作者:楊欽宇、餘婷、曾榮俊、韓經緯
北京清華同衡規劃設計研究院有限公司
摘要伴隨快速工業化和城鎮化進程的推進,城市無序蔓延擠佔生態和農業空間的劇本在21世紀的中國城市反覆上演。城鎮開發邊界作為遏制城市盲目擴張的政策工具,近年來已在國內多個城市進行了探索和實驗,然而尚未形成統一的劃定方法和標準。本文對接新時代國土空間規劃的最新要求,從深化研究約束條件、綜合運用多種算法、適應城市發展不確定性的多情景設定、探索「雙評價」結果應用等角度切入,提出基於系統動力學模型、情景模擬技術和「雙評價」結果的城鎮開發邊界劃定思路,其中政府政策調控和系統動力學模型分別從土地的供需角度確定城市的用地規模,情景模擬和「雙評價」結果則從發展和保護的雙重角度對城鎮用地布局形成引導和約束,然後與依據情景模擬得到的國土空間規劃方案進行校核,最終形成「合理規模+科學布局+適度彈性」的城鎮開發邊界劃定方法,以期為新一輪國土空間規劃編制工作提供科學參考。
關鍵詞國土空間規劃;城鎮開發邊界;系統動力學模型;情景模擬技術;雙評價
1、新時代國土空間資源管控制度的變革背景伴隨1990年代中國市場經濟體制的確立與分權化改革,地方政府開始成為經營地方經濟發展的實際主導者。而經濟全球化、考核制度等又促使地方政府積極參與區域競爭,各地政府逐步以城市空間為載體,建立起以經濟指標增長為第一要務的「增長主義」發展模式[1]。這種模式直接助推了擴張式城市規劃的大發展,造就了規劃城市人口膨脹的「奇觀」--據不完全統計,截至2016年5月全國縣級以上新城新區超過3500個,規劃人口達34億[2],吳縛龍教授則直接稱中國的城市與區域規劃為「為了增長的規劃」。
在以發展為主要導向的增量規劃推動下,中國的城市空間經歷了一輪大躍進式的增長,帶來了城市無序蔓延、生態環境惡化、耕地資源緊張等國土空間資源管控失序的問題。同時,由於「土地城鎮化」普遍快於「人口城鎮化」進程,很多地方出現「鬼城」、「空城」等現象,而近年來人口流動趨勢的變化,又催生了許多「收縮城市」的誕生,人口與空間資源錯配的問題進一步凸顯。
為了加強對國土空間、自然資源、生態環境的管控力度,實現人與自然、人與土地和諧發展,自黨的十八大以來,中央從重構頂層設計、推動地方試點到完成機構改革,進行了國土空間資源管控制度變革的一系列探索。
2013年,《中共中央關於全面深化改革若干重大問題的決定》提出建立「空間規劃體系,劃定生產、生活、生態開發管制邊界,落實用途管制」,12月中央城鎮化工作會議要求儘快劃定每個城市特別是特大城市開發邊界;2014年國土資源部、住建部共同開展城市開發邊界劃定工作,分別選擇三大城市群中14個常住人口在500萬以上的重點城市作為首批試點;2017年中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發《省級空間規劃試點方案》,提出劃定城鎮、農業、生態空間以及生態保護紅線、永久基本農田、城鎮開發邊界;2018年自然資源部成立,統一行使「所有國土空間用途管制和生態保護修復職責」,開展國土空間開發適宜性評價,組織劃定生態保護紅線、永久基本農田、城鎮開發邊界等控制線,建立健全國土空間用途管制制度;2019年3月,習近平主席在參加內蒙古代表團審議時強調「要堅持底線思維,以國土空間規劃為依據,把城鎮、農業、生態空間和生態保護紅線、永久基本農田保護紅線、城鎮開發邊界作為調整經濟結構、規劃產業發展、推進城鎮化不可逾越的紅線」。
自上而下的機構改革和空間規劃體系的建立,明確了國家對於全域全類型空間資源管控力度全面升級的決心,未來對城市建設用地指標的管控將會進一步收緊,而城鎮開發邊界必將成為國家控制城市空間擴張的重要政策工具。縱觀自2014年以來在各地開展的城鎮開發邊界劃定試點實踐,其中陝西、甘肅、四川、廣東、安徽、福建、內蒙古和湖南等地相繼出臺了城鎮(城市)開發邊界劃定的相關技術指南(導則),然而各地對城鎮開發邊界的定義、劃定方法、劃定期限等仍未形成統一認識,而國家層面有關城鎮開發邊界劃定的規範標準尚未出臺。機構重組後,政府對規劃編制的科學性提出了更高的要求,莊少勤總規劃師強調國土空間規劃將成為可感知、能學習、善治理、自適應的智慧型生態規劃[3]。在此背景下,如何有效應對國土空間規劃的新要求、運用先進的技術手段、探索城鎮開發邊界劃定的科學方法便成為當前推進國土空間規劃體系進一步完善和順利開展的重要課題。
2、城鎮開發邊界劃定的技術基礎在當前國內外城鎮開發邊界劃定的研究和實踐中,情景模擬技術因其在模擬城市空間拓展方面的優勢成為應用最為廣泛的技術之一。情景模擬技術是在計算機軟/硬體支持下,通過自下而上的虛擬模擬實驗,對複雜系統進行動態模擬、預測、優化的技術,主要包括傳統自上而下的各類宏觀城市模型以及基於局部個體空間相互作用的微觀離散動力學模型。其中CA模型因其時間、空間和狀態都為離散等特性,更能真實地反映城市的演化過程,逐漸成為城市空間模擬研究的主流方法。對當前應用CA模型進行城鎮開發邊界劃定的研究進行梳理,大體可分為以下三種思路:
一是基於各類約束條件(包括引導性與限制性)建立約束性CA模型,根據所有元胞的轉換概率模擬城市用地的空間布局,進而確定城鎮開發邊界,如龍瀛[4]、陳偉強[5]、羅偉玲[6]等學者。在當前國土空間規劃的新形勢下,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」)已成為國土空間規劃編制的前提和基礎,是科學劃定「三區三線」的基礎支撐。因此有研究將「雙評價」結果作為空間約束條件之一納入CA模型進而對城市空間進行模擬[6]。
二是將不同約束條件作為模擬情景設定,根據CA模型模擬結果劃定不同情景下的開發邊界,如吳欣昕[7]、湯燕良[8]、梅夢媛[9]、任君[10]等學者。這類研究中通常將一些涉及耕地保護、生態環境控制等限制性條件,以及區位交通、社會經濟等引導性條件作為單一或複合的情景設定,從而對多情景下的城市空間模擬結果和開發邊界劃定成果進行比對分析。
三是首先根據各類約束條件建立用地評價模型,然後通過CA模型模擬城市空間布局,最後綜合用地評價和CA模擬結果劃定城鎮開發邊界。如蘇偉忠等[11]構建城市承載力評價模型、劉偉玲等[12]和劉輝等[13]構建生態適宜性評價模型、邱思齊等[14]構建生態敏感性評價模型、叢佃敏等[15]構建綜合生態安全格局、李全寶[16]構建最小累積阻力模型等,並以此為基礎對CA模擬結果按照一定的規則進行修正、調整,從而得出城鎮開發邊界。
同時,系統動力學(SD)模型已成為預測城鎮建設用地規模的常用模型,在不少研究中[6-8][11]得到應用。縱觀以上研究,總體上還存在以下不足:
(1)對各類約束條件及其因子指標的選取差別較大,總體上不夠全面;
(2)在此基礎上構建的用地評價模型不統一、不權威,未來應使用「雙評價」結果代替用地評價模型,從而與國土空間規劃體系相銜接;
(3)對於用地評價結果與CA模擬結果如何整合得出城鎮開發邊界的規則這一關鍵問題未能詳細闡述;
(4)情景設定考慮不足,無法兼顧城鎮長遠發展的多種可能性;
(5)使用算法單一,各類研究構建的CA模型基本上只採用一種算法,其中以邏輯回歸算法為主,使用神經網絡等人工智慧算法較少,而在實際研究中發現不同算法得出的模擬結果在一些案例中存在不可忽視的差異性。
本文正是基於以上不足,從完善各類約束條件的全面性、對接國土空間規劃的最新要求探索「雙評價」結果應用、構建完整的開發邊界劃定邏輯和規則、適應城市發展不確定性的多情景設定以及綜合運用多種算法等角度,探索新時期城鎮開發邊界劃定的技術思路和方法。
3、城鎮開發邊界劃定思路探索面向新時代國土空間規劃的要求,本文提出基於系統動力學模型、情景模擬技術和「雙評價」結果的城鎮開發邊界劃定思路,其中政府政策調控(上位指標)和系統動力學模型分別從土地的供需角度確定城市的用地規模;情景模擬和「雙評價」結果則從發展和保護的雙重角度對城鎮用地布局形成引導和約束;最後與依據情景模擬得到的國土空間規劃方案進行校核,根據相應的判定規則最終形成「合理規模+科學布局+適度彈性」的城鎮開發邊界。
圖1 基於系統動力學模型、情景模擬技術和「雙評價」結果的城鎮開發邊界劃定思路
3.1基於系統動力學模型的合理規模預測系統動力學模型是建立在控制論、系統論和資訊理論的基礎上,研究反饋系統結構、功能和動態行為的模型,可通過不同模塊和變量之間的交流與回饋模擬複雜系統的行為[7]。與CA自下而上的微觀模擬不同,SD模型是自上而下的宏觀城市模型,能夠預測不同規劃政策與發展條件下未來城市用地規模的變化。一般可通過常住和外來人口、勞動力數量、人均住房面積、GDP增量、人均GDP、人均消費水平、工業總產值、第二及第三產業投資、研發投資佔比等人口和經濟指標,也可以包括資源環境類指標,來預測居住用地、工業用地、商業用地等城市用地,從而獲得城市用地總規模。通過這些指標及其因果關係建立量化分析模型,根據計算機模擬結果進行模型驗證和結果分析。
SD模型是在未來城鎮建設用地指標不明確的情況下,綜合社會經濟各方面因素科學預測用地規模總量的技術方法,目前該方法已比較成熟,可通過Vensim PLE等專用軟體來實現。在本文構建的城鎮開發邊界劃定方法中,對於城鎮建設用地規模的確定給出兩種方案,一是直接使用上級決策的用地指標,二是通過SD模型進行科學預測。
3.2基於情景模擬技術的科學布局規劃情景模擬技術是基於城市自身發展規律和不同情景下各類約束條件的變化對城市空間增長進行的模擬和預測,反映的是城市在歷史規律和特定規則作用下空間演化的內在機制。模擬過程首先需要收集某城市多時期的歷史用地數據,然後通過約束條件的研究確定各類引導性、限制性因素和模型數據,通過機器學習算法對CA等情景模擬模型進行訓練,並將模擬結果與歷史用地數據進行精度驗證,不斷優化模型參數並在不同情景下對未來城市用地進行模擬預測。
圖2 基於CA模型的城市空間擴張模擬過程
情景模擬模型的常用算法主要包括邏輯回歸模型(LR)和人工神經網絡(ANN)。邏輯回歸模型能夠建立離散的因變量與自變量之間的關係,其中因變量是土地利用類型(建設用地和非建設用地),自變量是各類約束條件和鄰域開發強度。某個空間區位元胞的開發概率由以下公式概括,其中P為開發適宜性概率,v是在ij位置的所有自變量的開發特徵向量,con是所有約束條件,neighbor是鄰域開發強度,a0是常量,ak是邏輯回歸模型的係數,xk是模型中的自變量。每個元胞發展為建設用地的概率由開發適宜性概率、開發限制性概率和空間領域作用概率共同決定。
人工神經網絡(ANN)是通過模仿人類大腦神經元進行運算和模擬的。該模型無需人為設定模型結構、轉換規則及參數,而是利用神經網絡代替轉換規則,通過對神經網絡的訓練自動獲取模型參數。發展概率公式如下,其中P為最終的發展概率,pij(ann)是用地開發適宜性概率,con是所有約束條件,neighbor是鄰域開發強度。
另外,城鎮開發邊界的劃定需要在規劃建設用地之外預留彈性空間,可通過設定開發邊界與建設用地的規模比例後在模型中模擬,作為開發邊界劃定的基礎。各地對彈性空間規模的規定各不相同,如福建省規定在城市開發邊界不得超過規劃建設用地規模的20%;湖南省建議重點開發地區取值1.05-1.1倍,限制開發區取值1.0-1.05倍;內蒙古規定國家級重點開發區域取值1-1.5,自治區級重點開發區域取值1-1.4,農業限制開發區域取值1-1.2,生態限制開發區取值1-1.1。
3.3基於「雙評價」結果的城鎮開發邊界劃定方法「雙評價」主要從生態保護、農業生產、城鎮建設三個功能指向,基於土地資源、水資源、海洋資源、環境、生態和災害等六大要素,對一定區域內的資源環境承載能力進行定量評價,並在此基礎上進一步評價國土空間開發適宜性,最終形成分別指向生態、農業和城鎮三大功能的承載等級五級分區和生態保護等級、農業生產及城鎮建設適宜性三級分區的全域評價結果。該評價結果明確了每個地域單元用於開發的能力和適宜程度或進行保護的必要程度,因此對於城鎮空間布局有著重要影響,是劃定「三區三線」的重要基礎。基於「雙評價」結果劃定城鎮開發邊界的思路如下:
(1)將城鎮建設承載等級評價結果為差的地域空間單元導入情景模擬模型中的限制數據集,將城鎮建設承載力作為城市空間增長模擬的約束條件;
(2)在明確彈性預留的若干情景後,開展情景模擬預測,然後以相應的模擬結果作為城鎮開發邊界的基礎底板;
(3)將上述結果扣減與生態保護紅線和永久基本農田紅線重合的地域單元,其中生態保護紅線和永久基本農田紅線是依據生態保護等級、農業生產適宜性等「雙評價」結果進行調整後得到的最新官方成果。儘管情景模擬過程中已考慮限制要素的約束作用,但情景模擬中的限制數據大多是基於人為劃定的特定要素邊界(如自然保護區)及其管控要求設定的,而「雙評價」則是在全域空間從客觀角度對各種自然條件進行評級,因此將二者進行疊合校正對城鎮開發邊界劃定是很有必要的。
(4)將上述校核結果與城鎮建設適宜性評價結果進行判定,判定規則為:對位於城鎮建設適宜區及一般適宜區內的地域空間單元進行保留,即劃入開發邊界;對位於城鎮建設不適宜區的地域空間單元,若相應的城鎮承載等級為中等以及上則進行保留,若為低或較低則進行扣除。需要說明的是,對於城鎮建設適宜性低(即不適宜)但承載等級不低的地域空間單元,其原因是建設條件尚可但交通可達性較差,對於這樣的區域可通過加強交通建設改善開發適宜程度,因此也可納入城鎮開發邊界範圍。
圖3 城鎮建設適宜性評價結果對城鎮開發邊界劃定的判定規則
(5)在與「雙評價」結果判定後,進一步結合國土空間規劃方案對開發邊界進行調整,同時應遵循城鎮開發邊界劃定的基本原則,並應用圖形學方法對結果中的孔洞進行填充、對細碎圖斑等進行處理,然後核查開發邊界的規模,對於在上述過程中因多次扣減而損失的面積可優先在城鎮建設適宜區中進行等量增補,從而形成最終城鎮開發邊界。需要說明的是,國土空間規劃方案同樣可以根據特定的規劃情景進行模擬而得到,空間方案中若有重大項目選址位於城鎮建設承載等級較低區域,或侵佔生態紅線、基本農田等特殊情況的,在符合相關管理規定的前提下可以劃入開發邊界。城鎮開發邊界的劃定原則一般需結合行政邊界、地理和地物邊界、集中連片以及符合管控要求、便於管理等(參照未來自然資源部出臺的城鎮開發邊界相關規範要求)。
4、實證研究本文以西北地區某縣級市為例,對上述城鎮開發邊界劃定方法的實踐應用進行探索。K市地處我國西北邊疆,是國家級歷史文化名城,擁有一個支線機場、兩條鐵路線以及吐和高速等交通設施。城區東部為國家級經濟技術開發區,近年來主要依託石化產業帶動城市的快速發展。2016年完成地方生產總值181.6億元、增長9.3%,常住人口近50萬人,其中城區常住人口約16萬人。
圖4 2000-2017年K市建設用地分布變化圖
4.1約束條件設定首先收集K市2000年、2012年和2017年三個年份的建設用地、路網以及各類限制和發展數據,構建情景模擬模型。為了在模型中反映人口、經濟、政策、區位交通、自然生態等因素對城市空間演化的作用,需要將上述因子量化作為約束條件納入模型,從而引導或限制模擬過程,使模擬結果更為真實可靠。本研究綜合已有研究成果和相關規範標準,全面梳理影響城市空間拓展的各類自然和人為因素,確定如下約束條件,總體上可分為兩類:
(1)限制要素:即對城市空間拓展具有限制、阻礙作用的要素,包括地形(高程、坡度、地形起伏度等)、法定保護地(國家公園、自然保護區、風景名勝區、水源地保護區、溼地公園、森林公園等)、重要生態用地(生態公益林等)、永久基本農田、各類歷史文化遺產地以及鐵路、高速公路和市政設施等線性廊道要素。各類限制要素對城市空間拓展的影響範圍和影響程度可根據相關標準、規範和政策的要求進行量化賦值。
(2)發展要素:即對城市空間拓展具有引導、促進作用的要素,包括人口和經濟密度、高等級道路、交通樞紐(機場、港口、鐵路站點、公路樞紐、高速出入口等)、特定政策區(經濟開發區、高新技術開發區、海關特殊監管區域等)。各類發展要素對城市空間拓展的影響範圍和影響程度可根據相關研究、大數據分析和專家經驗進行量化賦值。
4.2多情景模擬其次對K市開展「雙評價」,將城鎮承載力低級區域導入模型限制數據;然後以2000-2017年歷史數據訓練模型,邏輯回歸和神經網絡算法精度均達到95%以上;將得到的規律結合規劃的約束條件,根據設定的多種發展情景模擬2035年的城鎮空間布局。
需要注意的是,當前中國正處於急劇變革的城鎮化和全球化進程,在高度複雜化的政治經濟社會轉型和技術變革的趨勢下,城市發展面臨的不確定性不斷增強,未來城市空間布局和開發邊界劃定應儘可能適應多變的發展情景,為不確定性導致的空間需求預留足夠的空間彈性。在多情景設定中,基本情景是不考慮人為幹預、延續歷史發展規律的自然增長情景,其他情景的設定可根據具體城市的自身特點、發展階段、外部環境、社會經濟發展趨勢、國家和區域發展戰略、重大工程項目以及特定的規劃意圖進行選擇,還可以預估未來技術進步、全球氣候變化、生產生活方式轉變等對城市空間布局帶來的影響,通過不同的要素選擇、參數設計、規模及增速設定等方式反映到情景模擬模型中,最終形成不同情景下的城市空間布局方案模擬結果。K市的發展情景設定如下表:
表1 K市情景模擬中發展情景設定
圖5 基於人工神經網絡算法的情景1至情景4建設用地模擬結果
以人工神經網絡算法為例,對比分析情景1-4的模擬結果,可以發現情景1在沒有人工幹預的情況下,建設用地自然增長侵佔了城區東部的生態廊道(綠洲),情景2-4通過將生態空間的傳統被動防禦轉變為主動約束,使得城市擴張有效避讓了生態廊道,優化了城市空間布局,實現城市精明增長和生態保護的雙贏;情景3和4遵循上級政府分配的用地指標,可以看出其用地增長速度快於歷史增速,情景4考慮了以產業為主導的經開區與以生活服務為主導的城區之間的聯繫,根據職住配套需求分析確定經開區與城區用地增速的比例,模擬結果顯示區別不大,用地增長主要集中在經開區和城區北部,另外鐵路以南地區和西南部的機場周邊也有一定的用地擴張。由於情景4的條件設定與規劃意圖最為吻合且模擬結果較理想,故將情景4模擬結果作為用地方案的基本參考。
4.3城市開發邊界劃定圖6 情景5建設用地模擬結果(左)及「雙評價」結果(中、右)
情景5中將開發邊界規模設定為用地規模的1.3倍(約133平方公裡,案例中僅劃定中心城區的城市開發邊界),將模擬結果作為開發邊界劃定的主要依據。可以看到模擬結果在避讓生態廊道和歷史文化遺蹟等保護空間後,建設用地較為緊湊,但用地邊界不規整、內部存在空隙等。在此基礎上,進一步綜合「雙評價」結果、生態紅線、基本農田和規劃方案,根據相應的判定規則和圖形學方法修正得到連片性高、破碎度低的城市開發邊界(圖7)。需要說明的是,由於有些城市的中心城區範圍內存在部分基本農田或生態紅線,若要劃定連片完整的城鎮開發邊界則不得不與基本農田和生態紅線產生交叉,這在各地的實踐中也存在不同情況,應根據各地的實際情況和管理方式確定。
圖7 K市城市開發邊界圖
5、結論與展望本文在繼承已有研究和實踐的基礎上,從約束條件、算法類型、多情景設定和「雙評價」結果應用四個方面進一步深化研究和集成創新,提出基於系統動力學模型、情景模擬技術和「雙評價」結果的城鎮開發邊界劃定思路,從規模預測到基於發展與保護雙重視角的城鎮空間模擬,最後綜合規劃方案和「雙評價」結果並根據特定規則形成城鎮開發邊界的劃定方法,及時響應了當前國土空間規劃體系轉型期的時代訴求,能夠為即將全面開展的新一輪國土空間規劃編制提供有益參考。
在當前各地開展的城鎮開發邊界劃定實踐中,主要包含三種思路:一是從正向發展需求出發劃定彈性邊界,城鎮開發邊界=規模預測+布局規劃+彈性預留,如常州、鄭州等;二是從反向底線保護出發劃定剛性邊界,城鎮開發邊界=市域空間範圍-禁止建設範圍(永久基本農田紅線/生態保護紅線),如杭州、廈門等;三是正向與反向結合的思路劃定剛性+彈性邊界,如哈爾濱、成都等。本文提出的劃定方法更適用於正向需求思路和正反結合思路,反向扣除思路因過於簡單,無需使用本文的方法。
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