劉　寅　黃志勤　辜寄蓉　余如意

(1.四川師范大學西南土地資源監(jiān)測與評價教育部重點實驗室，成都　610066；2.四川省國土資源廳信息中心，成都　610072)

基于資源環(huán)境承載力的建設用地布局優(yōu)化方法研究

劉寅1黃志勤2辜寄蓉1余如意1

(1.四川師范大學西南土地資源監(jiān)測與評價教育部重點實驗室，成都610066；2.四川省國土資源廳信息中心，成都610072)

【摘要】研究以瀘州市為研究對象，明確了基于資源環(huán)境承載力與建設用地布局優(yōu)化的基本方法，測算了瀘州市資源環(huán)境承載力，模擬了三種發(fā)展情景下的瀘州市建設用地擴展。在資源環(huán)境承載力約束下，采用空間選擇的方法，對不同的建設用地布局方案進行了優(yōu)選，得到了瀘州市最優(yōu)的建設用地布局方案。

【關鍵詞】布局優(yōu)化；資源環(huán)境承載力；土地利用規(guī)劃；GIS

土地利用結構與布局優(yōu)化研究是人地關系研究的核心問題，地租地價理論的提出為這一研究奠定了重要基礎。19世紀初，杜能在研究區(qū)位差異、土地利用、交通費用與土地收益關系的基礎上提出了農(nóng)業(yè)區(qū)位論，首次闡明了土地布局問題。隨后韋伯、赫德等以地租地價理論和區(qū)位理論為依托，先后提出了工業(yè)區(qū)位論及城市土地利用結構的經(jīng)濟學模型，為土地利用結構與布局優(yōu)化研究提供了理論支撐[1]。

1建設用地布局優(yōu)化方法

隨著城市化進程的推進，建設用地布局優(yōu)化逐漸成為研究的熱點話題。1989年，霍華德提出田園城市理論，倡導城鄉(xiāng)協(xié)調發(fā)展，對城市生態(tài)區(qū)內的建設用地布局起到了重要的指導作用，而1935年賴特的廣畝城市理論及1978年頒布的《雅典憲章》則對城市發(fā)展中建設用地布局與生態(tài)環(huán)境的相互關系做了進一步闡述[15]。20世紀90年代，為解決城市低密度無序蔓延等城市問題，“緊湊發(fā)展、精明增長”等理念相繼提出，劃定城市發(fā)展邊界，構建多指標的城市發(fā)展效益評價體系成為了優(yōu)化建設用地布局的重要手段。隨著計算機技術的成熟，在元胞自動機、神經(jīng)網(wǎng)絡等計算機模型與GIS技術相結合進行建設用地布局預測的基礎上進行建設用地優(yōu)化研究成為了新的熱點，為建設用地布局優(yōu)化的合理化和科學性提供了技術支撐[2-4]。

美國波特蘭的俄勒岡州提出了一套用地優(yōu)選方案。波特蘭的俄勒岡州面積廣大但適宜人居的地方不足全州的三分之一，幾乎全部人口都集中在Williamette河谷中，而人口集聚區(qū)也是農(nóng)業(yè)發(fā)展區(qū)，在快速的城市化進程下，城市建設、環(huán)境保護與農(nóng)業(yè)發(fā)展之間的矛盾日趨尖銳，制定合理的城市增長邊界成為了國家規(guī)劃的重要內容和政府職責。2004年波特蘭對1979年城市增長邊界的劃定結果進行了修正，即在現(xiàn)有城市增長邊界的基礎上，設定了四種不同的發(fā)展情景：基本情景即按以前的模式增長；情景A主張適當擴張現(xiàn)有城市邊界，并在輕軌及公交線路周邊進行更緊湊的開發(fā)；情景B主張在現(xiàn)有城市邊界的基礎上進行更緊湊的開發(fā)及土地交通系統(tǒng)的更有效利用；情景C為衛(wèi)星城模式，主張將都市區(qū)周邊城市作為城市增長的潛在區(qū)域。在進行情境設定及城市空間結構預測的基礎上，為選擇最優(yōu)的城市發(fā)展模式，波特蘭從交通、用地、空氣質量、水等八個方面提出了46項具體評價指標，并對不同情境下的46項指標進行了詳細測算和對比分析(見圖1)，明晰了各種發(fā)展模式的優(yōu)劣，從而通過公眾調研，由公眾選出最可接受的方案，在此基礎上糅合以上多個方案確定最終的城市增長邊界[5]。

圖1　延續(xù)式布局模擬結果

龍瀛等采用約束性CA方法對北京市城市形態(tài)進行了模擬，設定了四種不同情景下的城市形態(tài)：規(guī)劃情景(控制中心城市，著力發(fā)展新城)、蔓延情景(“攤大餅”的城市發(fā)展模式)、葡萄串情景(在維持現(xiàn)有發(fā)展規(guī)模的基礎上，促進小城鎮(zhèn)及交通沿線的開發(fā))、生態(tài)保護區(qū)情景(在開發(fā)過程中避免對禁止建設區(qū)和基本農(nóng)田的占用，促進城市的可持續(xù)發(fā)展)。在情景模擬的基礎上，龍瀛等采用情景分析法，通過CA、Logistic和MonoLoop方法，通過每次循環(huán)新增元胞數(shù)量、領域政策系數(shù)、Kappa回歸系數(shù)等政策參數(shù)對不同情景下的城市形態(tài)的可行性進行橫縱向的對比分析，從而確定最優(yōu)的城市形態(tài)[6]。

對比波特蘭及龍瀛進行城市發(fā)展形態(tài)優(yōu)選的方法可以發(fā)現(xiàn)，二者在進行情景優(yōu)選時均采用了定量分析的方法，通過多指標約束下的量化分析判斷不同情景的優(yōu)劣，為方案優(yōu)選提供判斷標準，其選擇過程和結果具有較強的說服力。波特蘭在量化分析的基礎上，加入了公眾參與的主觀決策過程，使優(yōu)選結果在可信的基礎上具備了更強的實用性。

因此，在建設用地布局優(yōu)化中，首先需要確定未來建設用地擴展范圍，其次需要確定優(yōu)化選擇依據(jù)?；诖耍敬窝芯恳再Y源環(huán)境承載力做為建設用地布局優(yōu)化的選擇依據(jù)進行討論[7-10]。

表1　波特蘭不同發(fā)展情景下的46項指標

2基于資源環(huán)境承載力的建設用地布局優(yōu)化

瀘州市作為成渝經(jīng)濟區(qū)規(guī)劃著力打造的區(qū)域性中心城市和長江上游生態(tài)屏障建設的重要節(jié)點，兼具發(fā)展經(jīng)濟與保護區(qū)域生態(tài)環(huán)境的雙重任務。同時作為以油氣資源為主的資源型城市，2011年瀘州市被國務院列為第三批資源枯竭型城市，轉變經(jīng)濟發(fā)展方式迫在眉睫?；跒o州市在推動經(jīng)濟發(fā)展、保護生態(tài)環(huán)境與優(yōu)化資源利用三大現(xiàn)實問題上的典型性，本文以其為研究區(qū)，以資源節(jié)約、環(huán)境保護與經(jīng)濟發(fā)展的協(xié)調為目標，探索資源環(huán)境承載力約束下的建設用地布局優(yōu)化方法。

2.1建設用地擴展模擬

根據(jù)瀘州市發(fā)展現(xiàn)狀和十三五規(guī)劃要求，我們設定了三種發(fā)展情景，并采用基于空間的二元Logistic模型進行建設用地擴展模擬[11-12]。

建設用地布局即建設用地在空間上的分布，而布局方式的合理性將直接決定區(qū)域經(jīng)濟效益、社會效應和生態(tài)效益的高低，決定區(qū)域可持續(xù)發(fā)展水平。基于學者對建設用地布局模型的研究成果及瀘州市建設用地擴展概率的空間分布特征，本文將模擬以下三種建設用地布局方式：延續(xù)式、城鎮(zhèn)導向式(衛(wèi)星城)、交通導向式(軸向擴展)，并采用第四章確定的建設用地低度擴展、建設用地適度擴展和建設用地充分擴展三種數(shù)量控制方案對三種模擬方案進行數(shù)量控制。各種布局方案的內涵及概率計算公式及模擬結果如下所示。

(1)延續(xù)式布局是確定各空間點位在依賴現(xiàn)有要素下產(chǎn)生新的建設用地擴展的概率。

(2)城鎮(zhèn)導向式布局是在瀘州市中心城區(qū)快速擴張的背景下，以衛(wèi)星城、有機分散理論為依托，通過重點發(fā)展中心鎮(zhèn)、重點鎮(zhèn)和一般鎮(zhèn)，促進瀘州市各等級城鎮(zhèn)有序均衡發(fā)展。

(3)交通導向式布局是基于瀘州市建設用地擴展與交通干線的顯著相關性，模擬在增強道路對建設用地擴展作用而減小其他要素作用的情況下，各空間點位產(chǎn)生建設用地擴展的概率。

在確定不同布局方案下各空間點位產(chǎn)生建設用地轉化概率的基礎上，采用ArcGIS的空間分析功能，在求取各空間點位轉化概率平均值和標準差的基礎上，基于建設用地規(guī)?？刂埔?guī)則進行建設用地擴展的數(shù)量控制，并進行空間展示，不同模式下的模擬結果如下：

在延續(xù)式布局模式下，建設用地將以瀘州市中心城區(qū)為基礎呈現(xiàn)出蔓延式的外向擴展，其建設用地分布趨勢仍然表現(xiàn)為北多南少，西多東少，區(qū)域協(xié)調性響度較差。

圖2　城鎮(zhèn)導向式布局模擬結果

圖3　交通導向式布局模擬結果

城鎮(zhèn)導向式布局模型下，瀘州市中心城區(qū)攤大餅式的發(fā)展狀態(tài)得到了有效的抑制，而中心鎮(zhèn)和重點等中小城市得到較為迅速的發(fā)展，城鎮(zhèn)等級體系結構得到一定改善。

交通導向布局模式下，建設用地布局呈現(xiàn)出以中心城區(qū)為中心，沿國道和省道呈軸向蔓延發(fā)展的趨勢，帶狀分布明顯，遠離交通干線區(qū)域的發(fā)展則被嚴重抑制，呈現(xiàn)出兩級分化趨勢。

2.2資源環(huán)境承載力評價

從建設用地的現(xiàn)實分布情況來看，其布局位置的選擇與區(qū)域地形、水文、資源分布等自然條件，經(jīng)濟、人口分布等人文條件以及宏觀政策等因素息息相關，而影響建設用地布局的地形、資源、人口、經(jīng)濟等空間要素構成了資源環(huán)境承載力評價的基本組分。因此，研究從社會經(jīng)濟承載力、資源承載力和環(huán)境承載力三方面構建資源環(huán)境承載力指標體系[13-16]。

研究采用GIS方法，提取評價的空間要素。為保證數(shù)據(jù)成果的一致性，所以指標的成果數(shù)據(jù)均轉化為柵格數(shù)據(jù)，像元大小為500×500m。

表2　資源環(huán)境承載力評價指標體系

基于各項單要素承載力的評價結果，根據(jù)資源環(huán)境承載力評價指標體系，采用層次分析-模糊綜合評價及空間分析法，確定各指標權重，對瀘州市資源環(huán)境承載力的綜合結果進行評價。在綜合評價前，為保證各指標數(shù)據(jù)的可比較性和評價結果的準確性，需首先采用極值標準化方法對各單指標進行標準化處理，將其值轉化到0-1之間。同時對森林覆蓋率這一反向指標，對其評價結果值進行取反處理并標準化，得到瀘州市各項綜合指標的評價結果如下。

圖4　社會經(jīng)濟條件空間分布圖

圖5　資源條件空間分布圖

圖6　環(huán)境條件空間分布圖

圖7　 資源環(huán)境承載力空間分布圖

社會經(jīng)濟條件是人口密度和經(jīng)濟密度加權疊加的成果，從其空間分布特征來看，瀘州市中心城區(qū)及各區(qū)縣中心對經(jīng)濟發(fā)展和人口集聚的承載能力較高，瀘縣的部分縣城、古藺縣二郎鎮(zhèn)及高速公路沿線也是承載能力較高的區(qū)域，而其他區(qū)域的承載能力較低，不適合開展大規(guī)模的建設活動。

資源條件是由土地資源支撐能力、水資源支撐能力、交通設施支撐能力和水利設施支撐能力共同構成的綜合指標，反映了區(qū)域資源條件的豐貧及其對經(jīng)濟社會發(fā)展的支撐能力。從評價結果來看，瀘州市中心城區(qū)由于受到可利用土地資源較少、水資源利用率較高、以及水利設施支撐能力低的影響，其資源條件薄弱，區(qū)域未來發(fā)展的支撐力量不足。而瀘縣大部、合江縣中心城區(qū)周邊、國道沿線及古藺中部地區(qū)等經(jīng)濟發(fā)展略緩與中心城區(qū)的區(qū)域，其資源條件優(yōu)越，是區(qū)域發(fā)展的重要支撐。

環(huán)境條件是對森林覆蓋率結果值進行取反并進行歸一化后的結果，處理后瀘縣、江陽區(qū)、龍馬潭區(qū)及合江縣和納溪區(qū)部分地區(qū)為適宜進行大規(guī)模建設活動的區(qū)域，而敘永縣和古藺縣因地形的影響，可開展建設活動的區(qū)域較少且分布零散，對經(jīng)濟發(fā)展的承載能力較低。

資源環(huán)境承載力是對社會經(jīng)濟條件、資源條件和環(huán)境條件三大綜合指標進行歸一化處理后加權疊加得到的綜合結果。從圖14來看，瀘州市資源環(huán)境承載力的空間分布具有以下幾大基本特征：

(1)瀘州市資源環(huán)境承載力表現(xiàn)為南低北高、東低西高的基本特征。

(2)受到地形條件的影響，敘永縣、古藺縣資源環(huán)境承載力較高的區(qū)域呈現(xiàn)出沿山谷零星分布的狀態(tài)，而北部地區(qū)因于地勢平坦，資源環(huán)境承載力高值區(qū)往往成片狀分布。

(3)受交通及水系的影響，資源環(huán)境承載力較高的區(qū)域呈現(xiàn)出一定的沿道路和河流分布的趨勢。

(4)由于資源條件較差，江陽區(qū)和龍馬潭區(qū)大部份地區(qū)主要表現(xiàn)為中等承載區(qū)域，可適當開展建設活動；而瀘縣大部分地區(qū)，借助優(yōu)越的地形條件、資源條件和環(huán)境條件，其資源環(huán)境承載力水平整體較高，是除中心城區(qū)外可進行大規(guī)模經(jīng)濟建設活動的區(qū)域。

2.3建設用地布局優(yōu)選

在建設用地布局過程中，遵循高承載力區(qū)域重點布局，中承載力區(qū)域適度布局和低承載力區(qū)域少量布局的基本原則，將低承載力區(qū)域作為生態(tài)保護的核心區(qū)域，為區(qū)域發(fā)展提供最基本的生態(tài)空間。

研究中，采用空間選擇方法，使用區(qū)域分析工具，將延續(xù)式布局模式、城鎮(zhèn)導向式布局模式及交通導向式布局模式下的九種建設用地布局方案與資源環(huán)境承載力分區(qū)結果進行了疊加分析，獲得了不同布局模式下三種布局方案中建設用地占不同資源環(huán)境承載力功能區(qū)的面積占比，各方案的統(tǒng)計表如下：

表3　延續(xù)式布局模式下不同方案下

延續(xù)式布局模式是基于現(xiàn)有建設用地布局特征下的建設用地布局模擬，由于瀘州市地形及資源條件的南北差異以及在此基礎上形成的經(jīng)濟建設活動重北輕南的基本特征，使得在延續(xù)式布局模式下，隨著建設用地規(guī)模的逐漸擴大，建設用地布局呈現(xiàn)出沿中心城區(qū)及重點城鎮(zhèn)“攤大餅”式蔓延的基本特征，特別是中心城區(qū)建設用地面積呈迅速增長趨勢。從上表中低度擴展、適度擴展和充分擴展方案中各承載力范圍內建設用地的面積占比可以看出，隨著建設用地規(guī)模的增長，區(qū)域資源環(huán)境可承載的建設用地布局的能力逐漸飽和，高承載區(qū)域內建設用地的分布面積從低度擴展時的61.15%降低到充分擴展時的53.68%，適合建設用地布局的高承載區(qū)域逐漸減少，而應進行適當建設的中承載區(qū)域內建設用地面積增長較快，與此同時低承載區(qū)即生態(tài)保護區(qū)被過度占用，生態(tài)保障能力逐漸降低。因此在對三種布局方案綜合分析比較的基礎上，將延續(xù)式擴展模式下的低度擴展方案作為瀘州市建設用地布局的備選方案。

表4　城鎮(zhèn)導向布局模式下不同方案

城鎮(zhèn)導向式擴展模式是以分散中心城區(qū)職能、緩解中心城區(qū)資源、環(huán)境、交通等社會環(huán)境壓力，以衛(wèi)星城發(fā)展理念為依托，以具有特色的重點城鎮(zhèn)為基礎進行建設用地布局的模式。在該模式下的建設用地布局能夠協(xié)調區(qū)域差異，促進區(qū)域協(xié)調，在一定程度上改變了瀘州市重北輕南，重西輕東的發(fā)展格局，促進了區(qū)域城市建設的協(xié)調發(fā)展，更強調了可持續(xù)和協(xié)調發(fā)展的理念。同時從上表來看，在低度擴展時，高中低承載區(qū)域內建設用地分布比例較為協(xié)調，分別為59.09%、37.63%和3.28%，符合承載力越高建設用地布局越集中，盡量保護生態(tài)用地的基本原則。同時，與延續(xù)式擴展模式相同，隨著建設用地規(guī)模的增長，建設用地占用生態(tài)區(qū)域的比重逐漸增長，資源環(huán)境的承載能力逐漸降低，區(qū)域發(fā)展的可持續(xù)性降低。因此，基于瀘州市建設用地布局的基本原則，將城鎮(zhèn)導向式擴展模式下的低度擴展方案作為瀘州市建設用地布局優(yōu)化的備選方案。

表5　交通導向布局模式下不同方案

交通導向式擴展模式是以重要交通干線為擴展軸，通過沿線布局建設用地的方式促進城市建設的一種發(fā)展模式，也是疏散中心城區(qū)交通壓力的重要方式。從上表來看，在交通導向的擴展模式下，高承載區(qū)和中承載區(qū)范圍內分布的建設用地數(shù)量基本相當，且除低度擴展方案外，中承載區(qū)內的建設用地比例甚至大于高承載區(qū)，與承載力越高則建設用地分布越多的原則相違背。同時，在交通導向模式的任何擴展方案中，低承載區(qū)范圍內均分布了較多的建設用地，生態(tài)用地被侵占的比例逐漸增加，區(qū)域生態(tài)安全沒有得到充分保證。因此基于資源環(huán)境承載力越高越適宜建設用地分布以保障基本生態(tài)空間的基本原則，交通導向式布局模式與資源環(huán)境承載力的整體布局不協(xié)調，容易導致對資源環(huán)境的破壞，因此放棄此布局模式。

通過對瀘州市三種不同模式下九種布局方案的特征及其在不同承載力范圍內建設用地占比的綜合分析與比較，最終將城鎮(zhèn)導向式低度擴展方案和延續(xù)式低度擴展方案作為瀘州市建設用地布局優(yōu)化的兩大備選方案，這兩種方案均遵循了瀘州市建設用地布局的基本原則，同時也反映在資源環(huán)境承載力的約束下，瀘州市建設用地布局應追求集約化發(fā)展，適度擴大建設用地面積，防止片面追求經(jīng)濟利益的大面積擴張。

在此基礎上，根據(jù)《瀘州市創(chuàng)建森林城市總體規(guī)劃2009》以及《瀘州市生態(tài)市建設規(guī)劃2010-2020》中提出的建設長江上游生態(tài)屏障，建設生態(tài)城市，實現(xiàn)江陽區(qū)、納溪區(qū)、龍馬潭區(qū)城區(qū)綠化的森林工程以及打造中北部丘陵生態(tài)經(jīng)濟區(qū)和古敘礦產(chǎn)開發(fā)與生物多樣性保護兩大生態(tài)功能區(qū)的總體規(guī)劃可以看出，為保障區(qū)域基本生態(tài)空間，未來城市建設過程中將逐漸加強對中心城區(qū)以古敘生態(tài)保護區(qū)的生態(tài)建設與保護工作，通過集約式發(fā)展和適度開發(fā)打造優(yōu)良環(huán)境?；诖耍瑥难永m(xù)式和城鎮(zhèn)導向模式下兩種布局方案的特點來看，城鎮(zhèn)導向式低度擴展方案占用的生態(tài)空間更少，同時避免了城市中心區(qū)蔓延式擴展帶來的生態(tài)環(huán)境問題，能夠通過衛(wèi)星城發(fā)展模式為城區(qū)生態(tài)建設留足空間，同時帶動周邊地區(qū)的迅速發(fā)展，能夠實現(xiàn)生產(chǎn)、生活、生態(tài)三生空間的協(xié)調共生，因此在綜合比較特別是考慮生態(tài)要素的背景下，將城鎮(zhèn)導向式低度擴展方案作為瀘州市建設用地布局的最優(yōu)方案。

3結論與建議

通過國內外研究的總結發(fā)現(xiàn)，當前建設用地布局研究作為土地利用結構調整與布局優(yōu)化的重要組成部分，因其影響要素的復雜性和不確定性，不同的區(qū)域和研究者，會根據(jù)區(qū)域特色或規(guī)劃目標進行布局優(yōu)選，尚未形成一套通用的優(yōu)選指標或規(guī)則，也不太可能形成一套體系。而資源環(huán)境承載力是連接資源環(huán)境與社會經(jīng)濟發(fā)展的重要橋梁，是約束建設用地布局，可作為實現(xiàn)土地利用規(guī)劃調整中建設用地布局優(yōu)化的重要方法。

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Construction Land Structure Optimization Based on Regional Carrying Capacity of Resources and Environment

LIU Yin1HUANG Zhiqin2GU Jirong1YU Ruyi1

(1.Key Laboratory of Land Resources Evaluation and Monitoring in Southwest，Chengdu Sichuan，China，610066；2.Information Center of Land and Resources Department of Sichuan Province，Chengdu Sichuan，610072)

Abstract：Construction land is not only the important carrier of social and economic activities but also the key part of land use planning，the rationality of the layout is the key to solve the above problem.As the bridge between resources and environment and social and economic，regional carrying capacity of resources and environment reflects the biggest capacity of resources and environment under a certain time and space.On the basis of studies on regional carrying capacity of resources and environment and structure Optimization of Construction made by other professors，this paper taking Luzhou District for example.Firstly，confirm the basic methods of regional carrying capacity of resources and environment and structure Optimization of Construction.Secondly，calculate the regional carrying capacity of resources of Luzhou use fuzzy comprehensive evaluation method.Third，according the characteristics of Construction land of Luzhou，uses the space-time coupling mode simulate different layout scheme under different pattern.At last，uses the method of qualitative and analysis space selection judge different layout schemes get the best layout scheme of Luzhou.

Keywords：Layout Optimization；Regional Carrying Capacity of Resources and Environment；Land Use Planning；GIS

作者簡介：劉寅，美國亞利桑拉州大學博士，長期從事規(guī)劃布局研究

中圖分類號：F292

文獻標識碼：A

文章編號：1673-288X(2016)03-0095-06

項目資助：四川省國土資源廳科技項目支持(2014097)

引用文獻格式：劉寅等.基于資源環(huán)境承載力的建設用地布局優(yōu)化方法研究[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2016，41(3)：95-100.