基于逐步寬容約束法的廣州花都區(qū)土地利用優(yōu)化配置研究*

陳梅英,劉毅華,董玉祥,鄭榮寶

(1.中山大學地理科學與規(guī)劃學院,廣東 廣州 510275；2.廣州大學地理科學學院,廣東 廣州 510405；3.廣東工業(yè)大學管理學院,廣東 廣州510520)

土地利用空間結構優(yōu)化配置是土地利用規(guī)劃的重要內容,也是土地利用規(guī)劃編制的一個難點。加強土地利用結構的優(yōu)化配置,既可實現(xiàn)土地供需平衡,又能在土地利用效率最大化的約束下實現(xiàn)最佳土地利用決策方案,對促進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踐價值[1-2]。

如何按客觀規(guī)律的要求進行合理的土地利用結構配置,這其中包括社會、生態(tài)、技術與經(jīng)濟等方面的問題,需要綜合處理各種因子的協(xié)調關系,使其組成一個達到最優(yōu)水平的完整體系,各用地部門的用地數(shù)量和比例結合成統(tǒng)一結構,必須求助于系統(tǒng)優(yōu)化的方法[3]。其中,多目標規(guī)劃的概念自1961年由美國數(shù)學家查爾斯和庫柏首先提出后,相關的研究已經(jīng)深入進行[4-10]。然而,越來越多的實踐證明,簡單的以數(shù)學模型為主要實現(xiàn)手段的定量分析過程無法滿足土地利用規(guī)劃的實際需求[11-15]。依靠多目標線性規(guī)劃模型,將定性分析與定量模型相結合形成符合現(xiàn)實情況的約束條件,以此實現(xiàn)土地利用結構優(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),土地利用以農用地和建設用地為主,二調數(shù)據(jù)表明農用地為59 027 hm2,建設用地為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)濟發(fā)展較快,成為廣州市經(jīng)濟增長的重要區(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)劃綱要中下達給花都區(qū)的建設用地規(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)社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展,對其土地利用結果進行科學、合理的優(yōu)化對當?shù)厣鐣?jīng)濟發(fā)展具有十分重要的意義。

本文擬采用多目標線性規(guī)劃中逐步寬容約束(GECM)方法,對花都區(qū)土地利用結構的調整進行定性、定量分析,并結合花都區(qū)的實際發(fā)展規(guī)劃,綜合考慮社會、經(jīng)濟、生態(tài)等因素,提出土地結構優(yōu)化調整方案,以實現(xiàn)土地資源科學、合理、高效利用和土地生態(tài)系統(tǒng)的相對平衡,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 多目標逐步寬容約束法模型原理

對于一個復雜的多目標最優(yōu)化問題,要根據(jù)它的特點構造出一個恰當?shù)脑u價函數(shù)表達式是相當困難的。因此,以分析者的求解和決策者的決策相結合的求解過程,采用分析階段反復交替進行的求解多目標最優(yōu)化問題的方法,屬于解多目標最優(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個階段：在分析階段,分析者按理想點法對模型求解,把得到的解所對應的一組參考目標值和理想目標值基礎上的,最優(yōu)滿意的目標給出使其目標值做出讓步的寬容量,以換取不滿意目標的改善,再把這些信息提供給分析者以及需求解。如此反復,逐步以滿意目標的寬容讓步換取不滿意目標的改善,最后求得決策者對該目標均滿意的解[23]。

1.2 模型計算步驟

逐步寬容約束法的計算步驟：

第2步：列出目標列表。計算m2個目標值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：計算權系數(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項權系數(shù)。求解上述極大值的輔助問題,設得到最優(yōu)解(xT，λ)T,由極大模理想點法可知,當wi≥0(1，…，m)時,為目標函數(shù)的若有效解。

上述分析階段和決策階段的交替進行,直至逐步完成寬容約束的求解。

1.3 基于多目標逐步寬容約束法下的土地利用結構優(yōu)化模型建立

土地利用結構優(yōu)化的目標最終是要通過土地利用的經(jīng)濟效益、社會效益和生態(tài)效益3個方面來綜合體現(xiàn)的,即通過各種土地類型的合理組合,力爭所有目標達到一種最優(yōu)化的綜合效益[24-25]。

土地的經(jīng)濟效益,要求各種類型地類的產(chǎn)出量達到最大化,也是土地利用結構優(yōu)化的主要目標。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)濟生態(tài)效益的同時,注重社會效益是十分必要的。

1.3.1 目標要求 把花都區(qū)土地利用經(jīng)濟效益確定為系統(tǒng)的首要目標,生態(tài)效益、社會效益等作為系統(tǒng)約束,根據(jù)土地利用分類標準選擇16個二級地類(水田x1、旱地x2、菜地x3、園地x4、林地x5、牧草地x6、其他農用地x7、城鎮(zhèn)用地x8、農村居民點x9、獨立工礦x10、特殊用地x11、交通運輸用地x12、水利建設用地x13、荒草地x14、難以利用土地x15、水域x16)為基礎,根據(jù)專家打分法確定各地類社會效益、經(jīng)濟效益和生態(tài)效益的貢獻率作為其權重,并以權重作為其目標函數(shù)的系數(shù),得出花都區(qū)土地利用優(yōu)化配置目標函數(shù)表(表1)。

表1 花都區(qū)土地利用優(yōu)化配置目標函數(shù)表

1.3.2 約束條件 從建設生態(tài)城市的角度,以尋求城市擴張與資源保護為出發(fā)點,根據(jù)土地利用系統(tǒng)特點,按照規(guī)劃區(qū)域內的地域分異規(guī)律,設置涉及土地面積、土地利用結構、宏觀計劃、資源及技術約束等8個方面的GECM約束條件。

2) 宜耕地面積約束xi≤YNL,根據(jù)花都區(qū)耕地適宜性評價結果,最大宜耕地面積為45 126 hm2,YNL<45 126 hm2；

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

2 結果與分析

以2008年花都區(qū)二調數(shù)據(jù)為基礎年份,考慮其實際的需要,計算結果將建設用地不作細分,選擇了耕地、園地、林地、牧草地、其他農用地、建設用地、未利用地等7個地類。規(guī)劃各類土地總面積為96 780 hm2,規(guī)劃調整年限為2008-2020年。

將數(shù)據(jù)導入DPS中并編輯公式進行運算,DPS允許用戶采用自然的數(shù)學語言描述方式來求解線性規(guī)劃問題。首先定義目標函數(shù),在目標函數(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)會提示用戶給出需寬容的目標函數(shù)的序號及其該目標函數(shù)的寬容值,以便繼續(xù)分析,分析完成,如果求解成功,這時給出結果,并給出其目標函數(shù)值。輸出結果見表2,從中可看出花都區(qū)土地利用結構的最優(yōu)解,將優(yōu)化后的土地利用結構和現(xiàn)狀土地利用結構作一比較,結果見表2。

從表2可以看出,優(yōu)化配置后的2020年土地利用結構與2008年變化不大,耕地、園地、其它農用地、未利用地分別為15 760、7 916、11 191、1 495 hm2,與2008年二調數(shù)相比,變化率分別為4.92%、-2.68%、-2.40%、-0.75%。林地、建設用地分別為31 008、28 800 hm2,與2008年現(xiàn)狀相比,增加了-4.68%、5.89%。研究結果表明2008年花都區(qū)建設用地規(guī)模已經(jīng)快達到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,耕地保護壓力較大,未來預留發(fā)展用地不足的矛盾將日益突出。

表2 花都區(qū)土地利用結構現(xiàn)狀和優(yōu)化比較

從實際看,2008年花都區(qū)人均建設用地達321 m2,已經(jīng)遠遠超過了合理范圍值,未來花都區(qū)土地利用的戰(zhàn)略重點需要從外延型擴展向內部消化轉變,在保持當前用地規(guī)模情況下已經(jīng)可滿足社會經(jīng)濟發(fā)展的需要。這就需要對花都區(qū)土地利用空間結構進行優(yōu)化和協(xié)調,以提高土地利用技術水平,優(yōu)化配置土地資源與空間資源,合理保護耕地資源,促進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)濟效益與生態(tài)環(huán)境效益為目標的花都區(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、資源和技術的條件下,對原有土地利用結構進行適當調整,既符合當?shù)亟?jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展,也可滿足各項生產(chǎn)對土地的需求,計算結果可為花都區(qū)新一輪土地利用總體規(guī)劃提供參考。

3 結 論

1)本文以多目標線性規(guī)劃中的逐步寬容約束(GECM)法為核心建立模型,并將其應用到廣州市花都區(qū)土地利用規(guī)劃的案例研究中。在對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合的方式進行分析,從而保證了模型的實用性和可靠性。同時,GECM模型協(xié)調處理了各區(qū)域、部門和組織之間的目標沖突,從而實現(xiàn)了土地利用空間格局的合理配置。因此,應用GECM模型來確定土地利用結構將可能成為未來土地利用規(guī)劃領域的有效方法。

2)采用構建逐步寬容約束(GECM)可以很好的對土地利用結構優(yōu)化配置進行研究,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,增強了土地管理工作者在數(shù)據(jù)和空間上對土地利用結構優(yōu)化的靈活控制。該方法客觀性強,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,容易實現(xiàn)。

3)本文采用逐步寬容約束(GECM)對花都區(qū)土地利用結構優(yōu)化配置進行了有益的嘗試,通過土地利用結構方案與基期(2008年)實際相比較,認為當前花都區(qū)的土地利用現(xiàn)狀已經(jīng)快要達到2020年建設用地的規(guī)模,走內部挖潛道路將成為花都區(qū)土地利用的必然趨勢。

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