張長勤，徐小琪，吳 堅

1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，合肥 230036 2.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與計算機(jī)學(xué)院，合肥 230036；3.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 經(jīng)濟(jì)技術(shù)學(xué)院，合肥 230036

土地是一種自然的產(chǎn)物，它不以人的意志而產(chǎn)生，具有數(shù)量有限性、質(zhì)量差異性、空間區(qū)位性、利用可持續(xù)性和自然與社會兩重屬性的特點[1]。自然供給數(shù)量是固定的、無彈性的。技術(shù)的進(jìn)步以及額外勞動與資本的投入，可使具有彈性的經(jīng)濟(jì)土地供應(yīng)得以增加，但由于收益遞減規(guī)律的制約影響，致使經(jīng)濟(jì)土地供給的增量是有限的[2-3]。在現(xiàn)實中，相對于其他資源而言，土地是一種稀缺資源，更是一種供不應(yīng)求的短缺資源。土地是先于人類產(chǎn)生而自然存在的物質(zhì)，土地利用隨著人類的出現(xiàn)而產(chǎn)生，也是人類從自然界中分離出來之后，最先接觸到的客觀對象。土地一經(jīng)產(chǎn)生，就通過人類自身繁衍生產(chǎn)以及物質(zhì)資料的生產(chǎn)，與人類之間發(fā)生關(guān)聯(lián)，于是便開始了人與土地辯證發(fā)展的新階段。土地利用規(guī)劃作為人類社會經(jīng)濟(jì)活動，伴隨著人類的土地利用活動而產(chǎn)生發(fā)展。它是基于獲得最佳的土地利用綜合效益為目標(biāo)，以土地資源的合理分配和布局為核心，在對規(guī)劃區(qū)域內(nèi)土地資源的合理利用的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了預(yù)先安排和部署[4-5]。在人類社會實踐中，土地利用總體規(guī)劃，不斷探索前進(jìn)的道路，積累了很多寶貴的經(jīng)驗和教訓(xùn)。

將系統(tǒng)動力學(xué)方法引入安徽省池州市用地規(guī)劃，這是一次全新的嘗試。本文所研制的系統(tǒng)動力學(xué)模型，描述了用地規(guī)劃系統(tǒng)與整個城市社會經(jīng)濟(jì)大系統(tǒng)的內(nèi)在聯(lián)系，從而可以對用地規(guī)劃做出定性和定量的分析，以求得城市土地合理有效地開發(fā)和使用，并創(chuàng)造出盡可能大的綜合效益。

通過人機(jī)對話方式，改變模型的有關(guān)政策參數(shù)，反復(fù)模擬，就可以形成不同的用地規(guī)劃方案[6]。進(jìn)而對用地規(guī)劃的各種不同發(fā)展戰(zhàn)略和政策進(jìn)行分析，幫助有關(guān)部門研究策略效果，制定相關(guān)政策，同時通過對方案在社會、經(jīng)濟(jì)和用地類型三方面綜合效益的比較，可以幫助規(guī)劃部門制定出較優(yōu)的規(guī)劃方案，也可對現(xiàn)有規(guī)劃隨時進(jìn)行修訂和完善，以適應(yīng)城市社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展變化，從而大大提高了規(guī)劃的科學(xué)性、合理性和可靠性。

1 模型構(gòu)思與建模步驟

1.1 確定系統(tǒng)目標(biāo)和建模目的

建立用地規(guī)劃系統(tǒng)動力學(xué)模型的目的，在于通過對用地結(jié)構(gòu)、各項用地比例、用地投資構(gòu)成及系統(tǒng)的復(fù)雜行為的動態(tài)模擬，根據(jù)計算機(jī)運(yùn)算后得到的一系列模擬結(jié)果和各種變量數(shù)據(jù)，分析用地構(gòu)成與用地結(jié)構(gòu)的關(guān)系，從而幫助我們了解，跟蹤模型反映的用地規(guī)劃系統(tǒng)的時域行為，觀察掌握用地系統(tǒng)行為的動態(tài)趨勢和客觀規(guī)律。由此，可以使我們對國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人民生活水平提高所帶來的對用地構(gòu)成的需求，產(chǎn)生量化了的理性認(rèn)識，在一定程度上解決目前普遍存在的規(guī)劃與實際脫節(jié)的問題，通過仿真模擬，驗證用地規(guī)劃方案實現(xiàn)的可能性，以及要實現(xiàn)規(guī)劃方案，系統(tǒng)中各要素應(yīng)做哪些調(diào)整及其動態(tài)變化趨勢；同時可為有關(guān)部門制定或修改用地規(guī)劃方案提供數(shù)據(jù)依據(jù)；也可為決策部門制定建設(shè)方案，研究用地的合理組織，用地結(jié)構(gòu)的調(diào)整以及制定建設(shè)投資政策、土地開發(fā)政策等決策問題，提供一定的信息和定量化的參考。

1.2 選擇指標(biāo)體系，建立變量集

確定指標(biāo)體系，建立變量集要圍繞著系統(tǒng)的目的進(jìn)行，并能夠通過抽選變量來表征系統(tǒng)的主要待征[7]。根據(jù)前面所確定的建立用地規(guī)劃模型的目標(biāo)，通過反復(fù)分析研究、咨詢和論證，確定了涉及社會、經(jīng)濟(jì)、用地類型的指標(biāo)體系和變量集。

(1)社會系統(tǒng)方面主要包括以下變量：總?cè)丝?、自然增長人口、機(jī)械增長人口、農(nóng)業(yè)人口、非農(nóng)業(yè)人口等。

(2)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)包括的變量主要有GDP、GDP增量和全年固定投資等。

(3)用地類型主要包括耕地、林地、建設(shè)用地、草地、水利設(shè)施用地(水域)、未利用地、城市用地、交通運(yùn)輸用地、其他農(nóng)用地等。

2 系統(tǒng)分析

2.1 確定系統(tǒng)邊界

系統(tǒng)的邊界是一個想象的輪廓，把建模目的所考慮的內(nèi)容圈入，而與其他部分隔開，在邊界內(nèi)部凡涉及與所研究的動態(tài)問題有重要關(guān)系的概念與變量均應(yīng)考慮進(jìn)模型。

因為本文所建模型是用來描述用地系統(tǒng)的，而且用地規(guī)劃的優(yōu)劣應(yīng)以城市社會、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境綜合效益來衡量。因此將與用地規(guī)劃有關(guān)的社會、經(jīng)濟(jì)和用地類型等因素作為內(nèi)生變量，放在系統(tǒng)的邊界之內(nèi)，而將人為的政策因素、參數(shù)和常數(shù)用為外生變量，放在系統(tǒng)的邊界之外。

2.2 因果關(guān)系分析和因果關(guān)系圖

因果關(guān)系普遍存在于各種系統(tǒng)中，因果關(guān)系分析是一種有效的思維方式，適用于對某一特定事物或局部聯(lián)系進(jìn)行剖析。這種分析方法同時也是整體研究的基礎(chǔ)[8]。對于系統(tǒng)動力學(xué)而言，通過因果關(guān)系分析，以確定系統(tǒng)反饋框架結(jié)構(gòu)，對系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)給出直觀描述說明。

根據(jù)用地規(guī)劃模型的模擬功能以及各子系統(tǒng)之間的相互關(guān)系，在擬定指標(biāo)體系和變量集的基礎(chǔ)上，通過反復(fù)研究、修改、并征求城建、規(guī)劃部門的專家意見，最后確定了池州市的模型總體因果關(guān)系圖，如圖1所示：

圖1 池州市土地利用系統(tǒng)動力學(xué)模型因果關(guān)系圖

3 系統(tǒng)流圖

在對因果關(guān)系圖加以充實的基礎(chǔ)之上，使其更加的詳細(xì)化、具體化，再根據(jù)每個變量的性質(zhì)，用狀態(tài)變量、速率變量、輔助變量、表變量、參數(shù)以及信息流、物質(zhì)流等專用符號描繪出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，可得安徽省池州市土地利用的系統(tǒng)動力學(xué)模型如下圖2所示。

圖2 池州市土地利用結(jié)構(gòu)系統(tǒng)流圖

代表符Code變量Variable代表符Code變量Variable代表符Code總?cè)丝赑OP人均城鎮(zhèn)交通用地RJCJY社會總產(chǎn)值SHZ自然增長人口ZZPOP城鎮(zhèn)交通用地CJY固定資產(chǎn)投資GDZ人口出生率人口死亡率非農(nóng)業(yè)人口農(nóng)業(yè)人口機(jī)械增長人口機(jī)械人口遷入率機(jī)械人口遷出率BRATEDRATEUAPOPAPOPJXPOPJXQRJXQC城鎮(zhèn)交通用地增長率人均工礦用地工礦用地工礦用地增長率人均城鎮(zhèn)用地城鎮(zhèn)用地城鎮(zhèn)用地增長率人均農(nóng)村交通用地農(nóng)村交通用地農(nóng)村交通用地增長率 人均農(nóng)居點用地農(nóng)居點用地農(nóng)居點用地增長率人均水利用地水利用地非農(nóng)業(yè)用地CJZZLRJGYGYGYZZLRJCYCYCYZZLRJNJYNJYNJZZLRJNJDNJDNJDZZLRJSYSYFNYD國民收入糧食需求糧地糧地增長率林地林地增長率林地減少率耕地耕地增長率耕地減少率后備耕地后備耕地轉(zhuǎn)化率未利用地未利用地減少率交通用地水利用地水利用地增長率GMSRLSXQLSDLSDZZLLDLDZZLLDJSLGDGDZZLGDJSLHBGDHBZHLWLYDWLJSLJTYDSLYDSLZZL

在圖2中，為各個變量均構(gòu)造了方程式，建立方程的過程就是把模型結(jié)構(gòu)“翻譯”成數(shù)學(xué)方程式的過程，即把非正規(guī)的、概念的構(gòu)思轉(zhuǎn)換成正式的、定量的數(shù)學(xué)表達(dá)式。方程建立的目的，在于模型能在計算機(jī)上進(jìn)行分析模擬。應(yīng)用系統(tǒng)動力學(xué)專用語言DYNAMO編寫程序，就可在計算機(jī)上通過人機(jī)對話的方式，模擬系統(tǒng)的動態(tài)變化過程。

4 池州市土地利用SD模型真實性檢驗

根據(jù)池州市已有的2002～2011年土地利用結(jié)構(gòu)的資料，對模型進(jìn)行調(diào)試，同時可以驗證模型的可靠性。以2002年為基本現(xiàn)狀年，取步長為1年，模擬結(jié)果如下表2所示：

表2 2004年、2011年池州市土地利用歷史數(shù)據(jù)及模擬數(shù)據(jù)對比分析 (單位：公頃)

由表2中歷史數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)的對比可以得到，池州市2004年、2011年的歷史數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)的相對誤差小于2%占所有參數(shù)的83.33%，相對誤差小于5%的達(dá)到全部參數(shù)的100%。這說明土地利用系統(tǒng)動力學(xué)模型的模擬結(jié)果是比較可靠的，同時也體現(xiàn)出系統(tǒng)仿真模型比較其他數(shù)學(xué)方法而言的優(yōu)越性。因此，據(jù)此可以對池州市2015與2020年土地利用情況進(jìn)行仿真模擬。

5 模型仿真與結(jié)果分析

在充分綜合考慮池州市的經(jīng)濟(jì)社會情況后，結(jié)合《安徽省土地利用總體規(guī)劃(1997一2010年)》、《安徽省土地利用總體規(guī)劃(2006一2020年)》中對池州市未來發(fā)展規(guī)模和前景的預(yù)期，通過對研究區(qū)土地利用系統(tǒng)有著非常重要影響的控制參數(shù)的組合和調(diào)整，再通過對土地利用系統(tǒng)動力學(xué)模型進(jìn)行多次動態(tài)模擬仿真，可以得到不同參數(shù)組合下的響應(yīng)結(jié)果。本研究結(jié)合總體規(guī)劃對池州市土地利用的要求，對GDP增長率、人口增長率和糧食單產(chǎn)三個變量分別取不同的值用來代表不同的社會經(jīng)濟(jì)條件和政策水平，從而設(shè)計出三種典型的代表池州市未來土地利用方向與特點而且具有一定可行性的方案，即(一)自然發(fā)展模式；(二)經(jīng)濟(jì)加速增長模式；(三)協(xié)調(diào)發(fā)展模式。

模型中以池州市2002年的數(shù)據(jù)為每個狀態(tài)變量的初始值。對于以上三個不同的方案，在模型中輸入每個變量的初始值以及各控制變量在三種方案中所取的不同的值，據(jù)此可以得到具體的仿真模擬結(jié)果(表3)。對比分析三種不同方案下的模擬結(jié)果，可以看出在各種不同因素的綜合作用下，土地利用變化與社會經(jīng)濟(jì)之間的演替規(guī)律及供需矛盾。

表3 池州市土地利用SD模型仿真結(jié)果單位：公頃

5.1 自然發(fā)展模式

自然發(fā)展模式下的土地利用類型變化重點表現(xiàn)在建設(shè)用地增長速度較小，增加量在預(yù)測時段內(nèi)小于協(xié)調(diào)發(fā)展模式。從土地利用系統(tǒng)主要變量的發(fā)展變化趨勢來看，不難發(fā)現(xiàn)到2030年雖然說在一定程度上實現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)的增長，但增長速度卻相對緩慢，經(jīng)濟(jì)總量明顯小于模式二和模式三經(jīng)濟(jì)社會條件下的經(jīng)濟(jì)總量，與此同時自然資源的消耗也比較大，而資源利用的效益相對較低，這相對其他兩種方案而言是一種低投入、高消耗、高耕地占用、低效益的發(fā)展模式。如果按照此方案繼續(xù)發(fā)展下去，耕地會逐漸減少，土地單位面積的產(chǎn)出也幾乎維持現(xiàn)有水平而不改變，在2030年以前很難達(dá)到科學(xué)營養(yǎng)型生活水平。從長遠(yuǎn)角度和可持續(xù)發(fā)展的觀點來看，該方案并不能實現(xiàn)研究區(qū)域土地和研究區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。

5.2 經(jīng)濟(jì)加速增長模式

在經(jīng)濟(jì)加速增長發(fā)展模式下，土地類型變化重點表現(xiàn)在城鎮(zhèn)用地、獨立工礦用地等建設(shè)用地面積的大量增加以及耕地的快速減少，盡管林地面積也有所增長，但增長的幅度卻十分有限。由于經(jīng)濟(jì)的快速增長，加上土地投入量的加大，與此同時對農(nóng)業(yè)投資也有所增加，致使糧食單產(chǎn)較現(xiàn)有水平有所提高。在該模式中，經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度是最快的。由于經(jīng)濟(jì)過于快速的增長，耕地非農(nóng)化的速率也明顯加快，這也導(dǎo)致了人地矛盾日益尖銳和糧食安全問題日益突出。

模式二是以追求經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展為最終目標(biāo)，雖然經(jīng)濟(jì)暫時是取得了高速增長，但這卻是以自然資源的大量消耗為代價，這種發(fā)展模式的所帶來的后果也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于模式一與模式三。實際上，這是一種傳統(tǒng)的、粗放的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式下的“高投入、高產(chǎn)出、高風(fēng)險、高報復(fù)性”的發(fā)展模式，與池州市社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和土地可持續(xù)發(fā)展的理念和目標(biāo)是相悖的，同時這也是不可取的。

5.3 協(xié)調(diào)發(fā)展模式

在協(xié)調(diào)發(fā)展模式下，各種類型土地的面積隨時間的增長大部分在原有的基礎(chǔ)上發(fā)生一定的增加和減少，但相對而言總體的發(fā)展態(tài)勢較為平緩。在這種發(fā)展模式中，適當(dāng)?shù)目刂迫丝诳倲?shù)的增加，并減少交通用地、工礦用地、居民點用地等各種其他類型的建設(shè)用地對耕地的占用，同時適當(dāng)?shù)臏p緩經(jīng)濟(jì)發(fā)展的速度，并加大農(nóng)業(yè)投資的力度，完善農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，改造中低產(chǎn)農(nóng)田，提高糧食單產(chǎn)，致使在耕地面積有所減少的大背景下，糧食產(chǎn)量卻依舊可以得到提高。

發(fā)展模式三既充分考慮到研究區(qū)域經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)發(fā)展，同時還考慮到了自然資源的合理分配和利用；既保證了經(jīng)濟(jì)發(fā)展的目標(biāo)和速度，又解決了經(jīng)濟(jì)社會快速發(fā)展進(jìn)程中所帶來的糧食、耕地壓力等問題，將各項指標(biāo)都納入在合理的范圍之內(nèi)，在某種程度上來說，可以適當(dāng)?shù)鼐徑饨?jīng)濟(jì)社會發(fā)展過程中所伴隨而來的各種社會問題和土地問題，為自然資源的持續(xù)利用打下了基礎(chǔ)。

在本研究中不難發(fā)現(xiàn)，伴隨經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，有限的自然資源的供給量也在逐漸減少。在以大量消耗自然資源促進(jìn)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的模式中，由于自然資源供給量的逐步減少，經(jīng)濟(jì)增長量無疑也會隨之逐步減小。所以說，在自然資源有限的前提下，要想促進(jìn)研究區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會和土地利用的可持續(xù)發(fā)展就必須優(yōu)先提高自然資源的利用效率，發(fā)展高效益、低消耗、集約型的產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)。

6 討論

用地規(guī)劃模型為用地布局、各項投資的分配比例以及與用地有關(guān)的其它社會、經(jīng)濟(jì)、用地類型和用地投資等因素的動態(tài)規(guī)劃提供了一個有效的實驗方法和場所。可對現(xiàn)有規(guī)劃實現(xiàn)的可能性進(jìn)行分析驗證；也可供有關(guān)部門根據(jù)不同策略的改變，進(jìn)行多方案模擬，從而尋求達(dá)到較優(yōu)綜合效益的切實可行的用地規(guī)劃方案。

系統(tǒng)動力學(xué)其中一個比較優(yōu)越的特點是通過對模型中參數(shù)的調(diào)整直接影響模型的輸出結(jié)果,其中參數(shù)的選取可以通過定性和定量相結(jié)合等其他多種方式獲得。研究表明,池州市土地利用系統(tǒng)動力學(xué)模型可以根據(jù)近幾十年內(nèi)的政策導(dǎo)向、社會因素、經(jīng)濟(jì)因素、人口因素和行業(yè)發(fā)展的變化，模擬出不同情形下土地利用仿真結(jié)果,生成土地利用規(guī)劃的優(yōu)化方案。

當(dāng)然，研究工作還僅僅是初步的，模型在眾多方面還需要進(jìn)一步完善。希望這項研究能對用地規(guī)劃，乃至城市規(guī)劃方法改革及規(guī)劃手段的更新，起到一定的推動作用。

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