重慶主城區(qū)建設(shè)用地爬坡特征及其圈層性

彭秋志，鄧啟輝，馬少華，馬經(jīng)緯

（昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，云南·昆明 650093）

中國山地丘陵區(qū)域分布著大量在復(fù)雜地形上建立的城市，其中許多城市在進(jìn)入21世紀(jì)后迎來高速擴(kuò)張，引發(fā)了如何妥善利用坡地資源緩解建設(shè)用地供需矛盾的熱烈探討和實(shí)踐摸索[1-4]。隨著工程技術(shù)手段進(jìn)步，以及城市空間增長理念逐漸由外延擴(kuò)張為主向內(nèi)涵提升為主轉(zhuǎn)變，原有關(guān)于建設(shè)用地與坡度關(guān)系的一些認(rèn)識日益背離新的城市建設(shè)實(shí)踐。以原建設(shè)部頒布的國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《城市用地豎向規(guī)劃規(guī)范（CJJ 83-99）》（以下簡稱《CJJ 83-99》）及后續(xù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部修訂頒布的《城鄉(xiāng)建設(shè)用地豎向規(guī)劃規(guī)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(shè)用地坡度上限規(guī)定為25%（≈14.0°），該規(guī)定在17年后的《CJJ 83-2016》中依然未變。然而數(shù)以百計(jì)的山地丘陵城鎮(zhèn)在此期間經(jīng)歷了面向6°~25°坡地資源的低丘緩坡開發(fā)利用試點(diǎn)[5-6]，這或許已經(jīng)帶來了不少“違規(guī)”現(xiàn)象。其二，兩版規(guī)范所遵循的理念均是越往中心城區(qū)方向越推薦趨平布局，而越往郊區(qū)、鄉(xiāng)村方向則越放開用地坡度限制，以此引導(dǎo)建設(shè)用地布局形成“內(nèi)緩?fù)舛浮比痈窬?。然而該理念違背了坡地建設(shè)與運(yùn)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(fù)雜地形上且具有一定規(guī)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(kuò)張過程中，是否存在建設(shè)用地持續(xù)爬坡且上限坡度“違規(guī)”現(xiàn)象日益增多的情形？（2）山地丘陵城市的建設(shè)用地水平布局會更趨向“內(nèi)緩?fù)舛浮边€是“內(nèi)陡外緩”？這兩個問題的答案將直接決定有無必要進(jìn)一步修訂完善《城鄉(xiāng)建設(shè)用地豎向規(guī)劃規(guī)范》中的相關(guān)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(qū)為案例區(qū)域，以數(shù)字高程模型（DEM）和3期（2000年、2010年和2020年）建設(shè)用地解譯產(chǎn)品為數(shù)據(jù)源，運(yùn)用坡譜分析法，多角度解析建設(shè)用地坡度梯度分布演變特征；提出分坡度區(qū)段標(biāo)準(zhǔn)差橢圓疊置法，探究建設(shè)用地爬坡現(xiàn)象的水平圈層分異特征。該研究旨在增進(jìn)對城市坡地建設(shè)布局規(guī)律的認(rèn)識，為完善相關(guān)技術(shù)規(guī)范及規(guī)劃管控政策提供科學(xué)支持。

1 研究區(qū)概況

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

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

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

研究區(qū)行政界線來自重慶市標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)（http://www.cqmap.com/bzdt/）。DEM數(shù)據(jù)來源于美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）發(fā)布的SRTM1 v3.0數(shù)據(jù)（https://earthexplorer.usgs.gov/），分辨率約為30m，通過ArcGIS進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換后，用Slope工具運(yùn)算得到主城九區(qū)坡度值。主城區(qū)2000年和2010年建設(shè)用地?cái)?shù)據(jù)來源于FROM-GLC（全球土地覆蓋物精細(xì)分辨率觀測和監(jiān)測）數(shù)據(jù)集（http://data.ess.tsinghua.edu.cn/），分辨率為30m；2020年建設(shè)用地?cái)?shù)據(jù)在2017年FROM-GLC基礎(chǔ)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(shè)用地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行了修正（圖2）。鑒于水域通常不宜納為建設(shè)用途，而研究區(qū)內(nèi)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(guān)坡度分析的影響，在進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析前均已剔除水域。

圖2 研究區(qū)不同時期建設(shè)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(xué)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(jìn)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(biāo)（自變量）所構(gòu)成的二維統(tǒng)計(jì)圖表皆可稱為“坡譜”。文中將使用兩類坡譜（建設(shè)用地頻率坡譜和建設(shè)用地密度坡譜）解析建設(shè)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(tǒng)計(jì)的坡度區(qū)間設(shè)為[0°, 45°)；坡度分級間隔除特別說明外均為1°，第1坡度區(qū)段為 [0°, 1°)，類推至第 45 坡度區(qū)段為 [44°, 45°)。

（1）建設(shè)用地頻率坡譜

建設(shè)用地頻率坡譜是由各坡度區(qū)段建設(shè)用地面積頻率構(gòu)成的坡譜，用于反映建設(shè)用地自身在各坡度區(qū)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(qū)段的建設(shè)用地面積頻率，ULAi為第i個坡度區(qū)段的建設(shè)用地面積，ULA為所有坡度區(qū)段建設(shè)用地面積之和，n為坡度區(qū)段總數(shù)。另采用平均坡度（μ）、偏態(tài)系數(shù)（SK）、峰態(tài)系數(shù)（K）、均勻度（E）、大于14°坡地率（GT14）等指數(shù)（表1）[9,11]，對建設(shè)用地頻率坡譜進(jìn)行多角度解讀。

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

（2）建設(shè)用地密度坡譜

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

式中：DULAi為第i個坡度區(qū)段的建設(shè)用地密度，ULAi為第i個坡度區(qū)段的建設(shè)用地面積，LAi為第i個坡度區(qū)段的土地面積。

2.3 圈層分析方法

為回答研究區(qū)建設(shè)用地水平布局會更趨向“內(nèi)緩?fù)舛浮边€是“內(nèi)陡外緩”的疑問，提出一種分坡度區(qū)段生成標(biāo)準(zhǔn)差橢圓進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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?；贏rcGIS軟件平臺，將所需建設(shè)用地柵格文件轉(zhuǎn)換成矢量點(diǎn)文件作為輸入，然后運(yùn)行Directional Distribution工具即可獲得所需標(biāo)準(zhǔn)差橢圓。以此為基礎(chǔ)開展分坡度區(qū)段標(biāo)準(zhǔn)差橢圓疊置分析法的流程設(shè)計(jì)：針對每一期建設(shè)用地，在[0°,45°)范圍內(nèi)，從緩至陡以一定間隔劃分坡度區(qū)段，將每一坡度區(qū)段內(nèi)的建設(shè)用地分別繪制成標(biāo)準(zhǔn)差橢圓，通過依次比較各相鄰坡度區(qū)段標(biāo)準(zhǔn)差橢圓間的面積大小及疊置包含關(guān)系，辨別建設(shè)用地水平分布是否隨坡度區(qū)段變化而構(gòu)成向外遞增或向內(nèi)遞增的圈層梯度。

關(guān)于疊置包含關(guān)系辨別，除進(jìn)行定性的空間疊置判讀外，還構(gòu)建面積融入率指標(biāo)進(jìn)行定量表達(dá)。設(shè)有兩個標(biāo)準(zhǔn)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(qū)面積；Sa表示a的面積。融入程度判定標(biāo)準(zhǔn)設(shè)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(dá)到100%為完全融入。

3 結(jié)果與分析

3.1 建設(shè)用地爬坡特征

（1）建設(shè)用地頻率的坡度分布與變化

無論從3個年份的現(xiàn)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(qū)建設(shè)用地頻率坡譜曲線一直保持著右偏尖峰形態(tài)（表2），表明研究區(qū)建設(shè)用地一直屬于趨平布局，符合城市建設(shè)用地豎向布局的一般規(guī)律。在“既利于排水又盡量平坦”的基本擇地原則下，城市建設(shè)用地頻率坡譜的頻率峰值坡度區(qū)段通常位于1°或2°附近[6,9,11]。而研究區(qū)的建設(shè)用地頻率峰值坡度區(qū)段一直穩(wěn)定在[3°, 4°)，說明該區(qū)域的背景地形整體更為崎嶇，更易出現(xiàn)建設(shè)用地爬坡現(xiàn)象。除形態(tài)類型和峰值坡度區(qū)段的穩(wěn)定，還能結(jié)合圖3和表2解讀出一些相對穩(wěn)定的關(guān)鍵坡度（區(qū)段），如頻率穩(wěn)定下降區(qū)段是 [0°, 6°)，頻率穩(wěn)定上升區(qū)段為 [7°, 17°)，降升轉(zhuǎn)折點(diǎn)一直位于7°附近。該現(xiàn)象與重慶市近年來重點(diǎn)面向6°~25°坡地的低丘緩坡土地開發(fā)利用試點(diǎn)形成了較好的對應(yīng)關(guān)系[2]。

圖3 不同時期研究區(qū)建設(shè)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(shè)用地頻率坡譜形態(tài)逐漸朝正態(tài)分布方向演化（表2）。一方面表現(xiàn)為偏態(tài)系數(shù)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(xiàn)為峰態(tài)系數(shù)從尖峰態(tài)（K>0）朝著標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)（K=0）的方向逐漸減小，以及均勻度E的逐漸增大。研究區(qū)建設(shè)用地中大于14°坡地占比（GT14）在2000年時已達(dá)到8.23%，而另一個面臨建設(shè)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(qū)早已出現(xiàn)大量違背《CJJ 83-99》中14°上限規(guī)定的爬坡現(xiàn)象。不僅如此，研究區(qū)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(jìn)一步上升了0.99%，達(dá)至2020年的9.53%，加速上升趨勢明顯。綜上，研究區(qū)經(jīng)歷了一個坡度重心逐漸上升的建設(shè)用地爬坡過程，建設(shè)用地上限坡度“違規(guī)”現(xiàn)象已較為常見，且無論從絕對數(shù)量看還是從相對比例看均在日益增多。

表2 建設(shè)用地頻率坡譜基本統(tǒng)計(jì)信息Table 2 Summary of basic statistics for the slope frequency distribution of construction land

（2）建設(shè)用地密度的坡度分布與變化

利用建設(shè)用地密度坡譜能進(jìn)一步探究坡度梯度上建設(shè)用地與非建設(shè)用地之間的對比關(guān)系。無論基于3個年份的現(xiàn)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(qū)建設(shè)用地密度一直穩(wěn)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(shè)用地在土地利用中的占比越大。

隨時間推移，在各個坡度區(qū)段內(nèi)都出現(xiàn)了建設(shè)用地密度持續(xù)增大現(xiàn)象，且增加幅度均隨坡度趨陡而減小，表明每個時期的建設(shè)用地密度增長在各個坡度區(qū)段間存在同向協(xié)同關(guān)系，同時也說明坡地建設(shè)總是滯后于平地建設(shè)。2000~2010年間與2010~2020年間的差異主要體現(xiàn)在0°~7°的平緩坡度區(qū)段（圖4b），即前一時期在平緩?fù)恋厣系慕ㄔO(shè)用地?cái)U(kuò)張規(guī)模明顯大于后一時期。這些共同體現(xiàn)出研究區(qū)城市擴(kuò)張?jiān)谄露忍荻确较蛏戏浅Ｑ杆?，同時也提示開發(fā)難度低的平緩?fù)恋刭Y源在迅速減少。

圖4 不同時期研究區(qū)建設(shè)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(shè)用地與坡度關(guān)系的水平圈層時空格局

結(jié)合研究區(qū)建設(shè)用地主要分布在20°以內(nèi)（圖3）的實(shí)際，以 5°、10°、15°和 20°為斷點(diǎn)將 [0°, 45°)區(qū)間劃分成5個坡度區(qū)段，并依次編號I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、V?；谙鄬Υ笮『拖鄬ξ恢藐P(guān)系（圖5）可直觀看出，無論哪一時期，建設(shè)用地標(biāo)準(zhǔn)差橢圓均隨坡度增大而逐漸向內(nèi)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(qū)段間，較小標(biāo)準(zhǔn)差橢圓對較大標(biāo)準(zhǔn)差橢圓的融入率均達(dá)到了較多融入（超過75%）級別，特別是在5°~45°的各坡度區(qū)段之間均達(dá)到了高度融入（超過95%）甚至完全融入（達(dá)到100%）級別。由此可知，研究區(qū)建設(shè)用地的水平分布確實(shí)存在隨坡度增大而向內(nèi)聚集的圈層梯度，即坡地建設(shè)的空間布局比平地建設(shè)的空間布局更為緊湊內(nèi)聚。

圖5 各時期各坡度區(qū)段建設(shè)用地標(biāo)準(zhǔn)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(qū)段間建設(shè)用地標(biāo)準(zhǔn)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(jié)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(guī)范性指導(dǎo)文件。然而，重慶市主城區(qū)建設(shè)用地中大于14°坡地率GT14不僅早已高達(dá)8%以上，而且不斷在升高，這直接表明該系列規(guī)范的約束力不僅不夠強(qiáng)，而且在持續(xù)減弱。仍然維持城市建設(shè)用地坡度上限為14°的相關(guān)規(guī)定正日益值得商榷。根據(jù)建設(shè)用地頻率坡譜（圖3），若以違規(guī)比例不超過5%為標(biāo)準(zhǔn)，重慶市主城區(qū)的建設(shè)用地坡度上限應(yīng)至少上調(diào)到18°附近，若以1%為標(biāo)準(zhǔn)則應(yīng)至少上調(diào)到23°附近。放眼全國，重慶雖然在山地城市研究領(lǐng)域獲得了較多關(guān)注，但它并非唯一面臨建設(shè)用地爬坡問題的城市[6]。我們基于GLC_FCS30-2020數(shù)據(jù)[13]，以2020年城區(qū)建設(shè)用地平均坡度進(jìn)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(jù)此推斷，建設(shè)用地持續(xù)爬坡導(dǎo)致坡度上限“違規(guī)”日益增多的情形或許已在不少城市出現(xiàn)。基于本文認(rèn)識，建議以與時俱進(jìn)的眼光再次審視相關(guān)規(guī)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(yīng)城市坡地建設(shè)布局發(fā)展變化的客觀規(guī)律，切實(shí)減少“違規(guī)”現(xiàn)象，維護(hù)相關(guān)規(guī)范的普適性和權(quán)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(wěn)定、人口和建設(shè)用地“城增村減”是長期趨勢。推動人口從鄉(xiāng)村尤其是山區(qū)農(nóng)村向城鎮(zhèn)轉(zhuǎn)移定居，不僅能有效緩解廣大山區(qū)的人類活動壓力，助力提升生態(tài)碳匯，同時能極大提高經(jīng)濟(jì)社會宏觀運(yùn)營效率，促進(jìn)節(jié)能減排降耗[14]。南方山地丘陵區(qū)域大部分仍處于快速城鎮(zhèn)化中期[15]，許多城鎮(zhèn)面臨著不同程度的地形制約，新的建設(shè)用地爬坡現(xiàn)象或?qū)⒉粩嘤楷F(xiàn)。如何妥善處理好建設(shè)用地爬坡過程中涉及的耕地保護(hù)、生態(tài)建設(shè)、開發(fā)成本控制、運(yùn)營效益提升等復(fù)雜關(guān)系，是國土空間開發(fā)保護(hù)實(shí)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(fā)利用等政策刺激下，部分城市在大規(guī)模改造地形后未能及時跟進(jìn)高效開發(fā)利用，致使土地長期處于低效利用狀態(tài)，甚至產(chǎn)生大量閑置裸地，不但沒能實(shí)現(xiàn)集聚人口和經(jīng)濟(jì)、緩解自然生態(tài)系統(tǒng)所受壓力的初衷，反而使項(xiàng)目區(qū)土地出現(xiàn)生態(tài)效益驟降、水土流失加劇等新問題。本文分析發(fā)現(xiàn)，重慶市建設(shè)用地爬坡現(xiàn)象在開發(fā)時序上相對延后，在空間布局上更多表現(xiàn)為向內(nèi)填充而非向外蔓延，發(fā)揮了明顯的充填效應(yīng)，促進(jìn)了城市空間的集約緊湊，符合新時期城市內(nèi)涵式發(fā)展的國土空間開發(fā)保護(hù)理念。這種“先平后坡，外延趨平，內(nèi)填爬坡”的模式更易控制成本和進(jìn)度，也更能防范出現(xiàn)低效爬坡或爬坡“爛尾”現(xiàn)象，值得在類似城市推廣。

4.2 結(jié)論

從坡度梯度及其圈層格局視角分析了重慶市主城區(qū)建設(shè)用地與坡度關(guān)系的時空格局特征，得出以下結(jié)論：

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

（2）研究區(qū)建設(shè)用地水平分布更趨向“內(nèi)陡外緩”圈層格局。各時期現(xiàn)狀及新增建設(shè)用地標(biāo)準(zhǔn)差橢圓均呈現(xiàn)隨坡度上升而趨于內(nèi)縮的圈層特征，表明在水平方向上，坡地建設(shè)比平地建設(shè)更為緊湊內(nèi)聚。

（3）有必要繼續(xù)完善《城鄉(xiāng)建設(shè)用地豎向規(guī)劃規(guī)范（CJJ 83-2016）》中的坡度上限和坡度區(qū)位規(guī)定。可將城鎮(zhèn)建設(shè)用地選擇的自然坡度上限由現(xiàn)行25%（≈14°），上調(diào)至35%（≈20°）附近；可將現(xiàn)行對城鎮(zhèn)中心區(qū)用地坡度上限的特別規(guī)定去除，留給規(guī)劃師們更多創(chuàng)意空間，讓城鎮(zhèn)在統(tǒng)一的坡度上限規(guī)定下自行發(fā)展出符合自身特征的陡緩格局。在此基礎(chǔ)上，各地可根據(jù)自身實(shí)際出臺更為嚴(yán)格的地方性規(guī)定，尤其應(yīng)防止平地充裕的地區(qū)盲目侵占山體搞建設(shè)。