基于線性優(yōu)化模型的土地利用結構優(yōu)化研究
——以六安市為例

許小亮，歐名豪（1.南京農業(yè)大學土地管理學院，南京210095；2.合肥農夢土地規(guī)劃有限公司規(guī)劃設計部230000）

基于線性優(yōu)化模型的土地利用結構優(yōu)化研究
——以六安市為例

許小亮1，2，歐名豪1*
（1.南京農業(yè)大學土地管理學院，南京210095；2.合肥農夢土地規(guī)劃有限公司規(guī)劃設計部230000）

線性優(yōu)化模型方法是一種在具有確定目標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，是應用于土地利用結構優(yōu)化的方法。本研究以六安市為例，通過運用線性優(yōu)化模型分析六安市2014年土地利用現(xiàn)狀和2015-2020年期間社會經濟發(fā)展趨勢，并且對主要的社會經濟指標作了預測，在此基礎上提出了優(yōu)化的土地利用結構是六安市2015-2020年土地利用戰(zhàn)略與目標的直接表達。研究結果表明，2020年優(yōu)化的土地利用結構中，農村居民點用地有較大減少，因此可以預見，“十三五”期間，六安市國土資源管理重點是推進農村居民點整治，釋放潛力，以補充耕地面積及為城鎮(zhèn)擴張置換指標；并且有計劃的科學指導農業(yè)產業(yè)結構調整，增加園地與林地面積。

線性優(yōu)化模型；土地利用結構；優(yōu)化；六安市

1　引言

隨著經濟和社會的不斷發(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、三要生態(tài)與土地資源總量有限之間的關系始終是一對不可避免的矛盾。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、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、社會經濟的快速發(fā)展和人類生態(tài)保護意識的增強，人類需求對土地資源產生的壓力越來越大，前者矛盾不可調和。因此，學界關注更多地是實現(xiàn)土地利用方式和土地利用結構優(yōu)化。根據系統(tǒng)論觀點，結構決定功能，而功能是結構的外在體現(xiàn)，于是通過土地利用結構優(yōu)化可提高土地利用效益及功能，因此土地利用結構優(yōu)化一直是土地管理領域研究的重點［1，2］。土地利用結構優(yōu)化是通過合理的數(shù)量安排和空間布局實現(xiàn)土地資源的可持續(xù)利用［3］。筆者認為，土地利用結構優(yōu)化的總體目標是以促進土地可持續(xù)利用為總體目標，綜合考慮資源環(huán)境狀況和經濟社會發(fā)展需求，深入研究農用地、建設用地和生態(tài)用地及耕地、城鄉(xiāng)建設用地、基礎設施用地等主要用地類型規(guī)模與比例關系，統(tǒng)籌安排各類生產、生活、生態(tài)用地，協(xié)調各業(yè)用地矛盾，最終實現(xiàn)土地利用結構合理。

自20世紀90年代以來，結構優(yōu)化成了我國土地利用規(guī)劃的核心內容［4］。土地利用總體規(guī)劃編制中土地利用結構優(yōu)化時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，缺乏對土地利用系統(tǒng)分析和優(yōu)化。模型法是通過建立數(shù)學模型，進行定量計算，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)劃的科學性。線性優(yōu)化模型方法是一種在具有確定目標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雜系統(tǒng)常用的一種最優(yōu)化方法，廣泛用于土地利用結構的數(shù)量優(yōu)化上。該模型方法具有建模簡單、目標明確、算法穩(wěn)定、易于實現(xiàn)等優(yōu)點，在土地利用宏觀數(shù)量方面有著較大的優(yōu)勢［6］。

2　土地利用現(xiàn)狀

根據六安市土地利用變更調查數(shù)據，至2014年底，全市土地總面積為1839916.91公頃。其中：農用地面積為1519979.66公頃，占土地總面積的82.61％；建設用地面積為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％，詳細數(shù)據如表1所示。

3　主要規(guī)劃控制指標

本研究用一般線性優(yōu)化模型對2020年六安市土地利用結構進行優(yōu)化，但是優(yōu)化工作必須基于一定前提。首先優(yōu)化的土地利用結構必須體現(xiàn)規(guī)劃控制指標的約束，在現(xiàn)行土地利用規(guī)劃中，有控制性指標與約束性指標，控制性指標是指必須達到的指標，主要包括耕地保有量、基本農田數(shù)量、城鄉(xiāng)建設用地總量、新增建設用地占用耕地數(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)據不是二調數(shù)據，可目前國土資源管理已完全應用二調數(shù)據，因此，現(xiàn)行規(guī)劃的一些控制性指標已不再具有現(xiàn)實指導意義，比如城鄉(xiāng)建設用地總量2014年六安市是172278.49公頃，而規(guī)劃要求2020指標是142975.12公頃，現(xiàn)狀已遠超過控制指標，出現(xiàn)“倒掛”現(xiàn)象。當然這是由于基期數(shù)據的原因。這里我們堅持的2020年指標有：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年土地利用結構表

4　優(yōu)化目標確定

六安市目標年土地利用結構優(yōu)化標準是實現(xiàn)經濟利益與生態(tài)利益最大化，而把土地利用社會利益耦合至約束條件中。土地利用類型經濟利益表示方面，耕地經濟利益與園地經濟利益用種植業(yè)產值減桑茶果產值表示；林地經濟利益用林業(yè)產值表示；牧草地經濟利益以畜牧產值表示；農村居民點經濟利益以農村工業(yè)增加值表示；城鎮(zhèn)工礦用地與交通水利用地經濟利益以二三產業(yè)產值減去農村居民點與其它建設用地經濟產值表示；灘涂沼澤與未利用土地幾乎未有經濟利益，且現(xiàn)有統(tǒng)計數(shù)據亦無法核算，因此對其經濟利益忽略不計。于是經濟目標可用下式表示：

式中，xi是土地利用類型i的面積，ci是i用地類型經濟利益期望值。

土地利用生態(tài)利益用其生態(tài)服務價值表征，生態(tài)服務價值是生態(tài)經濟學家把生態(tài)服務劃分為應用價值、內在價值、選擇價值，且以直接市場法、市場替代法評價之，以此把生態(tài)服務納入市場，以市場方式保護生態(tài)環(huán)境或為生態(tài)補償提供參考。其中耕地生態(tài)利益用農田生態(tài)服務價值表示；牧草地與林地生態(tài)利益分別用草地與森林生態(tài)服務價值表示。因為園地綠當量介于普通農田與森林之間，于是把農田與森林平均生態(tài)利益作為園地生態(tài)利益水平，上述生態(tài)服務價值已扣除食物生產一項的價值。同樣其它農用地生態(tài)利益以耕地、園地、草地與林地平均值表示；對居民點與工礦用地、交通水利用地，因農村面源污染、城鎮(zhèn)大氣污染之影響，其生態(tài)價值是負。

式中，xi是土地利用類型i的面積，ei是i用地類型經濟利益期望值。

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耕地保護約束，即糧食安全約束，其體現(xiàn)社會價值，是用上級規(guī)劃下達的耕地保有量表示，其不一定能保證本區(qū)域糧食安全，而卻擔當相應國家糧食安全責任，要素相互交流背景下，這相當于已保障區(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，這里用其它建設用地占城鎮(zhèn)土地面積表示：

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

5.4開發(fā)強度約束，全國主體功能區(qū)劃要求于資源環(huán)境承載角度優(yōu)化空間結構，控制空間開發(fā)強度，建設用地比重持續(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，同時城鎮(zhèn)面積過大，超環(huán)境容納能力，則會因熱島效應阻礙大氣流動而產生嚴重生態(tài)環(huán)境問題，開發(fā)強度用建設用地占土地面積比重表示：

式中B是六安市土地開發(fā)強度上限，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)強度。

5.5經濟發(fā)展約束，經濟發(fā)展需一定建設用地作為資本附載體，因此應有一定建設用地保障經濟持續(xù)發(fā)展，城鎮(zhèn)用地過度集約亦不利于發(fā)展，對社會生活產生不利影響，因此對未來經濟數(shù)量，則至少：

式中l(wèi)1、l2是發(fā)達地區(qū)土地利用水平，Q是目標年2020年經濟數(shù)量，即基于未來經濟數(shù)量與發(fā)達地區(qū)土地利用程度而確定區(qū)域最小建設用地面積。

5.6人口數(shù)量約束，人類社會需土地提供居住場所，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)劃建設用地標準（GBJ137）》中最小的60m2/人為據（建設部，1991），是農村最小人均居住面積，以村鎮(zhèn)規(guī)劃標準中100m2/人為準（建設部，2007），這樣分別保證農村與城鎮(zhèn)人口基本居住需求。

上述已制定不同類型建設用地下限約束，而同時社會經濟發(fā)展中土地利用至少應遵循集約節(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)用地與人均居民點用地，l3表示允許的最小地均產出水平，以國內發(fā)展水平最高城市的地均產出水平為準，m3以1991年《城市用地分類與規(guī)劃建設用地標準》中最高的140m2/人為準，m4以2007年《村鎮(zhèn)規(guī)劃標準》中最高之150m2/人為準，這樣就保證了經優(yōu)化的土地利用結構達集約節(jié)約利用要求。

5.7宏觀計劃約束，不僅保護一定數(shù)量耕地，亦應保有相當數(shù)量其余農用地，一是為人們提供茶果與農副產品，提高生活水平，其次是作為農業(yè)結構調整余地，有利于耕地保護與減少農產品市場風險，據國民經濟農業(yè)發(fā)展規(guī)劃而確定目標年大農業(yè)用地面積：

式中G是根據農業(yè)發(fā)展規(guī)劃確定的目標年大農用地面積。

5.8土地供應能力約束，未利用土地經濟利益與生態(tài)利益不高，模型中不加約束，則根據利益驅動理論，未利用土地會全部變?yōu)槠渌孑^高用地，這在現(xiàn)實中不出現(xiàn)是因開發(fā)整理該些未利用土地需大量成本，現(xiàn)有經濟技術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是據目標年經濟技術能力與土地供需水平而確定的未利用土地面積。

5.9非負約束，現(xiàn)實中土地利用類型面積是非負，即：

6　土地利用結構優(yōu)化結果

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

可看出2020年六安市土地利用優(yōu)化結構中農用地由2014年的82.61％提高到83.52％，而農用地內部變化加大，首先由于城鎮(zhèn)用地占用耕地及耕地產值的減少，即糧食種植效益減少，而園林種植利潤提高，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％。建設用地總量由216926.27公頃變?yōu)?020年的204477.4154公頃，主要是由于農村居民點用地減少引起，2020年農村居民點比2014年減少了25％左右，農村人口城鎮(zhèn)化及目前農村建設用地普遍超標，于是通過土地整治及“增減掛鉤”項目可釋放農村居民點的現(xiàn)實潛力。城鎮(zhèn)工礦用地由2014年36230.77公頃提高到2020年的55731.54公頃。由于基礎設施項目推進，在優(yōu)化的土地利用結構中，交通用地、水利用地數(shù)量也有增加。

本研究首先分析了六安市2015-2020年期間社會經濟發(fā)展趨勢，并且對主要的社會經濟指標作了預測。認為要實現(xiàn)這些發(fā)展指標，必須設定總體的發(fā)展戰(zhàn)略，而總體發(fā)展戰(zhàn)略涉及經濟、社會、區(qū)域、民生等不同方面，但最終都要落實到土地利用之上，于是在此基礎上提出了六安市2015-2020年土地利用戰(zhàn)略與目標，其中優(yōu)化的土地利用結構是土地利用目標直接表達。即該土地利用結構下六安市能取得最大經濟收益與生態(tài)收益，既可以保障經濟發(fā)展又到了各方面約束條件的要求。

表2　六安市2020年土地利用結構優(yōu)化表

圖1　六安市2014年土地利用結構與2020年土地優(yōu)化結構對比

與2014年土地利用結構相比，2020年優(yōu)化的土地利用結構中，農村居民點用地有較大減少，因此可以預見，“十三五”期間，六安市國土資源管理重點是推進農村居民點整治，釋放潛力，以補充耕地面積及為城鎮(zhèn)擴張置換指標；并且有計劃的科學指導農業(yè)產業(yè)結構調整，增加園地與林地面積。

［1］嚴金明.簡論土地利用結構優(yōu)化與模型設計［J］.中國土地科學，2002，16（4）：20-25.

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［4］吳次芳，葉艷妹.20世紀國際土地利用規(guī)劃的發(fā)展及其展望［J］.中國土地科學，2000，14（1）：15-20.

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［6］錢敏，濮勵杰，朱明，翁翎燕.土地利用結構優(yōu)化研究綜述［J］.長江流域資源與環(huán)境，第19卷第12期2010年12月，1410-1415.作者簡介：許小亮（1982-），男，安徽蕪湖人，工程師，在讀博士，從事土地資源和規(guī)劃管理研究。

（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。