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1模型構(gòu)思與建模步驟

1．1確定系統(tǒng)目標(biāo)和建模目的建立用地規(guī)劃系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的目的，在于通過對用地結(jié)構(gòu)、各項(xiàng)用地比例、用地投資構(gòu)成及系統(tǒng)的復(fù)雜行為的動(dòng)態(tài)模擬，根據(jù)計(jì)算機(jī)運(yùn)算后得到的一系列模擬結(jié)果和各種變量數(shù)據(jù)，分析用地構(gòu)成與用地結(jié)構(gòu)的關(guān)系，從而幫助我們了解，跟蹤模型反映的用地規(guī)劃系統(tǒng)的時(shí)域行為，觀察掌握用地系統(tǒng)行為的動(dòng)態(tài)趨勢和客觀規(guī)律。由此，可以使我們對國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人民生活水平提高所帶來的對用地構(gòu)成的需求，產(chǎn)生量化了的理性認(rèn)識(shí)，在一定程度上解決目前普遍存在的規(guī)劃與實(shí)際脫節(jié)的問題，通過仿真模擬，驗(yàn)證用地規(guī)劃方案實(shí)現(xiàn)的可能性，以及要實(shí)現(xiàn)規(guī)劃方案，系統(tǒng)中各要素應(yīng)做哪些調(diào)整及其動(dòng)態(tài)變化趨勢;同時(shí)可為有關(guān)部門制定或修改用地規(guī)劃方案提供數(shù)據(jù)依據(jù);也可為決策部門制定建設(shè)方案，研究用地的合理組織，用地結(jié)構(gòu)的調(diào)整以及制定建設(shè)投資政策、土地開發(fā)政策等決策問題，提供一定的信息和定量化的參考。

1．2選擇指標(biāo)體系，建立變量集確定指標(biāo)體系，建立變量集要圍繞著系統(tǒng)的目的進(jìn)行，并能夠通過抽選變量來表征系統(tǒng)的主要待征。根據(jù)前面所確定的建立用地規(guī)劃模型的目標(biāo)，通過反復(fù)分析研究、咨詢和論證，確定了涉及社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、用地類型的指標(biāo)體系和變量集。(1)社會(huì)系統(tǒng)方面主要包括以下變量:總?cè)丝凇⒆匀辉鲩L人口、機(jī)械增長人口、農(nóng)業(yè)人口、非農(nóng)業(yè)人口等。(2)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)包括的變量主要有GDP、GDP增量和全年固定投資等。(3)用地類型主要包括耕地、林地、建設(shè)用地、草地、水利設(shè)施用地(水域)、未利用地、城市用地、交通運(yùn)輸用地、其他農(nóng)用地等。

2系統(tǒng)分析

2．1確定系統(tǒng)邊界系統(tǒng)的邊界是一個(gè)想象的輪廓，把建模目的所考慮的內(nèi)容圈入，而與其他部分隔開，在邊界內(nèi)部凡涉及與所研究的動(dòng)態(tài)問題有重要關(guān)系的概念與變量均應(yīng)考慮進(jìn)模型。因?yàn)楸疚乃Ｐ褪怯脕砻枋鲇玫叵到y(tǒng)的，而且用地規(guī)劃的優(yōu)劣應(yīng)以城市社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境綜合效益來衡量。因此將與用地規(guī)劃有關(guān)的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和用地類型等因素作為內(nèi)生變量，放在系統(tǒng)的邊界之內(nèi)，而將人為的政策因素、參數(shù)和常數(shù)用為外生變量，放在系統(tǒng)的邊界之外。

2．2因果關(guān)系分析和因果關(guān)系圖因果關(guān)系普遍存在于各種系統(tǒng)中，因果關(guān)系分析是一種有效的思維方式，適用于對某一特定事物或局部聯(lián)系進(jìn)行剖析。這種分析方法同時(shí)也是整體研究的基礎(chǔ)。對于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)而言，通過因果關(guān)系分析，以確定系統(tǒng)反饋框架結(jié)構(gòu)，對系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)給出直觀描述說明。根據(jù)用地規(guī)劃模型的模擬功能以及各子系統(tǒng)之間的相互關(guān)系，在擬定指標(biāo)體系和變量集的基礎(chǔ)上，通過反復(fù)研究、修改、并征求城建、規(guī)劃部門的專家意見，最后確定了池州市的模型總體因果關(guān)系圖，如圖1所示:

3系統(tǒng)流圖

在對因果關(guān)系圖加以充實(shí)的基礎(chǔ)之上，使其更加的詳細(xì)化、具體化，再根據(jù)每個(gè)變量的性質(zhì)，用狀態(tài)變量、速率變量、輔助變量、表變量、參數(shù)以及信息流、物質(zhì)流等專用符號(hào)描繪出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，可得安徽省池州市土地利用的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型如下圖2所示。在圖2中，為各個(gè)變量均構(gòu)造了方程式，建立方程的過程就是把模型結(jié)構(gòu)“翻譯”成數(shù)學(xué)方程式的過程，即把非正規(guī)的、概念的構(gòu)思轉(zhuǎn)換成正式的、定量的數(shù)學(xué)表達(dá)式。方程建立的目的，在于模型能在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行分析模擬。應(yīng)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)專用語言DYNAMO編寫程序，就可在計(jì)算機(jī)上通過人機(jī)對話的方式，模擬系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化過程。

4池州市土地利用SD模型真實(shí)性檢驗(yàn)

根據(jù)池州市已有的2002～2011年土地利用結(jié)構(gòu)的資料，對模型進(jìn)行調(diào)試，同時(shí)可以驗(yàn)證模型的可靠性。以2002年為基本現(xiàn)狀年，取步長為1年，模擬結(jié)果如下表2所示:由表2中歷史數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)的對比可以得到，池州市2004年、2011年的歷史數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)的相對誤差小于2%占所有參數(shù)的83．33%，相對誤差小于5%的達(dá)到全部參數(shù)的100%。這說明土地利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的模擬結(jié)果是比較可靠的，同時(shí)也體現(xiàn)出系統(tǒng)仿真模型比較其他數(shù)學(xué)方法而言的優(yōu)越性。因此，據(jù)此可以對池州市2015與2020年土地利用情況進(jìn)行仿真模擬。

5模型仿真與結(jié)果分析

在充分綜合考慮池州市的經(jīng)濟(jì)社會(huì)情況后，結(jié)合《安徽省土地利用總體規(guī)劃(1997一2010年)》、《安徽省土地利用總體規(guī)劃(2006一2020年)》中對池州市未來發(fā)展規(guī)模和前景的預(yù)期，通過對研究區(qū)土地利用系統(tǒng)有著非常重要影響的控制參數(shù)的組合和調(diào)整，再通過對土地利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行多次動(dòng)態(tài)模擬仿真，可以得到不同參數(shù)組合下的響應(yīng)結(jié)果。本研究結(jié)合總體規(guī)劃對池州市土地利用的要求，對GDP增長率、人口增長率和糧食單產(chǎn)三個(gè)變量分別取不同的值用來代表不同的社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件和政策水平，從而設(shè)計(jì)出三種典型的代表池州市未來土地利用方向與特點(diǎn)而且具有一定可行性的方案，即(一)自然發(fā)展模式;(二)經(jīng)濟(jì)加速增長模式;(三)協(xié)調(diào)發(fā)展模式。模型中以池州市2002年的數(shù)據(jù)為每個(gè)狀態(tài)變量的初始值。對于以上三個(gè)不同的方案，在模型中輸入每個(gè)變量的初始值以及各控制變量在三種方案中所取的不同的值，據(jù)此可以得到具體的仿真模擬結(jié)果(表3)。對比分析三種不同方案下的模擬結(jié)果，可以看出在各種不同因素的綜合作用下，土地利用變化與社會(huì)經(jīng)濟(jì)之間的演替規(guī)律及供需矛盾。

5．1自然發(fā)展模式自然發(fā)展模式下的土地利用類型變化重點(diǎn)表現(xiàn)在建設(shè)用地增長速度較小，增加量在預(yù)測時(shí)段內(nèi)小于協(xié)調(diào)發(fā)展模式。從土地利用系統(tǒng)主要變量的發(fā)展變化趨勢來看，不難發(fā)現(xiàn)到2030年雖然說在一定程度上實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)的增長，但增長速度卻相對緩慢，經(jīng)濟(jì)總量明顯小于模式二和模式三經(jīng)濟(jì)社會(huì)條件下的經(jīng)濟(jì)總量，與此同時(shí)自然資源的消耗也比較大，而資源利用的效益相對較低，這相對其他兩種方案而言是一種低投入、高消耗、高耕地占用、低效益的發(fā)展模式。如果按照此方案繼續(xù)發(fā)展下去，耕地會(huì)逐漸減少，土地單位面積的產(chǎn)出也幾乎維持現(xiàn)有水平而不改變，在2030年以前很難達(dá)到科學(xué)營養(yǎng)型生活水平。從長遠(yuǎn)角度和可持續(xù)發(fā)展的觀點(diǎn)來看，該方案并不能實(shí)現(xiàn)研究區(qū)域土地和研究區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。

5．2經(jīng)濟(jì)加速增長模式在經(jīng)濟(jì)加速增長發(fā)展模式下，土地類型變化重點(diǎn)表現(xiàn)在城鎮(zhèn)用地、獨(dú)立工礦用地等建設(shè)用地面積的大量增加以及耕地的快速減少，盡管林地面積也有所增長，但增長的幅度卻十分有限。由于經(jīng)濟(jì)的快速增長，加上土地投入量的加大，與此同時(shí)對農(nóng)業(yè)投資也有所增加，致使糧食單產(chǎn)較現(xiàn)有水平有所提高。在該模式中，經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度是最快的。由于經(jīng)濟(jì)過于快速的增長，耕地非農(nóng)化的速率也明顯加快，這也導(dǎo)致了人地矛盾日益尖銳和糧食安全問題日益突出。模式二是以追求經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展為最終目標(biāo)，雖然經(jīng)濟(jì)暫時(shí)是取得了高速增長，但這卻是以自然資源的大量消耗為代價(jià)，這種發(fā)展模式的所帶來的后果也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于模式一與模式三。實(shí)際上，這是一種傳統(tǒng)的、粗放的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式下的“高投入、高產(chǎn)出、高風(fēng)險(xiǎn)、高報(bào)復(fù)性”的發(fā)展模式，與池州市社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和土地可持續(xù)發(fā)展的理念和目標(biāo)是相悖的，同時(shí)這也是不可取的。

5．3協(xié)調(diào)發(fā)展模式在協(xié)調(diào)發(fā)展模式下，各種類型土地的面積隨時(shí)間的增長大部分在原有的基礎(chǔ)上發(fā)生一定的增加和減少，但相對而言總體的發(fā)展態(tài)勢較為平緩。在這種發(fā)展模式中，適當(dāng)?shù)目刂迫丝诳倲?shù)的增加，并減少交通用地、工礦用地、居民點(diǎn)用地等各種其他類型的建設(shè)用地對耕地的占用，同時(shí)適當(dāng)?shù)臏p緩經(jīng)濟(jì)發(fā)展的速度，并加大農(nóng)業(yè)投資的力度，完善農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，改造中低產(chǎn)農(nóng)田，提高糧食單產(chǎn)，致使在耕地面積有所減少的大背景下，糧食產(chǎn)量卻依舊可以得到提高。發(fā)展模式三既充分考慮到研究區(qū)域經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)發(fā)展，同時(shí)還考慮到了自然資源的合理分配和利用;既保證了經(jīng)濟(jì)發(fā)展的目標(biāo)和速度，又解決了經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展進(jìn)程中所帶來的糧食、耕地壓力等問題，將各項(xiàng)指標(biāo)都納入在合理的范圍之內(nèi)，在某種程度上來說，可以適當(dāng)?shù)鼐徑饨?jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展過程中所伴隨而來的各種社會(huì)問題和土地問題，為自然資源的持續(xù)利用打下了基礎(chǔ)。在本研究中不難發(fā)現(xiàn)，伴隨經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，有限的自然資源的供給量也在逐漸減少。在以大量消耗自然資源促進(jìn)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的模式中，由于自然資源供給量的逐步減少，經(jīng)濟(jì)增長量無疑也會(huì)隨之逐步減小。所以說，在自然資源有限的前提下，要想促進(jìn)研究區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)和土地利用的可持續(xù)發(fā)展就必須優(yōu)先提高自然資源的利用效率，發(fā)展高效益、低消耗、集約型的產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)。

6討論

用地規(guī)劃模型為用地布局、各項(xiàng)投資的分配比例以及與用地有關(guān)的其它社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、用地類型和用地投資等因素的動(dòng)態(tài)規(guī)劃提供了一個(gè)有效的實(shí)驗(yàn)方法和場所。可對現(xiàn)有規(guī)劃實(shí)現(xiàn)的可能性進(jìn)行分析驗(yàn)證;也可供有關(guān)部門根據(jù)不同策略的改變，進(jìn)行多方案模擬，從而尋求達(dá)到較優(yōu)綜合效益的切實(shí)可行的用地規(guī)劃方案。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)其中一個(gè)比較優(yōu)越的特點(diǎn)是通過對模型中參數(shù)的調(diào)整直接影響模型的輸出結(jié)果，其中參數(shù)的選取可以通過定性和定量相結(jié)合等其他多種方式獲得。研究表明，池州市土地利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型可以根據(jù)近幾十年內(nèi)的政策導(dǎo)向、社會(huì)因素、經(jīng)濟(jì)因素、人口因素和行業(yè)發(fā)展的變化，模擬出不同情形下土地利用仿真結(jié)果，生成土地利用規(guī)劃的優(yōu)化方案。當(dāng)然，研究工作還僅僅是初步的，模型在眾多方面還需要進(jìn)一步完善。希望這項(xiàng)研究能對用地規(guī)劃，乃至城市規(guī)劃方法改革及規(guī)劃手段的更新，起到一定的推動(dòng)作用。

作者：張長勤徐小琪吳堅(jiān)單位：安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院信息與計(jì)算機(jī)學(xué)院經(jīng)濟(jì)技術(shù)學(xué)院