快速城市化區域資源環境承載力與建設適宜性分析—以昆明市呈貢區為例

袁磊, 聞珊珊, 楊昆,2*

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快速城市化區域資源環境承載力與建設適宜性分析—以昆明市呈貢區為例

袁磊1,2, 聞珊珊1, 楊昆1,2*

1. 云南師范大學信息學院, 昆明 650500 2. 西部資源環境地理信息技術教育部工程研究中心, 昆明 650500

為弄清快速城市化地區資源環境綜合承載能力與城市化建設開發的適宜程度, 以昆明市呈貢區為例, 從影響城市未來空間拓展的角度, 采用特爾菲法選取了社會經濟、資源承載、環境承載3方面15個因子, 并運用層次分析法確定因子的權重。同時, 在GIS的支持下, 構建基于狀態空間法的資源環境承載力綜合評價模型, 對研究區資源環境承載狀態進行了定量計算、等級劃分、空間分配、綜合評價和建設適宜性分析。結果表明, 研究區目前總體上資源環境綜合承載力處于可載狀態, 但從街道辦行政尺度來看, 研究區10個街道辦資源環境綜合承載力又呈現較大的空間差異, 其中斗南已屬于超載狀態, 洛龍和大漁承載力實際綜合評分值分別為0.72和0.70, 已接近理想值0.73, 處于滿載邊緣, 其他7個街道辦則均處于可載狀態。基于目前的承載力狀況, 從未來城市化空間拓展的適宜性角度, 研究區建設適宜性開發空間主要分布于七甸、吳家營和馬金鋪3個街道辦, 其余7個街道辦建設適宜性則相對較小, 發展空間有限。

資源環境承載力; 快速城市化; 呈貢區; 狀態空間法; GIS

0 前言

我國自改革開放以來, 城市化與工業化進程不斷加快, 人口不斷集聚, 城市規模急劇擴張, 資源環境的支撐能力面臨巨大挑戰。當前, 在建設資源節約型和環境友好型社會的根本目標導向下, 如何合理有效的引導區域人口、經濟發展與資源環境承載力相適應, 促進經濟、社會與資源環境的空間均衡是快速城市化地區必須面對的重要問題。云南省昆明市呈貢區是快速城市化地區的典型代表。2003 年, 云南省委、省政府做出建設現代新昆明的重大決策, 并率先在昆明市呈貢區啟動。短短十余年的快速發展, 其城市化率從2002年的22.4%提高到2014年的60.5%, 人口也從10萬余人增加至35萬常住居民, 并計劃至2020城鎮化率達到100%, 常住人口達50萬人[1]。“一步城市化”進程致使呈貢區域資源環境壓力急劇增大。已有研究表明, 開展資源環境承載力評價研究, 弄清區域一定時期內的資源環境承載力狀況, 能夠為管理者制定發展規劃和可持續發展戰略提供重要的決策依據[2-4]。為此, 本文選取與呈貢區資源環境承載能力緊密相關的社會經濟、資源承載和環境承載3方面共15個因子, 運用層次分析法構建其承載力評價指標體系, 進而建立判斷矩陣, 并通過一致性檢驗確定每一類評價因子的權重；在此基礎上, 將GIS與狀態空間法相結合, 對呈貢區資源環境綜合承載狀況進行定量分析, 以期在確保資源合理開發利用和生態環境良性循環狀態下, 為呈貢區未來一定時期內資源環境與區域經濟、社會的協調發展提供資源配置與空間優化的基本依據, 這對呈貢深入推進城市化進程具有較高的實用價值。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

呈貢區位于云南省昆明市主城區東南面的滇池東岸(東經102°45′—103°00′, 北緯24°42′—25°00′), 距昆明主城區12 km。轄區有龍城、斗南、吳家營、洛龍、烏龍、雨花以及托管的洛羊、大漁、馬金鋪、七甸10個街道辦, 總面積510.2 km2。呈貢區東南方和東北方均為高山, 東部和西部分別為陽宗海和滇池, 其地勢東高西低呈3級臺階狀, 海拔在1775 m—2820 m之間。據2015年統計年鑒, 呈貢區常住人口密度為639人·km-2, 人口自然增長率為5.91%, 森林覆蓋率48.5%, 總蓄水量為1188.89×104 m3, 年降雨量905.5 mm。

圖1 研究區地理位置圖

Figure 1 Geographical location of the study area

1.2 數據來源

本文采用的空間數據主要有呈貢區DEM(數字高程模型)數據；呈貢區2014年土地利用變更數據；2014年行政區劃數據；地質災害分布位置等相關數據；社會經濟類數據均來自《2015年呈貢區統計年鑒》。

2 研究方法

2.1 指標體系與權重確定

指標的選取著重考慮因子的針對性和綜合性, 數據的可獲取性和分析的可操作性, 聘請云南省環境科學研究院, 呈貢區環境保護局、住房和城鄉建設局, 昆明市國土資源局呈貢分局涉及資源環境評價、城鄉規劃、生態環境保護及國土資源管理領域的7位專家, 從影響呈貢區城市未來空間拓展的角度, 立足其資源環境和經濟社會發展現狀, 選擇社會經濟、資源承載、環境承載3方面作為準則層, 將層次分析法和特爾菲法相結合, 最終確定呈貢區資源環境承載力綜合評價指標因子共15個(表1)。

由于各指標因子對資源環境承載力的影響程度各不相同, 因而在進行資源環境承載力評價之前需要對其賦予權重值, 以確定該項指標因子對綜合承載力的影響程度。本文采用層次分析法并結合專家打分進行權重確定[5-7]。首先通過專家多輪打分確定兩兩指標間的重要性, 進而構造判斷矩陣, 并通過一致性檢驗, 利用層次排序結果計算指標權重[8](圖2)。

2.2 狀態空間法評價模型

當前, 資源環境綜合承載力計算方法主要有相對資源承載力方法、層次分析法、生態足跡法、狀態空間法、系統動力學方法等[9-13]。因每種方法各有利弊, 加之資源環境承載力本身的復雜性、模糊性及影響因子的多樣性, 使得承載力定量研究還有待深入[14]。由于狀態空間法是一種基于解答空間問題的求解方法, 與GIS空間分析具有天然的契合點, 故本文采用狀態空間法對呈貢區資源環境綜合承載力進行評價。

表1 研究區資源環境承載力綜合評價指標層次及權重

注1: 指標的數值越大, 越有利于空間拓展(正向指標)；指標的數值越大, 越限制空間拓展(負向指標)。

注2: 一致性檢驗: CI=WB1*CIB1+ WB2*CIB2+ WB3*CIB3=0.0486, RI= WB1*1.12+ WB2*1.24+ WB3*0.96=1.104, CR=CI/RI=0.044< 0.1, 符合一致性檢驗。

2.2.1 評價因子標準化

在對指標數據進行計算時, 由于指標數據來源于不同部門、表征著不同的屬性, 在數量級上也存在著較大差異, 不能直接進行比較計算。因此, 首先采用極差標準化方法進行無量綱處理, 以消除量綱影響[15]。

對于正向指標(即越大越好型), 計算公式如下:

對于負向指標(即越小越好型), 則采用如下公式計算:

式(1)和式(2)中, max和min分別代表指標x的最大值以及最小值, xi為指標因子實際值, yi為因子標準化值。

2.2.2 狀態空間法評價模型

狀態空間法是歐式幾何空間中的一種用于定量描述系統狀態的方法, 它是由表示系統各個要素狀態向量的三維狀態空間軸組成[16-17]。在狀態空間中, 每一個點都代表著一定時間內某個區域的資源環境承載能力。本文運用狀態空間法建立呈貢區資源環境承載力綜合評價模型, 通過以下兩個模型進行資源環境承載力綜合評分值計算:

圖2 因子及其權重確定的流程

Figure 2 The process of determining for indexes and their weights

(1)理想綜合評分值計算

式(3)中,為研究區區域承載力理想值的大小；||為研究區理想狀態下區域承載力的有向矢量的模數；x記為x(i=1, 2, …, n), 為資源、環境與人類活動處于理想狀態下, 第i個指標因子標準化處理并離散到狀態空間后, 在狀態空間中的某空間點位所在的值；w為x軸的權。

表2 資源環境承載力指標因子標準化值

一般情況下, 理想值的獲取可通過選擇指標因子中的所有正向指標的最大值, 或者所有負向指標的最小值, 或者所有研究區的平均水平計算而得。

(2)實際綜合評分值計算

式(4)中,′為研究區區域承載力實際值的大小；|′|為研究區現實狀態下區域承載力的有向矢量的模數；x為地區在一定時期內第指標因子標準化處理并離散到狀態空間后, 即資源、環境與人類活動處于現實狀態下在狀態空間中的某空間點位所在的值；ω為指標的權重。

(3)承載狀態判定

根據上述計算的區域資源環境綜合承載力的理想綜合評分值和實際綜合評分值′, 通過比較兩者值的大小, 對區域實際承載狀況進行判斷。當實際綜合評分值大于理想綜合評分值時, 說明實際承載狀況處于超載狀態 (RCC′>RCC)；當實際綜合評分值等于理想綜合評分值時, 說明實際承載處于滿載狀態(RCC′= RCC)；當實際綜合評分值小于理想綜合評分值時, 說明實際承載狀況處于可載狀態( RCC′< RCC )。

3 結果分析

3.1 資源環境承載力分析

利用ArcGIS10.3軟件的空間分析功能, 以呈貢區行政區劃矢量圖層作為分析底圖, 建立相應的指標因子屬性字段, 與離散化處理后的各評價指標因子圖層進行疊加分析, 基于狀態空間法計算資源環境承載力實際綜合評分值′。對于理想綜合評分值的計算, 考慮到著眼于研究區快速城市化狀態下對城市空間拓展的資源環境承載力狀況分析, 因此選取所有正向指標的最大值作為理想值進行計算, 結果為=0.73。將得到的各個′與進行比較, 約定當′>時, 為一級；當′≦時, 按照等距離劃分法, 若′值與值相差在0—0.05以內為二級, 在0.05—0.10以內為三級, 在0.10—0.15以內為四級, 在0.15—0.20以內為五級, 大于0.20為六級, 最終按照上述承載力等級劃分方法, 在狀態空間中以街道辦為單位統計, 得到呈貢區資源環境承載力等級空間分布結果(圖3)。

表3 研究區資源環境承載力綜合評價結果

由綜合評價結果可知, 呈貢區10個街道辦中, 斗南街道辦的資源環境承載力綜合評分值最大為0.77, 大于理想值0.73, 屬于超載狀態, 資源環境承載能力最小, 說明該區未來應加大生態保護與生態文明建設力度, 以提高資源環境承載容量；洛龍街道辦與大漁街道辦的資源環境承載力綜合評分值分別為0.72和0.70, 與理想值相比較, 處于滿載邊緣, 資源環境承載能力處于中等水平, 這說明在下一步城市化發展過程中, 需要對該區資源環境的保護利用足夠重視；龍城、烏龍、吳家營、雨花、七甸、洛羊、馬金鋪7個街道辦的資源環境承載力綜合評分值在0.36—0.68之間, 與理想值相比較, 處于可載狀態, 資源環境承載能力相對較好, 這與當前該區開發建設力度較小的現實狀況相匹配, 說明該區未來城市化拓展空間尚有較大容量。

圖3 呈貢區資源環境承載力等級空間分布圖

Figure 3 Spatial distribution of resources and environment carrying capacity

總體上看, 研究區10個街道辦資源環境綜合承載實際平均值為0.615, 小于理想值0.73, 可見研究區資源環境綜合承載力總體表現為可載, 說明目前情況下資源環境條件對當地人口、社會和城市化發展尚有一定的支撐空間, 這也為區域可持續發展提供了良好的基礎。

3.2 建設適宜性分析

從城市化進程中未來空間拓展的適宜性角度, 將資源環境承載力評價結果與坡度、交通、河流水系、林地、現狀建設用地以及耕地6個對建設用地影響較大的因子進一步空間疊加分析(圖4), 并將疊加結果劃分為3種類型, 即較適建區、一般適建區和不適建區(圖5)。

由疊加分析的結果可知: 總體上, 較適建區區域內交通便利, 坡度適宜, 水資源相對豐富, 林地、耕地分布分散且面積較小, 因此建設適宜性較高；一般適建區在排除林地、耕地、水資源分布以及坡度等影響下, 因其交通不便的原因, 相較于較適建區存在一定限制, 建設適宜性一般；不適建區主要受到地形因子的影響較大, 坡度均大于15°以上, 且區內目前交通不便, 而林地面積分布較大、生態脆弱, 因此建設適宜性最低。在擦除現狀建設用地、耕地、保護性生態公益林以及重要飲用水源地之外, 呈貢區未來建設適宜性開發空間總體分布于七甸、吳家營和馬金鋪3個街道辦, 其余7個街道辦建設適宜性則相對較小。

圖4 建設適宜性核心影響因子空間分布圖

Figure 4 Spatial distribution of the core influence factors for construction suitability

圖5 呈貢區建設適宜性空間分布圖

Figure 5 Spatial distribution for construction of suitability

結合呈貢區城市化發展程度來看, 由于斗南街道辦作為昆明市花卉交易市場的特性, 也是7個街道辦中建設開發最早的一個街道辦, 以至于斗南資源環境承載力(一級承載力)已經超出理想值, 資源環境的承載容量無法繼續支持大規模建設開發, 反而需要加強生態環境的保護力度, 以提高資源環境承載容量；洛龍街道辦和大漁街道辦(二級承載力)在2015年年鑒(2014年數據)中記載其積極推進建設用地的開發, 導致建設開發空間迅速擴展, 雖然資源環境承載力并未超出理想值范圍, 卻也接近理想值, 因而這兩個街道辦未來城市化進程中也不宜大范圍、大規模開展, 而需要時刻關注資源環境保護, 避免超出資源環境承載范圍；雨花街道辦(三級承載力)雖然比洛龍和大漁街道辦的資源環境承載力稍好, 但與理想值的差距并不大(差值0.05), 在適度建設開發的同時也不能忽視資源環境問題；洛羊、龍城和烏龍3個街道辦(四級承載力)之間的資源環境承載力相差不大, 均可在維系資源環境良性循環的狀態下進行適度建設開發；七甸(五級承載力)和馬金鋪、吳家營(六級承載力)3個街道辦因行政轄區面積大、目前開發力度小, 資源環境承載能力相較另外7個街道辦更好, 可用于建設開發的空間也相對較大。

4 結論與討論

本文以中國快速城市化的典型代表——昆明市呈貢區為例, 首先選取社會經濟、資源承載、環境承載3方面15個因子, 運用層次分析法確定指標權重；其次在GIS技術的支持下, 構建基于狀態空間法資源環境承載力綜合評價模型, 分別計算研究區的資源環境綜合承載力的理想綜合評分值和實際綜合評分值；然后在ArcGIS10.3軟件平臺中對研究區資源環境綜合承載力進行了等級劃分、空間分配、綜合評價與建設適宜性分析。

評價結果顯示, 研究區資源環境綜合承載力實際平均值為0.615, 小于理想值0.73, 總體處于可載狀態。但由于研究區10個街道辦開發建設歷史不同, 城市化程度存在差異, 因此, 當前的資源環境綜合承載力也各不相同。其中, 斗南資源環境承載力綜合實際評分值為0.77, 為一級承載, 已屬于超載狀態；洛龍和大漁的資源環境承載力實際綜合評分值分別為0.72和0.70, 已接近理想值, 為二級承載, 處于滿載邊緣；雨花為三級承載, 龍城、烏龍、洛羊屬于四級承載, 七甸為五級承載, 吳家營、馬金鋪為六級承載, 其資源環境承載力綜合評分值在0.36—0.68之間, 與理想值相比, 均處于可載狀態；從服務于城市未來空間拓展的適宜性角度, 分析發現: 基于目前研究區資源環境綜合承載力, 建設適宜性分布上可明顯劃分為較適建區、一般適建區和不適建區3種分布態勢；而在擦除現狀建設用地、耕地、保護性生態公益林以及重要飲用水源地之后, 在資源環境綜合承載力約束下, 研究區未來建設適宜性開發空間主要分布于七甸、吳家營和馬金鋪3個街道辦, 其余7個街道辦建設適宜性則相對較小。

此外, 就研究思路而言, 先進行研究區資源環境承載力綜合評價, 再將評價結果與影響建設開發的核心因素進行空間疊加分析, 并基于反規劃理論的思想優先排除現狀建設用地、耕地(尤其是基本農田)、保護性生態公益林以及重要飲用水源地等不適宜開發的剛性空間約束, 使得建設適宜性分析結果更加逼近現實狀況, 同時也將承載力評價結果真正用于建設開發的適宜性分析中, 這對于相似區域城鎮開發邊界的劃定具有實際應用價值, 思路上具有一定的借鑒意義。

研究方法上, 本文將特爾菲法與層次分析法相結合, 并聘請當地熟悉情況的專家參與評價因子的篩選和重要性順序的確定, 再借助層次分析法數量關系分析能力, 將定性研究與定量研究相結合, 最大程度地確保評價因子與權重確定的合理性, 進而也保證了評價結果的可靠性；而將狀態空間法與GIS空間分析技術相結合, 自然地將評價結果的數量關系與其作用的地理空間結合在了一起, 并借助GIS自身空間可視化能力進行空間展現。因此, 方法上比較科學、有效。但由于本文承載力評價因子數據基于街道辦為單位統計, 其評價結果也只能以街道辦為空間單元進行展現, 下一步可考慮細化評價因子的數據統計單元, 從更加微觀的尺度上開展承載力研究, 以更加精確地指導建設用地的開發布局。

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Analysis of resources and environment carrying capacity and construction suitability in rapid urbanization region—taking the Chenggong, Kunming as example

YUAN Lei1,2, WEN Shanshan1, YANG Kun1,2*

1. School of Information Science and Technology, Yunnan Normal University, Kunming 650500, China 2. Engineering Research Center of Ministry of Education on Geography Information Technology of Western Resource Environment, Kunming 650500, China

In order to clarify the suitability of carrying capacity and construction in rapid urbanization region, this paper takes Chenggong District of Kunming City as an example, from the angle of future city space expansion, selecting social economy, resource, environment 3 aspects, 15 indexes by using Delphi method and AHP to determine the weight of indexes. Furthermore, this paper constructed a comprehensive evaluation model of resources and environment carrying capacity based on State Space Method and GIS, and carried out quantitative calculation, classification, spatial distribution and comprehensive evaluation of the resources and environment carrying state in the study area. The results showed that the overall bearing capacity of resources and environment in the study area was under a loadable state. However, from the scale of the township, the resources and environmental carrying capacity of 10 towns in the study area showed significant spatial difference. Among them, Dounan was in overload state, and the bearing capacity of the composite score of Luolong and Dayu were 0.72 and 0.70, close to the ideal value of 0.73. The other 7 towns were in loading state. Based on the current situation of carrying capacity, considering the perspective of the suitability of the future urbanization space expansion, the suitable space for development in the study area is mainly distributed in the 3 towns of Qidian, Wujiaying and Majinpu, while the suitability of the other 7 towns are relatively limited in the space for development in the future.

Resources and Environment Carrying Capacity; Rapid Urbanization; Chenggong; State Space Method; GIS

10.14108/j.cnki.1008-8873.2019.01.028

X820.2

A

1008-8873(2019)01-218-08

2018-01-16;

2018-03-20

云南師范大學博士科研項目(01000205020503063); 國家自然科學基金(41761081)

袁磊(1977—), 男, 河南潢川人, 博士, 講師, 主要從事GIS理論與應用、自然資源配置與規劃研究, E-mail: v_ict@163.com

楊昆, 男, 碩士, 教授, 主要從事GIS時空過程模擬研究, E-mail: kmdcynu@163.com

袁磊, 聞珊珊, 楊昆. 快速城市化區域資源環境承載力與建設適宜性分析—以昆明市呈貢區為例[J]. 生態科學, 2019, 38(1): 218-225.

YUAN Lei, WEN Shanshan, YANG Kun. Analysis of resources and environment carrying capacity and construction suitability in rapid urbanization region—taking the Chenggong, Kunming as example[J]. Ecological Science, 2019, 38(1): 218-225.