基于灰色多目标线性规划的武威市古浪县土地利用结构优化研究

白文静　刘淑英　王平　祁玉源

摘要：文章选择具有温带大陆性干旱气候特征的武威市古浪县作为实例，运用灰色线性多目标规划法，按照当地经济指标、生态指标、社会指标确定出变量，并且建立出基于经济效益、生态效益以及社会效益的三种目标函数，运用Matlab软件进行计算，通过计算得出基于社会效益最大化的土地利用优化结构方案在维持经济效益的同时，也相应的兼顾了土地利用的生态效益与社会效益，并且与约束条件相适应，为古浪县土地利用结构优化最优方案。

关键词：土地利用结构优化;灰色多目标线性规划;古浪县

土地资源在社会发展与国民经济可持续化发展的过程中扮演着重要的保障作用。但土地资源的供给稀缺性也造成社会与土地需求的不协调发展趋势。目前土地管理与利用的实践工作面临着土地承载力过大、人口压力、土地质量退化严重等一系列问题。因此，在当前情况下，如何在国民经济各部门之间合理有效地分配有限的土地资源，实现土地资源最优利用已成为了一个迫切需要解决的问题。就土地利用优化研究而言，当前国内外主要有以下几个研究领域：使用土地政策与土地利用优化的研究;城镇化发展及农业发展和土地优化配置的机理研究;农、林、牧、水产养殖业及交通运输业等产业用地优化研究。这几个研究领域的研究工作都具有深度兼顾广度并且技术手段先进的特点，但也存在着对一定区域土地利用的整体性与层次性研究不够详细的问题。因此为了保证古浪县土地资源的可持续利用，本区域的研究中采用了灰色多目标线性规划法，对此区域内各种土地资源利用类型进行合理有效的调整，实现土地利用的生态、经济、社会效益的最大化，即所谓的“三效合一”从而协调好社会经济发展与资源节约利用之间的关系。并以得出的研究结果对古浪县土地结构调整提出合理化建议。

一、研究区概况

古浪县隶属于甘肃省武威市，地理坐标为北纬37°09′～37°54′，东经102°38′～103°54′。古浪县地势南高北低，海拔在1550米至3469米之间，平均海拔高度为2500米。自然条件差异很大，有着明显的地貌分带现象，县域内由南至北依次分布着祁连山脉，丘陵沟壑的中低山地带，中部冲击平原，北部荒漠地带。2017年底全县总人口数为38.87万人，国土总面积510300hm2。其中农用地总面积为350597.37hm2，占全县土地总面积的68.7%;建设用地总面积为9846.64.6hm2，占全县土地总面积的1.93%;未利用土地面积共有149855.99hm2，占全县土地总面积的29.37%。

二、数据来源与方法

（一）数据来源

本次研究中所涉及所有数据主要来源于《古浪县统计年鉴（2017）》与《甘肃省发展年鉴（2017）》。

（二）研究方法

本次研究运用灰色多目标线行规划法对古浪县土地利用结构进行优化研究。

（三）数学模型

灰色多目标线性规划模型具有发挥线性规划和多目标规划的优势，将土地利用主导效益作为重点目标同时以其他效益规定为约束条件以此建立出土地利用结构优化的数学模型，该模型具有多方案及动态性的特点，并可以据此提出最佳的土地利用方案。

灰色多目标线性规划数学模型的基本表达式为：f（x）=CX→max（或min）

本项研究经济效益的目标函数为：Max（x）=CiXi

生态效益目标函数为：Max（x）=C*X（x是土地利用类型，c是生态绿当量）

社会效益目标函数为：Max（x）=X1+X2…+Xi+X10

（四）决策变量的确定

本次研究规划目标年份为2020年，根据《土地利用现状分类规程》设置了10个变量依次为耕地、园地、林地、牧草地、城镇用地、农村居民点用地、工矿用地、交通设施用地、水利设施用地、未利用土地。在变量设置中，不仅体现了古浪县土地利用的实际状况，同时也体现出了当地政府部门各项政策对县域内各类土地利用的影响。

生态绿当量是指其他生态系统的绿量与等量森林面积绿量的比值。基于古浪县实际生态状况，参考已有学者的研究可知，此地取得全年满种的生长期系数确定为0.45。由此得到耕地平均绿当量为0.33，园地平均绿当量为0.31，林地平均绿当量为1，牧草地平均绿当量为0.35。根据各类建设用地中对于绿地面积比例的规定可以确定出城镇用地平均绿当量为0.30，农村居民点用地平均绿当量为0.30，工矿用地平均绿当量为0.20，交通运输用地平均绿当量为0.20，水利设施用地平均绿当量为0.15。由于在古浪县未利用土地中荒草地面积占了58%，折算出未利用地的平均綠当量为0.21。

（五）约束条件的确定

本次研究依据古浪县自然与经济状况以及土地利用现状，具体参考古浪县土地利用总体规划以及社会转型发展综述确定出各变量的面积在未来三年的变化情况。一共建立出11个约束方程

1. 土地总面积约束

即土地总面积约束条件为： X1=510300（hm2）

2. 农用地约束

耕地面积约束：X1≤113341.27 （hm2），园地面积规模约束：X2≤5573.39（hm2），林地面积需求约束：X3≥510300*13.32%=67971.96（hm2），牧草地约束：X4≤181682.8（hm2）

3. 建设用地约束

城镇用地约束：X5≥874.62（hm2），农村居民点用地面积约束：X6≤5806.19（hm2），工矿用地面积约束：X7≥371.21（hm2），交通运输用地约束：X8≤2541.67（hm2），水利设施用地约束：X9≥252.95（hm2）

4. 未利用地约束：X10≤149855.99 （hm2）

（六）目标函数构造

1. 各类用地效益相对权数的确定

运用层次分析法确定出各类土地利用的效益相对权益系数。各类用地的效益权重构成了效益权重集合Wi（i=1，2，3，4……8），其中未利用的效益可以视为0.即：Wi=（0.1182，0.1254，0.1412，0.1875，0.0693，0.1884，0.0604，0.0252，0.1596，0）

2. 各类用地效益相对系数的确定

本研究中选定每一公顷耕地的产出效益预测值即耕地效益作为参考值用以确定常数C，并以此值乘以各类用地效益的相对权数，得出相应土地每公顷的产出效益，则价值向量Cj（j=1，2，……，10）。每公顷耕地的产出效益为5974元/hm2 C=50541.45由此得出Cj=（5974，6337.9，7136.45，9476.52，3502.52，9522，3052.7，1273.64，8066.42，0）

三、结果与分析

确定函数约束条件，以Matlab软件为技术平台，得出以下三种方案。

（一）基于生态效益的土地利用结构优化方案

方案一为生态效益最佳时土地利用结构的优化方案，根据设定的约束条件，可以看出耕地低于耕地保有量所规定的103200hm2以上的目标，园地及林地的面积则出现大幅增加趋势，同时工矿用地面积减少。因为此方案仅仅考虑了古浪县土地利用的生态效益而造成了可以产生社会效益以及经济效益的其他用地面积的减少，不利于城市发展及经济发展，不符合经济创收的大趋势。

（二）基于经济效益的土地利用结构优化方案

方案二为经济效益最佳时的土地利用结构优化方案，在此方案中耕地面积较原面积减少了6.04%与方案一相比牧草地面积略微减少并且林地减少幅度较大，城镇建设用地及工矿用地面积的增加符合城市化进程及工业化发展的需要。但是综合此方案土地利用结构可以看出水利设施用地及交通用地面积增大而林地面积则较方案一有所减少且林地面积不符合古浪县经济发展综述中所要求在未来三年内要达到的林地面积要求。因此，此方案只考虑研究区经济效益，在增加建设用地的同时造成了古浪县生态压力，不利于古浪县生态环境健康有序的发展，也不符合古浪县经济发展趋势。

（三）基于社会效益的土地利用结构优化方案

在方案三中，耕地面积达到112307.87hm2，符合古浪县耕地保有量的要求。园地与现状相比增加了23.17%，林地面积达到了67971.96hm2符合古浪县经济发展综述中所要求在未来三年内要达到的林地面积要求。园地及林地面积的增加是通过减少未利用地以及牧草地面积实现，并且园地及林地面积的增加有利于古浪生态保护实现绿色发展。居民点及工矿用地、交通用地、水利设施用地的增加符合生产力发展及城市建设要求。此土地利用结构优化方案兼顾城市发展中的生态效益与经济效益，同时符合当地发展要求，能贴合实际使当地土地利用结构趋于更加合理。

四、讨论与结论

古浪县气候全年干旱少雨，生态环境非常脆弱。因此在土地利用结构规划中必须保护好林地面积，并且增加森林覆盖率，这对当地的生态环境保护及实现绿色发展具有重要意义。

今后对古浪县土地进行规划利用时要坚持“十分珍惜和合理利用每一寸土地，切实保护耕地”的基本国策，合理利用耕地。坚持“既要治理又要保护”的土地利用政策。在发展经济的同时必须兼顾生态效益不能以生态环境的破坏成为城市化发展的代价，应该不断提高各类土地的利用效益，切实提高土地的利用率及产出率。

随着城市化的发展及城市建设对土地的需要，未利用地面积将出现逐年减少趋势，我们更应该针对这部分土地制定出详细规划，以此保证对每一寸土地的合理利用，使其发挥其最大的综合效益，本研究综合分析了目前古浪县土地利用的实际情况，提出可以实现古浪县土地利用结构优化的最佳方案，在确保耕地质量不降低的同时也需控制好建设用地的規模，与此同时兼顾重点建设项目的按时实施，做到对各类土地的合理有效利用，切实提高土地的综合效益。在推进城乡建设用地结构合理有序调整的同时还要统筹好城乡发展，要更加重视生态保护，实现绿色可持续发展。

参考文献：

[1]关涛.中国土地资源配置与可持续发展研究[D].东北农业大学，2002.

[2]李秀芝.市域土地利用结构优化配置研究——以南通市区为例[D].南京农业大学，2008.

[3]蔡玉梅，李天威，王昊.中国和欧盟土地利用规划环境影响评价对比研究[J].地理科学进展，2008（27）.

[4]王万茂.规划的本质与土地利用规划多维思考[J].中国土地科学，2002（01）.

[5]王兰英.田艳霞中国城市土地利用结构优化研究述评[J].现代城市研究，2004（01）.

[6]刘岩.土地利用规划与土地资源的可持续利用[J].辽宁师范大学学报，1999（02）.

[7]周志芳.基于灰色线性规划炉霍县土地利用优化研究[D].程度理工大学，2012.

[8]王万茂，但承龙.海门市土地利用结构优化研究[J].国土与自然资源研究，2003（01）.

[11]梁烨，刘学录，汪丽.基于灰色线性多目标规划的庄浪县土地利用优化研究[J].甘肃农业大学学报，2013（03）.

[12]李建龙，师学义，祝宇成.基于生态绿当量的土地利用结构优化——以晋城市城区为例[J].江苏农业科学，2015（05）.

[13]马顺龙.古浪县经济社会转型升级发展综述[N].甘肃日报，2016-10-14.

[14]王秀红，何书金，罗明.土地利用结构综合数值表征：以中国西部地区为例[J].地理科学进展，2002（01）.

[15]徐建华.计量地理学[M].中国农业大学出版社，2002.

[16]李丽红，李鲁华，马松梅，等.基于灰色线性土地资源优化配置研究[J].石河子大学学报（自然科学版），2007（08）.

[17]范国斌.基于灰色线性规划的长沙市土地利用结构优化研究[J].赤峰学院学报，2014（10）.

（作者单位：甘肃农业大学管理学院。刘淑英为通讯作者）