基于DTTD-MCR-PLUS模型的三生空間格局優(yōu)化
——以長沙市為例

張 考,黃春華,王志遠(yuǎn),伍瑾意,曾志強(qiáng),穆佳佳,楊文挹

1 南華大學(xué)建筑學(xué)院,衡陽 421001 2 浙江漢宇設(shè)計(jì)有限公司,義烏 322000 3 湖南省健康城市營造工程技術(shù)中心,衡陽 421001 4 南華大學(xué)土木工程學(xué)院,衡陽 421001

黨的十八大報(bào)告將優(yōu)化國土空間開發(fā)格局作為生態(tài)文明建設(shè)的首要舉措,提出“促進(jìn)生產(chǎn)空間集約高效、生活空間宜居適度、生態(tài)空間山清水秀”的總體要求。三生空間作為人類活動(dòng)的載體,承載著人民對(duì)美好生活的向往,是國土空間配置優(yōu)化的核心組成部分。其中,三生空間格局優(yōu)化將開發(fā)保護(hù)制度與各類尺度空間規(guī)劃落位于主體功能區(qū)之中,促進(jìn)國土空間從頂層設(shè)計(jì)層面實(shí)現(xiàn)配置優(yōu)化,進(jìn)而優(yōu)化國土空間開發(fā)格局。

當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者從“邊界劃定”和“三生空間”兩個(gè)方面對(duì)國土空間配置優(yōu)化展開討論。其中“邊界劃定”視角下,研究者從建設(shè)用地開發(fā)適宜性評(píng)價(jià)和資源環(huán)境承載力視角[1—8],利用CA模型從不同情景劃定建設(shè)用地剛性與彈性邊界[9—14]。如張韶月等[7]基于雙評(píng)價(jià)結(jié)果協(xié)調(diào)生態(tài)保護(hù)紅線與永久基本農(nóng)田沖突區(qū),利用FLUS-UGB模型劃定了長春市城鎮(zhèn)開發(fā)邊界,完善了多規(guī)合一視角下的城鎮(zhèn)開發(fā)邊界劃定方法；王志遠(yuǎn)等[10]基于建設(shè)用地適宜性評(píng)價(jià),探討了納入動(dòng)態(tài)交通數(shù)據(jù)是否會(huì)影響城市增長邊界劃定的準(zhǔn)確性,其結(jié)果表明納入動(dòng)態(tài)交通數(shù)據(jù)作為建設(shè)用地驅(qū)動(dòng)因子有助于進(jìn)一步提升城市增長邊界劃定的準(zhǔn)確性。而嚴(yán)政等[15]和馮濤等[16]認(rèn)為“邊界劃定”視角雖從建設(shè)用地本底視角優(yōu)化區(qū)域國土空間格局,但未考慮經(jīng)濟(jì)發(fā)展要素對(duì)區(qū)域內(nèi)的生產(chǎn)、生活和生態(tài)要素的影響,該方法可能會(huì)影響主體功能區(qū)的準(zhǔn)確性劃定。此后林伊琳等[17]采用MCR模型,從生態(tài)安全格局視角下對(duì)國土空間配置數(shù)量進(jìn)行優(yōu)化,借助Makov-FLUS模型從生產(chǎn)、生活擴(kuò)張和生態(tài)優(yōu)先三個(gè)視角模擬了滇中城市群未來三生空間,完善了三生空間視角下的國土空間配置優(yōu)化方法。

對(duì)于區(qū)域三生空間配置優(yōu)化而言,未來三生空間預(yù)測模型的選擇是優(yōu)化區(qū)域三生空間格局的關(guān)鍵。在以往用地模擬研究中,研究者常采用CA-Markov、Clues和FLUS等模型模擬未來土地空間分布格局。其中早期以CA-Markov模型為代表,該模型借助Markov模型分析歷史土地利用變化規(guī)律,在預(yù)測時(shí)僅需兩期土地利用數(shù)據(jù),在用地空間布局模擬時(shí)較為便捷[18—19],但有學(xué)者[20—21]指出該模型未探討土地利用空間變化與空間驅(qū)動(dòng)因子關(guān)系,可能會(huì)導(dǎo)致模型模擬精度不高。此后,Peter Verburg提出了基于Logistic算法的Clues模型,探討了土地利用空間變化與空間驅(qū)動(dòng)因子的關(guān)系[2,13],較大的提升了模型預(yù)測精度[22—24],但Liang等[25]人指出土地利用變化與空間驅(qū)動(dòng)因子是復(fù)雜的非線性關(guān)系,為完善Clues模型缺陷,提出了基于隨機(jī)森林算法下的PLUS模型,該模型利用隨機(jī)森林算法較好的解釋了土地空間變化與空間驅(qū)動(dòng)因子的相關(guān)性,并采用自適應(yīng)慣性循環(huán)機(jī)制預(yù)測了未來不同土地類型的空間分布,已被廣泛應(yīng)用于土地利用空間分布預(yù)測。

綜上所述,現(xiàn)有生態(tài)安全格局評(píng)價(jià)體系研究缺乏引入動(dòng)態(tài)交通時(shí)間數(shù)據(jù),在三生空間配置優(yōu)化方法中對(duì)生態(tài)保護(hù)紅線與永久基本農(nóng)田沖突區(qū)上呈現(xiàn)協(xié)調(diào)不足,為完善生態(tài)安全格局指標(biāo)體系在多規(guī)合一視角下的三生空間配置優(yōu)化中的應(yīng)用,本文以長沙市為例,結(jié)合動(dòng)態(tài)交通數(shù)據(jù)(DTTD)、最小阻力成本模型(MMCR)以及PLUS模型(Patch-generating land use simulation),提出了基于DTTD-MCR-PLUS模型的三生空間格局優(yōu)化方法,通過構(gòu)建“生活優(yōu)先”、“生態(tài)優(yōu)先”和“糧食安全”三種情景,模擬2030年不同情景下的長沙市三生空間格局,并基于現(xiàn)狀三生空間用地類型,協(xié)調(diào)基本農(nóng)田、自然保護(hù)區(qū)以及生態(tài)紅線沖突區(qū),提出多情景預(yù)測結(jié)果下的綜合優(yōu)化方案,以期為長沙市生態(tài)環(huán)境保護(hù)、資源有效利用以及國土空間規(guī)劃編制提供理論參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

長沙市地處湖南省東部,位于東經(jīng)111°53′—114°15′,北緯27°51′—28°41′之間,市域共有 6 個(gè)區(qū) 1 個(gè)縣,2 個(gè)縣級(jí)市,全域面積為11849.94 km2,如圖1所示。區(qū)域內(nèi)地形東西高,中部低,年均降水量為1358.6—1552.5 mm。近年來長沙市“生活空間”擴(kuò)張速度持續(xù)加快,且生態(tài)空間數(shù)量持續(xù)下降。作為湖南省省會(huì)城市、長株潭城市群核心城市,長沙市未來“生活”和“生產(chǎn)”空間需求將進(jìn)一步加大,生態(tài)空間將面臨重大考驗(yàn),如何精確識(shí)別長沙市生態(tài)安全格局,協(xié)調(diào)長沙市三生空間的供給平衡,模擬未來長沙市三生空間分布狀況,有助于提出更為合理的長沙市國土空間格局的優(yōu)化方案。

圖1 長沙市區(qū)位圖Fig.1 Location of Changsha City

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究所用數(shù)據(jù)包括土地利用數(shù)據(jù)、地形地貌數(shù)據(jù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、POI點(diǎn)數(shù)據(jù)、百度地圖動(dòng)態(tài)交通時(shí)間數(shù)據(jù)、道路網(wǎng)數(shù)據(jù)和禁止建設(shè)區(qū)數(shù)據(jù)。其中長沙市2000年、2010年和2018年30 m土地利用數(shù)據(jù)來源于中科院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/Default.aspx),用于識(shí)別長沙市各時(shí)期的三生空間；地形地貌數(shù)據(jù)包括高程、坡度和坡向數(shù)據(jù),其中30 m高程數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/),坡度和坡向是利用高程數(shù)據(jù)是在GIS空間分析工具生成；社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)主要包括1 公里GDP和人口密度柵格,來源于中科院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心,人口數(shù)據(jù)來源于中國知網(wǎng)(https://www.cnki.net/)下載的《長沙市統(tǒng)計(jì)年鑒》；氣象數(shù)據(jù)包括年平均氣溫和年平均降水,來源于中科院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心；POI數(shù)據(jù)和百度動(dòng)態(tài)交通數(shù)據(jù)來源于百度地圖,其中動(dòng)態(tài)交通時(shí)間數(shù)據(jù)是通過火車頭采集軟件向百度地圖批量請(qǐng)求2021年3月8日至3月18日每日早8點(diǎn),中午12點(diǎn)以及下午18點(diǎn)三個(gè)時(shí)段到達(dá)長沙市各行政區(qū)中心所需交通時(shí)間的時(shí)間點(diǎn)導(dǎo)航數(shù)據(jù)；道路網(wǎng)數(shù)據(jù)來源于OSM(Open Street Map)地圖；禁止建設(shè)區(qū)數(shù)據(jù)包含長沙市生態(tài)保護(hù)紅線、自然保護(hù)區(qū)數(shù)據(jù)和基本農(nóng)田,來源于長沙市自然資源和規(guī)劃局。

表1 三生空間分類標(biāo)準(zhǔn)[26—28]

2 研究方法

2.1 基于最小成本距離法的生態(tài)安全格局識(shí)別

識(shí)別長沙市生態(tài)安全格局是國土空間格局優(yōu)化的關(guān)鍵要素,該部分主要分為目標(biāo)源的選取、阻力面的構(gòu)建和最小累計(jì)阻力面的測算三個(gè)部分[29—30]。

2.1.1目標(biāo)源的選取

目標(biāo)源的選取是利用MCR模型識(shí)別長沙市生態(tài)安全格局的首要要素,包含生態(tài)空間源選取和生活源選取兩個(gè)部分。生態(tài)空間源的選取主要包括生態(tài)保護(hù)紅線、自然保護(hù)區(qū)和研究區(qū)內(nèi)的公園綠地,其中生態(tài)保護(hù)紅線和自然保護(hù)區(qū)是城市具有重要生態(tài)功能的區(qū)域,將此作為生態(tài)源,是維系長沙市生態(tài)安全的基本保障區(qū)域[19],而城市公園綠地是城市景觀構(gòu)成要素,將其選為生態(tài)源是維系城市品質(zhì)的必要條件；生活源的選取主要包括長沙市內(nèi)公共服務(wù)設(shè)施,含長沙市域范圍內(nèi)的學(xué)校、醫(yī)院、政府機(jī)關(guān)所在地、銀行和醫(yī)療POI點(diǎn)要素,這些要素是影響城市人民生活質(zhì)量的基礎(chǔ)要素,將此作為生活源是維護(hù)城市高質(zhì)量發(fā)展的基本保障。

2.1.2阻力面構(gòu)建

阻力面的構(gòu)建是識(shí)別長沙市生態(tài)安全格局的關(guān)鍵要素,主要分為阻力源的選取、生態(tài)源和擴(kuò)張?jiān)醋枇υu(píng)價(jià)體系構(gòu)建以及最小阻力成本的測算。

在生活源和生態(tài)源阻力等級(jí)構(gòu)建上,本文從社會(huì)經(jīng)濟(jì)、地形地貌、氣候條件、以及公共服務(wù)設(shè)施可達(dá)性四個(gè)層面選取9個(gè)指標(biāo)作為生態(tài)源、生活源的阻力源,參考湖南省《雙評(píng)價(jià)技術(shù)指南》和以往研究構(gòu)建生態(tài)安全格局的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[17],對(duì)上述四個(gè)方面的阻力因子等級(jí)進(jìn)行劃分,并采用層次分析法確定權(quán)重,如表2所示。在因子分級(jí)劃分上,采用高成本、較高成本、中成本、較低成本和低成本5個(gè)等級(jí)?？紤]到各地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件的不同,本文采用自然斷點(diǎn)法對(duì)GDP和人口密度進(jìn)行分類；氣候條件和公共服務(wù)設(shè)施可達(dá)性分級(jí)是參考《湖南省雙評(píng)價(jià)技術(shù)指南》,并結(jié)合實(shí)際情況設(shè)置劃分。關(guān)于地形地貌條件在生態(tài)源最小阻力因子等級(jí)劃分上,孫麗蓉等[31]基于石羊河流域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空分布特征研究,指出生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間等級(jí)越低高程越高,坡度越大；劉迪等[32]以陜西省米脂縣為例對(duì)區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)與地形梯度進(jìn)行了相關(guān)性分析,結(jié)果表明生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)時(shí)空分布隨高程和坡度梯度變化顯著,高程越高和坡度越大的區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)與其風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)移越不明顯；另一方面從MCR模型構(gòu)建體系上上來看,林伊琳等[17]基于MCR-FLUS-Markov模型的滇中城市群國土空間格局優(yōu)化中采用高程越高、坡度越大的區(qū)域設(shè)置為生態(tài)成本阻力面較低的等級(jí),此外在基于自然修復(fù)理論角度來看,人類活動(dòng)干擾行為具有一定特殊性,針對(duì)自然修復(fù)理論中的基于人類對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的不同利用方式主要有未經(jīng)干預(yù)、最小干預(yù)和利用被修復(fù)生態(tài)系統(tǒng)三種方式[33],其中長沙市在高程越高和坡度越大的區(qū)域主要分布在長沙市西部和長沙市東北部,如圖4中的高程和坡度圖所示,該部分區(qū)域位于國土空間規(guī)劃劃定的生態(tài)安全屏障內(nèi),屬于最小干預(yù)方式,因此在長沙市生態(tài)源阻力面計(jì)算中,將高程越高和坡度越大的區(qū)域設(shè)置為低等級(jí)的生態(tài)阻力面。

表2 生態(tài)源、擴(kuò)張?jiān)醋枇Ψ旨?jí)及權(quán)重

2.1.3最小累計(jì)阻力的識(shí)別

最小累計(jì)阻力的計(jì)算是通過GIS中的最小成本距離工具計(jì)算得來,其計(jì)算方式如下所示[34]：

式中,Ci是指成本源到第i個(gè)像元的消耗總值；n為研究區(qū)的像元總數(shù)；Dk1是指只各區(qū)域沿像元邊長運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)源的最小累積成本；Dk2是指各區(qū)域沿像元的對(duì)角線方向運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)源的最小累計(jì)成本。

2.2 情景設(shè)置

考慮到長沙市未來三生空間發(fā)展的不確定性,研究結(jié)合生活成本與生態(tài)成本差值的突變分析,通過Markov模型設(shè)置“生活擴(kuò)張情景”、“生態(tài)優(yōu)先情景”和“糧食生產(chǎn)安全情景”三個(gè)部分。其中生活擴(kuò)張情景是指利用生態(tài)成本面與生活成本面的差值找出生活成本突變點(diǎn),再用Markov模型利用歷史轉(zhuǎn)移概率計(jì)算出生態(tài)空間和生產(chǎn)空間的數(shù)量,該情景下只以水域作為限制區(qū)；生態(tài)優(yōu)先情景是指基于生態(tài)成本面與生活成本面的差值找出生態(tài)成本突變點(diǎn),并利用歷史三生空間轉(zhuǎn)移概率結(jié)合Markov模型計(jì)算得來,該情景將生態(tài)保護(hù)紅線設(shè)置為限制區(qū)；糧食生產(chǎn)安全情景是指利用歷史人口數(shù)據(jù)先計(jì)算出長沙市未來人口數(shù)量,根據(jù)年人均糧食消耗量,反推出長沙市生產(chǎn)用地的需求,再利用人均建設(shè)用地面積計(jì)算出生態(tài)用地和生活用地的數(shù)量,與此同時(shí)在模擬時(shí)需將基本農(nóng)田設(shè)置為限制區(qū)。

表3 糧食需求預(yù)測

2.3 PLUS模型

PLUS模型是土地利用變化模擬的前沿模型,該模型主要由數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及土地利用空間變化提取、基于隨機(jī)森林下的用地適宜性概率分布預(yù)測、基于自適應(yīng)慣性機(jī)制空間分配和精度驗(yàn)證4大板塊組成,具體運(yùn)行機(jī)制及參數(shù)說明如表4所示[35]。

表4 PLUS模型

2.4 三生空間優(yōu)化路線

基于不同情景下的預(yù)測結(jié)果,結(jié)合當(dāng)前長沙市生態(tài)紅線、自然保護(hù)區(qū)與基本農(nóng)田沖突的實(shí)際情況,本文提出以現(xiàn)狀遙感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的綜合優(yōu)化方案。在該方案中,先從現(xiàn)狀遙感數(shù)據(jù)出發(fā),識(shí)別基本農(nóng)田和生態(tài)紅線以及生態(tài)紅線沖突區(qū)域內(nèi)的現(xiàn)狀土地利用類別,并基于現(xiàn)狀土地類別,調(diào)整區(qū)域的生態(tài)保護(hù)紅線和基本農(nóng)田紅線,并將優(yōu)化部分作為綜合優(yōu)化方案的本底,其次先將生態(tài)優(yōu)先情景下的生態(tài)空間疊加至上述優(yōu)化方案中,再將糧食安全情境下的生產(chǎn)空間分布納入該方案,最終將生活擴(kuò)張情景中的生活空間疊加至其中,形成了綜合各類情景模擬下的長沙市國土空間格局優(yōu)化方案，優(yōu)化方案流程如圖2所示。

圖2 三生空間優(yōu)化路線圖Fig.2 “production-living-ecological” spaces optimization roadmap

3 結(jié)果與分析

3.1 長沙市三生空間變化分析

根據(jù)表5分類結(jié)果,如圖3所示,長沙市三生空間格局主要以生態(tài)空間為主,2000年占比為65.77%,至2018年減少為63.60%,而生產(chǎn)空間和生活空間面積分別由2000年的3527.45 km2和162.05 km2,增長至2018年的3760.98 km2和547.40 km2。其中生產(chǎn)空間占生態(tài)空間轉(zhuǎn)出面積比例最高,2000—2010年生態(tài)空間共轉(zhuǎn)移159.72 km2,占比為61.78%；2010—2018年轉(zhuǎn)移244.91 km2,占比高達(dá)90.52%。另一方面生活空間增長速度提升最為明顯,尤其是2000—2010年,生活空間共增長241.28 km2,增長幅度高達(dá)90.82%,主要分布在望城區(qū)、長沙縣東北部以及瀏陽市；2010—2018年增長40.44 km2,增長幅度為7.98%,主要分布在長沙縣東部和天心區(qū)南部。

表5 2000—2018年三生空間轉(zhuǎn)移矩陣

圖3 2000—2018年長沙市三生空間格局Fig.3 The spatial pattern of “production-living-ecological” spaces in Changsha from 2000 to 2018

3.2 長沙市生態(tài)安全格局構(gòu)建

3.2.1生態(tài)源最小累計(jì)阻力測算

根據(jù)表2生態(tài)源阻力因子分級(jí)情況,通過GIS重分類工具將各空間要素進(jìn)行處理,得到生態(tài)阻力因子空間分布圖,如圖4所示,隨后通過GIS中的柵格計(jì)算器將各阻力因子空間分布圖進(jìn)行加權(quán)求和,得到生態(tài)源最小累計(jì)阻力等級(jí)圖,如圖5所示。各生態(tài)成本等級(jí)由低到高的面積分別為925.65 km2、2270.97 km2、3323.61 km2、4015.800 km2和1170.23 km2,其中成本低阻力和較低阻力的區(qū)域主要分布在長沙市的西部和東部,成本中阻力分布在各區(qū)縣中心城區(qū)周邊；成本較高阻力和高阻力分布在中心城區(qū)周邊及寧鄉(xiāng)市中心城區(qū)。

圖4 生態(tài)阻力因子Fig.4 Ecological resistance factor

圖5 生態(tài)源最小累計(jì)阻力等級(jí)Fig.5 Ecological source minimum cumulative resistance level

3.2.2生活源最小累計(jì)阻力測算

采用與生態(tài)成本同樣的計(jì)算方式得到生活源阻力因子等級(jí)(圖6)和生活成本因子等級(jí)圖(圖7)。生活源最小累計(jì)阻力等級(jí)由低到高的面積分別為807.20 km2、5297.37 km2、2686.30 km2、2180.24 km2和725.15 km2,其中擴(kuò)張阻力較小的區(qū)域主要分布在長沙市中心城區(qū)和寧鄉(xiāng)市中心城區(qū)附近,較高的區(qū)域主要分布在長沙市東部和西部。

圖6 生活阻力因子Fig.6 Resistance factor

圖7 生活源最小累計(jì)阻力等級(jí)Fig.7 Minimum cumulative resistance level of living source

3.2.3最小累計(jì)差值突變分析

通過GIS軟件的成本距離工具箱,分別計(jì)算出生態(tài)源最小累計(jì)阻力面和生活源最小累計(jì)阻力面,隨后采用柵格計(jì)算器計(jì)算出兩者的差值面,并對(duì)其差值面進(jìn)行突變分析。其結(jié)果如圖8所示,當(dāng) MCR 差值為-19915.64、-2011.26、12185.21和24576.51時(shí),柵格數(shù)目變化速度出現(xiàn)突變點(diǎn)。利用上述突變點(diǎn),對(duì)MCR差值面進(jìn)行重分類,提出國土空間格局?jǐn)?shù)量優(yōu)化配置分區(qū),即生態(tài)空間保護(hù)核心區(qū)、生態(tài)空間保護(hù)邊緣區(qū)、生產(chǎn)空間開發(fā)重點(diǎn)區(qū)、生產(chǎn)空間開發(fā)邊緣區(qū)和生活空間擴(kuò)張集中區(qū)。

3.2.4三生空間格局?jǐn)?shù)量優(yōu)化

依照最小累計(jì)阻力差值結(jié)果,對(duì)不同突變點(diǎn)下的各類三生空間數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì),并參照表4計(jì)算的糧食安全下的耕地?cái)?shù)量和生活空間,綜合Markov模型得出各情景下的三生空間數(shù)量關(guān)系如表6所示。其中生態(tài)優(yōu)先情景各類空間數(shù)量需求,是依照生態(tài)空間保護(hù)區(qū)和生態(tài)空間保護(hù)邊緣區(qū)累加得出,該情景下生態(tài)空間總數(shù)占研究區(qū)總面積的54.64%,主要分布在各生態(tài)源的附近,其中生態(tài)空間保護(hù)區(qū)主要分布在研究區(qū)的東部、西北部、西部和西南部,如圖9所示,這些區(qū)域主要為生態(tài)保護(hù)紅線和自然保護(hù)區(qū),且用地類型主要為林地,但也有少部分分布在中心城區(qū),這是由于這部分地區(qū)是城市的公園綠地,而生產(chǎn)空間和生態(tài)空間數(shù)量需求是依照歷史轉(zhuǎn)移概率結(jié)合Markov計(jì)算得來；生活優(yōu)先情景下的各類空間數(shù)量需求,是依照生活擴(kuò)張集中區(qū)面積劃定而來,該集中區(qū)占研究區(qū)用地面積的10.55%,是城市擴(kuò)張潛力較高和現(xiàn)已開發(fā)建成的生活空間區(qū)域,主要分布在城市建成區(qū)附近或城市建成區(qū)內(nèi),該情景下的生態(tài)空間和生產(chǎn)空間數(shù)量需求遵循生活優(yōu)先情景的計(jì)算方式；糧食安全情景需求是通過表3計(jì)算出到2030年為止長沙市總?cè)丝跀?shù)量將達(dá)到793.60萬人,所需糧食按照國家統(tǒng)計(jì)總局公布的479 kg/人,計(jì)算出2030年長沙市在不對(duì)外進(jìn)口糧食的情況下所需糧食380.13萬噸,按照國家統(tǒng)計(jì)總局公布的1 hm2生產(chǎn)用地每年生產(chǎn)6367 t糧食為依據(jù),計(jì)算出2030年長沙市在糧食自給自足的情況下供需5870.41 km2生產(chǎn)用地,考慮到當(dāng)前國土空間規(guī)劃編制中常從資源與環(huán)境承載力的角度推算各類型土地需求,本文以糧食安全情景作為長沙市糧食承載力的依據(jù),因此在推算結(jié)果的基礎(chǔ)上,將基本農(nóng)田作為限制條件,得出生產(chǎn)空間比例為50.44%,而生活空間根據(jù)人口預(yù)測總量并結(jié)合長沙市人均建設(shè)用地指標(biāo)計(jì)算得出,占比為6.70%。

3.3 不同情景下的三生空間模擬結(jié)果

3.3.1基于PLUS模型的精度驗(yàn)證

研究以2010年長沙市三生空間分布現(xiàn)狀為基礎(chǔ),模擬2018年三生空間分布情況,其預(yù)測結(jié)果如圖4 所示。為驗(yàn)證模型的可靠性,將PLUS模型模擬的2018年三生空間分布圖與真實(shí)的三生空間格局進(jìn)行對(duì)比,其結(jié)果表明總體精度為0.95,Kappa系數(shù)為0.91,表明該模型模擬效果較好,能適用于未來三生空間分布預(yù)測。

表6 三生空間格局?jǐn)?shù)量優(yōu)化

從圖10來看預(yù)測結(jié)果與實(shí)際的差異主要體現(xiàn)在斑塊形態(tài)和大小上。從生活空間來看,岳麓區(qū)、雨花區(qū)、寧鄉(xiāng)市和瀏陽市的預(yù)測圖中,生活空間的斑塊大小相較于實(shí)際的斑塊大小要小一些,尤其是生活空間集中區(qū)周邊,但預(yù)測圖中的斑塊緊湊度更強(qiáng)；從生產(chǎn)空間來看,主要不一致的地方在望城縣的南部,其數(shù)量較實(shí)際的生產(chǎn)空間分布要多；從生態(tài)空間來看,在預(yù)測圖中,寧鄉(xiāng)市西南部的生態(tài)空間斑塊更為密集,而真實(shí)的三生空間分布圖中斑塊較碎。

圖8 最小累積阻力差值與柵格數(shù)目的關(guān)系 Fig.8 The relationship between the minimum cumulative resistance difference and the number of grids

圖9 長沙市生態(tài)安全格局分區(qū)Fig.9 Zoning of ecological security pattern in Changsha City

圖10 精度驗(yàn)證Fig.10 Accuracy verification

3.3.2不同情景下的三生空間預(yù)測

圖11 不同情景下的長沙市三生空間格局優(yōu)化結(jié)果Fig.11 Optimization results of “production-living-ecological” pattern in Changsha City under different scenarios

根據(jù)3種情景下各空間類型用地需求,將長沙市國土空間數(shù)量優(yōu)化作為三生空間優(yōu)化的基本條件,利用PLUS模型模擬2030年生活優(yōu)先情景、生態(tài)優(yōu)先護(hù)情景和糧食安全情景下三生空間分布情況,其結(jié)果如圖11所示。其中生活優(yōu)先情景下,生產(chǎn)空間、生活空間和生態(tài)空間面積分別為4583.49 km2、721.41 km2、6532.20 km2,與此同時(shí)該情景下長沙市生活空間出現(xiàn)大規(guī)模擴(kuò)張,與2018年相比,提升了31.53%,主要分布在望城區(qū)南部,長沙縣西部和雨花區(qū)東部,擴(kuò)張形式主要以邊緣式擴(kuò)張為主。生態(tài)優(yōu)先情景是以地區(qū)生態(tài)本底為目標(biāo),同時(shí)在模擬時(shí)限制生態(tài)紅線內(nèi)的土地流轉(zhuǎn),預(yù)測結(jié)果顯示生產(chǎn)空間、生活空間和生態(tài)空間面積分別為4369.07 km2、964.72 km2、6503.30 km2,該情景下生態(tài)空間主要分布在瀏陽市和寧鄉(xiāng)市,此外,生態(tài)空間聚集最為明顯。糧食安全情景是維護(hù)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展穩(wěn)定的必要條件,在此情景下,生產(chǎn)空間、生態(tài)空間和生活空間面積分別為5970.62 km2、691.01 km2、5175.45 km2,但值得注意的是該情景下,生產(chǎn)空間大量侵占區(qū)域內(nèi)的生態(tài)空間,主要分布在各生活空間附近,且生態(tài)空間破碎化程度尤為突出。

3.4 長沙市三生空間格局優(yōu)化

長沙市2030年國土空間配置優(yōu)化分為三線沖突區(qū)域協(xié)調(diào)和基于多情景模擬結(jié)果下的疊加優(yōu)化兩個(gè)步驟,其中三線沖突區(qū)域協(xié)調(diào)過程如圖12所示,長沙市三線沖突區(qū)面積為136.32 km2,主要分布在長沙市的南部和東部,其現(xiàn)狀三生空間類別主要為生產(chǎn)用地和生態(tài)用地,三線沖突區(qū)域協(xié)調(diào)后的生產(chǎn)、生活、生態(tài)用地面積分別為46.05 km2、1.41 km2和88.86 km2。

圖12 三線協(xié)調(diào)過程圖Fig.12 Three-line coordination process diagram

基于多情景模擬結(jié)果疊加優(yōu)化如圖13所示,研究將生態(tài)優(yōu)先情景下的生態(tài)空間作為長沙市發(fā)展的本底,結(jié)合糧食安全下的生產(chǎn)空間進(jìn)行疊加處理,形成初步優(yōu)化結(jié)果所示,其次將生活情景下的生活空間疊加至初步優(yōu)化結(jié)果中形成情景模擬的二次優(yōu)化結(jié)果,該結(jié)果中的生產(chǎn)、生活和生態(tài)空間用地面積占比分別為37.62%、7.67%和54.71%。

圖13 情景優(yōu)化過程Fig.13 Scenario optimization process

依照上述兩種優(yōu)化方案,將沖突區(qū)協(xié)調(diào)結(jié)果疊加至二次優(yōu)化結(jié)果中,得到長沙市2030年國土空間類型優(yōu)化配置結(jié)果,如圖14所示,其結(jié)果表明生活空間、生產(chǎn)空間和生態(tài)空間面積分別為907.37 km2、4453.24 km2、6471.28 km2。其中生活空間主要分布在各縣城中心城區(qū),與2018年三生空間分布圖相比,綜合優(yōu)化方案中的生活空間擴(kuò)張分布在長沙縣中部、望城縣東北部；生產(chǎn)空間主要分布在生活空間附近,而生態(tài)空間主要分布在生產(chǎn)空間周邊,除此之外還有少量生態(tài)用地分布在中心城區(qū)內(nèi)部的公園綠地。此外,綜合協(xié)調(diào)下的2030年各空間類型分布與2018年實(shí)際三生空間分布在生產(chǎn)空間上差異較大,這主要原因是為避免糧食缺口進(jìn)一步擴(kuò)大,綜合協(xié)調(diào)方案中將糧食安全情景下的生產(chǎn)空間疊加到了優(yōu)化方案,導(dǎo)致與2018年實(shí)際三生空間分布差異性大。

圖14 長沙市三生空間格局綜合優(yōu)化方案Fig.14 Comprehensive optimization plan of “production-living-ecological” pattern in Changsha City

4 討論

(1)基于動(dòng)態(tài)交通數(shù)據(jù)優(yōu)化的生態(tài)安全格局評(píng)價(jià)體系

相較于以往生態(tài)安全格局評(píng)價(jià)研究,本文將動(dòng)態(tài)交通時(shí)間數(shù)據(jù)納入生態(tài)安全格局評(píng)價(jià)體系,基于生態(tài)最小累計(jì)阻力面與生活源最小累計(jì)阻力面差值突變點(diǎn),提出三生空間數(shù)量配置需求優(yōu)化方案,是構(gòu)建生態(tài)安全格局評(píng)價(jià)體系的新思路。基于該方法的結(jié)果表明生態(tài)安全核心保護(hù)區(qū)面積為4111.41 km2,主要分布在長沙市的西部和長沙市東北部,與2010—2030年版長沙市總體規(guī)劃較為一致,體現(xiàn)了納入動(dòng)態(tài)交通時(shí)間數(shù)據(jù)構(gòu)建的生態(tài)安全格局評(píng)價(jià)體系更具有準(zhǔn)確性。未來,在生態(tài)安全格局評(píng)價(jià)研究中可進(jìn)一步嘗試引入新數(shù)據(jù)提升生態(tài)安全格局構(gòu)建的準(zhǔn)確性,如將公共服務(wù)設(shè)施動(dòng)態(tài)交通數(shù)據(jù)和公園綠地動(dòng)態(tài)交通時(shí)間數(shù)據(jù)納入最小成本距離的計(jì)算,為更精確評(píng)價(jià)生態(tài)安全格局提供數(shù)據(jù)支撐。

(2)區(qū)域三生空間布局綜合優(yōu)化

本文將優(yōu)化后的生態(tài)安全格局評(píng)價(jià)結(jié)果納入國土空間配置數(shù)量優(yōu)化中,基于三線協(xié)調(diào)結(jié)果,從“糧食安全”、“生活優(yōu)先”、“生態(tài)優(yōu)先”三種情景下,提出2030年長沙市三生空間配置綜合優(yōu)化方案,其優(yōu)化結(jié)果表明與現(xiàn)狀三生空間相比,三生空間綜合優(yōu)化后的生產(chǎn)空間出現(xiàn)大規(guī)模增加,這是由于優(yōu)化方案考慮了在不依靠外來進(jìn)口情況下保障長沙市的糧食供給安全,導(dǎo)致生產(chǎn)用地大規(guī)模擴(kuò)張,但值得關(guān)注的是,優(yōu)化結(jié)果中各類空間用地更為集聚,更符合城市用地集約發(fā)展的訴求。此外在今后三生空間優(yōu)化研究中可重點(diǎn)關(guān)注以下2個(gè)方向：①三線沖突區(qū)具有空間差異性,對(duì)于不同區(qū)域的三生空間綜合優(yōu)化方法,研究還可以考慮沖突區(qū)域用地的經(jīng)濟(jì)價(jià)值,以此達(dá)到城市土地價(jià)值最大化；②區(qū)域發(fā)展具有動(dòng)態(tài)性,三生空間劃定結(jié)果應(yīng)開展周期性實(shí)施評(píng)估。可從生活空間是否有效控制、生產(chǎn)空間配置是否提升、生態(tài)空間是否被侵占等方面展開實(shí)效評(píng)估,以此達(dá)到空間管制的目的。

5 結(jié)論

本研究提出了基于DTTD-MCR-PLUS模型的三生空間格局優(yōu)化方法,以長沙市為例,設(shè)置生活優(yōu)先、生態(tài)優(yōu)先和糧食安全三種情景,模擬2030年不同情景下的長沙市三生空間格局,提出協(xié)調(diào)三線后的長沙市三生空間綜合優(yōu)化方案。研究結(jié)論如下：

(1)以生態(tài)保護(hù)紅線和城市公園綠地作為生態(tài)源,將公共服務(wù)設(shè)施點(diǎn)作為生活源,從動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的角度優(yōu)化MCR成本體系的構(gòu)建,利用最小累積成本距離模型構(gòu)了長沙市生態(tài)安全格局,并結(jié)合生態(tài)源最小累計(jì)阻力面與生活最小累計(jì)阻力面的差值突變點(diǎn),提出了長沙市生態(tài)功能優(yōu)化分區(qū),其中生態(tài)空間保護(hù)核心區(qū)和生態(tài)空間保護(hù)邊緣區(qū)面積分別為4111.41 km2和2285.29 km2,生態(tài)空間主要分布在長沙市西部與長沙市東北部,與長沙市劃定的生態(tài)紅線分布較為一致,表明利用動(dòng)態(tài)交通時(shí)間數(shù)據(jù)構(gòu)建的MCR成本體系具有較強(qiáng)的準(zhǔn)確性；生產(chǎn)空間開發(fā)重點(diǎn)區(qū)面積為2144.79 km2；生產(chǎn)空間開發(fā)邊緣區(qū)面積為1928.59 km2；生活空間擴(kuò)張集中區(qū)面積為1235.55 km2。

(2)耦合DTTD-MCR-PLUS模型模擬的2030年不同情景結(jié)果表明：生活優(yōu)先情景下,生活空間面積增幅高達(dá)43.57%,以外延式擴(kuò)張為主,主要分布在望城區(qū)南部,長沙縣西部和雨花區(qū)東部；與生活優(yōu)先情景相比,生態(tài)優(yōu)先情景下,生態(tài)空間轉(zhuǎn)出速度下降了3.11%,且生態(tài)空間聚集最為明顯；糧食安全情景下,生產(chǎn)空間侵占生態(tài)空間速度加快,增幅高達(dá)58.79%,且生態(tài)空間斑塊破碎化程度最大。

(3)協(xié)調(diào)基本農(nóng)田、生態(tài)保護(hù)紅線、以及自然保護(hù)區(qū)下的2030年長沙市國土空間格局優(yōu)化布局方案結(jié)果表明：生產(chǎn)空間、生活空間和生態(tài)空間比例分別為37.63%、7.67%和54.70%,其中望城區(qū)和長沙縣的生態(tài)空間轉(zhuǎn)為生產(chǎn)空間尤為明顯,而瀏陽市生態(tài)空間轉(zhuǎn)出量最少,與當(dāng)前長沙市劃定的國土空間格局較為一致,表明該優(yōu)化方法具有較強(qiáng)的準(zhǔn)確性,其原因是由于瀏陽市內(nèi)生態(tài)保護(hù)區(qū)面積最大,限制了生態(tài)用地轉(zhuǎn)為其他用地。