标优化的空间规划方法。所述方法首先获取岛礁统计数据、资源环境要素数据、空间规划数据；其次根据岛礁空间规划数据建立针对该岛礁的用地分类体系；然后利用岛礁资源环境要素数据评估岛礁资源环境承载力现状；接着在岛礁资源环境承载力评估结果的基础上，设置岛礁资源环境承载力发展目标函数、建立岛礁发展约束条件；最后采用多目标优化算法计算各个用地类型的占地面积最优解，得到面向资源环境承载力多目标优化的空间规划结果。本发明的有益效果在于，能够客观反应岛礁发展的需求，得到各类用地的空间规划面积，为充分利用岛礁资源及岛礁可持续发展提供助力。
技术研发人员：康路;吴文周;苏奋振
受保护的技术使用者：中国科学院地理科学与资源研究所
技术研发日：2020.11.30
技术公布日：2021.03.12
