基于空间适宜性评价和人口承载力的贵溪市中心城区城市开发边界的划定
钟珊a, 赵小敏a,*, 郭熙a, 叶英聪a,b, 李伟峰a
江西农业大学 a. 江西省鄱阳湖流域农业资源与生态重点实验室, b. 林学院,南昌 330045
*通信作者简介:赵小敏(1962- ),男,教授,博士生导师,主要从事土地利用与规划、资源环境、遥感与地理信息统等研究。E-mail: zhaoxm889@126.com

第一作者简介:钟珊(1992- ),女,江西赣州人,硕士研究生,主要从事土地资源管理研究。E-mail: 510695029@qq.com

摘要

城市开发边界的划定能够合理引导城市空间的有序发展,控制其无序蔓延。论文以典型的资源型城市贵溪市为研究区,从空间适宜性评价、人口承载力、城市规模以及城市总体规划和土地利用总体规划(简称“两规”)衔接等方面探索有效的城市开发边界划定方法。空间适宜性评价综合考虑自然、空间可达性和生态条件,运用聚类分析法确定区域内不宜作为开发建设的生态底线区域和适宜建设开发区域的高低等级,以此确定城市开发边界的发展方向。通过灰色预测GM(1,1)模型预测研究区2020年人口总量,并基于土地资源和水资源承载力验证当地所能容纳的最大人口总量,同时确定城市规模和划定城市开发边界。以空间适宜性评价、人口承载力、城市规模预测、两规衔接和空间形态控制等方法倒逼缩减建设用地,从而划定城市发展的刚性和弹性增长边界。

关键词: 空间适宜性评价; 人口承载力; 两规衔接; 灰色预测模型; 城市开发边界
中图分类号:TU984.11+3 文献标志码:A 文章编号:1000-3037(2018)05-0801-12
Delimitation of Urban Growth Boundary Based on Spatial Suitability Evaluation and Population Carrying Capacity in Guixi County
ZHONG Shana, ZHAO Xiao-mina, GUO Xia, YE Ying-conga,b, LI Wei-fenga
a. Key laboratory of Poyang Lake Watershed Agricultural Resources and Ecology of Jiangxi Province, b. College of Forestry, Jiangxi Agricultural University, Nanchang 330045, China
Abstract

Delimitation of urban growth boundary can guide the orderly development of urban space and effectively control the unordered urban sprawl. Taking the typical resource city Guixi as the research object, this paper explores effective urban growth boundary delimitation methods from the aspects of spatial suitability evaluation, population carrying capacity, city scale and two-plan (urban master planning and land-use planning) integration connection. The spatial suitability evaluation takes the natural, spatial accessibility and ecological conditions into consideration and determines the ecological baseline for area not suitable for development and suitability levels for area suitable for development area through the cluster analysis. The baseline and the suitability levels are used to determine the development direction of urban growth boundary. The population of 2020 is forecasted through model of GM(1,1), and the maximum local population is verified based on land resources and water resources. Meanwhile, the urban size is predicated and the sphere of urban growth boundary is delimited. The construction land is reduced by means of spatial suitability evaluation, population carrying capacity, city scale prediction and two-plan integration connection, and thus, the rigid boundary and elastic boundary can be delimited.

Keyword: spatial suitability evaluation; population carrying capacity; two-plan integration connection; model of GM(1,1); urban growth boundary

随着我国城市化进程的快速发展, 城市规模迅速扩张, 导致了一系列以经济增长— 外延式扩展为导向的城市空间粗放式增长和以交通设施建设为导向的城市空间过度扩展的问题[1]。当前由于对城市空间增长管理不当, 从而引发社会、经济、生态环境等各种问题:如由粗放式的土地利用方式导致土地资源的浪费和耕地资源急剧减少, 生态环境因城市的无序蔓延而趋于破碎, 环境质量屡遭破坏, 生物多样性衰弱, 城市空间开发边界日趋模糊[2]。2014年7月, 国土资源部、住房和城乡建设部联合召开“ 划定城市开发边界试点工作启动会” , 确定北京、厦门、武汉等14个城市作为试点开展城市开发边界的划定工作, 这是国家层面首次明确“ 城市开发边界” 的表述, 并提出划定城市开发边界的要求。由此可见, 城市开发边界的划定已经作为解决我国城市发展问题的有效手段之一。

国内外研究学者对城市开发边界划定进行了一些探索, 研究思路主要包括城市开发边界的划定理念和传统划定方法[3, 4, 5]。传统的城市开发边界划定方法主要包括动态模拟和静态分析, 具体的技术手段主要包括CA模型、BP神经网络模型、SLEUTH模型、GIA模型和生态适宜性评价等[6, 7]。近年来, 国内部分城市开始尝试城市开发边界的划定实践。主要有王振波等[8]基于反规划理念, 从资源环境承载力的角度出发构建滨湖城市空间增长模型, 并划定弹性增长边界和作为城市扩展生态底线的刚性增长边界。曹靖等[9]从城市用地限制性和适宜性评价出发, 采用ArcGIS中的空间分析模块, 模拟生态约束条件下的城市空间增长趋势, 探索城市开发边界的划定方法与思路。吴左宾等[10]以紧凑理念为引导, 通过边界基准模拟、边界比较择优和现实发展校验3个步骤对米脂县进行空间增长边界的划定。以上学者均从不同角度对城市开发边界的划定研究进行了一些探索, 具有一定借鉴意义, 但较少考虑空间适宜性评价与资源环境对人口的承载力相结合的方法来确定城市开发边界。

本文的研究目的即结合当前城市空间扩展所面临的问题, 以贵溪市中心城区城市开发边界为研究对象, 引入资源环境承载力的理念, 通过对研究区进行空间适宜性评价和人口承载力评价, 科学识别最适宜建设开发的土地资源, 充分贯彻生态优先和精明增长的理念, 对城市开发刚性边界和弹性边界进行合理有效的划分与界定, 力求从资源环境承载角度对城市开发边界完成一些摸索, 以期为有效抑制城市蔓延、引导城市合理开发提供科学依据[11]

1 研究区概况与数据来源
1.1 研究区域概况

研究区为贵溪市, 位于江西省东北部、信江中游, 地理坐标介于116° 55′ 21″~117° 28′ 6″E、27° 50′ 53″~28° 37′ 33″N之间。该区光照充足, 雨量丰沛, 无霜期较长, 为亚热带温室气候区。地貌类型以山地、丘陵为主, 包含特殊的丹霞地貌; 土壤类型主要为红壤。中心城区所在行政区包括花园街道、东门街道、雄石街道等3个街道和滨江镇、泗沥镇、河潭镇、流口镇、雷溪镇、罗河镇等6个乡镇, 是市域的政治、经济、文化和公共服务中心, 象山文化旅游目的地, 城市建设和产业发展的主要载体。中心城区土地总面积为20 256.46 hm2, 其中农用地11 908.31 hm2, 建设用地5 871.42 hm2, 占土地总面积的28.99%; 2014年末中心城区总人口21.81万人, 占市域城镇总人口的66%, 城镇化率达到58%; 2014年全市生产总值达337亿元, 同比增长8.3%; 财政总收入43.22亿元, 同比增长5.1%; 实现地方财政收入29.18亿元, 同比增长11.5%。贵溪因铜设市、因铜兴市, 被誉为“ 中国新兴铜都” , 是“ 中国再生资源循环利用基地” , 被评为全国县域经济与县域基本竞争力百强县之一。

1.2 数据来源

本文研究过程中用到的数据主要来源于:贵溪市2014年度土地变更调查数据库, 包含了1:10 000土地利用现状图、坡度图和各地类图斑面积相关属性; 2014年贵溪市乡级规划数据库, 包含了永久基本农田划定成果; 2013年耕地质量等别更新数据库, 包含了农用地分等定级数据; 贵溪市土地利用总体规划图(2006— 2020年)、城市总体规划图(2013— 2030年)、生态功能区划、环境功能区划等已有规划成果; 江西省生态红线保护区图、区域地质灾害调查评价图、江西省地面塌陷易发分区图等数据。基于ArcGIS 9.3和MATLAB R2014a软件, 对基础数据进行处理、对贵溪市中心城区进行用地适宜性评价和人口规模预测, 进而划定2020年贵溪市中心城区城市开发边界以及刚性和弹性增长边界。

2 研究方法
2.1 研究思路与技术路线图

城市开发边界的一般划定思路是以保护生态环境、节约集约用地以及优化空间 结构为主线, 统筹考虑区域人口、资源、环境和国土空间要素, 从国土空间限制性及 适宜性、资源环境承载能力、城市规模预测3个方面的评价入手, 综合确定城市开发 边界[12, 13]

本文以贵溪市中心城区作为研究对象, 通过对区域进行空间适宜性评价判断地块的适宜开发程度, 将高等宜建地和中等宜建地区域作为中心城区城市开发边界的重点开发区域, 明确城市空间发展战略方向; 采用灰色预测GM(1, 1)模型预测研究区2020年人口规模, 并通过土地资源和水资源验证当地的人口承载力, 根据木桶原理确定区域所能承载的最大人口规模, 确定城市规模, 控制城市空间形态。综合二者所确定的方向与规模, 以城市总体规划和土地利用总体规划(简称“ 两规” )共同的建设用地图斑为基础, 最终确定贵溪市2020年中心城区的城市开发边界, 控制城市的无序蔓延(图1)。

图1 贵溪市中心城区城市开发边界划定技术路线图Fig. 1 The technology roadmap of urban growth boundary delimitation

2.2 中心城区空间适宜性评价

2.2.1 评价因子的选取与权重的确定

空间适宜性评价因子的选取是评价的关键, 评价因子的科学与否将会直接影响评价结果的准确性[8]。本文选取贵溪市中心城区为研究区域, 在前人研究的基础上, 从自然条件、空间可达性和生态条件三方面选取13个指标作为评价因子。其中永久基本农田、生态红线区以及突发地质灾害高易发区等3个因子作为特殊因子, 地震活跃、一般农用地、坡度、突发地质灾害、蓄滞洪区、采空塌陷区、难以利用土地、距中心城镇的距离、距国道距离和距公路距离等10个因子作为一般因子。对于特殊因子通过极限条件法直接判定评价单元适宜与否, 而一般因子根据中心城区空间适宜性程度进行量化分级, 并邀请同行业的专家根据实地情况和评价因子敏感程度的不同来判断因子的重要程度, 采用层次分析法和专家打分法确定各评价因子的权重[14, 15]。通过将评价因子分为特殊因子和一般因子两类, 使评价指标体系更趋科学合理。评价因子赋值情况及权重见表1

表1 贵溪市中心城区空间适宜性评价指标体系及权重 Table 1 Indices and weights of spatial suitability evaluation of central Guixi

2.2.2 评价方法

本文通过限制系数法与适宜性指数法相结合的方法来计算评价区域每一块评价单元的空间适宜性分值[16], 在IBM SPSS Statistics 22软件中通过K均值聚类分析法[17, 18]划分高等宜建地、中等宜建地、低等宜建地和不宜建设区等4个不同的适宜等级。K均值聚类分析法以各个聚类子集内所有数据样本的均值作为该聚类的代表点, 其主要思想是通过迭代过程把数据集划分为不同的类别, 使得评价聚类性能的准则函数达到最优, 从而使生成的每个聚类内紧凑。计算公式如下:

E=j=1mFjk=1nwkfk(1)

式中:E为综合适宜性分值; j为特殊因子编号; k为一般因子编号; Fj为第j个特殊因子适宜性分值; fk为第k个一般因子适宜性分值; wk为第k个一般因子的权重; m为特殊因子个数; n为一般因子个数。

2.2.3 评价结果

运用ArcGIS 10.2和IBM SPSS Statistics 22软件处理分析得到贵溪市中心城区空间适宜性评价结果。具体的分区标准和空间分布见表2和图2。

表2 贵溪市中心城区空间适宜性等级划分标准与面积分布情况 Table 2 The classification standard and area distribution of spatial suitability levels in central Guixi

图2 贵溪市中心城区空间适宜性等级分布示意图Fig. 2 Spatial suitability levels of central Guixi

2.3 中心城区人口规模预测

人口预测是否科学准确直接关系到城市规模预测的合理性与实用性, 灰色预测GM(1, 1)模型可以在信息量较少的情况下得到较精确的预测结果, 再根据区域土地资源承载力和水资源承载力进行验证, 统筹考虑区域可承载的人口规模, 明确城市空间扩展范围, 科学划定城市开发边界。由于无法收集到直接的中心城区人口数据, 本文通过区域平衡法, 根据市域总人口和城镇化水平预测城镇人口, 进而通过中心城区人口占城镇人口的比重来预测2020和2025年贵溪中心城区的总人口。

2.3.1 灰色预测GM(1, 1)模型

灰色模型是对时间序列数据预测的一种常见的模型, 其实质是对原始序列作一次累加生成, 然后建立一阶线性微分方程模型, 得到迭代函数对系统进行预测[19]。本文选取我国1980年计划生育后贵溪市2005— 2014年的人口数据进行误差检验, 得出灰色预测模型, 对2015— 2020年的人口规模进行预测, 可达到较为理想的精度(表3)。经预测, 2020年贵溪市总人口将达到60.14万人, 2025年将达到63.97万人。

表3 灰色预测GM(1, 1)预测结果 Table 3 The predict results of the model of GM(1, 1)

根据贵溪市城镇化发展规律与“ 十三五” 规划目标可知, 2020年贵溪市城镇化水平将达到68%, 中心城区人口占城镇人口的比例将达到73%。由灰色模型预测得知2020年贵溪市总人口达到60.14万人, 可得出中心城区人口为29.85万人; 2025年城镇化水平达到73%, 中心城区人口占城镇人口的比例将达到76%, 由灰色模型预测得知2025年贵溪市总人口达到63.97万人, 则中心城区人口将达到35.49万人。灰色预测GM(1, 1)模型迭代公式及预测结果如下:

X(1)(k+1)=[X(0)(1)+53.49600.0071]e0.0071k-53.49600.0071(2)

2.3.2 人口规模的土地资源承载力与水资源承载力验证

1)土地资源承载下的人口规模

POPLS=CLA/CLPC(3)

式中:POPLS表示土地资源承载的人口规模; CLA表示建设用地适宜性面积; CLPC表示人均建设用地面积标准。

根据《建筑气候区划标准GB50178— 93》[20], 贵溪市中心城区属于Ⅲ 类气候区。2014年贵溪市中心城区现状人均城市建设用地高达159.68 m2/人, 人均用地指标过大, 处于人均建设用地面积> 120 m2/人档次, 依据允许调整幅度控制指标, 贵溪市规划人均建设用地指标的调整范围为< 0 m2, 即人均建设用地面积只能降低。因此, 根据《城市用地分类与规划建设用地标准(GB50137— 2011)》[21], 结合当地的实际情况以及未来的发展趋势, 贵溪中心城区新增城镇人口人均城镇用地调整为2020年105 m2/人, 2025年100 m2/人。根据贵溪市中心城区空间适宜性评价, 将高等宜建地和中等宜建地作为2020年建设用地适宜性面积, 共8 866.56 hm2, 通过计算, 贵溪市中心城区土地资源可承载的人口为84.44万人, 对本文预测的29.85万人和35.49万人容量均没有限制。《城市用地分类与规划建设用地标准(GB50137— 2011)》中的人均建设用地标准及调整幅度见表4

表4 各指标级别允许调整幅度情况 Table 4 The allowed adjustment range of each index level

2)水资源承载下的人口规模

POPWS=WA/WCPC(4)

式中:POPWS表示水资源承载的人口规模; WA表示区域可供给的用水量; WCPC表示适宜的人均综合用水量。

根据城市人均综合用水标准, 贵溪市中心城区属于第一类区域 [用水标准0.7~1.1万m3/(万人· d)] 之列。选取0.9万m3/(万人· d)作为贵溪市中心城区适宜的人均综合用水量, 通过自来水产资料和水文数据收集, 可知贵溪市中心城区可供水总量约1.78亿m3, 通过计算可知, 贵溪市2020年水资源可承载的人口为54.19万人, 对本文预测的29.85万人和35.49万人容量均没有限制。

从土地资源和水资源两个方面来验证区域的人口承载力, 根据生态学上的最小限制因子即“ 木桶” 理论[22]验证发现, 灰色预测模型确定的人口规模均在土地资源和水资源承载力范围内。

2.4 城市规模预测

2014— 2020年, 贵溪市中心城区人口增加了8.04万, 根据2020年人均建设用地规模105 m2/人, 城镇建设用地应增加844.20 hm2, 则贵溪市中心城区2020年城镇用地规模为4 445.86 hm2; 2014— 2025年, 贵溪市中心城区人口增加了13.68万, 根据2025年人均建设用地规模100 m2/人, 城镇建设用地应增加1 368 hm2, 得出2025年城镇用地规模为 4 969.66 hm2

3 中心城区城市开发边界的划定
3.1 划定方法

3.1.1 根据空间适宜性评价结果定发展方向

在考虑当地城市发展规划的基础上, 以贵溪市中心城区空间适宜性评价结果来确定其城市开发边界的发展方向。即优先朝着高等宜建地和中等宜建地方向发展, 重点向已建成区的北部和西部以及沿着信江的东西走向发展。南部多为低等宜建地和不宜建设区, 应控制其发展规模的扩大, 确保生态环境不遭到破坏和基本农田不被建设占用, 实现当地的粮食安全和生态安全。

3.1.2 以未来城市规模确定边界范围

通过灰色预测模型和资源环境承载力得出2020年中心城区人口总量将达到29.85万人, 城市规模将达到4 445.86 hm2; 2025年中心城区人口总量将达到35.49万人, 城市规模将达到4 969.66 hm2, 以此确定城市开发边界范围的大小, 科学划定城市开发边界, 控制城市的无序蔓延, 引导城市合理发展。

3.2 中心城区城市开发边界的划定

通过对研究区进行空间适宜性评价、人口规模预测以及城市规模预测可知, 中心城区2020年的规模将达到4 445.86 hm2。为了使开发边界既符合资源环境的要求, 也能与两规同步, 开发边界的划定以两规共同的建设用地图斑为基础, 保持两规一致; 然后根据空间适宜性评价结果与预测的城市总规模进一步划定具体的边界, 优先朝高等宜建地和中等宜建地扩展开发。经统计, 贵溪市2020年中心城区城市开发边界占地面积为 4 452.91 hm2, 占总面积的21.98%, 与预测规模仅相差7.05 hm2。充分借助研究区内信江、象山等自然生态景观要素, 以生态优先、精明增长理念为指导, 划定2020年贵溪中心城区城市开发边界, 形成“ 一城两河三岸、一心四轴四区” 的发展框架, 主要包括城北、城中、城南和城西四大片区(图3)。

图3 贵溪市中心城区城市开发边界示意图Fig. 3 Urban growth boundary of central Guixi

3.3 刚性增长边界的划定

刚性增长边界是城市扩展所不能逾越的红线, 是城市增长的“ 天花顶” , 也是城市 发展的生态安全底线, 应严格控制, 不得逾越[23]。贵溪市中心城区刚性边界占地面积为7 932.61 hm2(图3), 占总面积的39.16%, 主要包括高等宜建地、中等宜建地和低等宜建地, 除去包括生态红线区、基本农田保护和突发地质灾害高易发区在内的不宜建设区, 在保障中心城区最大发展限度的同时保证“ 生态安全底线” 不遭到破坏。边界外应实施严格的生态保护, 禁止一切以追求经济利益为目的的开发建设行为[24]

3.4 弹性增长边界的划定

以预测的2025年中心城区开发边界作为弹性增长边界。通过GM(1, 1)模型预测, 2025年中心城区人口总量将达到35.49万人, 城市规模为4 969.66 hm2, 划定弹性增长边界, 预留弹性发展空间, 满足城市发展需求。弹性边界在2020年城市开发边界的基础上, 优先朝高等宜建地和中等宜建地方向开发建设(图3), 经统计, 贵溪市中心城区弹性增长边界占地面积为 4 452.91 hm2, 与预测规模仅相差7.05 hm2。通过对2025年开发边界的预测可知, 贵溪市中心城区未来拓展方向为“ 完善东西、拓展南北” , 东侧以规划贵资高速和信江为界, 推动存量土地开发建设; 西侧至罗河镇工业园西侧一线, 以大面积新区开发建设为主; 南向以规划国道G320线和象山保护区为界, 大面积开发新城, 同时注重现有城市的更新完善; 向北拓展至沪昆高速铁路为界, 以大面积新城开发为主。

4 结论与讨论

本文主要从空间适宜性、人口承载力、城市规模预测和两规衔接的角度出发探讨中心城区城市开发边界的划定方法。研究结果主要有以下几点:

1)通过进行空间适宜性评价可知, 贵溪市中心城区高等宜建地和中等宜建地的面积占总面积的43.77%, 宜建面积与不宜建面积比例为1.64:1, 同时有7 684.99 hm2土地位于不适宜建设区, 需要严格控制此区域的开发建设行为, 保护生态安全底线不遭到破坏。运用灰色预测GM(1, 1)模型预测人口总量, 再进一步通过土地资源和水资源对人口承载力进行验证, 保证了城市规模的科学性与合理性。

2)通过对研究区进行空间适宜性评价、人口规模预测以及城市规模预测, 2020年中心城区城市规模为4 445.86 hm2。为了使开发边界既符合资源环境的要求, 也能与两规衔接, 开发边界以两规共同的建设用地图斑为基础, 优先朝着空间适宜性评价等级较高的高等宜建地和中等宜建地划定城市开发边界。经统计, 贵溪市中心城区2020年城市开发边界占地面积为4 452.91 hm2, 占总面积的21.98%, 与预测规模仅相差7.05 hm2。充分借助研究区内信江、象山等自然生态景观要素, 以生态优先、精明增长理念为指导, 划定2020年贵溪中心城区城市开发边界, 形成“ 一城两河三岸、一心四轴四区” 的发展框架, 主要包括城北、城中、城南和城西四大片区。

3)贵溪市中心城区刚性边界占地面积为7 932.61 hm2, 占总面积的39.16%, 主要包括高等宜建地、中等宜建地和低等宜建地, 除去包括生态红线区、基本农田保护和突发地质灾害高易发区在内的不宜建设区, 在保障中心城区最大发展限度的同时保证“ 生态安全底线” 不遭到破坏。边界外应实施严格的生态保护, 禁止一切以追求经济利益为目的的开发建设行为。

4)本文以规划的2025年城市开发边界作为弹性增长边界, 在2020年中心城区城市开发边界的基础上, 结合当地切实需求, 优先拓展空间适宜性评价等级较高的高等宜建地和中等宜建地, 经计算, 弹性边界面积为4 977.06 hm2, 占总面积的24.57%, 弹性增长边界的划定能够更好地预留合理的发展空间, 满足城市发展需求, 合理控制未来的发展方向和趋势。

本文结合当前生态安全受到严重威肋和土地资源日益紧缺等问题, 以贵溪市中心城区城市开发边界为主要研究对象, 引入资源环境承载力的理念[25], 通过对研究区进行空间适宜性评价和人口承载力评价, 科学识别最适宜建设开发的土地资源, 体现了生态优先和精明增长的理念。对贵溪市中心城区近期2020年城市开发边界、2025年弹性增长边界以及不可逾越的刚性增长边界进行合理有效的划分与界定, 从资源环境承载角度对城市开发边界进行探索, 以期为有效抑制城市蔓延、引导城市合理开发提供一些理论依据[26, 27]。本文选取了13个指标作为城市开发边界的影响因子, 但其科学性与全面性还有待在今后的研究中不断加以充实与完善。

The authors have declared that no competing interests exist.

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