基于逐步宽容约束法的广州花都区土地利用优化配置研究*

陈梅英,刘毅华,董玉祥,郑荣宝

(1.中山大学地理科学与规划学院,广东 广州 510275；2.广州大学地理科学学院,广东 广州 510405；3.广东工业大学管理学院,广东 广州510520)

土地利用空间结构优化配置是土地利用规划的重要内容,也是土地利用规划编制的一个难点。加强土地利用结构的优化配置,既可实现土地供需平衡,又能在土地利用效率最大化的约束下实现最佳土地利用决策方案,对促进我国土地资源的集约、高效和持续利用有着特殊意义和实践价值[1-2]。

如何按客观规律的要求进行合理的土地利用结构配置,这其中包括社会、生态、技术与经济等方面的问题,需要综合处理各种因子的协调关系,使其组成一个达到最优水平的完整体系,各用地部门的用地数量和比例结合成统一结构,必须求助于系统优化的方法[3]。其中,多目标规划的概念自1961年由美国数学家查尔斯和库柏首先提出后,相关的研究已经深入进行[4-10]。然而,越来越多的实践证明,简单的以数学模型为主要实现手段的定量分析过程无法满足土地利用规划的实际需求[11-15]。依靠多目标线性规划模型,将定性分析与定量模型相结合形成符合现实情况的约束条件,以此实现土地利用结构优化配置解决了传统方法无法解决的难题[16-18]。

研究区广州市花都区位于东经112°57′-113°28′,北纬23°15′-23°37′,地处广州市西北部。作为广州市的山地区,土地利用以农用地和建设用地为主,二调数据表明农用地为59 027 hm2,建设用地为23 446 hm2,未利用土地为14 431 hm2,分别占总土地面积的60.91%、24.20%、14.89%。近年来花都区经济发展较快,成为广州市经济增长的重要区域,土地利用变化也较为激烈,用地矛盾较为突出,2008-2020年广州市土地利用总体规划纲要中下达给花都区的建设用地规模是24 441 hm2,而现状已经将近突破,未来能够利用土地空间不足必将影响花都区社会经济的可持续发展,对其土地利用结果进行科学、合理的优化对当地社会经济发展具有十分重要的意义。

本文拟采用多目标线性规划中逐步宽容约束(GECM)方法,对花都区土地利用结构的调整进行定性、定量分析,并结合花都区的实际发展规划,综合考虑社会、经济、生态等因素,提出土地结构优化调整方案,以实现土地资源科学、合理、高效利用和土地生态系统的相对平衡,提高土地资源的利用效率和综合效益[19-22]。

1 研究方法

1.1 多目标逐步宽容约束法模型原理

对于一个复杂的多目标最优化问题,要根据它的特点构造出一个恰当的评价函数表达式是相当困难的。因此,以分析者的求解和决策者的决策相结合的求解过程,采用分析阶段反复交替进行的求解多目标最优化问题的方法,属于解多目标最优化问题的交互规划方法。

该方法的求解过程包括分析和决策2个阶段：在分析阶段,分析者按理想点法对模型求解,把得到的解所对应的一组参考目标值和理想目标值基础上的,最优满意的目标给出使其目标值做出让步的宽容量,以换取不满意目标的改善,再把这些信息提供给分析者以及需求解。如此反复,逐步以满意目标的宽容让步换取不满意目标的改善,最后求得决策者对该目标均满意的解[23]。

1.2 模型计算步骤

逐步宽容约束法的计算步骤：

第2步：列出目标列表。计算m2个目标值fij=fi(xj*)，i，j=1，…，m,由此,得到

第3步：给定初始约束集。令x1=x，k=1。

第4步：计算权系数w0，…，wm。

第5步：求解辅助问题,求解极大值问题

得最优解(xkt，λk)T,其中wi是第i项权系数。求解上述极大值的辅助问题,设得到最优解(xT，λ)T,由极大模理想点法可知,当wi≥0(1，…，m)时,为目标函数的若有效解。

上述分析阶段和决策阶段的交替进行,直至逐步完成宽容约束的求解。

1.3 基于多目标逐步宽容约束法下的土地利用结构优化模型建立

土地利用结构优化的目标最终是要通过土地利用的经济效益、社会效益和生态效益3个方面来综合体现的,即通过各种土地类型的合理组合,力争所有目标达到一种最优化的综合效益[24-25]。

土地的经济效益,要求各种类型地类的产出量达到最大化,也是土地利用结构优化的主要目标。土地生态效益,要求尽量减少土地利用方式变更过程中对生态环境所产生的不利影响；在充分考察土地利用带来经济生态效益的同时,注重社会效益是十分必要的。

1.3.1 目标要求 把花都区土地利用经济效益确定为系统的首要目标,生态效益、社会效益等作为系统约束,根据土地利用分类标准选择16个二级地类(水田x1、旱地x2、菜地x3、园地x4、林地x5、牧草地x6、其他农用地x7、城镇用地x8、农村居民点x9、独立工矿x10、特殊用地x11、交通运输用地x12、水利建设用地x13、荒草地x14、难以利用土地x15、水域x16)为基础,根据专家打分法确定各地类社会效益、经济效益和生态效益的贡献率作为其权重,并以权重作为其目标函数的系数,得出花都区土地利用优化配置目标函数表(表1)。

表1 花都区土地利用优化配置目标函数表

1.3.2 约束条件 从建设生态城市的角度,以寻求城市扩张与资源保护为出发点,根据土地利用系统特点,按照规划区域内的地域分异规律,设置涉及土地面积、土地利用结构、宏观计划、资源及技术约束等8个方面的GECM约束条件。

2) 宜耕地面积约束xi≤YNL,根据花都区耕地适宜性评价结果,最大宜耕地面积为45 126 hm2,YNL<45 126 hm2；

8) 数学模型约束xi≥0，i=1，…，16,其中i=1,2,3,…,n表示共16种地类。

2 结果与分析

以2008年花都区二调数据为基础年份,考虑其实际的需要,计算结果将建设用地不作细分,选择了耕地、园地、林地、牧草地、其他农用地、建设用地、未利用地等7个地类。规划各类土地总面积为96 780 hm2,规划调整年限为2008-2020年。

将数据导入DPS中并编辑公式进行运算,DPS允许用户采用自然的数学语言描述方式来求解线性规划问题。首先定义目标函数,在目标函数前加上“最小”或“min”,然后再定义约束条件,并把它们定义成公式块,如果该函数无界或不存在有限值的最优解,系统会提示用户给出需宽容的目标函数的序号及其该目标函数的宽容值,以便继续分析,分析完成,如果求解成功,这时给出结果,并给出其目标函数值。输出结果见表2,从中可看出花都区土地利用结构的最优解,将优化后的土地利用结构和现状土地利用结构作一比较,结果见表2。

从表2可以看出,优化配置后的2020年土地利用结构与2008年变化不大,耕地、园地、其它农用地、未利用地分别为15 760、7 916、11 191、1 495 hm2,与2008年二调数相比,变化率分别为4.92%、-2.68%、-2.40%、-0.75%。林地、建设用地分别为31 008、28 800 hm2,与2008年现状相比,增加了-4.68%、5.89%。研究结果表明2008年花都区建设用地规模已经快达到2020年的合理用地规模,且需要保证耕地面积要求耕地面积增加4 761 hm2,耕地保护压力较大,未来预留发展用地不足的矛盾将日益突出。

表2 花都区土地利用结构现状和优化比较

从实际看,2008年花都区人均建设用地达321 m2,已经远远超过了合理范围值,未来花都区土地利用的战略重点需要从外延型扩展向内部消化转变,在保持当前用地规模情况下已经可满足社会经济发展的需要。这就需要对花都区土地利用空间结构进行优化和协调,以提高土地利用技术水平,优化配置土地资源与空间资源,合理保护耕地资源,促进土地使用向集约化和高效化发展。

通过以上分析可得出,以经济效益与生态环境效益为目标的花都区土地利用优化配置,可以在充分考虑土地面积、环境、人口、资源和技术的条件下,对原有土地利用结构进行适当调整,既符合当地经济的可持续发展,也可满足各项生产对土地的需求,计算结果可为花都区新一轮土地利用总体规划提供参考。

3 结 论

1)本文以多目标线性规划中的逐步宽容约束(GECM)法为核心建立模型,并将其应用到广州市花都区土地利用规划的案例研究中。在对GECM模型的建立、求解和论证过程中采用分析者求解和决策者抉择相结合的方式进行分析,从而保证了模型的实用性和可靠性。同时,GECM模型协调处理了各区域、部门和组织之间的目标冲突,从而实现了土地利用空间格局的合理配置。因此,应用GECM模型来确定土地利用结构将可能成为未来土地利用规划领域的有效方法。

2)采用构建逐步宽容约束(GECM)可以很好的对土地利用结构优化配置进行研究,通过得出的最优解为决策者提供最佳选择,并可以控制约束条件获得不同的优化方案,增强了土地管理工作者在数据和空间上对土地利用结构优化的灵活控制。该方法客观性强,可以不受规划师主观性的影响和限制,且灵活性高,操作简便,容易实现。

3)本文采用逐步宽容约束(GECM)对花都区土地利用结构优化配置进行了有益的尝试,通过土地利用结构方案与基期(2008年)实际相比较,认为当前花都区的土地利用现状已经快要达到2020年建设用地的规模,走内部挖潜道路将成为花都区土地利用的必然趋势。

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