基于系統動力學的土地利用變化研究
——以池州市為例

張長勤，徐小琪，吳 堅

1.安徽農業大學 理學院，合肥 230036 2.安徽農業大學 信息與計算機學院，合肥 230036；3.安徽農業大學 經濟技術學院，合肥 230036

土地是一種自然的產物，它不以人的意志而產生，具有數量有限性、質量差異性、空間區位性、利用可持續性和自然與社會兩重屬性的特點[1]。自然供給數量是固定的、無彈性的。技術的進步以及額外勞動與資本的投入，可使具有彈性的經濟土地供應得以增加，但由于收益遞減規律的制約影響，致使經濟土地供給的增量是有限的[2-3]。在現實中，相對于其他資源而言，土地是一種稀缺資源，更是一種供不應求的短缺資源。土地是先于人類產生而自然存在的物質，土地利用隨著人類的出現而產生，也是人類從自然界中分離出來之后，最先接觸到的客觀對象。土地一經產生，就通過人類自身繁衍生產以及物質資料的生產，與人類之間發生關聯，于是便開始了人與土地辯證發展的新階段。土地利用規劃作為人類社會經濟活動，伴隨著人類的土地利用活動而產生發展。它是基于獲得最佳的土地利用綜合效益為目標，以土地資源的合理分配和布局為核心，在對規劃區域內土地資源的合理利用的基礎上，進行了預先安排和部署[4-5]。在人類社會實踐中，土地利用總體規劃，不斷探索前進的道路，積累了很多寶貴的經驗和教訓。

將系統動力學方法引入安徽省池州市用地規劃，這是一次全新的嘗試。本文所研制的系統動力學模型，描述了用地規劃系統與整個城市社會經濟大系統的內在聯系，從而可以對用地規劃做出定性和定量的分析，以求得城市土地合理有效地開發和使用，并創造出盡可能大的綜合效益。

通過人機對話方式，改變模型的有關政策參數，反復模擬，就可以形成不同的用地規劃方案[6]。進而對用地規劃的各種不同發展戰略和政策進行分析，幫助有關部門研究策略效果，制定相關政策，同時通過對方案在社會、經濟和用地類型三方面綜合效益的比較，可以幫助規劃部門制定出較優的規劃方案，也可對現有規劃隨時進行修訂和完善，以適應城市社會經濟的發展變化，從而大大提高了規劃的科學性、合理性和可靠性。

1 模型構思與建模步驟

1.1 確定系統目標和建模目的

建立用地規劃系統動力學模型的目的，在于通過對用地結構、各項用地比例、用地投資構成及系統的復雜行為的動態模擬，根據計算機運算后得到的一系列模擬結果和各種變量數據，分析用地構成與用地結構的關系，從而幫助我們了解，跟蹤模型反映的用地規劃系統的時域行為，觀察掌握用地系統行為的動態趨勢和客觀規律。由此，可以使我們對國民經濟發展，人民生活水平提高所帶來的對用地構成的需求，產生量化了的理性認識，在一定程度上解決目前普遍存在的規劃與實際脫節的問題，通過仿真模擬，驗證用地規劃方案實現的可能性，以及要實現規劃方案，系統中各要素應做哪些調整及其動態變化趨勢；同時可為有關部門制定或修改用地規劃方案提供數據依據；也可為決策部門制定建設方案，研究用地的合理組織，用地結構的調整以及制定建設投資政策、土地開發政策等決策問題，提供一定的信息和定量化的參考。

1.2 選擇指標體系，建立變量集

確定指標體系，建立變量集要圍繞著系統的目的進行，并能夠通過抽選變量來表征系統的主要待征[7]。根據前面所確定的建立用地規劃模型的目標，通過反復分析研究、咨詢和論證，確定了涉及社會、經濟、用地類型的指標體系和變量集。

(1)社會系統方面主要包括以下變量：總人口、自然增長人口、機械增長人口、農業人口、非農業人口等。

(2)經濟系統包括的變量主要有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、建設用地、草地、水利設施用地(水域)、未利用地、城市用地、交通運輸用地、其他農用地等。

2 系統分析

2.1 確定系統邊界

系統的邊界是一個想象的輪廓，把建模目的所考慮的內容圈入，而與其他部分隔開，在邊界內部凡涉及與所研究的動態問題有重要關系的概念與變量均應考慮進模型。

因為本文所建模型是用來描述用地系統的，而且用地規劃的優劣應以城市社會、經濟、環境綜合效益來衡量。因此將與用地規劃有關的社會、經濟和用地類型等因素作為內生變量，放在系統的邊界之內，而將人為的政策因素、參數和常數用為外生變量，放在系統的邊界之外。

2.2 因果關系分析和因果關系圖

因果關系普遍存在于各種系統中，因果關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系進行剖析。這種分析方法同時也是整體研究的基礎[8]。對于系統動力學而言，通過因果關系分析，以確定系統反饋框架結構，對系統內部結構給出直觀描述說明。

根據用地規劃模型的模擬功能以及各子系統之間的相互關系，在擬定指標體系和變量集的基礎上，通過反復研究、修改、并征求城建、規劃部門的專家意見，最后確定了池州市的模型總體因果關系圖，如圖1所示：

圖1 池州市土地利用系統動力學模型因果關系圖

3 系統流圖

在對因果關系圖加以充實的基礎之上，使其更加的詳細化、具體化，再根據每個變量的性質，用狀態變量、速率變量、輔助變量、表變量、參數以及信息流、物質流等專用符號描繪出系統的結構圖，可得安徽省池州市土地利用的系統動力學模型如下圖2所示。

圖2 池州市土地利用結構系統流圖

代表符Code變量Variable代表符Code變量Variable代表符Code總人口POP人均城鎮交通用地RJCJY社會總產值SHZ自然增長人口ZZPOP城鎮交通用地CJY固定資產投資GDZ人口出生率人口死亡率非農業人口農業人口機械增長人口機械人口遷入率機械人口遷出率BRATEDRATEUAPOPAPOPJXPOPJXQRJXQC城鎮交通用地增長率人均工礦用地工礦用地工礦用地增長率人均城鎮用地城鎮用地城鎮用地增長率人均農村交通用地農村交通用地農村交通用地增長率 人均農居點用地農居點用地農居點用地增長率人均水利用地水利用地非農業用地CJZZLRJGYGYGYZZLRJCYCYCYZZLRJNJYNJYNJZZLRJNJDNJDNJDZZLRJSYSYFNYD國民收入糧食需求糧地糧地增長率林地林地增長率林地減少率耕地耕地增長率耕地減少率后備耕地后備耕地轉化率未利用地未利用地減少率交通用地水利用地水利用地增長率GMSRLSXQLSDLSDZZLLDLDZZLLDJSLGDGDZZLGDJSLHBGDHBZHLWLYDWLJSLJTYDSLYDSLZZL

在圖2中，為各個變量均構造了方程式，建立方程的過程就是把模型結構“翻譯”成數學方程式的過程，即把非正規的、概念的構思轉換成正式的、定量的數學表達式。方程建立的目的，在于模型能在計算機上進行分析模擬。應用系統動力學專用語言DYNAMO編寫程序，就可在計算機上通過人機對話的方式，模擬系統的動態變化過程。

4 池州市土地利用SD模型真實性檢驗

根據池州市已有的2002～2011年土地利用結構的資料，對模型進行調試，同時可以驗證模型的可靠性。以2002年為基本現狀年，取步長為1年，模擬結果如下表2所示：

表2 2004年、2011年池州市土地利用歷史數據及模擬數據對比分析 (單位：公頃)

由表2中歷史數據與模擬數據的對比可以得到，池州市2004年、2011年的歷史數據和模擬數據的相對誤差小于2%占所有參數的83.33%，相對誤差小于5%的達到全部參數的100%。這說明土地利用系統動力學模型的模擬結果是比較可靠的，同時也體現出系統仿真模型比較其他數學方法而言的優越性。因此，據此可以對池州市2015與2020年土地利用情況進行仿真模擬。

5 模型仿真與結果分析

在充分綜合考慮池州市的經濟社會情況后，結合《安徽省土地利用總體規劃(1997一2010年)》、《安徽省土地利用總體規劃(2006一2020年)》中對池州市未來發展規模和前景的預期，通過對研究區土地利用系統有著非常重要影響的控制參數的組合和調整，再通過對土地利用系統動力學模型進行多次動態模擬仿真，可以得到不同參數組合下的響應結果。本研究結合總體規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三個變量分別取不同的值用來代表不同的社會經濟條件和政策水平，從而設計出三種典型的代表池州市未來土地利用方向與特點而且具有一定可行性的方案，即(一)自然發展模式；(二)經濟加速增長模式；(三)協調發展模式。

模型中以池州市2002年的數據為每個狀態變量的初始值。對于以上三個不同的方案，在模型中輸入每個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，據此可以得到具體的仿真模擬結果(表3)。對比分析三種不同方案下的模擬結果，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經濟之間的演替規律及供需矛盾。

表3 池州市土地利用SD模型仿真結果單位：公頃

5.1 自然發展模式

自然發展模式下的土地利用類型變化重點表現在建設用地增長速度較小，增加量在預測時段內小于協調發展模式。從土地利用系統主要變量的發展變化趨勢來看，不難發現到2030年雖然說在一定程度上實現了經濟的增長，但增長速度卻相對緩慢，經濟總量明顯小于模式二和模式三經濟社會條件下的經濟總量，與此同時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、低效益的發展模式。如果按照此方案繼續發展下去，耕地會逐漸減少，土地單位面積的產出也幾乎維持現有水平而不改變，在2030年以前很難達到科學營養型生活水平。從長遠角度和可持續發展的觀點來看，該方案并不能實現研究區域土地和研究區的可持續發展。

5.2 經濟加速增長模式

在經濟加速增長發展模式下，土地類型變化重點表現在城鎮用地、獨立工礦用地等建設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。由于經濟的快速增長，加上土地投入量的加大，與此同時對農業投資也有所增加，致使糧食單產較現有水平有所提高。在該模式中，經濟發展速度是最快的。由于經濟過于快速的增長，耕地非農化的速率也明顯加快，這也導致了人地矛盾日益尖銳和糧食安全問題日益突出。

模式二是以追求經濟的快速發展為最終目標，雖然經濟暫時是取得了高速增長，但這卻是以自然資源的大量消耗為代價，這種發展模式的所帶來的后果也遠遠高于模式一與模式三。實際上，這是一種傳統的、粗放的經濟發展模式下的“高投入、高產出、高風險、高報復性”的發展模式，與池州市社會經濟可持續發展和土地可持續發展的理念和目標是相悖的，同時這也是不可取的。

5.3 協調發展模式

在協調發展模式下，各種類型土地的面積隨時間的增長大部分在原有的基礎上發生一定的增加和減少，但相對而言總體的發展態勢較為平緩。在這種發展模式中，適當的控制人口總數的增加，并減少交通用地、工礦用地、居民點用地等各種其他類型的建設用地對耕地的占用，同時適當的減緩經濟發展的速度，并加大農業投資的力度，完善農業基礎設施的建設，改造中低產農田，提高糧食單產，致使在耕地面積有所減少的大背景下，糧食產量卻依舊可以得到提高。

發展模式三既充分考慮到研究區域經濟的協調發展，同時還考慮到了自然資源的合理分配和利用；既保證了經濟發展的目標和速度，又解決了經濟社會快速發展進程中所帶來的糧食、耕地壓力等問題，將各項指標都納入在合理的范圍之內，在某種程度上來說，可以適當地緩解經濟社會發展過程中所伴隨而來的各種社會問題和土地問題，為自然資源的持續利用打下了基礎。

在本研究中不難發現，伴隨經濟的快速發展，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經濟快速發展的模式中，由于自然資源供給量的逐步減少，經濟增長量無疑也會隨之逐步減小。所以說，在自然資源有限的前提下，要想促進研究區域經濟社會和土地利用的可持續發展就必須優先提高自然資源的利用效率，發展高效益、低消耗、集約型的產業經濟。

6 討論

用地規劃模型為用地布局、各項投資的分配比例以及與用地有關的其它社會、經濟、用地類型和用地投資等因素的動態規劃提供了一個有效的實驗方法和場所。可對現有規劃實現的可能性進行分析驗證；也可供有關部門根據不同策略的改變，進行多方案模擬，從而尋求達到較優綜合效益的切實可行的用地規劃方案。

系統動力學其中一個比較優越的特點是通過對模型中參數的調整直接影響模型的輸出結果,其中參數的選取可以通過定性和定量相結合等其他多種方式獲得。研究表明,池州市土地利用系統動力學模型可以根據近幾十年內的政策導向、社會因素、經濟因素、人口因素和行業發展的變化，模擬出不同情形下土地利用仿真結果,生成土地利用規劃的優化方案。

當然，研究工作還僅僅是初步的，模型在眾多方面還需要進一步完善。希望這項研究能對用地規劃，乃至城市規劃方法改革及規劃手段的更新，起到一定的推動作用。

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