不同类型区土地利用结构多目标规划

Question

如题所述

Answer 1

4.3.3.1 生态保护区土地利用结构优化

(1)变量设置

从研究区土地资源特点和社会发展的要求出发，可以设置9个土地利用类型：耕地、园地、林地、草地、其他农用地、居民用地、交通运输用地、水域及水利设施用地、未利用地。

因此，结合地类在土地总面积中所占的比例和所收集的资料，设置了9个变量：x₁耕地、x₂林地、x₃草地、x₄园地、x₅水域、x₆交通用地、x₇居民用地、x₈未利用地、x₉其他农用地。

(2)约束条件

约束条件是实现目标函数的限制因素，主要限于与土地利用结构关系密切的土地资源、社会需求和生态环境要求3个方面，据此确定了若干约束条件。

1)土地总面积约束。各类土地总面积之和等于土地总面积，即

南水北调河南水源区水土流失规律及治理模式与效益评价研究

式中：S_总——土地总面积，根据规划资料S_总为211001.67hm²；

x_i——各类土地面积；

n——变量个数。

2)耕地面积动态平衡与约束。根据基本农田保护政策与有关规划，到2020年耕地面积基本维持不变，保持在58385.83hm²。

x₁≥58385.83 (4.2)

3)森林覆盖率约束。根据淅川县林地规划中森林覆盖率的最小要求，林地面积需达到71511.57hm²，则林地约束条件为：

x₂≥71511.57 (4.3)

4)园地、草地约束。根据规划中土地利用结构布局，应适当增加园地、稳定牧草地面积，则

x₃≥29.39 (4.4)

x₄≥4457.47(4.5)

5)水域面积约束。水域包括水库水面、水工建筑用地和河流水面等。

根据南水北调中线工程规划，丹江口水库正常蓄水位由157 m提高到170 m，移民高程由159 m提高到172 m，形成丹江口水库淹没区，淹没土地13706.03hm²(表4.2)，全县水域面积将增加到41755.7hm²。所以，约束条件为：

x₅≥41485.57 (4.6)

6)交通用地约束。交通用地主要为公路用地，2020年规划交通用地773.07hm²，所以

x₆≥773.07 (4.7)

7)建设用地需求约束。当前，淅川县建设用地总量为11945.4hm²。按照社会经济发展情况，到2020年，淅川县建设用地总量为12410.38hm²，所以

11945.4≤x₇≤12410.38 (4.8)

8)宏观计划约束。农业用地不得少于淅川县2020年规划面积：

x₁＋x₂＋x₃＋x₄＋x₉≥141161.21 (4.9)

9)土地后备资源约束。根据淅川县土地适宜性评价，规划到2020年，未利用地为21301.492hm²，按照淅川土地后备资源的约束条件为

x₈≤21301.492 (4.10)

表4.2 丹江口水库淹没区土地利用现状表 (单位：hm²)

10)其他农用地约束。根据规划，合理安排其他农用地，则会减少现有其他农用地的数量，则

x₉≤6776.95 (4.11)

11)土地适宜性约束。根据当地实际情况，交通用地、未利用地、其他农用地需满足下面的适宜性约束。

x₆≤2000，x₈≥10000，x₉≥2000

12)数学模型要求约束。各变量非负，即

x_i≥0，i＝1，2，…，9 (4.12)

(3)目标函数的设置

目前对土地利用结构合理性的研究多是采用一些系统工程的方法，论述土地利用的经济产出的合理性，而对生态效益不够重视，或是没有提出合理可行的具体实施思路或方法。实际上，在社会—经济—生态这个复杂的效益系统中，须认识到其整体性，否则会造成许多生态学方面的问题，这反过来又会影响和阻碍工农业生产的发展，危害人们的健康，因而对土地利用结构合理性的衡量在考虑社会经济效益的同时必须考虑生态效益标准，也有必要给出具体衡量生态合理与否的标准。模型的目标函数系由经济效益、生态效益和社会效益三项子目标函数组成。

研究在理论分析的基础上，结合前人的研究成果，认为多目标规划模型的目标是追求经济效益、生态效益、社会效益的最大化。为此，研究基于这3个效益建立目标函数，目标函数构建的关键和难点是效益系数的合理确定。

经济效益系数是通过按当年价计算单位土地面积上的产出效益，乘以各类用地的效益相对权益系数计算得出；生态效益目标函数通过建立基于绿当量的目标函数来进行描述；社会效益系数计算步骤如下：首先通过特尔菲法确定各地类三效益在综合效益中的比重，结合各地类已确定的经济效益和生态效益系数来计算社会效益系数。

A.经济效益最大目标函数

南水北调河南水源区水土流失规律及治理模式与效益评价研究

式中：Z₁——经济效益目标函数；

x_i——决策变量；

C_i——经济效益系数。

由于收集统计资料的限制和计算的需要，将第一产业产值中的农业作为耕地x₁的产出值；林业作为林地x₂的产出值；畜牧业作为草地x₃的产出值；果园作为园地x₄的产出值；水产品作为水域x₅的产出值；将第二、三产业的国内生产总值作为居民用地x₆＋x₇＋x₈的产出效益。在借鉴前人相关研究成果基础上，求得经济效益系数，计算出

C＝(1.59，0.085，0.79，8.537，1.20，182.07，182.07，0.001，1.011)

则

可化为如下形式：

maxZ₁＝1.59x₁＋0.085x₂＋0.79x₃＋8.537x₄＋1.20x₅＋182.07x₆＋182.07x₇＋0.001x₈＋1.011x₉　　(4.14)

B.生态效益最大目标函数

以最低(最佳)森林覆盖率作为区域生态预警的参考标准。这里只采用最低森林覆盖率作为一个建议指标进行探讨，并建立关于绿当量的目标函数来描述生态目标函数模型：

南水北调河南水源区水土流失规律及治理模式与效益评价研究

式中：g_i——各类用地的平均绿当量；

S_林——最佳(最低)森林覆盖率，取土地总面积的40%。

南水北调河南水源区水土流失规律及治理模式与效益评价研究

从植物学与生态学的角度讲，各种绿色植被都不同程度地发挥着诸如森林的众多生态环境功能。根据绿当量的原理，传统土地利用可按如下方式划分。

a)具有绿当量的用地。包括耕地、园地、林地、牧草地、其他农用地及部分未利用地。其生态服务作用机理与森林相似，可以量化。则

g₁＝0.50，g₂＝1，g₃＝0.51，g₄＝0.42，g₈＝0.5，g₉＝0.42

b)隐含绿当量的用地。主要指水域，其具有景观、调节大气组成、净化空气等功能，比较难以量化。因水产养殖面积比重较大，故把其看作与水田相似。即

g₅＝0.5

c)不具备绿当量的用地。包括城镇村及工矿用地、交通用地及部分未利用地，绿当量为零，即

g₆＝0，g₇＝0

故maxZ₂＝(

g_ix_i)/S_林×100%可化为如下形式：

maxZ₂＝(0.50x₁＋x₂＋0.51x₃＋0.42x₄＋0.5x₅＋0.5x₈＋0.42x₉)/84400.66　　(4.15)

C.社会效益目标函数

社会效益很难具体量化，所以研究试着从有关方面建立其目标函数。社会效益评价指标主要包括建制镇化水平、人均建设用地、人均耕地面积、人均纯收入等。这些指标主要和耕地、建设用地有着紧密关系，建立如下社会效益目标函数：

maxZ₃＝x₁＋x₃＋x₄＋x₅＋x₆＋x₇＋x₉(4.16)

(4)模型求解

目标函数：

g_经济(max)：1.59x₁＋0.085x₂＋0.79x₃＋8.537x₄＋1.20x₅＋182.07x₆＋182.07x₇＋0.001x₈＋1.011x₉

g_生态(max)：(0.50x₁＋x₂＋0.51x₃＋0.42x₄＋0.5x₅＋0.5x₈＋0.42x₉)/161494

g_社会(max)：x₁＋x₃＋x₄＋x₅＋x₆＋x₇＋x₉

约束条件：

南水北调河南水源区水土流失规律及治理模式与效益评价研究

根据约束方程和目标函数，利用极大模理想点法，利用DP S统计软件，求得三组非劣解(表4.3)，得到淅川县土地利用总体规划3种方案：

方案1考虑以目标函数g_经济为首，方案2考虑以目标函数g_生态为首，方案3考虑以目标函数g_社会为首。得出的结果如下：

表4.3 不同目标土地利用结构 (单位：hm²)

4.3.3.2 生态经济综合治理区土地利用结构优化

(1)变量设置

从研究区土地资源特点和社会发展的要求出发，可以设置9个土地利用类型：耕地、园地、林地、草地、其他农用地、居民用地、交通用地、水域、未利用地。

因此，结合地类在土地总面积中所占的比例和所收集的资料，设置了9个变量：x₁耕地、x₂林地、x₃草地、x₄园地、x₅水域、x₆交通用地、x₇居民用地、x₈未利用地、x₉其他农用地。

(2)约束条件

约束条件是实现目标函数的限制因素，主要限于与土地利用结构关系密切的土地资源、社会需求和生态环境要求三个方面，据此确定了若干约束条件。

1)土地总面积约束。各类土地总面积之和等于土地总面积，即

南水北调河南水源区水土流失规律及治理模式与效益评价研究

式中：S_总——土地总面积，根据规划资料S_总为344690.74hm²；

x_i——各类土地面积；

n——变量个数。

2)耕地面积动态平衡与约束。根据基本农田保护政策与有关规划，到2020年耕地面积基本维持不变，保持在21932.39hm²

x₁≥21932.39 (4.18)

3)森林覆盖率约束。根据西峡县2020年林地规划中森林覆盖率的最小要求，林地面积需达到269812.71hm²，则林地约束条件为

x₂≥269812.71 (4.19)

4)园地、草地约束。根据规划中土地利用结构布局，应适当增加园地、稳定牧草地面积，则

x₃≥47.61 (4.20)

x₄≥17283.03 (4.21)

5)水域面积约束。水域包括水库水面、水工建筑用地和河流水面等。结合西峡县的实际情况，约束条件为

x₅≥2671.65 (4.22)

6)交通用地约束。交通用地主要为公路用地，2010年现状交通用地1377.54hm²，所以

x₆≥559.51 (4.23)

7)建设用地需求约束。当前，西峡县建设用地总量为7340.2hm²。按照社会经济发展情况，到2020年西峡县建设用地总量为8722.84hm²，所以

7340.2≤x₇≤8722.84 (4.24)

8)宏观计划约束。农业用地不得少于西峡县2010年现状面积：

x₁＋x₂＋x₃＋x₄＋x₉≥312417.87 (4.25)

9)土地后备资源约束。根据西峡县土地适宜性评价，现有的未利用地为25406.48hm²，按照规划到2020年，西峡县建设用地总量为19500.84hm²，则土地后备资源的约束条件为

19500.84≤x₈≤25406.48 (4.26)

10)其他农用地约束。根据规划，合理安排其他农用地，则会减少现有其他农用地的数量，则

3342.13≤x₉≤3729.13 (4.27)

11)数学模型要求约束。各变量非负，即

x_i≥0，i＝1，2，…，9 (4.28)

(3)目标函数的设置

目前对土地利用结构合理性的研究多是采用一些系统工程的方法，论述土地利用的经济产出的合理性，而对生态效益不够重视，或是没有提出合理可行的具体实施思路或方法。实际上，在社会—经济—生态这个复杂的效益系统中，须认识到其整体性，否则会造成许多生态学方面的问题，这反过来又会影响和阻碍工农业生产的发展，危害人们的健康，因而对土地利用结构合理性的衡量在考虑社会经济效益的同时必须考虑生态效益标准，也有必要给出具体衡量生态合理与否的标准。模型的目标函数系由经济效益、生态效益和社会效益三项子目标函数组成。

研究在理论分析的基础上，结合前人的研究成果，认为多目标规划模型的目标是追求经济效益、生态效益、社会效益的最大化。为此研究基于这3个效益建立目标函数，目标函数构建的关键和难点是效益系数的合理确定。

经济效益系数是通过按当年价计算单位土地面积上的产出效益，乘以各类用地的效益相对权益系数计算得出；生态效益目标函数通过建立基于绿当量的目标函数来进行描述；社会效益系数计算步骤如下：首先通过特尔菲法确定各地类三效益在综合效益中的比重，结合各地类已确定的经济效益和生态效益系数来计算社会效益系数。

A.经济效益最大目标函数

南水北调河南水源区水土流失规律及治理模式与效益评价研究

式中：Z₁——经济效益目标函数；

x_i——决策变量；

C_i——经济效益系数。

由于收集统计资料的限制和计算的需要，将第一产业产值中的农业作为耕地 x₁的产出值；林业作为林地x₂的产出值；畜牧业作为草地 x₃的产出值；果园作为园地x₄的产出值；水产品作为水域 x₅的产出值；将第二、三产业的国内生产总值作为居民用地x₆＋x₇＋x₈的产出效益。在借鉴前人相关研究成果基础上，求得经济效益系数，计算出

C＝(1.011，8.537，0.0851，45.623，1.20，1.011，182.07，182.07，0.001)。

则maxZ₁＝

C_ix_i可化为如下形式：

maxZ₁＝1.011x₁＋8.537x₂＋0.0851x₃＋45.623x₄＋1.20x₅＋1.011x₆＋182.07x₇＋182.07x₈＋0.001x₉　　(4.30)

B.生态效益最大目标函数

以最低(最佳)森林覆盖率作为区域生态预警的参考标准。这里只采用最低森林覆盖率作为一个建议指标进行探讨，并建立关于绿当量的目标函数来描述生态目标函数模型：

南水北调河南水源区水土流失规律及治理模式与效益评价研究

式中：g_i——各类用地的平均绿当量；

S_林——最佳(最低)森林覆盖率，取土地总面积的40%。

南水北调河南水源区水土流失规律及治理模式与效益评价研究

从植物学与生态学的角度讲，各种绿色植被都不同程度地发挥着诸如森林的众多生态环境功能。根据绿当量的原理，传统土地利用可按如下方式划分。

a)具有绿当量的用地。包括耕地、园地、林地、牧草地、其他农用地及部分未利用地。其生态服务作用机理与森林相似，可以量化。则

g₁＝0.50，g₂＝1，g₃＝0.51，g₄＝0.42，g₈＝0.5，g₉＝0.42

b)隐含绿当量的用地。主要指水域，其具有景观、调节大气组成、净化空气等功能，比较难以量化。因水产养殖面积比重较大，故把其看作与水田相似。即

g₅＝0.5

c)不具备绿当量的用地。包括城镇村及工矿用地、交通用地及部分未利用地，绿当量为零。即

g₆＝0，g₇＝0

故maxZ₂＝(

g_ix_i)/S_林×100%可化为如下形式：

maxZ₂＝(0.50x₁＋x₂＋0.51x₃＋0.42x₄＋0.5x₅＋0.5x₈＋0.42x₉)/161493.8 　　(4.31)

C.社会效益目标函数

社会效益很难具体量化，所以研究试着从有关方面建立其目标函数。社会效益评价指标主要包括建制镇化水平、人均建设用地、人均耕地面积、人均纯收入等。这些指标主要和耕地、建设用地有着紧密关系，建立如下社会效益目标函数：

maxZ₃＝x₁＋x₃＋x₄＋x₅＋x₆＋x₇＋x₉(4.32)

D.模型求解

目标函数：

g_经济(max)：1.011x₁＋0.085x₂＋0.79x₃＋8.537x₄＋1.20x₅＋182.07x₆＋182.07x₇＋0.001x₈＋1.011x₉

g_生态(max)：(0.50x₁＋x₂＋0.51x₃＋0.42x₄＋0.5x₅＋0.5x₈＋0.42x₉)/161493.8

g_社会(max)：x₁＋x₃＋x₄＋x₅＋x₆＋x₇＋x₉

约束条件：

南水北调河南水源区水土流失规律及治理模式与效益评价研究

根据约束方程和目标函数，利用极大模理想点法，利用DP S统计软件，求得三组非劣解(表4.4)得到西峡县土地利用总体规划3种方案：

方案1考虑以目标函数g_经济为首，方案2考虑以目标函数g_生态为首，方案3考虑以目标函数g_社会为首。得出的结果如下：

表4.4 不同目标土地利用结构 (单位：hm²)

4.3.3.3 生态修复区土地利用结构优化

(1)变量设置

从研究区土地资源特点和社会发展的要求出发，可以设置9个土地利用类型：耕地、园地、林地、草地、其他农用地、居民用地、交通用地、水域、未利用地。

因此，结合地类在土地总面积中所占的比例和所收集的资料，设置了9个变量：x₁耕地、x₂林地、x₃草地、x₄园地、x₅水域、x₆交通用地、x₇居民用地、x₈未利用地、x₉其他农用地。

(2)约束条件

约束条件是实现目标函数的限制因素，主要限于与土地利用结构关系密切的土地资源、社会需求和生态环境要求三个方面，据此确定了若干约束条件。

1)土地总面积约束。各类土地总面积之和等于土地总面积，即

南水北调河南水源区水土流失规律及治理模式与效益评价研究

式中：S_总——土地总面积，根据规划资料S_总为140902.89hm²；

X_i——各类土地面积；

n——变量个数。

2)耕地面积动态平衡与约束。根据基本农田保护政策与有关规划，到2020年耕地面积基本维持不变，保持在8445.74hm²。

x₁≥8445.74 (4.34)

3)森林覆盖率约束。根据卢氏县2020年林地规划中森林覆盖率的最小要求，林地面积需达到211172.81hm²，则林地约束条件为

x₂≥115328.04 (4.35)

4)园地、草地约束。根据规划中土地利用结构布局，应适当增加园地、稳定牧草地面积，则

x₃≥1.78 (4.36)

x₄≥597.61 (4.37)

5)水域面积约束。水域包括水库水面、水工建筑用地和河流水面等。

结合卢氏县的实际情况，约束条件为

x₅≥656.4 (4.38)

6)交通用地约束。交通用地主要为公路用地，2020年规划交通用地468.12hm²，所以

x₆≥468.12 (4.39)

7)建设用地需求约束。按照社会经济发展情况，到2020年该地区建设用地总量为2644.74hm²，所以

x₇≤2644.74 (4.40)

8)宏观计划约束。农业用地不得少于该地区2020年规划面积：

x₁＋x₂＋x₃＋x₄＋x₉≥128504.91 (4.41)

9)土地后备资源约束。根据卢氏县土地适宜性评价，现有的未利用地为8929.39hm²，按照规划到2020年，卢氏县建设用地总量为12038.57hm²，则土地后备资源的约束条件为

8929.39≤x₈≤12038.57 (4.42)

10)其他农用地约束。根据规划，合理安排其他农用地，则会减少现有其他农用地的数量，则

1200≤x₉≤4131.74 (4.43)

11)数学模型要求约束。各变量非负，即

x_i≥0，i＝1，2，…，9 (4.44)

(3)目标函数设置

目前对土地利用结构合理性的研究多是采用一些系统工程的方法，论述土地利用的经济产出的合理性，而对生态效益不够重视，或是没有提出合理可行的具体实施思路或方法。实际上，在社会-经济-生态这个复杂的效益系统中，须认识到其整体性，否则会造成许多生态学方面的问题，这反过来又会影响和阻碍工农业生产的发展，危害人们的健康，因而对土地利用结构合理性的衡量在考虑社会经济效益的同时必须考虑生态效益标准，也有必要给出具体衡量生态合理与否的标准。模型的目标函数系由经济效益、生态效益和社会效益三项子目标函数组成。

研究在理论分析的基础上，结合前人的研究成果，认为多目标规划模型的目标是追求经济效益、生态效益、社会效益的最大化。为此研究基于这三个效益建立目标函数，目标函数构建的关键和难点是效益系数的合理确定。

经济效益系数是通过按当年价计算单位土地面积上的产出效益，乘以各类用地的效益相对权益系数计算得出；生态效益目标函数通过建立基于绿当量的目标函数来进行描述；社会效益系数计算步骤如下：首先通过特尔菲法确定各地类三效益在综合效益中的比重，结合各地类已确定的经济效益和生态效益系数来计算社会效益系数。

A.经济效益最大目标函数

南水北调河南水源区水土流失规律及治理模式与效益评价研究

式中：Z₁——经济效益目标函数；

x_i——决策变量；

C_i——经济效益系数。

由于收集统计资料的限制和计算的需要，将第一产业产值中的农业作为耕地x₁的产出值；林业作为林地x₂的产出值；畜牧业作为草地x₃的产出值；果园作为园地x₄的产出值；水产品作为水域x₅的产出值；将第二、三产业的国内生产总值作为居民用地x₆＋x₇＋x₈的产出效益。在借鉴前人相关研究成果基础上，求得经济效益系数，计算出

C＝(1.59，0.053，0.79，8.537，0.796，231.98，231.98，0.001，4.981)

则maxZ₁＝

C_ix_i可化为如下形式：

maxZ₁＝1.59x₁＋0.053x₂＋0.79x₃＋8.537x₄＋0.796x₅＋231.98x₆＋231.98x₇＋0.001x₈＋4.981x₉　　(4.46)

B.生态效益最大目标函数

以最低(最佳)森林覆盖率作为区域生态预警的参考标准。这里只采用最低森林覆盖率作为一个建议指标进行探讨，并建立关于绿当量的目标函数来描述生态目标函数模型：

南水北调河南水源区水土流失规律及治理模式与效益评价研究

式中：g_i——各类用地的平均绿当量；

S_林——最佳(最低)森林覆盖率，取土地总面积的40%。

南水北调河南水源区水土流失规律及治理模式与效益评价研究

从植物学与生态学的角度讲，各种绿色植被都不同程度地发挥着诸如森林的众多生态环境功能。根据绿当量的原理，传统土地利用可按如下方式划分。

a)具有绿当量的用地。包括耕地、园地、林地、牧草地、其他农用地及部分未利用地。其生态服务作用机理与森林相似，可以量化。则

g₁＝0.50，g₂＝1，g₃＝0.51，g₄＝0.42，g₈＝0.5，g₉＝0.42

b)隐含绿当量的用地。主要指水域，其具有景观、调节大气组成、净化空气等功能，比较难以量化。因水产养殖面积比重较大，故把其看作与水田相似。即

g₅＝0.5

c)不具备绿当量的用地。包括城镇村及工矿用地、交通用地及部分未利用地，绿当量为零。即

g₆＝0，g₇＝0

故maxZ₂＝(

g_ix_i)/S_林×100%可化为如下形式：

maxZ₂＝(0.50x₁＋x₂＋0.51x₃＋0.42x₄＋0.5x₅＋0.5x₈＋0.42x₉)/56361.16　　(4.47)

C.社会效益目标函数

社会效益很难具体量化，所以研究试着从有关方面建立其目标函数。社会效益评价指标主要包括建制镇化水平、人均建设用地、人均耕地面积、人均纯收入等。这些指标主要和耕地、建设用地有着紧密关系，建立如下社会效益目标函数：

maxZ₃＝x₁＋x₃＋x₄＋x₅＋x₆＋x₇＋x₉(4.48)

D.模型求解

目标函数：

g_经济(max)：1.59x₁＋0.053x₂＋0.79x₃＋8.537x₄＋0.796x₅＋231.98x₆＋231.98x₇＋0.001x₈＋4.981x₉

g_生态(max)：(0.50x₁＋x₂＋0.51x₃＋0.42x₄＋0.5x₅＋0.5x₈＋0.42x₉)/56361.16

g_社会(max)：x₁＋x₃＋x₄＋x₅＋x₆＋x₇＋x₉

约束条件：

南水北调河南水源区水土流失规律及治理模式与效益评价研究

根据约束方程和目标函数，利用极大模理想点法，利用DP S统计软件，求得三组非劣解得到卢氏县土地利用总体规划3种方案：

方案1考虑以目标函数g_经济为首，方案2考虑以目标函数g_生态为首，方案3考虑以目标函数g_社会为首。得出的结果如下(表4.5)：

表4.5 不同目标土地利用结构 (单位：hm²)