1、第 37 卷第 2 期干旱区资源与环境Vol 37No 22023 年 2 月Journal of Arid Land esources and EnvironmentFeb 2023文章编号:1003 7578(2023)02 103 09doi:1013448/j cnki jalre2023040黄土丘陵沟壑区聚落形态的组织机制与模拟演化研究*以陕北米脂县东沟为例田达睿1，徐嘉闻2，谭静斌3(1 西安建筑科技大学建筑学院，西安 710055;2 广东省城乡规划设计研究院有限责任公司，广州 510290;3 长安大学建筑学院，西安 710054)提要:黄土丘陵沟壑区具有复杂的地形地貌和丰富
2、的地方空间基因，散落其间的聚落在适应地貌、气候等自然环境的漫长过程中呈现出独特的人地关系。以米脂县东沟聚落为对象，从微观主体视角揭示了沟壑区聚落空间的组织机制，据此建立聚落形态衍生模型，模拟预测当地聚落空间形态的发展趋势。研究发现:1)居民个体选址择优与聚落邻域互动牵引是影响黄土丘陵沟壑区聚落空间组织的主要动因与机制。一方面东沟居民在聚落选址过程中对自然环境、农业生产、服务设施等因素具有较强的择优偏好;另一方面东沟聚落形态的演化还伴随着邻里聚合与分化、邻里吸引与互斥两种衍生逻辑。2)根据对 2020 年至 2040 年东沟聚落形态发展路径的预测，东沟中的聚落用地规模增长到 30%之前，聚落仍将
3、在沟口和中前段挖掘开发潜力;聚落用地规模增长幅度在 30%50%的过程中，新增聚落主要在沟谷中后段的沟谷交叉处呈团块状集聚;聚落用地规模增长幅度达到 50%60%时，聚落将在沟谷末梢和支毛沟内少量蔓延。关键词:黄土丘陵沟壑区;元胞自动机;聚落组织机制;演化模拟中图分类号:K901 8文献标识码:A数千年来，黄土丘陵沟壑区孕育了独特的地方人居营建经验1，沟谷内的传统聚居形态蕴含着原生空间基因、组织秩序与衍生逻辑。由于尚未厘清当地复杂的人地关系，沟壑区现代人居空间建设多借鉴平原地区的经验与模式，打破了沟壑区原本自下而上的组织机制，对地方环境和地域文化产生了较大冲击。因此，黄土丘陵沟壑区的城镇化亟需
4、探索隐藏在空间形态背后的聚落演化规律、动因与机制，进而提出属于丘陵沟壑区的城乡发展特色路径。深入挖掘黄土高原复杂地形地貌和脆弱生态环境背景下的城乡空间发展动力与机制，一直是学者们的研究重点。在宏观尺度，黄土高原沟壑区中聚落的空间分布受地形地貌、生产条件、城镇中心等因素的影响明显2，其中自然和人文因素的叠加是该地域土地利用格局及其变化的主要驱动力3 4。在微观尺度，村落单元的生态适应性与敏感性5、以及由此形成的乡村景观基因6 与窑洞景观基因7 成为聚落空间发展的重要基础，也有学者提出可以适度利用沟谷中的坡、峁、沟涧地作为城乡建设用地，形成黄土丘陵沟壑区独特的空间拓展模式8 9。当前对黄土丘陵沟壑
5、区城乡空间发展动力的探讨，多从社会经济、自然生态、政策导向等方面总结影响聚落分布与演化的因素;但是，这些因素如何综合作用于聚落空间形态，尤其在微观尺度下人类营建活动的自适应与自组织机制并未厘清。若充分发挥复杂系统相关理论与方法的优势，直观呈现微观主体视角下人居空间单元相互作用并聚合为群体空间的复杂动态过程，将在黄土丘陵沟壑区聚落衍生机理的研究方向取得有力突破。*收稿日期:2022 9 14;修回日期:2022 10 18。基金项目:国家自然科学基金面上项目(52078406;52178056);中国博士后科学基金(2020M673358);中央高校基本科研业务费专项资助项目(300102411
6、101)资助。作者简介:田达睿(1984 )，男，汉族，陕西西安人，博士，副教授，主要从事西部人居环境可持续规划设计研究。E mail:tatary tdr163 com通讯作者:谭静斌(1984 )，女，汉族，湖南衡阳人，讲师，博士研究生，主要从事城乡空间可持续发展研究。E mail:tanjingbin84163 com元胞自动机(Cellular Automata，简称 CA)模型是一种基于空间网格的离散动力学模型，具有灵活的微观单元分析视角和模拟复杂系统空间演变的能力。2000 年以来，CA 技术随着与其它算法的结合呈现出多元化发展的趋势，并在地理学、城乡规划学中的应用开始增多10。龙
7、瀛11 12 构建了综合约束性 CA 城市模型;黎夏、叶嘉安等人13 14 构建了基于空间约束性条件的神经网络算法 ANN CA 模型，对复杂的城市系统进行模拟及调控实验;黄焕春等15、任君等16 借助 CA 模型分别对天津城市形态、嘉峪关城市开发边界进行了模拟分析。尽管 CA 模型在城镇用地形态增长模拟方面已有一些应用，但尚未在城乡微观空间形态的复杂性研究中发挥作用，利用其模拟衍生能力可有效支撑关于复杂地貌中人居空间单元的自适应机制如何影响宏观空间演化等问题的探索。综上，文中以中、微观尺度的丘陵沟壑区典型沟谷为对象，以 1970、2000 和 2020 年 3 个时期的卫星遥感影像数据为参照
8、，通过对元胞空间的复合因子分析，揭示沟谷人居空间组织的微观动力机制，进而利用CA 原理方法建立地貌约束下聚落空间形态的衍生模型，模拟预测沟谷聚落空间形态的发展趋势。1材料与研究方法1 1研究区域米脂县位于陕西省北部、榆林市域东部，其所在的无定河流域沟壑纵横，河槽深切，梁峁交错，地表支离破碎，呈现出典型的黄土丘陵沟壑地貌特征17。米脂县域内有 10 多条无定河支流，其中临近米脂县老城的“东沟”中聚落数量多、规模大、类型丰富，其人地关系在黄土丘陵沟壑区中具有典型性。文中研究范围从东沟与无定河川道的交汇处一直延申至沟谷末梢，长约 16 4km，东沟内共分布有 19 个村落(图 1)。1 2数据来源研
9、究的基础数据涉及黄土丘陵沟壑区聚落用地形态、地形地貌、耕地分布、公共服务设施等。1)基于数字高程模型(DEM)数据使用 GIS 空间分析工具生成坡度、坡向、水系、耕地等矢量图。2)通过卫星遥感影像获取 1970、2000 和 2020 年的东沟聚落用地分布图。3)通过细致的实地踏勘和大量的问卷调研，弥补各类服务设施分布数据不全、精度不高的问题，并获得主观因子偏好数据。1 3研究方法1 3 1空间数据的网格化计算为了从微观尺度精确揭示地形地貌、服务设施、农业以及邻域等因子对聚落演化的作用机制，文中用10m 10m 的格网覆盖研究区，将各项基础数据转化为网格指标数据，与 CA 模型中的“元胞”相对
10、应。如运用 Arcgis 中栅格转点工具将坡度、地形起伏度等栅格数据转为点数据，再将点数据与网格空间相关联，实现数据的网格化。此外，运用 Arcgis 中的欧氏距离工具，计算网格聚落与河流、耕地以及各类设施要素的距离指标(图 2)。1 3 2聚落形态演化模型的建立元胞自动机模型的基本原理是利用格网将城镇空间划分为“元胞”，以“元胞属性”、“邻域规则”、“随机因子”等确定性规则与随机性规则为依据，通过连续不停地叠加运算，综合决定任一时期每个元胞是否从非建设用地转化为建设用地。具体而言，元胞属性是每个网格的地形地貌、建设情况、区位条件等空间特征，可通过坡度、高度、距离等因子综合量化反映，该属性值是
11、元胞是否改变状态的基本条件;邻域规则是以任意元胞为中心，其周边特定邻域范围的元胞(即“邻居”)的特征和状态对该中心元胞状态的改变具有直接的牵引力或阻力作用;随机因子则是天灾、战争等偶发事件的非规则因素对元胞状态的影响。文中通过分析东沟聚落分布的影响因素，归纳出个体选址择优、邻域互动牵引等聚落空间的组织机制，并通过在 CA 模型中设定元胞的特征属性值、邻域属性值及相应的转换规则和临界阈值，将机制转译为“从 t 到 t+1”的聚落动态衍生逻辑。借助 GIS 和 Netlogo 软件，通过 Java 编程实现这一迭代运算。(1)基于择优选址的元胞特征属性赋值。通过多因子赋值综合计算每个元胞的特征属性
12、，评判其是否满足当地居民的择地需求。根据居民个体的选址择优机制，文中选取地形坡向、坡度、元胞与东沟河的距离、与邻近农田的距离、与县城的距离、以及与邻近医疗、教育、文化、商业等服务设施的距离共 9 项指标进行赋值，并通过加权计算得出每个元胞的综合属性值。该值越高说明元胞从非建设用地转化为建设用地的概率越高。元胞的综合属性值计算公式为:Pcom=1x1+2x2+nxn(1)式中:Pcom表示元胞的特征属性综合值，x1 xn表示坡向、坡度等各项影响因子，1 2代表各项因子401干旱区资源与环境第 37 卷图 1东沟研究区的区位与范围Figure 1 Location and scope of Don
13、ggou，the study area的权重，反映了当地居民的主观偏好。(2)基于邻里互动的邻域属性赋值。在邻域互动牵引机制的影响下，为了引导沟谷中的聚落延续当地适宜的人地疏密关系进行迭代衍生，设置邻域转换规则:如果某一元胞周边的人工生态系统供给较强、有适度规模的聚落元胞聚集，会促进该元胞转化为建设用地元胞。具体而言，以任一元胞为中心设定 5 5 的格子作为邻域范围，在此范围内统计聚落元胞的占比;同时在模型中设定邻域内理想的聚落元胞比例(即邻域因子)。邻域范围内聚落元胞的实际占比越接近邻域因子，中心元胞转化为建设用地的动力越强、概率越高;反之，如果中心元胞周边的聚落元胞过少或者太多，都会反过来
14、限制该中心元胞转化为聚落。元胞邻域属性的赋值计算公式为:Pneighbor=1 209(5 5con(Si，j=1)5 5 1)(2)式中:Pneighbor表示任意元胞的邻域属性值;5 5con(Si，j=1)是邻域范围内实际被聚落占据的元胞数量;为邻域因子，取值为 0 1，在软件中可通过滑块控制模型阈值。(3)基于不确定性的随机概率赋值。为了使聚落形态演变模型的运算结果更加符合实际情况，在模型中加入随机因子，用 Prandom值进行控制，运算公式:Prandom=1+(lg)(3)式中:为 0 1 范围内的随机数，为控制随机变量的参数，取值范围是 1 10 之间的整数。随机概率 Prand
15、om值越大，聚落分布的随机性和偶然性越高，即上述元胞属性、邻域属性等衍生规则的影响力就越小;反之，随机因素的影响力越小。2东沟聚落形态的组织机制分析2 1居民个体的选址择优机制自古以来，黄土丘陵沟壑区中的居民在复杂多变的沟谷环境中综合考虑地貌、河流、农耕等多种因素，择址而居，奠定了沟谷聚落形态的基本格局。2 1 1个体对地形地貌的择优东沟流域中的民居多为窑洞聚落，其空间分布与地形关系紧密。1)东北、西南走向的东沟流域沿东501第 2 期田达睿等黄土丘陵沟壑区聚落形态的组织机制与模拟演化研究图 2各项数据的网格化(500m 500m 网格示意)Figure 2 Grid of the vario
16、us data of Donggou(500 m by 500 m grid)沟河分为南坡和北坡，前者为“水北山南”的向阳地带，平缓阶地之上的坡地不仅具有充足的日照条件，且适宜土窑建设，由此成为当地居民首选的风水“吉地”。根据对东沟 1970 年、2000 年和 2020 年的 10m 10m 元胞的坡向分析，东沟各个时期形成的聚落建筑大都位于沟谷的南坡位置，该区域的聚落元胞占聚落元胞总量的 76%以上(图 3a)。2)为了不占或少占良田，东沟居民往往选择丘陵坡地营建台地式的窑洞建筑群，将沟底较为平坦的河流阶地用于农耕，既可防患洪涝也能保证较近的耕作半径。根据对东沟各时期元胞的坡度分析，东沟聚落形态在演变过程中，逐渐从平地向斜坡和陡坡转移:至 2020 年，约 33%的聚落分布于陡坡(15 1 35 0)，约 37%的聚落分布于斜坡(5 1 15 0)，以靠崖式窑洞为主;另有约29%的聚落分布在平地(0 5 0)，多为独立式窑洞或新农村民宅;仅有极少量窑洞聚落建在坡度大于35的峭坡或崖壁上(图 3b)。2 1 2个体对河流水系的择优东沟河水系孕育并促进了东沟聚落的繁衍生息，聚落沿河带状
