基于线性优化模型的土地利用结构优化研究——以六安市为例

许小亮，欧名豪（1.南京农业大学土地管理学院，南京210095；2.合肥农梦土地规划有限公司规划设计部230000）

基于线性优化模型的土地利用结构优化研究
——以六安市为例

许小亮1，2，欧名豪1*
（1.南京农业大学土地管理学院，南京210095；2.合肥农梦土地规划有限公司规划设计部230000）

线性优化模型方法是一种在具有确定目标又有一定约束限制条件下，从所有可能的选择方案中寻找最优方案的模型方法，是应用于土地利用结构优化的方法。本研究以六安市为例，通过运用线性优化模型分析六安市2014年土地利用现状和2015-2020年期间社会经济发展趋势，并且对主要的社会经济指标作了预测，在此基础上提出了优化的土地利用结构是六安市2015-2020年土地利用战略与目标的直接表达。研究结果表明，2020年优化的土地利用结构中，农村居民点用地有较大减少，因此可以预见，“十三五”期间，六安市国土资源管理重点是推进农村居民点整治，释放潜力，以补充耕地面积及为城镇扩张置换指标；并且有计划的科学指导农业产业结构调整，增加园地与林地面积。

线性优化模型；土地利用结构；优化；六安市

1　引言

随着经济和社会的不断发展，土地资源承载着人类发展的压力越来越大。一方面，人类一要吃饭、二要建设、三要生态与土地资源总量有限之间的关系始终是一对不可避免的矛盾。另一方面，人类利用土地资源的不合理方式，造成的土地浪费、污染和退化问题也日益突出，土地资源的承载力不断下降。随着人口数量的不断增长、社会经济的快速发展和人类生态保护意识的增强，人类需求对土地资源产生的压力越来越大，前者矛盾不可调和。因此，学界关注更多地是实现土地利用方式和土地利用结构优化。根据系统论观点，结构决定功能，而功能是结构的外在体现，于是通过土地利用结构优化可提高土地利用效益及功能，因此土地利用结构优化一直是土地管理领域研究的重点［1，2］。土地利用结构优化是通过合理的数量安排和空间布局实现土地资源的可持续利用［3］。笔者认为，土地利用结构优化的总体目标是以促进土地可持续利用为总体目标，综合考虑资源环境状况和经济社会发展需求，深入研究农用地、建设用地和生态用地及耕地、城乡建设用地、基础设施用地等主要用地类型规模与比例关系，统筹安排各类生产、生活、生态用地，协调各业用地矛盾，最终实现土地利用结构合理。

自20世纪90年代以来，结构优化成了我国土地利用规划的核心内容［4］。土地利用总体规划编制中土地利用结构优化时所采用的编制方法主要有土宜法、综合平衡法和模型法［5］。前两种方法具有工作量大的缺点，缺乏对土地利用系统分析和优化。模型法是通过建立数学模型，进行定量计算，从而得到多种可供选择的优化方案，体现了土地利用规划的科学性。线性优化模型方法是一种在具有确定目标又有一定约束限制条件下，从所有可能的选择方案中寻找最优方案的模型方法，也是目前研究多变量复杂系统常用的一种最优化方法，广泛用于土地利用结构的数量优化上。该模型方法具有建模简单、目标明确、算法稳定、易于实现等优点，在土地利用宏观数量方面有着较大的优势［6］。

2　土地利用现状

根据六安市土地利用变更调查数据，至2014年底，全市土地总面积为1839916.91公顷。其中：农用地面积为1519979.66公顷，占土地总面积的82.61％；建设用地面积为216926.27公顷，占土地总面积的11.79％；其他土地为103010.98公顷，占土地总面积5.60％，详细数据如表1所示。

3　主要规划控制指标

本研究用一般线性优化模型对2020年六安市土地利用结构进行优化，但是优化工作必须基于一定前提。首先优化的土地利用结构必须体现规划控制指标的约束，在现行土地利用规划中，有控制性指标与约束性指标，控制性指标是指必须达到的指标，主要包括耕地保有量、基本农田数量、城乡建设用地总量、新增建设用地占用耕地数量以及人均城镇工矿用地，而这里需要说明的是：现行规划数据不是二调数据，可目前国土资源管理已完全应用二调数据，因此，现行规划的一些控制性指标已不再具有现实指导意义，比如城乡建设用地总量2014年六安市是172278.49公顷，而规划要求2020指标是142975.12公顷，现状已远超过控制指标，出现“倒挂”现象。当然这是由于基期数据的原因。这里我们坚持的2020年指标有：耕地保有量645786.52公顷、人均城镇工矿用地102.47平米。

表1　六安市2014年土地利用结构表

4　优化目标确定

六安市目标年土地利用结构优化标准是实现经济利益与生态利益最大化，而把土地利用社会利益耦合至约束条件中。土地利用类型经济利益表示方面，耕地经济利益与园地经济利益用种植业产值减桑茶果产值表示；林地经济利益用林业产值表示；牧草地经济利益以畜牧产值表示；农村居民点经济利益以农村工业增加值表示；城镇工矿用地与交通水利用地经济利益以二三产业产值减去农村居民点与其它建设用地经济产值表示；滩涂沼泽与未利用土地几乎未有经济利益，且现有统计数据亦无法核算，因此对其经济利益忽略不计。于是经济目标可用下式表示：

式中，xi是土地利用类型i的面积，ci是i用地类型经济利益期望值。

土地利用生态利益用其生态服务价值表征，生态服务价值是生态经济学家把生态服务划分为应用价值、内在价值、选择价值，且以直接市场法、市场替代法评价之，以此把生态服务纳入市场，以市场方式保护生态环境或为生态补偿提供参考。其中耕地生态利益用农田生态服务价值表示；牧草地与林地生态利益分别用草地与森林生态服务价值表示。因为园地绿当量介于普通农田与森林之间，于是把农田与森林平均生态利益作为园地生态利益水平，上述生态服务价值已扣除食物生产一项的价值。同样其它农用地生态利益以耕地、园地、草地与林地平均值表示；对居民点与工矿用地、交通水利用地，因农村面源污染、城镇大气污染之影响，其生态价值是负。

式中，xi是土地利用类型i的面积，ei是i用地类型经济利益期望值。

5　约束条件

5.1总面积约束，区域总面积可能因河流、滩涂冲积而变化，而这里假定目标年区域土地面积不变：

式中xi是土地类型面积，A是六安市土地总面积。

5.2耕地保护约束，即粮食安全约束，其体现社会价值，是用上级规划下达的耕地保有量表示，其不一定能保证本区域粮食安全，而却担当相应国家粮食安全责任，要素相互交流背景下，这相当于已保障区域粮食安全：

式中G表示六安市耕地保有数量。

5.3城镇绿地率约束，是指城镇绿地占城镇土地面积比重，城市规划中为优化城镇环境，减少环境污染水平，要求至少一定比重的绿地面积，这里用其它建设用地占城镇土地面积表示：

式中F是目标年城镇绿地率，即风景旅游用地占城镇土地比重。

5.4开发强度约束，全国主体功能区划要求于资源环境承载角度优化空间结构，控制空间开发强度，建设用地比重持续增加，则超过资源环境承载阈值，引起地下水过度开采，令城镇供水困难，因重力作用令地基下沉，同时城镇面积过大，超环境容纳能力，则会因热岛效应阻碍大气流动而产生严重生态环境问题，开发强度用建设用地占土地面积比重表示：

式中B是六安市土地开发强度上限，从《安徽省主体功能区划》可以得到皖西地区的空间开发强度。

5.5经济发展约束，经济发展需一定建设用地作为资本附载体，因此应有一定建设用地保障经济持续发展，城镇用地过度集约亦不利于发展，对社会生活产生不利影响，因此对未来经济数量，则至少：

式中l1、l2是发达地区土地利用水平，Q是目标年2020年经济数量，即基于未来经济数量与发达地区土地利用程度而确定区域最小建设用地面积。

5.6人口数量约束，人类社会需土地提供居住场所，居住用地约束是：

式中P是人口数目，δ是城镇化水平，m1是城镇最小人均用地面积，以1991年《城市用地分类与规划建设用地标准（GBJ137）》中最小的60m2/人为据（建设部，1991），是农村最小人均居住面积，以村镇规划标准中100m2/人为准（建设部，2007），这样分别保证农村与城镇人口基本居住需求。

上述已制定不同类型建设用地下限约束，而同时社会经济发展中土地利用至少应遵循集约节约要求，则土地集约利用约束是：

式中P、δ、Q涵义与以上相同，m3、m4表示最大可能允许之人均城镇用地与人均居民点用地，l3表示允许的最小地均产出水平，以国内发展水平最高城市的地均产出水平为准，m3以1991年《城市用地分类与规划建设用地标准》中最高的140m2/人为准，m4以2007年《村镇规划标准》中最高之150m2/人为准，这样就保证了经优化的土地利用结构达集约节约利用要求。

5.7宏观计划约束，不仅保护一定数量耕地，亦应保有相当数量其余农用地，一是为人们提供茶果与农副产品，提高生活水平，其次是作为农业结构调整余地，有利于耕地保护与减少农产品市场风险，据国民经济农业发展规划而确定目标年大农业用地面积：

式中G是根据农业发展规划确定的目标年大农用地面积。

5.8土地供应能力约束，未利用土地经济利益与生态利益不高，模型中不加约束，则根据利益驱动理论，未利用土地会全部变为其它利益较高用地，这在现实中不出现是因开发整理该些未利用土地需大量成本，现有经济技术能力不可能把全部未利用地变为可利用地，则未利用土地约束区间是：

式中W2是基期年未利用土地面积，W1是据目标年经济技术能力与土地供需水平而确定的未利用土地面积。

5.9非负约束，现实中土地利用类型面积是非负，即：

6　土地利用结构优化结果

把模型在Lingo进行求解可以得到六安市2020年土地利用优化结构，具体见下表2和图1。

可看出2020年六安市土地利用优化结构中农用地由2014年的82.61％提高到83.52％，而农用地内部变化加大，首先由于城镇用地占用耕地及耕地产值的减少，即粮食种植效益减少，而园林种植利润提高，于是2020年六安市耕地资源由716709.27公顷减少为645786.52公顷，占总面积的比由38.95％变为35.10％；其次为了保证六安市良好的生态环境，须保持一定数量生态用地，因此园地、林地面积有提高，园地从49420.92公顷提高至55340.2公顷，林地由2014年的602413.2公顷提高到2020年的644115.4公顷，占土地总面积的35.01％。建设用地总量由216926.27公顷变为2020年的204477.4154公顷，主要是由于农村居民点用地减少引起，2020年农村居民点比2014年减少了25％左右，农村人口城镇化及目前农村建设用地普遍超标，于是通过土地整治及“增减挂钩”项目可释放农村居民点的现实潜力。城镇工矿用地由2014年36230.77公顷提高到2020年的55731.54公顷。由于基础设施项目推进，在优化的土地利用结构中，交通用地、水利用地数量也有增加。

本研究首先分析了六安市2015-2020年期间社会经济发展趋势，并且对主要的社会经济指标作了预测。认为要实现这些发展指标，必须设定总体的发展战略，而总体发展战略涉及经济、社会、区域、民生等不同方面，但最终都要落实到土地利用之上，于是在此基础上提出了六安市2015-2020年土地利用战略与目标，其中优化的土地利用结构是土地利用目标直接表达。即该土地利用结构下六安市能取得最大经济收益与生态收益，既可以保障经济发展又到了各方面约束条件的要求。

表2　六安市2020年土地利用结构优化表

图1　六安市2014年土地利用结构与2020年土地优化结构对比

与2014年土地利用结构相比，2020年优化的土地利用结构中，农村居民点用地有较大减少，因此可以预见，“十三五”期间，六安市国土资源管理重点是推进农村居民点整治，释放潜力，以补充耕地面积及为城镇扩张置换指标；并且有计划的科学指导农业产业结构调整，增加园地与林地面积。

［1］严金明.简论土地利用结构优化与模型设计［J］.中国土地科学，2002，16（4）：20-25.

［2］陈江龙，曲福田，王启仿.经济发达地区土地利用结构预测—以江苏省江阴市为例［J］.长江流域资源与环境，2003，12（4）：317-321.

［3］刘彦随.区域土地利用优化配置［M］.北京：学苑出版社，1999：1-16.

［4］吴次芳，叶艳妹.20世纪国际土地利用规划的发展及其展望［J］.中国土地科学，2000，14（1）：15-20.

［5］刘耀林，汤青慧.基于理想点法在土地利用结构优化中的应用［z］.国土资源科技管理，加03（6）：64-68.

［6］钱敏，濮励杰，朱明，翁翎燕.土地利用结构优化研究综述［J］.长江流域资源与环境，第19卷第12期2010年12月，1410-1415.作者简介：许小亮（1982-），男，安徽芜湖人，工程师，在读博士，从事土地资源和规划管理研究。

（2016-01-17收稿S编辑）

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

欧名豪。