重慶主城區建設用地爬坡特征及其圈層性

彭秋志，鄧啟輝，馬少華，馬經緯

（昆明理工大學國土資源工程學院，云南·昆明 650093）

中國山地丘陵區域分布著大量在復雜地形上建立的城市，其中許多城市在進入21世紀后迎來高速擴張，引發了如何妥善利用坡地資源緩解建設用地供需矛盾的熱烈探討和實踐摸索[1-4]。隨著工程技術手段進步，以及城市空間增長理念逐漸由外延擴張為主向內涵提升為主轉變，原有關于建設用地與坡度關系的一些認識日益背離新的城市建設實踐。以原建設部頒布的國家行業標準《城市用地豎向規劃規范（CJJ 83-99）》（以下簡稱《CJJ 83-99》）及后續住房和城鄉建設部修訂頒布的《城鄉建設用地豎向規劃規范（CJJ 83-2016）》（以下簡稱《CJJ 83-2016》）為例，它們一直存在的兩個問題正日益值得商榷。其一，《CJJ 83-99》將城市建設用地坡度上限規定為25%（≈14.0°），該規定在17年后的《CJJ 83-2016》中依然未變。然而數以百計的山地丘陵城鎮在此期間經歷了面向6°~25°坡地資源的低丘緩坡開發利用試點[5-6]，這或許已經帶來了不少“違規”現象。其二，兩版規范所遵循的理念均是越往中心城區方向越推薦趨平布局，而越往郊區、鄉村方向則越放開用地坡度限制，以此引導建設用地布局形成“內緩外陡”圈層格局。然而該理念違背了坡地建設與運營的成本控制律，理論上難以真正貫徹，尤其難以適用于本身建立在復雜地形上且具有一定規模的山地丘陵城市。由此引出兩個疑問：（1）在山地丘陵城市擴張過程中，是否存在建設用地持續爬坡且上限坡度“違規”現象日益增多的情形？（2）山地丘陵城市的建設用地水平布局會更趨向“內緩外陡”還是“內陡外緩”？這兩個問題的答案將直接決定有無必要進一步修訂完善《城鄉建設用地豎向規劃規范》中的相關表述。

為解答上述疑問，本研究選擇典型山地丘陵城市重慶市的主城區為案例區域，以數字高程模型（DEM）和3期（2000年、2010年和2020年）建設用地解譯產品為數據源，運用坡譜分析法，多角度解析建設用地坡度梯度分布演變特征；提出分坡度區段標準差橢圓疊置法，探究建設用地爬坡現象的水平圈層分異特征。該研究旨在增進對城市坡地建設布局規律的認識，為完善相關技術規范及規劃管控政策提供科學支持。

1 研究區概況

重慶主城九區位于重慶西南部，是重慶最早的9個縣級行政區，包括渝中區、大渡口區、江北區、南岸區、沙坪壩區、九龍坡區、北碚區、渝北區和巴南區（圖1），總面積5472 km2，在重慶5大功能區中屬于“都市功能核心區”和“都市功能拓展區”。主城九區位于四川盆地東部的平行嶺谷區內，被多條南北走向山嶺所分割，山嶺間的槽狀谷地內以淺丘地形為主，城市建設用地主要布局于這些淺丘區域。主城九區作為國家中心城市的核心載體，是全市政治、經濟、文化、交通和金融中心，在20世紀70年代就開始了快速建設，2000年建設用地面積達到125 km2，及至2020年已逾626 km2；作為“成渝地區雙城經濟圈”建設的重要極核，未來該區域的建設用地將進一步大幅擴展。

圖1 研究區位置、行政區劃與地形Fig.1 Location, administrative division and topography of the study area

2 數據與方法

2.1 數據來源與處理

研究區行政界線來自重慶市標準地圖服務網（http://www.cqmap.com/bzdt/）。DEM數據來源于美國地質調查局（USGS）發布的SRTM1 v3.0數據（https://earthexplorer.usgs.gov/），分辨率約為30m，通過ArcGIS進行投影轉換后，用Slope工具運算得到主城九區坡度值。主城區2000年和2010年建設用地數據來源于FROM-GLC（全球土地覆蓋物精細分辨率觀測和監測）數據集（http://data.ess.tsinghua.edu.cn/），分辨率為30m；2020年建設用地數據在2017年FROM-GLC基礎上參考2020年的高清遙感影像繪制而成，同時通過參考Google Earth歷史影像分別對2000年和2010年建設用地數據進行了修正（圖2）。鑒于水域通常不宜納為建設用途，而研究區內有長江、嘉陵江等大型水面貫穿，易造成大量“平地”未被利用的錯誤印象，為削弱其對有關坡度分析的影響，在進行統計分析前均已剔除水域。

圖2 研究區不同時期建設用地分布Fig.2 Built-up areas of the study area in different periods

2.2 坡譜分析方法

“坡譜”是湯國安等在研究黃土高原地形特征時提出的中文概念[7]，基本等同于國外地貌學研究中常用的frequency distribution of slope即“坡度頻率分布”概念[8]。彭秋志等對“坡譜”概念進行了廣義化延伸[9]，將“坡譜”視為“在坡度梯度上的分布”的簡稱，即一切以坡度為橫坐標（自變量）所構成的二維統計圖表皆可稱為“坡譜”。文中將使用兩類坡譜（建設用地頻率坡譜和建設用地密度坡譜）解析建設用地在坡度梯度上的分布與變化特征，借以回答文首提出的第一個疑問。其中，考慮到地面坡度超過45°的概率通常不到1%[10]，將參與統計的坡度區間設為[0°, 45°)；坡度分級間隔除特別說明外均為1°，第1坡度區段為 [0°, 1°)，類推至第 45 坡度區段為 [44°, 45°)。

（1）建設用地頻率坡譜

建設用地頻率坡譜是由各坡度區段建設用地面積頻率構成的坡譜，用于反映建設用地自身在各坡度區段上分布的相對多寡，滿足如下公式：

式中：FULAi為第i個坡度區段的建設用地面積頻率，ULAi為第i個坡度區段的建設用地面積，ULA為所有坡度區段建設用地面積之和，n為坡度區段總數。另采用平均坡度（μ）、偏態系數（SK）、峰態系數（K）、均勻度（E）、大于14°坡地率（GT14）等指數（表1）[9,11]，對建設用地頻率坡譜進行多角度解讀。

表1 頻率坡譜的主要分析參數Table 1 Statistic metric for slope frequency distribution

（2）建設用地密度坡譜

建設用地密度坡譜是由各坡度區段建設用地面積占該坡度區段土地總面積的比例構成的坡譜，用于反映在各坡度區段上建設用地與非建設用地間的對比關系。第i個坡度區段的建設用地密度計算公式如下：

式中：DULAi為第i個坡度區段的建設用地密度，ULAi為第i個坡度區段的建設用地面積，LAi為第i個坡度區段的土地面積。

2.3 圈層分析方法

為回答研究區建設用地水平布局會更趨向“內緩外陡”還是“內陡外緩”的疑問，提出一種分坡度區段生成標準差橢圓進行疊置分析的方法，用于確定圈層梯度是否存在以及梯度變化方向。標準差橢圓能同時反映地物分布的中心位置、集中趨勢和延伸方向，是描述空間分布特征的常用方法[12]，且已被集成在多種空間分析軟件平臺中。基于ArcGIS軟件平臺，將所需建設用地柵格文件轉換成矢量點文件作為輸入，然后運行Directional Distribution工具即可獲得所需標準差橢圓。以此為基礎開展分坡度區段標準差橢圓疊置分析法的流程設計：針對每一期建設用地，在[0°,45°)范圍內，從緩至陡以一定間隔劃分坡度區段，將每一坡度區段內的建設用地分別繪制成標準差橢圓，通過依次比較各相鄰坡度區段標準差橢圓間的面積大小及疊置包含關系，辨別建設用地水平分布是否隨坡度區段變化而構成向外遞增或向內遞增的圈層梯度。

關于疊置包含關系辨別，除進行定性的空間疊置判讀外，還構建面積融入率指標進行定量表達。設有兩個標準差橢圓面域a和b，a對b的面積融入率是指a與b重疊部分的面積與a自身面積之比，公式為：

式中：Ba→b表示a對b的面積融入率；Sa∩b表示a與b的重疊區面積；Sa表示a的面積。融入程度判定標準設為：Ba→b大于0%但不大于50%為部分融入，超過50%為過半融入，超過75%為較多融入，超過95%為高度融入，達到100%為完全融入。

3 結果與分析

3.1 建設用地爬坡特征

（1）建設用地頻率的坡度分布與變化

無論從3個年份的現狀部分看（圖3a），還是從2個相鄰變化時段的新增部分看（圖3b），2000~2020年間研究區建設用地頻率坡譜曲線一直保持著右偏尖峰形態（表2），表明研究區建設用地一直屬于趨平布局，符合城市建設用地豎向布局的一般規律。在“既利于排水又盡量平坦”的基本擇地原則下，城市建設用地頻率坡譜的頻率峰值坡度區段通常位于1°或2°附近[6,9,11]。而研究區的建設用地頻率峰值坡度區段一直穩定在[3°, 4°)，說明該區域的背景地形整體更為崎嶇，更易出現建設用地爬坡現象。除形態類型和峰值坡度區段的穩定，還能結合圖3和表2解讀出一些相對穩定的關鍵坡度（區段），如頻率穩定下降區段是 [0°, 6°)，頻率穩定上升區段為 [7°, 17°)，降升轉折點一直位于7°附近。該現象與重慶市近年來重點面向6°~25°坡地的低丘緩坡土地開發利用試點形成了較好的對應關系[2]。

圖3 不同時期研究區建設用地頻率的坡度分布Fig.3 Slope frequency distribution for construction land in different periods

隨時間推移，建設用地頻率坡譜形態逐漸朝正態分布方向演化（表2）。一方面表現為偏態系數從右偏（SK>0）朝著對稱（SK=0）的方向逐漸減小，以及平均坡度μ的逐漸增大；另一方面表現為峰態系數從尖峰態（K>0）朝著標準正態（K=0）的方向逐漸減小，以及均勻度E的逐漸增大。研究區建設用地中大于14°坡地占比（GT14）在2000年時已達到8.23%，而另一個面臨建設用地爬坡困境的典型城市深圳市在同一年份的GT14僅約1%[9]，可知研究區早已出現大量違背《CJJ 83-99》中14°上限規定的爬坡現象。不僅如此，研究區的GT14在2000~2010年的10年間上升了0.31%，而在之后2010~2020年的10年間又進一步上升了0.99%，達至2020年的9.53%，加速上升趨勢明顯。綜上，研究區經歷了一個坡度重心逐漸上升的建設用地爬坡過程，建設用地上限坡度“違規”現象已較為常見，且無論從絕對數量看還是從相對比例看均在日益增多。

表2 建設用地頻率坡譜基本統計信息Table 2 Summary of basic statistics for the slope frequency distribution of construction land

（2）建設用地密度的坡度分布與變化

利用建設用地密度坡譜能進一步探究坡度梯度上建設用地與非建設用地之間的對比關系。無論基于3個年份的現狀部分（圖4a），還是基于2個相鄰變化時段的新增部分（圖4b），2000~2020年間研究區建設用地密度一直穩定保持著隨坡度增大而下降的基本特征。也即坡度越緩，建設用地在土地利用中的占比越大。

隨時間推移，在各個坡度區段內都出現了建設用地密度持續增大現象，且增加幅度均隨坡度趨陡而減小，表明每個時期的建設用地密度增長在各個坡度區段間存在同向協同關系，同時也說明坡地建設總是滯后于平地建設。2000~2010年間與2010~2020年間的差異主要體現在0°~7°的平緩坡度區段（圖4b），即前一時期在平緩土地上的建設用地擴張規模明顯大于后一時期。這些共同體現出研究區城市擴張在坡度梯度方向上非常迅速，同時也提示開發難度低的平緩土地資源在迅速減少。

圖4 不同時期研究區建設用地密度的坡度分布Fig.4 Density distribution of construction land on slope gradient in different periods

3.2 建設用地與坡度關系的水平圈層時空格局

結合研究區建設用地主要分布在20°以內（圖3）的實際，以 5°、10°、15°和 20°為斷點將 [0°, 45°)區間劃分成5個坡度區段，并依次編號I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、V。基于相對大小和相對位置關系（圖5）可直觀看出，無論哪一時期，建設用地標準差橢圓均隨坡度增大而逐漸向內收縮；定量化的面積融入率分析（表3）也顯示，在各相鄰坡度區段間，較小標準差橢圓對較大標準差橢圓的融入率均達到了較多融入（超過75%）級別，特別是在5°~45°的各坡度區段之間均達到了高度融入（超過95%）甚至完全融入（達到100%）級別。由此可知，研究區建設用地的水平分布確實存在隨坡度增大而向內聚集的圈層梯度，即坡地建設的空間布局比平地建設的空間布局更為緊湊內聚。

圖5 各時期各坡度區段建設用地標準差橢圓Fig.5 Standard deviational ellipses of construction land in each slope segment in different periods

表3 各時期各相鄰坡度區段間建設用地標準差橢圓面積融入率Table 3 Overlap rate of standard deviational ellipses of construction land between adjacent slope segments in different periods

4 結論與討論

4.1 討論

對中國的山地丘陵城市而言，《CJJ 83-99》及《CJJ 83-2016》是重要的規范性指導文件。然而，重慶市主城區建設用地中大于14°坡地率GT14不僅早已高達8%以上，而且不斷在升高，這直接表明該系列規范的約束力不僅不夠強，而且在持續減弱。仍然維持城市建設用地坡度上限為14°的相關規定正日益值得商榷。根據建設用地頻率坡譜（圖3），若以違規比例不超過5%為標準，重慶市主城區的建設用地坡度上限應至少上調到18°附近，若以1%為標準則應至少上調到23°附近。放眼全國，重慶雖然在山地城市研究領域獲得了較多關注，但它并非唯一面臨建設用地爬坡問題的城市[6]。我們基于GLC_FCS30-2020數據[13]，以2020年城區建設用地平均坡度進行排序，重慶在全國600余個縣級以上城市中僅排到第33位。據此推斷，建設用地持續爬坡導致坡度上限“違規”日益增多的情形或許已在不少城市出現。基于本文認識，建議以與時俱進的眼光再次審視相關規范，開展更多針對性研究，在必要時或可考慮啟動修訂程序，以此順應城市坡地建設布局發展變化的客觀規律，切實減少“違規”現象，維護相關規范的普適性和權威性。

中國有著人口多、耕地少的基本國情，人口總量和耕地總量保持基本穩定、人口和建設用地“城增村減”是長期趨勢。推動人口從鄉村尤其是山區農村向城鎮轉移定居，不僅能有效緩解廣大山區的人類活動壓力，助力提升生態碳匯，同時能極大提高經濟社會宏觀運營效率，促進節能減排降耗[14]。南方山地丘陵區域大部分仍處于快速城鎮化中期[15]，許多城鎮面臨著不同程度的地形制約，新的建設用地爬坡現象或將不斷涌現。如何妥善處理好建設用地爬坡過程中涉及的耕地保護、生態建設、開發成本控制、運營效益提升等復雜關系，是國土空間開發保護實踐中亟待解決的重要課題。然而一段時間以來，在低丘緩坡開發利用等政策刺激下，部分城市在大規模改造地形后未能及時跟進高效開發利用，致使土地長期處于低效利用狀態，甚至產生大量閑置裸地，不但沒能實現集聚人口和經濟、緩解自然生態系統所受壓力的初衷，反而使項目區土地出現生態效益驟降、水土流失加劇等新問題。本文分析發現，重慶市建設用地爬坡現象在開發時序上相對延后，在空間布局上更多表現為向內填充而非向外蔓延，發揮了明顯的充填效應，促進了城市空間的集約緊湊，符合新時期城市內涵式發展的國土空間開發保護理念。這種“先平后坡，外延趨平，內填爬坡”的模式更易控制成本和進度，也更能防范出現低效爬坡或爬坡“爛尾”現象，值得在類似城市推廣。

4.2 結論

從坡度梯度及其圈層格局視角分析了重慶市主城區建設用地與坡度關系的時空格局特征，得出以下結論：

（1）研究區存在建設用地持續爬坡并且其用地上限坡度“違規”現象日益增多的情形。各時期現狀及新增建設用地頻率的坡度分布均呈現以3°~4°為峰值的右偏形態，且0°~6°區段頻率占比不斷下降，而7°~17°區段頻率占比不斷上升，2000年、2010年和2020年建設用地平均坡度分別為6.53°、6.70°和6.99°，說明該區域存在一個持續的建設用地爬坡現象；現狀及新增建設用地中，大于14°坡地占比均隨時間變化而不斷升高，證實建設用地上限坡度“違規”現象在日益增多。

（2）研究區建設用地水平分布更趨向“內陡外緩”圈層格局。各時期現狀及新增建設用地標準差橢圓均呈現隨坡度上升而趨于內縮的圈層特征，表明在水平方向上，坡地建設比平地建設更為緊湊內聚。

（3）有必要繼續完善《城鄉建設用地豎向規劃規范（CJJ 83-2016）》中的坡度上限和坡度區位規定。可將城鎮建設用地選擇的自然坡度上限由現行25%（≈14°），上調至35%（≈20°）附近；可將現行對城鎮中心區用地坡度上限的特別規定去除，留給規劃師們更多創意空間，讓城鎮在統一的坡度上限規定下自行發展出符合自身特征的陡緩格局。在此基礎上，各地可根據自身實際出臺更為嚴格的地方性規定，尤其應防止平地充裕的地區盲目侵占山體搞建設。