【研究】基于基础设施综合服务水平导向的城市增长边界划定 ——— 以广州市为例

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周春山：中山大学地理科学与规划学院，教授，博士生导师，研究方向为城市地理。

张润朋：广州市交通规划研究院

金万富：中山大学地理科学与规划学院

史晨怡：中山大学地理科学与规划学院

原文刊载：

周春山, 张润朋, 金万富,等. 基于基础设施综合服务水平导向的城市增长边界划定——以广州市为例[J]. 地理与地理信息科学, 2017(5):42-49.

版权说明：感谢作者授权发布，如有转载等事宜，请联系原作者。

【摘要】

　　快速城镇化导致城市空间扩张对自然生态空间侵蚀突出，城市增长边界的界定和管控面临严峻挑战。该文利用GIS技术，划定了2010年广州市基础设施较为完善的城市建成区；遵循空间开发导向，确定了非建设用地开发性综合指数；根据规划期内城市人口增长规模确定的新增建设用地规模与非建设用地开发性综合指数，明确城市最适宜开发建设用地规模和空间布局；将最适宜开发建设用地与基础设施较为完善的建成区归并，确定2020年广州市UGB，大致形成了流溪河以北的机场、花都区连片建设区，珠江以北、流溪河以南和帽峰山等自然山体以南连片建设区，海珠区和番禺区北部连片建设区、南沙区连片建设区等多片集中建设区，总体呈现“中心城区＋外围”多个连片建设区的发展格局。研究方法对全国其他城市划定城市开发边界具有借鉴意义。

【关键词】

基础设施综合服务水平；城市增长边界；建成区；广州市

0 引言

　　1958年美国俄勒冈州塞勒姆市为了控制城市无序蔓延首次提出并应用了城市增长边界(Urban Growth Boundary,UGB)[1]概念,其内涵是指城市地区周围抑制市区范围扩展的一条边界线,边界以外土地应保持较低的建设密度,不提供供水和排水服务,形成城市和农村明确的分界线[2]｡国外对UGB的划定主要基于生态环境导向的生态控型UGB和城市内生性发展规律的增长边界发展预测｡UGB划定的首要目的是保护有价值农田和林地等生态用地[3],因此,基于生态保护理念划分UGB最为原始,可以追溯到1944年大伦敦规划中的城市绿带[4]｡基于城市内生性发展规律的增长边界预测研究主要采用将人工神经网络与GIS､RS结合[5]､将空间回归与GIS､RS结合[6]以及CA模型[7,8]等方法,有研究者将生态控制约束与城市空间增长相结合,提出了GIA-CA(Green Infrastructure Assessment Cellular Automata)空间模型[9]｡

　　国内对UGB的划定研究在理念上与国外保持一致,划定的UGB包括刚性和弹性两层内涵[10,11]｡首先,基于景观生态学,利用GIS技术,对土地建设适宜性进行评价,在此基础上提出UGB,典型案例有河南省平顶山市新区[12]､深(圳)汕(尾)特别合作区[13]和广西防城港市[14]等,这种划定方法强调城市空间的限制性开发｡其次,在考虑城市发展综合因素的基础上,从城市自组织系统运行机制和生长要素角度划定UGB,主要方法有:将系统动力学模型(SD)和CA模型相结合[15]､利用神经网络的CA模型[16]､多智能体系统(MAS)[17]及CA-MAS[18]等方法;根据城市发展规模､增长动力和阻力,基于GIS平台构建评价体系[19]的方法;将CA模型与区位､邻里和政府等变量因子[20]与局部､区域和全局等约束条件[21]或与生态环境约束[22,23]相结合的方法｡这些划分方法强调空间“自下而上”的自我组织增长,而忽略了空间发展政策等“自上而下”机制影响[24]｡城市服务边界(Urban Service Boundary,USB)最早应用在美国明尼阿波利斯-圣保罗都会区,是通过给水和排水公共服务设施引导城市空间增长[25]｡城市服务边界对城市空间增长的引导作用较为有效,现已被美国多数城市引用(如加利福尼亚州圣荷西和佛罗里达州的棕榈滩)[26]｡因为在边界的外部缺乏基础设施服务,土地所有者或使用者未获取土地开发建设的服务支持｡城市服务边界(USB)与UGB密切关联,被认为是一种可以通过对城市公共服务和市政设施建设规划来引导城市发展的有效手段[27]｡目前国内对USB的划定处于认知阶段,对UGB与USB两者间的关系有了初步的探讨｡UGB和USB的区别在于UGB的划定是为了保护开放空间､农业和生态用地,将城市空间增长集中在某些地区,体现的是一种“推力”;而USB强调的是一种“拉力”,通过基础设施建设将城市增长吸引到其周边地区[28]｡从对城市空间水平拓展的严格限制程度看,城市服务边界相对较弱[29]｡有研究者认为调控城市空间需将USB与UGB进行对比分析[30,31],或控制UGB最好的方法就是UGB与USB保持一致[32],而美国圣荷西则在城市服务边界内划定增长边界[24]｡如何将UGB与USB有机结合来明确UGB值得思考｡

　　广州市地处珠三角,区内河网密集,北部和东北部多为低山丘陵,生态环境较好,中部的丘陵盆地和南部的沿海冲积平原为全市经济发展集中地区｡改革开放以来,广州市凭借着邻近港澳的优势及国家､省级政策的支持,城市建成区不断地向南､向东扩展,2013年面积超过了1000km2,位居全国第二,国土开发强度已逼近国际警戒线｡城市空间的快速扩展侵占了大量耕地､林地和水域等生态用地,对区域内生态安全格局造成巨大压力,但国内对广州市UGB的研究相对甚少｡《广州市城市总体规划纲要(2011-2020)》从基本农田､自然保护区､地质灾害等限制因素出发,确定了中心城区UGB;其他相关研究主要强调广州市划定UGB的紧迫性[33]以及探讨《广州市城市总体规划纲要(2011-2020)》确定的中心城区UGB在土地供应､土地用途和开发建设时限等方面的效能对行政区划调整的影响[34]｡上述研究视角或划定方法对明确UGB具有重要意义,但对基础设施及政策引导城市空间开发考虑略显不足,为此,有研究学者基于空间结构导向理念划定了UGB[29]｡事实上,不管是基于生态视角或城市自组织生长系统,还是基于空间结构导向划定的UGB,均未充分考虑城市基础设施对城市空间增长的引导作用,划定的UGB包括了大面积难以建设公共服务设施和市政设施的地区｡因此,笔者以广州市为例,试图将城市基础设施综合服务水平与UGB的划定相结合,以明确未来增长空间｡

1 数据来源与技术路线

　　城市基础设施综合服务水平与建成区密切关联｡根据《城市规划基本术语标准》(GB/T50280-98),城市建成区是城市行政区内实际已成片开发建设､市政公用设施和公共设施基本具备的地区｡将城市现状基础设施综合服务水平空间分布与现状建设用地进行叠置分析,明确基础设施综合服务水平较为完善的建成区,对调控城市空间增长具有重要意义｡本文利用GIS技术计算出城市现状基础设施综合服务水平空间分布,结合现状建设用地,初步划定现状基础设施综合服务水平较为完善的建成区;考虑到公共服务设施和市政设施对于大型机场及工业区等辐射影响力较弱,需对初步划定的建成区进行修正以确定现状基础设施较为完善的建成区;从自然地理因子､非建设用地开发区位因子和政策策略性分区因子等方面综合评价城市非建设用地开发性综合指数;根据新增人口规模和人均建设用地确定未来新增建设用地规模;结合非建设用地开发性综合指数和新增建设用地规模确定最适宜开发建设用地规模和空间布局;最后,将基础设施较为完善的建成区与最适宜开发建设用地归并,确定最终的UGB(图1)｡公共服务设施及市政设施等数据主要来源于2010年广州市相关规划基础资料,土地利用现状数据来源于2010年的变更调查资料,基本农田保护区及自然与文化遗产保护区数据等来源于《广州市土地利用总体规划(2006-2020年)》,DEM数据来源于中科院地理空间数据云｡上述部分栅格数据在ArcGIS9.3中配准矢量化｡

图1　广州市UGB划定技术路线

2 建成区划定

　　根据2010年公共服务设施及市政设施的缓冲区半径或等级,利用 ArcGIS9.3软件对其服务水平进行空间分析,以确定广州市基础设施综合服务水平空间分布｡公共服务设施综合服务水平空间分布评价模型如下:

　　式中:f(A)为公共服务设施综合服务水平;f(a1)､f(a2)､…､f(an)分别为a1､a2､…､an的公共服务设施服务水平;i1､i2､…､in为权重系数｡

　　市政设施综合服务水平f(U)空间分布评价方法与公共服务设施综合服务水平类似｡某一区域基础设施综合服务水平空间分布评价模型为:

2.1 公共服务设施综合服务水平空间分布评价

　　公共服务设施综合服务水平是区分城市和农村的重要指标,尤其是教育､医疗卫生和商业服务等设施｡根据城市公共服务设施缓冲区半径确定其服务范围,得到结果可作为判断城市建成区的重要依据｡故选取教育､医疗､商业(超市)和体育设施作为广州市公共服务设施综合服务水平空间分布评价因子,各因子权重由专家打分法确定｡

　　依据城市规划相关设计规范,设定了合理的缓冲区半径,利用 GIS对各类公共服务设施进行分级缓冲区分析,并赋予不同服务范围相应服务水平值(表1),其中教育因子与医疗因子服务水平值则由其次级因子服务水平同等加权确定｡继而,根据式(1)确定2010年广州市公共服务设施综合服务水平空间分布(图2)。

表1　公共服务设施服务水平赋值与权重

图2　2010年广州市公共服务设施服务水平空间分布

2.2 市政设施综合服务水平空间分布评价

　　市政设施包括供水､排水､电力､电信､公共交通等｡供水､排水､电力及电信等设施的管网主要依托城市道路布置｡城市道路建设过程中通常同时进行各类市政管网建设｡因此,城市道路系统的覆盖范围 可反映市政设施服务范围｡本文以道路路网密度代替供水､排水等设施服务水平｡城市道路分为快速路､主干路､次干路和支路,考虑到快速路一般为封闭性道路,开口较少,为区域性道路,因此,对道路服务范围的分析以主干路､次干路和支路为主｡公共交通选择公交车站和地铁站｡

　　根据城市道路交通相关设计规范,且考虑到1000m×1000 m 单元格分析可能 带 来的位置偏差,本文设置了合理的主干路､次干路和支路路网密度等级及公共交通缓冲区半径,利用GIS划分空间上路网密度等级及对公共交通作分级缓冲区分析,并赋予不同路网密度等级及不同公共交通服务范围相应服务水平值(表2);将路网密度和公共交通服务水平进行加权综合,形成2010年广州市市政设施综合服务水平空间分布(图3)｡

表2　市政设施服务水平赋值与权重

图3　2010年广州市市政设施服务水平空间分布

2.3 基础设施综合服务水平空间分布评价

　　按照公共服务设施与市政设施同等权重进行加权综合分析,确定2010年广州市基础设施综合服务水平空间分布,并将其分为4个级别｡其中综合服务水平∈[4,5]为一级区,该区域主要分布在老城区,教育､医疗和体育等公共服务设施及供水､供电和电信等市政设施完善,综合服务水平高,人口密度大;综合服务水平∈[3,4)为二级区,该区域主要分布在一级区周边,公共服务设施和市政设施较为完善,综合服务水平较高,人口密度较大;综合服务水平∈[1,3)为三级区,该区域主要分布在郊区,公共服务设施和市政设施不完善,综合服务水平偏低,人口密度较小;综合服务水平∈(0,1)为四级区,该区域土地多为非建设用地,公共服务设施和市政设施缺乏,综合服务水平低,人口密度小(图4a)｡

图4　2010年广州市基础设施综合服务水平及城市建成区空间分布

2.4 划定结果

　　城市建成区的划定首先需明确现状建设用地覆盖区。本文将城市基础设施综合服务水平与现状建设用地进行空间叠加分析并划定级别,确定综合服务水平一级和二级区内的建设用地,并将其作为城市建成区地块｡由于叠加分析结果存在零碎的建设用地和城市内部留空的非建设用地,难以反映建成区的连片开发性,因此,按照如下原则对其进行归并:1)因未将条状零碎的道路用地一并纳入研究,为保障道路用地仍能正常纳入建成区范围内,确定相邻建设用地归并最大距离为100m(城市道路最大宽度一般小于100m);2)根据广州市建设用地规模,确定建成区留空(非建设用地)最小斑块为50hm2;3)考虑到最小分析单元为1000m×1000m,确定保留建设用地地块最小面积为100hm2｡由于公共服务设施和市政设施对于大型基础设施(如机场)及大型工业区等服务水平存在一定误差,需初步对城市建成区进行修正｡结果表明,2010年广州市基础设施较完善的建成区面积为750km2(图4b),比统计年鉴中同期建成区面积约小202km2｡主要原因是统计年鉴数据是基于建设区统计的,但实际上广州市仍有较多郊区镇(街)公共服务设施及市政设施相对不完善,城市空间扩展出现了无序蔓延现象｡

3 非建设用地开发性综合指数评价

　　UGB的划定是城市实现精明增长的一种 具体技术手段,因此,UGB 划定过程中必须遵循城市生长的自然规律和空间开发导向,将紧凑发展､邻里发展､交通引导发展和生态控制等精明增长思想植入其中,以控制和引导城市非建设用地转变成为城市建设用地｡基于上述分析,选取了自然地理因子､非建设用地开发区位因子和政策策略性分区因子建非建设用地开发性综合指数模型。由于自然地理因子和政策策略性分区因子对土地开发起着决定性作用，故作为乘数因子；而非建设用地开发区位因子影响土地开发规模，故作为叠加因子。模型如下：

　　式中:f(X)为非建设用地开发性综合指数;f(Y)为非建设用地开发区位因子总得分;Xe､Xs和Xa分别为自然地理因子e､s和a 得分值;Yi､Yc､Ys和Yr分别为非建设用地开发区位因子i､c､s和r 得分值;Z为政策策略性分区得分值｡f(X)值越大,表示非建设用地开发可能性越大,在开发过程中政府投入资金建设公共服务设施和市政设施的可能性越大｡

3.1 自然地理因子评价

　　非建设用地的建设适宜性通常由其自然属性决定｡因此,主要从高程､坡度及现状非建设用地属性进行分析｡根据广 州市实际情况,将其高程 分为 4个级别,并对各级别用地适宜性进行赋值(表3)｡一般坡度大于 25% 的用地不适宜开发,而 坡 度 小 于10%的用地最适宜开发,故将坡度分为3个级别,并对不同级别坡度用地进行适宜性赋值｡现状非建设用地属性不同也会影响用地开发建设的适宜性,基于用地属性及开发政策,分别对2010年广州市各类非建设用地的适宜性进行赋值｡

表3　自然地理因子赋值

3.2 非建设用地开发区位因子评价

　　为保证用地的连续性和紧凑开发,鼓励集约用地,以 现状建设用地为基础,作环数为5､间距为1200m的分级缓冲区分析,将非建设用地与相邻现状建设用地边界最短距离划分6个级别并赋值(表4)｡为体现规划的引领作用及城市商业中心的辐射范围,根据相关规划及广州市实际情况确定越秀区北京路商 业中心､天河区 天河商业广场､番禺副中心､南沙滨海新城､空港新城和黄埔-萝岗副中心等作为城市商业中心;以该商业中心为核心,作环数为9､间距为2 000 m 的分级缓冲区分析,将非建设用地与上述规划服务中心最短距离划分 10个级别并赋值。为体现交通引导发展及重要市政设施的对外服务能力，以规划轨道交通站点为中心，作环数为5、间距为1000ｍ 的分级缓冲区分析，将非建设用地与规划轨道交通站点最短距离划分 6个级别并赋值。为了促进城区紧凑发展，提高基础设施服务效率，以现状建成区为基础，作环数为5、间距为1000ｍ 的分级缓冲区分析，将非建设用地与现状建成区最短距离划分6个级别并赋值。

表4　非建设用地开发区位因子赋值

3.3 政策策略性分区因子评价

　　政策策略性分区主要包括重点策略发展地区､非重点策略发展地区､政策性限制开发地区及生态控制地区｡其中,重点策略发展地区主要是国家级策略重点区域,其开发可能性最大,赋值为2;高新技术产业开发区､经济技术开发区等非重点策略发展地区用地条件较差,但仍具有较高的开发可能性,赋值为1;政策性限制开发地区(包括基本农田､自然与文化遗产保护区)开发可能性较小,赋值为0.5;生态控制地区赋值为0｡

3.4 综合指数评价结果

　　根据式(3),利用 GIS软件对研究范围内非建设用地开发性进行综合分析,确定其开发性综合指数大小并进行重分类,共分为7级:0~22､23~46､47~76､77~116､117~168､169~224､225~288｡结果显示,非建设用地开发性综合指数较大的地区集中在番禺区､黄埔区､白云区､花都区和南沙区等区域,其空间分布与广州市未来发展方向基本吻合｡

4 增长边界划定

　　UGB的划定实际上是依据 UGB的规模容量预测,结合城市增长的空间分配,选择开发性指数较高的非建设用地作为城市开发用地的过程｡根据《广州城市总体规划纲要(2011-2020)》,2020年广州市人口规模预计达到 1 800万,比本研究基期约增加550万｡鉴于研究范围未包括增城区和从化区,最后确定2010-2020 年 研究区内人口增长约 500 万｡按照人均建设用地控制在100m2计算,则新增建设用地规模约500km2,根据此规模确定 UGB 的规模容量控制目标｡根据开发性综合指数由高到低次序,确定开发性指数大于144的非建设用地作为未来最适宜开发建设用地｡这些最适宜开发建设用地主要位于城市建成区附近,受城市现状公共服务设施和市政设施的影响明显,开发建设所需的“六通一平”(路､上水､下水､电､讯､燃气､土地平整)成本较低｡在未来的开发建设过程中,政府极有可能在这些地区增加公共财政支出以完善基础设施建设｡

　　为使 UGB能真正促进城市紧凑发展,方便城市管理,根据突出自然要素界限､围合完整､填充式发展及建成区归并等原则,对未来最适宜开发建设用地和建成区进行归并,确定2020年广州市 UGB 控制规模为1 581.90km2｡2020年广州市 UGB 大致形成了流溪河以北的机场､花都区连片建设区,珠江以北､流溪河以南和帽峰山等自然山体以南连片建设区,海珠区和番禺区北部连片建设区,南沙区连片建设区等多片集中建设区,总体呈现了“中心城区+外围”多个集中建设片区的发展格局(图5)｡

图5　2020年广州城市增长边界

5 结论

　　目前,国内对城市空间增长的实际调控侧重于生态空间管制,通过建立适宜建设区､限制建设区和禁止建设区(城市总体规划)或允许建设区､有条件建设区､限制建设区和禁止建设区(土地利用总体规划)管理城市空间扩张｡然而,在快速城镇化进程中,多数未经充分论证而建立的空间管制分区管理面临巨大挑战,政府现有城市空间增长管理甚至失效,各种空间规划存在冲突而不停地修改｡将城市公共服务设施和市政设施综合服务水平融入UGB的划定过程已受到一些研究者或政府部门的关注｡从城市空间扩张的经济学动力看,基础设施综合服务水平较高的地区城市空间开发成本较低,城市经济活动集聚较为明显,非建设用地转为城市建设用地的可能性较大[35]｡以往城市增长边界划定的研究对基础设施引导城市空间增长的考虑不足,而基于基础设施综合服务水平的城市增长边界划定能较为合理地确定未来城市用地的扩张方向,符合城市发展实际用地需求,有利于降低政府在城市基础设施的投入｡这种增长边界具有现实性和可实施性｡

　　(1)通过城市现状服务边界与城市建成区边界的对比,可明确城市无序发展区和服务供给不足的地区和规模,对指导城市开发建设具有重要的指导意义｡研究发现,2010年广州市基础设施较为完善的建成区规模要小于统计数据,这说明部分郊区镇(街)对基础设施建设投资相对滞后,基础设施综合服务水平要远落后于越秀区和荔湾区等中心城区｡因此,完善郊区公共服务设施及市政设施建设,有助于老城区人口及产业向近郊迁移,以缓解内城拥堵问题,提高郊区建设用地节约集约利用｡

　　(2)划定 UGB主要是满足城市未来发展用地需求和维护区域生态安全格局｡通过对城市非建设用地的自然地理因子､开发区位因子､政策策略性分区因子等进行综合评价,确定城市非建设用地开发性综合指数｡该指数的大小不仅反映了城市非建设用地转化为城区的可能性,还体现了现状城市基础设施对其辐射强弱:一般越接近城市建成区,非建设用地开发性综合指数越大,土地开发过程中的“六通一平”成本较低,但拆迁成本较高｡研究发现,规划期内广州市非建设用地开发性综合指数较大的地区集中在番禺､黄埔､白云､花都和南沙,较小的地区主要分布在花都､白云､黄埔和南沙｡花都､白云和黄埔等是广州市北部的生态屏障,区域内水源保护区。森林保护区等生态用地较多,未来土地开发应维护生态安全格局,防止水土流失｡作为南拓的核心区域,番禺和南沙等区域内连片优质耕地较多,未来建成区扩展应避免大规模占用耕地,特别是基本农田｡

　　(3)UGB规模和范围界线的确定可根据城市人口增长规模预测,优先选择非建设开发性指数较高的用地作为城市未来建设用地,即:将开发性指数较高的非建设用 地 与 基础设施较为完善的建成区归并｡研究发现,2020 年广州市 UGB 大致形成了流溪河以北的机场､花都区连片建设区,珠江以北､流溪河以南和帽峰山等自然山体以南连片建设区,海珠区和番禺区北部连片建设区､南沙区连片建设区等多片集中建设区,总体呈现了“中心城区+外围”多个集中建设片区的发展格局,其范围与广州市“东进､北优､南拓”发展方向基本吻合｡

　　(4)虽然本方法在划定 UGB时考虑了城市基础设施综合服务水平及其对城市空间开发导向 的作用,但空间开发导向具有时效性,对于政策多变的快速城镇化地区,仍难以精确地引导城市空间拓展｡因此,与美国明尼阿波利斯—圣保罗都会区一样(城市服务边界每5年调整一次),需不断地调整､完善城市增长边界,以保障社会经济发展的用地需求及维护生态安全格局｡

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