CN115081737A - 面向区域全口径用地类型差异化用水的以水定地配置方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种面向区域全口径用地类型差异化用水的以水定地配置方法，包括以下步骤，S1.构建区域水土资源配置合理性现状评价指标体系；S2.基于模糊综合评价法，分析评价现状水土资源配置合理性；S3.确定区域不同用地类型适宜的单位面积用水量；S4.构建区域以水定地合理配置模型；S5.采用高斯优化混沌粒子群算法求解模型，得到区域最佳水资源利用方案与土地资源优化调整方案。本发明针对区域不同土地资源利用结构的多功能性与用水特性，以区域水资源承载能力作为土地资源合理配置的最大刚性约束，能够在充分发挥土地资源利用综合效益的同时，最大程度地减少土地资源利用对水资源的需求，能够有力支撑区域水土资源协调可持续发展。
Description
技术领域
本发明涉及一种面向区域全口径用地类型差异化用水的以水定地合理配置方法，属于水土资源配置技术领域。
背景技术
科学合理地配置水土资源，是实现区域资源高效可持续利用的核心问题，也是支撑国土空间规划的关键依据，更是保障国家粮食安全的重要基础。
国内外已有的以水定地配置实践与方法主要分为两种：一种是通过构建灌区水土资源线性规划模型，解决灌区有限水资源条件下的农业用地优化配置，目的是获取灌区最优种植结构方案和灌溉制度等；另一种是以流域为整体研究对象，构建流域层面水土资源优化配置数学模型，目的是解决流域内水资源总量不足、水土资源空间不匹配等问题。
具体的，灌区以水定地配置是以灌区可用水量作为用水总量约束条件，以灌区各类农业用地面积为决策变量，以灌区整体经济效益最优为目标函数，即灌区各类农业用地种植作物后带来的净收益最高；流域以水定地配置是以流域可用水量、流域耕地总红线等作为约束条件，以流域水资源供需平衡、流域水土空间均衡等为多目标函数。
纵观国内外已有的以水定地配置方法，尚存在以下几点不足：(1)尺度过大(流域)或过小(灌区)，对区域尺度研究尚且不多且研究不够深入，研究成果难以直接支撑区域水行政主管部门合理分配水资源，难以支撑区域土地资源行政主管部门合理划分土地类型与用地面积；(2)土地类型较为单一，覆盖面不够广泛，对于土地类型多样化带来的影响考虑不足，例如不同土地类型的耗水程度以及缺水所造成的综合影响差异较大；(3)对现状水土资源配置合理性评价不足，已有的研究大多是直接考虑规划年份水、土资源条件以及政策条件，缺少结合现状配置条件的动态调整，难以真实反映区域水、土资源的协调匹配程度以及不和谐因素。
发明内容
本发明旨在解决现有技术的问题至少之一。本发明的面向区域全口径用地类型差异化用水的以水定地配置方法，是结合国土空间规划要求以及水资源刚性约束、以水定地等新理念，考虑多种土地利用类型对水资源的差异化需求，突出区域用水总量控制的强约束作用，提出区域水土资源配置合理性评价指标体系和区域以水定地合理配置方法，以期为区域水资源的高效利用以及土地资源的合理规划提供技术支撑。
本发明为了解决上述的技术问题，采用如下的技术方案：
本发明提供一种面向区域全口径用地类型差异化用水的以水定地配置方法，包括以下步骤：
S1.构建区域水土资源配置合理性现状评价指标体系，得到具体指标；
S2.基于模糊综合评价法，分析评价现状水土资源配置合理性，确定区域水土资源配置现状合理性等级；
S3.确定区域不同用地类型适宜的单位面积用水量；
S4.构建区域以水定地合理配置模型；
S5.采用高斯优化混沌粒子群算法求解模型，得到区域最佳水资源利用方案与土地资源优化调整方案。
进一步的，本发明的一种面向区域全口径用地类型差异化用水的以水定地合理配置方法，其步骤S1，构建区域水土资源配置合理性现状评价指标体系，得到具体指标，具体的为，建立由1个目标层，5个准则层，17个评价指标组成的评价指标体系，得到水土资源合理性评价指标体系的具体指标。
其中，所述的目标层包括1个目标A：水土资源合理配置程度；其中，准则层B包括水资源系统(B1)、土地资源系统(B2)、此二者为主体；还包括社会系统(B3)、经济系统(B4)和生态环境系统(B5)，此为客体，反映各子系统对水土资源配置合理性的影响。
对准则层B进行细化，得到水土资源配置合理性评价指标体系的具体指标，即指标层C。具体指标体系见附图2。具体的，水资源系统B1包括人均水资源量C1，水资源开发利用率C2，产水系数C3，水资源模数C4；土地资源系统B2包括人均耕地面积C5，复种指数C6，耕地灌溉率C7,土壤有机质C8；社会系统B3包括人口自然增长率C9，人口密度C10，城市化率C11；经济系统B4包括粮食单产C12，人均GDP C13，第一产业贡献率C14；生态环境系统B5包括生态环境用水比例C15，污径比C16，工业废污水排放达标率C17。以现状水平年，计算得到区域指标的现状值。
进一步的，本发明的一种面向区域全口径用地类型差异化用水的以水定地合理配置方法，步骤S2，采用模糊综合评价法，分析评价现状水土资源配置合理性，确定区域水土资源配置现状合理性等级，具体的，模糊综合评价法是根据模糊数学的隶属度理论把定性评价转化为定量评价，即用模糊数学对受到多种因素制约的事物或对象做出一个总体的评价。根据模糊综合评价法给出的评价结果，确定区域水土资源配置现状合理性等级。本步骤具体包括以下几个步骤：S21确定S1得到的水土资源合理性评价指标体系的17个具体指标的权重，构造权重矩阵；其中，采用层次分析法确定各指标权重。S22将各评价指标划分为很好、较好、中等、较差、很差五个评价等级；S23计算各指标对各评价等级的隶属度，构造隶属度函数及模糊综合评判矩阵；S24将权重矩阵与模糊综合评判矩阵相乘，得到综合评价结果矩阵，采用最大隶属度法确定区域水土资源配置现状合理性等级。
进一步的，本发明的一种面向区域全口径用地类型差异化用水的以水定地合理配置方法，步骤S3，确定区域不同用地类型适宜的单位面积用水量中，先将《全国土地分类(试行)》中划分的67个三级地类进行归并，划分为3大类，分别为农用地，建设用地和未利用地，并细分为17小类。其中，农用地中的耕地全部以三级地类划分，其他都以二级地类划分。
归并后的农用地包括7小类：灌溉水田、水浇地、旱地、菜地、园地、林地、其他农用地；建设用地包括8小类：商服用地、工矿仓储用地、公用设施用地、公共建筑用地、住宅用地、交通运输用地、水利设施用地、特殊用地；未利用地包括2小类：未利用土地、其他土地。
然后，根据近五年各类土地实际的单位面积用水量，确定各类土地适宜的单位面积用水量。具体的，按照1-10％的用水量正常趋势确定各类土地适宜的单位面积用水量。
进一步的，本发明的一种面向区域全口径用地类型差异化用水的以水定地合理配置方法，进一步的，步骤S4构建区域以水定地合理配置模型，具体包括：
S41.从经济、社会、生态环境三方面，构建模型目标函数；
S42.从水资源、土地资源以及变量非负约束三方面，构建模型约束条件。
本发明的一种面向区域全口径用地类型差异化用水的以水定地合理配置方法，进一步的，步骤S41，从经济、社会、生态环境三方面，构建模型目标函数时，其中，在经济效益目标中，选取GDP作为主要经济效益指标，要求GDP尽可能大，经济效益目标函数表达式为：
式中，i表示用地类型；ki表示各类用地单位面积GDP，万元/hm2；xi表示各类用地面积，hm2。
其中，在社会效益目标中，选择粮食产量作为社会效益目标的表征指标，要求粮食产量尽可能大，社会效益目标函数表达式为：
式中ai表示各类用地的粮食综合单产，kg/hm2。
其中，在生态环境效益目标中，选择基于生态绿当量的植被覆盖率作为生态环境效益的表征指标。生态绿当量是指具有相当的生态功能的“绿量”，它包括：等量的光合作用、等量的流域区域生态功能。绿当量需要以一种生态系统类型作为度量标准，通常以森林的生态功能作为标准，其他绿色植被的绿量相对于等量森林面积的绿量的比率。具有绿量的用地主要包括林地、耕地、草地。水域具有景观、调节大气组成及净化空气等功能，是隐含绿当量的用量，难以量化。而城镇及工矿、交通用地及部分未利用地，则为不具备绿当量的用地。林地绿当量为1，在此引入耕地、草地与森林之间基于“绿量相当”的面积换算关系，定量测算流域区域的生态绿当量，具体换算比例见表1。
表1耕地、草地与林地之间全年平均绿当量换算比例
基于生态绿当量的植被覆盖率＝(森林面积+其他具有绿当量用地面积按“绿量相当”原则折合成的森林面积)/土地总面积，生态环境效益目标函数表达式为：
式中，gi表示各类用地的平均绿当量。
本发明的一种面向区域全口径用地类型差异化用水的以水定地合理配置方法，进一步的，步骤S42，从水资源、土地资源以及变量非负约束三方面，构建模型约束条件，其中，约束条件主要包括：需水量约束、土地总面积约束、后备土地资源约束、耕地面积保有量约束、人均建设用地标准约束、变量非负约束。
其中，需水量约束：各类用地需水总量不能超过一定供水保证率下的水资源可利用总量，表达式为：
式中，di表示各类用地单位面积用水量，m3/hm2；W表示水资源可利用总量，m3。
其中，土地总面积约束：各类用地面积之和应等于土地总面积，表达式为：
式中，S表示土地总面积，hm2。
其中，后备土地资源约束：考虑到对生态环境保护的需求，在土地利用结构调整中，有相当部分难以开发利用的沙地、裸岩石砾地以及维持生态环境的荒草地、沼泽地等未利用土地应予以保留；同时，为了维持河流、湖泊等水域功能，禁止侵占、填埋其他土地中的河流水面、湖泊水面，禁止围湖造地，其他土地中苇地、滩涂可以根据流域区域的具体情况和适宜性进行适度合理开发利用，但必须以不影响生态环境为前提。表达式为：
M1≤x18≤M2
M3≤x19≤M4
式中，M1、M2、M3、M4分别表示难以开发利用和生态脆弱的土地面积以及生态保护区面积之和、现状未利用土地面积、河流水面与湖泊水面以及难以开发利用和应保留的苇地、滩涂面积之和、现状其他土地面积，hm2。
其中，耕地面积保有量约束：考虑到人均耕地面积不应低于联合国粮农组织提出的0.8亩/人的警戒线，因此，耕地面积应大于国家和地方规定的耕地保有量，表达式为：
式中，L表示人均耕地面积下限控制指标，hm2/人；s'表示耕地面积保有量下限控制指标，hm2；R表示规划年人口数量，万人。
其中，人均建设用地标准约束：建设用地标准约束主要表现为政府或建设部门对建设用地指标控制，人均建设用地标准参考《村镇规划标准》(GB-50188-2007)制定，表达式为：
式中，c3、c4分别表示人均建设用地下限、上限值，hm2/人。
其中，变量非负约束：表达式为：
xi≥0，i＝1,2,3，…，17
本发明的一种面向区域全口径用地类型差异化用水的以水定地合理配置方法，进一步的，步骤S5，采用高斯优化混沌粒子群算法求解模型，得到区域最佳水资源利用方案与土地资源优化调整方案，其中，高斯优化混沌粒子群算法是在引入混沌原理的同时，引入高斯函数惩罚系数对标准的粒子群算法进行改进后而形成。
最佳水资源利用方案指合理配置后各类用地的水资源供给量结果；土地资源优化调整方案指合理配置后各类用地面积结果。同时，为了验证本发明中方法的有效性，进一步给出以水定地合理配置前后经济、社会、生态环境效益值对比结果。
具体操作时，将步骤S4获得的目标函数与约束变量条件输入MATLAB程序中，经多次运行，得到多组结果。根据S2的区域水土资源配置现状合理性等级，进行S5中以水定地合理配置的方案选择。
具体的，当区域水土资源配置现状合理性等级为很好、较好、中等时，选择社会、经济、效益综合最优的结果；
当区域水土资源配置现状合理性等级为较差、很差时，根据评价指标体系中社会系统、经济系统、生态环境系统各自的隶属度等级高低来选择S5中的方案。例如，评价指标体系中社会系统隶属度最低，说明社会系统造成现状水土资源配置合理性差，则在S5多方案选择时，选择社会效益最优的方案。
本发明采用上述技术方案，取得如下的技术效果。
该技术针对区域不同土地资源利用结构的多功能性与用水特性，以区域水资源承载能力作为土地资源合理配置的最大刚性约束，能够在充分发挥土地资源利用综合效益的同时，最大程度地减少土地资源利用对水资源的需求，能够有力支撑区域水土资源协调可持续发展。
附图说明
图1为本发明的一种面向区域全口径用地类型差异化用水的以水定地配置方法的技术路线图。
图2为步骤S1中水土资源配置合理性现状评价指标体系图。
图3为实施例中高淳区2030年以水定地合理配置模型运行结果图。
图4为实施例中高淳区以水定地合理配置前后各类土地面积对比结果图。
图5为实施例中高淳区以水定地合理配置前后3大类土地面积对比结果图。
图6为实施例中高淳区以水定地合理配置效果评估图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例及附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术的灌区以水定地配置和流域以水定地配置的尺度过大或过小，难以直接支撑区域水行政主管部门合理分配水资源，难以支撑区域土地资源行政主管部门合理划分土地类型与用地面积；土地类型单一，覆盖面不广泛，对于土地类型多样化带来的影响考虑不足；以及对现状水土资源配置合理性评价不足，难以真实反映区域水、土资源的协调匹配程度以及不和谐因素的问题，申请人经过分析，认为造成以上不足的原因，主要有两点：(1)尚未正确认识以水定地合理配置的内在机理，对于水、土资源两者的内在驱动以及牵制认识不清，以至于忽略了现状条件下水、土资源两者匹配协调的识别；(2)实践需求是科技创新的动力之一，而早些年对于区域层面以水定地合理配置的实践需求不够大，更多的是聚焦灌区农业用地的合理配置。近年来，随着国土空间规划的不断推动，对水资源刚性约束下区域全口径土地利用结构与面积等提出了新的要求。
基于此，本发明提供一种面向区域全口径用地类型差异化用水的以水定地配置方法，参见图1，包括以下步骤：
S1.构建区域水土资源配置合理性现状评价指标体系，得到具体指标；
S2.采用模糊综合评价法，分析评价现状水土资源配置合理性，确定区域水土资源配置现状合理性等级；
S3.确定区域不同用地类型适宜的单位面积用水量；
S4.构建区域以水定地合理配置模型；
S5.采用高斯优化混沌粒子群算法求解模型，得到区域最佳水资源利用方案与土地资源优化调整方案。
进一步的，本发明的一种面向区域全口径用地类型差异化用水的以水定地合理配置方法，其步骤S1，构建区域水土资源配置合理性现状评价指标体系，得到具体指标，具体的为，建立由1个目标层，5个准则层，17个评价指标组成的评价指标体系，得到水土资源合理性评价指标体系的具体指标。
其中，所述的目标层包括一个目标A：水土资源合理配置程度；其中，准则层B包括水资源系统(B1)、土地资源系统(B2)、此二者为主体；还包括社会系统(B3)、经济系统(B4)和生态环境系统(B5)，此为客体，反映各子系统对水土资源配置合理性的影响。
对准则层B进行细化，得到水土资源配置合理性评价指标体系的具体指标，即指标层C。具体指标体系见附图2。具体的，水资源系统B1包括人均水资源量C1，水资源开发利用率C2，产水系数C3，水资源模数C4；土地资源系统B2包括人均耕地面积C5，复种指数C6，耕地灌溉率C7,土壤有机质C8；社会系统B3包括人口自然增长率C9，人口密度C10，城市化率C11；经济系统B4包括粮食单产C12，人均GDPC13，第一产业贡献率C14；生态环境系统B5包括生态环境用水比例C15，污径比C16，工业废污水排放达标率C17。以现状水平年，计算得到区域指标的现状值。
进一步的，本发明的一种面向区域全口径用地类型差异化用水的以水定地合理配置方法，步骤S2，采用模糊综合评价法，分析评价现状水土资源配置合理性，确定区域水土资源配置现状合理性等级，具体的，模糊综合评价法是根据模糊数学的隶属度理论把定性评价转化为定量评价，即用模糊数学对受到多种因素制约的事物或对象做出一个总体的评价。本步骤具体包括以下几个步骤：S21确定S1得到的水土资源合理性评价指标体系的17个具体指标的权重，构造权重矩阵；其中，采用层次分析法确定各指标权重。S22将各评价指标划分为很好、较好、中等、较差、很差五个评价等级；S23计算各指标对各评价等级的隶属度，构造隶属度函数及模糊综合评判矩阵；S24将权重矩阵与模糊综合评判矩阵相乘，得到综合评价结果矩阵，采用最大隶属度法确定区域水土资源配置现状合理性等级(很好、较好、中等、较差、很差)。
进一步的，本发明的一种面向区域全口径用地类型差异化用水的以水定地合理配置方法，步骤S3，确定区域不同用地类型适宜的单位面积用水量中，先将《全国土地分类(试行)》中划分的67个三级地类进行归并，划分为3大类，分别为农用地，建设用地和未利用地，并细分为17小类。其中，农用地中的耕地全部以三级地类划分，其他都以二级地类划分。
归并后的农用地包括7小类：灌溉水田、水浇地、旱地、菜地、园地、林地、其他农用地；建设用地包括8小类：商服用地、工矿仓储用地、公用设施用地、公共建筑用地、住宅用地、交通运输用地、水利设施用地、特殊用地；未利用地包括2小类：未利用土地、其他土地。
然后，根据近五年各类土地实际的单位面积用水量，确定各类土地适宜的单位面积用水量。具体的，按照1-10％的用水量正常趋势确定各类土地适宜的单位面积用水量。
进一步的，本发明的一种面向区域全口径用地类型差异化用水的以水定地合理配置方法，进一步的，步骤S4构建区域以水定地合理配置模型，具体包括：
S41.从经济、社会、生态环境三方面，构建模型目标函数；
S42.从水资源、土地资源以及变量非负约束三方面，构建模型约束条件。
本发明的一种面向区域全口径用地类型差异化用水的以水定地合理配置方法，进一步的，步骤S41，从经济、社会、生态环境三方面，构建模型目标函数时，其中，在经济效益目标中，选取GDP作为主要经济效益指标，要求GDP尽可能大，经济效益目标函数表达式为：
式中，i表示用地类型；ki表示各类用地单位面积GDP，万元/hm2；xi表示各类用地面积，hm2。
其中，在社会效益目标中，选择粮食产量作为社会效益目标的表征指标，要求粮食产量尽可能大，社会效益目标函数表达式为：
式中ai表示各类用地的粮食综合单产，kg/hm2。
其中，在生态环境效益目标中，选择基于生态绿当量的植被覆盖率作为生态环境效益的表征指标。生态绿当量是指具有相当的生态功能的“绿量”，它包括：等量的光合作用、等量的流域区域生态功能。绿当量需要以一种生态系统类型作为度量标准，通常以森林的生态功能作为标准，其他绿色植被的绿量相对于等量森林面积的绿量的比率。具有绿量的用地主要包括林地、耕地、草地。水域具有景观、调节大气组成及净化空气等功能，是隐含绿当量的用量，难以量化。而城镇及工矿、交通用地及部分未利用地，则为不具备绿当量的用地。林地绿当量为1，在此引入耕地、草地与森林之间基于“绿量相当”的面积换算关系，定量测算流域区域的生态绿当量，具体换算比例见表1。
表1耕地、草地与林地之间全年平均绿当量换算比例
基于生态绿当量的植被覆盖率＝(森林面积+其他具有绿当量用地面积按“绿量相当”原则折合成的森林面积)/土地总面积，生态环境效益目标函数表达式为：
式中，gi表示各类用地的平均绿当量。
本发明的一种面向区域全口径用地类型差异化用水的以水定地合理配置方法，进一步的，步骤S42，从水资源、土地资源以及变量非负约束三方面，构建模型约束条件，其中，约束条件主要包括：需水量约束、土地总面积约束、后备土地资源约束、耕地面积保有量约束、人均建设用地标准约束、变量非负约束。
其中，需水量约束：各类用地需水总量不能超过一定供水保证率下的水资源可利用总量，表达式为：
式中，di表示各类用地单位面积用水量，m3/hm2；W表示水资源可利用总量，m3。
其中，土地总面积约束：各类用地面积之和应等于土地总面积，表达式为：
式中，S表示土地总面积，hm2。
其中，后备土地资源约束：考虑到对生态环境保护的需求，在土地利用结构调整中，有相当部分难以开发利用的沙地、裸岩石砾地以及维持生态环境的荒草地、沼泽地等未利用土地应予以保留；同时，为了维持河流、湖泊等水域功能，禁止侵占、填埋其他土地中的河流水面、湖泊水面，禁止围湖造地，其他土地中苇地、滩涂可以根据流域区域的具体情况和适宜性进行适度合理开发利用，但必须以不影响生态环境为前提。表达式为：
M1≤x18≤M2
M3≤x19≤M4
式中，M1、M2、M3、M4分别表示难以开发利用和生态脆弱的土地面积以及生态保护区面积之和、现状未利用土地面积、河流水面与湖泊水面以及难以开发利用和应保留的苇地、滩涂面积之和、现状其他土地面积，hm2。
其中，耕地面积保有量约束：考虑到人均耕地面积不应低于联合国粮农组织提出的0.8亩/人的警戒线，因此，耕地面积应大于国家和地方规定的耕地保有量，表达式为：
式中，L表示人均耕地面积下限控制指标，hm2/人；s'表示耕地面积保有量下限控制指标，hm2；R表示规划年人口数量，万人。
其中，人均建设用地标准约束：建设用地标准约束主要表现为政府或建设部门对建设用地指标控制，人均建设用地标准参考《村镇规划标准》(GB-50188-2007)制定，表达式为：
式中，c3、c4分别表示人均建设用地下限、上限值，hm2/人。
其中，变量非负约束：表达式为：
xi≥0，i＝1,2,3，…，17
本发明的一种面向区域全口径用地类型差异化用水的以水定地合理配置方法，进一步的，步骤S5，采用高斯优化混沌粒子群算法求解模型，得到区域最佳水资源利用方案与土地资源优化调整方案，其中，高斯优化混沌粒子群算法是在引入混沌原理的同时，引入高斯函数惩罚系数对标准的粒子群算法进行改进后而形成。
最佳水资源利用方案指合理配置后各类用地的水资源供给量结果；土地资源优化调整方案指合理配置后各类用地面积结果。同时，为了验证本发明中方法的有效性，进一步给出以水定地合理配置前后经济、社会、生态环境效益值对比结果。
具体操作时，将步骤S4获得的目标函数与约束变量条件输入MATLAB程序中，经多次运行，得到多组结果。然后，遵循经济、社会、生态环境综合效益最优的原则，选择一个能够代表三种效益都较高的解作为此次高淳区以水定地合理配置的推荐方案，其对应的各个变量即为区域各类土地最优面积。
进一步的，在S5，采用高斯优化混沌粒子群算法求解模型，得到区域最佳水资源利用方案与土地资源优化调整方案，还包括，根据S2的区域水土资源配置现状合理性等级，进行S5中以水定地合理配置的方案选择。
具体的，当区域水土资源配置现状合理性等级为很好、较好、中等时，选择社会、经济、效益综合最优的结果；
当区域水土资源配置现状合理性等级为较差、很差时，根据评价指标体系中社会系统、经济系统、生态环境系统各自的隶属度等级高低来选择S5中的方案。例如，评价指标体系中社会系统隶属度最低，说明社会系统造成现状水土资源配置合理性差，则在S5多方案选择时，选择社会效益最优的方案。
以下以高淳区为例，采用本发明的面向区域全口径用地类型差异化用水的以水定地合理配置方法，对其水资源进行合理分配、土地资源进行合理优化。
高淳区隶属于江苏省南京市，位于南京市最南端，地处北纬31°13′～31°26′、东经118°41′～119°12′。高淳区属北亚热带南部季风气候，四季分明，降水丰沛，但降雨量年内、年际相差较大，且空间分布不均，水质问题较为严重，过境水资源丰富但利用不足。
经调研发现，高淳区现状土地开发利用程度较高，土地利用类型以农用地为主，建设用地和其他土地所占比例较小；经济发展沿格网状轴线进行，土地利用空间分布差异明显；经济增长加快，土地利用集约度不断提高，城镇工矿用地集约度逐年提高；其他土地以湖泊水面和河流水面为主，不适宜进行大面积开发利用，耕地后备资源不足。经分析，高淳区现有供水工程的有效供水能力不足以满足经济社会用水需求，随着经济社会发展和人口增长，水资源和土地资源都将进一步得到开发利用，人水之间、人地之间、水与土地之间矛盾日益突出，迫切需要研究水土资源协调利用与合理配置，实现水资源刚性约束下土地资源高效、可持续利用。
S1.构建高淳区水土资源配置合理性现状评价指标体系，得到具体指标。
以2020年为现状水平年，计算得到高淳区17个指标的现状值，见表2。
表2高淳区水土资源配置合理性评价现状指标值
| 评价指标 | 现状指标值 | 评价指标 | 现状指标值 |
| 人均水资源量(m<sup>3</sup>/人) | 4724.89 | 人口密度(人/km<sup>2</sup>) | 53.76 |
| 水资源开发利用率(％) | 34.04 | 城市化率(％) | 46.70 |
| 产水系数 | 0.436 | 粮食单产(kg/km<sup>2</sup>) | 7163.29 |
| 水资源模数(万m<sup>3</sup>/km<sup>2</sup>·a) | 25.402 | 人均GDP(元/人) | 68111.64 |
| 人均耕地面积(km<sup>2</sup>/人) | 0.11 | 第一产业贡献率(％) | 9.23 |
| 复种指数(％) | 1.4 | 生态环境用水比例(％) | 6.56 |
| 耕地灌溉率(％) | 45.30 | 污径比 | 0.08 |
| 土壤有机质(％) | 2.30 | 工业废水排放达标率(％) | 98.80 |
| 人口自然增长率(‰) | 4.34 |
S2.采用模糊综合评价法，分析评价高淳区现状水土资源配置合理性，确定高淳区水土资源配置现状合理性等级。
应用层次分析法得到17个指标的权重值，构造出高淳区水土资源合理配置评价指标的权重矩阵A：
A＝[0.1045,0.1045，0.0325，0.0563，0.1261,0.0676,0.0364,0.0676,0.0851，0.0469，0.0258,0.0258,0.0851,0.0469,0.0479,0.0264,0.0145]
参考国内外已有研究成果和国际普遍认可的相关标准，划分各指标评价等级，如表3所示。计算各指标对各评价等级的隶属度，构造隶属度函数及模糊综合评判矩阵R：
由权重矩阵A和模糊综合评判矩阵R可确定高淳区水土资源合理配置的评价结果矩阵B：
B＝A·R＝[0.1395,0.2601,0.4297,0.1679,0.0026]
采用最大隶属度法得到高淳区水土资源配置程度的最终评价结果：
bk＝max{b1，b2，···，b5}＝b3＝0.4297，对于最终评价结果的等级划分如下：0.0-0.2：很差，0.2-0.4：较差，0.4-0.6：中等，0.6-0.8：较好，0.8-1.0：很好，因此高淳区现状水土资源配置程度属于中等水平。
高淳区现状水土资源配置合理性属于中等水平。未来高淳区土地资源利用应作出一定的调整。在农用地利用方面，应适当减少耕地占有面积，增加林地、园地面积，其中，耕地内部结构也应做适当的调整，因灌溉水田需水较多，为调节高淳区水资源结构，应将部分灌溉水田改建成旱地、水浇地及菜地，从而减少高淳区耕地对水资源的需求量；高淳区现在还存在着很大一部分土地未得到开发利用，为充分发挥土地资源综合效益，可规划开发这一部分土地。
S3.确定高淳区17小类不同类型用地适宜的单位面积用水量。
经分析，对于高淳区而言，在17小类中，旱地、其他农用地、交通运输用地、水利设施用地、特殊用地、未利用土地和其他土地对水资源需求为0，因此可以不考虑单位面积用水量。根据高淳区近五年各类土地实际的单位面积用水量，得到各类土地适宜的单位面积用水量如表4所示。
表3水土资源配置合理性评价指标体系评价指标分级
表4高淳区各类土地适宜单位面积用水量 单位：m3/hm2
| 土地类型 | 适宜单位面积用水量 | 土地类型 | 适宜单位面积用水量 |
| 灌溉水田 | 1.02 | 商服用地 | 0.13 |
| 水浇地 | 0.41 | 工矿仓储用地 | 1.58 |
| 菜地 | 0.43 | 公用设施用地 | 0.12 |
| 园地 | 0.11 | 公共建筑用地 | 0.14 |
| 林地 | 0.11 | 住宅用地 | 0.29 |
S4.构建区域以水定地合理配置模型。
S41.构建高淳区以水定地合理配置目标函数。
经济效益目标：根据高淳区各用地部门历年的用地面积和GDP统计资料，综合分析测算各类用地单位面积GDP。需要说明的是，特殊用地、住宅用地主要体现为社会效益，且其年经济效益难以量化，故将特殊用地、住宅用地和未利用地的经济效益系数均定为0。
max F1(X)＝2.1x1+1.4x2+1.2x3+2.7x4+1.5x5+1.2x6+0.8x7+96.6x8+102.4x9+24.5x10+10.5x11+26.3x12+0.6x14
社会效益目标：根据高淳区农业部门历年统计资料分析测算得到灌溉水田、水浇地以及旱地粮食综合单产分别为11300kg/hm2、10440kg/hm2、9800kg/hm2。
max F2(X)＝11300x1+10440x2+9800x3
生态环境效益目标：灌溉水田、旱地绿当量采用表3值，水浇地、荒草地、林地、商服用地、公共建筑用地、住宅用地、水利设施用地绿当量近似等于旱地绿当量，菜地、园地绿当量近似取1。
S42.构建高淳区以水定地合理配置约束条件。
需水量约束：本文选取偏枯水年(P＝75％)作为以水定地合理配置的水资源供给条件，经分析，偏枯水年高淳区水资源可利用总量为69323.45万m3。
1.02x1+0.41x2+0.43x4+0.11(x5+x6)+0.13x8+1.58x9+0.12x10+0.14x11+0.29x12≤69323.45
土地总面积约束：高淳区现有土地总面积为80180hm2，根据高淳区土地适宜性调查，分析了各类土地适宜面积。
x1≤20051，x2≤6480，x3≤21147
1085≤x4≤5357，x5≥2314，x6≥1950，11185≤x7≤11899
后备土地资源约束：高淳区目前有未利用土地面积566.6hm2，有其他土地面积3390.6hm2，按照每年不超过20hm2的速度开发利用，到2030年高淳区未利用土地面积应不低于366.6hm2，其他土地面积应不低于3190.6hm2。
366.6≤x16≤566.6
3190.6≤x17≤3390.6
耕地面积保有量：经预测，高淳区2030年总人口将达到438287人，耕地面积保有量为30500hm2。
x1+x2+x3+x4≥30500
人均建设用地标准约束：根据高淳区用地现状，参考《村镇规划标准》(GB-50188-2007)，确定人均建设用地标准上限指标为150m2/人，下限指标为50m2/人。
高淳区现状水平年商业用地、工矿仓储用地分别为1257hm2、1024hm2，根据逐年增长情况，分别按照每年10hm2、64hm2的增长速度，则2030商业用地、工矿仓储用地分别为1357hm2、1664hm2；高淳区现状水利设施用地面积为5089hm2，预测到2030年将增加2％左右，达到5191hm2；高淳区现状特殊用地面积为304hm2，考虑到墓葬地和集中规划的需要，用地面积将逐年减少，控制2030年特殊用地下限为274hm2。
1257≤x8≤1357
1024≤x9≤1664
x14≥5191
x15≥274
变量非负约束：xi≥0，i＝1,2,3，…，17
S5.运用高斯优化混沌粒子群算法求解模型，求解得到高淳区最佳水资源利用方案与土地资源优化调整方案。
将高淳区的目标函数与约束变量条件输入MATLAB程序中，经多次运行，得到100组结果，如附图3所示(其中X坐标表示经济效益，Y坐标表示社会效益，Z坐标表示生态环境效益)。鉴于高淳区现状水土资源配置合理性评价结果为中等，遵循经济、社会、生态环境综合效益最优的原则，选择一个能够代表三种效益都较高的解作为此次高淳区以水定地合理配置的推荐方案，其对应的各个变量xi即为高淳区各类土地最优面积，结果见表5。推荐方案下高淳区以水定地合理配置前后17小类、3大类土地面积对比情况，见图4、图5。高淳区以水定地合理配置效果评估结果，见图6。
表5高淳区以水定地合理配置结果
根据以上计算结果，分析得到高淳区以水定地合理配置结果如下：
至2030年，经合理配置后，高淳区农用地和未利用土地将有一定程度减少，相应地，建设用地将有所增加，该趋势基本符合高淳区未来土地利用结构总体变化趋势。2030年水资源需求量为22012万m3，相比于现状年减少了22％；经合理配置后，高淳区2030年水土资源合理利用下的经济、社会、生态环境效益分别比现状年提高了10％、8％、7％。可见，本发明专利提出的面向区域全口径用地类型差异化用水的以水定地合理配置方法较适用于高淳区，能在大大减少水资源需求量的情况下，有力提高土地资源利用的综合效益，对于实现高淳区水土资源的协调高效利用具有较大意义。
本发明提供的技术方案，不受上述实施例的限制，凡是利用本发明的结构和方式，经过变换和代换所形成的技术方案，都在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种面向区域全口径用地类型差异化用水的以水定地配置方法，其特征在于：包括以下步骤，
S1.构建区域水土资源配置合理性现状评价指标体系，得到具体指标；
S2.基于模糊综合评价法，分析评价现状水土资源配置合理性，确定区域水土资源配置现状合理性等级；
S3.确定区域不同用地类型适宜的单位面积用水量；
S4.构建区域以水定地合理配置模型；
S5.采用高斯优化混沌粒子群算法求解模型，得到区域最佳水资源利用方案与土地资源优化调整方案。
2.根据权利要求1所述的一种面向区域全口径用地类型差异化用水的以水定地配置方法，其特征在于：
S1中，建立由目标层，准则层和评价指标组成的评价指标体系；
所述的目标层包含一个目标，即水土资源合理配置程度；
准则层包括水资源系统、土地资源系统，此为主体；社会系统、经济系统和生态环境系统，此为客体；
评价指标为，水资源系统包括人均水资源量，水资源开发利用率，产水系数，水资源模数；
土地资源系统包括人均耕地面积，复种指数，耕地灌溉率,土壤有机质；
社会系统包括人口自然增长率，人口密度，城市化率；
经济系统包括粮食单产，人均GDP，第一产业贡献率；
生态环境系统包括生态环境用水比例，污径比，工业废污水排放达标率。
3.根据权利要求2所述的一种面向区域全口径用地类型差异化用水的以水定地配置方法，其特征在于：
S2中，包括以下步骤：
S21确定S1得到的水土资源合理性评价指标体系的具体指标的权重，构造权重矩阵；
S22将各评价指标划分为很好、较好、中等、较差、很差五个评价等级；
S23计算各指标对各评价等级的隶属度，构造隶属度函数及模糊综合评判矩阵；
S24将权重矩阵与模糊综合评判矩阵相乘，得到综合评价结果矩阵，采用最大隶属度法确定区域水土资源配置现状合理性等级。
4.根据权利要求1所述的一种面向区域全口径用地类型差异化用水的以水定地配置方法，其特征在于：
S3，确定区域不同用地类型适宜的单位面积用水量，为根据近年各类土地实际的单位面积用水量，确定各类土地适宜的单位面积用水量。
5.根据权利要求4所述的一种面向区域全口径用地类型差异化用水的以水定地配置方法，其特征在于：所述用地类型包括农用地，建设用地和未利用地；
农用地包括灌溉水田、水浇地、旱地、菜地、园地、林地、其他农用地；
建设用地包括商服用地、工矿仓储用地、公用设施用地、公共建筑用地、住宅用地、交通运输用地、水利设施用地、特殊用地；
未利用地包括未利用土地和其他土地。
6.根据权利要求1所述的一种面向区域全口径用地类型差异化用水的以水定地配置方法，其特征在于：
S4构建区域以水定地合理配置模型包括：
S41.从经济、社会、生态环境三方面，构建模型目标函数；
S42.从水资源、土地资源以及变量非负约束三方面，构建模型约束条件。
7.根据权利要求6所述的一种面向区域全口径用地类型差异化用水的以水定地配置方法，其特征在于：
步骤S41，经济效益目标函数表达式为：
式中，i表示用地类型；ki表示各类用地单位面积GDP，万元/hm2；xi表示各类用地面积，hm2；
社会效益目标函数表达式为：
式中ai表示各类用地的粮食综合单产，kg/hm2；
生态环境效益目标函数表达式为：
式中，gi表示各类用地的平均绿当量。
8.根据权利要求7所述的一种面向区域全口径用地类型差异化用水的以水定地配置方法，其特征在于：
步骤S42，约束条件包括：需水量约束、土地总面积约束、后备土地资源约束、耕地面积保有量约束、人均建设用地标准约束、变量非负约束；
需水量约束表达式为：
式中，di表示各类用地单位面积用水量，m3/hm2；W表示水资源可利用总量，m3；
土地总面积约束表达式为：
式中，S表示土地总面积，hm2；
后备土地资源约束表达式为：
M1≤x18≤M2
M3≤x19≤M4
式中，M1、M2、M3、M4分别表示难以开发利用和生态脆弱的土地面积以及生态保护区面积之和、现状未利用土地面积、河流水面与湖泊水面以及难以开发利用和应保留的苇地、滩涂面积之和、现状其他土地面积，hm2；
耕地面积保有量约束表达式为：
式中，L表示人均耕地面积下限控制指标，hm2/人；s'表示耕地面积保有量下限控制指标，hm2；R表示规划年人口数量，万人；
人均建设用地标准约束表达式为：
式中，c3、c4分别表示人均建设用地下限、上限值，hm2/人；
变量非负约束表达式为：
xi≥0，i＝1,2,3，…，17。
9.根据权利要求7或8所述的一种面向区域全口径用地类型差异化用水的以水定地配置方法，其特征在于：
S5的方法为，将步骤S4获得的目标函数与约束变量条件输入MATLAB程序中，经多次运行，得到多组结果；
然后，根据S2的区域水土资源配置现状合理性等级，进行S5中以水定地合理配置的方案选择。
10.根据权利要求9所述的一种面向区域全口径用地类型差异化用水的以水定地配置方法，其特征在于：
根据S2的区域水土资源配置现状合理性等级，进行S5中以水定地合理配置的方案选择的方法为，
当区域水土资源配置现状合理性等级为很好、较好、中等时，选择社会、经济、效益综合最优的结果；
当区域水土资源配置现状合理性等级为较差、很差时，根据评价指标体系中社会系统、经济系统、生态环境系统各自的隶属度等级高低选择S5中的方案。
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