許小亮，歐名豪（1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)土地管理學(xué)院，南京210095；2.合肥農(nóng)夢(mèng)土地規(guī)劃有限公司規(guī)劃設(shè)計(jì)部230000）

基于線性優(yōu)化模型的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究
——以六安市為例

許小亮1，2，歐名豪1*
（1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)土地管理學(xué)院，南京210095；2.合肥農(nóng)夢(mèng)土地規(guī)劃有限公司規(guī)劃設(shè)計(jì)部230000）

線性優(yōu)化模型方法是一種在具有確定目標(biāo)又有一定約束限制條件下，從所有可能的選擇方案中尋找最優(yōu)方案的模型方法，是應(yīng)用于土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法。本研究以六安市為例，通過運(yùn)用線性優(yōu)化模型分析六安市2014年土地利用現(xiàn)狀和2015-2020年期間社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢(shì)，并且對(duì)主要的社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)作了預(yù)測(cè)，在此基礎(chǔ)上提出了優(yōu)化的土地利用結(jié)構(gòu)是六安市2015-2020年土地利用戰(zhàn)略與目標(biāo)的直接表達(dá)。研究結(jié)果表明，2020年優(yōu)化的土地利用結(jié)構(gòu)中，農(nóng)村居民點(diǎn)用地有較大減少，因此可以預(yù)見，“十三五”期間，六安市國(guó)土資源管理重點(diǎn)是推進(jìn)農(nóng)村居民點(diǎn)整治，釋放潛力，以補(bǔ)充耕地面積及為城鎮(zhèn)擴(kuò)張置換指標(biāo)；并且有計(jì)劃的科學(xué)指導(dǎo)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，增加園地與林地面積。

線性優(yōu)化模型；土地利用結(jié)構(gòu)；優(yōu)化；六安市

1　引言

隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的不斷發(fā)展，土地資源承載著人類發(fā)展的壓力越來越大。一方面，人類一要吃飯、二要建設(shè)、三要生態(tài)與土地資源總量有限之間的關(guān)系始終是一對(duì)不可避免的矛盾。另一方面，人類利用土地資源的不合理方式，造成的土地浪費(fèi)、污染和退化問題也日益突出，土地資源的承載力不斷下降。隨著人口數(shù)量的不斷增長(zhǎng)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人類生態(tài)保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，人類需求對(duì)土地資源產(chǎn)生的壓力越來越大，前者矛盾不可調(diào)和。因此，學(xué)界關(guān)注更多地是實(shí)現(xiàn)土地利用方式和土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化。根據(jù)系統(tǒng)論觀點(diǎn)，結(jié)構(gòu)決定功能，而功能是結(jié)構(gòu)的外在體現(xiàn)，于是通過土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化可提高土地利用效益及功能，因此土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化一直是土地管理領(lǐng)域研究的重點(diǎn)［1，2］。土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化是通過合理的數(shù)量安排和空間布局實(shí)現(xiàn)土地資源的可持續(xù)利用［3］。筆者認(rèn)為，土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的總體目標(biāo)是以促進(jìn)土地可持續(xù)利用為總體目標(biāo)，綜合考慮資源環(huán)境狀況和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需求，深入研究農(nóng)用地、建設(shè)用地和生態(tài)用地及耕地、城鄉(xiāng)建設(shè)用地、基礎(chǔ)設(shè)施用地等主要用地類型規(guī)模與比例關(guān)系，統(tǒng)籌安排各類生產(chǎn)、生活、生態(tài)用地，協(xié)調(diào)各業(yè)用地矛盾，最終實(shí)現(xiàn)土地利用結(jié)構(gòu)合理。

自20世紀(jì)90年代以來，結(jié)構(gòu)優(yōu)化成了我國(guó)土地利用規(guī)劃的核心內(nèi)容［4］。土地利用總體規(guī)劃編制中土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)所采用的編制方法主要有土宜法、綜合平衡法和模型法［5］。前兩種方法具有工作量大的缺點(diǎn)，缺乏對(duì)土地利用系統(tǒng)分析和優(yōu)化。模型法是通過建立數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行定量計(jì)算，從而得到多種可供選擇的優(yōu)化方案，體現(xiàn)了土地利用規(guī)劃的科學(xué)性。線性優(yōu)化模型方法是一種在具有確定目標(biāo)又有一定約束限制條件下，從所有可能的選擇方案中尋找最優(yōu)方案的模型方法，也是目前研究多變量復(fù)雜系統(tǒng)常用的一種最優(yōu)化方法，廣泛用于土地利用結(jié)構(gòu)的數(shù)量?jī)?yōu)化上。該模型方法具有建模簡(jiǎn)單、目標(biāo)明確、算法穩(wěn)定、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，在土地利用宏觀數(shù)量方面有著較大的優(yōu)勢(shì)［6］。

2　土地利用現(xiàn)狀

根據(jù)六安市土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)，至2014年底，全市土地總面積為1839916.91公頃。其中：農(nóng)用地面積為1519979.66公頃，占土地總面積的82.61％；建設(shè)用地面積為216926.27公頃，占土地總面積的11.79％；其他土地為103010.98公頃，占土地總面積5.60％，詳細(xì)數(shù)據(jù)如表1所示。

3　主要規(guī)劃控制指標(biāo)

本研究用一般線性優(yōu)化模型對(duì)2020年六安市土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，但是優(yōu)化工作必須基于一定前提。首先優(yōu)化的土地利用結(jié)構(gòu)必須體現(xiàn)規(guī)劃控制指標(biāo)的約束，在現(xiàn)行土地利用規(guī)劃中，有控制性指標(biāo)與約束性指標(biāo)，控制性指標(biāo)是指必須達(dá)到的指標(biāo)，主要包括耕地保有量、基本農(nóng)田數(shù)量、城鄉(xiāng)建設(shè)用地總量、新增建設(shè)用地占用耕地?cái)?shù)量以及人均城鎮(zhèn)工礦用地，而這里需要說明的是：現(xiàn)行規(guī)劃數(shù)據(jù)不是二調(diào)數(shù)據(jù)，可目前國(guó)土資源管理已完全應(yīng)用二調(diào)數(shù)據(jù)，因此，現(xiàn)行規(guī)劃的一些控制性指標(biāo)已不再具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義，比如城鄉(xiāng)建設(shè)用地總量2014年六安市是172278.49公頃，而規(guī)劃要求2020指標(biāo)是142975.12公頃，現(xiàn)狀已遠(yuǎn)超過控制指標(biāo)，出現(xiàn)“倒掛”現(xiàn)象。當(dāng)然這是由于基期數(shù)據(jù)的原因。這里我們堅(jiān)持的2020年指標(biāo)有：耕地保有量645786.52公頃、人均城鎮(zhèn)工礦用地102.47平米。

表1　六安市2014年土地利用結(jié)構(gòu)表

4　優(yōu)化目標(biāo)確定

六安市目標(biāo)年土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)利益與生態(tài)利益最大化，而把土地利用社會(huì)利益耦合至約束條件中。土地利用類型經(jīng)濟(jì)利益表示方面，耕地經(jīng)濟(jì)利益與園地經(jīng)濟(jì)利益用種植業(yè)產(chǎn)值減桑茶果產(chǎn)值表示；林地經(jīng)濟(jì)利益用林業(yè)產(chǎn)值表示；牧草地經(jīng)濟(jì)利益以畜牧產(chǎn)值表示；農(nóng)村居民點(diǎn)經(jīng)濟(jì)利益以農(nóng)村工業(yè)增加值表示；城鎮(zhèn)工礦用地與交通水利用地經(jīng)濟(jì)利益以二三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值減去農(nóng)村居民點(diǎn)與其它建設(shè)用地經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值表示；灘涂沼澤與未利用土地幾乎未有經(jīng)濟(jì)利益，且現(xiàn)有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)亦無法核算，因此對(duì)其經(jīng)濟(jì)利益忽略不計(jì)。于是經(jīng)濟(jì)目標(biāo)可用下式表示：

式中，xi是土地利用類型i的面積，ci是i用地類型經(jīng)濟(jì)利益期望值。

土地利用生態(tài)利益用其生態(tài)服務(wù)價(jià)值表征，生態(tài)服務(wù)價(jià)值是生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)家把生態(tài)服務(wù)劃分為應(yīng)用價(jià)值、內(nèi)在價(jià)值、選擇價(jià)值，且以直接市場(chǎng)法、市場(chǎng)替代法評(píng)價(jià)之，以此把生態(tài)服務(wù)納入市場(chǎng)，以市場(chǎng)方式保護(hù)生態(tài)環(huán)境或?yàn)樯鷳B(tài)補(bǔ)償提供參考。其中耕地生態(tài)利益用農(nóng)田生態(tài)服務(wù)價(jià)值表示；牧草地與林地生態(tài)利益分別用草地與森林生態(tài)服務(wù)價(jià)值表示。因?yàn)閳@地綠當(dāng)量介于普通農(nóng)田與森林之間，于是把農(nóng)田與森林平均生態(tài)利益作為園地生態(tài)利益水平，上述生態(tài)服務(wù)價(jià)值已扣除食物生產(chǎn)一項(xiàng)的價(jià)值。同樣其它農(nóng)用地生態(tài)利益以耕地、園地、草地與林地平均值表示；對(duì)居民點(diǎn)與工礦用地、交通水利用地，因農(nóng)村面源污染、城鎮(zhèn)大氣污染之影響，其生態(tài)價(jià)值是負(fù)。

式中，xi是土地利用類型i的面積，ei是i用地類型經(jīng)濟(jì)利益期望值。

5　約束條件

5.1總面積約束，區(qū)域總面積可能因河流、灘涂沖積而變化，而這里假定目標(biāo)年區(qū)域土地面積不變：

式中xi是土地類型面積，A是六安市土地總面積。

5.2耕地保護(hù)約束，即糧食安全約束，其體現(xiàn)社會(huì)價(jià)值，是用上級(jí)規(guī)劃下達(dá)的耕地保有量表示，其不一定能保證本區(qū)域糧食安全，而卻擔(dān)當(dāng)相應(yīng)國(guó)家糧食安全責(zé)任，要素相互交流背景下，這相當(dāng)于已保障區(qū)域糧食安全：

式中G表示六安市耕地保有數(shù)量。

5.3城鎮(zhèn)綠地率約束，是指城鎮(zhèn)綠地占城鎮(zhèn)土地面積比重，城市規(guī)劃中為優(yōu)化城鎮(zhèn)環(huán)境，減少環(huán)境污染水平，要求至少一定比重的綠地面積，這里用其它建設(shè)用地占城鎮(zhèn)土地面積表示：

式中F是目標(biāo)年城鎮(zhèn)綠地率，即風(fēng)景旅游用地占城鎮(zhèn)土地比重。

5.4開發(fā)強(qiáng)度約束，全國(guó)主體功能區(qū)劃要求于資源環(huán)境承載角度優(yōu)化空間結(jié)構(gòu)，控制空間開發(fā)強(qiáng)度，建設(shè)用地比重持續(xù)增加，則超過資源環(huán)境承載閾值，引起地下水過度開采，令城鎮(zhèn)供水困難，因重力作用令地基下沉，同時(shí)城鎮(zhèn)面積過大，超環(huán)境容納能力，則會(huì)因熱島效應(yīng)阻礙大氣流動(dòng)而產(chǎn)生嚴(yán)重生態(tài)環(huán)境問題，開發(fā)強(qiáng)度用建設(shè)用地占土地面積比重表示：

式中B是六安市土地開發(fā)強(qiáng)度上限，從《安徽省主體功能區(qū)劃》可以得到皖西地區(qū)的空間開發(fā)強(qiáng)度。

5.5經(jīng)濟(jì)發(fā)展約束，經(jīng)濟(jì)發(fā)展需一定建設(shè)用地作為資本附載體，因此應(yīng)有一定建設(shè)用地保障經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展，城鎮(zhèn)用地過度集約亦不利于發(fā)展，對(duì)社會(huì)生活產(chǎn)生不利影響，因此對(duì)未來經(jīng)濟(jì)數(shù)量，則至少：

式中l(wèi)1、l2是發(fā)達(dá)地區(qū)土地利用水平，Q是目標(biāo)年2020年經(jīng)濟(jì)數(shù)量，即基于未來經(jīng)濟(jì)數(shù)量與發(fā)達(dá)地區(qū)土地利用程度而確定區(qū)域最小建設(shè)用地面積。

5.6人口數(shù)量約束，人類社會(huì)需土地提供居住場(chǎng)所，居住用地約束是：

式中P是人口數(shù)目，δ是城鎮(zhèn)化水平，m1是城鎮(zhèn)最小人均用地面積，以1991年《城市用地分類與規(guī)劃建設(shè)用地標(biāo)準(zhǔn)（GBJ137）》中最小的60m2/人為據(jù)（建設(shè)部，1991），是農(nóng)村最小人均居住面積，以村鎮(zhèn)規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)中100m2/人為準(zhǔn)（建設(shè)部，2007），這樣分別保證農(nóng)村與城鎮(zhèn)人口基本居住需求。

上述已制定不同類型建設(shè)用地下限約束，而同時(shí)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中土地利用至少應(yīng)遵循集約節(jié)約要求，則土地集約利用約束是：

式中P、δ、Q涵義與以上相同，m3、m4表示最大可能允許之人均城鎮(zhèn)用地與人均居民點(diǎn)用地，l3表示允許的最小地均產(chǎn)出水平，以國(guó)內(nèi)發(fā)展水平最高城市的地均產(chǎn)出水平為準(zhǔn)，m3以1991年《城市用地分類與規(guī)劃建設(shè)用地標(biāo)準(zhǔn)》中最高的140m2/人為準(zhǔn)，m4以2007年《村鎮(zhèn)規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)》中最高之150m2/人為準(zhǔn)，這樣就保證了經(jīng)優(yōu)化的土地利用結(jié)構(gòu)達(dá)集約節(jié)約利用要求。

5.7宏觀計(jì)劃約束，不僅保護(hù)一定數(shù)量耕地，亦應(yīng)保有相當(dāng)數(shù)量其余農(nóng)用地，一是為人們提供茶果與農(nóng)副產(chǎn)品，提高生活水平，其次是作為農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整余地，有利于耕地保護(hù)與減少農(nóng)產(chǎn)品市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)，據(jù)國(guó)民經(jīng)濟(jì)農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃而確定目標(biāo)年大農(nóng)業(yè)用地面積：

式中G是根據(jù)農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃確定的目標(biāo)年大農(nóng)用地面積。

5.8土地供應(yīng)能力約束，未利用土地經(jīng)濟(jì)利益與生態(tài)利益不高，模型中不加約束，則根據(jù)利益驅(qū)動(dòng)理論，未利用土地會(huì)全部變?yōu)槠渌孑^高用地，這在現(xiàn)實(shí)中不出現(xiàn)是因開發(fā)整理該些未利用土地需大量成本，現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)技術(shù)能力不可能把全部未利用地變?yōu)榭衫玫?，則未利用土地約束區(qū)間是：

式中W2是基期年未利用土地面積，W1是據(jù)目標(biāo)年經(jīng)濟(jì)技術(shù)能力與土地供需水平而確定的未利用土地面積。

5.9非負(fù)約束，現(xiàn)實(shí)中土地利用類型面積是非負(fù)，即：

6　土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果

把模型在Lingo進(jìn)行求解可以得到六安市2020年土地利用優(yōu)化結(jié)構(gòu)，具體見下表2和圖1。

可看出2020年六安市土地利用優(yōu)化結(jié)構(gòu)中農(nóng)用地由2014年的82.61％提高到83.52％，而農(nóng)用地內(nèi)部變化加大，首先由于城鎮(zhèn)用地占用耕地及耕地產(chǎn)值的減少，即糧食種植效益減少，而園林種植利潤(rùn)提高，于是2020年六安市耕地資源由716709.27公頃減少為645786.52公頃，占總面積的比由38.95％變?yōu)?5.10％；其次為了保證六安市良好的生態(tài)環(huán)境，須保持一定數(shù)量生態(tài)用地，因此園地、林地面積有提高，園地從49420.92公頃提高至55340.2公頃，林地由2014年的602413.2公頃提高到2020年的644115.4公頃，占土地總面積的35.01％。建設(shè)用地總量由216926.27公頃變?yōu)?020年的204477.4154公頃，主要是由于農(nóng)村居民點(diǎn)用地減少引起，2020年農(nóng)村居民點(diǎn)比2014年減少了25％左右，農(nóng)村人口城鎮(zhèn)化及目前農(nóng)村建設(shè)用地普遍超標(biāo)，于是通過土地整治及“增減掛鉤”項(xiàng)目可釋放農(nóng)村居民點(diǎn)的現(xiàn)實(shí)潛力。城鎮(zhèn)工礦用地由2014年36230.77公頃提高到2020年的55731.54公頃。由于基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目推進(jìn)，在優(yōu)化的土地利用結(jié)構(gòu)中，交通用地、水利用地?cái)?shù)量也有增加。

本研究首先分析了六安市2015-2020年期間社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢(shì)，并且對(duì)主要的社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)作了預(yù)測(cè)。認(rèn)為要實(shí)現(xiàn)這些發(fā)展指標(biāo)，必須設(shè)定總體的發(fā)展戰(zhàn)略，而總體發(fā)展戰(zhàn)略涉及經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、區(qū)域、民生等不同方面，但最終都要落實(shí)到土地利用之上，于是在此基礎(chǔ)上提出了六安市2015-2020年土地利用戰(zhàn)略與目標(biāo)，其中優(yōu)化的土地利用結(jié)構(gòu)是土地利用目標(biāo)直接表達(dá)。即該土地利用結(jié)構(gòu)下六安市能取得最大經(jīng)濟(jì)收益與生態(tài)收益，既可以保障經(jīng)濟(jì)發(fā)展又到了各方面約束條件的要求。

表2　六安市2020年土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化表

圖1　六安市2014年土地利用結(jié)構(gòu)與2020年土地優(yōu)化結(jié)構(gòu)對(duì)比

與2014年土地利用結(jié)構(gòu)相比，2020年優(yōu)化的土地利用結(jié)構(gòu)中，農(nóng)村居民點(diǎn)用地有較大減少，因此可以預(yù)見，“十三五”期間，六安市國(guó)土資源管理重點(diǎn)是推進(jìn)農(nóng)村居民點(diǎn)整治，釋放潛力，以補(bǔ)充耕地面積及為城鎮(zhèn)擴(kuò)張置換指標(biāo)；并且有計(jì)劃的科學(xué)指導(dǎo)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，增加園地與林地面積。

［1］嚴(yán)金明.簡(jiǎn)論土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化與模型設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)土地科學(xué)，2002，16（4）：20-25.

［2］陳江龍，曲福田，王啟仿.經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)—以江蘇省江陰市為例［J］.長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境，2003，12（4）：317-321.

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（2016-01-17收稿S編輯）

Optimization of Land use Structure Based on Linear Optimal Model——Taking Land use Structure in Lu'an For Example

XU Xiao-liang1，2et al
（1.College of Land Management，Nanjing Agricultural University，Nanjing 210095，China；2.Hefei agricultural dream land planning Co.，Ltd.Hefei 230000，China）

With definite goal and certain constraints，selecting the best model from options，linear optimal model is a method applied in the land use structure optimization.Taking Lu'an city，Anhui Province as an example，this paper applied linear optimal model to analyze land use status of Lu'an city in 2014 and social and economic developing trend from 2015 to 2020.By predicting major social economic indexes，it proposed that optimization of land use structure directly expresses land use strategy and goal in Lu'an city from 2015 to 2020.Results of the optimized land use structure in 2020 show that rural residential land use will decrease greatly.It can be predicted that in the 13th Five-Year Plan，Lu'an Land and Resource Management Departments focus on renovating rural residential areas and releasing the land potential in order to supplement the agricultural acreage and substitute indexes of urban land expansion.Besides，they scientifically instruct adjusting agricultural industry structure as well as increasing garden and woodland area.

Linear optimal model；Land use structure；optimization；Lu'an city

F301.2

A

1003-7853（2016）01-0043-04

歐名豪。