西安市城市化與城市生態(tài)環(huán)境耦合協(xié)調(diào)發(fā)展研究

趙安周，李英俊，衛(wèi)海燕，陳曉紅

（1.陜西師范大學 旅游與環(huán)境學院，西安710062；2.北京師范大學 資源學院，北京100875）

自西部大開發(fā)戰(zhàn)略實施以來，我國西部的城市化進程明顯加快，在城市化發(fā)展過程中，對當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境造成了一系列的影響，尤其是大中城市。分析其城市化的驅(qū)動因素，緩解城市化進程與城市生態(tài)環(huán)境的矛盾，對科學地指導城市規(guī)劃，保護城市生態(tài)環(huán)境具有十分重要的意義。

19世紀90年代，E.Howard首先提出田園城市［1］的概念，之后許多學者開始關注協(xié)調(diào)城市化與生態(tài)環(huán)境矛盾的方法和途徑，并且涌現(xiàn)出大量的理論和實踐成果。在國外，Grossman和Krueger通過對42個國家和地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展水平和環(huán)境污染程度的關系研究，提出了“環(huán)境庫茲涅茨倒U型曲線EKC”假設［2］；Reinhard Madlener等為了估算出城市化對城市資源的影響，從與城市密切相關的城市生產(chǎn)、交通、運輸和城市基礎設施入手，發(fā)現(xiàn)各部門機制不同城市對資源的需求不同［3］；T.Tonkaz和 M.Cetin以土耳其的半干旱地區(qū)為例，利用Mann-Kendall檢驗的方法，對其城市化和土地利用類型對其極端氣溫的影響進行了研究［4］。相對于國外的研究而言，國內(nèi)關于城市化與資源環(huán)境二者關系的研究起步于20世紀80年代，吳永嬌等［5］應用遙感解譯技術(shù)、GIS技術(shù)，在社會福利最大化和綠色GDP等理論的基礎上，模擬了在不同社會條件下西安市生態(tài)環(huán)境對城市化的響應，并得出西安市城市最有擴張是在2021年；喬標和方創(chuàng)琳［6］在系統(tǒng)科學理論的基礎上構(gòu)建了城市化系統(tǒng)與生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的動態(tài)耦合模型，并把其分為低級協(xié)調(diào)共生、協(xié)調(diào)發(fā)展、極限發(fā)展和螺旋式上升四個周期演化階段；周忠學［7］對西安市南郊地區(qū)城市化與生態(tài)服務功能之間的關系進行了定量分析；沈洪艷等［8］根據(jù)生態(tài)學原理，對我國城市建設中的生態(tài)問題進行了分析，并以石家莊為例，提出建設生態(tài)城市的策略；陳菁［9］將地學信息圖譜和層次分析法相結(jié)合，建立了福建省城市化與生態(tài)環(huán)境的耦合關系信息圖譜。

西安市是我國西北地區(qū)最大的城市，近年來其城市化進程十分迅速。本文引入灰色關聯(lián)度及耦合協(xié)調(diào)度模型，從時間維度對西安市的城市化與生態(tài)環(huán)境之間的演變規(guī)律進行研究，以期促進城西安城市化與生態(tài)系統(tǒng)良性互動發(fā)展，從而建立起西安市城市化與生態(tài)環(huán)境相互作用的協(xié)調(diào)發(fā)展機制。

1 研究設計

1.1 研究區(qū)概況

西安市地處關中平原中部，東經(jīng)107°40′—109°49′，北緯33°39′—34°45′，是中國西北地區(qū)第一大城市，現(xiàn)有9區(qū)（雁塔區(qū)、蓮湖區(qū)、碑林區(qū)、新城區(qū)、長安區(qū)、灞橋區(qū)、臨潼區(qū)、閻良區(qū)、未央?yún)^(qū)）4縣（戶縣、周至縣、藍田縣、高陵縣），總面積10 108km2。境內(nèi)河流眾多，發(fā)源于其南部的秦嶺，隨著近些年來人口的不斷增多、經(jīng)濟的不斷發(fā)展，其城市化進程明顯加快，對生態(tài)環(huán)境的影響也日益突出。

1.2 研究方法

1.2.1 灰色關聯(lián)分析方法 采用灰色關聯(lián)度模型，對西安市城市化水平與生態(tài)環(huán)境之間的關系進行定量評價，首先需要對原始指標進行無量綱化處理，方法如公式（1）和（2）。

對于正向指標，指標越大越好，計算方法為：

對于負向指標，指標越小越好，計算方法為：

關聯(lián)系數(shù)的計算方法見公式（3）［10］：

關聯(lián)系數(shù)為各個時刻之間的關聯(lián)系數(shù)，由于關聯(lián)系數(shù)比較多，過于分散，為了便于比較，將各個時刻的關聯(lián)系數(shù)集中于一個值，本文采用求平均值的方法對其進行處理，其公式為：

通過比較各關聯(lián)度γij的大小，可以篩選出生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)指標中對城市化發(fā)展的影響比較大的生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)，若γij＝1，說明是生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的某項指標與城市化系統(tǒng)ZXi（t）的關系密切，且變化規(guī)律完全相同；若0＜γij＜1，γij的值越大，說明關聯(lián)性越強，值越小，說明關聯(lián)性越弱。具體劃分標準如表1所示。

表1 關聯(lián)系數(shù)γij的劃分標準

1.2.2 耦合協(xié)調(diào)度模型 利用耦合協(xié)調(diào)度模型可以有效地評判城市化進程與生態(tài)環(huán)境相互耦合的協(xié)調(diào)程度，其計算公式為［11］：

式中：D——協(xié)調(diào)度；C——耦合度，其計算公式為Cn＝｛（u＊1u＊2…u＊n）／∏（ui＋uj）｝1／n，本文中取n＝2，當0＜C≤0.3，系統(tǒng)處于低水平耦合階段，0.3＜C≤0.5，系統(tǒng)處于頡頏階段，0.5＜C≤0.8，表明系統(tǒng)處于磨合階段，0.8＜C＜1，系統(tǒng)處于高水平耦合階段；T為城市化進程與資源環(huán)境的綜合協(xié)調(diào)指數(shù)，在實際中，最好使T∈（0，1），α，β為待定系數(shù)，由于城市化系統(tǒng)與生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)同等重要，因此α，β同取0.5，U1、U2分別為城市化系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的綜合評價得分，計算方法如下［12］：

第i個被評價對象的綜合水平得分：

式中：Xij——第i個樣本第j項評價指標的值；max（Xj），min（Xj）——所有樣本中第j項評價指標的最大值和最小值；m——評價樣本數(shù)；n——指標數(shù)。

根據(jù)耦合協(xié)調(diào)度D的大小，將城市化與生態(tài)環(huán)境的耦合協(xié)調(diào)類型劃為：0＜D≤0.4，為低度協(xié)調(diào)的耦合；0.4＜D≤0.5，為中度協(xié)調(diào)的耦合；0.5＜D≤0.8，為高度協(xié)調(diào)的耦合；0.8＜D＜1，為極度協(xié)調(diào)的耦合。

1.3 數(shù)據(jù)來源

本研究數(shù)據(jù)主要來源于西安市統(tǒng)計局；國家統(tǒng)計局西安調(diào)查隊主編的《西安市統(tǒng)計年鑒》（1997—2011年）和國家統(tǒng)計局城市社會經(jīng)濟調(diào)查司主編的《中國城市統(tǒng)計年鑒》（1997—2011年），個別年份有數(shù)據(jù)缺失采用插值法補齊，部分指標數(shù)據(jù)為計算后的結(jié)果。

2 評價指標的構(gòu)建及權(quán)重的確定

城市化是指人口向城市集中和農(nóng)村轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘械倪^程，是一個涉及人口、經(jīng)濟、社會等諸多方面的復雜過程［13］。因此本文在借鑒前人的研究成果［14－15］的基礎上構(gòu)建城市化綜合測度指標體系：（1）人口城市化。主要包括非農(nóng)人口占全市人口比重，市區(qū)人口占全市人口的比重，第三產(chǎn)業(yè)從業(yè)人員占全市從業(yè)人員的比重，城市人口密度；（2）經(jīng)濟城市化，主要包括人均GDP，第三產(chǎn)業(yè)比重，第三產(chǎn)業(yè)與第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值比，人均地方財政收入；（3）社會城市化，主要包括每萬人擁有在校大學生人數(shù)，每萬人擁有衛(wèi)生技術(shù)人數(shù)，城市人均生活用電量，每萬人擁有公交車數(shù)目，這樣構(gòu)成了12個綜合反映西安市城市化的綜合評價指標體系。生態(tài)環(huán)境指標主要涵蓋以下3個方面：（1）生態(tài)環(huán)境狀況，主要包括人均道路面積、人均公共綠地面積、人均耕地面積；（2）生態(tài)環(huán)境壓力，主要包括工業(yè)廢水排放量、工業(yè)廢氣排放量、工業(yè)固體廢棄物排放量、人均生活用水量；（3）生態(tài)環(huán)境建設，主要包括建成區(qū)綠地率、污水處理率、生活垃圾清運量、工業(yè)固體廢棄物綜合利用率。這樣構(gòu)成了11個綜合反映西安市生態(tài)環(huán)境的評價指標體系。

根據(jù)公式（6）—（7），計算出城市化綜合發(fā)展水平各指標所占的權(quán)重等值，見表2。從表中可以得出，三個子系統(tǒng)的權(quán)重值分別為0.313 4，0.376 6，0.309 9，其中經(jīng)濟城市化對城市化綜合水平的貢獻率最大；指標層中權(quán)重值最大的兩個指標為人均地方財政收入（0.134 3）和人均 GDP（0.097 6），對西安市城市化進程影響最大，權(quán)重值最小的兩個指標為城市人均生活用電量（0.058 4）和第三產(chǎn)業(yè)比重（0.068 8）。同理計算出西安市生態(tài)環(huán)境的各個指標權(quán)重。從表1中還可以看出建成區(qū)綠地率、污水處理率的權(quán)重分別為0.147 1和0.129 6，對西安市生態(tài)環(huán)境的影響是最大。

表2 西安市城市化水平及其生態(tài)環(huán)境壓力指標體系

3 結(jié)果與分析

3.1 西安市城市化與生態(tài)環(huán)境綜合水平測度結(jié)果

根據(jù)公式（8）—（9），計算出西安市城市化綜合水平，這里的城市化綜合水平是根據(jù)各評價指標所計算出的結(jié)果，能夠較為準確地反映一個國家或地區(qū)經(jīng)濟、社會和城市建設所允許和達到的城市化水平，并不表示真實的城市化率，只代表城市化的一個發(fā)展趨勢，西安市城市化水平的結(jié)果如圖1所示。從圖中可以看出，自1996年以來，西安市城市化綜合水平呈逐年上升趨勢，并且自2000年以后其城市化進程明顯加快。

同理計算出西安市生態(tài)環(huán)境綜合水平（圖2），從圖中可以看出，西安市生態(tài)環(huán)境綜合水平呈現(xiàn)波動增長的發(fā)展趨勢，1999年的生態(tài)環(huán)境綜合水平數(shù)值最小，說明生態(tài)環(huán)境質(zhì)量最壞，2010年的生態(tài)環(huán)境綜合水平數(shù)值最大，表明生態(tài)環(huán)境質(zhì)量最好。從1999年到2010年，西安市生態(tài)環(huán)境綜合水平數(shù)值具有上升的趨勢（個別年份除外），表明西安市生態(tài)環(huán)境綜合水平正在向好的方向發(fā)展。

圖1 1996－2010年西安市城市化綜合水平演變過程

圖2 1996－2010年西安市生態(tài)環(huán)境綜合水平演變過程

3.2 西安市城市化與生態(tài)環(huán)境的灰色關聯(lián)度分析

城市化與生態(tài)環(huán)境兩個系統(tǒng)中各要素之間的關系是復雜的，通過公式（3）和（4）計算出城市化與生態(tài)環(huán)境各要素之間的灰色關聯(lián)度，結(jié)果顯示其灰色關聯(lián)度都大于0.5，屬于中度相關或較強相關，說明西安市城市化水平與生態(tài)環(huán)境之間聯(lián)系緊密，為進一步揭示二者之間的關系，對得出的結(jié)果進行排序，分別得到了生態(tài)環(huán)境對城市化的主要約束因素和城市化對生態(tài)環(huán)境脅迫的主要因素。

（1）生態(tài)環(huán)境對城市化的主要約束因素表現(xiàn)在人均耕地面積、工業(yè)廢水、廢氣、固體廢棄物的排放等對城市化發(fā)展的約束和限制，同時由于城市工業(yè)三廢的排放量日益增大，對城市未來的發(fā)展規(guī)劃產(chǎn)生不利的影響，這就是生態(tài)環(huán)境對城市化的負反饋作用。通過計算西安市生態(tài)環(huán)境與城市化各指標的灰色關聯(lián)度，結(jié)果均大于0.6，屬于較強相關，具體在生態(tài)環(huán)境的11項指標中，與城市化關聯(lián)度由大到小排序的指標依次為人均耕地面積（0.663 7）、工業(yè)固體廢棄物排放量（0.655 0）、工業(yè)廢水排放量（0.654 5）、工業(yè)廢氣排放量（0.645 5）、人均生活用水量（0.642 7）、工業(yè)固體廢棄物綜合利用率（0.639 7）、均道路面積（0.632 3）、生活垃圾清運量（0.632 0）、人建成區(qū)綠地率（0.631 1）、人均公共綠地面積（0.630 7）、污水處理率（0.624 3）。它們主要從生態(tài)環(huán)境建設、生態(tài)環(huán)境壓力、生態(tài)環(huán)境狀況等方面表現(xiàn)生態(tài)環(huán)境對城市化進程的影響。

（2）城市化對生態(tài)環(huán)境脅迫的主要因素表現(xiàn)在城區(qū)面積的擴大、城市公共服務設施的完善、城市經(jīng)濟的發(fā)展以及人口的增長等方面，在城市化進程中，由于人類的生產(chǎn)活動，向自然環(huán)境中排放大量廢棄物從而使生態(tài)環(huán)境惡化，政府等有關部門不斷擴大城區(qū)面積，增加公共綠地面積等，改變了原來的城市地域景觀，從而改變了生態(tài)環(huán)境，通過公式（3）和（4），計算出城市化的12項指標與生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的灰色關聯(lián)度，依次為人口密度 （0.778 8）、非農(nóng)人口比重（0.769 5）、每萬人擁有衛(wèi)生技術(shù)數(shù)（0.767 5）、第三產(chǎn)業(yè)比重（0.760 8）、每萬人擁有在校大學生人數(shù)（0.759 6）、第三產(chǎn)業(yè)與第二產(chǎn)業(yè)比（0.758 3）、人均生活用電量（kw·h／人）（0.755 4）、每萬人擁有公交車數(shù)目（0.754 7）、人均地方財政收入人均 GDP（0.752 2）、市區(qū)人口比重（0.749 3）、第三產(chǎn)業(yè)人員比重（0.749 1），主要從人口、社會經(jīng)濟發(fā)展等方面反映城市化進程對生態(tài)環(huán)境的脅迫作用。

3.3 西安市城市化與生態(tài)環(huán)境的耦合度分析

根據(jù)公式（5），計算出西安市城市化水平與城市生態(tài)環(huán)境的耦合度和耦合協(xié)調(diào)度（圖3），從圖3可知，西安市城市化水平與城市生態(tài)環(huán)境耦合度數(shù)值自1996年以來都處于0.457 1～0.5之間，說明西安市城市化水平與城市生態(tài)環(huán)境的耦合關系一直處于頡頏階段，隨著城市化水平進程的加快，西安市城市化的發(fā)展對城市生態(tài)環(huán)境的壓力越來越明顯，資源的過度利用及工業(yè)三廢的大量排放造成的生態(tài)環(huán)境的破壞；從耦合協(xié)調(diào)度來看，在1996—2010年期間，其值為0.448 8～0.670 6，表明城市化發(fā)展與城市生態(tài)環(huán)境的關系由中低協(xié)調(diào)耦合向高度協(xié)調(diào)耦合階段發(fā)展。具體可以劃分為兩個階段，第一階段為1996—2000年，其耦合協(xié)調(diào)度數(shù)值處于0.45～0.49之間，該階段為中度協(xié)調(diào)耦合階段，城市在發(fā)展經(jīng)濟的過程中的生產(chǎn)、生活廢物的排放已經(jīng)成為城市今后可持續(xù)發(fā)展的主要障礙；第二階段為2001—2010年，其耦合協(xié)調(diào)度數(shù)值處于0.50～0.67，屬于高度協(xié)調(diào)耦合階段，該階段耦合協(xié)調(diào)度的數(shù)值較上個階段呈現(xiàn)明顯上升，這是由于進入21世紀后，在經(jīng)濟發(fā)展的同時，西安市有關部門加強了城市生態(tài)環(huán)境的建設，同時一些先進的技術(shù)開始引入到企業(yè)中，使工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的廢棄物減少，從而使西安市城市化與城市生態(tài)環(huán)境的關系得到緩和，趨于協(xié)調(diào)發(fā)展。

圖3 1996－2010年西安市城市化水平與生態(tài)環(huán)境耦合協(xié)調(diào)度的時間變化

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié) 論

（1）自1996年以來，西安市的城市化進程不斷加快，且人口城市化、經(jīng)濟城市化、社會城市化是推動城市化進程的三個主要動力因子。

（2）西安市生態(tài)環(huán)境的綜合水平數(shù)值呈現(xiàn)波動上升的發(fā)展趨勢，1999年西安市城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量最壞，2010年西安市城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量最好。

（3）通過灰色關聯(lián)度分析表明，人均耕地面積、工業(yè)固體廢棄物等生態(tài)環(huán)境壓力指標是影響西安市城市化的最主要因素，而人口密度、第三產(chǎn)業(yè)比重等社會經(jīng)濟城市化指標是脅迫生態(tài)環(huán)境的主要原因。

（4）西安市城市化與城市生態(tài)環(huán)境耦合度的時序變化表現(xiàn)出明顯的波動性，城市化與城市生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的發(fā)展關系以頡抗階段為主；城市化與城市生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)度基本處于中高度協(xié)調(diào)水平。

4.2 討 論

本文以西安市為例，從人口、經(jīng)濟、社會三個子系統(tǒng)出發(fā)，構(gòu)建了西安市的城市化綜合水平指標體系，從生態(tài)環(huán)境狀況、生態(tài)環(huán)境壓力和生態(tài)環(huán)境建設三個子系統(tǒng)出發(fā)構(gòu)建了生態(tài)環(huán)境指數(shù)，涉及到城市化水平與生態(tài)環(huán)境水平的指標頗多，本文只選取了一些具有代表性的指標，許多相關的指標還未涉及到，從而避免單一賦權(quán)法的缺陷。同時今后應對不同性質(zhì)、不同職能的城市進行研究，以便客觀、準確、全面地反映城市化與生態(tài)環(huán)境之間的關系。

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