成都市城市外延空間擴展與城市化質量協調研究

吳弘璐, 何 偉*, 劉 嬌

( 1. 四川師范大學 西南土地資源評價與監測教育部重點實驗室, 四川 成都 610066; 2. 四川師范大學 地理與資源科學學院, 四川 成都 610066)

成都市城市外延空間擴展與城市化質量協調研究

吳弘璐1,2, 何 偉1,2*, 劉 嬌1,2

( 1. 四川師范大學 西南土地資源評價與監測教育部重點實驗室, 四川 成都 610066; 2. 四川師范大學 地理與資源科學學院, 四川 成都 610066)

基于歷年遙感影像提取成都市城鎮建設用地范圍,分析城鎮擴展狀況,建立城市擴展綜合指數及城市化質量評價指標體系,利用熵值法、協調度模型分析城市空間擴展與城市化質量的協調耦合狀況,研究成都市1990—2013年城市空間外延擴展及城市化質量變化趨勢,并探索兩者協調和耦合狀況.研究結果表明：1) 成都市城市外延拓展空間有限,擴展強度指數先增后降,拓展形態規則度和緊湊度普遍不高；2) 研究期內成都市城市化質量提升明顯,并已基本達到合理水平,2000—2009年成都市城市化質量提升最為迅速,2013年末城市化質量已經基本達到合理水平；3) 研究期內成都市城市空間擴展與城市化質量協調耦合狀況不斷優化,從1992年的不協調狀態發展為2013年末的高度協調狀態.

城市擴展; 城市化質量; 熵值法; 協調度模型

以土地城鎮化為主要內容的城鎮化深刻影響著土地利用(覆被)變化,這也是近年來中國大多數城市發展的常見模式.大規模擴張式發展導致土地供需矛盾更加尖銳[1-2],以經濟為主導型的粗放式城市發展導致優質農田侵占,造成糧食安全、人地矛盾等諸多問題.為此,我國現強調“穩中求進”型城鎮化發展道路,倡導城市化發展水平與資源環境承受能力、產業結構轉型、農村人口城市化能力等保持一致[3-6].目前,動態監測不同城市土地擴張現象,分析城市空間擴展模式、演變趨勢及驅動因素[7-10],探索新型城鎮化背景下,城市空間擴展下城市化水平及城市土地集約利用的協調關系已成為研究熱點[11-14],通過研究可以為城市土地可持續利用、土地利用方式轉型、城市科學發展提供科學依據.

本文從成都市外延擴展現狀出發,從城市擴展質與量發展協調角度,建立城市土地外延擴展狀態及城市化水平綜合評價指標,利用熵權法及協調度模型,探索成都市城市外延空間擴展變化與城市化水平的協調性,揭示成都市城市外延空間擴展與城市化水平的協調狀態.

1 成都市城市外延擴展狀況

1.1 數據來源及處理 本文以成都市主城區及近郊區作為研究區域,選取1992、2000、2009和2013年作為評價時點,獲取成都市這4年的Landsat TM遙感影像,通過幾何校正后,以成都市行政界線圖及91衛圖軟件為輔,用ArcGIS 10.0軟件在1∶2 500比例尺下獲取成都市城鎮擴展圖(圖1)及成都市城鄉建設用地空間擴展面積(表1),同時結合成都市統計年鑒及ArcGIS空間分析功能對成都市城市外延擴展現狀進行分析.

1.2 外延擴展狀況分析 從圖1可以看出,1990—2013年,成都市城市外延空間擴展迅速,各階段城市外延空間擴展特點有所差別.1990—1992年成都市城市外延空間擴展面積為89.83 km2,外延擴展呈現同心圓模式,沿城市建成區各方向基本均勻擴展,且中心城區與周邊區縣建設用地相互分離；1992—2000年成都市城市外延空間擴展面積為223.16 km2,隨工業結構發展科學化,中心城市的軸向擴散帶動周邊區縣的發展,點軸系統形成,因而這段時期內,城市外延空間擴展基本以建成區為中心,向外帶狀擴展,但不同方向擴展力度有所差異；

表 1 成都市城鄉建設用地空間擴展面積統計

2000—2009年城市外延空間擴展規模最大,擴展面積為604.1 km2,成片化擴展明顯,西北、西南方向擴展迅速；2009—2013年城市擴展用地分布較為零散,多為填充模式,通過擴展將城市用地集中連片明顯,擴展面積為251.19 km2.

根據成都市土地利用總體規劃(2006—2020年)劃定的建設用地規模控制量(見表2)來看,2009年研究區內建設用地面積1 076.75 km2,小于2010年控制面積1 146.19 km2;2013年研究區內建設用地面積1 327.94 km2,也小于2020年控制面積1 429.2 km2.但從城市空間拓展規模潛力來看,未來城市空間拓展的規模潛力有限.2013—2020年城市空間拓展的總規模潛力僅為101.26 km2,按2009—2013年的年平均拓展62.80 km2的速度來看,成都市將在1.61年后達到土地利用總體規劃確定的城市空間控制規模.由此可以看出,研究期內成都市城市空間擴展速度較快,未來城市空間擴展的容量較小,城市發展必須嚴控建設用地空間擴展面積,不斷強化土地節約集約模式,同時應加強城市內部的挖潛和再利用.

為更準確揭示成都市外延空間擴展的狀況,通過對城鎮擴展強度、城鎮擴展形態的分析,確定城鎮擴展綜合指數.

1.2.1 城鎮擴展強度分析 城鎮擴展強度指數是指城鎮化凈增加量占區域總面積的百分比[15],本文因研究時段不同,而采用城鎮化年擴展強度指數,即擴展強度指數與時間之比,其計算式為

(1)

式中,R為研究期末城鎮建設用地擴展強度,Ub為研究期末城鎮建設用地面積,Ua為研究初期城鎮建設用地面積,T為兩者時間間隔.R值越大,則表示該時間段城鎮建設用地面積增長比率大,反之越小,計算結果見表2.

從表2可以看出,成都市城市擴展強度指數呈現明顯的先增后減的趨勢；1990—2009年城鎮擴展強度不斷增長,其中2000—2009年城鎮擴展強度最高,達到127.81%,這主要是因為2000—2009年間,受到國際金融危機及“5·12”汶川大地震的影響,以用地增長拉動經濟的發展特點突出,城鎮用地擴張明顯,導致城市擴展強度達到最高；2009—2013年成都市城鎮擴展強度出現下降,擴展強度指數僅為23.33%,建設用地增長緩慢,主要集中在周邊,總體擴展強度較弱,這與用地矛盾進一步加大、城市擴展從外延擴展轉向內涵挖掘方式轉變有直接關系.

1.2.2 城鎮擴展形態分析 選取城鎮擴展形態指數及城鎮擴展緊湊度2個指標開展成都市城鎮擴展形態定量分析.城鎮擴展形態指數體現城鎮形態復雜程度,體現斑塊形狀與相同面積正方形的偏離程度,其值越大,則城鎮形態越復雜[16].城鎮擴展緊湊度是測度城鎮建設用地緊湊與飽滿程度的主要指標之一,其值越高,則越能節約用地,節約時間成本和運輸成本[17],計算公式分別為：

(2)

(3)

式中,S為城鎮擴展形態指數,C為城鎮擴展緊湊度指數,At為第t年城鎮建設用地斑塊面積,Pt為第t年城鎮建設用地圖斑斑塊周長.

通過(2)和(3)式,計算得到成都市各階段城鎮擴展形態指數和緊湊度指數(見表3).從表3可以看出,成都市城鎮擴展形態指數和緊湊度指數普遍不高,且各階段保持相對穩定.城鎮擴展形態指數在8%～12%之間,其中1992—2000年,城鎮擴展形態指數最高,為11.60%,說明該階段城鎮擴展的形狀最為規則；城鎮擴展緊湊度指數在7%～11%之間,其中1990—1992年,城鎮擴展緊湊度指數最高,為10.48%,這與該階段城鎮外延擴展呈現同心圓模式沿城市建成區向各方向均勻擴展的特點較為符合.

表 2 成都市土地利用總體規劃建設用地規模

表 3 城鎮擴展強度及形態指數

1.3 城鎮擴展綜合指數評價 以城市擴展強度指數、城市擴展形態指數、城市擴展緊湊度指數作為評價指標,并確定各指標權重,以低擴展強度、高規則度作為城市擴展理想狀態,得到成都市城鎮擴展綜合指數(U1),以分析成都市城鎮擴張狀態,綜合指數值(U1)越高,則代表城市擴展越合理,反之,則說明城市擴展不合理.

城市擴展綜合指數從擴展數量與形態兩方面來評價城鎮擴展合理狀態,值越高則代表城市空間擴展越合理.從評價結果上看,1992—2013年,成都市城市空間擴展基本合理,其中:2009—2013年城市空間擴展最為合理,擴展強度指數最高,擴展形態和緊湊度指數都較高,因此擴展綜合指數值最高,為62.70%；2000—2009年城市空間擴展最不合理,城市擴展強度過快,合理性較低,城市拓展強度指數高達127.81%,但擴展形態和緊湊度指數均不高,導致本階段城市擴展綜合指數值僅為30.66%,在研究期內最低.

從成都市城市空間拓展實際來看,城市拓展綜合指數值與實際情況較為吻合.1990—2000年,成都市城市外延空間拓展基本是依附于城市已建成區周邊不斷發展,受用地規模和已有城市邊界等因素影響,城市拓展綜合指數值較為穩定；2000—2009年是成都市經濟社會的高速發展期,期間GDP年平均增長率達到32.14%.經濟社會的高速發展導致建設用地規模的快速增長,但由于城市內部挖潛和再利用的經濟成本較高、城市拆遷實施難度大等條件影響,建設用地增長多為外延式擴展模式.城市外延空間快速拓展的同時,拓展形態和緊湊度并無明顯改善,因此導致城市擴展綜合指數值最低.2009—2013年國家明確提出節約集約利用土地、轉變土地利用方式,同時受到土地利用總體規劃的建設用地總量等控制,成都市城市空間拓展由外延式拓展向為內涵式、挖潛型轉變,城市拓展強度指數最低,雖然拓展形態和緊湊度不高,但城市拓展綜合指數值最高.

2 城市化質量評價

城市化發展質量評價參考有關研究[18],并結合成都市實際,選取評價指標,采用熵值法確定指標權重,確定不同時間成都市城市化質量水平.

2.1 指標選取及指標標準化處理 在參考有關城市化質量評價研究的基礎上,結合成都市實際,從經濟城市化、人口城市化、社會城市化3個方面選擇13個指標,開展成都市城市化質量評價,具體指標見表3.

由于數據的單位和量綱不同會影響評價結果的準確性和科學性,因此,為了使數據有可比性,采用極差標準化法進行標準化處理.設有n個樣本,每個樣本包含m個變量(X1,X2,…,Xm),則Xij為原始數據矩陣,標準化方式如下:

1) 當X屬于正向指標時

2)當X屬于負向指標時

2.2 采用熵值法確定指標權重 熵值法是一種客觀賦權方法,它通過計算指標的信息熵以確定指標權重,現已廣泛應用在統計學等各個領域,具有較強的研究價值.本文對指標標準化處理后形成的指標矩陣采用熵值法確定指標權重,分別求取2評價指標體系各自指標權重,計算步驟如下.

1) 第j項指標下第i年份指標值的比重yij計算式為

(4)

2) 第j項指標的信息熵值ej計算式為

(5)

其中,K=1/lnm且當yij值為0時,yijlnyij值取0;

3) 第j項指標的權重計算方式為

(6)

式中,Xij為指標標準化值,K為常數,m為評價年數,n為指標個數.

評價指標體系及各指標權重見表4.

2.3 成都市城市化質量水平 根據指標標準化值及權重值,可據(7)式計算成都市城市化水平綜合評價值U2,結果如表5所示.

(7)

通過表5可以看出,隨著社會經濟發展水平的快速增長,成都市城市化質量明顯提高.城市化綜合指標值從2009年的17.16提升到2013年的79.61,說明在1990—2013年的24年里,成都市經濟投入和產出快速增長,人口非農化速度提高,教育水平、收入水平顯著提高,城市建設愈加完善,基礎設施建設愈加完備,城市化質量明顯提高.1992—2000年城市化質量提升緩慢,城市化質量指數僅從1992年的17.165增長到2000年的19.24；

表 4 城市化質量評價指標體系

表 5 城市化質量指標標準化值及綜合評價值

2000—2009年城市化質量快速提升,城市化質量指數從2000年的19.24快速增長到2009年的52.23,增長速度最快；2009—2013年城市化質量保持穩定提升,從2009年的52.23增長到2013年的79.61,說明當前成都市城市化質量保持穩定提升,并已基本達到合理水平.

3 城市擴展水平及城市土地集約利用水平協調度分析

協調度是系統間或要素間相互作用產生影響的程度,從物理學中引入,現廣泛運用在地理研究中.根據現有研究成果[19],本文采用如下耦合協調度模型：

(8)

T=aU1+bU2,

(9)

(10)

式中,C為協調度,D為耦合協調系數,U1、U2分別為成都市城市擴展綜合指數值與城市化質量綜合評價指數值,k為調節系數,取值為5,T為土地集約利用水平與城市化水平綜合評價指數,a、b為待定權數,本文取值為a=b=0.5.當C=1,說明兩者間達到良性共振耦合；當C=0時,說明兩者間耦合度極小,處于無關狀態.

城市擴展狀態指數與城市化質量兩大系統協調度越高,則表明兩系統發展協調、合理,有利于城市這一綜合系統的持續高效發展.當協調度值在0～0.2區間內,耦合協調度在0～2區間內時,兩系統不協調,不利于城市發展；當協調度值在0.2～0.4區間內,耦合協調度在2～4區間內時,兩系統較不協調,城市發展受阻礙；當協調度值在0.4～0.6區間內,耦合協調度在4～6區間內時,兩系統較協調,城市發展趨于良性化發展；當協調度值在0.6～0.8區間內,耦合協調度在6～8區間內時,兩系統協調,城市良性發展,發展速度顯著提高；當協調度值在0.8～1區間內,耦合協調度在8～10區間內時,兩系統較高度協調,城市可持續發展趨勢顯著.

表 6 城市擴展綜合指數與城市化質量耦合協調度評價

通過表6可以看出,研究期間成都市城市擴展狀態與城市化水平的協調度逐年提升.1992年,協調度為0.23,耦合協調度為2.84,呈不協調狀態；2000年,協調度為0.33,耦合協調度為3.37,呈較不協調狀態,相比于1992年協調度有所提升；2009年,協調度為0.71,耦合協調度為5.41,呈協調狀態,說明城市擴展狀態與城市化質量已經從較不協調狀態改變為協調狀態；2013年,兩者協調度高達0.93,耦合協調度系數高達8.14,呈高度協調狀態.從成都市社會經濟發展實際來看,城市發展初期,城市土地擴展速度過快,而經濟發展速度不及城市擴展速度,因此協調度較低,呈不協調狀態；隨人地矛盾的愈加突出,城市發展模式從最初依賴用地的粗放式發展逐漸改變為集約節約的發展模式,且愈加強調城市內部挖潛,城市土地節約集約利用,城市化質量快速提升,與城市擴展速度不斷協調,城市外延擴展與城市化質量的協調和耦合度不斷提升,說明城市發展呈現出集約拓展和質量提升同步協調的狀態.

4 結論與討論

4.1 結論 通過對成都市1990—2013年城市外延擴展和城市化質量的協調研究,得到以下結論.

1) 成都市城市外延拓展空間有限,擴展強度指數先增后降,拓展形態規則度和緊湊度普遍不高.1992—2013年,成都市外延空間拓展規模已經接近2020年規劃值,未來拓展空間有限,土地利用應堅持節約集約利用模式,強調城市內部挖潛,嚴控土地外延式拓展.從拓展模式來看,1990—2009年是城市空間快速拓展期,城市發展主要依靠用地增加這一粗放式發展模式,城市擴展強度較大,城市形態不規則度越高.2009—2013年是城市空間拓展成熟期,城市外延空間擴展強度相對減弱,城市內部回填式挖潛成主導發展模式,城市空間拓展趨向集約化發展模式,城市形態規則有所提高.

2) 成都市城市化質量明顯提高,并已基本達到合理水平.2009—2013年,成都市城市化綜合指標值從2009年的17.16提升到2013年的79.61,提升明顯.說明在研究期內成都市經濟投入和產出快速增長、人口非農化速度提高、教育水平和收入水平顯著提高、城市建設愈加完善、基礎設施建設愈加完備,城市化質量明顯提高.1992—2000年城市化質量提升緩慢,城市化質量指數僅從1992年的17.165增長到2000年的19.24；2000—2009年城市化質量快速提升,城市化質量指數從2000年的19.24快速增長到2009年的52.23,增長速度最快；2009—2013年城市化質量保持穩定,從2009的52.23增長到2013年的79.61,增長速度穩定提升,并已基本達到合理水平.

3) 成都市城市空間擴展與城市化質量協調耦合狀況不斷提升,從不協調狀態發展為高度協調狀態.1992年兩者的協調度為0.23,耦合協調度為2.84,呈不協調狀態；2000年協調度為0.33,耦合協調度為3.37,呈較不協調狀態；2009年協調度為0.71,耦合協調度為5.41,呈協調狀態；至2013年兩者協調度高達0.93,耦合協調度系數高達8.14,呈高度協調狀態.這說明研究期內成都市城市空間擴展與城市化質量協調耦合狀態不斷在趨于合理,城市空間拓展和社會經濟發展體現了集約拓展和質量提升同步協調的發展趨勢.

4.2 討論 本文研究中,分析了成都市近年來城市外延空間擴展狀態及擴展模式,研究了城市空間擴展下城市化質量的變化情況,并將各時期城市外延擴展狀態與城市化質量進行了耦合協調分析.但本次研究受數據限制,只選取了4個階段對成都市外延空間擴展狀況進行分析,未能通過逐年分析找到城市外延空間擴展的變化過程和規律；同時在對城市化質量的評價研究中,評價指標體系的選擇對城市內涵提升和可持續發展觀的體現還不足,這些將是下一步繼續研究的重點和方向.

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(編輯 李德華)

Analysis on Coupling Coordination Degree between Urban Extension and Urbanization Quality in Chengdu

WU Honglu1,2, HE Wei1,2, LIU Jiao1,2

( 1.KeyLaboratoryofLandResourcesEvaluationandMonitoringinSouthwest,MinistryofEducation,SichuanNormalUniversity,Chengdu610066,Sichuan; 2.GeographyandResourcesScienceCollege,SichuanNormalUniversity,Chengdu610066,Sichuan)

The purpose of this paper is to study the trend of urban extension and urbanization quality in Chengdu, and the coupling coordination degree between urban land expansion and urbanization quality is also explored. This paper extracts the scope of Chengdu urban construction land from remote-sensing images. Based on entropy evaluation method and coordination degree model, urban expansion comprehensive index and evaluation index system of urbanization quality are established to analysis their coordination degree. Through the above mentioned analysis, the results of this study show the following aspects. 1) During the research period, extension of chengdu city spatial expansion intensity index firstly increases and then decreases, expand the form and compact index generally is not high. 2) During the study period, the urbanization of chengdu quality improved significantly, between 2000 and 2009, chengdu urbanization quality rapid promotion, at the end of 2013 the urbanization quality has reached a relatively reasonable level. 3) During the research period, extension status of chengdu city coordination and coupling condition of urbanization increase year by year, from 1992, uncoordinated state gradually developed to a highly coordination state of 2013.

urban extension; urbanization quality; entropy evaluation method; coordination degree model

2016-04-16

國家自然科學基金(41301196)

F301.2

A

1001-8395(2017)03-0367-08

10.3969/j.issn.1001-8395.2017.03.017

*通信作者簡介：何 偉(1972—),男,副教授,主要從事土地利用及評價的研究,E-mail:cdwhe@163.com