丘陵山區城鎮擴展邊界劃定研究

宋永通 張安明 郭歡歡

摘要：為了協調丘陵山區城鎮發展與生態保護的關系，促進土地資源的節約集約利用，以典型丘陵山區重慶市江津區為例，運用建設用地適宜性評價和CA-Markov模型相結合的方法劃定江津區2030年城鎮用地擴展邊界。結果顯示，江津區2030年城鎮用地擴展邊界內面積為199.57 km2，占江津區土地總面積的6.2%;不同于平原地區的集聚組團擴展，江津區城鎮擴展的形態主要為條帶狀;中心城區和東部中心鎮、中部中心鎮、西部中心鎮是其城鎮擴展的主要增長極;擴展的方向大致呈“十字”方向，具體主要是沿增長極四周擴展以及沿長江和各交通主干道擴展。

關鍵詞：城鎮擴展邊界;丘陵山區;適宜性評價;CA-Markov模型;江津區

中圖分類號：F301.2? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）05-0029-07

Abstract： In order to coordinate the relationship between urban development and ecological protection in hilly and mountainous areas， and promote the intensive and economical use of land resources， taking Jiangjin district of Chongqing as an example， the boundary of urban land use expansion in Jiangjin district in 2030 was delineated using the method of combining the suitability evaluation of construction land and CA-Markov model. The results show that the area within the boundary of urban land expansion in Jiangjin region in 2030 is 199.57 km2， which accounts for 6.2% of the total land area of Jiangjin district. Different from the agglomeration and group expansion in plain area， the form of urban expansion in Jiangjin district is mainly zonal， the central city， the central town in the east， midland and the west are the main growth poles of the urban expansion. And the direction of the expansion is "cross"， which mainly extends around the growth pole and along the Yangtze River and the main roads of traffic.

Key words： urban expansion boundary; hilly area; suitability evaluation; CA-Markov model; Jiangjin district

中國快速城鎮化進程中最突出最尖銳的兩個問題是生態環境的惡化和土地資源供需嚴重失衡[1]。當今城市的無序蔓延和快速擴張使中國城鎮化面臨嚴峻挑戰，日益擴張的建設用地嚴重威脅著生態環境保護區的安全平衡[2]。與此同時，中國仍處于城鎮化快速發展階段，城市的經濟增長、產業發展及人口集聚仍需要更多的城鎮建設用地[3]。城市擴展邊界管理技術注重城市發展與環境保護的共贏，是解決當前城鎮化過程中的問題和未來城鎮化潛在問題的有效手段。

城市擴展邊界（UGB）源于美國的精明增長、新城市主義等思潮，已被諸多歐美發達國家運用于城市管理實踐當中[4-6]。中國對城市擴展邊界的研究始于2006年《城市規劃編制辦法》提出的中心城區空間增長邊界;2013年中央城鎮化工作會議提出城市規劃由擴張轉向限定邊界優化結構，要建立統一的空間規劃體系、限定城市發展邊界、劃定城市生態紅線，“一張藍圖”干到底;為了構建良好的城鎮體系，中國在2016年土地利用規劃調整與完善中又進一步強調劃定城鎮用地增長邊界;黨的十九大報告明確指出：“堅持底線思維，科學劃定生態保護紅線、永久基本農田、城鎮開發邊界三條控制線，優化‘三生空間，保障美麗中國建設”。自UGB提出以來，國內許多專家學者開展了大量理論和實證研究。龍瀛等[7]利用約束性CA對北京市城市擴展邊界進行了探索;王玉國等[8]基于土地生態適宜性評價對深汕特別合作區的城市擴展邊界進行了研究;楊振等[9]采用最小累計阻力模型研究不同情境下洱海流域城鎮用地擴展邊界的劃分問題，并提出了一套兩級分區體系;朱壽紅等[10]基于“反規劃”理念及FLUS模型對徐州市賈汪區城鎮用地增長邊界進行了劃定。綜合大量文獻，筆者發現城市擴展邊界研究雖然取得豐富成果，但丘陵山區城市應用研究較少。對于山地城市空間形態演變、空間結構分析和規劃設計等方面已經開展了大量研究工作[11-14]，但并未引入城市擴展邊界研究。由于缺乏基礎研究，目前城市擴展邊界對丘陵山區城市空間發展未達到預期引導和控制的效果[15]。

相比平原地區，丘陵山區人地矛盾更為突出，建設用地圖斑更加破碎，在中國糧食安全和生態安全宏觀格局中更具有代表性。在新型城鎮化背景下，研究丘陵山區城鎮空間形態特征、城鎮增長演變、區域生態安全格局更為緊迫。因此，將城市擴展邊界應用在丘陵山地還需要深入研究?；诖?，本研究選取典型丘陵山區重慶市江津區為對象，采用建設用地適宜性評價和CA-Markov模型相結合的劃定方法，并根據其近期規劃最終確定江津區2030年城鎮擴展邊界，以期為丘陵山區城市規劃提供參考。

1? 研究區概況和數據來源

1.1? 研究區概況

江津區位于重慶市西南部，地理位置為東經105°49′—106°38′，北緯28°28′—29°28′。東臨重慶市巴南區、綦江區，西接重慶市永川區、四川省合江區，南鄰貴州省習水縣，北靠重慶市璧山區、九龍坡區、大渡口區，是川東褶皺帶和川黔南北構造帶的過渡地帶，地勢南高北低，海拔介于178.5～1 709.4 m，以低山和丘陵為主，低山丘陵占土地總面積的96.9%，地質環境脆弱。據江津區統計年鑒，江津區轄4個街道、25個鎮，2015年江津區生產總值為605.59億元，其中第一、第二、第三產業分別為75.47億、357.41億、172.71億元，分別占總產值的12.46%、59.02%、28.52%;常住人口133.19萬人，其中城鎮人口84.86萬人，城鎮化率為63.71%;土地總面積3 218 km2，其中城鎮建設用地面積為85.64 km2，占土地總面積的2.66%。

1.2? 數據來源

本研究所使用的經濟及人口數據來源于江津區統計年鑒，其他數據來源如表1所示。

2? 江津區城鎮建設用地適宜性評價

2.1? 禁建區構建

為了最大限度保護生態環境、自然和歷史文化環境，發展經濟的同時更加注重生態環境的保護，形成國土生態屏障，建立起生態安全格局，維護和擴大城鄉綠色空間[16]。本研究選取江津區生態保護紅線核心區、地質災害嚴重區、活動斷層區、采空塌陷區4個剛性因子，通過ArcGIS10.2空間技術進行疊加分析，以此來構建江津區禁建區。這4個因子是保護丘陵山區生態可持續發展的重要前提，是城市擴展所不能逾越的界限。

1）生態保護紅線核心區。面積為606.94 km2，占江津區土地總面積的18.86%。紅線核心區域主要分布在北部淺丘城鄉高度發展區的長江及其沿岸、長江支流及其沿岸、“四山”禁建區、江津區南部山地林農穩定發展區的四面山自然保護區和中山鎮鷺類自然保護區、江津區西南部渝川結合部的滾子坪森林公園和黑山石-滾子坪風景名勝區以及其他區域。

2）地質災害嚴重區。面積為204.87 km2，占江津區土地總面積的6.36%。地質災害嚴重區主要分布于江津四面山-柏林-東勝地帶，是滑坡、泥石流高發區，生態極其脆弱。

3）活動斷層區。面積為29.49 km2，占江津區土地總面積的0.91%，且分布較集中，主要分布在江津區北部的中梁山、縉云山和云霧坪森林公園。

4）采空塌陷區。面積為30.20 km2，占江津區土地總面積的9.38%。主要礦產為建材、石膏等非金屬礦，不合理采礦導致地面沉降、植被和土地資源的破壞，生態問題嚴峻。分布在江津區與永川區交界處的石門鎮、朱楊鎮以及支坪街道東北部、珞璜鎮西北部和北部部分地區。

2.2? 評價指標體系構建

因研究區生態敏感性高、生態脆弱，以禁建區為基礎，在不逾越禁建區的區域開展建設用地適宜性評價?；跀祿目色@取性，評價主要考慮的因子有高程、坡度、距主干道距離、距城鎮距離、耕地質量、人口密度6個因子。首先通過咨詢專家意見，將各因子適宜性劃分為5級（最適宜、適宜、一般適宜、不適宜、最不適宜），逐級賦值，9分為最適宜、7分為適宜、5分為一般適宜、3分為不適宜、1分為最不適宜，然后采用層次分析法（AHP）對以上6個因子確定權重，最后借助ArcGIS10.2柵格計算器加權計算江津區建設用地適宜性評價結果。建設用地適宜性評價公式：

S地=■WiFi

式中，S地為某土地評價單元（30 m×30 m）適宜性總分;Wi為第i（i=1，2，3，…n）個因子的權重值;Fi為第i個因子的適宜性評分值[17]。建設用地適宜性評價因子及權重具體見表2。

1）地形地貌因素。①高程。從30 m空間分辨率的高程數據中獲取。因研究區絕大部分屬于低山丘陵，海拔越高，坡度越陡，越易引發地質災害。本研究以300、500、1 000、1 500 m為臨界點分別賦予不同的值以表示其建設用地適宜性。②坡度。利用30 m的高程數據在ArcGIS軟件中計算獲得。城市用地規范中規定城鎮建設用地坡度最大不超過25°?？紤]到研究區多為丘陵低山區，土質疏松，其坡度越高，水土流失越嚴重。本研究以2°、6°、15°、25°為臨界點分別賦予不同的值。

2）規劃導向因素。①距主干道距離。交通是城市發展的主要區位因素之一，借助ArcGIS10.2裁剪工具首先將研究區外的交通干道進行裁剪，保留江津區內的主要高速公路G93、G5001、G210、S107、S206等以及鐵路成渝線和川黔線。通過ArcGIS10.2分析工具，以500、1 000、1 500、2 500 m為界分別向外做緩沖區，并賦予不同的值。②距城鎮距離。在城鎮外進行擴展可以有效集中人力、物力、財力，獲得集聚效應。本研究以江津區2015年城鎮建設用地數據為基礎，以500、1 000、1 500、3 000 m為界做緩沖區分析并賦值。

3）經濟因素。①耕地質量。保持農業可持續發展首先要確保耕地的數量和質量，城鎮擴張難免會對耕地進行侵占，雖然耕地占補平衡的措施取得了一定成效，但在城鎮擴張中應當盡可能避免對優質耕地的破壞。本研究將耕地質量納入考慮因子，并將其分為兩個等級。即耕地質量高于全市均等質量和耕地質量低于全市均等質量，高于全市均等質量的耕地為最不適宜建設用地，在城市擴張過程中應當盡量避免。②人口密度。城市人口密度一方面反映著人口分布的地區差異，同時也代表著區域經濟的活動強弱程度。人口密度越高的地方往往經濟越發達，也更適合城鎮的集聚擴張。本研究將人口密度納入考慮因子，并以200、500、1 000人/km2為分界點分別賦予不同的值。

2.3? 城鎮建設用地適宜性評價結果

通過將生態保護紅線核心區、地質災害嚴重區、采空塌陷區、活動斷層區4個剛性因子在ArcGIS10.2中進行疊加分析，從而得到江津區的禁建區。結果顯示，禁建區總面積784.01 km2，占江津區土地面積的24.36%，主要分布在南部山地林農穩定發展區的四面山鎮、四屏鎮、柏林鎮，北部淺丘城鄉高度發展區的銅鑼山、中梁山、縉云山、云霧平森林公園，長江及其沿岸，東北部的珞璜鎮采空塌陷區。禁建區是城鎮擴張的強限制因素，作為江津區生態保護屏障，直接劃為最不適宜建設區，江津區城鎮的發展不能逾越此界線。

在確定了禁建區后，借助ArcGIS10.2裁剪工具，將禁建區以外的區域作為研究對象，對其進行建設用地適宜性評價。通過將高程、坡度、距主干道距離、距城鎮距離、耕地質量、人口密度等數據柵格化，并賦予不同等級的值，利用ArcGIS10.2柵格計算器加權求和計算江津區綜合適宜性并定量表征其空間分異，運用重分類工具將適宜性分數劃分為5個區段并對應其相應的適宜性評價等級（1.0～3.0分為最不適宜、3.0～4.5分為不適宜、4.5～6.0分為一般適宜、6.0～7.5分為適宜、7.5～9.0分為最適宜），最終得到江津區建設用地空間擴展適宜評價結果（圖1）。

適宜性評價得分越高，建設用地空間擴展敏感度越低，土地越適宜城市建設。評價結果（表3）表明，研究區內建設用地適宜性以不適宜、一般適宜為主，且二者交叉分布。其中最不適宜面積為123.90 km2，占評價面積的5.09%，主要分布在石蟆鎮、永興鎮、油溪鎮、西湖鎮、蔡家鎮的部分地區，這些區域作為江津區農業大鎮，優等質量耕地廣泛分布于此，且遠離交通主干道G93、S307等，交通不便，不利于城鎮的擴展。不適宜面積為835.64 km2，占評價面積的34.33%，集中分布在嘉平鎮、蔡家鎮以東、永興鎮、中山鎮以南，這些區域地形地貌條件較差，坡度較大、高程較高，生態較脆弱，容易引發滑坡、泥石流等地質災害，且人口密度低，經濟相對較落后;此外廣泛散亂分布于其他各鎮，主要原因是耕地的廣泛分布。一般適宜面積為887.21 km2，占評價面積的36.45%，呈無規則分布于江津區各鎮街。適宜面積為441.20 km2，占評價面積的18.13%，主要分布在城鎮四周、各主干道以及長江沿岸兩側，這些區域交通便利，地勢較平坦，基礎設施較完善，具有較大的發展潛力，同時也是江津區未來城鎮擴展的主要方向。最適宜面積為146.04 km2，占評價面積的6.00%，主要分布在江津主城區的雙福街道、鼎山街道、幾江街道、德感街道以及珞璜鎮、白沙鎮、李市鎮等，該區域經濟較發達，擁有比較雄厚的物質技術基礎、交通便捷、人口密集，同時地形較平坦、區位便利。

2.4? 城鎮建設用地剛性邊界劃定

剛性因子的存在增加了剛性邊界的性能，使其成為城鎮擴張的生態安全底線[18]，彈性因子為城鎮建設用地適宜性提供參考和借鑒。江津區一般適宜、適宜、最適宜建設區總面積為1 474.45 km2，占全區土地面積的45.82%，由于一般適宜和不適宜建設區相間分布，為了保證結果的科學性，對于江津區城鎮剛性邊界的劃分可以通過ArcGIS10.2聚合面分析，剔除分散的細碎斑塊，盡可能將其集中連片的較大斑塊相組合，并通過折點編輯進行部分修復，形成剛性邊界，使之成為城鎮開發過程中的最大土地容量界限。除去國家重大建設項目之外，未來城鎮發展都要控制在此范圍內。借助ArcGIS10.2劃定江津區城鎮剛性邊界內面積為891.47 km2，占江津區總面積的27.70%（圖2）。

3? 2030年江津區城鎮擴展用地邊界

3.1? CA-Markov城市擴展模擬

CA（元胞自動機）是一種時間和空間都離散的動力系統。每個變量都只有有限個狀態，而且狀態改變的規則在時間和空間上均表現為局部特征[19]。CA模型可簡單用下式表示：

根據CA模型與Markov模型的特點，模擬土地利用變化過程中，可以將二者有效結合，如今CA-Markov模型已廣泛應用于土地利用變化和城市發展模擬中[21]。在土地利用柵格圖中，每一個像元就是一個元胞，每個元胞的土地利用類型為元胞的狀態[22]。本研究首先在地理空間數據云網站下載2005、2010、2015年江津區遙感影像圖，并借助envi平臺將其進行遙感解譯，最終將江津區土地利用類型分為林地、耕地、建設用地、水域和草地5大類。設置柵格大小為30 m×30 m。借助ArcGIS10.2進行數據格式的轉換，隨后通過IDRISI 17.0軟件中的Markov和CA-Markov模塊進行土地利用變化模擬。首先通過Markov模塊得到土地類型轉移概率矩陣、轉移面積矩陣和一系列條件概率圖像。在CA-Markov模塊中構造CA濾波器，采用5×5的濾波器，即認為一個元胞周圍5×5個元胞組成的矩形空間對該元胞狀態的改變具有顯著影響。最后確定起始時刻和CA循環次數，以2015年江津區土地利用格局為起始時刻，設置CA循環次數為15，以此模擬2030年江津區土地利用變化的空間格局，從而預測2030年江津區城市擴展方向。

3.2? 2030年江津區土地利用情景模擬結果

通過envi平臺將2005、2010、2015年江津區土地利用類型進行遙感解譯，得到各年份土地利用變化情況，其中變化最為顯著的是建設用地和林地，10年間建設用地面積增加了109.94 km2，年均擴展10.99 km2，同時林地減少了179.82 km2，年均減少17.98 km2。說明江津區經濟持續發展，用地需求不斷增加，而用地需求的增加帶來林地的銳減，經濟發展和生態保護的矛盾顯著。

借助IDRISI17.0軟件首先利用2005、2010年江津區土地分類結果得到轉移面積矩陣和轉移概率矩陣以及一系列圖集，然后以2010年為起始時刻，設置CA循環次數為5年，對2015年江津區的五大類土地利用類型變化情況進行模擬，在IDRISI17.0平臺CROSSTAB模塊中將模擬的2015年結果和2015年實際土地利用現狀進行精度分析，得到Kappa系數為0.905 8，其擬合程度較高，表明模擬數據能很好地表達各地類之間相互轉化趨勢，較好地反映了該模型能夠預測未來的各土地利用類型的變化[23]。然后利用訓練好的CA-Markov模型，以2015年為基準年，對2030年土地利用變化進行情景模擬。預測結果（表4）表明，與2015年相比，2030年建設用地面積增加了67.40 km2，占江津區總面積的6.66%。擴展方向有兩個明顯的特點，其一主要是在江津主城區以及白沙鎮、李市鎮、珞璜鎮2015年原有城鎮建設用地基礎上向四周擴展;其二是沿著交通主干道G93、G201、S206、S107方向擴展（圖3）。

根據2030年土地利用情景模擬圖和剛性邊界將江津區最大連片城鎮用地劃出，作為2030年江津區城鎮彈性邊界，彈性邊界內面積為181.39 km2，占江津區土地總面積的5.64%（圖4）。

3.3? 城鎮擴展邊界的確定

城市未來發展定位對城鎮擴展邊界的劃定具有重要的導向作用，根據江津區城市總體規劃，至2030年，江津區城鎮建設用地規模為191 km2?？傮w確定沿長江、南北交通干線發展的規劃指導思路，提出建立以中心城市（主城區、西部經濟區中心白沙鎮、中部經濟區中心李市鎮、東部經濟區中心珞璜鎮）為核心，以長江、渝東公路的“一心兩軸”城鎮空間布局形態，建立完善的城鎮體系?！皟山粠А笔菐咏騾^發展的主要軸線。從人口聚集、用地增長以及經濟發展水平來看，江津區中心城區是帶動江津區發展的重點區域，也是承接主城區專業職能的主要區域，聚集態勢應該會進一步增強。

通過將江津區城鎮未來發展規劃和定位與江津區城鎮剛性邊界及彈性邊界相結合，最終確定了2030年江津區城鎮擴展邊界（圖5）。城鎮擴展邊界內面積為199.57 km2，占江津區土地面積的6.20%，略大于規劃年江津區城鎮建設用地規模。城鎮擴展邊界內2015年已建成區（部分農村居民點和城鎮建設用地）面積為105.88 km2，剩余可建設用地面積為93.69 km2。劃定結果顯示，2030年江津區城鎮擴展大致呈“十字”方向，中心城區以及西部中心鎮、中部中心鎮、東部中心鎮是城鎮擴展的主要增長極，同時長江沿岸以及江津區內各主要交通干道是其城鎮未來發展的潛在動力。不同于平原區城鎮明顯的集聚組團擴展，江津區城鎮擴展形態主要是纖細的條帶狀。

4? 小結與討論

丘陵山區城市發展的主要矛盾是脆弱的生態和急劇增加的用地需求的矛盾。因此，為了促進丘陵山區城市的可持續發展，保護生態安全，促進土地的節約集約利用，本研究基于數據的可獲取性，選取生態紅線保護核心區、地質災害嚴重區、采空塌陷區、活動斷層區4個剛性因子，借助ArcGIS10.2空間疊加分析構建了江津區的禁建區，在禁建區外選取了高程、坡度、距主干道距離、距城鎮距離、耕地質量、人口密度6個因子構建了江津區建設用地適宜性評價指標體系，通過AHP法確定各因子的權重，借助ArcGIS10.2柵格計算器加權計算得到江津區建設用地適宜性評價結果，并依據評價結果和禁建區確定了江津區的城鎮剛性邊界，利用CA-Markov模型對2030年的江津區城鎮用地規模進行預測，確定了江津區城鎮擴展的彈性邊界，最后結合江津區近期規劃和定位，最終確定了2030年江津區城鎮擴展邊界。

研究表明，基于生態保護前提下，將建設用地適宜性評價和CA-Markov模型結合的劃定方法對確定江津區城鎮未來擴展方向有一定的指導意義，有關規劃部門可根據劃定結果，結合當地實際需求，指導城市規劃的編制。但是本研究仍存在很多不足：①基于數據的可獲取性，在建設用地適宜性評價中選用的因子不夠完善，評價方法有待進一步改進;②由于不適宜建設用地和一般適宜建設用地相互融合，相間分布，在確定剛性邊界時，為了使結果更加科學合理，采用了折點編輯進行劃定，盡可能將不適宜建設用地劃出剛性邊界外，但可能存在一定的主觀性;③CA-Markov模型預測過程中，由于其Kappa系數已經較高，所以并沒有利用MCE模塊進行適宜性圖集的創立，可能會對結果造成一定的影響;④還需對未來城鎮擴展邊界的穩定狀態進行評價，建立全套的城鎮擴展邊界評判框架體系，以便引入到實踐當中。

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