吐魯番市城市化與生態環境動態分析

周玄德，孜比布拉·司馬義，2

（1.新疆大學 資源與環境科學學院，烏魯木齊830046；2.新疆大學 綠洲生態教育部重點實驗室，烏魯木齊830046）

城市化是一個國家或地區經濟發展的必經途徑，同時也是衡量經濟發展水平的重要標志之一。在城市化推進的過程中，人們極大地豐富了物質和精神生活，然而卻又不得不面對日益嚴峻的生態環境問題。城市化所帶來的能源短缺、水資源短缺、水環境污染、大氣環境污染、土地利用擴張等資源環境問題，已經成為制約該地區城市化發展的約束條件[1]。如果忽視這些生態環境問題，務必會限制該地區的城市化進程。因此，研究城市化與生態環境關系，探討改善城市生態環境質量的途徑與對策，促進城市的生態建設與可持續發展已成為社會關注的焦點[2]。

1 研究區范圍與數據采集

吐魯番市境位于新疆維吾爾自治區東部，地處天山中東部主峰博格達山之南，吐魯番盆地中心地帶，是古代絲綢之路的樞紐地段，聯系天山南北的要沖，東鄰鄯善縣，西接托克孫縣，南低庫魯克塔格，連尉犁縣，北以天山分水嶺為界，同烏魯木齊縣、吉木薩爾縣、奇臺縣接壤。地理坐標為北緯42°15′10″—43°35′，東經88°29′28″—89°54′33″。吐魯番市區是中共吐魯番地委，吐魯番地區行署和吐魯番軍分區所在地市境南北最長約262km，東西最寬處約90km，總面積約為15 738 km2。市區距烏魯木齊市183km，鐵路里程143km。本研究以吐魯番市作為研究對象，資料來源于2000—2008年《新疆統計年鑒》、《新疆統計年報》。

2 城市化與生態環境指標體系的建立

由于城市化和生態環境分處于一個復雜的系統當中，考慮單一指標難以很好地反映其變化特征，因此根據城市化與生態環境的內涵、動力機制，構建吐魯番市城市化與生態環境指標體系。同時，結合吐魯番市的實際發展情況，初步確定從人口城市化、經濟城市化、社會城市化和空間城市化4個方面的16項指標將城市化發展系統予以內涵的擴充和特征綜合；從生態環境水平、生態環境壓力與生態環境保護3個方面的18項指標將生態環境綜合狀況予以指標分解和特征細化，以便進行城市化與生態環境量化分析[3－4]，詳見表1。

3 吐魯番市城市化與生態環境動態分析的理論模型

3.1 數據的標準化處理

對數據進行標準化處理，是對吐魯番市城市化與生態環境量化研究的基礎。在評價指標體系建立之后，有可能因為各個指標的計量單位不同，即因為具有不同的量綱而不能進行直接比較。因此，一般在收集了相關數據后，還需要進行無量綱化處理，即同度量處理。本文選取標準化處理，即在標準化轉換中，將變量值轉換為數學期望值為0、方差為1的標準化的數值[5]。具體轉換過程如下：第一步，求出各個變量（指標）的算術平均數，即數學期望值ˉxi和標準差σi；

第二步，利用以下公式進行標準化處理：

式中：x′ij——標準化變量（指標）；xij——實際變量（指標）值；ˉxi——各變量（指標）的算術平均數（數學期望值）；σi——各項指標的標準差。

3.2 指標權重的確定

變異系數法（Coefficient of variation method）是直接利用各項指標所包含的信息，通過計算得到指標的權重，是一種客觀賦權的方法。此方法的基本做法是在評價指標體系中，指標取值差異越大的指標，也就是越難以實現的指標，更能反映被評價單位的差距。

表1 城市化與生態環境指標體系

由于評價指標體系中的各項指標的量綱不同，不宜直接比較其差別程度。為了消除各項評價指標的量綱不同的影響[6－7]，需要用各項指標的變異系數來衡量各項指標取值的差異程度。各項指標的變異系數公式為：

式中：Vi——第i項指標的變異系數，也稱為標準差系數；σi——第i項指標的標準差；——第i項指標的平均數；Wi——各項指標的權重，i＝1，2，3，…，n。

3.3 綜合指數的測度

根據各指標的標準化值與權重，加權求和計算城市化f（x）和生態環境g（y）的綜合指數。設xi（i＝1，2，…，m）為城市化指標，yj（j＝1，2，…，n）為生態環境指標，對應的權重分別為Wi和Wj。則按照式（5）、式（6）分別計算城市化綜合指數和生態環境綜合指數[8]。

3.4 預測模型的原理

灰色數列預測模型（下稱灰色模型）是灰色控制系統中灰色系統預測模型之一，它是一種微分方程時間連續性模型。該文應用這種灰色系統理論中單序列一階微分模型GM（1，1）對城市化與生態環境綜合指數進行預測分析。

（1）累加生成與均值生成。GM（1，1）模型的建立方法按照公式（7），（8）分別求出一次累加生成數據Y（t）和均值生成數據Z（t），列成表。

（2）建立GM（1，1）模型。Yt估計值的一階線性微分方程為：

此式即為GM（1，1）模型，按微分方程的求解方法得到：

式中：x0——初始時刻（t＝0時）的原始數據；u，a——待定系數，根據最小二乘法估計參數向量。

計算Xt的估計值

（3）計算后驗差比值C和小誤差概率P。若數列Xt和數列δt＝xt－＾xt的標準差分別為S1和S2，則

（4）根據預測精度等級劃分表確定模型的精度，詳見表3。

表3 預測精度等級劃分

4 結果與分析

4.1 城市化綜合指數評析

根據吐魯番市城市化綜合指數在2000—2008年的數據，得到吐魯番市城市化綜合指數曲線，見圖1。

圖1 城市化綜合指數曲線

由圖1可以看出，在2000—2008年，綜合指數由起始年份2000年的－0.795，上升到2008年的0.689 3，增長了1.484 3，盡管在有些年份城市化綜合指數出現了波動，如2001—2003年，城市化綜合指數在下降，但總體上呈明顯的上升趨勢。為了進一步分析研究期間吐魯番市城市化綜合指數的變化規律，采取了多項式曲線模擬，具體的模擬曲線及檢驗參數值[9－10]見表2。

根據R2值的大小，可以發現在多項式曲線模擬上，五次多項式的模擬效果最好，R2的值達到了0.972 6。從而這個五次多項式可以更好地反映在研究期間吐魯番市城市化綜合指數的變化特征。

表2 多項式回歸結果

4.2 生態環境綜合指數評析

根據吐魯番市生態環境綜合指數在2000—2008年的數據，得到吐魯番市生態環境綜合指數曲線，見圖2。

圖2 吐魯番市生態環境綜合指數曲線

根據圖2可以得出吐魯番市生態環境綜合指數波動比較明顯，從2000的－0.264 6下降到2001年的－0.507 8，然后出現連續兩年上升，然后又開始呈現下降態勢，然而吐魯番市生態環境綜合指數在上升與下降波動的同時，轉折點有所上升。在9a中，出現了三個最低點的轉折點，依次為2001年的－0.507 8，2005年的－0.245 9，2007年的0.048 2。吐魯番市生態環境綜合指數體現著在波動中緩慢上升的特征[11－14]。

4.3 城市化與生態環境的關聯度測算

為了更加進一步的分析城市化與生態環境綜合指數的聯系，現采取灰色關聯度知識予以分析。將研究年份2000—2012的分為三個部分：實際年份2000—2008年為第一階段，其關聯度記為R1；預測年份2002—2010年為第二階段，其關聯度記為R2；全部年份2004—2012年為第三階段[15－18]，其關聯度記為R3。通過DPS數據處理系統軟件求得R1，R2，R3，分別為0.600 7，0.621 5，0.669 6。隨著時間的延續，城市化與生態環境綜合指數關聯度值在不斷的增加[19－21]，由此說明，兩者的聯系越來越密切。

4.4 城市化與生態環境綜合指數預測

結合上述GM（1，1）模型，考慮實際情況，分別選取2005—2008年4a的城市化綜合指數與2004—2008年5a的生態環境綜合指數，作為已知數據對2009—2012年的城市化和生態環境綜合指數給予預測[22－24]，詳見表3—4。

在城市化和生態環境綜合指數的預測方面，平均誤差分別為1.496%和1.3554%，小概率誤差P值均為1.0，方差比C值一次為0.002 3和0.009 6，對照預測精度等級劃分表，兩者的預測精度均為好，由此預測年份的值具有參考價值[25]，可信度比較高。

由圖3可以看出，城市化與生態環境綜合指數均呈現快速穩定的增長態勢，由此說明在未來的幾年內，城市化與生態環境綜合指數發展良好[26－27]。在2000—2008年，吐魯番市城市化與生態環境綜合指數增速呈現交錯更替的狀態，2009—2012年，城市化綜合指數明顯高于生態環境的綜合指數，而且兩者的差距有增加的趨勢。

表3 吐魯番市城市化綜合指數預測結果

公式為：x（t＋1）＝0.001445e0.363579t－0.000071，小概率誤差P值為1.0，方差比C值為0.0023，預測精度等級為好。

表4 吐魯番生態環境綜合指數預測結果

公 式 為 x（t＋1）＝ －0.024797e－0.281530t＋0.029031，小概率誤差P 值為1.0，方差比C值為0.0096，預測精度等級為好。

圖3 城市化與生態環境綜合分析

5 結論

（1）在2000—2008年，吐魯番市城市化與生態環境綜合指數均體現上升趨勢。城市化綜合指數上升趨勢比較明顯，擬合曲線為五次多項式，R2為0.972 6，擬合效果比較好；生態環境綜合指數波動比較明顯，但總體上還是呈上升趨勢的。

（2）結合GM（1，1）模型，分別對吐魯番市城市化與生態環境綜合指數在2009—2012年給予預測，兩者預測的平均誤差均在1.5%以下，而且根據小概率誤差P值與方差比C值，對照預測精度等級劃分表，兩者預測等級均達到好，對實際有一定的參考價值。同時在預測年份，城市化增速快于生態環境增速，兩者的差距有增加的趨勢。

（3）在對吐魯番市城市化與生態環境綜合指數關聯度的分析當中，發現隨著時間的推移，在相同的年份中城市化與生態環境綜合指數的關聯度逐漸增加，依次為0.600 7，0.621 5，0.669 6，由此說明吐魯番市城市化與生態環境的關系越來越密切。

（4）吐魯番市城市化與生態環境綜合指數在未來有一個很好的發展態勢，然而城市化的增長可能快于生態環境，由此應加強兩者的聯系，進一步采取有關措施，保證兩者的同步協調發展。

[1]張廣裕，張光霞.甘肅省城市化與生態環境關系的計量分析[J].甘肅聯合大學學報：社會科學版，2008，24（5）：16－21.

[2]蔡邦成，周慧平.昆山城市化與生態系統服務的關系定量研究[J].環境保護科學，2010，36（4）：40－42.

[3]楊宇，張小雷，雷軍.塔里木河流域城鎮經濟社會與資源環境系統協調性研究[J].冰川凍土，2009，31（4）：771－778.

[4]吳玉萍，董鎖成，宋鍵峰.北京市經濟增長與環境污染水平計量模型研究[J].地理研究，2002，21（2）：239－246.

[5]宋超山，馬俊杰，楊風，等.城市化與資源環境系統耦合研究：以西安市為例[J].干旱區資源與環境，2010，24（5）：85－90.

[6]馬利邦，牛叔文，李怡欣.甘肅省城市化與生態環境耦合的量化分析[J].城市發展研究，2010，17（5）：52－57.

[7]萬年慶，吳國璽，張謙智.河南省城市化與生態環境耦合分析[J].資源開發與市場，2010，26（2）：116－119.

[8]于波，葛紅丹，張鑫.烏魯木齊城市化水平與生態環境壓力的定量關系研究[J].科技和產業，2009，9（4）：33－36.

[9]安瓦爾·買買提明，張小雷，楊德剛.新疆和田地區城市化與土地利用變化的定量分析[J].中國人口·資源與環境，2009，19（6）：137－141.

[10]安瓦爾·買買提明，塔世根·加帕爾.新疆南疆地區城市化與生態環境耦合關聯分析[J].北京林業大學學報：社會科學版，2009，4（8）：169－174.

[11]劉耀彬，李仁東，宋學鋒.中國區域城市化與生態環境耦合的關聯分析[J].地理學報，2005，60（2）：237－247.

[12]薛永鵬，張梅.中國城市化與生態環境協調發展預警系統研究[J].統計教育，2009（8）：7－12.

[13]張超，楊秉賡.計量地理學基礎[M].北京：高等教育出版社，2002：90－100.

[14]李智，鞠美庭，劉偉，等.中國經濟增長與環境污染響應關系的經驗研究[J].城市環境與城市生態，2008，21（2）：44－47.

[15]吳海鷹，張盛林.西部地區經濟發展與環境質量關系的實證研究[J].寧夏社會科學，2005（5）：29－33.

[16]吳開亞，陳曉劍.安徽省經濟增長與環境污染水平的關系研究[J].重慶環境科學，2003，25（6）：9－13.

[17]鄧聚龍.灰色系統理論教程[M].武漢：華中理工大學出版社，1990：175－264.

[18]東亞斌，段志善.灰色關聯度分辨系數的一種新的確定方法[J].西安建筑科技大學學報：自然科學版，2008，40（4）：489－492.

[19]劉興元，王鎖民，郭正剛.半干旱地區農業資源的復合經營模式及生態經濟耦合效應研究[J].自然資源學報，2004，19（5）：624－631.

[20]鄧述民，王根軒.中國干旱區農業持續發展的生態措施[J].科技導報，2005，23（7）：51－55.

[21]李啟森，趙文智，馬長春.干旱區黑河流域山地—綠洲—荒漠—草畜耦合及其應用研究[J].草業學報，2004，13（4）：3－20.

[22]周淑琴，王淑華，唐義.灰色系統 GM（1，1）模型在出生預測中的應用[J].現代預防醫學，1997，24（2）：249.

[23]陳青山，王聲勇，遲桂波，等.應用EXCEL完成性病GM 模型的預測和評價[J].疾病控制雜志，2003，7（5）：451－453.

[24]李艷，劉萍，王貴東，等.基于灰色關聯度的水環境承載力指標體系簡化[J].沈陽建筑大學學報：自然科學版，2011，27（1）：135－139.

[25]鄧麗娟，魏光輝.基于灰色模型的城市用水量預測[J].地下水，2011，33（1）：100－101.

[26]丁攀，王守貞.旅游產業與海南省經濟發展的關聯度研究[J].海南金融，2011（4）：70－73.

[27]吳開亞，陳曉劍.安徽省經濟增長與環境污染水平的關系研究[J].重慶環境科學，2003，25（6）：9－11.