城市擴張背景下城市群環境問題的區域性特征分析

王翠平,丁 黎

1 集美大學理學院,廈門 361021 2 國家測繪局大地測量數據處理中心,西安 710054

城市擴張背景下城市群環境問題的區域性特征分析

王翠平1,*,丁 黎2

1 集美大學理學院,廈門 361021 2 國家測繪局大地測量數據處理中心,西安 710054

作為區域空間組織的重要形式,城市群已經成為促進城市化快速發展的重要地區,同時也逐漸成為生態環境問題高度集中的地區。采用夜晚燈光影像在分析京津冀、長江三角洲和珠江三角洲城市群空間擴張進程的基礎上,從空氣質量、工業固體廢物處置利用情況以及植被覆蓋度3個方面對三大城市群環境問題的區域性特征及其敏感區進行分析。結果表明：三大城市群空間擴張進程不斷加快,并逐漸形成城市用地連綿區,長江三角洲城市群城市用地連綿區范圍最大,珠江三角洲城市群城市用地連綿區范圍高于京津冀城市群；從城市群層面看,三大城市群在空氣質量、工業固體廢物綜合利用率以及植被覆蓋度演變方面已呈區域性特征,城市化水平與工業固體廢物綜合利用率呈正相關,與城市群植被覆蓋度呈負相關；從城市層面來看,空間擴張較快的寧波市和北京市為長江三角洲和京津冀城市群在空氣質量、工業固體廢物綜合利用率以及植被覆蓋度方面的敏感區,中山市為珠江三角洲在工業固體廢物綜合利用率以及植被覆蓋度方面的敏感區。環境問題的區域特征以及環境敏感區分析對環境治理工作具有一定的指導作用,對區域的可持續發展具有一定的現實意義。

夜晚燈光影像；空間擴張；環境問題；城市群；敏感區

近200年來世界上最大的社會變動是人口向城市大規模聚集,2008年世界城市人口首次超過農村人口,標志著人類開始進入城市型社會[1]。

20世紀90年代以來,中國的城市化進程也進入到了加速發展時期[2],農村人口逐漸向城市轉移,人口城市化率(城鎮人口占總人口的百分比)從1990年的26.41%提高到2014年的54.77%[3]。隨著人口與經濟的快速發展,城市用地范圍不斷擴張,城市用地擴張成為表征城市化進程的一個重要特征[4]。隨著城市擴張的不斷加劇,城市環境也將受到影響[5-6],因此城市擴張對城市環境的影響成為國內外的研究熱點[7- 12]。

中國十分重視城市群的發展,國務院提出在“十三五”期間將全力推進城市群建設,來加快城鎮化進程。京津冀、長江三角洲、珠江三角洲三大城市群主導中國經濟的發展[13],其空間擴張進程也在不斷加快,并且已逐漸在城市間形成城市用地連綿區[14],城市用地擴張模式逐漸向城市集群協同發展的區域性特征演化。隨著城市化水平的快速發展,城市群成為區域空間組織的重要形式,并且已經逐漸成為促進城市化快速發展的重要地區,同時城市群也已逐漸成為資源短缺、環境污染、生態破壞等問題高度集中的地區[15]。

環境敏感區是指對人類的生存與發展具有重要價值或者一旦改變其原來狀態容易產生各種生態環境問題的區域[16-17]。環境敏感區的提出旨在通過設立需要特殊保護的區域來維護區域生態服務功能[18]。雖然國家設立了諸多的環境保護區[19],但環境問題仍然是我國快速城市化進程的一個嚴峻問題[20]。其主要原因為快速的城市化進程使城市出現了“超載現象”[21],即城市環境保護未與城市化進程同步。故筆者認為環境敏感區不僅只是需要特殊保護的區域,還應包括城市化進程中環境問題漸顯且有可能對城市環境和人類健康構成威脅,污染防治又有一定難度的區域[22]。因此以京津冀、長江三角洲、珠江三角洲城市群為研究對象,從環境質量、污染防治和環境基礎設施狀況方面分析環境問題的區域化特征,并探索城市群內環境問題的敏感區,為區域環境問題監測提供科學依據,對區域的可持續發展也具有一定現實意義。

1 三大城市群空間擴張特征

基于本文作者之前的研究基礎[14],采用夜晚燈光影像數據提取三大城市群1992、1995、2000、2005和2010年城市用地,并進一步提取城市群的空間擴張信息,如圖1所示。由圖1可知,1992—2010年,三大城市群城市用地不斷擴張,但城市用地大幅度擴張發生在2005—2010年間,1992—2005年間城市用地擴張幅度相對較小,長江三角洲城市群城市用地跨越行政區邊界在城市間的連綿區趨勢高于珠江三角洲和京津冀城市群,珠江三角洲城市用地跨越行政區邊界在城市間的連綿區趨勢高于京津冀城市群,表明長江三角洲城市群城市擴張進程高于珠江三角洲和京津冀城市群,珠江三角洲城市群城市擴張進程高于京津冀城市群。1992年長江三角洲城市群城市用地跨越了行政區邊界形成了覆蓋上海、蘇州以及無錫的城市用地連綿區,至2010年長江三角洲城市群的城市用地以自北向南多個城市中心為軸連綿發展。長江三角洲城市群總的擴張趨勢為以上海、蘇州和無錫形成的城市集群為中心進行擴張,并以南京、杭州、寧波等單個核心城市為中心向周圍擴張,并逐漸擴張為以上海、蘇州和無錫為軸向的自北向南帶狀連綿區。2010年長江三角洲城市群的城市用地連綿區覆蓋了除臺州以外的所有城市,同時1992—2010年間長江三角洲城市群的城市用地擴張趨勢是向沿海的東部地區擴張,遠離海岸帶的西部地區城市用地擴張相對緩慢,表明地理自然條件的優勢對城市用地擴張具有明顯的驅動作用。1992年京津冀城市群的城市用地主要是呈點狀形式分布于該城市群的東南部,北京、天津和唐山的城市用地呈現明顯的三足鼎立態勢；至2010年京津冀城市群的城市用地連綿區覆蓋了北京、天津、唐山、廊坊、秦皇島、保定和石家莊,然而承德和張家口的城市用地擴張較慢仍呈點狀形式存在。1992—2010年京津冀城市群城市用地總的擴張趨勢為以北京、天津、唐山等城市為中心向東南部擴張并逐漸形成城市用地連綿區,西北地區的城市用地仍然是小幅度的緩慢擴張。表明北京市作為我國的政治文化中心對城市用地的發展具有很好的推動作用。1992年珠江三角洲城市群的城市用地在東南部已經形成了連綿區,其范圍覆蓋了廣州、深圳、珠海、中山、東莞以及佛山等城市,并且在1992—2010年間以該城市用地連綿區為中心逐步向東北部和西南部擴張,但在這期間城市用地擴張幅度不是很大。表明珠江三角洲城市群城市用地擴張較早,1992年前就已完成了覆蓋中心城市集群的城市用地擴張,但珠江三角洲城市群西北部的城市用地擴張不是很明顯,城市群中心城市的推動作用不明顯。

圖1 1992—2010年三大城市群空間擴張Fig.1 The spatial expansion of the three urban agglomerations from 1992 to 2010

2 城市擴張背景下三大城市群環境問題的區域特征

從環境空氣質量、工業固體廢物處置利用率以及城市綠化覆蓋率分析三大城市群的城市環境質量、污染防治和城市環境基礎設施狀況。

2.1 環境空氣質量分析

2.1.1 數據

API(空氣污染指數)是世界上許多發達國家和地區用來評估空氣質量狀況的一種指標,是一種反映和評價空氣質量的度量尺度方法[23]。空氣質量優良率為全年API達到二級和優于二級的天數占全年天數的百分比。文中所用API數據主要來自環保部發布的重點城市空氣質量報告以及江蘇省、浙江省、河北省和廣東省環保廳發布的城市環境空氣質量日報。

2.1.2 三大城市群空氣質量區域特征及其敏感區分析

圖2為2000—2010年三大城市群各城市的空氣質量優良率情況。總體來看,2000—2010年三大城市群各城市空氣質量差異顯著,具有區域性特征。珠江三角洲城市群內的城市空氣質量普遍優于長江三角洲和京津冀城市群中的城市,長江三角洲城市群內的城市空氣質量普遍優于京津冀城市群中的城市。具體來看,長江三角洲城市群內只有寧波市的空氣質量優良率一直呈下降趨勢,雖然其空氣質量優良率高于南京和杭州市,但其持續下降的趨勢使其空氣質量在一定程度上存在惡化的風險,由城市擴張分析可知寧波市的城市用地擴張進程仍在加劇,因此寧波市是長江三角洲城市群空氣質量方面的敏感區；京津冀城市群各城市空氣質量都向良好的趨勢發展,只有北京市的空氣質量相對較差,其2010年的空氣質量優良率還不到80%,北京市的城市擴張進程明顯高于其他城市,表明快速城市擴張進程中北京市的空氣質量還需繼續改善；珠江三角洲城市群的空氣質量都較好,只有廣州市在2003和2004年的空氣質量優良率不足90%,相對較低,但已得到改善,珠江三角洲城市群在空氣質量方面各城市控制較均衡。

圖2 2000—2010年三大城市群各城市空氣質量優良率Fig.2 The excellent and good rate air quality of every city in the three urban agglomerations from 2000 to 2010

2.2 工業固體廢物綜合利用率分析

2.2.1 數據

工業固體廢物綜合利用率從工業固體廢物角度反映了城市的環境控制能力。數據來源于中國城市統計年鑒中環境方面的數據,從2003年起,中國城市統計年鑒中包含工業固定廢物綜合利用率的數據,故分析2003—2010年三大城市群的工業固定廢物綜合利用率區域化特征及其敏感城市。

2.2.2 三大城市群工業固體廢物綜合利用率區域特征及其敏感區分析

圖3為2003—2010年長江三角洲、京津冀和珠江三角洲三大城市群各城市工業固體廢物綜合利用率均值情況。總體來看,2003—2010年三大城市群工業固體廢物綜合利用率區域間差異明顯,區域性特征顯現。長江三角洲城市群各城市工業固體廢物綜合利用率的普遍高于珠江三角洲和京津冀城市群,珠江三角洲城市群各城市工業固體廢物綜合利用率普遍高于京津冀城市群,該特征與三大城市群空間擴張特征一致,即城市用地擴張較快的城市群工業固體廢物綜合利用率較高。

長江三角洲城市群內只有寧波市的工業固體廢棄物綜合利用率呈下降趨勢,雖然其工業固體廢棄物綜合利用率高于紹興市,但其持續下降的趨勢使其工業固體廢棄物綜合利用在一定程度上存在弱化的趨勢,由城市用地擴張分析可知寧波市的空間擴張明顯高于紹興市,因此長江三角洲城市群中寧波市在工業固體廢棄物綜合利用方面的具有一定敏感性；京津冀城市群中北京和秦皇島市的工業固體廢棄物綜合利用呈明顯弱化趨勢,北京市的城市擴張進程明顯高于其他城市,表明在城市快速擴張進程中北京市的工業固體廢棄物綜合利用還需繼續強化；珠江三角洲城市群只有中山市工業固體廢棄物綜合利用呈弱化趨勢,雖然其工業固體廢棄物綜合利用率高于肇慶和惠州市,但由中山市城市擴張進程可知中山市的城市用地擴張強度高于肇慶和惠州,因此其高強度的城市擴張進程和工業固體廢棄物綜合利用的弱化趨勢使其在工業固體廢棄物綜合利用方面存在一定的敏感性。

圖3 2003—2010年三大城市群各城市工業固體廢棄物綜合利用率Fig.3 Ratio of industrial solid wastes comprehensively utilized of every city in the three urban agglomerations from 2003 to 2010

2.3 植被覆蓋度演變分析

2.3.1 數據

地表植被覆蓋變化對地理環境將產生巨大影響,對地表植被覆蓋變化進行研究可以為制定合理的土地利用方式提供科學依據[24-25]。每年最大化NDVI(歸一化植被覆蓋指數,Normalized Difference Vegetation Index)是一年內植被最豐盛時期的NDVI值,其變化可以反映因氣候和人為因素導致的植被年際變化[26]。采用最小次方線性回歸方程的斜率[27- 30](Θslope)來反映MNDVI(每年最大化NDVI)的變化趨勢,Θslope大于0說明植被呈改善的趨勢,Θslope小于0說明植被呈退化的趨勢。所用數據來源于“黑河計劃數據管理中心”(http://westdc.westgis.ac.cn)中國地區長時間序列SPOT_Vegetation植被指數數據集。該數據集為2000—2008年的全國的NDVI旬數據,通過最大化處理得到三大城市群2000—2008年的MNDVI。

2.3.2 三大城市群植被覆蓋度區域特征及其敏感區分析

表1和圖4是2000—2008年三大城市群MNDVI的變化趨勢。三大城市群的植被覆蓋度呈顯著的區域特征,城市用地擴張最快的長江三角洲城市群植被覆蓋退化的區域明顯高于珠江三角洲和京津冀城市群,而其植被覆蓋改善的區域又明顯低于珠江三角洲和京津冀城市群；城市用地擴張進程高于京津冀城市群的珠江三角洲城市群植被覆蓋退化的區域明顯高于京津冀城市群,而其植被覆蓋改善的區域又明顯低于京津冀城市群。

由圖4可知,長江三角洲城市群地表植被覆蓋退化的區域主要集中在城市用地擴張進程較快的上海、蘇州、無錫、常州的部分區域以及寧波中心城區,特別是已經形成城市用地連綿區的上海、蘇州、無錫和常州的地表植被覆蓋退化的區域在城市間已呈明顯的連綿形式,其他城市地表植被覆蓋退化區域的比例則相對較小；京津冀城市群地表植被覆蓋退化的區域主要分布在城市用地擴張進程較快的北京、天津和唐山,但植被覆蓋退化的面積相對都較小且退化區域也較分散,其他城市地表植被覆蓋退化都很小；珠江三角洲城市群地表植被覆蓋退化的區域主要分布在城市用地擴張進程較快的廣州、中山、佛山和東莞,珠江三角洲城市群其他各城市植被覆蓋退化的面積也相對較小且退化區域也較分散,只有中山市植被覆蓋退化相對較集中的分布在城市中心區域。由城市群擴張特征可知,長江三角洲城市群中覆蓋上海、蘇州、無錫和常州的城市用地連綿區已形成,且其植被覆蓋退化區域也逐漸呈連綿趨勢,而寧波市仍然存在較大的城市用地擴張潛力,因此植被覆蓋也將面臨潛在的退化趨勢,即寧波市是長江三角洲城市群植被覆蓋退化方面的敏感區；京津冀城市群各城市植被退化趨勢整體上相對較弱,而植被退化相對較強的區域仍然是城市化進程較快的北京市和天津市,因此對于北京市仍需加強植被覆蓋的保護工作；珠江三角洲城市群城市用地擴張較快的城市植被覆蓋退化也較快,但植被退化分布的都較分散,只有中山市的植被覆蓋退化區域集中在城市中心區域,表明中山市植被覆蓋退化仍然具有向城市邊緣區域擴散的風險,因此中山市植被覆蓋退化存在一定的敏感性。

表1 三大城市群2000—2008年MNDVI變化趨勢

圖4 三大城市群植被覆蓋度變化趨勢Fig.4 The change trend of MNDVI of the three urban agglomerations from 2000 to 2008

3 結論

隨著城市化進程的加快,城市群已經成為區域空間組織的重要形式,并逐漸成為城市化快速發展的重要地區。隨著城市群擴張進程的加快,其城市用地擴張呈區域化特征,在城市群內形成覆蓋多個城市的城市用地連綿區,表明城市群中城市間的關系越來越緊密,城市群的環境問題也逐漸呈現區域性特征。在分析京津冀、長江三角洲和珠江三角洲城市群空間擴張的基礎上,分析三大城市群的空氣質量、工業固體廢物綜合利用情況以及植被覆蓋度演變。得出如下結論：

(1)1992—2010年,三大城市群城市用地擴張進程不斷加快,城市用地不斷向外擴張并逐漸形成覆蓋多個城市的城市用地連綿區。長江三角洲城市群城市用地逐漸擴張為以上海、蘇州和無錫為軸向的自北向南帶狀連綿區；京津冀城市群城市用地連綿區覆蓋了北京、天津、唐山、廊坊、秦皇島、保定和石家莊；珠江三角洲城市群形成了由廣州、深圳、珠海、中山、東莞以及佛山的城市用地組成的連綿區。長江三角洲城市群城市用地擴張進程高于珠江三角洲和京津冀城市群,珠江三角洲城市群城市用地擴張進程高于京津冀城市群。

(2)三大城市群在空氣質量、工業固體廢物綜合利用率以及植被覆蓋度演變方面已具有區域化特征,且與三大城市群城市用地擴張特征具有一定的相關性。珠江三角洲城市群內的城市空氣質量普遍優于長江三角洲和京津冀城市群中的城市,長江三角洲城市群內的城市空氣質量普遍優于京津冀城市群中的城市；長江三角洲城市群各城市的工業固體廢物綜合利用率普遍高于珠江三角洲和京津冀城市群各城市,珠江三角洲城市群各城市工業固體廢物綜合利用率普遍高于京津冀城市群各城市,表明城市用地擴張進程與工業固體廢物綜合利用率呈正相關；長江三角洲城市群的植被覆蓋度演變情況明顯劣于珠江三角洲和京津冀城市群,而珠江三角洲城市群植被覆蓋度演變情況明顯劣于京津冀城市群,表明城市群空間擴張進程與城市群植被覆蓋度演變呈負相關。

(3)空氣質量、工業固體廢物綜合利用率以及植被覆蓋度在三大城市群中存在典型的敏感區。長江三角洲城市群在空氣質量、工業固體廢物綜合利用情況以及植被覆蓋度演變方面的敏感區都為寧波市；京津冀城市群在空氣質量、工業固體廢物綜合利用情況以及植被覆蓋度演變方面的敏感區都為北京市；珠江三角洲城市群在空氣質量方面的敏感區不突出,在工業固體廢物綜合利用情況以及植被覆蓋度演變方面的敏感區為中山市。

城市群已經成為城市化發展的重要區域,其城市用地的連綿區態勢,在一定程度上導致了環境問題的區域性特征,區域性環境問題使環境的綜合治理工作變得更加嚴峻。環境敏感區對環境治理工作具有一定的指引作用,對區域的可持續發展具有一定的現實意義。

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Regionalcharacteristicsanalysisofenvironmentalproblemsinurbanagglomerationsundergoingurbanexpansion

WANG Cuiping1,*, DING Li2

1SchoolofScience,JimeiUniversity,Xiamen361021,China2GeodeticDataProcessingCenter,StateBureauofSurveyingandMapping,Xi′an710054,China

As an important spatial form of regional spatial organizations, urban agglomeration has become an important aspect of rapid urbanization because it gradually leads to a highly concentrated region with large eco-environmental problems. Night time light image was adopted to analyze spatial expansion in the Beijing-Tianjin-Hebei, Yangtze River Delta, and Zhujiang River Delta urban agglomerations. We also analyzed the regional characteristics and areas that are sensitive to environmental problems, including air quality, comprehensive use of industrial solid wastes, and vegetation coverage. Spatial expansion of the three urban agglomerations is increasing and interlocking regions of urban land have gradually formed. The interlocking regions were largest in the Yangtze River Delta and smallest in Beijing-Tianjin-Hebei area. The regional characteristics for the three urban agglomerations are presented in terms of air quality, comprehensive use of industrial solid wastes, and vegetation coverage. The air quality in the Zhujiang River Delta cities was highest and lowest in the cities that make up Beijing-Tianjin-Hebei. The comprehensive use of industrial solid waste in the Yangtze River Delta cities was highest, but was lowest in in Beijing-Tianjin-Hebei. Vegetation degradation in the Yangtze River Delta was most serious, but was least serious in Beijing-Tianjin-Hebei. The air quality and comprehensive use of industrial solid waste regional characteristics were correlated with spatial expansion in the three urban agglomerations. There was a positive correlation between urbanization level and the comprehensive use of industrial solid waste as well as between urbanization level and vegetation coverage. Areas that are sensitive to poor air quality, the comprehensive use of industrial solid waste, and vegetation coverage were identified, and the sensitive areas were correlated with spatial expansion characteristics in the three urban agglomerations. Spatial expansion was faster in Ningbo and Beijing (cities in the Yangtze River Delta and Beijing-Tianjin-Hebei, respectively), which were sensitive to poor air quality, industrial solid waste, and vegetation coverage. Zhongshan in the Zhujiang River Delta was sensitive to the comprehensive use of industrial solid waste and vegetation coverage. The analysis of regional characteristics and environmentally sensitive areas is important if environmental protection and sustainable development is to improve.

night time light image; spatial expansion; environmental problems; urban agglomeration; sensitive areas

國家自然科學基金(41571148)；福建省自然科學基金(2014J01161)

2017- 05- 25;

2017- 09- 09

*通訊作者Corresponding author.E-mail: ping_autumn@163.com

10.5846/stxb201705250968

王翠平,丁黎.城市擴張背景下城市群環境問題的區域性特征分析.生態學報,2017,37(23):8058- 8066.

Wang C P, Ding L.Regional characteristics analysis of environmental problems in urban agglomerations undergoing urban expansion.Acta Ecologica Sinica,2017,37(23):8058- 8066.