基于资源环境承载力的建设用地布局优化方法研究

刘　寅　黄志勤　辜寄蓉　余如意

(1.四川师范大学西南土地资源监测与评价教育部重点实验室，成都　610066；2.四川省国土资源厅信息中心，成都　610072)

基于资源环境承载力的建设用地布局优化方法研究

刘寅1黄志勤2辜寄蓉1余如意1

(1.四川师范大学西南土地资源监测与评价教育部重点实验室，成都610066；2.四川省国土资源厅信息中心，成都610072)

【摘要】研究以泸州市为研究对象，明确了基于资源环境承载力与建设用地布局优化的基本方法，测算了泸州市资源环境承载力，模拟了三种发展情景下的泸州市建设用地扩展。在资源环境承载力约束下，采用空间选择的方法，对不同的建设用地布局方案进行了优选，得到了泸州市最优的建设用地布局方案。

【关键词】布局优化；资源环境承载力；土地利用规划；GIS

土地利用结构与布局优化研究是人地关系研究的核心问题，地租地价理论的提出为这一研究奠定了重要基础。19世纪初，杜能在研究区位差异、土地利用、交通费用与土地收益关系的基础上提出了农业区位论，首次阐明了土地布局问题。随后韦伯、赫德等以地租地价理论和区位理论为依托，先后提出了工业区位论及城市土地利用结构的经济学模型，为土地利用结构与布局优化研究提供了理论支撑[1]。

1建设用地布局优化方法

随着城市化进程的推进，建设用地布局优化逐渐成为研究的热点话题。1989年，霍华德提出田园城市理论，倡导城乡协调发展，对城市生态区内的建设用地布局起到了重要的指导作用，而1935年赖特的广亩城市理论及1978年颁布的《雅典宪章》则对城市发展中建设用地布局与生态环境的相互关系做了进一步阐述[15]。20世纪90年代，为解决城市低密度无序蔓延等城市问题，“紧凑发展、精明增长”等理念相继提出，划定城市发展边界，构建多指标的城市发展效益评价体系成为了优化建设用地布局的重要手段。随着计算机技术的成熟，在元胞自动机、神经网络等计算机模型与GIS技术相结合进行建设用地布局预测的基础上进行建设用地优化研究成为了新的热点，为建设用地布局优化的合理化和科学性提供了技术支撑[2-4]。

美国波特兰的俄勒冈州提出了一套用地优选方案。波特兰的俄勒冈州面积广大但适宜人居的地方不足全州的三分之一，几乎全部人口都集中在Williamette河谷中，而人口集聚区也是农业发展区，在快速的城市化进程下，城市建设、环境保护与农业发展之间的矛盾日趋尖锐，制定合理的城市增长边界成为了国家规划的重要内容和政府职责。2004年波特兰对1979年城市增长边界的划定结果进行了修正，即在现有城市增长边界的基础上，设定了四种不同的发展情景：基本情景即按以前的模式增长；情景A主张适当扩张现有城市边界，并在轻轨及公交线路周边进行更紧凑的开发；情景B主张在现有城市边界的基础上进行更紧凑的开发及土地交通系统的更有效利用；情景C为卫星城模式，主张将都市区周边城市作为城市增长的潜在区域。在进行情境设定及城市空间结构预测的基础上，为选择最优的城市发展模式，波特兰从交通、用地、空气质量、水等八个方面提出了46项具体评价指标，并对不同情境下的46项指标进行了详细测算和对比分析(见图1)，明晰了各种发展模式的优劣，从而通过公众调研，由公众选出最可接受的方案，在此基础上糅合以上多个方案确定最终的城市增长边界[5]。

图1　延续式布局模拟结果

龙瀛等采用约束性CA方法对北京市城市形态进行了模拟，设定了四种不同情景下的城市形态：规划情景(控制中心城市，着力发展新城)、蔓延情景(“摊大饼”的城市发展模式)、葡萄串情景(在维持现有发展规模的基础上，促进小城镇及交通沿线的开发)、生态保护区情景(在开发过程中避免对禁止建设区和基本农田的占用，促进城市的可持续发展)。在情景模拟的基础上，龙瀛等采用情景分析法，通过CA、Logistic和MonoLoop方法，通过每次循环新增元胞数量、领域政策系数、Kappa回归系数等政策参数对不同情景下的城市形态的可行性进行横纵向的对比分析，从而确定最优的城市形态[6]。

对比波特兰及龙瀛进行城市发展形态优选的方法可以发现，二者在进行情景优选时均采用了定量分析的方法，通过多指标约束下的量化分析判断不同情景的优劣，为方案优选提供判断标准，其选择过程和结果具有较强的说服力。波特兰在量化分析的基础上，加入了公众参与的主观决策过程，使优选结果在可信的基础上具备了更强的实用性。

因此，在建设用地布局优化中，首先需要确定未来建设用地扩展范围，其次需要确定优化选择依据。基于此，本次研究以资源环境承载力做为建设用地布局优化的选择依据进行讨论[7-10]。

表1　波特兰不同发展情景下的46项指标

2基于资源环境承载力的建设用地布局优化

泸州市作为成渝经济区规划着力打造的区域性中心城市和长江上游生态屏障建设的重要节点，兼具发展经济与保护区域生态环境的双重任务。同时作为以油气资源为主的资源型城市，2011年泸州市被国务院列为第三批资源枯竭型城市，转变经济发展方式迫在眉睫。基于泸州市在推动经济发展、保护生态环境与优化资源利用三大现实问题上的典型性，本文以其为研究区，以资源节约、环境保护与经济发展的协调为目标，探索资源环境承载力约束下的建设用地布局优化方法。

2.1建设用地扩展模拟

根据泸州市发展现状和十三五规划要求，我们设定了三种发展情景，并采用基于空间的二元Logistic模型进行建设用地扩展模拟[11-12]。

建设用地布局即建设用地在空间上的分布，而布局方式的合理性将直接决定区域经济效益、社会效应和生态效益的高低，决定区域可持续发展水平。基于学者对建设用地布局模型的研究成果及泸州市建设用地扩展概率的空间分布特征，本文将模拟以下三种建设用地布局方式：延续式、城镇导向式(卫星城)、交通导向式(轴向扩展)，并采用第四章确定的建设用地低度扩展、建设用地适度扩展和建设用地充分扩展三种数量控制方案对三种模拟方案进行数量控制。各种布局方案的内涵及概率计算公式及模拟结果如下所示。

(1)延续式布局是确定各空间点位在依赖现有要素下产生新的建设用地扩展的概率。

(2)城镇导向式布局是在泸州市中心城区快速扩张的背景下，以卫星城、有机分散理论为依托，通过重点发展中心镇、重点镇和一般镇，促进泸州市各等级城镇有序均衡发展。

(3)交通导向式布局是基于泸州市建设用地扩展与交通干线的显著相关性，模拟在增强道路对建设用地扩展作用而减小其他要素作用的情况下，各空间点位产生建设用地扩展的概率。

在确定不同布局方案下各空间点位产生建设用地转化概率的基础上，采用ArcGIS的空间分析功能，在求取各空间点位转化概率平均值和标准差的基础上，基于建设用地规模控制规则进行建设用地扩展的数量控制，并进行空间展示，不同模式下的模拟结果如下：

在延续式布局模式下，建设用地将以泸州市中心城区为基础呈现出蔓延式的外向扩展，其建设用地分布趋势仍然表现为北多南少，西多东少，区域协调性响度较差。

图2　城镇导向式布局模拟结果

图3　交通导向式布局模拟结果

城镇导向式布局模型下，泸州市中心城区摊大饼式的发展状态得到了有效的抑制，而中心镇和重点等中小城市得到较为迅速的发展，城镇等级体系结构得到一定改善。

交通导向布局模式下，建设用地布局呈现出以中心城区为中心，沿国道和省道呈轴向蔓延发展的趋势，带状分布明显，远离交通干线区域的发展则被严重抑制，呈现出两级分化趋势。

2.2资源环境承载力评价

从建设用地的现实分布情况来看，其布局位置的选择与区域地形、水文、资源分布等自然条件，经济、人口分布等人文条件以及宏观政策等因素息息相关，而影响建设用地布局的地形、资源、人口、经济等空间要素构成了资源环境承载力评价的基本组分。因此，研究从社会经济承载力、资源承载力和环境承载力三方面构建资源环境承载力指标体系[13-16]。

研究采用GIS方法，提取评价的空间要素。为保证数据成果的一致性，所以指标的成果数据均转化为栅格数据，像元大小为500×500m。

表2　资源环境承载力评价指标体系

基于各项单要素承载力的评价结果，根据资源环境承载力评价指标体系，采用层次分析-模糊综合评价及空间分析法，确定各指标权重，对泸州市资源环境承载力的综合结果进行评价。在综合评价前，为保证各指标数据的可比较性和评价结果的准确性，需首先采用极值标准化方法对各单指标进行标准化处理，将其值转化到0-1之间。同时对森林覆盖率这一反向指标，对其评价结果值进行取反处理并标准化，得到泸州市各项综合指标的评价结果如下。

图4　社会经济条件空间分布图

图5　资源条件空间分布图

图6　环境条件空间分布图

图7　 资源环境承载力空间分布图

社会经济条件是人口密度和经济密度加权叠加的成果，从其空间分布特征来看，泸州市中心城区及各区县中心对经济发展和人口集聚的承载能力较高，泸县的部分县城、古蔺县二郎镇及高速公路沿线也是承载能力较高的区域，而其他区域的承载能力较低，不适合开展大规模的建设活动。

资源条件是由土地资源支撑能力、水资源支撑能力、交通设施支撑能力和水利设施支撑能力共同构成的综合指标，反映了区域资源条件的丰贫及其对经济社会发展的支撑能力。从评价结果来看，泸州市中心城区由于受到可利用土地资源较少、水资源利用率较高、以及水利设施支撑能力低的影响，其资源条件薄弱，区域未来发展的支撑力量不足。而泸县大部、合江县中心城区周边、国道沿线及古蔺中部地区等经济发展略缓与中心城区的区域，其资源条件优越，是区域发展的重要支撑。

环境条件是对森林覆盖率结果值进行取反并进行归一化后的结果，处理后泸县、江阳区、龙马潭区及合江县和纳溪区部分地区为适宜进行大规模建设活动的区域，而叙永县和古蔺县因地形的影响，可开展建设活动的区域较少且分布零散，对经济发展的承载能力较低。

资源环境承载力是对社会经济条件、资源条件和环境条件三大综合指标进行归一化处理后加权叠加得到的综合结果。从图14来看，泸州市资源环境承载力的空间分布具有以下几大基本特征：

(1)泸州市资源环境承载力表现为南低北高、东低西高的基本特征。

(2)受到地形条件的影响，叙永县、古蔺县资源环境承载力较高的区域呈现出沿山谷零星分布的状态，而北部地区因于地势平坦，资源环境承载力高值区往往成片状分布。

(3)受交通及水系的影响，资源环境承载力较高的区域呈现出一定的沿道路和河流分布的趋势。

(4)由于资源条件较差，江阳区和龙马潭区大部份地区主要表现为中等承载区域，可适当开展建设活动；而泸县大部分地区，借助优越的地形条件、资源条件和环境条件，其资源环境承载力水平整体较高，是除中心城区外可进行大规模经济建设活动的区域。

2.3建设用地布局优选

在建设用地布局过程中，遵循高承载力区域重点布局，中承载力区域适度布局和低承载力区域少量布局的基本原则，将低承载力区域作为生态保护的核心区域，为区域发展提供最基本的生态空间。

研究中，采用空间选择方法，使用区域分析工具，将延续式布局模式、城镇导向式布局模式及交通导向式布局模式下的九种建设用地布局方案与资源环境承载力分区结果进行了叠加分析，获得了不同布局模式下三种布局方案中建设用地占不同资源环境承载力功能区的面积占比，各方案的统计表如下：

表3　延续式布局模式下不同方案下

延续式布局模式是基于现有建设用地布局特征下的建设用地布局模拟，由于泸州市地形及资源条件的南北差异以及在此基础上形成的经济建设活动重北轻南的基本特征，使得在延续式布局模式下，随着建设用地规模的逐渐扩大，建设用地布局呈现出沿中心城区及重点城镇“摊大饼”式蔓延的基本特征，特别是中心城区建设用地面积呈迅速增长趋势。从上表中低度扩展、适度扩展和充分扩展方案中各承载力范围内建设用地的面积占比可以看出，随着建设用地规模的增长，区域资源环境可承载的建设用地布局的能力逐渐饱和，高承载区域内建设用地的分布面积从低度扩展时的61.15%降低到充分扩展时的53.68%，适合建设用地布局的高承载区域逐渐减少，而应进行适当建设的中承载区域内建设用地面积增长较快，与此同时低承载区即生态保护区被过度占用，生态保障能力逐渐降低。因此在对三种布局方案综合分析比较的基础上，将延续式扩展模式下的低度扩展方案作为泸州市建设用地布局的备选方案。

表4　城镇导向布局模式下不同方案

城镇导向式扩展模式是以分散中心城区职能、缓解中心城区资源、环境、交通等社会环境压力，以卫星城发展理念为依托，以具有特色的重点城镇为基础进行建设用地布局的模式。在该模式下的建设用地布局能够协调区域差异，促进区域协调，在一定程度上改变了泸州市重北轻南，重西轻东的发展格局，促进了区域城市建设的协调发展，更强调了可持续和协调发展的理念。同时从上表来看，在低度扩展时，高中低承载区域内建设用地分布比例较为协调，分别为59.09%、37.63%和3.28%，符合承载力越高建设用地布局越集中，尽量保护生态用地的基本原则。同时，与延续式扩展模式相同，随着建设用地规模的增长，建设用地占用生态区域的比重逐渐增长，资源环境的承载能力逐渐降低，区域发展的可持续性降低。因此，基于泸州市建设用地布局的基本原则，将城镇导向式扩展模式下的低度扩展方案作为泸州市建设用地布局优化的备选方案。

表5　交通导向布局模式下不同方案

交通导向式扩展模式是以重要交通干线为扩展轴，通过沿线布局建设用地的方式促进城市建设的一种发展模式，也是疏散中心城区交通压力的重要方式。从上表来看，在交通导向的扩展模式下，高承载区和中承载区范围内分布的建设用地数量基本相当，且除低度扩展方案外，中承载区内的建设用地比例甚至大于高承载区，与承载力越高则建设用地分布越多的原则相违背。同时，在交通导向模式的任何扩展方案中，低承载区范围内均分布了较多的建设用地，生态用地被侵占的比例逐渐增加，区域生态安全没有得到充分保证。因此基于资源环境承载力越高越适宜建设用地分布以保障基本生态空间的基本原则，交通导向式布局模式与资源环境承载力的整体布局不协调，容易导致对资源环境的破坏，因此放弃此布局模式。

通过对泸州市三种不同模式下九种布局方案的特征及其在不同承载力范围内建设用地占比的综合分析与比较，最终将城镇导向式低度扩展方案和延续式低度扩展方案作为泸州市建设用地布局优化的两大备选方案，这两种方案均遵循了泸州市建设用地布局的基本原则，同时也反映在资源环境承载力的约束下，泸州市建设用地布局应追求集约化发展，适度扩大建设用地面积，防止片面追求经济利益的大面积扩张。

在此基础上，根据《泸州市创建森林城市总体规划2009》以及《泸州市生态市建设规划2010-2020》中提出的建设长江上游生态屏障，建设生态城市，实现江阳区、纳溪区、龙马潭区城区绿化的森林工程以及打造中北部丘陵生态经济区和古叙矿产开发与生物多样性保护两大生态功能区的总体规划可以看出，为保障区域基本生态空间，未来城市建设过程中将逐渐加强对中心城区以古叙生态保护区的生态建设与保护工作，通过集约式发展和适度开发打造优良环境。基于此，从延续式和城镇导向模式下两种布局方案的特点来看，城镇导向式低度扩展方案占用的生态空间更少，同时避免了城市中心区蔓延式扩展带来的生态环境问题，能够通过卫星城发展模式为城区生态建设留足空间，同时带动周边地区的迅速发展，能够实现生产、生活、生态三生空间的协调共生，因此在综合比较特别是考虑生态要素的背景下，将城镇导向式低度扩展方案作为泸州市建设用地布局的最优方案。

3结论与建议

通过国内外研究的总结发现，当前建设用地布局研究作为土地利用结构调整与布局优化的重要组成部分，因其影响要素的复杂性和不确定性，不同的区域和研究者，会根据区域特色或规划目标进行布局优选，尚未形成一套通用的优选指标或规则，也不太可能形成一套体系。而资源环境承载力是连接资源环境与社会经济发展的重要桥梁，是约束建设用地布局，可作为实现土地利用规划调整中建设用地布局优化的重要方法。

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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

作者简介：刘寅，美国亚利桑拉州大学博士，长期从事规划布局研究

中图分类号：F292

文献标识码：A

文章编号：1673-288X(2016)03-0095-06

项目资助：四川省国土资源厅科技项目支持(2014097)

引用文献格式：刘寅等.基于资源环境承载力的建设用地布局优化方法研究[J].环境与可持续发展，2016，41(3)：95-100.