適應城市發展需求與風險的土地適宜性評價*
——以太原市“城六區”為例

王云才 黃俊達 WANG Yuncai, HUANG Junda

1 國土空間開發適宜性評價

1.1 國土空間開發適宜性的評價思路分析

改革開放后，快速城鎮化極大地促進了城市人口增加與產業集聚。但同時，伴隨城市熱島、內澇、用地沖突等城市問題，國土資源開發與保護的矛盾也逐漸擴大[1]。由此，中共中央、國務院發布《關于建立國土空間規劃體系并監督實施的若干意見》，指出“在資源環境承載能力和國土空間開發適宜性評價的基礎上劃定生態保護紅線、永久基本農田、城鎮開發邊界等空間管控邊界以及各類海域保護線，為可持續發展預留空間[2]”。資源環境承載能力和國土空間開發適宜性評價（以下簡稱“雙評價”）作為國土空間規劃的基礎，其是否全面和客觀將直接影響后續規劃有效與否。其中，國土空間開發適宜性評價是在分析各類限制要素的基礎上，以土地合理利用為目標，根據特定目的對土地進行鑒定，并闡述土地的適宜程度[3]。究其本質是明確現狀空間的承載能力及生態環境容量標準等限制性條件，并通過評價綜合區位條件、生態風險等指標，劃定適宜建設的界限，推演土地利用的合理結構與最優空間模式，以及識別未開發的適宜與不適宜空間[4]。

1.2 國土空間開發適宜性評價需要應對未來 發展需求

“雙評價”通過反映現狀環境的優勢與短板，綜合評判區域未來發展的潛力，引導空間布局的優化，增強空間規劃的合理性和協調性[5]。即要求適宜性評價在識別具有地域特征的本底條件基礎上，結合影響未來發展的多重因子進行綜合分析，實現區域的可持續發展。然而，受自然生態系統和社會經濟系統影響，土地開發模式存在著多重系統的復雜性和不確定性，導致現狀區域資源本底與未來發展的需求之間往往難以取得較好的契合[6]。同時，現階段適宜性評價尚未考慮自然環境的一部分動態因子，如水資源利用的人為變更、氣候條件的演變、水環境和大氣環境質量等對建設用地適宜性的影響，并忽視了未來發展過程中不同區域現狀問題和發展目標的差異性、共通性。因此，需要從城市未來發展的需求側出發，結合未來土地的空間需求、未來氣候變化等進行分析，整合形成土地開發的綜合評價，與未來規劃的用地相融合，滿足區域的可持續發展。

2 面向未來需求的土地多目標適宜性評 價框架

2.1 未來需求與土地多目標適宜性評價解 決的關鍵問題

城市發展必然伴隨對土地增量增效的需求。因此，未來需求所應對的是城市發展過程中必然或可能出現的土地、氣候、水文需求等問題。而土地多目標適宜性評價的關鍵問題是基于上述對未來需求的預判，在既定區域同時實現對多個目標的最優解，以生態、社會效益為導向，分析土地開發模式的適宜程度高低，構建一套土地開發模式與多源主導因素相關的評價體系。其中，多源主導因素的篩選與權重賦值便是對未來需求的測度，其與決策者的主觀偏好、可預期的評價目標直接相關。

與此同時，無論是評價人類與自然關系中所反映的尺度與界線問題，還是城市在未來如何實現可持續發展問題，一旦落實到國土空間的具體管控和實施中，便會聚焦于協調土地開發和保護的關系[7]。而城市的土地開發和保護涉及多領域、多維度的相互干預，如地勢平坦、水土光熱等條件優越的區域，與開發條件和適宜人類活動的區域往往存在適宜開發與保護之間的矛盾。因此，一方面在梳理城市現狀的基礎上，如河流、森林、現狀開發強度等，對土地資源及其環境和開發條件進行綜合定量評價，得到數量化的指標體系，最終實現限制空間與可開發空間之間的相互匹配[8]。另一方面，總結提煉城市內外部的生態問題，篩選重要風險因素，明確不同風險因素對土地開發產生的差異化影響。例如，城市熱島效應和內澇作為最具代表性的風險因素，集中體現在土地開發和水熱環境的變更上，并通過區域范圍的聯動效應影響城市居民的生產生活。尤其在面對資源城市的轉型發展時，能夠為未來的可持續發展提供決策依據，合理調節土地保護與利用的矛盾，對土地的合理分配與存量優化進行有效引導。因此，通過構建一套基于未來需求與實現多目標發展的土地適宜性評價體系，來滿足城市發展的土地需求，削弱城市內澇、緩解熱島效應等產生的持續性影響，實現土地結構的優化與調整。

2.2 適應發展需求和風險的土地多目標適 宜性評價框架

綜上所述，相比于傳統的單一目標土地適宜性評價，滿足未來需求、削弱發展風險的土地多目標適宜性評價能夠綜合評判同一尺度下土地的開發適宜情況，將多類影響開發潛力的因子納入指標體系，明確生產、生活、生態協同發展的要求。其中，需著重注意以下問題：（1）對分析評價的綜合與簡化。對于城市這么一個復雜的系統而言，應使評價過程復雜化和綜合化，對評價結果進行簡化，如分析土地面向多需求的適宜程度，明確最優開發的空間落位。（2）梳理現狀，并面向未來預警。自然環境作為極其敏感的系統，人為的土地開發將直接影響生態功能的退化和生境消亡。因此，需要綜合評判自然現狀和發展趨勢，實現對人地關系的動態監測、對未來發展的動態預警[9]。

依據“目標導向”的思維路徑，從城市的環境本底和未來需求出發，構建面向未來需求的土地多適宜性評價框架（見圖1）。首先，基于現狀城市生態環境分析，通過遙感數據與實地調研，明確現存生態環境的優劣情況，識別重點生態保護區域和可發展空間。其次，對接城市土地的上位規劃，分析各類用地對生態的擾動程度。而后，分析未來城市氣候影響，選取易量化的指標：通過溫區分級，對陸地表面溫度（Land surface temperature，LST）進行冷、熱島的界定；通過實地調研內澇現狀，確定受影響范圍。最后，通過歸一處理，疊加上述數據，得到面向未來需求的土地多目標適宜性評價，進而分析現存土地開發利用的優劣勢區域分布，指導城市未來發展。

3 城市發展需求與風險對土地影響評價

3.1 研究區域概況與數據處理

太原市（111°30′—113°09′E、37°27′—38°25′N）地處山西省境中央，年平均降雨量456 mm，屬于暖溫帶大陸性季風氣候[10]。研究區域為太原市杏花嶺區、迎澤區、小店區、尖草坪區、萬柏林區和晉源區組成的“城六區”。區域內以山地和平原為主，地勢北高南低，汾河自北向南橫貫城市全境。

自2006年至2016年間，“城六區”建設用地增加163 km2，相比2006年增長82.74%。早期粗放的城市發展模式與管理的缺失，對城市整體的生態環境造成不同程度的破壞。首先，城市內部河湖水量整體偏少，部分河流基流不保，水源涵養能力欠佳；伴隨不合理的土地開發、設施配置，在主要交通節點普遍存在內澇現象，且分布廣泛。其次，城市綠地面積大，但空間布局不合理，破碎度較高。同時，作為重要的能源、重工業基地，太原市已形成散點狀的重工業集聚區，不僅導致局部區域氣溫的明顯提高，還加劇了生境破碎化。城市外圍由于城市發展初期礦石資源的大肆開采，導致環城山體遭受嚴重破壞，尤其淺山區域存在生境破碎、用地混亂等現象，裸露地、滑坡、地表沉陷等災害頻發。而現階段人工復綠栽植的植被樹齡偏幼、總體綠量偏少，仍無法較好地實現水土保持、涵養地下水等功能，易與城市內部的生態問題形成連鎖反應。

空間數據主要來源于太原市規劃局提供的1: 2 000地形圖、太原市土地利用現狀圖、《太原統計年鑒》和《太原市都市區總體規劃2015—2035年》。遙感影像數據來源于地理空間數據云（www.gscloud.cn），采用Landsat 數據，時間為2018年8月15日，空間分辨率為30 m×30 m，研究區域內無云層遮擋，數據質量較好。在資料收集的基礎上，對數據進行輻射定標、大氣校正、幾何校正、圖像拼接和裁剪等預處理。

圖1 土地多目標適宜性評價的方法框架

圖2 太原市“城六區”綜合生態指數分級圖

圖3 太原市“城六區”用地擾動圖

3.2 城市國土生態綜合指數評價

城市環境是以人口、建筑物和構筑物為主體的環境，在反映其生態質量的眾多因子中，綠度、濕度、熱度、干度作為人類直觀感受生態條件優劣的重要指標，常用于生態環境的評價分析[11]。由此，利用衛星遙感同步觀測數據的時效性、綜合性和可比性特點，提取與生產、生活較為密切的數據，即選取植被指數、地表溫度、纓帽變換的濕度分量以及用建筑和裸土指數，對生態系統進行客觀評價[12]。對單一指標進行量綱統一，運用多元統計方法中的主成分分析法（PCA）計算4個指標對各主分量的貢獻度，以此確定各指標權重，避免人為賦值對結果產生主觀影響，最終得到太原市“城六區”綜合生態指數RSEI，以此建立土地利用類型與基于景觀格局的生態風險之間的聯系。綜合生態指數的計算公式如下：

式中，VI為植被指數，Wet為濕度分量，LST為地表溫度，NDBSI為建筑和裸土指數。

利用ArcGIS進行自然斷點處理，得到生態環境優劣的空間分布圖，其中默認水域作為生態優區域，并依次劃分為“生態指數高、生態指數較高、生態指數中、生態指數較低、生態指數低”5個等級（見圖2）。生態指數的高低對應于生態的優劣，其中生態指數高和較高的面積為531.4 km2，占總土地面積的37.1%，主要以東、西、北三山圍合形成生態較好的扇形區域；生態指數中的區域分布于東西山的淺山區域，面積為209.5 km2，占總土地面積的14.6%；生態指數較低和低區為圍繞汾河河谷的城區，面積約為655.4 km2，占總土地面積的48.3%。老城區基本為生態差區域，南部新城相比老城較好；東、西山淺山區和后山局部存在一定面積的生態較差區域，主要涉及采石采礦用地；北山淺山區則以破碎的農耕用地為主，呈現生態較差的狀態。

表1 生態干擾度因子分類評價標準表

圖4 太原市“城六區”地溫分布圖

圖5 太原市“城六區”內澇積水分布圖

3.3 城市用地的開發需求評價

干擾度作為體現人類活動對生態環境干預的強度，能夠直觀地反映不同用地對生態環境的破壞度，即明確為實現總體規劃的用地布局與規模，區域土地資源的適宜性[13]。依托《太原市都市區規劃》以解決現狀問題、預測未來城市需求為導向，聚焦城市內部的場所營造與空間構建，結合現狀周邊山地的采空塌陷區域，反映土地利用在未來可能存在的擾動影響。因此，基于前人對生態干擾度的相關研究[14]，以及專家判別、野外調查等對干擾度指數進行制定和調整，相關分類的權重及賦值見表1。利用ArcGIS進行空間運算，采用自然斷點法將結果分為干擾度、較高干擾度、中干擾度、較低干擾度、低干擾度5個等級（見圖3）。

分析結果表明，未來土地利用存在以下特點：（1）干擾度呈現東西山地高、城區低的分布特點，高和較高干擾區域集中于采空塌陷區、尾礦點和道路沿線，城市與城郊交界面存在若干個點狀高干擾區域，其面積約287.8 km2，占總土地面積的19.7%；（2）城市外圍以低干擾度為主，面積約504.8 km2，占總土地面積的34.6%，內部則分布中干擾度、較高干擾度區域，其中河流、主要道路和工業用地干擾度較高。

3.4 城市氣候變化的風險評價

3.4.1 城市熱島的風險影響

伴隨城市人口、產業的集聚，城市化進程的不斷加快，形成城市核心區域的溫度一直高于周圍環境的現象，即城市熱島效應[15]。城市熱島所引起的能源消耗增加、不同程度的干旱、洪澇災害，以及高溫相關的死亡率提高等[16]，對城市可持續發展有著極大的危害。土地利用變化作為城市熱島的內在驅動力[17]，其不同屬性的用地所呈現的地表溫度存在差異，如工業用地、物流倉儲用地等相較于周邊區域往往呈現高溫的態勢。

采用單通道算法（Single channel method, SCM），減少對實時大氣參數的需求量，計算公式如下[18]：

式中ε為地表比輻射率，在本次試驗 中bγ為 熱 紅 外 波 段10的 參 數，值 為TIRS10=1 324 K，L為光譜輻射值，T為由熱紅外波段轉換出的亮溫值。

通過Landsat8衛星的熱紅外波段Band10 （10.6—11.2μm）數據對太原市“城六區”范圍內的LST進行反演（見圖4），并利用自然斷點法分為5個溫區：熱島區、較高溫區、中溫區、較低溫區和冷島區。將熱島區、冷島區的范圍和面積進行單獨提取，其中熱島區劃定為城市發展的不適宜區域，面積為46.22 km2，占總土地面積的3.3%；冷島區劃定為城市發展中需保護的區域，面積為280.12 km2，占總土地面積的19.8%。與現狀城市用地對比，前者呈現4個主要高溫區：城北的太鋼產業園區，城西太原科技大學、友喜小區等教育住宅聚集區，武宿機場周邊產業園區，以及城南散布的工業園、高校等。而后者則分布于東、西山的高海拔地區，城區內的河流湖泊等水體，以及公園、綠道等綠地。

從城市熱島效應的分析來看，太原“城六區”熱島效應明顯，熱島分布不僅面積廣而且影響深遠。不僅集中在城市中心區域而且向鄉村和周邊山區擴散。與之相對是周邊山地因林地植被覆蓋度低植被綠量小，使得山區的冷島效應受到制約而大幅度下降。與此同時，冷島不僅面積小，而且空間碎化度高，冷島中心缺乏，與熱島形成巨大的反差。

更為重要的是由于熱島效應和冷島效應之間作用強度的減弱，建立在城區與山地之間的空氣循環過程受到嚴重制約，導致東西向靜風現象、城市逆溫層現象、霧霾聚集現象和午后多雷暴等環境效應。

3.4.2 城市內澇的風險影響

近幾年，太原市受大規模建設影響，如棚改房、大量棚戶區拆除重建，新建、改建道路等。同時受邊山支流硬化影響，水循環系統和地表徑流過程惡化，導致城區雨水調蓄能力下降，在每年5月—10月雨季存在不同程度的內澇災害。因此，須將城市內澇范圍納入城市發展風險。依據《太原市海綿城市專項規劃（2016—2020 年）》，結合現場調研，將現存的75個內澇點設置600 m半徑的圓形緩沖區（見圖5）。

分析結果表明，城區內受內澇影響的區域共計59.3 km2，集中分布于汾河兩側老城區的河渠附近。尤其在興華街匯豐市場附近（大黑水河與排洪渠交匯末端）、老城區中心地帶（迎澤公園、龍潭公園周邊）、城南高架立交附近，內澇受災較為嚴重。這與城北大、小黑水河末端排洪能力弱，城南退水渠匯水面積大、管網標準低，以及部分地勢低洼地區進行施工作業等情況相吻合。

4 適應發展需求的城市土地適宜性評價

聚焦于城市未來的多種綜合需求，通過ArcGIS軟件的空間重分類分析功能，對研究區域的生態綜合指數圖、生態干擾度分布圖、LST分布圖、內澇緩沖區域圖進行數據歸一化處理。在對各數據分項權重的確定過程中，采取專家咨詢、專家評價，以及參考國內外文獻分析[19-21]等方法，最終確定：生態綜合指數為0.4，城市用地的開發需求為0.2，城市熱島的風險需求為0.2，城市內澇的風險需求為0.2。利用ArcGIS軟件自然間斷點分級法，共分為5個等級：“高、較高、中、較低、低”（見圖6）。對各適宜性等級用地占比和總面積進行定性、定量分析（見表2）。

圖6 太原市“城六區”土地適宜性評價圖

表2 土地多目標適宜性評價結果統計

4.1 土地適宜性分布呈現“東西分散、南北部集中”的特征

通過圖6，發現土地適宜性分布與現狀土地利用、地理環境等具有較密切的空間關系。利用ArcGIS對5個適宜性等級進行面積計算（見表2），高適宜區面積為269.76 km2，占研究區域土地總面積的18.8%，主要集中于南部的新城區、北部汾河上游的河谷平原；較高適宜區面積為231.39 km2，占土地總面積的16.3%，分布于東、西、北三山的淺山地帶、邊山支溝的河谷與山間緩坡區；中適宜區面積為327.02 km2，占土地總面積的22.8%，主要分布于現狀老城區和已開發的淺山區，部分散布于山間村莊、采礦采石地等中；低及較低適宜區面積為603.17 km2，占土地總面積的42.2%，主要分布于三山的高海拔的深山地區、部分淺山區復綠區和交通主干道交叉區域。

4.2 土地規劃布局的優化調整

太原市“城六區”的土地多目標適宜性是從空間上對自然環境、景觀格局和社會發展3個維度多重影響因子綜合分析的結果。對比近期城市發展規劃，評價整體符合研究區域的實際情況。未來，太原市城市發展應以南部平原地區為核心，依托已規劃的瀟河新城、清徐縣北側，通過太中銀鐵路串聯新老城區，形成工業、制造業與居住、服務業的聯動。城市北部及東西山也有部分適宜性較高的空間，但由于早期采礦采石造成的地災問題，存在安全隱患，且大范圍開發易阻斷生態源地間的連接，不利于生態流流動。建議在確保區域生態安全的前提下，結合城郊森林公園進行低干擾的開發建設。同時，伴隨太原市積極開展造林復綠工程，對裸露地、滑坡、采礦采石地進行人工造林，但復綠區多處于淺山區，具有較高的生態敏感度，不適于任何形式的開發，宜進行山地景觀的改造和提升。還有一部分位于海拔較高、交通不便后山的適宜區，宜發展各類用材林和水源涵養林。

4.3 適宜性評價方法的優化

對于面向城市未來發展的土地適宜性評價，應側重于綜合評價因子的選擇與處理、基于城市發展需求構建動態分析模型、高適宜區域劃定和驗證等方面的研究。首先，應充分考慮影響因子的變化性，如本文在氣候需求中選擇城市地表溫度和內澇積水指標，其本身對土地的開發利用影響較小，但長期不進行約束、增值超過一定范圍后，將對自身及周邊區域的居民生產、生活產生嚴重威脅。其次，雖然本文從氣候變化、城市規劃等角度進行綜合考量，但除此之外是否存在其余影響城市發展的關鍵因子還有待進一步研究。同時，受到時間和資料限制，仍存在一定不足，部分對城市發展有重要影響的變量還未納入定量分析，如人類活動因子、土壤侵蝕、地質環境變化等。

5 結語

城市作為“山水林田湖草人”構成的生態共同體，由不同尺度、規模的生態空間組成。而不斷擴張的城市規模對高度密集的物質流、能量流、信息流提出了巨大需求，普遍呈現出一個重要現象：快速增長的城市土地需求和逐漸下降的生態供給能力[22]。因此，平衡城市的生態供給與發展需求是落實生態文明建設和可持續發展的基石。從解決問題與實現目標雙重途徑著手，需要重點關注以下問題：城市內部和外圍空間的生態協調、不同城市差異化發展的需求、規劃目標與現狀條件之間的平衡等[23]。

本文研究城市尺度的空間格局規劃，基于生態環境現狀特征與城市未來的風險預測，注重城市發展建設與生態保護相互協調的太原市“城六區”發展。研究基于目標導向和問題導向，構建生態本底與人為擾動的土地多目標適宜性評價體系，形成城市未來發展的需求框架。評價以ENVI/RS/ArcGIS軟件為基礎，對重要生態空間和發展空間進行識別，最終從可持續發展的角度提出對現狀空間的調整，以期能有效反映城市空間中面對差異化發展的不同需求，指導土地資源的合理分配，達到生態系統與人類發展相互契合的目標。在未來的研究中，可以嘗試不斷獲取精確的基礎數據、豐富評價因子的選擇、引入更為高效的綜合模型等，分析難以量化的因子和數據背后的驅動關系，從而完善和改進評價成果。