基于系统动力学的土地利用变化研究——以池州市为例

张长勤，徐小琪，吴 坚

1.安徽农业大学 理学院，合肥 230036 2.安徽农业大学 信息与计算机学院，合肥 230036；3.安徽农业大学 经济技术学院，合肥 230036

土地是一种自然的产物，它不以人的意志而产生，具有数量有限性、质量差异性、空间区位性、利用可持续性和自然与社会两重属性的特点[1]。自然供给数量是固定的、无弹性的。技术的进步以及额外劳动与资本的投入，可使具有弹性的经济土地供应得以增加，但由于收益递减规律的制约影响，致使经济土地供给的增量是有限的[2-3]。在现实中，相对于其他资源而言，土地是一种稀缺资源，更是一种供不应求的短缺资源。土地是先于人类产生而自然存在的物质，土地利用随着人类的出现而产生，也是人类从自然界中分离出来之后，最先接触到的客观对象。土地一经产生，就通过人类自身繁衍生产以及物质资料的生产，与人类之间发生关联，于是便开始了人与土地辩证发展的新阶段。土地利用规划作为人类社会经济活动，伴随着人类的土地利用活动而产生发展。它是基于获得最佳的土地利用综合效益为目标，以土地资源的合理分配和布局为核心，在对规划区域内土地资源的合理利用的基础上，进行了预先安排和部署[4-5]。在人类社会实践中，土地利用总体规划，不断探索前进的道路，积累了很多宝贵的经验和教训。

将系统动力学方法引入安徽省池州市用地规划，这是一次全新的尝试。本文所研制的系统动力学模型，描述了用地规划系统与整个城市社会经济大系统的内在联系，从而可以对用地规划做出定性和定量的分析，以求得城市土地合理有效地开发和使用，并创造出尽可能大的综合效益。

通过人机对话方式，改变模型的有关政策参数，反复模拟，就可以形成不同的用地规划方案[6]。进而对用地规划的各种不同发展战略和政策进行分析，帮助有关部门研究策略效果，制定相关政策，同时通过对方案在社会、经济和用地类型三方面综合效益的比较，可以帮助规划部门制定出较优的规划方案，也可对现有规划随时进行修订和完善，以适应城市社会经济的发展变化，从而大大提高了规划的科学性、合理性和可靠性。

1 模型构思与建模步骤

1.1 确定系统目标和建模目的

建立用地规划系统动力学模型的目的，在于通过对用地结构、各项用地比例、用地投资构成及系统的复杂行为的动态模拟，根据计算机运算后得到的一系列模拟结果和各种变量数据，分析用地构成与用地结构的关系，从而帮助我们了解，跟踪模型反映的用地规划系统的时域行为，观察掌握用地系统行为的动态趋势和客观规律。由此，可以使我们对国民经济发展，人民生活水平提高所带来的对用地构成的需求，产生量化了的理性认识，在一定程度上解决目前普遍存在的规划与实际脱节的问题，通过仿真模拟，验证用地规划方案实现的可能性，以及要实现规划方案，系统中各要素应做哪些调整及其动态变化趋势；同时可为有关部门制定或修改用地规划方案提供数据依据；也可为决策部门制定建设方案，研究用地的合理组织，用地结构的调整以及制定建设投资政策、土地开发政策等决策问题，提供一定的信息和定量化的参考。

1.2 选择指标体系，建立变量集

确定指标体系，建立变量集要围绕着系统的目的进行，并能够通过抽选变量来表征系统的主要待征[7]。根据前面所确定的建立用地规划模型的目标，通过反复分析研究、咨询和论证，确定了涉及社会、经济、用地类型的指标体系和变量集。

(1)社会系统方面主要包括以下变量：总人口、自然增长人口、机械增长人口、农业人口、非农业人口等。

(2)经济系统包括的变量主要有GDP、GDP增量和全年固定投资等。

(3)用地类型主要包括耕地、林地、建设用地、草地、水利设施用地(水域)、未利用地、城市用地、交通运输用地、其他农用地等。

2 系统分析

2.1 确定系统边界

系统的边界是一个想象的轮廓，把建模目的所考虑的内容圈入，而与其他部分隔开，在边界内部凡涉及与所研究的动态问题有重要关系的概念与变量均应考虑进模型。

因为本文所建模型是用来描述用地系统的，而且用地规划的优劣应以城市社会、经济、环境综合效益来衡量。因此将与用地规划有关的社会、经济和用地类型等因素作为内生变量，放在系统的边界之内，而将人为的政策因素、参数和常数用为外生变量，放在系统的边界之外。

2.2 因果关系分析和因果关系图

因果关系普遍存在于各种系统中，因果关系分析是一种有效的思维方式，适用于对某一特定事物或局部联系进行剖析。这种分析方法同时也是整体研究的基础[8]。对于系统动力学而言，通过因果关系分析，以确定系统反馈框架结构，对系统内部结构给出直观描述说明。

根据用地规划模型的模拟功能以及各子系统之间的相互关系，在拟定指标体系和变量集的基础上，通过反复研究、修改、并征求城建、规划部门的专家意见，最后确定了池州市的模型总体因果关系图，如图1所示：

图1 池州市土地利用系统动力学模型因果关系图

3 系统流图

在对因果关系图加以充实的基础之上，使其更加的详细化、具体化，再根据每个变量的性质，用状态变量、速率变量、辅助变量、表变量、参数以及信息流、物质流等专用符号描绘出系统的结构图，可得安徽省池州市土地利用的系统动力学模型如下图2所示。

图2 池州市土地利用结构系统流图

代表符Code变量Variable代表符Code变量Variable代表符Code总人口POP人均城镇交通用地RJCJY社会总产值SHZ自然增长人口ZZPOP城镇交通用地CJY固定资产投资GDZ人口出生率人口死亡率非农业人口农业人口机械增长人口机械人口迁入率机械人口迁出率BRATEDRATEUAPOPAPOPJXPOPJXQRJXQC城镇交通用地增长率人均工矿用地工矿用地工矿用地增长率人均城镇用地城镇用地城镇用地增长率人均农村交通用地农村交通用地农村交通用地增长率 人均农居点用地农居点用地农居点用地增长率人均水利用地水利用地非农业用地CJZZLRJGYGYGYZZLRJCYCYCYZZLRJNJYNJYNJZZLRJNJDNJDNJDZZLRJSYSYFNYD国民收入粮食需求粮地粮地增长率林地林地增长率林地减少率耕地耕地增长率耕地减少率后备耕地后备耕地转化率未利用地未利用地减少率交通用地水利用地水利用地增长率GMSRLSXQLSDLSDZZLLDLDZZLLDJSLGDGDZZLGDJSLHBGDHBZHLWLYDWLJSLJTYDSLYDSLZZL

在图2中，为各个变量均构造了方程式，建立方程的过程就是把模型结构“翻译”成数学方程式的过程，即把非正规的、概念的构思转换成正式的、定量的数学表达式。方程建立的目的，在于模型能在计算机上进行分析模拟。应用系统动力学专用语言DYNAMO编写程序，就可在计算机上通过人机对话的方式，模拟系统的动态变化过程。

4 池州市土地利用SD模型真实性检验

根据池州市已有的2002～2011年土地利用结构的资料，对模型进行调试，同时可以验证模型的可靠性。以2002年为基本现状年，取步长为1年，模拟结果如下表2所示：

表2 2004年、2011年池州市土地利用历史数据及模拟数据对比分析 (单位：公顷)

由表2中历史数据与模拟数据的对比可以得到，池州市2004年、2011年的历史数据和模拟数据的相对误差小于2%占所有参数的83.33%，相对误差小于5%的达到全部参数的100%。这说明土地利用系统动力学模型的模拟结果是比较可靠的，同时也体现出系统仿真模型比较其他数学方法而言的优越性。因此，据此可以对池州市2015与2020年土地利用情况进行仿真模拟。

5 模型仿真与结果分析

在充分综合考虑池州市的经济社会情况后，结合《安徽省土地利用总体规划(1997一2010年)》、《安徽省土地利用总体规划(2006一2020年)》中对池州市未来发展规模和前景的预期，通过对研究区土地利用系统有着非常重要影响的控制参数的组合和调整，再通过对土地利用系统动力学模型进行多次动态模拟仿真，可以得到不同参数组合下的响应结果。本研究结合总体规划对池州市土地利用的要求，对GDP增长率、人口增长率和粮食单产三个变量分别取不同的值用来代表不同的社会经济条件和政策水平，从而设计出三种典型的代表池州市未来土地利用方向与特点而且具有一定可行性的方案，即(一)自然发展模式；(二)经济加速增长模式；(三)协调发展模式。

模型中以池州市2002年的数据为每个状态变量的初始值。对于以上三个不同的方案，在模型中输入每个变量的初始值以及各控制变量在三种方案中所取的不同的值，据此可以得到具体的仿真模拟结果(表3)。对比分析三种不同方案下的模拟结果，可以看出在各种不同因素的综合作用下，土地利用变化与社会经济之间的演替规律及供需矛盾。

表3 池州市土地利用SD模型仿真结果单位：公顷

5.1 自然发展模式

自然发展模式下的土地利用类型变化重点表现在建设用地增长速度较小，增加量在预测时段内小于协调发展模式。从土地利用系统主要变量的发展变化趋势来看，不难发现到2030年虽然说在一定程度上实现了经济的增长，但增长速度却相对缓慢，经济总量明显小于模式二和模式三经济社会条件下的经济总量，与此同时自然资源的消耗也比较大，而资源利用的效益相对较低，这相对其他两种方案而言是一种低投入、高消耗、高耕地占用、低效益的发展模式。如果按照此方案继续发展下去，耕地会逐渐减少，土地单位面积的产出也几乎维持现有水平而不改变，在2030年以前很难达到科学营养型生活水平。从长远角度和可持续发展的观点来看，该方案并不能实现研究区域土地和研究区的可持续发展。

5.2 经济加速增长模式

在经济加速增长发展模式下，土地类型变化重点表现在城镇用地、独立工矿用地等建设用地面积的大量增加以及耕地的快速减少，尽管林地面积也有所增长，但增长的幅度却十分有限。由于经济的快速增长，加上土地投入量的加大，与此同时对农业投资也有所增加，致使粮食单产较现有水平有所提高。在该模式中，经济发展速度是最快的。由于经济过于快速的增长，耕地非农化的速率也明显加快，这也导致了人地矛盾日益尖锐和粮食安全问题日益突出。

模式二是以追求经济的快速发展为最终目标，虽然经济暂时是取得了高速增长，但这却是以自然资源的大量消耗为代价，这种发展模式的所带来的后果也远远高于模式一与模式三。实际上，这是一种传统的、粗放的经济发展模式下的“高投入、高产出、高风险、高报复性”的发展模式，与池州市社会经济可持续发展和土地可持续发展的理念和目标是相悖的，同时这也是不可取的。

5.3 协调发展模式

在协调发展模式下，各种类型土地的面积随时间的增长大部分在原有的基础上发生一定的增加和减少，但相对而言总体的发展态势较为平缓。在这种发展模式中，适当的控制人口总数的增加，并减少交通用地、工矿用地、居民点用地等各种其他类型的建设用地对耕地的占用，同时适当的减缓经济发展的速度，并加大农业投资的力度，完善农业基础设施的建设，改造中低产农田，提高粮食单产，致使在耕地面积有所减少的大背景下，粮食产量却依旧可以得到提高。

发展模式三既充分考虑到研究区域经济的协调发展，同时还考虑到了自然资源的合理分配和利用；既保证了经济发展的目标和速度，又解决了经济社会快速发展进程中所带来的粮食、耕地压力等问题，将各项指标都纳入在合理的范围之内，在某种程度上来说，可以适当地缓解经济社会发展过程中所伴随而来的各种社会问题和土地问题，为自然资源的持续利用打下了基础。

在本研究中不难发现，伴随经济的快速发展，有限的自然资源的供给量也在逐渐减少。在以大量消耗自然资源促进经济快速发展的模式中，由于自然资源供给量的逐步减少，经济增长量无疑也会随之逐步减小。所以说，在自然资源有限的前提下，要想促进研究区域经济社会和土地利用的可持续发展就必须优先提高自然资源的利用效率，发展高效益、低消耗、集约型的产业经济。

6 讨论

用地规划模型为用地布局、各项投资的分配比例以及与用地有关的其它社会、经济、用地类型和用地投资等因素的动态规划提供了一个有效的实验方法和场所。可对现有规划实现的可能性进行分析验证；也可供有关部门根据不同策略的改变，进行多方案模拟，从而寻求达到较优综合效益的切实可行的用地规划方案。

系统动力学其中一个比较优越的特点是通过对模型中参数的调整直接影响模型的输出结果,其中参数的选取可以通过定性和定量相结合等其他多种方式获得。研究表明,池州市土地利用系统动力学模型可以根据近几十年内的政策导向、社会因素、经济因素、人口因素和行业发展的变化，模拟出不同情形下土地利用仿真结果,生成土地利用规划的优化方案。

当然，研究工作还仅仅是初步的，模型在众多方面还需要进一步完善。希望这项研究能对用地规划，乃至城市规划方法改革及规划手段的更新，起到一定的推动作用。

[1] 摆万奇，赵士洞.土地利用变化驱动力系统分析[J].资源科学，2011,23 (3): 39-41

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[6]王其藩.系统动力学[M].北京：清华大学出版社，1989

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