丘陵山区城镇扩展边界划定研究

宋永通 张安明 郭欢欢

摘要：为了协调丘陵山区城镇发展与生态保护的关系，促进土地资源的节约集约利用，以典型丘陵山区重庆市江津区为例，运用建设用地适宜性评价和CA-Markov模型相结合的方法划定江津区2030年城镇用地扩展边界。结果显示，江津区2030年城镇用地扩展边界内面积为199.57 km2，占江津区土地总面积的6.2%;不同于平原地区的集聚组团扩展，江津区城镇扩展的形态主要为条带状;中心城区和东部中心镇、中部中心镇、西部中心镇是其城镇扩展的主要增长极;扩展的方向大致呈“十字”方向，具体主要是沿增长极四周扩展以及沿长江和各交通主干道扩展。

关键词：城镇扩展边界;丘陵山区;适宜性评价;CA-Markov模型;江津区

中图分类号：F301.2         文献标识码：A

文章编号：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

中国快速城镇化进程中最突出最尖锐的两个问题是生态环境的恶化和土地资源供需严重失衡[1]。当今城市的无序蔓延和快速扩张使中国城镇化面临严峻挑战，日益扩张的建设用地严重威胁着生态环境保护区的安全平衡[2]。与此同时，中国仍处于城镇化快速发展阶段，城市的经济增长、产业发展及人口集聚仍需要更多的城镇建设用地[3]。城市扩展边界管理技术注重城市发展与环境保护的共赢，是解决当前城镇化过程中的问题和未来城镇化潜在问题的有效手段。

城市扩展边界（UGB）源于美国的精明增长、新城市主义等思潮，已被诸多欧美发达国家运用于城市管理实践当中[4-6]。中国对城市扩展边界的研究始于2006年《城市规划编制办法》提出的中心城区空间增长边界;2013年中央城镇化工作会议提出城市规划由扩张转向限定边界优化结构，要建立统一的空间规划体系、限定城市发展边界、划定城市生态红线，“一张蓝图”干到底;为了构建良好的城镇体系，中国在2016年土地利用规划调整与完善中又进一步强调划定城镇用地增长边界;党的十九大报告明确指出：“坚持底线思维，科学划定生态保护红线、永久基本农田、城鎮开发边界三条控制线，优化‘三生空间，保障美丽中国建设”。自UGB提出以来，国内许多专家学者开展了大量理论和实证研究。龙瀛等[7]利用约束性CA对北京市城市扩展边界进行了探索;王玉国等[8]基于土地生态适宜性评价对深汕特别合作区的城市扩展边界进行了研究;杨振等[9]采用最小累计阻力模型研究不同情境下洱海流域城镇用地扩展边界的划分问题，并提出了一套两级分区体系;朱寿红等[10]基于“反规划”理念及FLUS模型对徐州市贾汪区城镇用地增长边界进行了划定。综合大量文献，笔者发现城市扩展边界研究虽然取得丰富成果，但丘陵山区城市应用研究较少。对于山地城市空间形态演变、空间结构分析和规划设计等方面已经开展了大量研究工作[11-14]，但并未引入城市扩展边界研究。由于缺乏基础研究，目前城市扩展边界对丘陵山区城市空间发展未达到预期引导和控制的效果[15]。

相比平原地区，丘陵山区人地矛盾更为突出，建设用地图斑更加破碎，在中国粮食安全和生态安全宏观格局中更具有代表性。在新型城镇化背景下，研究丘陵山区城镇空间形态特征、城镇增长演变、区域生态安全格局更为紧迫。因此，将城市扩展边界应用在丘陵山地还需要深入研究。基于此，本研究选取典型丘陵山区重庆市江津区为对象，采用建设用地适宜性评价和CA-Markov模型相结合的划定方法，并根据其近期规划最终确定江津区2030年城镇扩展边界，以期为丘陵山区城市规划提供参考。

1  研究区概况和数据来源

1.1  研究区概况

江津区位于重庆市西南部，地理位置为东经105°49′—106°38′，北纬28°28′—29°28′。东临重庆市巴南区、綦江区，西接重庆市永川区、四川省合江区，南邻贵州省习水县，北靠重庆市璧山区、九龙坡区、大渡口区，是川东褶皱带和川黔南北构造带的过渡地带，地势南高北低，海拔介于178.5～1 709.4 m，以低山和丘陵为主，低山丘陵占土地总面积的96.9%，地质环境脆弱。据江津区统计年鉴，江津区辖4个街道、25个镇，2015年江津区生产总值为605.59亿元，其中第一、第二、第三产业分别为75.47亿、357.41亿、172.71亿元，分别占总产值的12.46%、59.02%、28.52%;常住人口133.19万人，其中城镇人口84.86万人，城镇化率为63.71%;土地总面积3 218 km2，其中城镇建设用地面积为85.64 km2，占土地总面积的2.66%。

1.2  数据来源

本研究所使用的经济及人口数据来源于江津区统计年鉴，其他数据来源如表1所示。

2  江津区城镇建设用地适宜性评价

2.1  禁建区构建

为了最大限度保护生态环境、自然和历史文化环境，发展经济的同时更加注重生态环境的保护，形成国土生态屏障，建立起生态安全格局，维护和扩大城乡绿色空间[16]。本研究选取江津区生态保护红线核心区、地质灾害严重区、活动断层区、采空塌陷区4个刚性因子，通过ArcGIS10.2空间技术进行叠加分析，以此来构建江津区禁建区。这4个因子是保护丘陵山区生态可持续发展的重要前提，是城市扩展所不能逾越的界限。

1）生态保护红线核心区。面积为606.94 km2，占江津区土地总面积的18.86%。红线核心区域主要分布在北部浅丘城乡高度发展区的长江及其沿岸、长江支流及其沿岸、“四山”禁建区、江津区南部山地林农稳定发展区的四面山自然保护区和中山镇鹭类自然保护区、江津区西南部渝川结合部的滚子坪森林公园和黑山石-滚子坪风景名胜区以及其他区域。

2）地质灾害严重区。面积为204.87 km2，占江津区土地总面积的6.36%。地质灾害严重区主要分布于江津四面山-柏林-东胜地带，是滑坡、泥石流高发区，生态极其脆弱。

3）活动断层区。面积为29.49 km2，占江津区土地总面积的0.91%，且分布较集中，主要分布在江津区北部的中梁山、缙云山和云雾坪森林公园。

4）采空塌陷区。面积为30.20 km2，占江津区土地总面积的9.38%。主要矿产为建材、石膏等非金属矿，不合理采矿导致地面沉降、植被和土地资源的破坏，生态问题严峻。分布在江津区与永川区交界处的石门镇、朱杨镇以及支坪街道东北部、珞璜镇西北部和北部部分地区。

2.2  评价指标体系构建

因研究区生态敏感性高、生态脆弱，以禁建区为基础，在不逾越禁建区的区域开展建设用地适宜性评价。基于数据的可获取性，评价主要考虑的因子有高程、坡度、距主干道距离、距城镇距离、耕地质量、人口密度6个因子。首先通过咨询专家意见，将各因子适宜性划分为5级（最适宜、适宜、一般适宜、不适宜、最不适宜），逐级赋值，9分为最适宜、7分为适宜、5分为一般适宜、3分为不适宜、1分为最不适宜，然后采用层次分析法（AHP）对以上6个因子确定权重，最后借助ArcGIS10.2栅格计算器加权计算江津区建设用地适宜性评价结果。建设用地适宜性评价公式：

S地=■WiFi

式中，S地为某土地评价单元（30 m×30 m）适宜性总分;Wi为第i（i=1，2，3，…n）个因子的权重值;Fi为第i个因子的适宜性评分值[17]。建设用地适宜性评价因子及权重具体见表2。

1）地形地貌因素。①高程。从30 m空间分辨率的高程数据中获取。因研究区绝大部分属于低山丘陵，海拔越高，坡度越陡，越易引发地质灾害。本研究以300、500、1 000、1 500 m为临界点分别赋予不同的值以表示其建设用地适宜性。②坡度。利用30 m的高程数据在ArcGIS软件中计算获得。城市用地规范中规定城镇建设用地坡度最大不超过25°。考虑到研究区多为丘陵低山区，土质疏松，其坡度越高，水土流失越严重。本研究以2°、6°、15°、25°为临界点分别赋予不同的值。

2）规划导向因素。①距主干道距離。交通是城市发展的主要区位因素之一，借助ArcGIS10.2裁剪工具首先将研究区外的交通干道进行裁剪，保留江津区内的主要高速公路G93、G5001、G210、S107、S206等以及铁路成渝线和川黔线。通过ArcGIS10.2分析工具，以500、1 000、1 500、2 500 m为界分别向外做缓冲区，并赋予不同的值。②距城镇距离。在城镇外进行扩展可以有效集中人力、物力、财力，获得集聚效应。本研究以江津区2015年城镇建设用地数据为基础，以500、1 000、1 500、3 000 m为界做缓冲区分析并赋值。

3）经济因素。①耕地质量。保持农业可持续发展首先要确保耕地的数量和质量，城镇扩张难免会对耕地进行侵占，虽然耕地占补平衡的措施取得了一定成效，但在城镇扩张中应当尽可能避免对优质耕地的破坏。本研究将耕地质量纳入考虑因子，并将其分为两个等级。即耕地质量高于全市均等质量和耕地质量低于全市均等质量，高于全市均等质量的耕地为最不适宜建设用地，在城市扩张过程中应当尽量避免。②人口密度。城市人口密度一方面反映着人口分布的地区差异，同时也代表着区域经济的活动强弱程度。人口密度越高的地方往往经济越发达，也更适合城镇的集聚扩张。本研究将人口密度纳入考虑因子，并以200、500、1 000人/km2为分界点分别赋予不同的值。

2.3  城镇建设用地适宜性评价结果

通过将生态保护红线核心区、地质灾害严重区、采空塌陷区、活动断层区4个刚性因子在ArcGIS10.2中进行叠加分析，从而得到江津区的禁建区。结果显示，禁建区总面积784.01 km2，占江津区土地面积的24.36%，主要分布在南部山地林农稳定发展区的四面山镇、四屏镇、柏林镇，北部浅丘城乡高度发展区的铜锣山、中梁山、缙云山、云雾平森林公园，长江及其沿岸，东北部的珞璜镇采空塌陷区。禁建区是城镇扩张的强限制因素，作为江津区生态保护屏障，直接划为最不适宜建设区，江津区城镇的发展不能逾越此界线。

在确定了禁建区后，借助ArcGIS10.2裁剪工具，将禁建区以外的区域作为研究对象，对其进行建设用地适宜性评价。通过将高程、坡度、距主干道距离、距城镇距离、耕地质量、人口密度等数据栅格化，并赋予不同等级的值，利用ArcGIS10.2栅格计算器加权求和计算江津区综合适宜性并定量表征其空间分异，运用重分类工具将适宜性分数划分为5个区段并对应其相应的适宜性评价等级（1.0～3.0分为最不适宜、3.0～4.5分为不适宜、4.5～6.0分为一般适宜、6.0～7.5分为适宜、7.5～9.0分为最适宜），最终得到江津区建设用地空间扩展适宜评价结果（图1）。

适宜性评价得分越高，建设用地空间扩展敏感度越低，土地越适宜城市建设。评价结果（表3）表明，研究区内建设用地适宜性以不适宜、一般适宜为主，且二者交叉分布。其中最不适宜面积为123.90 km2，占评价面积的5.09%，主要分布在石蟆镇、永兴镇、油溪镇、西湖镇、蔡家镇的部分地区，这些区域作为江津区农业大镇，优等质量耕地广泛分布于此，且远离交通主干道G93、S307等，交通不便，不利于城镇的扩展。不适宜面积为835.64 km2，占评价面积的34.33%，集中分布在嘉平镇、蔡家镇以东、永兴镇、中山镇以南，这些区域地形地貌条件较差，坡度较大、高程较高，生态较脆弱，容易引发滑坡、泥石流等地质灾害，且人口密度低，经济相对较落后;此外广泛散乱分布于其他各镇，主要原因是耕地的广泛分布。一般适宜面积为887.21 km2，占评价面积的36.45%，呈无规则分布于江津区各镇街。适宜面积为441.20 km2，占评价面积的18.13%，主要分布在城镇四周、各主干道以及长江沿岸两侧，这些区域交通便利，地势较平坦，基础设施较完善，具有较大的发展潜力，同时也是江津区未来城镇扩展的主要方向。最适宜面积为146.04 km2，占评价面积的6.00%，主要分布在江津主城区的双福街道、鼎山街道、几江街道、德感街道以及珞璜镇、白沙镇、李市镇等，该区域经济较发达，拥有比较雄厚的物质技术基础、交通便捷、人口密集，同时地形较平坦、区位便利。

2.4  城镇建设用地剛性边界划定

刚性因子的存在增加了刚性边界的性能，使其成为城镇扩张的生态安全底线[18]，弹性因子为城镇建设用地适宜性提供参考和借鉴。江津区一般适宜、适宜、最适宜建设区总面积为1 474.45 km2，占全区土地面积的45.82%，由于一般适宜和不适宜建设区相间分布，为了保证结果的科学性，对于江津区城镇刚性边界的划分可以通过ArcGIS10.2聚合面分析，剔除分散的细碎斑块，尽可能将其集中连片的较大斑块相组合，并通过折点编辑进行部分修复，形成刚性边界，使之成为城镇开发过程中的最大土地容量界限。除去国家重大建设项目之外，未来城镇发展都要控制在此范围内。借助ArcGIS10.2划定江津区城镇刚性边界内面积为891.47 km2，占江津区总面积的27.70%（图2）。

3  2030年江津区城镇扩展用地边界

3.1  CA-Markov城市扩展模拟

CA（元胞自动机）是一种时间和空间都离散的动力系统。每个变量都只有有限个状态，而且状态改变的规则在时间和空间上均表现为局部特征[19]。CA模型可简单用下式表示：

根据CA模型与Markov模型的特点，模拟土地利用变化过程中，可以将二者有效结合，如今CA-Markov模型已广泛应用于土地利用变化和城市发展模拟中[21]。在土地利用栅格图中，每一个像元就是一个元胞，每个元胞的土地利用类型为元胞的状态[22]。本研究首先在地理空间数据云网站下载2005、2010、2015年江津区遥感影像图，并借助envi平台将其进行遥感解译，最终将江津区土地利用类型分为林地、耕地、建设用地、水域和草地5大类。设置栅格大小为30 m×30 m。借助ArcGIS10.2进行数据格式的转换，随后通过IDRISI 17.0软件中的Markov和CA-Markov模块进行土地利用变化模拟。首先通过Markov模块得到土地类型转移概率矩阵、转移面积矩阵和一系列条件概率图像。在CA-Markov模块中构造CA滤波器，采用5×5的滤波器，即认为一个元胞周围5×5个元胞组成的矩形空间对该元胞状态的改变具有显著影响。最后确定起始时刻和CA循环次数，以2015年江津区土地利用格局为起始时刻，设置CA循环次数为15，以此模拟2030年江津区土地利用变化的空间格局，从而预测2030年江津区城市扩展方向。

3.2  2030年江津区土地利用情景模拟结果

通过envi平台将2005、2010、2015年江津区土地利用类型进行遥感解译，得到各年份土地利用变化情况，其中变化最为显著的是建设用地和林地，10年间建设用地面积增加了109.94 km2，年均扩展10.99 km2，同时林地减少了179.82 km2，年均减少17.98 km2。说明江津区经济持续发展，用地需求不断增加，而用地需求的增加带来林地的锐减，经济发展和生态保护的矛盾显著。

借助IDRISI17.0软件首先利用2005、2010年江津区土地分类结果得到转移面积矩阵和转移概率矩阵以及一系列图集，然后以2010年为起始时刻，设置CA循环次数为5年，对2015年江津区的五大类土地利用类型变化情况进行模拟，在IDRISI17.0平台CROSSTAB模块中将模拟的2015年结果和2015年实际土地利用现状进行精度分析，得到Kappa系数为0.905 8，其拟合程度较高，表明模拟数据能很好地表达各地类之间相互转化趋势，较好地反映了该模型能够预测未来的各土地利用类型的变化[23]。然后利用训练好的CA-Markov模型，以2015年为基准年，对2030年土地利用变化进行情景模拟。预测结果（表4）表明，与2015年相比，2030年建设用地面积增加了67.40 km2，占江津区总面积的6.66%。扩展方向有两个明显的特点，其一主要是在江津主城区以及白沙镇、李市镇、珞璜镇2015年原有城镇建设用地基础上向四周扩展;其二是沿着交通主干道G93、G201、S206、S107方向扩展（图3）。

根据2030年土地利用情景模拟图和刚性边界将江津区最大连片城镇用地划出，作为2030年江津区城镇弹性边界，弹性边界内面积为181.39 km2，占江津区土地总面积的5.64%（图4）。

3.3  城镇扩展边界的确定

城市未来发展定位对城镇扩展边界的划定具有重要的导向作用，根据江津区城市总体规划，至2030年，江津区城镇建设用地规模为191 km2。总体确定沿长江、南北交通干线发展的规划指导思路，提出建立以中心城市（主城区、西部经济区中心白沙镇、中部经济区中心李市镇、东部经济区中心珞璜镇）为核心，以长江、渝东公路的“一心两轴”城镇空间布局形态，建立完善的城镇体系。“两江一带”是带动江津区发展的主要轴线。从人口聚集、用地增长以及经济发展水平来看，江津区中心城区是带动江津区发展的重点区域，也是承接主城区专业职能的主要区域，聚集态势应该会进一步增强。

通过将江津区城镇未来发展规划和定位与江津区城镇刚性边界及弹性边界相结合，最终确定了2030年江津区城镇扩展边界（图5）。城镇扩展边界内面积为199.57 km2，占江津区土地面积的6.20%，略大于规划年江津区城镇建设用地规模。城镇扩展边界内2015年已建成区（部分农村居民点和城镇建设用地）面积为105.88 km2，剩余可建设用地面积为93.69 km2。划定结果显示，2030年江津区城镇扩展大致呈“十字”方向，中心城区以及西部中心镇、中部中心镇、东部中心镇是城镇扩展的主要增长极，同时长江沿岸以及江津区内各主要交通干道是其城镇未来发展的潜在动力。不同于平原区城镇明显的集聚组团扩展，江津区城镇扩展形态主要是纤细的条带状。

4  小结与讨论

丘陵山区城市发展的主要矛盾是脆弱的生态和急剧增加的用地需求的矛盾。因此，为了促进丘陵山区城市的可持续发展，保护生态安全，促进土地的节约集约利用，本研究基于数据的可获取性，选取生态红线保护核心区、地质灾害严重区、采空塌陷区、活动断层区4个刚性因子，借助ArcGIS10.2空间叠加分析构建了江津区的禁建区，在禁建区外选取了高程、坡度、距主干道距离、距城镇距离、耕地质量、人口密度6个因子构建了江津区建设用地适宜性评价指标体系，通过AHP法确定各因子的权重，借助ArcGIS10.2栅格计算器加权计算得到江津区建设用地适宜性评价结果，并依据评价结果和禁建区确定了江津区的城镇刚性边界，利用CA-Markov模型对2030年的江津区城镇用地规模进行预测，确定了江津区城镇扩展的弹性边界，最后结合江津区近期规划和定位，最终确定了2030年江津区城镇扩展边界。

研究表明，基于生态保护前提下，将建设用地适宜性评价和CA-Markov模型结合的划定方法对确定江津区城镇未来扩展方向有一定的指导意义，有关规划部门可根据划定结果，结合当地实际需求，指导城市规划的编制。但是本研究仍存在很多不足：①基于数据的可获取性，在建设用地适宜性评价中选用的因子不够完善，评价方法有待进一步改进;②由于不适宜建设用地和一般适宜建设用地相互融合，相间分布，在确定刚性边界时，为了使结果更加科学合理，采用了折点编辑进行划定，尽可能将不适宜建设用地划出刚性边界外，但可能存在一定的主观性;③CA-Markov模型预测过程中，由于其Kappa系数已经较高，所以并没有利用MCE模块进行适宜性图集的创立，可能会对结果造成一定的影響;④还需对未来城镇扩展边界的稳定状态进行评价，建立全套的城镇扩展边界评判框架体系，以便引入到实践当中。

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