馬宇翔 周敏 馬超楠

摘要：將區(qū)間規(guī)劃與多目標(biāo)規(guī)劃結(jié)合，從社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境方面考慮土地系統(tǒng)中區(qū)間動(dòng)態(tài)性因素和多類優(yōu)先發(fā)展目標(biāo)，對(duì)武漢市土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析。結(jié)果表明：經(jīng)濟(jì)優(yōu)先方案，在獲得較高經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，其生態(tài)效益低、凈碳排放量高，不利于生態(tài)建設(shè)和綠色發(fā)展;低碳排放方案，其凈碳排放量低，但經(jīng)濟(jì)效益低，不利于經(jīng)濟(jì)發(fā)展;生態(tài)優(yōu)先方案，能同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)建設(shè)?？傮w而言，多目標(biāo)區(qū)間規(guī)劃對(duì)區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，能考慮社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境中的區(qū)間動(dòng)態(tài)性參數(shù)，可提供多種不同優(yōu)先發(fā)展目標(biāo)下的分配方案。

關(guān)鍵詞：土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化;多目標(biāo)規(guī)劃;區(qū)間規(guī)劃;低碳排放

中圖分類號(hào)：F293 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1001-9138-（2021）07-0066-73 收稿日期：2021-05-21

1 引言

土地——財(cái)富之母，作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要物質(zhì)條件，任何生產(chǎn)活動(dòng)都離不開土地要素。土地資源的稀缺性，使得管理者必須考慮如何規(guī)劃利用有限的土地資源來滿足人民日益增長(zhǎng)的多樣化的生活需求和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展要求。土地利用規(guī)劃的編制工作，是一項(xiàng)十分復(fù)雜的社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)工程，這其中涉及到社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、環(huán)境等各方面因素。為盡可能地綜合全面考慮、處理這些問題，以期為使國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門之間合理利用土地資源和盡可能實(shí)現(xiàn)土地利用綜合效益最大化，則在土地利用規(guī)劃過程中必須借助于系統(tǒng)優(yōu)化的方法。

土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化是關(guān)于各類土地?cái)?shù)量的優(yōu)化問題，其實(shí)質(zhì)就是目標(biāo)函數(shù)最大化或最小化的問題。當(dāng)前，學(xué)界對(duì)土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化已進(jìn)行大量研究。土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型一般常用線性/非線性規(guī)劃模型、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型、多目標(biāo)模型以及一些預(yù)測(cè)模型。李秀霞構(gòu)建了系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)-多目標(biāo)規(guī)劃（SD-MOP）整合模型，對(duì)吉林省西部土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真和優(yōu)化;許小亮運(yùn)用一般線性規(guī)劃模型對(duì)六安市2020年土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果表明該區(qū)域農(nóng)村建設(shè)用地減少，應(yīng)推進(jìn)農(nóng)村居民點(diǎn)整治，進(jìn)一步推進(jìn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整;胡宗楠采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型對(duì)揚(yáng)州市2025年土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行多情景模擬預(yù)測(cè);陶瑩慧利用模糊線性規(guī)劃模型，計(jì)算了在低碳目標(biāo)下的佛山市土地利用結(jié)構(gòu)類型，研究結(jié)果得到了低碳目標(biāo)下的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案;寧珊利用灰色線性規(guī)劃模型對(duì)瑪納斯河流域的土地結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果既能增加該流域的生態(tài)服務(wù)價(jià)值，同時(shí)也為區(qū)域生態(tài)文明建設(shè)提供了參考。

上述模型可以有效處理土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題，但還存在不足：①未充分考慮土地利用系統(tǒng)中存在的區(qū)間動(dòng)態(tài)性因素。土地利用系統(tǒng)存在大量動(dòng)態(tài)的變化因素，且這些動(dòng)態(tài)因素具有區(qū)間動(dòng)態(tài)性，如政府對(duì)土地的投資開發(fā)額度、土地利用過程中產(chǎn)生的污染物對(duì)環(huán)境的污染程度等因素;②約束條件設(shè)計(jì)多以規(guī)劃政策文件和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展預(yù)測(cè)為主，鮮有考慮土地利用過程中及利用后的社會(huì)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和生態(tài)等不確定性因素，如糧食安全、污染排放物和濕地面積等約束因素。

因此，本文以構(gòu)建包含土地利用系統(tǒng)中區(qū)間動(dòng)態(tài)性因素的多目標(biāo)區(qū)間規(guī)劃模型為研究切入點(diǎn)，以獲取土地利用系統(tǒng)最大經(jīng)濟(jì)效益、最大生態(tài)效益和最小凈碳排放量為研究目標(biāo)，根據(jù)研究區(qū)的發(fā)展現(xiàn)狀和條件，采用多目標(biāo)區(qū)間規(guī)劃模型對(duì)研究區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)量?jī)?yōu)化。通過將區(qū)間規(guī)劃模型和多目標(biāo)規(guī)劃模型相結(jié)合，在能夠考慮土地利用系統(tǒng)中不確定性因素的同時(shí)，也能達(dá)到生態(tài)優(yōu)先，綠色與經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展的目標(biāo)。綜上，以期對(duì)促進(jìn)區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供方法參考和借鑒。

2 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來源

2.1 研究區(qū)概況

武漢市地處湖北省東部，是我國(guó)中部中心城市和唯一的特大城市。位于北緯29°58′～31°22′，東經(jīng)113°41′～115°05′。目前，全市下轄13個(gè)區(qū)，土地總面積8000多平方千米，2019年常住人口約1121萬人，2020年地區(qū)生產(chǎn)總值1.56萬億元。土地利用類型，如圖1所示。武漢市屬于北亞熱帶季風(fēng)性氣候，年降水量豐富，熱量充足。區(qū)域內(nèi)有上百個(gè)湖泊，被稱為“百湖之市”;濕地面積在全球內(nèi)陸城市中位居前列，也是我國(guó)濕地公園最多的城市。2018年人均公園綠地面積9.61平方米，森林覆蓋率達(dá)到15.07%。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，武漢市區(qū)域土地利用規(guī)劃既要滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)耕地、建設(shè)用地等生產(chǎn)性土地的需求，也要保障水域、濕地等生態(tài)保護(hù)區(qū)的安全。

2.2 數(shù)據(jù)來源

本文所需的數(shù)據(jù)：（1）統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)：包括社會(huì)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等數(shù)據(jù)，來源于《武漢統(tǒng)計(jì)年鑒》《湖北統(tǒng)計(jì)年鑒》《武漢市生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》;（2）土地利用數(shù)據(jù)：2020年土地利用數(shù)據(jù)來源于GlobeLand30 （http：//www.globeland-30.org/）影像數(shù)據(jù)的解譯;（3）規(guī)劃數(shù)據(jù)：來源于武漢市政府文件和武漢市自然資源局規(guī)劃政策文件。

3 研究方法及模型構(gòu)建

3.1 技術(shù)路線

本文的研究過程主要以武漢市為研究區(qū)域，進(jìn)行土地利用數(shù)量結(jié)構(gòu)優(yōu)化：在充分收集、預(yù)測(cè)土地利用相關(guān)社會(huì)經(jīng)濟(jì)參數(shù)、生態(tài)參數(shù)、環(huán)境參數(shù)的基礎(chǔ)上，利用多目標(biāo)區(qū)間規(guī)劃對(duì)其不同情境下的2025年的土地利用數(shù)量結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，如圖2所示。

3.2 研究方法

多目標(biāo)規(guī)劃：管理者在制定土地利用規(guī)劃時(shí)，往往要考慮多個(gè)目標(biāo)，如經(jīng)濟(jì)發(fā)展目標(biāo)、生態(tài)保護(hù)目標(biāo)和社會(huì)效益目標(biāo)等。解決土地利用規(guī)劃中這類問題時(shí)，可將其視為多目標(biāo)規(guī)劃問題。多目標(biāo)規(guī)劃一般由決策變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件三部分組成，其一般式如下：

區(qū)間規(guī)劃：Huang （1996）將區(qū)間規(guī)劃引入線性規(guī)劃模型中，用以解決優(yōu)化問題中參數(shù)變現(xiàn)為離散區(qū)間值的不確定問題，其相關(guān)定義可參照Huang （1996），一般表達(dá)式為：

區(qū)間線性規(guī)劃模型求解方法可參考Huang（1996）。

3.3 模型構(gòu)建

土地利用系統(tǒng)中存在大量的不確定性的動(dòng)態(tài)變化因素，如未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展目標(biāo)值、糧食和水產(chǎn)品需求對(duì)應(yīng)的耕地和水產(chǎn)用地需求為動(dòng)態(tài)變化、建設(shè)用地上產(chǎn)生的污染物對(duì)環(huán)境的影響等因素，一般的線性規(guī)劃模型很難有效處理這類不確定性動(dòng)態(tài)因素。雖然不能確定這些動(dòng)態(tài)因素的具體值，但可以研究這類因素的變化幅度，即區(qū)間值。區(qū)間規(guī)劃模型，可有效模擬測(cè)算土地利用規(guī)劃中不確定性因素的動(dòng)態(tài)變化區(qū)間，能為管理者和規(guī)劃師在決策與政策制定時(shí)提供有效支持和參考。

綜上，本文擬從經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境、生態(tài)四個(gè)方面出發(fā)，綜合考慮土地利用系統(tǒng)中存在的區(qū)間不確定性因素，構(gòu)建多目標(biāo)區(qū)間規(guī)劃模型：

目標(biāo)函數(shù)：

“x”作為模型自變量，表示各類型土地的面積;j表示土地利用類型：j=1耕地、 j=2林地、 j=3水域、 j=4建設(shè)用地、 j=5草地、 j=6未利用地;“±”代表區(qū)間符號(hào);f1（x）、 f2（x）和f3（x）作為目標(biāo)函數(shù)，分別表示最大經(jīng)濟(jì)效益目標(biāo)、最大生態(tài)效益目標(biāo)和最小碳排放量目標(biāo);P±表示不同類型土地j的收益值，C±表示不同類型土地j的維護(hù)和開發(fā)成本值;ESV±表示不同類型土地j的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù);NCE±表示不同類型土地j的凈碳排放系數(shù)。

約束條件：

（1）政府投資約束：在武漢市土地利用

過程中，所有土地開發(fā)、維護(hù)成本由政府投

資承擔(dān)，因此政府投資約束可以表示為：

，MGI+表示政府最大投資額。

（2）糧食安全約束：糧食生產(chǎn)要能滿足研究區(qū)內(nèi)人民生活需求，即單位面積農(nóng)用地糧食產(chǎn)出要大于糧食需求量，糧食產(chǎn)品主要是由耕地生產(chǎn)：，UGP±表示單位農(nóng)用地糧食生產(chǎn)量;GD±表示糧食需求量。

（3）水產(chǎn)品約束：水產(chǎn)品產(chǎn)出也要滿足研究區(qū)內(nèi)人民生活需求，水產(chǎn)品主要是由水域生產(chǎn)：，UWP±表示單位水域水產(chǎn)品生產(chǎn)量;WD±表示水產(chǎn)品需求量。

（4）污水處理能力約束：在模型中，建設(shè)用地產(chǎn)生的污水不應(yīng)超過武漢市的污水處理能力，，UWD±表示單位建設(shè)用地污水排放量;WTPC±表示武漢市污水處理量。

（5）固體廢棄物排放約束：固體廢棄物的排放也不應(yīng)超過武漢市的固體廢棄物處理能力：，SDC±表示單位建設(shè)用地固體廢棄物排放量;STPC±表示武漢市固體廢棄物處理量。

（6）林草覆蓋率約束：為提高武漢市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，維持生態(tài)平衡，防治研究區(qū)內(nèi)水土流失問題，林草覆蓋率不得低于現(xiàn)狀年的林草覆蓋率：，MFGR±表示武漢市2020年林草覆蓋率。

（7）濕地面積約束：濕地具有蓄洪抗旱、凈化水質(zhì)和維持生物多樣性等功能，武漢作為一座在濕地上誕生的城市，是全國(guó)第一個(gè)推出濕地生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制的城市。近年來，武漢市進(jìn)一步加強(qiáng)濕地保護(hù)與修復(fù)，因此，研究區(qū)的濕地面積不得低于現(xiàn)狀年的濕地面積值：，MW±表示武漢市2020年濕地面積。

（8）土地總面積約束：，TLA±表示武漢市土地總面積。

（9）非負(fù)約束：。

模型的參數(shù)收集來源：社會(huì)經(jīng)濟(jì)類數(shù)據(jù)，根據(jù)武漢市2010-2018年統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)，通過指數(shù)預(yù)測(cè)、年平均增長(zhǎng)率和回歸分析等方法，預(yù)測(cè)目標(biāo)年的相關(guān)參數(shù)，如表1所示;不同類型單位面積收益和成本系數(shù)，通過土地估價(jià)和分析武漢市土地市場(chǎng)價(jià)格預(yù)測(cè)得到;環(huán)境和生態(tài)約束等參數(shù)，根據(jù)武漢市環(huán)保部門政策文件、環(huán)境公報(bào)公布的數(shù)據(jù)獲取，如表2、表3所示。生態(tài)效益值參考謝高地（2015）的研究;武漢市土地利用凈碳排放數(shù)據(jù)參考劉曄（2019）文中數(shù)據(jù)，并對(duì)目標(biāo)年數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

4 結(jié)果分析與討論

4.1 土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案分析

采用Lingo軟件對(duì)模型進(jìn)行求解，得到三種土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，如表4所示。

三類優(yōu)化方案中的各類土地利用面積存在明顯差異。相較于2020年現(xiàn)狀年的地類面積，三類方案中，建設(shè)用地面積呈現(xiàn)區(qū)間動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)變化，耕地和未利用地面積呈現(xiàn)區(qū)間動(dòng)態(tài)減少變化，林地、草地、水域和濕地面積在區(qū)間內(nèi)呈現(xiàn)上下波動(dòng)變化。其中，經(jīng)濟(jì)優(yōu)先方案中的建設(shè)用地增加面積和耕地減少面積在三類方案中變化最大，這與目標(biāo)函數(shù)的設(shè)定及社會(huì)發(fā)展的目標(biāo)（經(jīng)濟(jì)優(yōu)先）有關(guān)：建設(shè)用地面積的增加相較于其他地類面積的增加能產(chǎn)生更多的經(jīng)濟(jì)效益，且建設(shè)用地面積與經(jīng)濟(jì)效益成正相關(guān)，如圖3所示。但與此同時(shí)，建設(shè)用地面積的增加，給人們帶來了更多的生產(chǎn)、生活和生存的場(chǎng)所，間接導(dǎo)致了固體污染物及污水的增加。相反，生態(tài)優(yōu)先和低碳排放方案，草地、林地、水域和濕地等生態(tài)性用地面積區(qū)間值高于經(jīng)濟(jì)優(yōu)先方案，如圖4所示。這兩種方案雖經(jīng)濟(jì)效益不及經(jīng)濟(jì)優(yōu)先方案，但生態(tài)效益高于后者，凈碳排放量低于后者，更加符合生態(tài)優(yōu)先、低碳排放和綠色發(fā)展的城市發(fā)展建設(shè)目標(biāo)。

計(jì)算得到的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案是一組區(qū)間數(shù)，規(guī)劃師或管理者可根據(jù)未來的政策制定要求和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求等外界不確定性影響因素，按照不同發(fā)展目標(biāo)和要求，在上述優(yōu)化方案給出的區(qū)間值中動(dòng)態(tài)變化、靈活調(diào)整各類土地利用面積。

4.2 土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化效益分析

如表5所示，經(jīng)濟(jì)優(yōu)先方案下，經(jīng)濟(jì)效益值為三類方案中最高，達(dá)到了1627.69×109-3110.20×109元，其生態(tài)效益為三類方案中最低，凈碳排放量為三類方案中最高，相較于另外兩種方案，這一方案有利于促進(jìn)武漢市經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展速度，但低生態(tài)效益和高凈碳排放量不利于其未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展的質(zhì)量。而在低碳排放方案下，凈碳排放量在三類方案中最低，為12.44×106噸至22.77×106噸，這一方案利于武漢市推進(jìn)城市綠色低碳發(fā)展目標(biāo)，從土地利用結(jié)構(gòu)角度為建設(shè)現(xiàn)代化、生態(tài)化大武漢提供重要支撐。在本文中，生態(tài)優(yōu)先方案更似經(jīng)濟(jì)優(yōu)先和低碳排放兩者之間的協(xié)調(diào)折中方案，其凈碳排放量低于經(jīng)濟(jì)優(yōu)先方案、經(jīng)濟(jì)效益高于低碳排放方案，更適用于管理者在制定土地利用配置政策時(shí)的參考方案。在武漢市經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展且經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的現(xiàn)狀下，可提高生態(tài)保護(hù)和綠色低碳發(fā)展的優(yōu)先度，扎實(shí)推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)。

5 結(jié)論與討論

5.1 結(jié)論

本文在考慮武漢市土地利用系統(tǒng)中的區(qū)間不確定性因素的基礎(chǔ)上，引入?yún)^(qū)間規(guī)劃模型，并將其與多目標(biāo)規(guī)劃模型結(jié)合，構(gòu)建了用于優(yōu)化武漢市土地利用結(jié)構(gòu)的多目標(biāo)區(qū)間規(guī)劃模型，從經(jīng)濟(jì)優(yōu)先、生態(tài)優(yōu)先和低碳排放三類發(fā)展角度出發(fā)，以最大經(jīng)濟(jì)效益、最大生態(tài)效益和最低凈碳排放量為目標(biāo)函數(shù)，根據(jù)武漢市的發(fā)展規(guī)劃提出了三類土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。經(jīng)濟(jì)優(yōu)先發(fā)展方案，經(jīng)濟(jì)效益最高達(dá)到1627.69×109元至3110.20×109元，但其生態(tài)效益值最低、凈碳排放量最高，不利于生態(tài)建設(shè)和綠色發(fā)展;低碳排放方案，其凈碳排放量在三種方案中最低為12.44×106噸至22.77×106噸，生態(tài)效益值最高為61.59×109元至112.75×109元，但其經(jīng)濟(jì)效益值最低，不利于發(fā)展經(jīng)濟(jì)建設(shè)。生態(tài)優(yōu)先方案，其經(jīng)濟(jì)效益高于低碳排放方案，凈碳排放量低于經(jīng)濟(jì)優(yōu)先方案，相較于其他兩種方案，能同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)建設(shè)和綠色發(fā)展目標(biāo)。

5.2 討論

本文與傳統(tǒng)的土地利用結(jié)構(gòu)線性優(yōu)化模型不同，考慮了土地利用系統(tǒng)中區(qū)間動(dòng)態(tài)性變量，更加側(cè)重于動(dòng)態(tài)性參數(shù)，從而得到的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，是一個(gè)區(qū)間動(dòng)態(tài)方案。管理者或規(guī)劃師可根據(jù)實(shí)際發(fā)展需求和目標(biāo)，在區(qū)間方案中，靈活、動(dòng)態(tài)的調(diào)整和分配各種地類面積。此外，本文將多目標(biāo)規(guī)劃同區(qū)間規(guī)劃相結(jié)合，得到了不同優(yōu)先發(fā)展目標(biāo)下的多種優(yōu)化方案，可為管理者和規(guī)劃師在權(quán)衡各方利益和制定發(fā)展目標(biāo)時(shí)，提供更切合實(shí)際情況的分配方案。但同時(shí)應(yīng)該注意的是：本文未考慮土地利用系統(tǒng)中其他類型的不確定性因素，如隨機(jī)性因素等;在選取優(yōu)化地類時(shí)，沒有更加具體、細(xì)化的對(duì)二級(jí)地類進(jìn)行優(yōu)化分析;未能將優(yōu)化后的土地利用數(shù)量結(jié)構(gòu)具體落實(shí)到空間布局上。后續(xù)研究將從城區(qū)、二級(jí)地類、多類型不確定性因素及落實(shí)到空間布局等方面，進(jìn)行更加深入的分析與研究。

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作者簡(jiǎn)介：馬宇翔，華中科技大學(xué)公共管理學(xué)院碩士研究生。

周敏，通訊作者，華中科技大學(xué)公共管理學(xué)院副教授。

馬超楠，華中科技大學(xué)公共管理學(xué)院碩士研究生。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，資助編號(hào)：41401631。