【国自科基金项目】河湟地区多尺度地理格局与兰西城市群相互作用的空间效应丨城市数据派

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项目基本信息

项目名称：河湟地区多尺度地理格局与兰西城市群相互作用的空间效应

项目负责人：石培基

依托单位：西北师范大学

项目参与人：

雒占福 副教授 西北师范大学

刘春芳 副教授 西北师范大学

李巍 副教授 西北师范大学

张学斌 讲师 西北师范大学

聂晓英 西北师范大学

童华丽 西北师范大学

潘翔 西北师范大学

梁峰 西北师范大学

刘骁啸 西北师范大学

项目摘要

本项目以多期遥感数据和社会经济数据为基础，采用文献查阅、社会调查、空间分析等研究方法，利用ArcGIS、ENVI、数理统计等手段，以河湟地区、兰西城市群、典型河谷城市为研究对象，分析了近25年来以兰西城市群为核心的河湟地区人地关系耦合现状，阐明了河湟地区地理格局与兰西城市群相互作用的关系、过程、机理及空间效应，并提出未来城市群城镇空间发展的调控策略。结果表明：①兰西城市群人口呈“大分散、小集中”的分布格局，空间结构呈以兰州、西宁为核心的“双核”模式，分布形态与黄河干支流水系形态高度相似，且随地形变化呈垂直梯度效应和中低海拔河谷盆地指向。②兰西城市群生态潜在廊道整体由西北向东南方向延伸，走向与达板山-日月山-青海南山-拉脊山-积石山山地走势基本一致。生态重要性指数与城市群空间网络结构指数的关联度等级较强，多数区域属于生态重要性低-城市网络结构指数大或生态重要性高-城市网络结构指数小的分布模式。③兰西城市群空间结构的双核结构特征明显，空间联系强度呈以兰州、西宁为中心呈圈层状向四周辐射和沿交通走廊呈轴线状向东西延展特征，兰州、西宁城市流强度远高于其他城市，省际城市空间联系强度较弱且呈不均衡特征。④兰西城市群城镇空间扩张以沿河流延伸的条带状模式为主，城镇扩张强度上升趋势明显，地级市和县城逐渐成为空间扩展活跃区，“兰州-白银-定西”间的连片地带，逐渐成为城镇空间扩展的热点区域。⑤情景模拟显示，增长情景与基准情景下，兰西城市群城镇建设用地格局呈分散、无序状态，区域土地利用效率较低。生态与资源保护情景能够在尊重城市自然生态系统和生态环境承载力视角下防止城市无序蔓延，更适宜作为未来兰西城市群城镇建设用地优化配置的引导方向。研究结果揭示了城市群发展与多尺度地理格局相互作用的空间效应，可为西北地区城镇可持续发展、主体功能区划实施、生态文明和丝绸之路经济带建设提供决策参考。

项目结题成果报告

以下研究成果内容摘自项目结题成果报告。该项目报告共计120页，关注城市数据派微信公众号，在微信公众号对话框中输入 24429，即可获得报告全文PDF的下载方式：

研究工作主要进展等（部分摘取）

2.1 主要研究内容

本项目基于河湟地区多尺度地理格局与兰西城市群相互作用的空间效应主题，以兰西城市群为研究区，分析城市群城乡建设用地开发强度空间格局特征及其影响因素;研究城镇用地扩张的时空特征及驱动力，实现多情景下城镇用地扩展模拟，分析景观敏感度、景观格局动态变化特征及进行生态效应综合评价，并通过景观学原理分析其景观生态格局响应特征;构建区域生态系统服务综合指数算法，合成区域内各类生态系统服务，并析区域综合生态系统服务时空特征，从生态系统服务均衡性视角对区域生态风险进行评估;研究土地资源、水资源利用效率及影响因素，构建城市群城镇化与资源环境承载力、旅游竞争力与经济发展水平等复合生态系统，人水系统等多系统协同演化机制与影响因素。解析兰西城市群人口分布与地形要素的关系，从城市群整体、县、乡(镇)和栅格尺度对兰西城市群人口时空特征进行分析;研究并厘清河湟地区乡村聚落规模分布的特征和演变规律;剖析兰西城市群空间联系形成和发展机制，提出提高城市群空间联系的发展策略等研究。以期为兰西城市群城镇体系空间合理布局工作提供理论指导，为调整河谷盆地相间分布的自然地理格局下城市群发展模式与战略、科学调控区域社会经济发展与生态建设提供依据。

2.2研究进展

2.2.1城市群城镇体系空间结构动态演化及发展特征研究

以兰西城市群为研究区,分析城市群城乡建设用地开发强度空间格局特征及其影响因素;研究城镇用地扩张的时空特征及驱动力，实现多情景下城镇用地扩展模拟，并通过景观学原理分析其景观生态格局响应特征，以期为兰西城市群城镇体系空间合理布局工作提供理论指导,为调整河谷盆地相间分布的自然地理格局下城市群发展模式与战略、科学调控区域社会经济发展与生态建设提供依据。

(1)城乡建设用地开发强度空间格局变化及影响因素分析

以1995、2005、2015和2018年兰州-西宁城市群39个县级单元为研究区运用趋势面分析、空间自相关和地理探测器等方法，分析兰西城市群城乡建设用地开发强度空间格局特征及其影响因素。结果表明:

①1995-2018年兰西城市群城乡建设用地开发强度总体较低，从时间变化上看，整体呈上升态势;从空间分布格局来看，呈现出兰州-西宁中心高、其他外围地区依次降低的“核心-外围”空间分布格局。

②)城乡建设用地开发强度地域差异明显,东部和西部城乡建设用地开发强度较低，兰州-西宁核心城市比较高，呈扁平的倒“”型曲线分异态势。

③城乡建设用地开发强度在空间上具有显著的正相关性,存在明显的集聚特征，主要以高一高聚集与低一低聚集为主。热点区和次热点区主要分布在以兰州-西宁为双核心的2个热点片区:次冷点和冷点区主要分布在城市群的中南部和西部的大片边缘县域。

④1995-2018年城乡建设用地开发强度由人口集聚水平、经济发展水平、产业结构水平和海拔等因素共同影响,不同因素影响力的作用机理和效应存在明显的空间差异。

图1 1995-2018年兰西城市群城乡建设用地开发强度空间分布

图2 1995-2018年兰西城市群城乡建设用地开发强度格局的趋势面分析

图3 兰西城市群城乡建设用地开发强度的Moran’sI散点图

图4 兰西城市群城乡建设用地开发强度格局的冷热点演化图

(2)基于多智能体模型的兰州市城镇用地扩展模拟研究

利用1995、2005、2015、2018年4期兰州市土地利用数据和社会经济统计数据，运用扩展强度指数、Logistic 回归、主成分分析等方法揭示兰州市城镇用地演变特征及驱动力，基于多智能体模型用Netlogo软件实现了2025年多情景下兰州市城镇用地扩展模拟。结果表明:

①1995-2018年，主城区以圈层式的外部扩展和散布式的内部填充为主，各郊县以小规模边缘型扩张为主要特征。研究期间，兰州市城镇用地扩展规模和强度均呈增长趋势，城镇用地增量主要来自耕地和水域。主城区极化效应显著，使各郊县扩展强度较低。

②在空间因素中，人口密度、城镇辐射和道路带动对城镇扩展导向显著。在社会、经济和政策维度的因素中，全社会固定资产投资、地区生产总值、财政收入对城镇用地扩展影响最明显。政府政策与决策支持也是城镇扩张的主要驱动因养。

③3种情景下模拟的2020-2025年兰州市城镇用地扩展规模预计在42.6~134.3km2，其中综合发展情景>自然扩张发展情景>生态及农田保护发展情景。总体来看，主城区将出现内部越来越密实、边缘以飞地式扩张为主的趋势各郊县受主城区的溢出效应会出现一定规模的扩张。

图5 1995、2005、2015和2018年兰州市城镇用地布局及1995-2018年城镇用地的变化

图6 1995-2018年兰州市各县区城镇用地扩展面积和扩展强度HM:缓慢扩展DS:低速扩展ZS:中速扩展KS:快速扩展GS:高速扩展

图7 兰州市城镇用地空间变化的影响因素栅格图

a)到城镇中心的距离;b)到铁路的距离;c)到河流的距离;d)到道路的距离;e)平均产值;f)人口密度;g)鴛馱郿聂拔;h)坡度。

图8 3种情景下兰州市2025年城镇用地扩展模拟

a)综合发展情景;b)自然扩张发展情景;c)生态及农田保护发展情景GL:林草地 UR:城镇用地 UL:未利用地 CL:耕地 WA:水域,

(3)城市建设用地扩张的景观生态格局响应研究

以河谷盆地发育的兰州市主城区为例，利用研究区1995年、2005 年和 2015年3期的土地利用现状数据,分析建设用地扩张的时空特征并提取相应知识规则集成 Marko 模型与 CUE-S模型，模拟 2025年3种不同情景下建设用地增长与空间布局，并通过景观学原理分析其景观生态格局响应特征。结果表明:

①1995-2015年，兰州市主城区的建设用地扩张剧烈，范围主要集中在城关区与安宁区的黄河滩地以及中心城区部分边缘地带。建设用地扩张以圈层式的外部扩展和散布式的内部填充为主要特征，且出现城区内部越来越密实、边缘越来越破碎的趋势。

②Kappa系数证实了CLUE-S模型在本研究区的适用性。Markov模型预测得到3种不同情景下2015-2025年的建设用地需求量都有较大增长，增长率基准情景>综合发展情景>生态保护情景。CLUE-S模型模拟结果显示，总体空间扩张面积西多东少、扩张范围以城关区的黄河北部沿岸、安宁区的城区北部和七里河区的城区南部边缘为主。

图9 1995-2015年兰州河谷盆地建设用地空间扩张示意图

图10 研究区 2015年建设用地分布与2025年拟结果

表1不同情景下2025 年建设用地较 2015年增长情况

2.2.2城市群生态风险评估及生态安全识别研究

(1)城镇化进程中复合生态系统耦合协调度研究

以兰西城市群39个县区为研究单元，以“系统论”和“协同学”为理论支撑,构建了城市群复合生态系统模型，采用熵值法与变异系数法相结合的方法赋权在定量化测度的基础上分析三系统各自的发展水平和空间分布特征,通过耦合协调度模型、空间探索性分析方法和地理加权回归分析模型(GWR)，分析各县区耦合协调度的分布聚集特征和主要影响因素。结果表明:

①在2007年、2012年以及2017年三个时间节点上，城市群经济子系统尚存在较大的改进空间，各县区差距过大、少数县区发展水平过低的问题突出，空间上呈现出低水平的独立中心格局，低值区占比高、面积广，各县区发展水平结构等级单一，城市群核心城市辐射带动能力亟待加强。社会子系统的发展情况和经济子系统较为类似，整体提升更为明显，极低水平县区面积有所减少，但低水平区域占比过高，等级结构不均衡的问题依然存在，基础设施建设和社会服务水平表现出对区域经济水平较强的依赖性,且中心城市与边缘县区的差距呈现出逐年加深的态势。生态子系统得分整体较高、各县区保持着较强的相似性，差距小且无极端低值区存在，呈现出东西高，中部低的分布格局。

②)耦合度方面，三个时间点39个县区均处于高度耦合和极度耦合阶段，各要素及系统之间互动关系紧密，趋向于往更稳定更和谐的方向发展。协调度方面区域差异显著，高度耦合协调区数目下降，中低度耦合协调区占比高且呈上升趋势。各县区复合生态系统的耦合协调度与城镇化水平存在明显的正相关关系，经济发展水平较高地区3系统耦合协调度均表现出较高水平。协调度分区空间聚集特征明显，低-低(L-L)类型区居于主导地位，耦合协调度空间差异较大，两极分化现象显著，城市群内低水平耦合协调县区相互聚集、占比过高、等级结构不均衡的问题突出。

③影响协调度的因素按强度大小排序为:环保投资占GDP比例>工业化率>城乡居民可支配收入差>人均财政支出>地形起伏度,其中环保投资占 GDP比例、人均财政支出对区域耦合协调度变化有显著的正向作用，工业化率、城乡居民可支配收入差和地形起伏度有显著的负向影响。耦合协调度的提升，反映出城镇化进程中各要素的良性互动，需要针对“经济、社会、生态”子系统和复合生态系统的发展变化特征，制定系统性、差异化的优化调控策略，具体包括:优化区域城镇化格局、促进产业转型升级、构筑综合交通运输网络、加强重大基础设施建设强化基本公共服务、保护重要生态空间、实施黄河流域综合整治、实施重大生态保护修复工程、构建循环经济体系、推进资源节约集约利用和共建生态文明制度。

图11 2007年和2017年经济子系统得分

图12 土地利用类型分布图

图13 2007年和 2017年耦合度

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还有更多成果内容，详见项目结题成果报告。该项目报告共计120页，关注城市数据派微信公众号，在微信公众号对话框中输入24429，即可获得报告全文PDF的下载方式。

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原文始发于微信公众号（城市数据派）：【国自科基金项目】河湟地区多尺度地理格局与兰西城市群相互作用的空间效应丨城市数据派