陳梅英,劉毅華,董玉祥,鄭榮寶

(1.中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院,廣東 廣州 510275；2.廣州大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,廣東 廣州 510405；3.廣東工業(yè)大學(xué)管理學(xué)院,廣東 廣州510520)

土地利用空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置是土地利用規(guī)劃的重要內(nèi)容,也是土地利用規(guī)劃編制的一個(gè)難點(diǎn)。加強(qiáng)土地利用結(jié)構(gòu)的優(yōu)化配置,既可實(shí)現(xiàn)土地供需平衡,又能在土地利用效率最大化的約束下實(shí)現(xiàn)最佳土地利用決策方案,對(duì)促進(jìn)我國土地資源的集約、高效和持續(xù)利用有著特殊意義和實(shí)踐價(jià)值[1-2]。

如何按客觀規(guī)律的要求進(jìn)行合理的土地利用結(jié)構(gòu)配置,這其中包括社會(huì)、生態(tài)、技術(shù)與經(jīng)濟(jì)等方面的問題,需要綜合處理各種因子的協(xié)調(diào)關(guān)系,使其組成一個(gè)達(dá)到最優(yōu)水平的完整體系,各用地部門的用地?cái)?shù)量和比例結(jié)合成統(tǒng)一結(jié)構(gòu),必須求助于系統(tǒng)優(yōu)化的方法[3]。其中,多目標(biāo)規(guī)劃的概念自1961年由美國數(shù)學(xué)家查爾斯和庫柏首先提出后,相關(guān)的研究已經(jīng)深入進(jìn)行[4-10]。然而,越來越多的實(shí)踐證明,簡單的以數(shù)學(xué)模型為主要實(shí)現(xiàn)手段的定量分析過程無法滿足土地利用規(guī)劃的實(shí)際需求[11-15]。依靠多目標(biāo)線性規(guī)劃模型,將定性分析與定量模型相結(jié)合形成符合現(xiàn)實(shí)情況的約束條件,以此實(shí)現(xiàn)土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置解決了傳統(tǒng)方法無法解決的難題[16-18]。

研究區(qū)廣州市花都區(qū)位于東經(jīng)112°57′-113°28′,北緯23°15′-23°37′,地處廣州市西北部。作為廣州市的山地區(qū),土地利用以農(nóng)用地和建設(shè)用地為主,二調(diào)數(shù)據(jù)表明農(nóng)用地為59 027 hm2,建設(shè)用地為23 446 hm2,未利用土地為14 431 hm2,分別占總土地面積的60.91%、24.20%、14.89%。近年來花都區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快,成為廣州市經(jīng)濟(jì)增長的重要區(qū)域,土地利用變化也較為激烈,用地矛盾較為突出,2008-2020年廣州市土地利用總體規(guī)劃綱要中下達(dá)給花都區(qū)的建設(shè)用地規(guī)模是24 441 hm2,而現(xiàn)狀已經(jīng)將近突破,未來能夠利用土地空間不足必將影響花都區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展,對(duì)其土地利用結(jié)果進(jìn)行科學(xué)、合理的優(yōu)化對(duì)當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有十分重要的意義。

本文擬采用多目標(biāo)線性規(guī)劃中逐步寬容約束(GECM)方法,對(duì)花都區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)的調(diào)整進(jìn)行定性、定量分析,并結(jié)合花都區(qū)的實(shí)際發(fā)展規(guī)劃,綜合考慮社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)等因素,提出土地結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整方案,以實(shí)現(xiàn)土地資源科學(xué)、合理、高效利用和土地生態(tài)系統(tǒng)的相對(duì)平衡,提高土地資源的利用效率和綜合效益[19-22]。

1 研究方法

1.1 多目標(biāo)逐步寬容約束法模型原理

對(duì)于一個(gè)復(fù)雜的多目標(biāo)最優(yōu)化問題,要根據(jù)它的特點(diǎn)構(gòu)造出一個(gè)恰當(dāng)?shù)脑u(píng)價(jià)函數(shù)表達(dá)式是相當(dāng)困難的。因此,以分析者的求解和決策者的決策相結(jié)合的求解過程,采用分析階段反復(fù)交替進(jìn)行的求解多目標(biāo)最優(yōu)化問題的方法,屬于解多目標(biāo)最優(yōu)化問題的交互規(guī)劃方法。

該方法的求解過程包括分析和決策2個(gè)階段：在分析階段,分析者按理想點(diǎn)法對(duì)模型求解,把得到的解所對(duì)應(yīng)的一組參考目標(biāo)值和理想目標(biāo)值基礎(chǔ)上的,最優(yōu)滿意的目標(biāo)給出使其目標(biāo)值做出讓步的寬容量,以換取不滿意目標(biāo)的改善,再把這些信息提供給分析者以及需求解。如此反復(fù),逐步以滿意目標(biāo)的寬容讓步換取不滿意目標(biāo)的改善,最后求得決策者對(duì)該目標(biāo)均滿意的解[23]。

1.2 模型計(jì)算步驟

逐步寬容約束法的計(jì)算步驟：

第2步：列出目標(biāo)列表。計(jì)算m2個(gè)目標(biāo)值fij=fi(xj*)，i，j=1，…，m,由此,得到

第3步：給定初始約束集。令x1=x，k=1。

第4步：計(jì)算權(quán)系數(shù)w0，…，wm。

第5步：求解輔助問題,求解極大值問題

得最優(yōu)解(xkt，λk)T,其中wi是第i項(xiàng)權(quán)系數(shù)。求解上述極大值的輔助問題,設(shè)得到最優(yōu)解(xT，λ)T,由極大模理想點(diǎn)法可知,當(dāng)wi≥0(1，…，m)時(shí),為目標(biāo)函數(shù)的若有效解。

上述分析階段和決策階段的交替進(jìn)行,直至逐步完成寬容約束的求解。

1.3 基于多目標(biāo)逐步寬容約束法下的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型建立

土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目標(biāo)最終是要通過土地利用的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)效益3個(gè)方面來綜合體現(xiàn)的,即通過各種土地類型的合理組合,力爭所有目標(biāo)達(dá)到一種最優(yōu)化的綜合效益[24-25]。

土地的經(jīng)濟(jì)效益,要求各種類型地類的產(chǎn)出量達(dá)到最大化,也是土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的主要目標(biāo)。土地生態(tài)效益,要求盡量減少土地利用方式變更過程中對(duì)生態(tài)環(huán)境所產(chǎn)生的不利影響；在充分考察土地利用帶來經(jīng)濟(jì)生態(tài)效益的同時(shí),注重社會(huì)效益是十分必要的。

1.3.1 目標(biāo)要求 把花都區(qū)土地利用經(jīng)濟(jì)效益確定為系統(tǒng)的首要目標(biāo),生態(tài)效益、社會(huì)效益等作為系統(tǒng)約束,根據(jù)土地利用分類標(biāo)準(zhǔn)選擇16個(gè)二級(jí)地類(水田x1、旱地x2、菜地x3、園地x4、林地x5、牧草地x6、其他農(nóng)用地x7、城鎮(zhèn)用地x8、農(nóng)村居民點(diǎn)x9、獨(dú)立工礦x10、特殊用地x11、交通運(yùn)輸用地x12、水利建設(shè)用地x13、荒草地x14、難以利用土地x15、水域x16)為基礎(chǔ),根據(jù)專家打分法確定各地類社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益的貢獻(xiàn)率作為其權(quán)重,并以權(quán)重作為其目標(biāo)函數(shù)的系數(shù),得出花都區(qū)土地利用優(yōu)化配置目標(biāo)函數(shù)表(表1)。

表1 花都區(qū)土地利用優(yōu)化配置目標(biāo)函數(shù)表

1.3.2 約束條件 從建設(shè)生態(tài)城市的角度,以尋求城市擴(kuò)張與資源保護(hù)為出發(fā)點(diǎn),根據(jù)土地利用系統(tǒng)特點(diǎn),按照規(guī)劃區(qū)域內(nèi)的地域分異規(guī)律,設(shè)置涉及土地面積、土地利用結(jié)構(gòu)、宏觀計(jì)劃、資源及技術(shù)約束等8個(gè)方面的GECM約束條件。

2) 宜耕地面積約束xi≤YNL,根據(jù)花都區(qū)耕地適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果,最大宜耕地面積為45 126 hm2,YNL<45 126 hm2；

8) 數(shù)學(xué)模型約束xi≥0，i=1，…，16,其中i=1,2,3,…,n表示共16種地類。

2 結(jié)果與分析

以2008年花都區(qū)二調(diào)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)年份,考慮其實(shí)際的需要,計(jì)算結(jié)果將建設(shè)用地不作細(xì)分,選擇了耕地、園地、林地、牧草地、其他農(nóng)用地、建設(shè)用地、未利用地等7個(gè)地類。規(guī)劃各類土地總面積為96 780 hm2,規(guī)劃調(diào)整年限為2008-2020年。

將數(shù)據(jù)導(dǎo)入DPS中并編輯公式進(jìn)行運(yùn)算,DPS允許用戶采用自然的數(shù)學(xué)語言描述方式來求解線性規(guī)劃問題。首先定義目標(biāo)函數(shù),在目標(biāo)函數(shù)前加上“最小”或“min”,然后再定義約束條件,并把它們定義成公式塊,如果該函數(shù)無界或不存在有限值的最優(yōu)解,系統(tǒng)會(huì)提示用戶給出需寬容的目標(biāo)函數(shù)的序號(hào)及其該目標(biāo)函數(shù)的寬容值,以便繼續(xù)分析,分析完成,如果求解成功,這時(shí)給出結(jié)果,并給出其目標(biāo)函數(shù)值。輸出結(jié)果見表2,從中可看出花都區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)的最優(yōu)解,將優(yōu)化后的土地利用結(jié)構(gòu)和現(xiàn)狀土地利用結(jié)構(gòu)作一比較,結(jié)果見表2。

從表2可以看出,優(yōu)化配置后的2020年土地利用結(jié)構(gòu)與2008年變化不大,耕地、園地、其它農(nóng)用地、未利用地分別為15 760、7 916、11 191、1 495 hm2,與2008年二調(diào)數(shù)相比,變化率分別為4.92%、-2.68%、-2.40%、-0.75%。林地、建設(shè)用地分別為31 008、28 800 hm2,與2008年現(xiàn)狀相比,增加了-4.68%、5.89%。研究結(jié)果表明2008年花都區(qū)建設(shè)用地規(guī)模已經(jīng)快達(dá)到2020年的合理用地規(guī)模,且需要保證耕地面積要求耕地面積增加4 761 hm2,耕地保護(hù)壓力較大,未來預(yù)留發(fā)展用地不足的矛盾將日益突出。

表2 花都區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀和優(yōu)化比較

從實(shí)際看,2008年花都區(qū)人均建設(shè)用地達(dá)321 m2,已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了合理范圍值,未來花都區(qū)土地利用的戰(zhàn)略重點(diǎn)需要從外延型擴(kuò)展向內(nèi)部消化轉(zhuǎn)變,在保持當(dāng)前用地規(guī)模情況下已經(jīng)可滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。這就需要對(duì)花都區(qū)土地利用空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化和協(xié)調(diào),以提高土地利用技術(shù)水平,優(yōu)化配置土地資源與空間資源,合理保護(hù)耕地資源,促進(jìn)土地使用向集約化和高效化發(fā)展。

通過以上分析可得出,以經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)環(huán)境效益為目標(biāo)的花都區(qū)土地利用優(yōu)化配置,可以在充分考慮土地面積、環(huán)境、人口、資源和技術(shù)的條件下,對(duì)原有土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,既符合當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展,也可滿足各項(xiàng)生產(chǎn)對(duì)土地的需求,計(jì)算結(jié)果可為花都區(qū)新一輪土地利用總體規(guī)劃提供參考。

3 結(jié) 論

1)本文以多目標(biāo)線性規(guī)劃中的逐步寬容約束(GECM)法為核心建立模型,并將其應(yīng)用到廣州市花都區(qū)土地利用規(guī)劃的案例研究中。在對(duì)GECM模型的建立、求解和論證過程中采用分析者求解和決策者抉擇相結(jié)合的方式進(jìn)行分析,從而保證了模型的實(shí)用性和可靠性。同時(shí),GECM模型協(xié)調(diào)處理了各區(qū)域、部門和組織之間的目標(biāo)沖突,從而實(shí)現(xiàn)了土地利用空間格局的合理配置。因此,應(yīng)用GECM模型來確定土地利用結(jié)構(gòu)將可能成為未來土地利用規(guī)劃領(lǐng)域的有效方法。

2)采用構(gòu)建逐步寬容約束(GECM)可以很好的對(duì)土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置進(jìn)行研究,通過得出的最優(yōu)解為決策者提供最佳選擇,并可以控制約束條件獲得不同的優(yōu)化方案,增強(qiáng)了土地管理工作者在數(shù)據(jù)和空間上對(duì)土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的靈活控制。該方法客觀性強(qiáng),可以不受規(guī)劃師主觀性的影響和限制,且靈活性高,操作簡便,容易實(shí)現(xiàn)。

3)本文采用逐步寬容約束(GECM)對(duì)花都區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置進(jìn)行了有益的嘗試,通過土地利用結(jié)構(gòu)方案與基期(2008年)實(shí)際相比較,認(rèn)為當(dāng)前花都區(qū)的土地利用現(xiàn)狀已經(jīng)快要達(dá)到2020年建設(shè)用地的規(guī)模,走內(nèi)部挖潛道路將成為花都區(qū)土地利用的必然趨勢(shì)。

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