重庆主城区建设用地爬坡特征及其圈层性

彭秋志，邓启辉，马少华，马经纬

（昆明理工大学国土资源工程学院，云南·昆明 650093）

中国山地丘陵区域分布着大量在复杂地形上建立的城市，其中许多城市在进入21世纪后迎来高速扩张，引发了如何妥善利用坡地资源缓解建设用地供需矛盾的热烈探讨和实践摸索[1-4]。随着工程技术手段进步，以及城市空间增长理念逐渐由外延扩张为主向内涵提升为主转变，原有关于建设用地与坡度关系的一些认识日益背离新的城市建设实践。以原建设部颁布的国家行业标准《城市用地竖向规划规范（CJJ 83-99）》（以下简称《CJJ 83-99》）及后续住房和城乡建设部修订颁布的《城乡建设用地竖向规划规范（CJJ 83-2016）》（以下简称《CJJ 83-2016》）为例，它们一直存在的两个问题正日益值得商榷。其一，《CJJ 83-99》将城市建设用地坡度上限规定为25%（≈14.0°），该规定在17年后的《CJJ 83-2016》中依然未变。然而数以百计的山地丘陵城镇在此期间经历了面向6°~25°坡地资源的低丘缓坡开发利用试点[5-6]，这或许已经带来了不少“违规”现象。其二，两版规范所遵循的理念均是越往中心城区方向越推荐趋平布局，而越往郊区、乡村方向则越放开用地坡度限制，以此引导建设用地布局形成“内缓外陡”圈层格局。然而该理念违背了坡地建设与运营的成本控制律，理论上难以真正贯彻，尤其难以适用于本身建立在复杂地形上且具有一定规模的山地丘陵城市。由此引出两个疑问：（1）在山地丘陵城市扩张过程中，是否存在建设用地持续爬坡且上限坡度“违规”现象日益增多的情形？（2）山地丘陵城市的建设用地水平布局会更趋向“内缓外陡”还是“内陡外缓”？这两个问题的答案将直接决定有无必要进一步修订完善《城乡建设用地竖向规划规范》中的相关表述。

为解答上述疑问，本研究选择典型山地丘陵城市重庆市的主城区为案例区域，以数字高程模型（DEM）和3期（2000年、2010年和2020年）建设用地解译产品为数据源，运用坡谱分析法，多角度解析建设用地坡度梯度分布演变特征；提出分坡度区段标准差椭圆叠置法，探究建设用地爬坡现象的水平圈层分异特征。该研究旨在增进对城市坡地建设布局规律的认识，为完善相关技术规范及规划管控政策提供科学支持。

1 研究区概况

重庆主城九区位于重庆西南部，是重庆最早的9个县级行政区，包括渝中区、大渡口区、江北区、南岸区、沙坪坝区、九龙坡区、北碚区、渝北区和巴南区（图1），总面积5472 km2，在重庆5大功能区中属于“都市功能核心区”和“都市功能拓展区”。主城九区位于四川盆地东部的平行岭谷区内，被多条南北走向山岭所分割，山岭间的槽状谷地内以浅丘地形为主，城市建设用地主要布局于这些浅丘区域。主城九区作为国家中心城市的核心载体，是全市政治、经济、文化、交通和金融中心，在20世纪70年代就开始了快速建设，2000年建设用地面积达到125 km2，及至2020年已逾626 km2；作为“成渝地区双城经济圈”建设的重要极核，未来该区域的建设用地将进一步大幅扩展。

图1 研究区位置、行政区划与地形Fig.1 Location, administrative division and topography of the study area

2 数据与方法

2.1 数据来源与处理

研究区行政界线来自重庆市标准地图服务网（http://www.cqmap.com/bzdt/）。DEM数据来源于美国地质调查局（USGS）发布的SRTM1 v3.0数据（https://earthexplorer.usgs.gov/），分辨率约为30m，通过ArcGIS进行投影转换后，用Slope工具运算得到主城九区坡度值。主城区2000年和2010年建设用地数据来源于FROM-GLC（全球土地覆盖物精细分辨率观测和监测）数据集（http://data.ess.tsinghua.edu.cn/），分辨率为30m；2020年建设用地数据在2017年FROM-GLC基础上参考2020年的高清遥感影像绘制而成，同时通过参考Google Earth历史影像分别对2000年和2010年建设用地数据进行了修正（图2）。鉴于水域通常不宜纳为建设用途，而研究区内有长江、嘉陵江等大型水面贯穿，易造成大量“平地”未被利用的错误印象，为削弱其对有关坡度分析的影响，在进行统计分析前均已剔除水域。

图2 研究区不同时期建设用地分布Fig.2 Built-up areas of the study area in different periods

2.2 坡谱分析方法

“坡谱”是汤国安等在研究黄土高原地形特征时提出的中文概念[7]，基本等同于国外地貌学研究中常用的frequency distribution of slope即“坡度频率分布”概念[8]。彭秋志等对“坡谱”概念进行了广义化延伸[9]，将“坡谱”视为“在坡度梯度上的分布”的简称，即一切以坡度为横坐标（自变量）所构成的二维统计图表皆可称为“坡谱”。文中将使用两类坡谱（建设用地频率坡谱和建设用地密度坡谱）解析建设用地在坡度梯度上的分布与变化特征，借以回答文首提出的第一个疑问。其中，考虑到地面坡度超过45°的概率通常不到1%[10]，将参与统计的坡度区间设为[0°, 45°)；坡度分级间隔除特别说明外均为1°，第1坡度区段为 [0°, 1°)，类推至第 45 坡度区段为 [44°, 45°)。

（1）建设用地频率坡谱

建设用地频率坡谱是由各坡度区段建设用地面积频率构成的坡谱，用于反映建设用地自身在各坡度区段上分布的相对多寡，满足如下公式：

式中：FULAi为第i个坡度区段的建设用地面积频率，ULAi为第i个坡度区段的建设用地面积，ULA为所有坡度区段建设用地面积之和，n为坡度区段总数。另采用平均坡度（μ）、偏态系数（SK）、峰态系数（K）、均匀度（E）、大于14°坡地率（GT14）等指数（表1）[9,11]，对建设用地频率坡谱进行多角度解读。

表1 频率坡谱的主要分析参数Table 1 Statistic metric for slope frequency distribution

（2）建设用地密度坡谱

建设用地密度坡谱是由各坡度区段建设用地面积占该坡度区段土地总面积的比例构成的坡谱，用于反映在各坡度区段上建设用地与非建设用地间的对比关系。第i个坡度区段的建设用地密度计算公式如下：

式中：DULAi为第i个坡度区段的建设用地密度，ULAi为第i个坡度区段的建设用地面积，LAi为第i个坡度区段的土地面积。

2.3 圈层分析方法

为回答研究区建设用地水平布局会更趋向“内缓外陡”还是“内陡外缓”的疑问，提出一种分坡度区段生成标准差椭圆进行叠置分析的方法，用于确定圈层梯度是否存在以及梯度变化方向。标准差椭圆能同时反映地物分布的中心位置、集中趋势和延伸方向，是描述空间分布特征的常用方法[12]，且已被集成在多种空间分析软件平台中。基于ArcGIS软件平台，将所需建设用地栅格文件转换成矢量点文件作为输入，然后运行Directional Distribution工具即可获得所需标准差椭圆。以此为基础开展分坡度区段标准差椭圆叠置分析法的流程设计：针对每一期建设用地，在[0°,45°)范围内，从缓至陡以一定间隔划分坡度区段，将每一坡度区段内的建设用地分别绘制成标准差椭圆，通过依次比较各相邻坡度区段标准差椭圆间的面积大小及叠置包含关系，辨别建设用地水平分布是否随坡度区段变化而构成向外递增或向内递增的圈层梯度。

关于叠置包含关系辨别，除进行定性的空间叠置判读外，还构建面积融入率指标进行定量表达。设有两个标准差椭圆面域a和b，a对b的面积融入率是指a与b重叠部分的面积与a自身面积之比，公式为：

式中：Ba→b表示a对b的面积融入率；Sa∩b表示a与b的重叠区面积；Sa表示a的面积。融入程度判定标准设为：Ba→b大于0%但不大于50%为部分融入，超过50%为过半融入，超过75%为较多融入，超过95%为高度融入，达到100%为完全融入。

3 结果与分析

3.1 建设用地爬坡特征

（1）建设用地频率的坡度分布与变化

无论从3个年份的现状部分看（图3a），还是从2个相邻变化时段的新增部分看（图3b），2000~2020年间研究区建设用地频率坡谱曲线一直保持着右偏尖峰形态（表2），表明研究区建设用地一直属于趋平布局，符合城市建设用地竖向布局的一般规律。在“既利于排水又尽量平坦”的基本择地原则下，城市建设用地频率坡谱的频率峰值坡度区段通常位于1°或2°附近[6,9,11]。而研究区的建设用地频率峰值坡度区段一直稳定在[3°, 4°)，说明该区域的背景地形整体更为崎岖，更易出现建设用地爬坡现象。除形态类型和峰值坡度区段的稳定，还能结合图3和表2解读出一些相对稳定的关键坡度（区段），如频率稳定下降区段是 [0°, 6°)，频率稳定上升区段为 [7°, 17°)，降升转折点一直位于7°附近。该现象与重庆市近年来重点面向6°~25°坡地的低丘缓坡土地开发利用试点形成了较好的对应关系[2]。

图3 不同时期研究区建设用地频率的坡度分布Fig.3 Slope frequency distribution for construction land in different periods

随时间推移，建设用地频率坡谱形态逐渐朝正态分布方向演化（表2）。一方面表现为偏态系数从右偏（SK>0）朝着对称（SK=0）的方向逐渐减小，以及平均坡度μ的逐渐增大；另一方面表现为峰态系数从尖峰态（K>0）朝着标准正态（K=0）的方向逐渐减小，以及均匀度E的逐渐增大。研究区建设用地中大于14°坡地占比（GT14）在2000年时已达到8.23%，而另一个面临建设用地爬坡困境的典型城市深圳市在同一年份的GT14仅约1%[9]，可知研究区早已出现大量违背《CJJ 83-99》中14°上限规定的爬坡现象。不仅如此，研究区的GT14在2000~2010年的10年间上升了0.31%，而在之后2010~2020年的10年间又进一步上升了0.99%，达至2020年的9.53%，加速上升趋势明显。综上，研究区经历了一个坡度重心逐渐上升的建设用地爬坡过程，建设用地上限坡度“违规”现象已较为常见，且无论从绝对数量看还是从相对比例看均在日益增多。

表2 建设用地频率坡谱基本统计信息Table 2 Summary of basic statistics for the slope frequency distribution of construction land

（2）建设用地密度的坡度分布与变化

利用建设用地密度坡谱能进一步探究坡度梯度上建设用地与非建设用地之间的对比关系。无论基于3个年份的现状部分（图4a），还是基于2个相邻变化时段的新增部分（图4b），2000~2020年间研究区建设用地密度一直稳定保持着随坡度增大而下降的基本特征。也即坡度越缓，建设用地在土地利用中的占比越大。

随时间推移，在各个坡度区段内都出现了建设用地密度持续增大现象，且增加幅度均随坡度趋陡而减小，表明每个时期的建设用地密度增长在各个坡度区段间存在同向协同关系，同时也说明坡地建设总是滞后于平地建设。2000~2010年间与2010~2020年间的差异主要体现在0°~7°的平缓坡度区段（图4b），即前一时期在平缓土地上的建设用地扩张规模明显大于后一时期。这些共同体现出研究区城市扩张在坡度梯度方向上非常迅速，同时也提示开发难度低的平缓土地资源在迅速减少。

图4 不同时期研究区建设用地密度的坡度分布Fig.4 Density distribution of construction land on slope gradient in different periods

3.2 建设用地与坡度关系的水平圈层时空格局

结合研究区建设用地主要分布在20°以内（图3）的实际，以 5°、10°、15°和 20°为断点将 [0°, 45°)区间划分成5个坡度区段，并依次编号I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、V。基于相对大小和相对位置关系（图5）可直观看出，无论哪一时期，建设用地标准差椭圆均随坡度增大而逐渐向内收缩；定量化的面积融入率分析（表3）也显示，在各相邻坡度区段间，较小标准差椭圆对较大标准差椭圆的融入率均达到了较多融入（超过75%）级别，特别是在5°~45°的各坡度区段之间均达到了高度融入（超过95%）甚至完全融入（达到100%）级别。由此可知，研究区建设用地的水平分布确实存在随坡度增大而向内聚集的圈层梯度，即坡地建设的空间布局比平地建设的空间布局更为紧凑内聚。

图5 各时期各坡度区段建设用地标准差椭圆Fig.5 Standard deviational ellipses of construction land in each slope segment in different periods

表3 各时期各相邻坡度区段间建设用地标准差椭圆面积融入率Table 3 Overlap rate of standard deviational ellipses of construction land between adjacent slope segments in different periods

4 结论与讨论

4.1 讨论

对中国的山地丘陵城市而言，《CJJ 83-99》及《CJJ 83-2016》是重要的规范性指导文件。然而，重庆市主城区建设用地中大于14°坡地率GT14不仅早已高达8%以上，而且不断在升高，这直接表明该系列规范的约束力不仅不够强，而且在持续减弱。仍然维持城市建设用地坡度上限为14°的相关规定正日益值得商榷。根据建设用地频率坡谱（图3），若以违规比例不超过5%为标准，重庆市主城区的建设用地坡度上限应至少上调到18°附近，若以1%为标准则应至少上调到23°附近。放眼全国，重庆虽然在山地城市研究领域获得了较多关注，但它并非唯一面临建设用地爬坡问题的城市[6]。我们基于GLC_FCS30-2020数据[13]，以2020年城区建设用地平均坡度进行排序，重庆在全国600余个县级以上城市中仅排到第33位。据此推断，建设用地持续爬坡导致坡度上限“违规”日益增多的情形或许已在不少城市出现。基于本文认识，建议以与时俱进的眼光再次审视相关规范，开展更多针对性研究，在必要时或可考虑启动修订程序，以此顺应城市坡地建设布局发展变化的客观规律，切实减少“违规”现象，维护相关规范的普适性和权威性。

中国有着人口多、耕地少的基本国情，人口总量和耕地总量保持基本稳定、人口和建设用地“城增村减”是长期趋势。推动人口从乡村尤其是山区农村向城镇转移定居，不仅能有效缓解广大山区的人类活动压力，助力提升生态碳汇，同时能极大提高经济社会宏观运营效率，促进节能减排降耗[14]。南方山地丘陵区域大部分仍处于快速城镇化中期[15]，许多城镇面临着不同程度的地形制约，新的建设用地爬坡现象或将不断涌现。如何妥善处理好建设用地爬坡过程中涉及的耕地保护、生态建设、开发成本控制、运营效益提升等复杂关系，是国土空间开发保护实践中亟待解决的重要课题。然而一段时间以来，在低丘缓坡开发利用等政策刺激下，部分城市在大规模改造地形后未能及时跟进高效开发利用，致使土地长期处于低效利用状态，甚至产生大量闲置裸地，不但没能实现集聚人口和经济、缓解自然生态系统所受压力的初衷，反而使项目区土地出现生态效益骤降、水土流失加剧等新问题。本文分析发现，重庆市建设用地爬坡现象在开发时序上相对延后，在空间布局上更多表现为向内填充而非向外蔓延，发挥了明显的充填效应，促进了城市空间的集约紧凑，符合新时期城市内涵式发展的国土空间开发保护理念。这种“先平后坡，外延趋平，内填爬坡”的模式更易控制成本和进度，也更能防范出现低效爬坡或爬坡“烂尾”现象，值得在类似城市推广。

4.2 结论

从坡度梯度及其圈层格局视角分析了重庆市主城区建设用地与坡度关系的时空格局特征，得出以下结论：

（1）研究区存在建设用地持续爬坡并且其用地上限坡度“违规”现象日益增多的情形。各时期现状及新增建设用地频率的坡度分布均呈现以3°~4°为峰值的右偏形态，且0°~6°区段频率占比不断下降，而7°~17°区段频率占比不断上升，2000年、2010年和2020年建设用地平均坡度分别为6.53°、6.70°和6.99°，说明该区域存在一个持续的建设用地爬坡现象；现状及新增建设用地中，大于14°坡地占比均随时间变化而不断升高，证实建设用地上限坡度“违规”现象在日益增多。

（2）研究区建设用地水平分布更趋向“内陡外缓”圈层格局。各时期现状及新增建设用地标准差椭圆均呈现随坡度上升而趋于内缩的圈层特征，表明在水平方向上，坡地建设比平地建设更为紧凑内聚。

（3）有必要继续完善《城乡建设用地竖向规划规范（CJJ 83-2016）》中的坡度上限和坡度区位规定。可将城镇建设用地选择的自然坡度上限由现行25%（≈14°），上调至35%（≈20°）附近；可将现行对城镇中心区用地坡度上限的特别规定去除，留给规划师们更多创意空间，让城镇在统一的坡度上限规定下自行发展出符合自身特征的陡缓格局。在此基础上，各地可根据自身实际出台更为严格的地方性规定，尤其应防止平地充裕的地区盲目侵占山体搞建设。