2000—2013年西安市建設(shè)用地擴(kuò)張?zhí)卣骷靶б娣治?/h1>
2015-06-07 10:06:20趙勝男任志遠(yuǎn)李柏延吳林筱
陜西師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版) 2015年4期
趙勝男，任志遠(yuǎn)，張 晗，李柏延，吳林筱
(1 陜西師范大學(xué) 旅游與環(huán)境學(xué)院，西北國土資源研究中心，陜西 西安 710119；2 陜西師范大學(xué) 西北歷史環(huán)境與經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展研究院，陜西 西安 710062)
2000—2013年西安市建設(shè)用地擴(kuò)張?zhí)卣骷靶б娣治?/p>
趙勝男，任志遠(yuǎn)*，張 晗，李柏延，吳林筱
(1 陜西師范大學(xué) 旅游與環(huán)境學(xué)院，西北國土資源研究中心，陜西 西安 710119；2 陜西師范大學(xué) 西北歷史環(huán)境與經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展研究院，陜西 西安 710062)
基于GIS空間分析，采用2000年、2005年、2010年、2013年4期Landsat TM/ETM+/OLI遙感影像，提取西安市4期的建設(shè)用地，通過象限分析法、同心圓分析法，以擴(kuò)展強(qiáng)度、分形維數(shù)等擴(kuò)展指標(biāo)分析西安市近年建設(shè)用地的擴(kuò)張?zhí)卣?，并從?jīng)濟(jì)效益、社會效益及環(huán)境效益三個方面對西安市建設(shè)用地擴(kuò)張效益進(jìn)行評價。結(jié)果表明：2000—2013年西安市建設(shè)用地擴(kuò)張較快，年均增長率高達(dá)5.81%，尤以2010—2013年擴(kuò)張最快，擴(kuò)展方向主要集中于南、北、西北，擴(kuò)展范圍集中于以鐘樓為中心的6～18 km處。14年間西安市的經(jīng)濟(jì)效益較好，在2005—2010年達(dá)到最高；社會效益較低，建設(shè)用地擴(kuò)張快于人口擴(kuò)張，在2010—2013年城市規(guī)模彈性系數(shù)高達(dá)5.12；環(huán)境效益呈下降趨勢，熱島區(qū)在建設(shè)用地擴(kuò)展的中低速區(qū)、中高速區(qū)及高速區(qū)分別擴(kuò)展了0.41倍、3.45倍、6.41倍。
建設(shè)用地；擴(kuò)張?zhí)卣鳎唤?jīng)濟(jì)效益；社會效益；環(huán)境效益
改革開放以來，我國城市化進(jìn)程發(fā)展迅速，城市化水平由1978年的17.9%提升到2011年的51.27%，我國進(jìn)入了城市化發(fā)展的關(guān)鍵階段，其轉(zhuǎn)移人口之巨、經(jīng)濟(jì)發(fā)展之快、城市土地擴(kuò)張之速引起了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注[1-3]。我國城市化速度驚人，但是其城市化質(zhì)量卻不容樂觀[4]。相關(guān)研究認(rèn)為，我國的城市化存在由政府主導(dǎo)并推動的現(xiàn)象，在“土地財政”、“以地生財”的刺激下，形成了目前的高城市化率及城市蔓延，這種“驅(qū)趕型城市化”造成了土地城市化快于人口城市化、城市用地粗放式發(fā)展、社會非公平、耕地迅速流失等一系列問題[1,5-6]。由此，緊湊城市、精明增長、城市發(fā)展邊界等成為研究熱點(diǎn)，政府也出臺了相關(guān)政策加以遏制，包括1997年凍結(jié)審批新增城市建設(shè)用地一年，2014年11月西安等14個城市劃定城市擴(kuò)張“紅線”，將易被占用的優(yōu)質(zhì)耕地優(yōu)先劃為永久基本農(nóng)田。因此，探索城市蔓延態(tài)勢、評價城市用地效益對于城市合理擴(kuò)張、推動城市可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。
目前,對于城市擴(kuò)張的研究主要集中于城市擴(kuò)張的特征、模式、驅(qū)動力、擴(kuò)展預(yù)測及模擬等內(nèi)容[7-11]，而對于城市擴(kuò)展的合理性評價相對缺乏，也少見對于城市內(nèi)部的空間分析；研究區(qū)域主要為東部沿海發(fā)達(dá)城市[12-14]，而對于近年來城市化速度較快的西部城市研究較少；研究的時間尺度集中于2010年以前，而城市的擴(kuò)張在2010年后又呈現(xiàn)出新的特點(diǎn)。本文以西安市市區(qū)(2013年行政區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn))作為研究對象，選取2000年、2005年、2010年、2013年的遙感影像，分析西安市建設(shè)用地擴(kuò)展特征，并從經(jīng)濟(jì)效益、社會效益及環(huán)境效益三個方面評價西安市建設(shè)用地擴(kuò)展的合理性。
2 研究區(qū)域與研究方法
2.1 研究區(qū)概況
截至2013年，西安市共轄9區(qū)4縣，其中的9區(qū)(新城、碑林、蓮湖、灞橋、未央、雁塔、長安、臨潼、閻良)囊括了西安市的主城區(qū)，即為本文的研究區(qū)。作為輻射西北地區(qū)的金融、科技、教育、旅游、商貿(mào)中心，西安市1978—2013年GDP年均增長率為17.38%，至2013年GDP達(dá)4 884.13億元(現(xiàn)價)，形成了以高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)、裝備制造業(yè)、旅游業(yè)、文化產(chǎn)業(yè)、現(xiàn)代服務(wù)業(yè)為支柱的五大主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。
2.2 數(shù)據(jù)來源與處理
選取西安市2000年9月17日ETM+影像、2005年6月19日及2010年6月17日TM影像、2013年9月13日Landsat8 OLI影像，軌道號均為P127R36。對影像進(jìn)行幾何精校正后，以西安市九城區(qū)矢量邊界提取研究區(qū)范圍。于ENVI 4.8軟件平臺上運(yùn)用最大似然法對影像進(jìn)行監(jiān)督分類及目視解譯，為了分類的精確性，將土地利用分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地；考慮灞河流經(jīng)西安，對西安市城市擴(kuò)張形態(tài)存在影響，最后歸并成建設(shè)用地、水域、植被三大類。參考同期谷歌地圖影像，隨機(jī)選取140個以上的樣本點(diǎn)進(jìn)行精度評價，計算分類誤差矩陣及Kappa系數(shù)，4期影像的綜合分類精度分別為84.62%、85.71%、82.27%、85.75%。于ArcGIS 10.1軟件平臺中將解譯獲得的4期建設(shè)用地進(jìn)行疊加，獲得2000—2013年西安市城市建設(shè)用地擴(kuò)展圖(圖1)。同時，還收集了《西安統(tǒng)計年鑒》、《西安年鑒》的社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)以及西安市2000年、2013年三環(huán)以內(nèi)的地表溫度反演圖，以探究西安市建設(shè)用地擴(kuò)張時空變化的效益。
2.3 研究方法
2.3.1 象限分析法 象限分析法是研究城市建設(shè)用地空間格局變化的常用方法之一，能直觀反映城市在不同方位的擴(kuò)展演化進(jìn)程，通過疊加不同方位不同時期的建設(shè)用地圖斑，進(jìn)而分析建設(shè)用地的擴(kuò)展強(qiáng)度、分形維數(shù)等時空擴(kuò)張?zhí)卣骷耙?guī)律。本文以西安市鐘樓為中心，以剛好能囊括西安市連片主城區(qū)并與行政邊界相切的17 km為半徑，以正北為起點(diǎn)，將研究區(qū)均分成夾角為45°的8個象限，與各時期建設(shè)用地圖斑疊加后計算不同象限中建設(shè)用地的相關(guān)擴(kuò)展指數(shù)來分析西安市2000—2013年間城市建設(shè)用地擴(kuò)張方向特征。
2.3.2 同心圓分析法 同心圓分析法能夠反映建設(shè)用地隨距離變化的空間格局特征，尤其能反映“攤大餅”式發(fā)展城市的圈層擴(kuò)張?zhí)攸c(diǎn)。同心圓分析法是指以研究區(qū)中心為圓心，以等間距增長的半徑構(gòu)造多個相互嵌套的緩沖環(huán)，并與各時期建設(shè)用地圖斑進(jìn)行疊加，獲得不同緩沖環(huán)的建設(shè)用地擴(kuò)張信息。本文以西安市鐘樓為圓心，以2 km為間距，生成能覆蓋西安市主城區(qū)的9個緩沖環(huán)，并與4期時相的西安市建設(shè)用地進(jìn)行疊加，從而分析西安市建設(shè)用地隨距離變化的擴(kuò)張?zhí)卣鳌?/p>
2.3.3 擴(kuò)展速度及擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù) 擴(kuò)展速度和擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)均為描述土地利用數(shù)量變化的指標(biāo)，表征各類用地在不同時期擴(kuò)展的強(qiáng)弱快慢。擴(kuò)展速度表示某一時期內(nèi)某一類用地的平均擴(kuò)展面積，即絕對擴(kuò)展；擴(kuò)展強(qiáng)度則為某一時期內(nèi)某一類用地的面積增長比率，即相對擴(kuò)展。其表達(dá)式[9]分別為
(1)
(2)
式中，Vu表示建設(shè)用地擴(kuò)展速度指數(shù)，Ru表示建設(shè)用地擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)，Sa表示研究期前建設(shè)用地面積，Sb表示研究期末建設(shè)用地面積，T表示研究時段。
2.3.4 分形維數(shù) 城市的空間擴(kuò)張形態(tài)具有自組織、自相似和分形生長的特點(diǎn)，所以分形維數(shù)被廣泛應(yīng)用于城市空間形態(tài)的研究中，其能客觀反映城市邊界的曲折性和復(fù)雜性。表達(dá)式為
(4)
式中，D(t)表示時間為t的分形維數(shù)，C(t)表示時間為t時城市邊緣周長，A(t)表示時間為t時城市面積。城市的分形維數(shù)的理論值為1～2，維數(shù)越大表示建設(shè)用地的邊界越復(fù)雜，當(dāng)維數(shù)<1.5時，說明城市邊界簡單，整齊規(guī)劃，用地緊湊節(jié)約；當(dāng)維數(shù)>1.5時，則城市邊界趨于復(fù)雜；當(dāng)維數(shù)=1.5時，說明城市邊界處于隨機(jī)運(yùn)動狀態(tài)。
3 結(jié)果分析
3.1 擴(kuò)展特征分析
3.1.1西安市城市擴(kuò)展總體概況 根據(jù)遙感解譯結(jié)果，利用GIS技術(shù)提取西安市各時期建設(shè)用地的分布及面積信息(圖1)，可見西安市在工業(yè)化、城市化的推動下，建設(shè)用地擴(kuò)張迅速。2000—2013年間，西安市建設(shè)用地擴(kuò)展了0.76倍，擴(kuò)展面積309.03 km2，年均擴(kuò)展速度23.77 km2/a，擴(kuò)展強(qiáng)度5.81%。
14年間建設(shè)用地擴(kuò)展呈現(xiàn)階段性特征，空間形態(tài)日趨破碎。2000年，西安市建設(shè)用地面積為409.06 km2，主要集中于五區(qū)(碑林區(qū)、蓮湖區(qū)、新城區(qū)、雁塔區(qū)、未央?yún)^(qū)、灞橋區(qū))，分形維數(shù)為1.26，說明西安市外部形態(tài)較簡單規(guī)整。2000—2005年擴(kuò)展幅度較大，建設(shè)用地增加了72.27 km2，擴(kuò)展速度為14.45 km2/a，擴(kuò)展強(qiáng)度高達(dá)3.53%，增加用地分布于城市周邊，主要集中于西南方向，分形維數(shù)提升至1.46，城市形態(tài)向復(fù)雜化發(fā)展，邊緣破碎。2005—2010年，擴(kuò)展幅度放緩，建設(shè)用地擴(kuò)展了40.70 km2，擴(kuò)展速度降至8.13 km2/a，擴(kuò)展強(qiáng)度降至1.69%，增加用地主要集中于城市的南郊與西郊，分形維數(shù)降至1.43，城市形態(tài)較穩(wěn)定。2010—2013年間擴(kuò)展幅度回升，建設(shè)用地增加了196.06 km2，擴(kuò)展速度高達(dá)65.35 km2/a，擴(kuò)展強(qiáng)度為12.52%，增加用地主要分布于西北部及南部，分形維數(shù)回升至1.46，城市形態(tài)進(jìn)一步破碎化，有向外擴(kuò)張的趨勢。
圖1 2000—2013年西安市建設(shè)用地擴(kuò)張F(tuán)ig.1 Construction land expansion in Xi′an city from 2000 to 2013
3.1.2 西安市建設(shè)用地擴(kuò)展的空間分異特征 象限分析結(jié)果(圖2)表明，西安市城市擴(kuò)張具有明顯的集中集聚和方向性特點(diǎn)，城市擴(kuò)張方向在2000—2010年主要集中于西南方向，與高新技術(shù)開發(fā)區(qū)一致；而2010—2013年則主要集中于西部和北部。2000—2005年，1、5、6象限(東北、西南方向)相對變化率均大于1，擴(kuò)展強(qiáng)度較大，年均擴(kuò)展速度分別為1.67、3.21、2.19 km2/a；2005—2010年，整體擴(kuò)展幅度放緩，主要集中于4、5、6象限(南、西南方向)；2010—2013年，擴(kuò)展幅度提升較快，主要集中于1、7、8象限(北、西北方向)，擴(kuò)展速度高達(dá)7.37、7.40、8.94 km2/a。
圖2 2000—2013年西安市建設(shè)用地擴(kuò)張象限分析結(jié)果Fig.3 The quadrant analysis of urban sprawl in Xi′an city from 2000 to 2013
在同心圓分析結(jié)果(圖3 )中可以發(fā)現(xiàn)，西安市建設(shè)用地擴(kuò)展存在圈層結(jié)構(gòu)特征，屬于“攤大餅”式擴(kuò)張模式。2000—2013年，西安市建設(shè)用地擴(kuò)展主要集中于6～18 km處，并在12～14 km形成一個頂峰，在2～6 km的區(qū)域由于建設(shè)用地已經(jīng)趨于飽和，建設(shè)用地增長緩慢。2000—2005年，增長面積最多、擴(kuò)展速度最快、擴(kuò)展強(qiáng)度最大的均為10～12 km之間；2005—2010年，擴(kuò)展面積最大的仍然是10～12 km處，但擴(kuò)展強(qiáng)度最大的向外移至14～16 km處；2010—2013年，8～18 km之間建設(shè)用地擴(kuò)展大幅度提升，擴(kuò)展中心回移至12～14 km處，年均擴(kuò)展速度為13.15 km2/a，擴(kuò)展強(qiáng)度高達(dá)36.36%，此間西安市一方面進(jìn)行了大面積的城市內(nèi)部填充，另一方面向外圍也進(jìn)行了快速擴(kuò)張。12～16 km之間，大致為西安市的二、三環(huán)之間。
圖3 2000—2013年西安市建設(shè)用地 同心圓分析結(jié)果Fig.3 The buffer analysis of urban sprawl in Xi′an city from 2000 to 2013
西安市建設(shè)用地擴(kuò)展的南北緩慢延伸、西北跨越發(fā)展的時空分異特征與政治、經(jīng)濟(jì)因素密不可分。西安市作為歷史文化名城、西部中心城市，樹立了建設(shè)具有歷史文化特色的國際性現(xiàn)代化大城市的目標(biāo)。為了保護(hù)遺址，西安市選擇水平擴(kuò)展方式發(fā)展，故城墻及周邊地區(qū)及位于西北、東南方向的漢長安城、杜陵遺址城市用地擴(kuò)展緩慢。另外，西安市調(diào)整產(chǎn)業(yè)布局、退二進(jìn)三的政策，即搬遷二環(huán)路以內(nèi)及二環(huán)沿線工業(yè)企業(yè)至工業(yè)園，使得二、三環(huán)之間成為主要的擴(kuò)展區(qū)域。同時，在西部大開發(fā)(1999年)、西咸一體化(2002年)、關(guān)中-天水經(jīng)濟(jì)區(qū)(2009年)等一系列政策的推動下，“大西安”的城市空間擴(kuò)展方式的出臺，并且規(guī)劃了“一軸、一河、兩帶”的主城區(qū)空間結(jié)構(gòu)，初期在南北方向延伸，包括高新區(qū)、經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)、曲江新區(qū)的開發(fā)區(qū)建設(shè)及長安區(qū)的西部大學(xué)城建設(shè)；后期，為了實現(xiàn)西咸一體化建設(shè)，發(fā)展方向主要向西。隨著西安市人民政府的北遷(2011年)，城市中心逐漸北移，故在2010—2013年城市北部擴(kuò)張迅速。
3.2 效益分析
城市的用地效益可以分解為經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和環(huán)境效益。由于目前采用的綜合效益法均涉及指標(biāo)權(quán)重的確定，而在此過程中或多或少受到主觀因素的影響，故本文選擇單一指標(biāo)評價方法來分別評價西安市建設(shè)用地的擴(kuò)張效益。
3.2.1 經(jīng)濟(jì)效益 城市建設(shè)用地的產(chǎn)出主要源自二、三產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，相較于GDP產(chǎn)值，二、三產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值與城市建設(shè)用地經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出更加吻合[15]。本文選擇以建設(shè)用地與第二、三產(chǎn)業(yè)增長彈性系數(shù)來評價西安市建設(shè)用地的經(jīng)濟(jì)效益(表1)，表達(dá)式為
(5)
式中，K表示建設(shè)用地與第二、三產(chǎn)業(yè)增長彈性系數(shù)，V表示t時間段內(nèi)的第二、三產(chǎn)業(yè)增長速度，V′表示t時間段內(nèi)建設(shè)用地增長速度。當(dāng)K=1時，表示建成區(qū)擴(kuò)張速度與經(jīng)濟(jì)增長速度持平；當(dāng)K>1時，表示經(jīng)濟(jì)增長速度快于建成區(qū)擴(kuò)張速度，即城市擴(kuò)張可促進(jìn)用地效益提高，建設(shè)用地緊湊式發(fā)展；當(dāng)K<1時，表示經(jīng)濟(jì)增長速度慢于建成區(qū)擴(kuò)張速度，即城市擴(kuò)張導(dǎo)致用地效益下降，建設(shè)用地利用方式粗放。
表1 西安市2000—2013年二、三產(chǎn)業(yè)增長彈性系數(shù)Tab.1 The elastic coefficient of secondary and tertiary industries of Xi′an city from 2000 to 2013
注:t1指2000—2005年，t2指2005—2010年，t3指2010—2013年，t4指2000—2013年。
由表1可知，2000—2013年中，西安市九區(qū)建設(shè)用地年均增長率高達(dá)5.81%，而二、三產(chǎn)業(yè)的年均增長率為17.64%，故其建設(shè)用地與二、三產(chǎn)業(yè)增長彈性系數(shù)為3.03，即新增建設(shè)用地擴(kuò)張可以促進(jìn)經(jīng)濟(jì)效益提高，屬于合理擴(kuò)張。14年中，西安市建設(shè)用地擴(kuò)張呈現(xiàn)快—慢—快的增長模式，而二、三產(chǎn)業(yè)的增長卻與之相反，從而使得西安市建設(shè)用地與二、三產(chǎn)業(yè)增長彈性系數(shù)在2005—2010年達(dá)到最高值，在2010—2013年達(dá)到最低值?？梢姡靼彩薪ㄔO(shè)用地在控制增長的情況下，其經(jīng)濟(jì)效益仍有較大的提升空間。
就具體的區(qū)域而言，僅未央?yún)^(qū)與長安區(qū)在2010—2013年間建設(shè)用地與二、三產(chǎn)業(yè)增長彈性系數(shù)K<1，屬于建設(shè)用地利用粗放，經(jīng)濟(jì)效益較低；其他區(qū)域在2000—2013年間建設(shè)用地與二、三產(chǎn)業(yè)增長彈性系數(shù)均K>1，屬于合理擴(kuò)張，經(jīng)濟(jì)效益較好。尤其在2005—2010年間，新城區(qū)、碑林區(qū)、蓮湖區(qū)、灞橋區(qū)由于建設(shè)用地趨于飽和，增速趨于0 ，但是其二、三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)出卻仍保持在年均增速19%以上的較高水平，故其建設(shè)用地與二、三產(chǎn)業(yè)增長彈性系數(shù)趨于無窮。
3.2.2 社會效益 社會效益的評價主要以人為核心，而城市的社會效益則是指城市的發(fā)展是否與當(dāng)?shù)厝丝诘奈镔|(zhì)文化需要一致。本文選取了城市用地規(guī)模彈性系數(shù)來表征西安市建設(shè)用地的社會效益(表2)，其表達(dá)式為
(6)
式中，P表示城市用地規(guī)模彈性系數(shù)，VU、VP分別為建設(shè)用地和城市人口年均增長率。當(dāng)P=1.12時，表示城市擴(kuò)張與人口增長基本同速，當(dāng)P<1.12時，表示建設(shè)用地擴(kuò)張慢于人口擴(kuò)張，人均用地有減少趨勢，用地效率提升；當(dāng)P>1.12時，表示建設(shè)用地擴(kuò)展快于人口擴(kuò)張，人均用地有增加趨勢，用地效率降低。
表2 西安市2000—2013年城市用地規(guī)模彈性系數(shù)Tab.2 The elastic coefficient of urban land use scale of Xi′an city from 2000 to 2013
注:t1指2000—2005年，t2指2005—2010年，t3指2010—2013年，t4指2000—2013年。
西安市2000—2013年城市用地規(guī)模彈性系數(shù)為1.90，屬于城市擴(kuò)張快于人口擴(kuò)張，用地效率呈下降趨勢，而其主要的貢獻(xiàn)來自于2010—2013年的快速城市擴(kuò)張，其城市用地規(guī)模系數(shù)高達(dá)5.12，城市擴(kuò)張速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人口擴(kuò)張。而就具體的地區(qū)而言，2000—2005年，城市擴(kuò)張合理的有新城區(qū)、碑林區(qū)、蓮湖區(qū)、灞橋區(qū)、雁塔區(qū)、閻良區(qū)和長安區(qū)，而城市擴(kuò)張快于人口擴(kuò)張的有未央?yún)^(qū)和臨潼區(qū)；2005—2010年，僅閻良區(qū)和長安區(qū)城市擴(kuò)張速度過快，其他城區(qū)均屬于合理擴(kuò)張；2010—2013年，碑林區(qū)由于人口出現(xiàn)負(fù)增長，其城市用地規(guī)模彈性系數(shù)為負(fù)值，屬于合理擴(kuò)展的有新城區(qū)、碑林區(qū)、蓮湖區(qū)、長安區(qū)，而灞橋區(qū)、未央?yún)^(qū)、雁塔區(qū)、閻良區(qū)和臨潼區(qū)則屬于城市擴(kuò)展過快，其中尤以閻良區(qū)和臨潼區(qū)最為明顯，建設(shè)用地擴(kuò)展速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于其人口擴(kuò)展速度。
3.2.3 環(huán)境效益 城市熱島效應(yīng)是城市擴(kuò)展的直接結(jié)果，其引起的熱量環(huán)境的改變，影響到城市生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)流和能量流，以及城市生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，包括氣候、水溫、空氣質(zhì)量、城市土壤理化性質(zhì)、城市生物分布、城市居民健康等[16]。本文以探究西安市城市地表溫度變化與建設(shè)用地擴(kuò)展速度的關(guān)系來定量分析西安市14年間的環(huán)境效益。
基于西安市2000年、2013年三環(huán)以內(nèi)地表溫度反演圖，以自然間斷點(diǎn)分級法將地表溫度劃分為5級，分別為低溫區(qū)、次低溫區(qū)、中溫區(qū)、次高溫區(qū)、高溫區(qū)。將西安市14年間建設(shè)用地擴(kuò)展面積與1 km×1 km網(wǎng)格進(jìn)行疊加，并根據(jù)相等間隔法劃分為低速區(qū)、中低速區(qū)、中高速區(qū)與高速區(qū)，與地表溫度反演圖進(jìn)行疊加，從而分析西安市建設(shè)用地14年間在不同擴(kuò)展速度下其地表溫度的變化狀況。由圖4可見，14年間，在低速區(qū)，低溫、中溫及高溫區(qū)域都有不同程度的擴(kuò)張，低溫區(qū)擴(kuò)張了80.99%，中低溫區(qū)擴(kuò)張了81.05%，高溫區(qū)提升了2.42%，但次低溫下降了30.30%，涉及熱島區(qū)的次高溫區(qū)下降了24.40%；在中低速區(qū)，僅次低溫下降了61.95%，其他區(qū)域均呈擴(kuò)張趨勢，尤其是次高溫及高溫區(qū)，分別擴(kuò)張了1.12倍、4.66倍；在中高速區(qū)，低溫區(qū)、次高溫及高溫區(qū)擴(kuò)張明顯，分別擴(kuò)張了2.89倍、2.71倍、11.33倍，而次低溫縮小了45.61%；在高速擴(kuò)展區(qū)域，熱島擴(kuò)張更加明顯，次高溫及高溫區(qū)域分別擴(kuò)張了5.48倍、14.26倍，低溫區(qū)的擴(kuò)張也高達(dá)12.87倍，而次低溫及中溫區(qū)分別下降了50.47%、15.13%。而影響到城市環(huán)境效益的熱島區(qū)(次高溫區(qū)+高溫區(qū))，14年間在西安市建設(shè)用地擴(kuò)展低速區(qū)下降了68.69%，在中低速區(qū)提升了40.59%，在中高速區(qū)擴(kuò)展了3.45倍，在高速區(qū)擴(kuò)展了6.41倍。
圖4 西安市2000—2013年不同擴(kuò)展速度下地表溫度變化
Fig.4 The surface temperature under the different expansion speed of urban sprawl in Xi′an city from 2000 to 2013
14年中，西安市三環(huán)區(qū)域內(nèi)，熱島面積擴(kuò)張了10.44%，主要的貢獻(xiàn)率來自于中高溫區(qū)的大幅度提升，而中高溫擴(kuò)張的區(qū)域主要集中于中高速區(qū)與高速區(qū)，分布于城市邊緣，主要位于西北郊及東北郊。在城市用地不同的擴(kuò)展速度下，熱島效應(yīng)與擴(kuò)展速度存在一定的正相關(guān)關(guān)系。西安市應(yīng)該嚴(yán)格控制城市建設(shè)用地速度，提高建設(shè)用地效率。
4 結(jié)論
作為世界城市化發(fā)展最快的地區(qū)，中國的城市擴(kuò)展模式別具一格，同時存在顯著的地區(qū)差異。通過對西安市建設(shè)用地擴(kuò)展特征及用地效益的研究，為西部城市化特征的建設(shè)用地擴(kuò)張及效益提供更多參考。本文基于Landsat四期影像，通過象限分析法、同心圓分析法探討了西安市2000—2013年城市建設(shè)用地擴(kuò)展特征。選取了最主要的評價指標(biāo)，試圖以城市建設(shè)用地擴(kuò)張?zhí)卣鳛榛A(chǔ)，探討伴隨城市化而來的經(jīng)濟(jì)要素、社會要素和環(huán)境要素的效益狀況，從而探討城市擴(kuò)張合理性。主要結(jié)論有：
(1)2000—2013年西安建設(shè)用地擴(kuò)展速度經(jīng)歷了先快后慢再快的過程；擴(kuò)展方向先是集中于南北，后主要集中于西北；擴(kuò)展區(qū)域主要集中于距離鐘樓的6～18 km范圍內(nèi)。這種擴(kuò)展特征與西安市城市規(guī)劃、政策、人口及經(jīng)濟(jì)發(fā)展關(guān)系密切。
(2)2000—2013年西安市建設(shè)用地擴(kuò)張的經(jīng)濟(jì)效益整體較高，尤以2005—2010年間最為突出，在建設(shè)用地增速放緩的情況下，二、三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值反而快速提升，建設(shè)用地經(jīng)濟(jì)集約水平達(dá)到較高層次。而在建設(shè)用地快速擴(kuò)張的2010—2013年，西安市建設(shè)用地擴(kuò)張的經(jīng)濟(jì)效益普遍下降。說明西安市提升建設(shè)用地經(jīng)濟(jì)效益的空間較大，在嚴(yán)格控制建設(shè)用地增長的情況下，存在仍能保持經(jīng)濟(jì)效益良好的可能性。
(3)2000—2013年西安市建設(shè)用地增速快于人口增速，屬于土地快速擴(kuò)張型，土地城市化快于人口城市化，社會效益不高，尤以2010—2013年最為嚴(yán)重，城市用地規(guī)模彈性系數(shù)高達(dá)5.12。
(4)2000—2013年西安市建設(shè)用地擴(kuò)張的整體環(huán)境效益呈下降趨勢。14年間熱島面積擴(kuò)張了10.44%，熱島區(qū)在建設(shè)用地的低速擴(kuò)展區(qū)下降了68.69%，在中低速區(qū)提升了40.59%，在中高速區(qū)擴(kuò)展了3.45倍，在高速區(qū)擴(kuò)展了6.41倍。
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〔責(zé)任編輯 程琴娟〕
Analysis of characteristics and benefits of urban sprawl in Xi′an city from 2000 to 2013
ZHAO Shengnan，REN Zhiyuan*，ZHANG Han，LI Boyan, WU Linxiao
(1 School of Tourism and Environment Sciences, Center for Land Resources Research in Northwest China, Shaanxi Normal University, Xi′an 710119, Shaanxi, China；2 Northwest Institute of Historical Environment and Socio-Economic Development,Shaanxi Normal University, Xi′an 710062, Shaanxi, China)
Based on the spatial analysis of GIS, the Landsat images were used to extract the urban boundary of Xi′an city in 2000, 2005, 2010 and 2013, the characteristics of Xi′an city were explored by quadrant and buffer analysis and the efficiency of economic, social and environment were evaluated. The study showed that the sprawl of construction land in Xi′an city was rapid from 2000 to 2013, and the speed was fastest in 2010—2013. The average growth rate is 5.81%. The south, north, northwest is the main extension direction, and 6～18 km from the bell tower is the rural expansion scope. The economic efficiency of urban sprawl in Xi′an city was very well, on the contrary, the social and environment efficiency declined over the past 14 years.It reflected that the construction land expansion faster than population expansion and the heat island area expand rapidly, especially in the high-speed urban sprawl zone. Key words: construction land; sprawl characteristics; economic efficiency; social efficiency; environment efficiency
1672-4291(2015)04-0089-07
10.15983/j.cnki.jsnu.2015.04.442
2015-03-30
教育部人文社會科學(xué)重點(diǎn)研究基地項目(14JJD840004)；國家自然科學(xué)基金(41371523)
趙勝男，女，碩士研究生，主要研究方向為國土資源與GIS。E-mail：shengnan@snnu.edu.cn
*通信作者：任志遠(yuǎn)，男，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail：renzhy@snnu.edu.cn
F293.2
A
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趙勝男，任志遠(yuǎn)，張 晗，李柏延，吳林筱
(1 陜西師范大學(xué) 旅游與環(huán)境學(xué)院，西北國土資源研究中心，陜西 西安 710119；2 陜西師范大學(xué) 西北歷史環(huán)境與經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展研究院，陜西 西安 710062)
2000—2013年西安市建設(shè)用地擴(kuò)張?zhí)卣骷靶б娣治?/p>
趙勝男，任志遠(yuǎn)*，張 晗，李柏延，吳林筱
(1 陜西師范大學(xué) 旅游與環(huán)境學(xué)院，西北國土資源研究中心，陜西 西安 710119；2 陜西師范大學(xué) 西北歷史環(huán)境與經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展研究院，陜西 西安 710062)
基于GIS空間分析，采用2000年、2005年、2010年、2013年4期Landsat TM/ETM+/OLI遙感影像，提取西安市4期的建設(shè)用地，通過象限分析法、同心圓分析法，以擴(kuò)展強(qiáng)度、分形維數(shù)等擴(kuò)展指標(biāo)分析西安市近年建設(shè)用地的擴(kuò)張?zhí)卣?，并從?jīng)濟(jì)效益、社會效益及環(huán)境效益三個方面對西安市建設(shè)用地擴(kuò)張效益進(jìn)行評價。結(jié)果表明：2000—2013年西安市建設(shè)用地擴(kuò)張較快，年均增長率高達(dá)5.81%，尤以2010—2013年擴(kuò)張最快，擴(kuò)展方向主要集中于南、北、西北，擴(kuò)展范圍集中于以鐘樓為中心的6～18 km處。14年間西安市的經(jīng)濟(jì)效益較好，在2005—2010年達(dá)到最高；社會效益較低，建設(shè)用地擴(kuò)張快于人口擴(kuò)張，在2010—2013年城市規(guī)模彈性系數(shù)高達(dá)5.12；環(huán)境效益呈下降趨勢，熱島區(qū)在建設(shè)用地擴(kuò)展的中低速區(qū)、中高速區(qū)及高速區(qū)分別擴(kuò)展了0.41倍、3.45倍、6.41倍。
建設(shè)用地；擴(kuò)張?zhí)卣鳎唤?jīng)濟(jì)效益；社會效益；環(huán)境效益
改革開放以來，我國城市化進(jìn)程發(fā)展迅速，城市化水平由1978年的17.9%提升到2011年的51.27%，我國進(jìn)入了城市化發(fā)展的關(guān)鍵階段，其轉(zhuǎn)移人口之巨、經(jīng)濟(jì)發(fā)展之快、城市土地擴(kuò)張之速引起了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注[1-3]。我國城市化速度驚人，但是其城市化質(zhì)量卻不容樂觀[4]。相關(guān)研究認(rèn)為，我國的城市化存在由政府主導(dǎo)并推動的現(xiàn)象，在“土地財政”、“以地生財”的刺激下，形成了目前的高城市化率及城市蔓延，這種“驅(qū)趕型城市化”造成了土地城市化快于人口城市化、城市用地粗放式發(fā)展、社會非公平、耕地迅速流失等一系列問題[1,5-6]。由此，緊湊城市、精明增長、城市發(fā)展邊界等成為研究熱點(diǎn)，政府也出臺了相關(guān)政策加以遏制，包括1997年凍結(jié)審批新增城市建設(shè)用地一年，2014年11月西安等14個城市劃定城市擴(kuò)張“紅線”，將易被占用的優(yōu)質(zhì)耕地優(yōu)先劃為永久基本農(nóng)田。因此，探索城市蔓延態(tài)勢、評價城市用地效益對于城市合理擴(kuò)張、推動城市可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。
目前,對于城市擴(kuò)張的研究主要集中于城市擴(kuò)張的特征、模式、驅(qū)動力、擴(kuò)展預(yù)測及模擬等內(nèi)容[7-11]，而對于城市擴(kuò)展的合理性評價相對缺乏，也少見對于城市內(nèi)部的空間分析；研究區(qū)域主要為東部沿海發(fā)達(dá)城市[12-14]，而對于近年來城市化速度較快的西部城市研究較少；研究的時間尺度集中于2010年以前，而城市的擴(kuò)張在2010年后又呈現(xiàn)出新的特點(diǎn)。本文以西安市市區(qū)(2013年行政區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn))作為研究對象，選取2000年、2005年、2010年、2013年的遙感影像，分析西安市建設(shè)用地擴(kuò)展特征，并從經(jīng)濟(jì)效益、社會效益及環(huán)境效益三個方面評價西安市建設(shè)用地擴(kuò)展的合理性。
2 研究區(qū)域與研究方法
2.1 研究區(qū)概況
截至2013年，西安市共轄9區(qū)4縣，其中的9區(qū)(新城、碑林、蓮湖、灞橋、未央、雁塔、長安、臨潼、閻良)囊括了西安市的主城區(qū)，即為本文的研究區(qū)。作為輻射西北地區(qū)的金融、科技、教育、旅游、商貿(mào)中心，西安市1978—2013年GDP年均增長率為17.38%，至2013年GDP達(dá)4 884.13億元(現(xiàn)價)，形成了以高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)、裝備制造業(yè)、旅游業(yè)、文化產(chǎn)業(yè)、現(xiàn)代服務(wù)業(yè)為支柱的五大主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。
2.2 數(shù)據(jù)來源與處理
選取西安市2000年9月17日ETM+影像、2005年6月19日及2010年6月17日TM影像、2013年9月13日Landsat8 OLI影像，軌道號均為P127R36。對影像進(jìn)行幾何精校正后，以西安市九城區(qū)矢量邊界提取研究區(qū)范圍。于ENVI 4.8軟件平臺上運(yùn)用最大似然法對影像進(jìn)行監(jiān)督分類及目視解譯，為了分類的精確性，將土地利用分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地；考慮灞河流經(jīng)西安，對西安市城市擴(kuò)張形態(tài)存在影響，最后歸并成建設(shè)用地、水域、植被三大類。參考同期谷歌地圖影像，隨機(jī)選取140個以上的樣本點(diǎn)進(jìn)行精度評價，計算分類誤差矩陣及Kappa系數(shù)，4期影像的綜合分類精度分別為84.62%、85.71%、82.27%、85.75%。于ArcGIS 10.1軟件平臺中將解譯獲得的4期建設(shè)用地進(jìn)行疊加，獲得2000—2013年西安市城市建設(shè)用地擴(kuò)展圖(圖1)。同時，還收集了《西安統(tǒng)計年鑒》、《西安年鑒》的社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)以及西安市2000年、2013年三環(huán)以內(nèi)的地表溫度反演圖，以探究西安市建設(shè)用地擴(kuò)張時空變化的效益。
2.3 研究方法
2.3.1 象限分析法 象限分析法是研究城市建設(shè)用地空間格局變化的常用方法之一，能直觀反映城市在不同方位的擴(kuò)展演化進(jìn)程，通過疊加不同方位不同時期的建設(shè)用地圖斑，進(jìn)而分析建設(shè)用地的擴(kuò)展強(qiáng)度、分形維數(shù)等時空擴(kuò)張?zhí)卣骷耙?guī)律。本文以西安市鐘樓為中心，以剛好能囊括西安市連片主城區(qū)并與行政邊界相切的17 km為半徑，以正北為起點(diǎn)，將研究區(qū)均分成夾角為45°的8個象限，與各時期建設(shè)用地圖斑疊加后計算不同象限中建設(shè)用地的相關(guān)擴(kuò)展指數(shù)來分析西安市2000—2013年間城市建設(shè)用地擴(kuò)張方向特征。
2.3.2 同心圓分析法 同心圓分析法能夠反映建設(shè)用地隨距離變化的空間格局特征，尤其能反映“攤大餅”式發(fā)展城市的圈層擴(kuò)張?zhí)攸c(diǎn)。同心圓分析法是指以研究區(qū)中心為圓心，以等間距增長的半徑構(gòu)造多個相互嵌套的緩沖環(huán)，并與各時期建設(shè)用地圖斑進(jìn)行疊加，獲得不同緩沖環(huán)的建設(shè)用地擴(kuò)張信息。本文以西安市鐘樓為圓心，以2 km為間距，生成能覆蓋西安市主城區(qū)的9個緩沖環(huán)，并與4期時相的西安市建設(shè)用地進(jìn)行疊加，從而分析西安市建設(shè)用地隨距離變化的擴(kuò)張?zhí)卣鳌?/p>
2.3.3 擴(kuò)展速度及擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù) 擴(kuò)展速度和擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)均為描述土地利用數(shù)量變化的指標(biāo)，表征各類用地在不同時期擴(kuò)展的強(qiáng)弱快慢。擴(kuò)展速度表示某一時期內(nèi)某一類用地的平均擴(kuò)展面積，即絕對擴(kuò)展；擴(kuò)展強(qiáng)度則為某一時期內(nèi)某一類用地的面積增長比率，即相對擴(kuò)展。其表達(dá)式[9]分別為
(1)
(2)
式中，Vu表示建設(shè)用地擴(kuò)展速度指數(shù)，Ru表示建設(shè)用地擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)，Sa表示研究期前建設(shè)用地面積，Sb表示研究期末建設(shè)用地面積，T表示研究時段。
2.3.4 分形維數(shù) 城市的空間擴(kuò)張形態(tài)具有自組織、自相似和分形生長的特點(diǎn)，所以分形維數(shù)被廣泛應(yīng)用于城市空間形態(tài)的研究中，其能客觀反映城市邊界的曲折性和復(fù)雜性。表達(dá)式為
(4)
式中，D(t)表示時間為t的分形維數(shù)，C(t)表示時間為t時城市邊緣周長，A(t)表示時間為t時城市面積。城市的分形維數(shù)的理論值為1～2，維數(shù)越大表示建設(shè)用地的邊界越復(fù)雜，當(dāng)維數(shù)<1.5時，說明城市邊界簡單，整齊規(guī)劃，用地緊湊節(jié)約；當(dāng)維數(shù)>1.5時，則城市邊界趨于復(fù)雜；當(dāng)維數(shù)=1.5時，說明城市邊界處于隨機(jī)運(yùn)動狀態(tài)。
3 結(jié)果分析
3.1 擴(kuò)展特征分析
3.1.1西安市城市擴(kuò)展總體概況 根據(jù)遙感解譯結(jié)果，利用GIS技術(shù)提取西安市各時期建設(shè)用地的分布及面積信息(圖1)，可見西安市在工業(yè)化、城市化的推動下，建設(shè)用地擴(kuò)張迅速。2000—2013年間，西安市建設(shè)用地擴(kuò)展了0.76倍，擴(kuò)展面積309.03 km2，年均擴(kuò)展速度23.77 km2/a，擴(kuò)展強(qiáng)度5.81%。
14年間建設(shè)用地擴(kuò)展呈現(xiàn)階段性特征，空間形態(tài)日趨破碎。2000年，西安市建設(shè)用地面積為409.06 km2，主要集中于五區(qū)(碑林區(qū)、蓮湖區(qū)、新城區(qū)、雁塔區(qū)、未央?yún)^(qū)、灞橋區(qū))，分形維數(shù)為1.26，說明西安市外部形態(tài)較簡單規(guī)整。2000—2005年擴(kuò)展幅度較大，建設(shè)用地增加了72.27 km2，擴(kuò)展速度為14.45 km2/a，擴(kuò)展強(qiáng)度高達(dá)3.53%，增加用地分布于城市周邊，主要集中于西南方向，分形維數(shù)提升至1.46，城市形態(tài)向復(fù)雜化發(fā)展，邊緣破碎。2005—2010年，擴(kuò)展幅度放緩，建設(shè)用地擴(kuò)展了40.70 km2，擴(kuò)展速度降至8.13 km2/a，擴(kuò)展強(qiáng)度降至1.69%，增加用地主要集中于城市的南郊與西郊，分形維數(shù)降至1.43，城市形態(tài)較穩(wěn)定。2010—2013年間擴(kuò)展幅度回升，建設(shè)用地增加了196.06 km2，擴(kuò)展速度高達(dá)65.35 km2/a，擴(kuò)展強(qiáng)度為12.52%，增加用地主要分布于西北部及南部，分形維數(shù)回升至1.46，城市形態(tài)進(jìn)一步破碎化，有向外擴(kuò)張的趨勢。
圖1 2000—2013年西安市建設(shè)用地擴(kuò)張F(tuán)ig.1 Construction land expansion in Xi′an city from 2000 to 2013
3.1.2 西安市建設(shè)用地擴(kuò)展的空間分異特征 象限分析結(jié)果(圖2)表明，西安市城市擴(kuò)張具有明顯的集中集聚和方向性特點(diǎn)，城市擴(kuò)張方向在2000—2010年主要集中于西南方向，與高新技術(shù)開發(fā)區(qū)一致；而2010—2013年則主要集中于西部和北部。2000—2005年，1、5、6象限(東北、西南方向)相對變化率均大于1，擴(kuò)展強(qiáng)度較大，年均擴(kuò)展速度分別為1.67、3.21、2.19 km2/a；2005—2010年，整體擴(kuò)展幅度放緩，主要集中于4、5、6象限(南、西南方向)；2010—2013年，擴(kuò)展幅度提升較快，主要集中于1、7、8象限(北、西北方向)，擴(kuò)展速度高達(dá)7.37、7.40、8.94 km2/a。
圖2 2000—2013年西安市建設(shè)用地擴(kuò)張象限分析結(jié)果Fig.3 The quadrant analysis of urban sprawl in Xi′an city from 2000 to 2013
在同心圓分析結(jié)果(圖3 )中可以發(fā)現(xiàn)，西安市建設(shè)用地擴(kuò)展存在圈層結(jié)構(gòu)特征，屬于“攤大餅”式擴(kuò)張模式。2000—2013年，西安市建設(shè)用地擴(kuò)展主要集中于6～18 km處，并在12～14 km形成一個頂峰，在2～6 km的區(qū)域由于建設(shè)用地已經(jīng)趨于飽和，建設(shè)用地增長緩慢。2000—2005年，增長面積最多、擴(kuò)展速度最快、擴(kuò)展強(qiáng)度最大的均為10～12 km之間；2005—2010年，擴(kuò)展面積最大的仍然是10～12 km處，但擴(kuò)展強(qiáng)度最大的向外移至14～16 km處；2010—2013年，8～18 km之間建設(shè)用地擴(kuò)展大幅度提升，擴(kuò)展中心回移至12～14 km處，年均擴(kuò)展速度為13.15 km2/a，擴(kuò)展強(qiáng)度高達(dá)36.36%，此間西安市一方面進(jìn)行了大面積的城市內(nèi)部填充，另一方面向外圍也進(jìn)行了快速擴(kuò)張。12～16 km之間，大致為西安市的二、三環(huán)之間。
圖3 2000—2013年西安市建設(shè)用地 同心圓分析結(jié)果Fig.3 The buffer analysis of urban sprawl in Xi′an city from 2000 to 2013
西安市建設(shè)用地擴(kuò)展的南北緩慢延伸、西北跨越發(fā)展的時空分異特征與政治、經(jīng)濟(jì)因素密不可分。西安市作為歷史文化名城、西部中心城市，樹立了建設(shè)具有歷史文化特色的國際性現(xiàn)代化大城市的目標(biāo)。為了保護(hù)遺址，西安市選擇水平擴(kuò)展方式發(fā)展，故城墻及周邊地區(qū)及位于西北、東南方向的漢長安城、杜陵遺址城市用地擴(kuò)展緩慢。另外，西安市調(diào)整產(chǎn)業(yè)布局、退二進(jìn)三的政策，即搬遷二環(huán)路以內(nèi)及二環(huán)沿線工業(yè)企業(yè)至工業(yè)園，使得二、三環(huán)之間成為主要的擴(kuò)展區(qū)域。同時，在西部大開發(fā)(1999年)、西咸一體化(2002年)、關(guān)中-天水經(jīng)濟(jì)區(qū)(2009年)等一系列政策的推動下，“大西安”的城市空間擴(kuò)展方式的出臺，并且規(guī)劃了“一軸、一河、兩帶”的主城區(qū)空間結(jié)構(gòu)，初期在南北方向延伸，包括高新區(qū)、經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)、曲江新區(qū)的開發(fā)區(qū)建設(shè)及長安區(qū)的西部大學(xué)城建設(shè)；后期，為了實現(xiàn)西咸一體化建設(shè)，發(fā)展方向主要向西。隨著西安市人民政府的北遷(2011年)，城市中心逐漸北移，故在2010—2013年城市北部擴(kuò)張迅速。
3.2 效益分析
城市的用地效益可以分解為經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和環(huán)境效益。由于目前采用的綜合效益法均涉及指標(biāo)權(quán)重的確定，而在此過程中或多或少受到主觀因素的影響，故本文選擇單一指標(biāo)評價方法來分別評價西安市建設(shè)用地的擴(kuò)張效益。
3.2.1 經(jīng)濟(jì)效益 城市建設(shè)用地的產(chǎn)出主要源自二、三產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，相較于GDP產(chǎn)值，二、三產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值與城市建設(shè)用地經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出更加吻合[15]。本文選擇以建設(shè)用地與第二、三產(chǎn)業(yè)增長彈性系數(shù)來評價西安市建設(shè)用地的經(jīng)濟(jì)效益(表1)，表達(dá)式為
(5)
式中，K表示建設(shè)用地與第二、三產(chǎn)業(yè)增長彈性系數(shù)，V表示t時間段內(nèi)的第二、三產(chǎn)業(yè)增長速度，V′表示t時間段內(nèi)建設(shè)用地增長速度。當(dāng)K=1時，表示建成區(qū)擴(kuò)張速度與經(jīng)濟(jì)增長速度持平；當(dāng)K>1時，表示經(jīng)濟(jì)增長速度快于建成區(qū)擴(kuò)張速度，即城市擴(kuò)張可促進(jìn)用地效益提高，建設(shè)用地緊湊式發(fā)展；當(dāng)K<1時，表示經(jīng)濟(jì)增長速度慢于建成區(qū)擴(kuò)張速度，即城市擴(kuò)張導(dǎo)致用地效益下降，建設(shè)用地利用方式粗放。
表1 西安市2000—2013年二、三產(chǎn)業(yè)增長彈性系數(shù)Tab.1 The elastic coefficient of secondary and tertiary industries of Xi′an city from 2000 to 2013
注:t1指2000—2005年，t2指2005—2010年，t3指2010—2013年，t4指2000—2013年。
由表1可知，2000—2013年中，西安市九區(qū)建設(shè)用地年均增長率高達(dá)5.81%，而二、三產(chǎn)業(yè)的年均增長率為17.64%，故其建設(shè)用地與二、三產(chǎn)業(yè)增長彈性系數(shù)為3.03，即新增建設(shè)用地擴(kuò)張可以促進(jìn)經(jīng)濟(jì)效益提高，屬于合理擴(kuò)張。14年中，西安市建設(shè)用地擴(kuò)張呈現(xiàn)快—慢—快的增長模式，而二、三產(chǎn)業(yè)的增長卻與之相反，從而使得西安市建設(shè)用地與二、三產(chǎn)業(yè)增長彈性系數(shù)在2005—2010年達(dá)到最高值，在2010—2013年達(dá)到最低值?？梢姡靼彩薪ㄔO(shè)用地在控制增長的情況下，其經(jīng)濟(jì)效益仍有較大的提升空間。
就具體的區(qū)域而言，僅未央?yún)^(qū)與長安區(qū)在2010—2013年間建設(shè)用地與二、三產(chǎn)業(yè)增長彈性系數(shù)K<1，屬于建設(shè)用地利用粗放，經(jīng)濟(jì)效益較低；其他區(qū)域在2000—2013年間建設(shè)用地與二、三產(chǎn)業(yè)增長彈性系數(shù)均K>1，屬于合理擴(kuò)張，經(jīng)濟(jì)效益較好。尤其在2005—2010年間，新城區(qū)、碑林區(qū)、蓮湖區(qū)、灞橋區(qū)由于建設(shè)用地趨于飽和，增速趨于0 ，但是其二、三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)出卻仍保持在年均增速19%以上的較高水平，故其建設(shè)用地與二、三產(chǎn)業(yè)增長彈性系數(shù)趨于無窮。
3.2.2 社會效益 社會效益的評價主要以人為核心，而城市的社會效益則是指城市的發(fā)展是否與當(dāng)?shù)厝丝诘奈镔|(zhì)文化需要一致。本文選取了城市用地規(guī)模彈性系數(shù)來表征西安市建設(shè)用地的社會效益(表2)，其表達(dá)式為
(6)
式中，P表示城市用地規(guī)模彈性系數(shù)，VU、VP分別為建設(shè)用地和城市人口年均增長率。當(dāng)P=1.12時，表示城市擴(kuò)張與人口增長基本同速，當(dāng)P<1.12時，表示建設(shè)用地擴(kuò)張慢于人口擴(kuò)張，人均用地有減少趨勢，用地效率提升；當(dāng)P>1.12時，表示建設(shè)用地擴(kuò)展快于人口擴(kuò)張，人均用地有增加趨勢，用地效率降低。
表2 西安市2000—2013年城市用地規(guī)模彈性系數(shù)Tab.2 The elastic coefficient of urban land use scale of Xi′an city from 2000 to 2013
注:t1指2000—2005年，t2指2005—2010年，t3指2010—2013年，t4指2000—2013年。
西安市2000—2013年城市用地規(guī)模彈性系數(shù)為1.90，屬于城市擴(kuò)張快于人口擴(kuò)張，用地效率呈下降趨勢，而其主要的貢獻(xiàn)來自于2010—2013年的快速城市擴(kuò)張，其城市用地規(guī)模系數(shù)高達(dá)5.12，城市擴(kuò)張速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人口擴(kuò)張。而就具體的地區(qū)而言，2000—2005年，城市擴(kuò)張合理的有新城區(qū)、碑林區(qū)、蓮湖區(qū)、灞橋區(qū)、雁塔區(qū)、閻良區(qū)和長安區(qū)，而城市擴(kuò)張快于人口擴(kuò)張的有未央?yún)^(qū)和臨潼區(qū)；2005—2010年，僅閻良區(qū)和長安區(qū)城市擴(kuò)張速度過快，其他城區(qū)均屬于合理擴(kuò)張；2010—2013年，碑林區(qū)由于人口出現(xiàn)負(fù)增長，其城市用地規(guī)模彈性系數(shù)為負(fù)值，屬于合理擴(kuò)展的有新城區(qū)、碑林區(qū)、蓮湖區(qū)、長安區(qū)，而灞橋區(qū)、未央?yún)^(qū)、雁塔區(qū)、閻良區(qū)和臨潼區(qū)則屬于城市擴(kuò)展過快，其中尤以閻良區(qū)和臨潼區(qū)最為明顯，建設(shè)用地擴(kuò)展速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于其人口擴(kuò)展速度。
3.2.3 環(huán)境效益 城市熱島效應(yīng)是城市擴(kuò)展的直接結(jié)果，其引起的熱量環(huán)境的改變，影響到城市生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)流和能量流，以及城市生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，包括氣候、水溫、空氣質(zhì)量、城市土壤理化性質(zhì)、城市生物分布、城市居民健康等[16]。本文以探究西安市城市地表溫度變化與建設(shè)用地擴(kuò)展速度的關(guān)系來定量分析西安市14年間的環(huán)境效益。
基于西安市2000年、2013年三環(huán)以內(nèi)地表溫度反演圖，以自然間斷點(diǎn)分級法將地表溫度劃分為5級，分別為低溫區(qū)、次低溫區(qū)、中溫區(qū)、次高溫區(qū)、高溫區(qū)。將西安市14年間建設(shè)用地擴(kuò)展面積與1 km×1 km網(wǎng)格進(jìn)行疊加，并根據(jù)相等間隔法劃分為低速區(qū)、中低速區(qū)、中高速區(qū)與高速區(qū)，與地表溫度反演圖進(jìn)行疊加，從而分析西安市建設(shè)用地14年間在不同擴(kuò)展速度下其地表溫度的變化狀況。由圖4可見，14年間，在低速區(qū)，低溫、中溫及高溫區(qū)域都有不同程度的擴(kuò)張，低溫區(qū)擴(kuò)張了80.99%，中低溫區(qū)擴(kuò)張了81.05%，高溫區(qū)提升了2.42%，但次低溫下降了30.30%，涉及熱島區(qū)的次高溫區(qū)下降了24.40%；在中低速區(qū)，僅次低溫下降了61.95%，其他區(qū)域均呈擴(kuò)張趨勢，尤其是次高溫及高溫區(qū)，分別擴(kuò)張了1.12倍、4.66倍；在中高速區(qū)，低溫區(qū)、次高溫及高溫區(qū)擴(kuò)張明顯，分別擴(kuò)張了2.89倍、2.71倍、11.33倍，而次低溫縮小了45.61%；在高速擴(kuò)展區(qū)域，熱島擴(kuò)張更加明顯，次高溫及高溫區(qū)域分別擴(kuò)張了5.48倍、14.26倍，低溫區(qū)的擴(kuò)張也高達(dá)12.87倍，而次低溫及中溫區(qū)分別下降了50.47%、15.13%。而影響到城市環(huán)境效益的熱島區(qū)(次高溫區(qū)+高溫區(qū))，14年間在西安市建設(shè)用地擴(kuò)展低速區(qū)下降了68.69%，在中低速區(qū)提升了40.59%，在中高速區(qū)擴(kuò)展了3.45倍，在高速區(qū)擴(kuò)展了6.41倍。
圖4 西安市2000—2013年不同擴(kuò)展速度下地表溫度變化
Fig.4 The surface temperature under the different expansion speed of urban sprawl in Xi′an city from 2000 to 2013
14年中，西安市三環(huán)區(qū)域內(nèi)，熱島面積擴(kuò)張了10.44%，主要的貢獻(xiàn)率來自于中高溫區(qū)的大幅度提升，而中高溫擴(kuò)張的區(qū)域主要集中于中高速區(qū)與高速區(qū)，分布于城市邊緣，主要位于西北郊及東北郊。在城市用地不同的擴(kuò)展速度下，熱島效應(yīng)與擴(kuò)展速度存在一定的正相關(guān)關(guān)系。西安市應(yīng)該嚴(yán)格控制城市建設(shè)用地速度，提高建設(shè)用地效率。
4 結(jié)論
作為世界城市化發(fā)展最快的地區(qū)，中國的城市擴(kuò)展模式別具一格，同時存在顯著的地區(qū)差異。通過對西安市建設(shè)用地擴(kuò)展特征及用地效益的研究，為西部城市化特征的建設(shè)用地擴(kuò)張及效益提供更多參考。本文基于Landsat四期影像，通過象限分析法、同心圓分析法探討了西安市2000—2013年城市建設(shè)用地擴(kuò)展特征。選取了最主要的評價指標(biāo)，試圖以城市建設(shè)用地擴(kuò)張?zhí)卣鳛榛A(chǔ)，探討伴隨城市化而來的經(jīng)濟(jì)要素、社會要素和環(huán)境要素的效益狀況，從而探討城市擴(kuò)張合理性。主要結(jié)論有：
(1)2000—2013年西安建設(shè)用地擴(kuò)展速度經(jīng)歷了先快后慢再快的過程；擴(kuò)展方向先是集中于南北，后主要集中于西北；擴(kuò)展區(qū)域主要集中于距離鐘樓的6～18 km范圍內(nèi)。這種擴(kuò)展特征與西安市城市規(guī)劃、政策、人口及經(jīng)濟(jì)發(fā)展關(guān)系密切。
(2)2000—2013年西安市建設(shè)用地擴(kuò)張的經(jīng)濟(jì)效益整體較高，尤以2005—2010年間最為突出，在建設(shè)用地增速放緩的情況下，二、三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值反而快速提升，建設(shè)用地經(jīng)濟(jì)集約水平達(dá)到較高層次。而在建設(shè)用地快速擴(kuò)張的2010—2013年，西安市建設(shè)用地擴(kuò)張的經(jīng)濟(jì)效益普遍下降。說明西安市提升建設(shè)用地經(jīng)濟(jì)效益的空間較大，在嚴(yán)格控制建設(shè)用地增長的情況下，存在仍能保持經(jīng)濟(jì)效益良好的可能性。
(3)2000—2013年西安市建設(shè)用地增速快于人口增速，屬于土地快速擴(kuò)張型，土地城市化快于人口城市化，社會效益不高，尤以2010—2013年最為嚴(yán)重，城市用地規(guī)模彈性系數(shù)高達(dá)5.12。
(4)2000—2013年西安市建設(shè)用地擴(kuò)張的整體環(huán)境效益呈下降趨勢。14年間熱島面積擴(kuò)張了10.44%，熱島區(qū)在建設(shè)用地的低速擴(kuò)展區(qū)下降了68.69%，在中低速區(qū)提升了40.59%，在中高速區(qū)擴(kuò)展了3.45倍，在高速區(qū)擴(kuò)展了6.41倍。
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〔責(zé)任編輯 程琴娟〕
Analysis of characteristics and benefits of urban sprawl in Xi′an city from 2000 to 2013
ZHAO Shengnan，REN Zhiyuan*，ZHANG Han，LI Boyan, WU Linxiao
(1 School of Tourism and Environment Sciences, Center for Land Resources Research in Northwest China, Shaanxi Normal University, Xi′an 710119, Shaanxi, China；2 Northwest Institute of Historical Environment and Socio-Economic Development,Shaanxi Normal University, Xi′an 710062, Shaanxi, China)
Based on the spatial analysis of GIS, the Landsat images were used to extract the urban boundary of Xi′an city in 2000, 2005, 2010 and 2013, the characteristics of Xi′an city were explored by quadrant and buffer analysis and the efficiency of economic, social and environment were evaluated. The study showed that the sprawl of construction land in Xi′an city was rapid from 2000 to 2013, and the speed was fastest in 2010—2013. The average growth rate is 5.81%. The south, north, northwest is the main extension direction, and 6～18 km from the bell tower is the rural expansion scope. The economic efficiency of urban sprawl in Xi′an city was very well, on the contrary, the social and environment efficiency declined over the past 14 years.It reflected that the construction land expansion faster than population expansion and the heat island area expand rapidly, especially in the high-speed urban sprawl zone. Key words: construction land; sprawl characteristics; economic efficiency; social efficiency; environment efficiency
1672-4291(2015)04-0089-07
10.15983/j.cnki.jsnu.2015.04.442
2015-03-30
教育部人文社會科學(xué)重點(diǎn)研究基地項目(14JJD840004)；國家自然科學(xué)基金(41371523)
趙勝男，女，碩士研究生，主要研究方向為國土資源與GIS。E-mail：shengnan@snnu.edu.cn
*通信作者：任志遠(yuǎn)，男，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail：renzhy@snnu.edu.cn
F293.2
A
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