基于工业用地扩展的长沙城市空间演变与优化

刘路云，郑伯红

(中南大学a.土木工程学院;b.建筑与艺术学院，长沙410075)

基于工业用地扩展的长沙城市空间演变与优化

刘路云a，郑伯红b

(中南大学a.土木工程学院;b.建筑与艺术学院，长沙410075)

以工业园区形式为主的工业用地扩展对城市空间演变产生着深刻影响。利用长沙市1949—2013年的城市用地资料，通过计算城市与工业的用地扩展强度指数、等距扩散缓冲强度峰值、重心轨迹、形状紧凑度与空间效率等城市空间衡量指标，分析工业用地扩展的时间特征，揭示工业用地扩展引导城市空间发展由内向填充走向外向扩展、空间模式由单中心走向多中心、空间结构由圈层走向轴向、空间联系由松散走向紧凑等规律，并从总体规划层面提出相应的城市空间优化策略，引导工业用地的合理规划。

工业用地扩展;演变规律;空间优化;长沙市

0 引言

城市空间是指一切围绕着人而形成的客观存在的城市物质实体构架，物质空间环境与在该环境中人的社会、经济、文化活动的相互作用构成了城市空间本质［1－2］，城市空间的演变受自然、经济、交通、工业、居住文化引导等多因素的综合作用［3－4］。工业与城市空间演变的研究一直是学者们关注的焦点，相关研究成果颇丰。吕萍等［5］、王爱民等［6］分别对北京与广州的工业用地集散特征及其内在动因进行了研究;胡乔［7］则针对上海工业用地布局和城市空间结构历史演变进行了定性分析，提出工业用地的空间优化策略;梁辰等［8］和杨德进［9］从产业与城市空间结构演化角度出发，综合考虑社会、人口、产业经济等方面因素，归纳总结了城市空间结构演变规律;张仁桥［10］以工业集聚区为研究对象，分析上海工业集聚区发展轨迹和经济绩效，构建了工业集聚区的空间整合和优化创新模式;郑国［11］以开发区为研究对象，分析开发区的发展对城市经济、人口和社会、城市空间形态重构的影响内容、方式和肌理，并对开发区发展和城市规划提出了政策建议;易成波等［12］以工业园区为研究对象，提出城园一体化的战略发展思路，构建了永川城市与工业园区互动发展的基本模式。

以往研究多从工业对城市空间格局影响的正向思维角度来谈工业自身空间的优化与调整，虽然工业用地的扩展是城市空间扩展的主要动因，有序的工业发展将塑造一个合理的城市空间形态，但是，反过来一个合理的城市空间格局也将更好地引导工业的健康运转。因此，借鉴以往相关成果，遵循从城市到工业的逆向思维方法，利用长沙市1949—2013年的城市用地资料，计算城市与工业的用地扩展强度指数、等距扩散缓冲强度峰值、重心轨迹、形状紧凑度与空间效率等城市空间衡量指标，定量分析，寻找工业与城市空间演变之间的内在规律，并从城市总体空间发展战略高度，提出分区制定城市用地功能转换措施、加快城市副中心的建设、构建轴线型城市空间骨架、引导产业集群式发展的空间优化策略，引导工业用地的合理规划。

1 长沙工业用地扩展的时间特征

2009—2013年，长沙城市用地以平均30 km2/a的速度向外扩张，截至2013年长沙市共有长沙高新技术产业开发区、长沙经济技术开发区、长沙宁乡经济开发区等3个国家级开发区和7个省级开发区。5年期间已开发面积达105 km2，平均每年增加21 km2，园区每年新开发面积占城市新增建成区面积的70%。预计到2020年上述产业园区新扩展面积将达250 km2，占同期新增城市建设用地面积的60%。研究以都市区1 450 km2范围为对象展开。从《长沙市统计年鉴》(1979—2014)中提取长沙市1978—2013年建成区面积、GDP、工业增加值、市区人口、固定资产投资、一二三产业比例、交通运输业、房产业、批发零售业10项指标，对其做相关性分析(图1)，结果显示前3项指标相关系数达0.95以上。而1949—2013年，长沙市经历了1979，1996，2003，2008和2013年5次总体规划调整与修编，利用这5个时间点的总体规划现状用地资料，根据用地扩展强度指数(urbanization intensity index，UII)定量分析每一时段长沙工业与城市建设用地扩展的强弱和快慢，探讨两者与GDP、工业增加值变化之间的关系(图2)，可以审视长沙工业用地扩展特征之全貌。用地扩展强度计算公式为:

式中:It－(t+n)为某空间单元在t－(t+n)时段内的用地扩展强度指数;St+n和St分别为第t+n年和第t年的用地面积;S为空间单元用地总面积;n为研究时段。

解放初期，长沙手工业的恢复和发展为全市工业化进程奠定了良好的基础，在老城边缘天心区南二环两侧及开福区伍家岭一带集中了大片工业用地，其面积占城市建设用地面积的25%。1949—1978年间，由于遭遇各种政治运动的干扰，工业发展比例失调，经济运行极不稳定，工业用地与城市建设用地扩展强度分别从1949年的0.02和0.10增长至1978年的0.11和0.12，仅增长0.09和0.02个点，GDP与工业增加值非常低。

1979—1984年，长沙工业结构首次调整，产业以机械、食品、化工、纺织业产品为主，轻工业比重逐步调高; 1985—1990年，工业结构进行第二次重大调整，机械、交通运输设备、化工、纺织、食品构成工业经济的支柱，轻重工业结构差距明显缩小;1991—1996年，高新技术产业开始成长，机械、交通运输设备业、电气机械制造业等重工业行业和以烟草加工为代表的轻工业行业成为该时期长沙工业发展的主要行业。因此，这期间工业用地扩展强度与城市建设用地扩展强度均呈下滑趋势，仅为0.04和0.06，而从GDP与工业增加值柱状图来看，两项指标开始快速增长，涨幅达15%。

1997—2003年，高新技术产业与信息产业快速增长，工业结构全面整合，城市产业结构的优化和升级促使各企业开始向开发区集聚，工业的郊区化引发郊区城市化，从而导致城市空间向外扩展，工业用地扩展强度与城市建设用地扩展强度呈平缓上升趋势，但后者上升幅度较大，柱状图显示GDP保持高速增长状态，但由于工业调整尚处在起步时期，工业增加值上升并不明显。

2005年，长沙市新型工业化发展规划出台，提出工业发展走园区化、集群化、集约化路径，工业用地在空间上逐步向长沙高新技术产业开发区、长沙经济技术开发区、隆平高科技园、长沙新港工业园、长沙环保工业园、湖南望城食品工业园等各园区集聚。2004—2008年，城市建设用地与工业用地的扩展速度缓慢，呈下降趋势，但土地集约效率高，GDP与工业增加值呈直线上升。

2009—2013年，工业进一步集聚在三环周边以及星马片区的长沙经济技术开发区，隆平高科技园、岳麓片区的长沙高新技术开发区，高星组团的湖南望城经济开发区，并开始形成以工业园区为核心的产业基地和配套小区，工业用地的扩展带动着城市居住、公共管理与公共服务设施用地、商业服务业设施用地等建设用地向城市边缘地带转移，该时间段工业用地扩展强度与城市建设用地扩展强度快速上升，表现为工业用地扩展强度曲线上升的斜率较大，GDP与工业增加值也相应地呈直线式快速上升。

总之，在工业用地扩展引导下，长沙城市空间扩展并非均衡向外推进，而是遵循着加速、减速、稳定再加速的一般规律，工业用地与城市建设用地扩展速度同步呈现出加速、减速、稳定再加速的周期性变化，在扩展强度曲线上则表现为上升、下降、平稳再上升的波浪式趋势。

图1 建成区与GDP、工业增加值、人口的相关性分析Fig.1 The correlation between GDP，value added and city population

图2 用地扩展强度与GDP、工业增加值的关系Fig.2 Constrained graph about industry and urbanization intensity index，GDP and value added

图3 1949—2013工业用地面积变化及圈层分布Fig.3 Area change and layer distribution of industrial land during 1949—2013

2 工业用地扩展对城市空间演变的影响

2.1 空间发展由内向填充走向外向扩展

将都市区1 450 km2范围用地分成一、二、三及都市圈4个圈层(老城核心区为第一圈层，二环以内为第二圈层，二环至绕城高速为第三圈层，绕城高速以外为都市圈层)，通过ArcGIS叠置分析对1949—2013年期间6个时期的现状用地进行切割，并利用ArcGIS中的Zonal Statistics工具对用地进行统计得到每个时期各圈层的工业用地面积数据，可从时空两轴线对工业用地的圈层变化特征进行分析。

根据1949—2013年不同圈层面积的统计数据，绘制工业用地面积变化及圈层分布图(图3)。1949年工业用地全部集中在一、二圈层以内;至1979年用地向第三圈层扩展，其用地比例上升趋势较快，达28%，而一、二圈层用地面积比例直线下降至30%和42%;至1996年，一、二圈层继续保持下降趋势，第三圈层和都市圈层的用地比例开始上升，但总体分布仍集中在二、三圈层; 2003年，工业用地均匀分布于二、三圈层和都市圈层;至2008年以后，一、二圈层所占比例甚少，且第三圈层的比例从1978年以来保持的平稳曲线开始下降，工业用地主要集中在都市圈层，占总比例的61%。以第三圈层比例趋势线作为参照可以清晰看出工业用地外迁的规律特征:1979年以前主要为一、二圈层向第三圈层的转移，1979—2008年主要为一、二圈层向都市圈层的转移，2008年以后工业用地从一、二、三圈层整体向都市圈层转移。

从1949—2013年工业与城市建设用地扩展斑块的空间分异特征来看(图4)，1949—1979年，工业用地在一、二圈层均匀散状分布，斑块面积小而零散;1980—2003年，工业在一、二圈层呈同心圈向外蚕食，同时在第三圈层出现跳跃式发展雏形，用地拓展均以小斑块散填为主，而城市建设用地也在工业斑块周边零星散状分布;2004—2008年，一、二圈层的工业用地斑块逐步减少，部分用地开始与城市中心功能融合，在第三圈层以外也不再是小斑块散填发展而是以大斑块的集聚式发展形态为主，工业斑块周边的城市建设用地也呈现出成片开发模式;至2013年第三圈层以外的工业与城市建设用地图斑形态越来越大，集聚度越来越高。总体来看，长沙工业空间集散基本遵循着“集聚—分散—集聚”的演变规律，空间变动上主要从一、二圈层的小斑块填充向第三圈层以外的大斑块集聚，即由内向填充向外向扩展式发展演变，由此引导着城市空间拓展模式(图5)。

图4 工业用地与城市建设用地扩展斑块空间分异Fig.4 Space-time coupling between industrial land and urban development land expansion

图5 城市空间拓展模式Fig.5 Modeling of urban space expansion

2.2 空间模式由单中心走向多中心

采用缓冲带分析法，以五一广场作为基准面等距扩散缓冲，向外建立间距为2 km的缓冲带15个，以缓冲带作为基本单元计算扩展强度指数，分析工业用地与城市建设用地扩展强度指数UII随距离变化的趋势(图6)。结果显示:1949—1979年，工业用地扩展强度峰值出现在距五一广场基准面6 km的范围，随后随着距离的增加扩展强度逐渐减小，至12 km处接近基线0，相应的城市建设用地扩展强度最大峰值出现在4 km处，曲线趋势与工业用地扩展强度趋势一致，说明该时期工业用地扩展引导的城市空间演变范围尚局限于湘江东岸，但已开始向河西拓展;1980—1996年，工业用地扩展强度曲线与上一时段近似，在12 km内扩展强度增大，12 km以外有外移趋势，城市空间结构演变中最活跃的部分已经推至距五一广场6 km的区域，在12 km范围内的城市扩展速度也在加快，并与工业用地扩展速度保持高度一致性，该阶段工业扩展强度的单峰值特征对应的城市扩展仍呈现单核心形态;1997—2003年，工业用地扩展强度曲线在上一时段基础上整体外移4 km，其峰值也由原来的6 km移至10～14 km处，相应城市扩展UII曲线波动较大，分别在距五一广场6 km和12 km处扩展最为活跃，除五一广场外增加了一个明显的扩展核，表明城市空间结构由单核心模式向双核模式演变;2004—2008年，工业用地扩展强度10 km处峰值维持不变，但在22 km处出现了第2个峰值，该时期城市扩展强度曲线趋向平缓，表明其扩展位置距两核分布较为均匀;2009—2013年，工业用地扩展强度集中在12～22 km区域，城市扩展除6和14 km处呈现2个明显的峰值外，18和24 km处开始出现小波峰，说明长沙受新的工业用地扩展核作用增强，城市呈多中心演变态势愈加明显。

图6 用地扩展强度指数随距离变化的趋势Fig.6 Chart of the trend that urbanization intensity index expansion varies with distance

2.3 空间结构由圈层走向轴向

重心转移是城市空间演变的重要量化指标之一，借用人口重心计算方法来计算城市重心与工业重心。其计算公式为:

式中:(Xt，Yt)为第t年工业/城市重心坐标;Ati为第t年i块图斑面积;(xti，yti)为第t年i块图斑重心所处坐标。

用ArcGIS求出每个地块的重心坐标(x，y)及其面积参数。根据公式(2)得到5个时间节点的工业重心与城市重心坐标(表1，图7)。从1979—2013年工业与城市重心整体移动轨迹来看，2个轨迹运动趋势均保持高度一致性，说明工业用地扩展一直是长沙城市扩展的主要动力。其中，1949—2003年，工业与城市重心坐标位移较小，工业重心主要在南二环线北侧游离，城市重心坐标则主要在五一广场附近1 km圈移动;2004—2008年，工业与城市重心位置均出现剧烈跳动，工业重心向西移动1.42 km、向北移动4.19 km，空间上已从南二环沿线向北移至伍家岭一带，说明这一时期工业用地扩展方向发生了巨大的变化，已跳出了老工业区空间区域向北发展，而城市重心相应表现为向西北移动至营盘路与湘江中路交叉口东面;2009—2013年，工业与城市重心继续向北向东移动，工业重心空间上已接近岳麓大道—三一大道的工业发展轴线，说明这一时段该轴线上的工业发展力度较大，城市重心受此作用则移至湘江中路与开福寺路南侧，移动幅度较小。岳麓大道—三一大道轴线上工业用地占总工业用地比例稳步增加，1979，1996，2003，2008，2013年工业用地所占比分别为5.24%，14.08%，17.33%，41.20%，38.71%，表明2008年以后工业主要沿该轴线有机生长。

表1 1979—2013年长沙市工业与城市重心坐标计算Tab.1 Barycentric coordinate of industry-land and urban-land during 1979—2013

图7 长沙市工业与城市重心转移轨迹Fig.7 The temporal and spatial movement of the industry and urban gravity centers

2.4 空间联系由松散走向紧凑

城市形态紧凑度是度量城市空间形态变化的主要特征之一，计算公式为:

式中:C为城市紧凑度;A为城市建成区面积;P为城市轮廓周长。一般情况下C值在0～1之间，且C值越大说明城市形态越紧凑，反之则紧凑性越差。

城市空间效率则可作为城市土地利用水平的度量指标，计算公式为:

式中:g为工业区工业总产值;m为工业用地面积;G为城市工业总产值;M为城市建设用地面积。E值越大表明空间效率越高，工业区与城市发展越集约。因此，根据公式(3)和公式(4)分别计算长沙市不同时段的形状紧凑度、空间效率两项指标值，可直观反映工业园区用地变化对城市空间的影响(图8)。

图8 形状紧凑度与空间效率变化Fig.8 The variation of shape intensity and space efficiency

从整个城市空间格局看，长沙自然山水格局导致了城市形状紧凑度C相对较低为0.16～0.29，而空间效率E值则较高为1.66～4.70，说明工业区与城市集约度较高，但布局上相对零散。从时间序列来看，2003年以前工业区的初步发育引导着城市空间外向拓展，而居住、商贸服务等配套功能尚缺乏，且大部分依托城区提供，工业区与城市土地利用效率上升慢、幅度小，城市形态紧凑度呈下降趋势;2003年以后，产业向园区集群发展使得其经济带动作用增强，至2013年长沙基本形成工程机械、汽车、电子信息、家电、生物医药和材料六大产业集群，各产业集群优势显著，如长沙高新技术产业开发区和长沙经济技术开发区集中了97.9%的工程机械产业、75.9%的汽车产业、91.2%的电子信息产业和90.6%的生物医药产业，望城经济开发区集中了67.8%的材料产业，天心经济开发区集中了49.8%的家电产业，园区各项配套设施也逐渐完善，功能走向综合，引导着城市空间向各组团呈大团状集聚，此时段城市空间效率与形态紧凑度同步同幅上升，且上升幅度明显，产业的集群式发展使得城市空间联系由松散向紧凑不断优化。

3 城市空间优化策略

3.1 分区制定城市用地功能置换措施

针对空间发展由内向填充走向外向扩展导致工业用地在外迁过程中一、二、三圈层的用地面临着功能置换问题，可根据所在圈层分区制定相应控制措施。第一圈层外迁后用地主要实行“退二进绿”严格控制，并优先满足核心区停车设施、市民游憩及传统旧区中公共绿地等功能需求;第二圈层外迁后用地主要实行“退二进三”引导控制，使置换后的用地主要向道路、绿化和第三产业服务的公共设施、居住开发等性质转化;第三圈层外迁后用地主要实行“退二进二”限制发展三类工业，并对现有三类工业加大技术改造力度，促进其产品升级、转型，或将部分生产环节转移至郊区，逐步实现产业转型引导用地功能的成功置换。

3.2 加快城市副中心的建设

工业用地扩展强度与城市建设用地扩展强度峰值的外移规律与趋势表明，长沙城市经历了单核式和双核式扩张的发展阶段，应引导其城市空间向多中心和网络化结构方向演进。一方面，大力发展轨道交通，形成大集中、小分散的有机分散布局模式，在城市局部区域集中发展打造集聚优势，在各片适度分散，形成组团中心;另一方面，在组团中心合理预留用地条件好、交通便利、发展潜力大的节点地区，引导企业管理、商业、金融、信息服务等职能机构向中心地区聚集，积极培育次级中心，疏散老城中心行政和部分商务办公职能，并对重点中心节点地区建立严格的控制体系，避免空间资源被其他建设所占据。

规划在公共服务配套建设上实施层级均衡配置，岳麓、星马城市副中心加大高端商务、大型商业综合体、集中办公的行政CBD、区域性医疗卫生、体育中心等公用设施建设的投入力度，形成高品质、强辐射和大范围的极核型副中心;空港、金霞、高星和暮云等组团中心适当配置商务、商业文化、教育、社会福利、体育等生产性功能区域和生活型功能区域，以满足组团发展需要的科技创新、居住、生活等方面的功能需求。

3.3 构建轴线型城市空间骨架

工业带动城市的快速发展，现有规划设想的城市外围各工业组团均衡发展的态势因潜力差异，导致发展速度不同而实际呈非均衡的状态，长沙城市空间结构将由原来的“中心城区+外围”圈层结构逐步演变成“T”型生长的轴线结构。因此，轴线可生长的非均衡式结构更适应长沙新型工业化发展的实际需要，其开放、动态的特征更能增加空间结构的弹性和开放性，突显线性空间发展趋势。

因此，未来10年工业空间发展态势仍沿着有利于工业区位的对外交通轴线拓展，东西向岳麓大道—三一大道—长浏高速、南北向S102—芙蓉南路—中意二路联系的大型工业园区将成为长沙工业发展的T字型生长轴线，轴线上主要发展长沙高新技术产业开发区、长沙经济技术开发区、金霞经济开发区3个开发区和新能源汽车基地、临空制造业基地两个特色工业基地。城市空间结构需顺应区域工业格局和发展导向，构建“一轴两廊两带”的城市空间结构，突出廊道型空间发展模式。

3.4 引导产业集群式发展

长沙城市形态经历了由紧凑到较为松散再到更为紧凑的周期性扩展变化，但紧凑度与空间效率仍然较低。应加强产业规划，强化城市产业空间的牵引效应，通过产业集群发展来提高城市竞争力，摒弃大而全的规划倾向。同时应加快对现有工业园区的整合和开发建设，加大企业向园区集中的力度，引导处于同一产业群、同一产业链上的关联企业及相互配套组织相对集聚。

规划将全市产业空间规划为东部、西部、南部三大产业集聚区，东部产业集聚区打造协作紧密的现代制造业基地，以长沙经开区为核心，突出工程机械、汽车的专业化生产;以隆平高科技园为核心，突出食品、材料、新能源产业。西部产业集聚区打造高新技术产业基地，以长沙高新区、望城经开区为核心，突出电子信息、材料、食品、精密机械制造的专业化生产;以岳麓工业集中区为核心，依托周边高校云集优势，突出科技成果转化优势。南部产业集聚区以雨花经开区、天心经开区、暮云经开区为核心，着力发展新能源汽车及生产性服务业。通过产业空间结构的重组和优化，实现企业在地理空间上的相对集中，引导城市向更为紧凑的形态演进。

［1］柴彦威.城市空间［M］.北京:科学出版社，2000.

［2］康红刚，孙希华.基于RS和GIS的城市扩展及驱动机制研究——以济南市为例［J］.地域研究与开发，2009，28(3):135－139.

［3］朱顺娟，陈群元，游胜景.城市空间扩展模型及对长沙市的模拟研究［J］.地域研究与开发，2011，30(1):64－68.

［4］姜博，王媛，魏超，等.城市土地利用扩展的驱动因素与空间扩展模式研究［J］.干旱区资源与环境，2014，28 (7):1－6.

［5］吕萍，徐跃红，沈佳庆.工业用地空间集散特征及其内在动因研究——以北京市为例［J］.地域研究与开发，2008，27(5):76－80.

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［7］胡乔.上海市工业用地对城市空间结构的影响研究［D］.上海:上海交通大学，2012.

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［11］郑国.开发区发展与城市空间重构［M］.北京:中国建筑工业出版社，2010.

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Evolution and Optimization of Changsha City Space Based on Industrial Land Expansion

Liu Luyuna，Zheng Bohongb
(a.Institute of Civil Engineering;b.Institute of Architectural and Art，Central South University，Changsha 410075，China)

Urban space had a profound change due to the influence of the rapid industrialization.The paper firstly used the land-use data from 1949 to 2013 to analyze the timing characteristics.Then，the paper choose the urban expansion intensity index，buffer analysis，center of gravity，compact shape degree and space efficiency of urban space index to analyze the characteristics of the urban spatial expansion.The results indicated that city development from internal filling type to outward extension type，spatial pattern from single-center structure to multiplecenter structure，spatial structure from layer-expansion model to axial-expansion model，spatial combination from loose to compact.Finally，the paper put forward the corresponding urban space optimization strategy from the urban master planning，so as to guide the reasonable planning and control of industrial land.

industrial land expansion;evolution rule;spatial optimization;Changsha City

TU984.1

:A

:1003-2363(2015)04-0054-06

2014－05－20;

:2015－06－23

国家自然科学基金项目(51478470);中南大学研究生自主探索创新项目(2014zzts047);湖南省住房和城乡建设厅科学技术计划项目(KY201305)

刘路云(1983－)，女，湖南邵阳市人，博士，主要从事城乡规划与区域发展研究，(E-mail)liuluyun@csu.edu.cn。