基于多情景模式的蘭州新區生態適度人口測度

潘竟虎 孫會慧 石培基

(西北師范大學地理與環境科學學院，甘肅蘭州730070)

基于多情景模式的蘭州新區生態適度人口測度

潘竟虎 孫會慧 石培基

(西北師范大學地理與環境科學學院，甘肅蘭州730070)

適度的人口規模是城市可持續發展的關鍵，城市生態適度人口的確定取決于區域生態承載力與區域人口對生態資源的需求，生態敏感性分區和區域可利用土地資源評價是生態適度人口測算的前提。本文以蘭州新區為例，針對新區存在的主要生態環境問題，在GIS支持下對其生態環境敏感性進行綜合評價，明確了生態環境敏感性分布規律。利用數字高程模型、遙感影像解譯土地利用圖和國土部門土地利用數據，測算和評價了蘭州新區可利用土地資源的數量和空間分布特征。基于多情景模型方法，從用地空間、可供水量、綠地指標、生態足跡和生態敏感性分區5個方面測算了蘭州新區的生態適度人口與最大人口規模。結果表明:蘭州新區生態適度人口規模為82．28萬人－119．93萬人，生態環境和用地空間對蘭州新區人口容量規模的限制作用較其它因素強烈，2030年新區人口將達到或接近適度人口規模。新區發展應統籌城鄉各類資源的利用，提高土地節約集約利用水平，提升土地生態承載力。

生態適度人口;情景分析;生態足跡;生態敏感性;蘭州新區

適度人口作為對某項特定目標而言的最佳人口目標，是英國經濟學家坎南(E·Cannan)于19世紀末首先提出的，是指能夠達到一個特定或一系列目標的“最佳”或“最理想”的人口規模［1］，適度人口既要考慮人口自身協調發展，也要顧及人口與經濟、社會、資源環境的協調發展，因此適度人口實際上可以理解為以最令人滿意的方式達到某項特定目標的人口，其大小與資源、環境的可持續利用以及人們追求的生活水平密切相關［2］。適度人口理論經歷了早期適度人口論、現代適度人口論和可持續生態適度人口論三個發展階段，從20世紀六七十年代開始，人類認識到適度的人口不僅要與社會經濟系統相適應，更要與資源環境系統相協調，即所謂生態適度人口。近年來，國內學者對適度人口進行了大量研究，但大都是單一目標(如水資源、土地、耕地面積、消費水平等)決定下的人口測算。適度人口規模不是柏拉圖理想國意義上的最優人口，也不是孤立系統資源環境支持能力的人口承載力，而是多因素決定下的較為合理的人口規模［3］。由于人口對資源消耗的“分母加權效應”，使得人口對資源消耗的增加不僅來自人口絕對數量的增加，而且來自每個人消耗量的增長，因此傳統的“人口密度”指標在度量生態系統承受的人口壓力方面存在明顯不足［4－5］。生態適度人口是指在某區域的某一預見時段，以不損害區域生態環境和破壞資源的永續利用為前提，能夠保障生態環境物質能量循環相對均衡，環境和自然資源對人口的平均負荷力與人類最佳生存條件一致的適宜人口量。

蘭州市是全國緊湊程度最高的省會城市之一，主城區發展空間嚴重不足，蘭州新區作為蘭州市拓展的重要空間承接點和突破口，是提升城市職能、推進城市跨越式發展的重要戰略平臺。《西部大開發“十二五”規劃》中將蘭州新區定位為“承接東部地區產業轉移的先導區，黃河上游生態修復與未利用土地綜合開發示范區，內陸欠發達地區統籌城鄉發展、擴大城鄉就業和新型城鎮化的試驗區，實施向西開放戰略的重要平臺”。然而，蘭州新區由于氣候干旱少雨，水資源匱乏，地表植被覆蓋率低，生態環境極其敏感、脆弱，可利用城市建設用地與基本農田高度重合，人口與環境、發展與保護、統籌與協調成為新區發展的重要問題。本文基于多目標約束視角分析，對蘭州新區生態適度人口進行測算，為制定新區可持續發展的人口政策，引導人口分布、經濟布局與資源環境承載能力相適應，促進人口、經濟、資源環境的空間均衡提供科學依據。

1 土地生態敏感性評價

在土地生態敏感性分區的基礎上計算生態適度人口是本文重要內容。土地生態環境敏感性是指區域內土地生態系統中各生態過程，在外界干擾(包括自然和人為)超過一定限度時，對各種不良影響的敏感程度［6］。生態環境敏感性評價就是評價具體的生態過程在自然狀況下潛在的產生生態環境問題的可能性大小。蘭州新區主要生態環境問題是水土流失、水資源短缺、地質災害頻發等，針對每一生態問題選擇若干影響因子，在ArcGIS軟件環境下，轉換為單因子柵格數據。通過綜合各影響因子分布圖，采用spatial analyst模塊地圖代數分析功能得出各生態環境問題的敏感性分布圖，然后再進一步綜合，得出全區生態環境敏感性分布圖。評價標準主要依照國家環保總局《生態功能區劃暫行規程》附件C和相關研究［7］。

水土流失敏感性以Reynard K G等提出的通用土壤流失方程(USLE)為基礎進行評價［8］，即 A=R·K·LS·C·P。式中A為土壤侵蝕量;降水侵蝕力(R)值采用王萬忠等提出的適合干旱區的簡便算式［9］，利用氣象站的多年降雨紀錄資料，借助ArcGIS的創建表面功能，采用樣條函數內插法得到全區30 m×30 m的R值分布柵格圖;坡度坡長因子(LS)在大尺度區域上很難計算，為此本研究采用地形起伏度值(即地面一定距離范圍內最大高差)作為區域土壤侵蝕評價的地形指標，以1∶10萬DEM(數字高程模型)上的每個柵格點作為目標柵格，利用 ArcGIS的Focalrange函數，用3×3分析窗口對全圖逐柵格求取高差，求得地形起伏度的柵格數字矩陣;土壤質地因子(K)由1∶10萬土壤圖經數字化后提取獲得;覆蓋因子(C)通過2010－9－10的Landsat TM遙感影像提取NDVI后求取獲得。農業措施因子(P)是與人類活動密切相關的因子，與生態系統的自然敏感性關系不大，這里不做考慮。水源敏感性以數字化的蘭州新區河流水系圖為基礎，生成200 m緩沖區。地質災害敏感性評價以甘肅有色工程勘察設計研究院編制的《蘭州新區災害危險性評價圖》為依據，數字化后轉為柵格，賦值得到。

將各敏感性專題柵格圖層(像元大小均為30 m×30 m)，轉化到相同投影和比例尺下，通過ArcGIS進行柵格地圖代數乘積運算，對多個生態環境問題進行綜合評價。然后采用自然分界(natural break)法將敏感性分為5級。這種分類方法是基于統計學的Jenk最優化法得出的分界點，能夠使各級的內部方差之和最小。生態敏感性綜合評價涉及諸多因子，任何因子受影響的程度一旦超過閾值，整體生態環境將受到嚴重的破壞。而將多個環境因子的評價結果進行加權求和，在一定程度上將導致單因子評價結果之間的抵消或放大，從而影響區域綜合生態敏感性的評價結果。因此，本文采用取極大值的方法，取各因子生態敏感性評價結果中的最大值進行綜合評價:I=(Sj)max，式中I為生態綜合敏感性評價結果，Sj為第j個因子的敏感程度。評價結果如圖1所示，生態敏感性分區面積見表1。

2 可利用土地資源評價

可利用土地資源是后續基于用地空間和綠地指標進行人口測算的基礎。可利用土地資源是指在一定空間尺度上可作為后備建設用地的土地。采用《省級主體功能區劃編制規程》中可利用土地資源計算方法［10］，即:

圖1 蘭州新區生態敏感性空間分布Fig．1 Distribution of eco-environmental sensitivity in Lanzhou New Area

可利用土地資源面積={適宜建設用地}－{已有建設用地}－{基本農田}，

其中:適宜建設用地={可用地形}－{林草地}－{水域}－{沼澤}－{荒漠}，

可用地形 ={適宜高程的土地}∩{適宜坡度的土地}，林草地面積={林地面積+草地面積}×0．85。

已有建設用地={已有城鎮村建設用地}+{已有交通用地}+{已有工礦用地}+{已有特殊用地}+{已有農村居民點}+{已有水利設施用地}。

《省級主體功能區域劃分技術規程》中有關海拔高程、坡度、人均可利用土地資源等分級標準不適合蘭州新區，根據新區實際提出可利用土資源技術規程如下:新區無＜3 000 m海拔的國土面積，因此，把地形坡度分為＜3°，3°－8°，8°－15 °，＞15°四個等級 1，2，3，0，高程分為＜1 800 m，1 800－2 000m，2 000－2 200m，2 200－2 500m五個等級。根據適宜建設用地質量與地形坡度、高程成負相關的原則，將地形坡度與高程等級相乘，根據其結果對適宜建設用地質量等級進行劃分。

借助Landsat TM影像判讀和DEM，提取新區范圍內適宜建設用地面積為37 024．47 hm2，根據第二次全國土地調查數據，新區范圍內基本農田面積為16 304.67 hm2，扣除范圍內的現狀建設用地和林地、濕地等，蘭州新區范圍內可利用土地資源15 336.75 hm2(見圖2)。

表1 不同類型生態敏感性的面積及比重Tab．1 Area and its percentage of sensitivity grade for each type of eco-sensitivity

3 適度人口測算

3．1 基于用地空間的人口容量

土地是城市空間擴展的載體，有無開闊的空間往往成為其規模大小的決定條件。可供建設用地的總量是確定城市人口容量規模的前提，因此，城市用地分析是城市人口容量確定的基礎。

3．1．1 基于人均建設用地指標的適度人口容量

圖2 蘭州新區可利用土地資源空間分布Fig．2 Distribution of available landin Lanzhou New Area

住房和建設部提出1萬人/km2的城市人口用地標準，盡可能地節約利用各種自然資源，發展緊湊型城市，實行“精明增長”政策［11］。根據歐美發達國家經驗，大城市較為合理的城區人口密度為1萬人/km2左右。據此，可得到城市適度人口容量P的經驗公式:

式中:Ls表示適宜建設用地面積(km2)，下同;P(萬人)，下同。根據《城市用地分類與規劃建設用地標準GB50137－2011》［12］，城市的規劃人均建設用地指標應不低于65．0 m2/人，據此，得到城市最大人口容量Pmax計算公式:

據此，可計算出蘭州新區適度人口為153．37萬，最大人口容量為255．61萬。

3．1．2 基于人均居住用地指標的適度人口容量

規劃的居住用地占建設用地的比例(25%－40%)及人均居住用地標準(28－38 m2/人)是限制人口容量的兩個硬性指標，但不同性質的城市、不同的居住高度(中高層或中低層)等對人口容量有一定影響。因此，適度人口容量的求算在規定范圍內就有一定的浮動空間，視具體城市而定。總體上應符合:

式中:rs代表居住用地的適宜比例，單位為%;Rs代表適宜人均居住用地標準，單位為m2/人。

參考蘭州中心城區2010年居住用地占建設用地比例26．38%(取自甘肅省住房和城鄉建設廳《甘肅省城市建設統計年報2010》)，按建設園林城市和生態宜居城市的目標要求，降低工業用地和居住用地比重，本文將 rs取25%，Rs取中間值(33 m2/人)，則蘭州新區適宜人口數為116．19萬;若按照rs為40%的最高標準及Rs為28m2/人的最低標準，則蘭州新區最大人口規模為219．10萬。

3．2 基于可供水量的適度人口

在城市日最大總可供給水資源量已知情況下，根據現狀人均用水量指標，科學分析主要影響因素的發展趨勢，反推可容納的適中或最大城市人口量，這種“以供定需”的測算法，是現今城市用水預測最常用的方法之一。蘭州新區由大氣降水形成的自產水資源總量為2．34億m3，但無長年地表徑流形成，均以蒸發、入滲的方式回歸自然。目前和今后一段時間，新區供水主要依靠引大(通河)入秦(王川)工程調水，根據蘭州市水電勘測設計院的評價報告，引大入秦灌溉工程不同水平年向蘭州新區可供支配水資源總量為22 288萬m3，其中生活用水量按總用水量的34．6%計算(蘭州市2010年水平)，則可供生活用水7 706．27萬 m3/a。蘭州新區目前處于開發起步階段，現狀年人均綜合用水定額為80 L/d，參考《城市居民生活用水量標準》(GB/T50331－2002)、甘肅省地級城市和中國北方城市居民人均生活用水情況，考慮到人們生活水平提高的要求，確定蘭州新區人均生活用水適度值為180 L/d，人均生活用水極限方案取城市居民生活用水量標準的下限值110 L/d。對照2010年全國和黃河流域城市居民人均生活用水量(分別為212 L/d和207 L/d，來源于中國水資源公報)，蘭州新區人均生活用水適度值明顯偏低，這也符合蘭州新區屬于西北干旱區的實際。如不增加建設新的水源工程，按照上述標準，蘭州新區2020年適度人口應為117．30萬，最大人口規模則為191．94萬。

3．3 基于綠地指標約束的人口容量

通過綠地計算城市生態人口容量是較常用的方法之一。最新的《城市用地分類與規劃建設用地標準GB50137－2011》規定綠地占城市建設用地比例為10% －15%，人均綠地面積≥10 m2，其中人均公園綠地面積≥8 m2。根據《蘭州新區總體規劃2011－2030》，蘭州新區規劃綠地占城市建設用地比例為11．50%，人均19．5 m2，人均公共綠地10．65 m2。根據中華人民共和國住房和城鄉建設部《國家園林城市標準》，秦嶺－淮河以北100萬以上人口大城市的人均公共綠地需達到6．6 m2，綠地率不低于28%，綠化覆蓋率不低于33%。截止2010年，我國共有128個地級以上城市被命名為國家園林城市，其中秦嶺－淮河以北有36座。本文計算出這些城市2009年人均綠地平均值為32．84 m2，其中秦嶺－淮河以南城市平均值為36．69 m2，以北城市平均值為28．55 m2。以北方園林城市人均綠地面積平均值作為參考，取29 m2作為蘭州新區未來適宜人均綠地面積;以甘肅省城市2010年平均人均綠地面積(17．26 m2)作為參考，取18 m2作為蘭州新區未來最低的人均綠地面積，城市綠地覆蓋率取定為30%，可得:

計算得到蘭州新區適度人口為158．66萬，最大人口規模為255．62萬。

3．4 基于生態足跡的人口容量

生態足跡方法是利用生物生產土地面積這一生物物理指標來定量地指示區域生態承載力的需求和供給的。模型計算公式為［13］:

其中，ef為人均生態足跡;ci為第i商品的人均消費量;pi為第i種消費品的平均生產能力;i為消費商品和投入類型。生態承載力的計算公式為［14］:

式中，P為區域的生態適度人口，ec為人均實際利用的生態承載力，ef為人均生態足跡。蘭州新區2010年生態足跡計算結果見表2，計算數據來源于2010年蘭州統計年鑒、永登縣統計年鑒和皋蘭縣統計年鑒，地類面積來源于蘭州新區土地利用更新調查數據。由表2可知，蘭州新區2010年的生態承載力面積為1．197 hm2/人，生態足跡為1．907 hm2/人，生態赤字為0．738 hm2/人。由公式8，計算出蘭州新區生態人口容量為91．78萬。

3．5 基于土地生態敏感性的人口容量

生態敏感性評價是土地資源承載力評價的核心，也是生態適宜性評價和生態限制條件下土地承載力評價的基礎。生態敏感性評價的結果依據前文對土地生態敏感性

式中，EC為區域生態承載力(hm2)，aj為實際第j類生物生產性土地面積，rj為均衡因子，是使不同類型的生物生產性土地轉化為在生物生產力上等價的系數，yj為產量因子，表示某地區的某種生物生產性土地的平均生態生產力與同類土地的世界平均生態生產力之間的比率。生態足跡的計算過程由兩個部分構成:生物資源和能源。均衡因子采用世界野生基金會Livin Planet Report2004中研究的最新成果;產量因子則沿用Wackernagel計算中國生態足跡時所采用的值。同時，根據世界環境與發展委員會(WCED)的報告，在計算蘭州新區生態足跡時扣除12%的生物多樣性保護面積。

基于生態足跡的生態適度人口用公式表示為［15］:的評價結果，綜合考慮區域內對城市空間發展的限制因素，根據不同生態敏感程度，基于不同分區及對應人口密度，估算土地資源可承載人口規模。極度和高度敏感區主要安排能夠直接或間接改良區域生態環境、改善區域人地關系的地類，如林地、園地、水域、綠地、城市緩沖用地和休養與休閑用地等，可有條件布置適量的農用地和居住用地。國內外關于不同生態敏感區域人均用地標準可參考的文獻不多，且存在較大差異，目前該方面的研究尚無統一結論。本文在參考前人研究的基礎上［16］，確定不同生態敏感區人口承載水平(見表1)，根據表1敏感分區面積，計算求得蘭州新區生態人口容量約在74．11萬 －90．45萬之間，取其均值作為適度人口，則為82．28萬。

3．6 綜合評價

城市人口容量應是各個因素同時作用的結果，對于每個影響因素的人口容量測算，若存在多情景模式，可以取不同情景模式下人口容量的平均值作為該影響因素的最終人口容量［17］。如果按照這種測算依據，從而蘭州新區適度人口為119．93萬，最大人口規模為230．57萬。生態足跡法由于忽視了地下資源和水資源的估算，計算生態承載力時也沒有考慮未利用地，相對比較保守;由于蘭州新區地處內陸，自然環境惡劣，生態敏感性方法較多地從保護生態環境角度出發，淡化產業發展和城市擴展帶來的人口集聚，計算結果亦偏小。

根據脅迫定理，城市發展的優劣往往不是由最優的條件決定，而應由最制約發展的因素左右，每一個影響因素都可能成為人口容量的最短邊。本文研究表明，生態環境和用地空間對蘭州新區人口容量規模的限制作用較其它因素強烈，而作為“客水區”的蘭州新區受水資源的約束作用反而不是十分突出。根據木桶原理，生態敏感性因素是影響蘭州新區人口規模的“最短邊”，從而蘭州新區適宜人口規模為82．28萬，但這種結果彈性不大。根據《蘭州新區城市總體規劃》，2030年新區人口規模為110．6萬人，意味著將達到或接近適度人口規模。

表2 蘭州新區2010年生態足跡的需求與供給Tab．2 The demand and supply of ecological footprint in Lanzhou New Area in 2010

4 討論

可持續發展的適度人口理論要求人口生產、物質生產和資源環境生產統一協調，運用多種方法、多角度深入研究區域生態人口承載力是制定區域社會經濟發展和土地利用戰略的必然要求。本文提出了“生態適度人口”的概念和測算方法，并以蘭州新區為例，從可利用土地資源、可供水資源、生態承載力、生態敏感性等多種約束條件出發，對其生態適度人口進行了測算。

迄今為止，國務院已先后批準成立了上海浦東新區、天津濱海新區、沈陽沈北新區和重慶兩江新區4個國家級新區，這些新區已經成為區域經濟發展的“引擎”。同時，國內許多城市為了破解發展難題，也都在新區建設上進行了有益嘗試，不僅拓展和優化了城市的發展空間，而且促進了經濟發展方式的轉變和產業結構的升級。蘭州新區作為建設中的國家向西開放的戰略平臺，承擔著甘肅省跨越式發展重要經濟增長極的重任，但新區總體生態環境脆弱，干旱少雨氣候，地表植被覆蓋率低，生態承載能力有限。本文研究表明，蘭州新區的生態承載力高于整個蘭州中心城區和市域水平，生態赤字低于整個蘭州市域水平［18］。通過與國內其它主要城市相關數據進行對比，新區生態赤字屬中游水平。按照本文測算結果，蘭州新區生態適度人口規模為82．28萬－119．93萬，與最大人口相比約有110萬人的承載剩余空間。但由于土壤貧瘠，土壤次生鹽漬化趨勢較嚴重，耕地面積不斷減少因素影響，東南和西部山體為典型的黃土丘陵，溝壑縱橫，城市東西向擴展成本較高，需對地形進行改造，中部發展要占用大量優質農田，土地資源的生態支撐能力逐步面臨較大的壓力。新區所在的秦王川盆地幾乎完全依賴于外來調水，新區建設將擠占秦王川盆地農業用水和生態環境用水，隨著新區建設推進和產業聚集，水資源也將成為制約新區人口發展的重要因素。

未來新區發展應統籌城鄉各類資源的利用，提高城鄉空間資源的集約、節約利用水平，推進形成主體功能分區，嚴格實施土地用途分區管制和建設用地分區管制，按照城市建成區、外圍鎮區、村莊等空間層次，有序引導人口集中發展。加快新區的生態綠化建設，以沿引大東一干渠和東二干渠兩側防護林帶及周邊山體綠化為重點，實現萬畝生態綠化工程，逐步推進“千塘百湖”的生態水系工程，保育山水、構筑生態屏障。充分利用生態和自然資源優勢，優化新區南部山區和北部農業地區的功能布局，保護生態基底，形成蘭州新區快速發展的生態保障和環境基礎;結合自然地形、河流水系等自然基底建設貫穿城市的大型綠色廊道，構筑線型綠化生態骨架，分隔城市組團，保護城市環境，形成完整的生態廊道和良好的景觀綠化體系，提高土地生態環境承載力。

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Study on Eco-optimum Population in Lanzhou New Area Using M ultip le Scenarios M odel

PAN Jing-hu SUN Hui-hui SHIPei-ji
(College of Geographic and Environmental Science，Northwest Normal University，Lanzhou Gansu 730070，China)

Optimum population scale plays a key role in ensuring urban sustainability in the long run．The ecological optimum population of a city is decided by ecological capacity in the region and regional population’demand about the ecological resources．Ecosensitivity regionalization and available land(reserved construction land potential)assessment is a key foundation of eco-optimum population estimation．In this paper，taking Lanzhou New Area as a case，integrated assessments of sensitivity to water erosion，river buffer，geological hazard and its spatial distribution in Lanzhou New Area was done by GIS spatial analysismethod，and the spatial distribution of eco-sensitivity were characterized．Using Digital Elevation Map(DEM)，TM remote sensing land usemap and land use investigation data，the paper calculated and assessed quantitative and spatial differentiation of available land of Lanzhou New Area．On these basis，the authors adopt scenarios analysis to explore the city's appropriate scale andmaximal ecological population scale from the aspects of land space，water supply，grass-land norms，GDP，ecological footprint and eco-environmental sensitivity．The results showed that，considering the available land，water resources and environmental determinants，the local ecological optimum population scale was expected to amount to around 0．82 －1．19 million．The calculation outcome reflected that the restriction effect of ecological environment and proper land space to population scale were sharper than effect of other factors．The authors drew the conclusion that the urban population would reach close to the scale of ecological optimum population in 2030．Finally，the authors presented countermeasures for development of Lanzhou New Area from the perspective of integrating the utilization of urban and rural resources improving，intensive using and saving of land and raising land ecological bearing capacity．

eco-optimum population;scenarios analysis;ecological footprint;eco-sensitivity;Lanzhou New Area

C924;X24

A

1002－2104(2012)11－0075－07

10.3969/j.issn.1002－2104.2012．11.012

2012－05－30

潘竟虎，博士，副教授，主要研究方向為空間經濟分析。

國家自然科學基金項目“中國地級以上城市腹地測度及其空間演化研究”(編號:41061017)。

(編輯:田 紅)