西安市城市化與城市生態環境耦合協調發展研究

趙安周，李英俊，衛海燕，陳曉紅

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

自西部大開發戰略實施以來，我國西部的城市化進程明顯加快，在城市化發展過程中，對當地的生態環境造成了一系列的影響，尤其是大中城市。分析其城市化的驅動因素，緩解城市化進程與城市生態環境的矛盾，對科學地指導城市規劃，保護城市生態環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調城市化與生態環境矛盾的方法和途徑，并且涌現出大量的理論和實踐成果。在國外，Grossman和Krueger通過對42個國家和地區的經濟發展水平和環境污染程度的關系研究，提出了“環境庫茲涅茨倒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、交通、運輸和城市基礎設施入手，發現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，國內關于城市化與資源環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、GIS技術，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環境對城市化的響應，并得出西安市城市最有擴張是在2021年；喬標和方創琳［6］在系統科學理論的基礎上構建了城市化系統與生態環境系統的動態耦合模型，并把其分為低級協調共生、協調發展、極限發展和螺旋式上升四個周期演化階段；周忠學［7］對西安市南郊地區城市化與生態服務功能之間的關系進行了定量分析；沈洪艷等［8］根據生態學原理，對我國城市建設中的生態問題進行了分析，并以石家莊為例，提出建設生態城市的策略；陳菁［9］將地學信息圖譜和層次分析法相結合，建立了福建省城市化與生態環境的耦合關系信息圖譜。

西安市是我國西北地區最大的城市，近年來其城市化進程十分迅速。本文引入灰色關聯度及耦合協調度模型，從時間維度對西安市的城市化與生態環境之間的演變規律進行研究，以期促進城西安城市化與生態系統良性互動發展，從而建立起西安市城市化與生態環境相互作用的協調發展機制。

1 研究設計

1.1 研究區概況

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

1.2 研究方法

1.2.1 灰色關聯分析方法 采用灰色關聯度模型，對西安市城市化水平與生態環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：

關聯系數的計算方法見公式（3）［10］：

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

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

表1 關聯系數γij的劃分標準

1.2.2 耦合協調度模型 利用耦合協調度模型可以有效地評判城市化進程與生態環境相互耦合的協調程度，其計算公式為［11］：

式中：D——協調度；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，系統處于低水平耦合階段，0.3＜C≤0.5，系統處于頡頏階段，0.5＜C≤0.8，表明系統處于磨合階段，0.8＜C＜1，系統處于高水平耦合階段；T為城市化進程與資源環境的綜合協調指數，在實際中，最好使T∈（0，1），α，β為待定系數，由于城市化系統與生態環境系統同等重要，因此α，β同取0.5，U1、U2分別為城市化系統和生態環境系統的綜合評價得分，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；n——指標數。

根據耦合協調度D的大小，將城市化與生態環境的耦合協調類型劃為：0＜D≤0.4，為低度協調的耦合；0.4＜D≤0.5，為中度協調的耦合；0.5＜D≤0.8，為高度協調的耦合；0.8＜D＜1，為極度協調的耦合。

1.3 數據來源

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

2 評價指標的構建及權重的確定

城市化是指人口向城市集中和農村轉變為城市的過程，是一個涉及人口、經濟、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］的基礎上構建城市化綜合測度指標體系：（1）人口城市化。主要包括非農人口占全市人口比重，市區人口占全市人口的比重，第三產業從業人員占全市從業人員的比重，城市人口密度；（2）經濟城市化，主要包括人均GDP，第三產業比重，第三產業與第二產業產值比，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，每萬人擁有衛生技術人數，城市人均生活用電量，每萬人擁有公交車數目，這樣構成了12個綜合反映西安市城市化的綜合評價指標體系。生態環境指標主要涵蓋以下3個方面：（1）生態環境狀況，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）生態環境壓力，主要包括工業廢水排放量、工業廢氣排放量、工業固體廢棄物排放量、人均生活用水量；（3）生態環境建設，主要包括建成區綠地率、污水處理率、生活垃圾清運量、工業固體廢棄物綜合利用率。這樣構成了11個綜合反映西安市生態環境的評價指標體系。

根據公式（6）—（7），計算出城市化綜合發展水平各指標所占的權重等值，見表2。從表中可以得出，三個子系統的權重值分別為0.313 4，0.376 6，0.309 9，其中經濟城市化對城市化綜合水平的貢獻率最大；指標層中權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）和第三產業比重（0.068 8）。同理計算出西安市生態環境的各個指標權重。從表1中還可以看出建成區綠地率、污水處理率的權重分別為0.147 1和0.129 6，對西安市生態環境的影響是最大。

表2 西安市城市化水平及其生態環境壓力指標體系

3 結果與分析

3.1 西安市城市化與生態環境綜合水平測度結果

根據公式（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各評價指標所計算出的結果，能夠較為準確地反映一個國家或地區經濟、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展趨勢，西安市城市化水平的結果如圖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環境綜合水平（圖2），從圖中可以看出，西安市生態環境綜合水平呈現波動增長的發展趨勢，1999年的生態環境綜合水平數值最小，說明生態環境質量最壞，2010年的生態環境綜合水平數值最大，表明生態環境質量最好。從1999年到2010年，西安市生態環境綜合水平數值具有上升的趨勢（個別年份除外），表明西安市生態環境綜合水平正在向好的方向發展。

圖1 1996－2010年西安市城市化綜合水平演變過程

圖2 1996－2010年西安市生態環境綜合水平演變過程

3.2 西安市城市化與生態環境的灰色關聯度分析

城市化與生態環境兩個系統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環境各要素之間的灰色關聯度，結果顯示其灰色關聯度都大于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環境之間聯系緊密，為進一步揭示二者之間的關系，對得出的結果進行排序，分別得到了生態環境對城市化的主要約束因素和城市化對生態環境脅迫的主要因素。

（1）生態環境對城市化的主要約束因素表現在人均耕地面積、工業廢水、廢氣、固體廢棄物的排放等對城市化發展的約束和限制，同時由于城市工業三廢的排放量日益增大，對城市未來的發展規劃產生不利的影響，這就是生態環境對城市化的負反饋作用。通過計算西安市生態環境與城市化各指標的灰色關聯度，結果均大于0.6，屬于較強相關，具體在生態環境的11項指標中，與城市化關聯度由大到小排序的指標依次為人均耕地面積（0.663 7）、工業固體廢棄物排放量（0.655 0）、工業廢水排放量（0.654 5）、工業廢氣排放量（0.645 5）、人均生活用水量（0.642 7）、工業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）。它們主要從生態環境建設、生態環境壓力、生態環境狀況等方面表現生態環境對城市化進程的影響。

（2）城市化對生態環境脅迫的主要因素表現在城區面積的擴大、城市公共服務設施的完善、城市經濟的發展以及人口的增長等方面，在城市化進程中，由于人類的生產活動，向自然環境中排放大量廢棄物從而使生態環境惡化，政府等有關部門不斷擴大城區面積，增加公共綠地面積等，改變了原來的城市地域景觀，從而改變了生態環境，通過公式（3）和（4），計算出城市化的12項指標與生態環境系統的灰色關聯度，依次為人口密度 （0.778 8）、非農人口比重（0.769 5）、每萬人擁有衛生技術數（0.767 5）、第三產業比重（0.760 8）、每萬人擁有在校大學生人數（0.759 6）、第三產業與第二產業比（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目（0.754 7）、人均地方財政收入人均 GDP（0.752 2）、市區人口比重（0.749 3）、第三產業人員比重（0.749 1），主要從人口、社會經濟發展等方面反映城市化進程對生態環境的脅迫作用。

3.3 西安市城市化與生態環境的耦合度分析

根據公式（5），計算出西安市城市化水平與城市生態環境的耦合度和耦合協調度（圖3），從圖3可知，西安市城市化水平與城市生態環境耦合度數值自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環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，西安市城市化的發展對城市生態環境的壓力越來越明顯，資源的過度利用及工業三廢的大量排放造成的生態環境的破壞；從耦合協調度來看，在1996—2010年期間，其值為0.448 8～0.670 6，表明城市化發展與城市生態環境的關系由中低協調耦合向高度協調耦合階段發展。具體可以劃分為兩個階段，第一階段為1996—2000年，其耦合協調度數值處于0.45～0.49之間，該階段為中度協調耦合階段，城市在發展經濟的過程中的生產、生活廢物的排放已經成為城市今后可持續發展的主要障礙；第二階段為2001—2010年，其耦合協調度數值處于0.50～0.67，屬于高度協調耦合階段，該階段耦合協調度的數值較上個階段呈現明顯上升，這是由于進入21世紀后，在經濟發展的同時，西安市有關部門加強了城市生態環境的建設，同時一些先進的技術開始引入到企業中，使工業生產中產生的廢棄物減少，從而使西安市城市化與城市生態環境的關系得到緩和，趨于協調發展。

圖3 1996－2010年西安市城市化水平與生態環境耦合協調度的時間變化

4 結論與討論

4.1 結 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）西安市生態環境的綜合水平數值呈現波動上升的發展趨勢，1999年西安市城市生態環境質量最壞，2010年西安市城市生態環境質量最好。

（3）通過灰色關聯度分析表明，人均耕地面積、工業固體廢棄物等生態環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、第三產業比重等社會經濟城市化指標是脅迫生態環境的主要原因。

（4）西安市城市化與城市生態環境耦合度的時序變化表現出明顯的波動性，城市化與城市生態環境系統的發展關系以頡抗階段為主；城市化與城市生態環境系統的耦合協調度基本處于中高度協調水平。

4.2 討 論

本文以西安市為例，從人口、經濟、社會三個子系統出發，構建了西安市的城市化綜合水平指標體系，從生態環境狀況、生態環境壓力和生態環境建設三個子系統出發構建了生態環境指數，涉及到城市化水平與生態環境水平的指標頗多，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，從而避免單一賦權法的缺陷。同時今后應對不同性質、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環境之間的關系。

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