基于空间开发适宜性评价的建设用地扩展配置研究

2014-05-02路建国朱伟亚门明新

山东农业大学学报（自然科学版） 2014年2期

王晓,路建国,朱伟亚,门明新

1.河北农业大学国土资源学院,河北省保定 071200

2.山东省土地勘测规划院,山东济南 250000

土地利用变化（LUCC）直接影响到社会经济的可持续发展，是全球环境变化的重要组成部分[1]。建设用地的空间扩展日益成为中国土地利用变化的主要特征。随着社会经济的快速发展以及城市化进程的不断推进，建设用地的需求不断增大,引发了一系列的问题，诸如粮食安全、生态安全等。建设扩展机制合理化是解决这一问题的重要途径。

近年来，区域建设用地扩展机制研究成为国内外地理学界关注的热点问题之一，国内外学者从不同角度对土地利用功能分区进行研究，并取得一定成果。在建设用地扩展机制上，W.H.Form从市场驱动和权力行为两个方面来开考察建设用地扩展机制[2]；Pierce通过对大型城市研究，认为建设用地扩展的驱动力包括人口、经济水平、农用地质量和原有建设用地边界等[3]。在扩展效应方面张兆明等运用TM影像图对植被变化扩展影响方面进行了跟踪研究[4]。部分学者注重建设用地扩展后对区域生态系统造成的影响，探讨扩展效应与生态安全格局的关系[5-6]。在扩展调控方面美国提出了精明增长（Smart Growth），并划定增长边界（Urban Growth Boundary，UGB）控制建设用地扩展[7]。吴次芳等学者将UGB模式与中国现实情况相结合提出了弹性增长的约束模式[8]。

纵观以上研究，关于建设用地扩展的研究主要集中在建设用地的扩展驱动力、扩展效应、扩展边界调控上，而将主体功能区与建设用地扩展相结合的研究较少。近年来，主体功能区与土地利用变化研究的联系越来越紧密，本文尝试根据空间开发适宜性评价结果，以冀东山地丘陵区典型县域卢龙县为研究对象，运用DUHP（[land development(D)]、利用[land use(U)]、整治[land harness(H)]、保护[land protection(P)]）不同的优先度组合模式，将预测的目标年建设用地总规模按行政区进行数量分配与空间配置。

1 研究区概况与数据来源

卢龙县位于东经 118°45′54"～119°08′06"，北纬39°43′00"～40°08′42"之间，地处河北省东部秦皇岛市。其属于冀东山地丘陵区典型县域，县北部为低山区,中部为丘陵区,南部为山麓平原区,丘陵区面积最大,占全县总面积的71.63%,低山区、山麓平原区分别占10.43%和17.94%。林业资源丰富,有较多自然保护区,还拥有着远近驰名的桃林口水库,在秦皇岛市乃至整个河北省,有着重要的生态地位。随着河北省经济重心向沿海、京津地区的产业转移，以唐秦承为中心的“冀东经济区”将成为环渤海地区新的经济增长极，势必会使该区的空间格局发生巨大变化，以卢龙县为研究对象，具有典型代表意义，通过研究以求为山区县域土地资源合理配置与优化利用提供建设性方案。

本研究基础数据为卢龙县2009年第二次土地调查的土地利用现状图和数字高程模型（DEM）、土地利用总体规划图、《卢龙生态县建设规划报告》、《卢龙县土壤志》、《卢龙县土地志》、《卢龙县土地利用总体规划、《卢龙县土地利用总体规划与城市规划协调报告》、《卢龙县土地供需预测》，数据来源可靠。

2 研究思路与方法

建设用地扩展调控需要综合考虑经济发展的潜在需求和资源环境条件的地区差异[9]。首先结合国家主体功能区政策，建立潜力-约束分区指标体系，进行区域空间开发适宜性分区分级评价，据此计算各行政单元的建设用地适宜性指数；对区域建设用地总量进行预测，结合适宜性指数计算各行政单元的建设用地数量；依据各栅格单元开发适宜性高低选择建设用地扩展范围。

2.1 空间开发适宜性评价分区

本文采用“潜力-约束评价法”在评价建设用地空间开发适宜性时，从主导性出发，分约束类指标和潜力类指标建立指标体系，分别评价约束和潜力重要性指数，进行数据处理时使用栅格数据模型，栅格数据模型使用规则网格表达地理空间，每个象元值都可以用来表达空间现象的属性，其符合功能分区要求，打破行政界线，划分25×25的栅格单元。分别计算每个栅格单元对于空间开发适宜性适宜度值。在ARCGIS中，对其进行互斥性矩阵分类，确定优先开发、适度开发和禁止开发等适宜性类型。

采用互斥矩阵法对空间开发适宜性分区进行划分。该方法是主体功能区划分常用的“打分法”和“二分法”的结合,即先把每个空间单元按照其“发展约束类”和“发展潜力类”分别打分,然后根据得分的大小建立距阵,每个空间单元都可以在距阵中找到相对合适的位置。对角线附近的样本需要慎重对待,应以定性法二次处理较合适,远离对角线的样本则以其得分为主要划分依据,必要的话可以定性法二次处理。通过此方法,将空间开发适应性分区和行政区域相匹配。

表1 空间开发适宜性分区“距阵法”Table 1 “Murex matrix” method of spatial development sustainability regionalization

2.2 建设用地需求与配置

2.2.1 建设用地需求分析建设用地需求量预测都是建立在经济预测基本理论和方法基础上的一种实际应用，而在建设用地需求量预测研究中更加注重的是根据建设用地自身运动规律和与外部事物关联性出发对预测模型的选择[10]。准确预测社会经济发展对建设用地的需求显得尤为关键。土地利用变化是自然、经济、社会等多种因素共同作用的结果。而这些因素的变化一般都具有不同程度的不确定性。这些基本因子的不确定性是土地利用变化预测模型建立的主要障碍，基于以上分析本研究将对建设用进行合理剥离分别进行预测。

1）城镇及工矿用地规模预测城镇及工矿用地预测需先确定城镇工矿用地的若干驱动力，在合理范围内得到各驱动力的集约控制值，并将各集约控制值进行汇总。确保预测模型在矜持因地制宜的前提下考虑社会经济的发展趋势。

第一步，建立驱动力回归模型:

式中:N1,N2,Nk表示第一、第二、第k个驱动力驱动下的城镇及工矿用地预测值；X1,X2,Xk表示第一、第二、第k个驱动力回归模型的自变量，X可能是一个变量也可能是多个变量，f为回归方程。

第二步，进行集约控制。不同驱动力回归模型下的集约控制方法不同。通过该步骤得到各驱动力集约控制用地规模J1,J2,Jk。

第三步，根据驱动力贡献度的不同赋予权重，然后求和。模型如下:

式中:J表示最终城镇及工矿用地预测值；α，β，γ，分别为J1,J2,Jk的权重。

2）农村居民点用地规模预测根据对未来农村居民点中人口预测，参照人均建设用地指标，计算未来居民点建设用地规模。这是目前土地利用规划和城市规划中确定居民点用地规模最常使用的方法。

式中：Z—规划目标年农村居民点占地面积；N—规划目标年农村人口；J—人均建设用地指标。3）交通水利设施及而特殊用地规模预测交通用地、水利设施用地及特殊用地的分配布局在主要受政策影响，在发展中具有很强的不确定性，这类地的变化属于集结式发展，不具有规律性。因此，本研究将受政策因素影响较大的特殊用地、交通用地、水利设施用地进行单独预测，其用地规模根据交通水利等相关部门规划确定。

2.2.2 建设用地数量与空间配置以人口、资源、环境和发展（Population,Resource,Environment and Development,PRED）协调为理念，将主体功能区与土地利用变化（LUCC）进行结合。土地利用变化的4个侧面，土地开发[land development(D)]、利用[land use(U)]、整治[land harness(H)]、保护[land protection(P)],其不同的优先度组合方式将产生不同的土地利用结构与空间布局,对在建设用地扩展具有引导作用[11-13]。

综合国内外研究文献,众多学者对不同的主体功能区的研究在DUHP优先度组合的方向判断上与逻辑分析是相一致的,在主体功能区战略下优化开发战略、重点开发战略、限制开发战略和禁止开发战略所对应的土地利用优先组合模式应该分别为:U-H-D-P、D-U-H-P、H-P-U-D、P-H-U-D[14-15]。

表2 主体功能区战略下DUHP可能的组合类型Table 2 Possible combining modes of DUHP under the major functional regionalization strategy

不同的主体功能区内需要适宜的DUHP优先度组合模式与其匹配，而不同的DUHP优先度组合模式下其建设用地扩展调控机制有明显的区别。应用层次分析法确定不同主体功能区中土地开发（land development）对分配建设用地的贡献大小,U-H-D-P、D-U-H-P、H-P-U-D和P-H-U-D组合中体现出D的重要程度依次为0.2565、0.4913、0.1480和0.1042,C.R.值为0.0132,并通过一致性检验。卢龙县全县建设用地合理配置到各行政区时依据4类主体功能区的不同开发战略,并且考虑各乡镇不同主体功能区的面积比例,具体计算公式为:

式中,S增为全县预测建设用地总指标;j为4类主体功能区;MFOZj为4类主体功能区中D的权重;Smcj为不同主体功能区所分配的建设用地面积;Smzij为第i个乡镇第j个主体功能区面积;Szci为第i个行政区所的建设用地数量;n为主体功能区分区数目;N为研究区行政区个数。

3 研究结果

3.1 空间开发适宜性评价

建立开发适宜性指标体系是进行适宜性分区的关键。依据参考文献[9,16-20]，将生态重要性、资源易损性、资源环境条件、区域开发效益、综合区位条件五个方面共13个指标分为开发约束类和开发潜力类两大类，在人口、经济、资源、环境各方面协调发展思想的主导下，构建评价指标体系。以25×25网格为基本单元，对每个栅格单元进行空间开发适宜性评价，通过互斥性矩阵确定每个栅格单元的适宜性分值，然后运用ARCGIS空间分析功能，以乡镇行政区为单位对栅格网进行裁剪，得到每个乡镇优化开发区、重点开发区、限制开发区、禁止开发区的具体数值。同时,考虑到各指标对区域承载状况的贡献不同,在专家咨询的基础上,运用层次分析法对各指标的权重进行确定,各项评价因子及权重见下表。

表3 卢龙县开发适宜性分区指标及权重分配Table 3 Index of development sustainability regionalization and weights allocation

3.2 单项评价结果与综合评价结果

3.2.1 开发约束与开发潜力分布由下图可以分别看出卢龙县开发约束和开发潜力指数分布情况。开发约束指数较高的区域主要分布在县域东北部及中部丘陵区，地势起伏较大，植被覆盖率高，承担着县域生态保护及水源涵养作用，并属于地质灾害重点防治区域，不适于建设扩展。开发潜力指数分布较高的区域主要分布在县域西南部，区域交通便捷，具备现有城镇发展体系，但区域内部因现有发展程度不同在确定综合指数时是应进行区别对待。

图1 卢龙县开发约束和发展潜力水平空间分布Fig.1 Spatial distribution of development constraint and potential in Lulong County

3.2.2 开发适宜性空间分布采用“互斥矩阵法”对空间开发适宜性进行分区，根据开发约束分值和开发潜力分值建立矩阵，对每个栅格单元在矩阵中找到相对合适的位置。

县域西南部开发潜力较大，生态约束较弱。交通通达度高，经济发展水平高，建设用地投入产出率明显高于其他区域。但根据潜力大小及现有城镇发展体系覆盖程度，将该区域分别划分为优化开发区和重点开发区，在进行建设用地布局时优化开发区有注意现有建设用地的集约节约利用，进行产出率较高的建设用地扩展。

县域中部地区开发约束中等，现有开发强度较低，发展潜力适中，应坚持保护优先、适度开发、点状发展的原则，严格控制开发强度，逐步减少城镇用地和农村居民点用地空间，限制增加建设用地，引导与主体功能定位相悖的产业向区外有序转移，将该区域划为限制开发区。

县域东北部地区主要为坡度大于25°的山地区。具有较为强大的生态功能，在维护区域环境中发挥重要的作用。未来应实行强制性保护，严禁任何不符合主体功能定位的各类土地利用活动，确保生态功能的稳定发挥，将该区域划为禁止开发区。

表4 卢龙县各乡镇空间开发适宜性分布结构表Table 4 The structural table of spatial development sustainability distribution of towns in Lulong County

图2 卢龙县空间开发适宜性格局分布图Fig.2 Distribution map of spatial development sustainability regionalization in Lulong County

3.3 建设用地需求与分布

3.3.1 建设用地需求分析1）城镇工矿用地需求分析城镇工矿用地扩展是多因素共同驱动的结果，通过实地调查确定推动其扩展的因素为：GDP、工业总产值、固定资产投资、城镇化人口、总人口。通过聚类分析分析确定城镇工矿用地扩展的两大驱动力：人口增长和经济发展。

经济增长对城镇及工矿用地的需求突出表现为产业规模（第二、三产业）的扩大带来的用地规模扩张。因此，可以通过产业用地比重来表示经济因素的权重β，通过计算可以得出工业用地占城镇工矿用地的比例约为25～30%，以二、三产业比例为2：1计算，确定第三产业与城镇工矿用地比例为37.5～45%，取平均值为40%。而随着经济水平的不断提高，产业发展区域成熟，人口规模的权重将有所提升，2020年α和β的取值为0.7、0.3。将α、β、J1、J2代入公式求得2020年城镇工矿用地面积为4114.36 hm2。

2）农村居民点用地需求分析 2006年卢龙县人均居民点面积为242.00 m2，卢龙县受社会经济等条件的制约，短期内不可能对居民点用地进行大规模挖潜整理，结合国家标准并考虑卢龙县实际情况确定卢龙县人均居民点用地面积为180 m2。

2020年卢龙县预测总人口为42.52万人；城镇化率为43.86%，可以预测2020年卢龙县农村人口为23.87万人。则2020年久居农村的农村人口所需农村居民点用地为：

图3 卢龙县城镇及工矿用地总量与人口变化Fig.3 Change of amount of urban and industrial and and mining land and population in Lulong

图4 卢龙县城镇及工矿用地总量与经济变化Fig.4 Change of amount of urban land and industrial mining land and economy in Lulong

在城市化过程中，大量农村人口迁往城镇，其中部分人口在城镇拥有住房的同时并没有放弃农村住房，根据卢龙县实际情况，取迁移人口一半作为不放弃农村住房的人口。以此计算2020年城乡两栖人口让保留的农村居民点用地规模为：

为全面推进新农村建设和农业农村现代化进程，以及开展农村居民点整理过程中仍需新占部分土地，预留950 hm2作为居民点新增建设所用，预测至2020年农村居民点用地新增建设用地950 hm2。

由此可知，2020年农村居民点总规模为：4294.45+841.08+950=5635.53 hm2

3）交通水利设施及特殊用地需求分析交通水利及特殊用地需求上参考旅游用地规划、秦皇岛市交通规划、水利部门防洪工程体系，最终确定卢龙县2020年特殊用地（主要为旅游用地）面积为285.16 hm2，交通水利用地面积为1344.71 hm2，水利设施用地面积为929.27 hm2。

3.4 建设用地数量与空间分布

依据空间适宜性评价结果，得到各乡镇4类主体功能区面积与位置，结合公式（4），对预测的建设用地总规模进行数量分配与空间布局。西南部的卢龙镇、石门镇优化开发区面积较大，2009年该区域建设用地面积占全县总面积的29.42%，2020年占全县总面积的31.90%，主要通过产业结构调整、提升促进城镇土地利用结构优化,避免破坏自然环境特点的连绵式建设。东南部的刘田各庄镇重点开发区面积较大，2009年该区域建设用地面积占全县总面积的8.72%，2020年展全县总面积的11.00%，该区域建设用地扩展主要为产业发展集聚区，促进区域内一些具有比较优势的产业集群的形成与发展,与优化开发区中的产业发展空间形成良好的分工合作。中部的下寨乡、双望镇、木井乡、蛤泊乡、潘庄镇、印庄乡限制建设区面积较大，2009年该区域建设用地面积占全县总面积的44.00%，2009年占全县总面积的41.99%，该区域以农田和部分水源为基底,城镇发展基础条件一般,或其建设发展与粮食安全发展冲突,选择部分城镇适度点状开发。北部的刘家营乡、燕河营镇、陈官屯乡禁止建设区面积较大，2009年该区域建设用地面积占全县总面积的17.86%，2020年占全县总面积的16.75%，该区域为水源涵养地、自然保护区，对区域生态可持续发展具有重要的意义，严禁建设活动的开展。

表5 卢龙县目标年建设用地预测量Table 5 The predicted amount of the construction land in the targeted year in Lulong County

图5 卢龙县各乡镇建设用地配置结果Fig.5Allocation results of construction land at each village and town in Lulong County

图6 卢龙县各乡镇建设用地布局Fig.6 Spatial distribution of urban and town construction in Lulong County

4 结论

1）将开发约束-潜力评价分析法纳入到空间开发适宜性评价分区方法中，从开发约束、开发潜力两个方面建立空间开发适宜度评价指标体系。并运用矩阵互斥法，借助ARCGIS空间分析，评价了划分的栅格单元的空间开发适宜程度，结合卢龙县实际情况，贯彻主体功能区思想，共划分优化开发区、重点开发区、限制开发区、禁止开发区，四类空间开发适宜性分区。分区结果符合卢龙县实际情况、且分区方法科学、合理。

2）运用回归预测法、标准法、部门预测法相结合的方法分城镇工矿用地、农村居民点用地、交通水利及特殊用地对目标年建设用地需求总量进行预测。然后依据空间开发适宜性评价结果对建设用地总量进行数量与空间位置的布局。开发潜力较高，开发约束适中的地区主要集中在县域西南部，2020年建设用地面积为3863.14 hm2，占全县的31.39%，与2009年相比有小幅增加。开发潜力较高，开发约束较低的区域集中在县域东南部，2020年建设用地面积为1331.87 hm2，占全县的11%，与2009年相比有显著增加。开发潜力适中，开发约束适中的区域主要集中在县域中部，2020年建设用地面积为5085.16 hm2，占全县的41.99%，低于2009年。开发潜力较低，开发约束较高的区域集中在县域东北部，2020年假设用地面积为2028.86 hm2，占全县的16.75%，低于2009年。

3）将空间开发适宜性分区与建设用地空间配置相结合，利于主体功能区政策的落实，对县域土地利用变化及具体土地政策实施提供依据。并且拓展了建设用地空间配置的方法，为建设用地合理布局和高效利用提供科学依据。

[1] 李秀彬.全球环境变化研究的核心领域-土地利用/土地覆被变化的国际研究动向[J].地理学报,1996,51(6):553-557

[2] Form WH.The Place of Social Structure in the Determination of Land use[J].Social Force,1954,32:317-323

[3] John J pierce.Conversion of rural land to urban:a Candon Profile[M].Philippine:Professional Geographer,1987

[4] 张兆明,何国金.北京市TM图像城市扩张与热环境演变分析[J].地球信息科学,2007,9(5):83-88

[5] 陈诚,陈雯,吕卫国.江苏省生态保护与建设空间分布耦合状态评价[J].湖泊科学,2009,21(5):725-731

[6] 李月辉,胡志斌,高琼.沈阳市城市空间扩展的生态安全格局[J].生态学杂志,2007,26(6):875-881

[7] 刘红萍.城市用地扩张规律与绩效研究[D].武汉:华中农业大学,2006

[8] 冯科,吴次芳,韦仕川,等.城市增长边界的理论探讨与应用[J].经济地理,2008,28(3):425-429

[9] 陈诚,陈雯,吕卫国.基于空间开发适宜性的城镇建设用地配置[J].地理科学进展,2009,28(5):775-781

[10] 刘华宾.耕地保护约束下建设用地合理发展规模研究[D].河北:河北农业大学,2009

[11] 刘瑞卿,朱伟亚,许皞,等.基于主体功能区的土地规划新增建设用地指标调控研究[J].中国生态农业学报,2012,20(4):11-16