基于资源环境承载力的城市发展边界研究

2017-11-23林慧

自然资源情报 2017年8期

林慧

（中国科学院科技战略咨询研究院，北京……100190）

以资源环境承载力和适宜性评价为基础，划定城市发展边界，是提高建设用地利用效率，保障发展、保护资源的重要抓手。针对城市发展过程中的水土资源短缺、生态环境恶化等资源环境约束，以及城市发展与土地利用不协调等问题，应在综合考虑土地资源、水资源和环境容量等约束条件的基础上，尽快开展全国地级城市发展边界的划定工作，将城市用地管制边界落实到具体地块，明确四至范围，确定拐点坐标，防止城市无序蔓延扩张，优化城市开发格局，实现人口、资源、环境与社会的全面协调发展，形成生产空间集约高效、生活空间宜居适度、生态空间山清水秀的发展格局。

1 划定城市发展边界是适应科学发展的必然要求

1.1 城市是财富的主要汇聚地，划定发展边界是提高国土经济竞争力的必要手段

城市的发展不仅增强了区域经济实力，还创造了新的就业岗位，为农民进城提供了条件。据统计，我国城市创造了约占全国80%的国内生产总值（GDP），以及约占全国90%的税收，成为一个国家或地区吸纳经济社会财富的主要汇聚地。但总的来看，城市的外延扩张严重，呈现国土开发强度高、国土经济密度低的态势。深圳市作为城镇化水平最高的地区，与国际大都市相比，国土经济竞争力不强。2016年，该市的国土经济密度为9.76亿元/km²，仅相当于日本东京的1/10。目前，我国已进入工业化、城镇化、农业现代化和信息化同步发展阶段，在建设资源节约型、环境友好型社会过程中，必须高度重视城市的全面、协调和可持续发展，把科学确定城市发展边界作为提高国际竞争力的重要手段。

1.2 城市发展的资源环境约束凸显，划定发展边界势在必行

城市是经济社会发展的主要空间载体，自然资源与环境是城市发展的重要物质基础。我国城市发展与资源环境承载能力不相适应的问题越来越突出，城市发展所面临的资源环境约束成为制约城市可持续发展的主要瓶颈。

1.2.1 建设用地供需矛盾突出，土地资源供应约束明显

“十一五”时期，全国每年建设用地需求在80万hm2以上，而土地利用计划下达的新增建设用地指标只有40万hm2左右，缺口达50%以上。“十二五”时期，全国新增建设用地324万hm²（图1）[1]，超出规划安排67万hm²以上。虽然目前的经济进入新常态，增长速度有所放缓，建设用地需求有所回落，但与保护耕地的矛盾依然十分突出，特别是城市周边的优质耕地保护形势依然严峻。

1.2.2 水资源供应短缺，水对城市发展的约束凸显

随着我国城市经济的快速发展和人口的不断增加，水资源的需求量不断上升。城市产业发展粗放，特别是部分高消耗、高污染行业盲目投资和低水平重复建设比较严重，水资源利用效率低，污染、浪费情况严重，水资源供需矛盾日益尖锐。目前，我国655个城市中有近400个缺水，其中，约200个城市严重缺水。水资源匮乏问题将直接影响城市发展规模和城市化水平。

1.2.3 生态环境脆弱，城市发展的生态环境约束趋紧

我国生态环境脆弱，自然灾害频发。适宜高强度、大规模工业化和城镇化的国土面积仅为180万km²，不到陆地面积的19%。目前，水土流失面积已达295万km²，约占我国国土面积的30%。城市周边、部分交通干线和江河沿岸地区耕地的重金属与有机物污染超标，垃圾围城，严重危及到食品安全和城乡居民的健康。近年来，环保事件频发，血铅、铬中毒事件屡见不鲜，城市污染不断向农村转移，群访、闹访等群体性事件居高不下，严重影响社会稳定。据统计，环保部接到群众来信、来访中，反映农村环境问题的分别占总数的70%和80%[2]。过度抽取地下水造成城市地面沉降等地质灾害问题突出，有迹象表明，城市生态环境问题随城市发展规模的扩大而不断恶化，生态环境约束已经成为影响我国城市发展的严重障碍。

图1 2009～2015年国有新增建设用地供应情况

针对城市发展过程中的资源环境约束问题，需要依据土地资源的适宜性，科学确定城市发展边界和规模，以资源环境的可持续利用促进城市可持续发展。

1.3 城市发展与土地利用不相协调，划定城市发展边界迫在眉睫

城市发展与土地利用不相协调的问题极为严峻。城市空间的快速扩张引发了一系列涉及土地利用、经济发展、人口集聚、耕地保护等领域的问题，成为制约城市可持续发展的重要因素。

1.3.1 粗放的土地利用模式加剧了资源供需矛盾

城市摊“大饼式”扩张，用地粗放，新城、新区建设呈现低密度、分散化态势，城市建设中宽马路、大广场、大水景等工程建设屡禁不止。目前，我国城市人均建设用地突破143m²，不仅超过国家规定的上限，还远远超过发达国家人均82.4 m²和发展中国家人均83.3 m²的水平。产业用地效率不高，工业用地容积率仅为0.3～0.6。

1.3.2 土地利用与人口集聚不协调

我国建成区快速增长，而同时城市集聚人口的速度明显滞后，造成了城市的过度扩张，致使土地城市化速度过快于人口城市化速度[3]。1985～2015年，城市建成区面积由9386 km²增加到51584 km²，增长了4.5倍；而同期城镇人口由25094万人增加到77116万人，仅增加了2.2倍，土地城市化速率是人口城市化速率的2.2倍（图2），远远超过国际社会公认1.12的合理阈值。从“六普”的情况来看，中部六省的人口出现负增长，部分中小城市表现尤为突出，如果不合理确定城市发展边界，势必会进一步恶化土地城市化与人口城市化的协调性。

图2 我国城市建成区与城镇人口的时序对比

1.4 划定城市发展边界，是保护资源的有力抓手

划定“三条边界”、形成“三界四区”，不仅是保障发展、保护资源的主要手段，还是落实最严格土地管理制度的重要载体。划定“三条边界”，即划定城乡建设用地边界、基本农田保护区边界和生态用地边界；形成“三界四区”，即在城乡建设用地边界内，再划分允许建设区边界和有条件建设区边界，与基本农田保护区边界和生态保护区边界，共同构成允许建设区、有条件建设区、限制建设区和禁止建设区。目前，虽然正在落实基本农田用地边界和生态用地边界，但是，城市发展边界仅在北京等14个重点城市开展试点。从落实最严格的耕地保护制度角度出发，开展划定建设用地发展边界工作，有利于实现土地管理工作的科学化。

实现城市经济社会发展与土地利用相协调，是土地管理的重要目标。合理确定城市发展边界是经济进入新常态的一项重要工作，也是新一轮土地利用总体规划修编亟待落实的重要任务。为加快推进城乡统筹发展步伐，落实中央提出的资源节约优先战略，十分珍惜和合理利用每一寸土地，落实最严格的耕地保护和节约用地制度，将城市用地管制边界落实到具体地块，明确四至范围，确定管制边界的拐点坐标，设置界桩，对防止城市无序蔓延扩张，实现城市人口、资源、环境与社会的全面协调发展，使经济发展与土地利用相适应具有重大意义。

2 国际经验借鉴

城市发展边界是西方国家应对城市蔓延问题提出的一种技术解决措施和空间政策响应。划定城市发展边界可以防止城市的无序蔓延，保障城市与周边环境的协调发展，已成为发达国家最成功的一种技术手段和政策工具[4-5]，为我国城市发展边界的划定提供重要的理论依据。早在1958年，英国社会改革家霍华德（Howard Ebenezer）在“田园城市”理论中就指出，在中心城区外围设立永久性绿带来限制城市的发展，通过对人口规模的限定来限制城市范围的扩大[6]。我国学者黄明华等指出，20世纪60年代的巴黎“多中心城市”规划，即是对具有限制色彩绿带规划的进一步发展[7]。吴箐等针对我国当前城市空间拓展特征与城市发展边界研究面临的问题，思考城市发展边界的中国化，并探索构建城市发展边界编制管理体系[8]。

2.1 美国划定城市发展边界，实现了从无序蔓延到精明增长的跨越

20世纪60～70年代，为应对城市蔓延带来的严重社会、经济和环境问题，美国先后出现了精明增长、增长管理、填充式开发及新城市主义等理论与思潮，对城市增长管理和土地利用管制的政策进行了探索与实践，对解决城市无序扩张问题起到了积极的作用。其中，城市增长边界（UGB）作为城市增长管理的重要手段，可将城市开发控制在指定的地区内，并阻止向农村蔓延，成为各界的共识。UGB的概念最早由美国的俄勒冈州塞勒姆市提出，是指城市土地和农村土地的分界线。边界以内的土地是允许城市开发建设的地区，而边界以外土地应保持低密度，不提供供水和排水服务，形成城市和农村明确的分界线。这条边界线有效地提高了城市的土地利用效率，同时也保护了农地和林地。

2.2 荷兰“两色线”和“三色职能”的划定有效地保护了绿地

荷兰是土地资源稀少的国家。该国一直重视土地的高度集约利用，通过划定“三色职能”、“两色线”落实严格的土地用途管制，实现国土资源的合理开发利用。

“两色线”指“红线”和“绿线”。“红线”被用来划定城市及其发展区，以控制城市蔓延，同时避免中心区的“绿心”被蚕食。“绿线”被用来划定城市发展过程中要保护的特殊生态景观地段，以及具有全国重要性或区域重要性的绿地。凡是在绿线范围内的地域都是受保护的区域，只允许建绿地，禁止任何违规的开发建设。

“三色职能”指“红色职能”“绿色职能”和“黑色职能”。“红色职能”即市政府通过市地重建和农地转用实施空间规划，市政府按照规划购买和开发土地，然后将开发好的地块卖给或租给使用者。“绿色职能”是指省政府负责改善农村地区的土地利用结构，使其更加符合经济与生态效益的统一，包括农业用地的规划、自然保护区风景区和生态环境的规划。“黑色职能”是指政府负责修建基础设施建设项目，一般由省政府负责。

“两色线”和“三色职能”的划定，既有利于控制城市发展规模，又有利于保护生态景观[9]。

3 划定城市发展边界的技术方法已有较好基础

3.1 “规模预测—框定指标—空间布局—设定边界”的划定模式得到广泛应用

在研究城市发展边界问题的过程中，通过城市建设规模的预测，分析影响城市增长的外界因素，框定具体的影响指标，从整体空间布局上进行规划，进而设定城市发展边界的模式已被广泛采用。美国田纳西州通过各县发展规划划定城市发展边界，采用地理信息系统（GIS）技术，通过将自然资源、交通等图层叠加分区来划定城市发展边界。对数据缺乏地区常借助遥感影像对城市用地单元分类并选，取最大城市斑块的边缘作为城市发展边界。Tayyebia等（2011）综合人工神经网络（ANN）、地理信息系统和遥感（RS）方法，采用道路、绿地、坡度等因子建立城市发展边界模型[10]，预测了伊朗德黑兰城市发展边界。这些研究为划定城市发展边界提供了技术借鉴。

3.2 城市动态空间增长模拟的技术方法得到初步应用

城市动态空间增长模拟模型是划定城市发展边界的另一有效手段，主要包括五种模型。

一是元胞自动机模型。段德罡（2009）对城市发展边界的划定方法进行了探讨，通过分析城市发展边界的设定动因，依照“反规划”理念，运用地理信息系统软件与约束性元胞自动机（CA）模拟城市增长过程，从生态适宜性分析与景观生态格局构建入手来划定城市发展边界。苏伟忠等（2012）采用城市用地规模预测（系统动力学模型）、城市用地空间格局模拟（元胞自动机）及城市综合承载力评级三个步骤确定城市发展边界。

二是长期水文影响模型。孙强和蔡运龙（2008）基于长期水文影响模型（L-THIA）和地理信息系统模型，应用水文土壤类型、土地利用类型以及长期日降水量数据，将北京划分为4类城市非点源污染产生的敏感性区域。

三是多变量逻辑回归模型。沈体雁和杨开忠（2007）依据北京城市发展经验，引入多变量逻辑回归模型，以遥感、地理信息系统和地理计算技术为支撑，对人口稳定增长、修建七环、修建奥运公园等3种北京城市边界增长情景进行了模拟。

四是城市与区域空间格局演变模型。谭遂和杨开忠（2003）提出了一种基于自组织理论与新经济地理学最新成果的城市与区域空间格局演变模型，该模型能够较好地抓住单一中心城市和多中心城市在不同给定条件下的演化，也能够体现出交通条件改善对于中心城市郊区化现象的影响。

五是将生态保护的传统被动防御转变为主动控制的GIA-CA空间模型。李咏华（2011）以生境恶化和土地资源供需平衡两大现实问题为背景，构建了GIA-CA空间模型。该模型以城市存量土地“质”的生态分级和“量”的有限供给作为空间增长模拟的宏观约束条件，划定城市发展边界，实现控制城市蔓延和引导城市在适宜发展区域增长的目标。这在很大程度上也为划定城市发展边界提供了方法与技术支持。

3.3 现有的划定方法与技术仍需完善

我国在规划中对城镇建设用地边界划定所采用的传统方法缺乏充分的定量分析和科学依据，很难有效控制城市的无序扩张和发展。首先，“规模预测—框定指标—空间布局—设定边界”模式在突破城市建设用地规划边界和指标的现实面前还需改进，特别是利用现代计算机软件技术、遥感数据和野外调查数据等具体实践来丰富和完善。其次，目前的城市动态空间增长模拟模型未能综合考虑城市边界增长的多因素影响以及城市整体格局和局部的关系。例如，CA模拟仅限于微观的城市生长因素，欠缺对政策的变动性和能动性考虑，也未考虑要素之间的整体格局和综合联系，在政策、空间规划理念和整体格局上有待完善。约束性元胞自动机以城市人口与空间增长需求为前提和宏观约束条件，导致城市扩展并没有限定在特定适宜区域，可操作性不强，造成生态用地被大量占用。城市发展边界划定模型，需考虑既有的、微观的城市自组织运行机制和要素，还需针对不同地区特点考虑城市资源环境承载力约束因子。

因此，需要针对城市与区域的资源禀赋特征，统筹考虑人口、经济和产业规模及其空间布局，重点完善能够综合考虑城市资源环境约束、城乡协调发展的城市发展边界划定方法，并进行相关技术的研发。

4 主要目标与思路

4.1 主要目标

以城乡统筹发展为主题，以保障发展与保护耕地、生态资源为主线，以资源环境承载力为基础，以总结北京、上海和广州等14个试点城市扩张边界划定积累的经验为借鉴，以城市发展边界为刚性约束，实现城市发展与土地利用相协调。

一是实现合理的人口规模、经济规模和产业结构。在土地适宜性评价的基础上，基于对资源环境承载力和经济技术条件的考虑，科学预测未来不同时期的人口规模、经济总量，并确定合理的产业结构和空间布局。

二是实现城市发展与土地利用相协调。通过建立多约束条件下的调控函数，科学预测未来不同时期的新增建设用地量，实现城市人口增长与建设用地增长相协调，城市经济发展与建设用地增长相适应。

三是实现城市发展边界划定技术的计算机化。通过研发城市发展边界划定与调控决策支持系统，在划定城市发展边界的同时，划定基本农田保护边界、生态保护边界，划定允许建设区、有条件建设区、限制建设区和禁止建设区，在保障发展的同时，保护资源。

4.2 主要思路

一是依据适宜性原则，以承载力为依据进行土地的适宜性评价，分析城市土地的宜耕性、宜建性等，并进行资源环境承载力评价。

二是在资源环境承载力评价基础上，根据目前的人口、经济和产业状况，确定城市的合理人口规模、经济规模、产业结构及其空间布局，建立数字曲面模型（DSM），便于下一步的可视化和空间分析。

三是综合考虑资源环境承载力、土地适宜性评价结果、城市总体规划的新增土地数量、城市人均建设用地、单位GDP地耗、单位GDP能耗、单位GDP水耗等约束条件，确定未来城市的新增建设用地量。

四是在合理的人口规模、经济规模、产业结构及其空间布局的基础上，将新增建设用地量分配到具体地块上，划定未来不同时期的城市发展边界，确定拐点坐标，研究和开发城市扩张后的空间边界划定方法和技术。

五是集成以上4个方面的研究内容，利用ArcGIS和MATLAB，开发“城市发展边界划定与调控决策支持系统”，实现整个过程的计算机自动化。

5 主要建议

5.1 以承载力为依据开展土地适宜性评价研究

依据生态要素，开展土地资源的适宜性评价。根据土地资源条件、水资源条件、地质条件、光热条件、土壤和地貌类型、海拔、地形坡度、斑块大小和连通性、河流水系、交通等地理信息，建立多因素条件下的土地适宜性评价模型，评价土地宜耕、宜林、宜牧、宜建、宜城、宜生态的适宜性水平。在此基础上，划分生态保护区（禁止开发区）、农业适宜区（宜农）、畜牧业适宜区（宜牧）、林业适宜区（宜林）和建设适宜区（宜建）等，为城市资源环境的承载力评价提供基础。

5.2 开展人口、经济的合理规模与空间布局研究

分析人口、经济和产业的集聚和扩散规律，引导人口合理流动。运用地理信息系统的全局空间统计分析方法，分析多个时间节点的城镇人口、经济、产业和资源消耗量的重心、方位、平均范围（标准距离）、形状和密集度，探索人口、经济、产业和资源消耗量的时空演变规律以及时间、空间相互作用关系，结合目前资源环境的人口和经济承载力，确定未来城市合理的人口规模、经济规模、产业结构和空间布局。运用地理信息系统中的曲面建模技术，建立人口、经济和产业连续分布的数字曲面模型，便于人口、经济和产业空间分布的可视化、空间分析和相关专题图件的制图输出。

5.3 开展多约束条件下的新增建设用地总量控制研究

以总体规划控制规模、历史用地量、固定资产投资、GDP（国内生产总值）、土地资源状况、补充耕地的潜力和人口规模等指标为决策变量建立目标函数，以城镇人均建设用地、单位GDP地耗、单位GDP能耗、单位GDP水耗等指标为约束变量，建立约束调控函数。在此基础上，以目标函数和约束函数为基础，建立拉格朗日增广优化函数，通过求解该函数，获得不同时间节点最优化的城市新增建设用地总量。这将有利于既保护资源与生态环境，又促进社会和经济的发展，实现土地集约高效利用。

5.4 创新城市发展边界划定方法

开发地理自组织图（Geo-SOM）方法，划定城市的发展边界，研究地理自组织图方法的不确定性，并进行多种情境模拟研究。考虑地质条件、地形高程、坡度、土地资源与环境生态的斑块面积大小和连通性、空间拓扑关系、空间秩序等，根据目前土地利用现状和已经确定下来的新增建设用地供应总量，计算出城市的四至范围，划定城市的发展边界，确定拐点坐标。