土地利用總體規(guī)劃中的定量化方法研究

■ 張喜旺/劉劍鋒/秦 奮

（1.河南大學環(huán)境與規(guī)劃學院，開封 475004；2.黃河水利職業(yè)技術(shù)學院，河南 開封 475001）

土地利用總體規(guī)劃中的定量化方法研究

■ 張喜旺1/劉劍鋒2/秦 奮1

（1.河南大學環(huán)境與規(guī)劃學院，開封 475004；2.黃河水利職業(yè)技術(shù)學院，河南 開封 475001）

在編制土地利用總體規(guī)劃時大量采用定量化方法是現(xiàn)代土地利用規(guī)劃學科的趨勢，但目前定量化方法還不夠成熟，國內(nèi)使用定量化方法還不多。文章結(jié)合國內(nèi)外使用定量化方法的基本情況和我國規(guī)劃中存在的問題，介紹了定量和定性相結(jié)合方法的基本流程和定量化模型的建立過程，并給出了應用實例，以期為總體規(guī)劃的實施提供參考。

土地利用； 總體規(guī)劃； 定量化模型； 模型設計； 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

20世紀70年代以后，國外在編制土地利用規(guī)劃中引入計算機和數(shù)學方法，并利用數(shù)學模型完成編制[1]。主要方法有：動態(tài)規(guī)劃模型；ECCO模型；數(shù)學模擬法；線性規(guī)劃法。這些方法均利用現(xiàn)代技術(shù)將規(guī)劃過程量化，建立數(shù)學模型，取得了很好的效果。我國到目前為止已經(jīng)開展了三輪土地利用總體規(guī)劃。第一輪采用綜合平衡法進行用地指標調(diào)整，以實現(xiàn)規(guī)劃期內(nèi)區(qū)域土地資源總供給量和總需求量間的平衡；第二輪規(guī)劃編制和修訂中主要采取指標控制和地類分區(qū)結(jié)合的模式[2]，結(jié)構(gòu)優(yōu)化一 般采用傳統(tǒng)的定性或部分定量方法[3]。前兩輪規(guī)劃普遍都采用傳統(tǒng)的定性方法。然而，我國地域廣闊，土地利用總體規(guī)劃所涉及的內(nèi)容又多，因此，土地利用總體規(guī)劃是一項龐大的工程，僅利用定性方法速度慢，效率低，如新疆在第一輪規(guī)劃中用9年多的時間才完成不到三分之一，照此速度計算需要30年才能完成一輪規(guī)劃[4]。傳統(tǒng)定性方法的可靠性和精確度比用系統(tǒng)優(yōu)化方法求出的最優(yōu)方案差很多[3]。因此本文以縣級規(guī)劃為例，運用數(shù)學模型，結(jié)合GIS等先進技術(shù)進行研究，并參考國外經(jīng)驗，以期形成一套定量與定性相結(jié)合的土地利用規(guī)劃方法和工作流程，為今后的土地利用總體規(guī)劃提供參考。

1 土地利用總體規(guī)劃簡介

土地是人類賴以生存的基礎，又是能被人類用來從事物質(zhì)生產(chǎn)的資源[5]。土地利用是一個不斷發(fā)展變化的長期歷史過程，并形成一定的土地利用結(jié)構(gòu)特征，隨著國民經(jīng)濟和社會發(fā)展對土地空間的需求，必須對土地利用的發(fā)展和結(jié)構(gòu)不斷地進行優(yōu)化[6]。土地利用總體規(guī)劃就是根據(jù)國民經(jīng)濟、社會發(fā)展計劃和各業(yè)發(fā)展的用地需求和土地自身的特征，合理、統(tǒng)籌協(xié)調(diào)土地資源在國民經(jīng)濟各部門之間的配置，也是合理利用土地的基礎和總綱，科學管理與宏觀調(diào)控土地的重要手段[7]。目的是規(guī)范一定時段內(nèi)某個區(qū)域內(nèi)的土地利用的結(jié)構(gòu)、布局和方式，以充分、合理、高效地利用土地資源[8]。土地利用規(guī)劃方案是未來土地利用的主要依據(jù)，其合理程度直接決定了土地利用的科學性[9]。土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化是土地利用總體規(guī)劃的核心內(nèi)容，它以一定區(qū)域土地利用系統(tǒng)的效益為最大目標，在滿足一定的條件下將一定數(shù)量的土地分配到各用地部門，使土地在時間上得到合理安排，空間上得到最佳落實。

2 國內(nèi)外土地利用總體規(guī)劃中利用定量化方法概況

2.1 目前國外常使用的方法

（1）動態(tài)規(guī)劃模型。模型由GIS和綜合規(guī)劃模型組成，綜合規(guī)劃模型包括作物生長模式、線性規(guī)劃模型和空間配置決策模型。作物生長模式的作用是設立各種作物生長過程的量化模式，空間配置模型的功能是把規(guī)劃設計轉(zhuǎn)化為具有可操作性的規(guī)劃。（2）ECCO模型。此模型是由英國Strathc1de大學和蘇格蘭資源利用研究所的研究人員提出。通過系統(tǒng)動力學模型模擬不同備選方案的人口變化與承載力之間的動態(tài)關系，做出各種方案以備選擇。（3）數(shù)學模擬。該方法是在評價美國蒙大拿州旱地資源規(guī)劃時由Capolbo等人提出，利用計算機分析農(nóng)場的自然環(huán)境、作物耕作制度、農(nóng)場的各種投入產(chǎn)出條件，經(jīng)過量化，建立數(shù)學模型以模擬農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程，最終得到對環(huán)境、作物輪作和農(nóng)場收益等產(chǎn)生影響的規(guī)劃。（4）線性規(guī)劃方法。應用線性規(guī)劃方法和GIS，對土地的空間屬性進行優(yōu)化和變量組合，最終得到最佳土地利用方案。Chuvieco 在西班牙利用該方法進行土地規(guī)劃實驗，取得了很好的效果。

2.2 國內(nèi)常用定量方法

（1）灰色線性規(guī)劃。該方法彌補了一般線性規(guī)劃的不足，不要求目標函數(shù)中的效益系數(shù)、約束條件中的技術(shù)系數(shù)，資源量及其他限制量等都被固定下來，而技術(shù)系數(shù)是可變的灰數(shù)，約束值是在發(fā)展情況下進行的，因而是一種動態(tài)的線性規(guī)劃[10]。王萬茂、但承龍以及耿紅分別對海門市和田陽縣進行研究都取得了很好的效果。（2）遺傳算法。是Holland提出的一種借鑒生物進化論中的遺傳變異和自然選擇原理，模擬生物在自然界中的進化過程所形成的一種新型優(yōu)化求解方法。又可分為一般遺傳算法、多重群體遺傳算法，特別適用于目標函數(shù)多、數(shù)學表達式非線性，優(yōu)化變量多，常規(guī)方法難以奏效的復雜場合[11]。董品杰、賴紅松等都對此方法做過研究與應用。（3）最優(yōu)線形規(guī)劃模型。適合于人地復合系統(tǒng)中用地類型結(jié)構(gòu)的優(yōu)化決策，基本思路是從區(qū)域土地利用的綜合效益中提煉出一個能體現(xiàn)本區(qū)土地資源特點和社會發(fā)展要求的單一效益，而將其他效益作為約束條件。賈宏俊、張佳會、黃全富等利用此方法分別對蕪湖市和石柱縣的土地利用總體規(guī)劃進行研究，效果明顯[12]，[13]。

3 定量與定性方法結(jié)合的流程

土地利用總體規(guī)劃的目的是在有限的土地上合理配置各種用地類型，使土地利用結(jié)構(gòu)達到最優(yōu)，產(chǎn)出效益最大，或者在一定效益前提下投入成本最小。因此定量模型的建立首先要對現(xiàn)狀進行調(diào)查，廣泛收集自然、社會和經(jīng)濟資料，結(jié)合本地特點，選擇適當?shù)挠绊懸蛩刈鳛槟繕撕瘮?shù)變量，然后構(gòu)建目標函數(shù)，再將人力、物力、財力、時間和生態(tài)、經(jīng)濟、社會、技術(shù)以及土地現(xiàn)狀、潛力、需求等多方面的限制作為約束條件，使目標函數(shù)達到最大或最小，求出的最優(yōu)解就是優(yōu)化的土地利用結(jié)構(gòu)。為使結(jié)果更符合實際，還應該結(jié)合專家意見等定性方法進一步優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)，并與有關部門協(xié)調(diào)，輸出最終結(jié)果。（參見圖1）

4 應用實例

本文以最優(yōu)線性規(guī)劃法為例，選擇某縣級規(guī)劃資料作為實例，僅考慮收集材料之后和修正方案之前的情況。目標的選擇要因具體地區(qū)而定，假設該縣需要提高本縣的經(jīng)濟水平，則總體規(guī)劃目標應定為追求經(jīng)濟效益的最大化，并以此作為決策的基本目標函數(shù)；同時以社會效益和環(huán)境效益、上級下達指標以及本縣具體情況作為約束條件。

（1）土地利用類型劃分。假設該縣劃定了11個土地利用類型：x1（耕地）、x2（園地）、x3（林地）、x4（其他農(nóng)用地）、x5(建制鎮(zhèn))、x6（農(nóng)村居民點）、x7（獨立工礦）、x8(特殊用地)、x9（交通用地）、x10（水利設施用地）、x11（未利用地）。

（2）確定各類用地的效益相對權(quán)重系數(shù)。應用AHP層次分析法、專家打分法等，確定各用地類型的效益權(quán)重，構(gòu)成效益權(quán)重集Wi(1,2,3……10)。x11的用地效益可視為0，故不參與評判。

Wi=（0.1 0 5，0.1 1 2，0.051，0.041，0.201，0.178，0.104，0.048，0.115，0.045）

（3）構(gòu)建目標函數(shù)。

式中K為各類用地效益系數(shù)；Wi為各類用地的相對權(quán)重系數(shù)；xi為各類用地面積（hm2）。

圖1 土地利用總體規(guī)劃定量與定性相結(jié)合方法基本流程圖

（4）確定效益系數(shù)K。選用耕地效益，即每公頃耕地產(chǎn)出效益的發(fā)展預測值來確定常數(shù)K，然后乘以各類用地相對權(quán)重系數(shù)求得相應單位面積上的產(chǎn)出效益，即價值向量Vi（i=1,2,3……10）。據(jù)預測，到規(guī)劃期末平均每公頃耕地的產(chǎn)出效益為15416.23元，即

V1=0.1×K =15416.23故K=154162.3，從而求得：

Vi=(154162.30, 17266.18,7862.28, 6320.65, 30986.62,27440.89, 16032.88 ,7399.79,17728.66, 6937.30)

據(jù)此，目標函數(shù)為：

S(x)=15416.23x1+17266.18x2+7862.28x3+6320.65x4+30986.6 2x5+27440.89x6+ 16032.88x7+73 99.79x8+17728.66x9+6937.30x10+x11

(5)約束條件的確立

根據(jù)社會效益、環(huán)境效益、上級下達的目標、規(guī)劃目標和耕地后備資源開發(fā)潛力等擬定約束條件：

(6)求得最優(yōu)解如表1

可以看出利用最優(yōu)線性規(guī)劃法具有以下優(yōu)勢：（1）本規(guī)劃采用經(jīng)濟效益主導性，以實現(xiàn)經(jīng)濟效益最大為目標，充分體現(xiàn)了該縣強勁的經(jīng)濟發(fā)展勢頭和全面實現(xiàn)小康的愿望。（2）實現(xiàn)上級下達的指標要求，體現(xiàn)了國家切實保護耕地，嚴格控制建設用地的政策要求。（3）充分地考慮了該縣補充耕地的能力。

表1 土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

5 定量化方法應用于土地利用總體規(guī)劃的思考

5.1 定量化應達到的目標

按照經(jīng)濟效益，目標函數(shù)要使有限的土地生產(chǎn)出盡可能多的產(chǎn)品和提供盡可能多的服務。另外，在經(jīng)濟效益相等的情況下，應優(yōu)先考慮社會效益最大；在經(jīng)濟效益不等的情況下，應以社會效益的顯著程度給予權(quán)衡；對于沒有直接經(jīng)濟效益的純社會性的資源配置項目，如建設學校等，按照社會效益原則，在項目設立時，應在土地的其他投向可能的范圍內(nèi)進行權(quán)衡。另外以上兩種效益達到最佳并不能保證對生態(tài)環(huán)境的充分保護，還須考慮生態(tài)效益。因此注重經(jīng)濟、社會效益和生態(tài)效益的總和才是土地資源合理配置的充分條件和完整準則。但與以貨幣的價值尺度來衡量的效益相比，環(huán)境效益的評估需要選擇合適的方法。在優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)時必須全面衡量各種效益并進行利弊的權(quán)衡，按綜合效益的原則實行資源分配的價值取向，土地資源才可能實現(xiàn)優(yōu)化配置。

5.2 需要注意的問題

（1）土地利用總體規(guī)劃涉及自然、社會、經(jīng)濟諸方面，可控性和可操作性都非常復雜和困難，因此要根據(jù)具體情況，選擇最具代表性的因素作為變量，根據(jù)土地利用的目的設立完備的約束條件，優(yōu)化定量化模型。（2）針對當前中國土地利用總體規(guī)劃所要解決的主要問題是建設用地擴張與耕地保護的矛盾，在建立模型時應將受保護的耕地面積作為約束條件來限定目標函數(shù)，切實地對耕地加以保護。（3）雖然定量化模型能綜合吸收各個學科的單項研究成果，具有很大的優(yōu)勢，但在土地利用總體規(guī)劃中的應用尚不成熟，目前要完全依賴定量化方法是不可取的。（4）規(guī)劃中也可以采用多個定量化模型做出幾套方案加以比較，選出相對合理的方案作為最終結(jié)果。（5）今后應加深對定量化方法的研究，脫離人為因素的制約，使其更能具有普遍實用性，得到的結(jié)果更符合實際。

6 結(jié)論

科學合理的土地利用結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生結(jié)構(gòu)效應，促使系統(tǒng)的功能增強、效率提高。土地利用規(guī)劃不僅要合理調(diào)整土地利用的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，還要協(xié)調(diào)好與外部環(huán)境條件的關系，由于總體規(guī)劃是以社會經(jīng)濟發(fā)展和人口為依據(jù)的，并受自然、科技進步、政策等因素影響，而土地利用系統(tǒng)內(nèi)部則涉及到多種用地類型[14]。因此要建立起科學的、實用的和有實效的土地利用規(guī)劃，必須考慮很多因素，單憑經(jīng)驗是不夠的，需要建立定量模型，利用計算機對規(guī)劃進行模擬。在規(guī)劃過程中，要在認真分析各部門、各行業(yè)用地現(xiàn)狀的基礎上，結(jié)合經(jīng)濟發(fā)展目標，采取科學方法和現(xiàn)代化手段，以保證在當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展過程中各行業(yè)用地的協(xié)調(diào)。定量模型求解時，要在考慮各行各業(yè)的用地現(xiàn)狀、要求、目標、政策以及對未來預測的基礎上，擬訂多種約束條件使目標函數(shù)達到最大或最小，并求出在目標函數(shù)達到極值時的各類用地的規(guī)模，即土地利用總體規(guī)劃中的最優(yōu)土地利用結(jié)構(gòu)。鑒于目前定量方法還不夠成熟，在總體規(guī)劃中以定量方法為主，規(guī)劃的最終確定要由定性方法協(xié)助，以防規(guī)劃結(jié)果脫離實際。這樣對提高土地利用效益，促進土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化，保證土地資源配置的可持續(xù)發(fā)展都具有重要意義。

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Research on Quantificational Methods in Comprehensive Land Use Planning

ZHANG Xi-wang1,LIU Jian-feng2,QIN Fen1

(1.The College of Environment and Planning of Henan University,Kaifeng 475004,China; 2.Yellow River Conservancy Technical Institute, Kaifeng, Henan 475001,China)

In light of the basic situation of using quantitative methods at home and abroad, as well as the problems in China’s planning, the paper introduces the basic steps of quantitative and qualitative methods, and the created process of quantitative model;and some examples are also given so as to provide reference for the implementation of overall plan.

land use; overall plan; quantitative model; model design; structural optimization

F301.23

C

1672-6995(2010)10-0037-03

2010-06-25

河南省哲學社會科學規(guī)劃項目—河南農(nóng)村土地使用權(quán)流轉(zhuǎn)的有效機制和法制對策研究（2008BFX002）；河南省社會科學基金（2003FSH006）；河南省科技廳攻關項目（O323013100）

張喜旺（1979—），男，河南省輝縣市人，河南大學環(huán)境與規(guī)劃學院副教授，理學博士，主要研究方向為GIS應用與生態(tài)環(huán)境遙感等。