武漢城市圈城市形態與生態環境耦合協調性分析研究

摘要 借鑒耦合理論中容量耦合的概念及框架，構建了城市形態與生態環境耦合發展體系，引入耦合度函數以及耦合協調度函數，分析了武漢城市圈城市形態與生態環境耦合協調程度。結果表明：耦合協調程度具有明顯的地區差異，武漢城市圈城市形態與生態環境耦合協調程度共跨越5個等級，黃岡為Ⅱ類，鄂州、咸寧、仙桃、武漢為Ⅲ類，孝感、黃石為Ⅳ類，天門、潛江最低為Ⅴ類；不同城市形態指標對生態環境的影響不同，城市的緊湊度、形式比對生態環境具有顯著影響，而延長率對生態環境沒有顯著影響，生態環境與人口密度密切相關。

關鍵詞 城市形態；生態環境；耦合度；耦合協調度

中圖分類號S-9文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）30-10765-05

作者簡介鹿龍（1984- ），男，山東肥城人，從事土地利用研究。*通訊作者，碩士，從事城市擴張與環境研究。

目前城市化、城市人口增長、人口的集聚與分散以及居民點的延伸，引發了人們對城市形態和城市可持續發展的激烈討論。快速的城市化和城市擴張消耗了寶貴的土地資源，導致能源需求增加、交通網絡擁堵、環境質量惡化等問題[1]。中國模式的城市擴張沒有考慮城市形態、農業土地利用、能源消耗以及生態環境的破壞等，導致的各種社會環境問題阻礙了城市化的可持續發展[2]。成功的城市化發展模式應最大限度的減少不可持續資源的浪費，建設緊湊型的城市提高城市生態環境質量，提高城市緊湊度和人口密度[3]。但是過于緊湊的城市將導致交通擁堵、更大的空氣污染、噪音和擁擠[4]，這之間存在著復雜的平衡關系。

地區政府部門高度重視城市化可持續發展問題，2005年中國氣象局組織專家編制并發布《生態質量氣象評價規范》[5]開展區域生態質量氣象評價；2006年國家環境保護總局發布《生態環境狀況評價技術規范》[6]開展生態環境質量狀況及變化度分級。隨著生態質量評價研究的深入開展，各地區已取得初步研究成果[7-10]。近年來，學者對城市化與生態環境、經濟發展與生活質量以及水土資源與經濟發展等的耦合協調性進行了大量的實證研究[11-13]。但是對城市形態與生態環境質量耦合協調性分析并不多見，缺乏城市形態指標變化對生態環境影響的深入研究。該研究以武漢城市圈地區為例，借鑒物理學中耦合的概念，通過計算武漢城市圈城市形態與生態環境之間的耦合度、耦合協調度以及綜合協調指數，分析城市形態與生態環境的耦合協調性以及城市形態指標對城市生態環境質量的影響。

1研究區域、數據來源與研究方法

1.1研究區域及數據來源武漢城市圈是指武漢及其周邊100 km范圍內的黃石、鄂州、黃岡、孝感、咸寧、仙桃、潛江、天門等8個市，又稱“1+8城市圈”，是湖北省乃至長江中游最大的城市圈[14]。2007年12月7日武漢城市圈被批為全國“資源節約型和環境友好型社會”改革試驗區，武漢城市圈經濟迅速增長，綜合實力明顯提升，不僅是湖北經濟發展的核心區域，也是中部地區崛起的重要戰略支點[15]。

影像數據來自2005和2011年中國科學院地理研究所陸地衛星Landset ETM 30 m分辨率影像。利用ENVI4.8軟件對遙感影像進行校正、裁剪、鑲嵌以圖1武漢市2005年城市邊界獲取圖例及拼接，使用監督分類結合目視解譯的方法對影像進行土地利用類型分類，利用ArcGIS9.3進行后期數據處理。根據目視解譯、衛星圖像和輔助專題地圖、行政邊界地圖來解譯城市建成區邊界以2005年武漢市為例，如圖1所示。同樣方法獲得其他城市2005與2011年城市邊界。通過ArcGIS9.3提取城市最小外接矩形長軸長度、短軸長度，計算城市最小外接圓面積、最小內切圓面積，數據整理（表1）。統計數據主要來自2006和2012年《中國城市統計年鑒》、《中國統計年鑒》、《中國環境統計年鑒》、《湖北統計年鑒》以及武漢城市圈各市統計年鑒。

1.2耦合度評價指標體系

1.2.1城市形態指標。城市形態不同于“城市布局”、“城市結構”、“城市體系”，它是構成城市所表現的發展變化著的空間形式特征。城市形態指標有多種，基于指標數據的實用性和可獲取性，考慮到研究的主要目的，該研究選用的城市形態量化指標主要有：形成比、緊湊度、延伸率和城市人口密度[16]。

（1）形式比。霍頓1932年基于longaxisbased方法提出形式比（FR）概念，FR的表達公式如下：

式中，A是城市面積；L是長軸的長度。研究普遍認為，一個城市的FR從1/2到π/4時，這個城市的內在聯系更密切[17]。

（2）緊湊度。緊湊度（CR）概念由（Cole）[18] 1960年提出，使用城市區域最小外接圓作為標準來測量區域的形狀特征。CR的表達公式為：

式中，A是城市區域面積；A′是城市區域最小外接圓的面積。

（3）延長率。延長率（ER）是衡量一個地區擴展程度的重要指標，延長率方程是1969年由Webbity提出的[16]，表達式為：

式中，L是地區的長軸長度；L′是地區的短軸長度。城市形態越擴展，城市的延長率越高。

（4）城市人口密度。人口密度是指單位面積土地上居住的人口數，是表示各地區人口密集程度的指標，計算公式為：

式中，P是建城區的估計人口；A*是相對應的區域面積[19]，主要指建成區的住宅、商業、工業用地以及公路和街道用地，不包括農村土地、森林、大面積連續的未利用地或者空地[20]。

1.2.2城市生態環境指標。生態環境是指在一個具體的時間和空間范圍內，生態系統的總體或部分生態因子的組合對人類的生存及社會經濟持續發展的適宜程度參考[21]。借鑒《生態質量氣象評價規范》和《生態環境狀況評價技術規范》方法，充分考慮武漢城市圈生態系統特征，選取植被覆蓋指數、水體覆蓋指數、生物豐富度指數和環境質量指數，從自然生態系統本身特征和城市人類活動（主要是土地利用/土地覆蓋變化）方面來分析武漢城市圈城市形態與生態環境的耦合協調關系，為城市圈生態環境安全和生態型城市建設服務。

1.3研究方法

1.3.1功效函數。設ui（i=1，2，…，n）為系統序參量，uij（i=1，2，…，n；j=1，2，…，n）為第i個序參量的第j個指標，設U1為城市形態系統序參量，U2為城市環境質量系統序參量。由于城市形態與生態環境處于2個不同而又相互作用的子系統，對子系統內各個序參量的“總貢獻”通過集成的方法來實現，所以定義Ui=mj=1λijuij為系統各指標的外在發展功效，其中λij為各指標的權重[6]，有mj=1λij=1，由于指標的發展功效在測算過程中會出現零值的情況，因此對進行歸一化，u′ij為第i個序參量的第j個指標經過歸一化后的標準化數值[11]，歸一化的具體過程為：

1.3.2耦合度函數。在構建功效函數的基礎上，借鑒物理學中容量耦合的概念以及容量耦合系數模型，推廣得到多個系統（或要素）相互作用、相互依賴、相互協調、相互促進的耦合度模型：

筆者主要研究城市形態與城市生態環境質量2個子系統的耦合關聯分析，為便于分析，直接通過降維得到城市形態與生態環境的二維耦合度函數[11]：

其中，C∈[0，1]。當C趨向于1時，耦合度最大，系統間或系統內部要素之間達到良性共振耦合狀態；當C趨近于0時，耦合度極小，此時系統或系統內部各要素之間處于失諧或者無關的狀態。

1.3.3耦合協調度模型。耦合度作為反映耦合程度的重要指標，能夠判斷城市形態與生態環境耦合作用強弱，但無法反映城市形態與生態環境整體“功效”與“協同”效應，特別是在多個區域對比研究的情況下容易產生誤差，出現結論偏離實際的情況。因此，需要構建耦合協調度模型，以期能夠有效地判別城市形態與生態質量交互耦合的協調程度[11]。協調度函數為：

式中，D為耦合協調度；C為城市形態指標與生態質量的耦合度；T為城市形態與生態環境的綜合協調指數[17]；k、a、b為待定系數，該研究選取k=0.5；在實際應用中為便于使用，要保證T∈（0，1），使D∈（0，1）[22]；鑒于城市形態與生態環境在城市化過程中重要程度相同，取a、b值均為0.5。按照協調度的大小程度，再根據城市形態綜合評價指數U1與環境質量綜合評價指數U2之間的相互關系[24]，將系統分為4個大類10個亞類（表2）[23]。

1.3.4灰色關聯度模型。根據灰色系統理論，將{C*}=[C*1，C*2，…，C*n]將作為參考序列，將{Ci}=[Ci1，Ci2，…，Cin]作為比較序列，則參考序列與比較序列在點的關聯系數為[24]：

2測算結果與特征分析

2.1武漢城市圈城市形態與環境質量耦合評價結果根據城市形態與生態環境綜合序參量的計算方法以及耦合度、耦合協調度模型，計算2005和2011年武漢城市圈耦合度、耦合協調度[21]、城市形態綜合評價指數、生態環境綜合評價指數及與的對比關系（表3）。利用ArcGIS軟件，建立武漢城市圈耦合協調度空間屬性數據庫，劃分出武漢城市圈耦合協調類型圖（圖2），分析武漢城市圈各市耦合協調度的時空演變情況[25]。

分析圖2和表3可知，武漢城市圈城市形態與生態環境的耦合協調程度共跨越5個等級，從Ⅱ類到Ⅵ類，保持在一個穩定的健康程度。為便于對比分析，根據耦合協調程度的相對大小將武漢城市圈劃為高耦合區（Ⅱ和Ⅲ類）、中耦合區（Ⅳ和Ⅴ類）以及低耦合區（Ⅵ類）。

2.1.1高耦合區。表3顯示，武漢作為武漢城市圈的核心城市，經濟與城市發展水平較高，2005～2011年均為中級協調發展類型（ⅢA類）。鄂州為中級協調發展類型（ⅢC類），城市形態與生態環境同步協調發展。黃岡、咸寧的山區老區較多，城市化水平較低，但城市形態與生態環境的耦合程度較高，黃岡人文古跡、自然旅游資源豐富，教育事業突出，是武漢城市圈的重要組成部分（ⅡA類）。咸寧作為武漢市的后花園，城市形態與生態環境耦合協調度高，城市形態與生態環境同步發展（ⅢC類）。

2.1.2中耦合區。2005年仙桃、孝感為ⅣA類，天門為ⅤA類，處于初級協調發展類型，生態環境發展滯后。到2011年，仙桃為ⅢA類中級協調類型，耦合協調度提高。孝感、天門穩定在ⅣA類，城市形態超前發展。

2.1.3低耦合區。黃石市作為老工業城市，有著深厚的工業文化底蘊和雄厚的工業基礎，是華中地區重要的原材料工業基地，也是武漢城市圈的副中心城市。2005年為瀕臨失調發展類型（ⅥB類）且城市形態發展滯后，2011年轉型為初級協調發展型（ⅣB類），且生態環境超前發展。潛江作為縣級城市，隨著“兩型社會”的建設，已逐步從失調衰退類型（ⅥA類）向協調發展類型過渡（ⅤA類）。

2.2城市形態指標對生態環境的影響運用灰色關聯分析法，將武漢城市圈生態環境作為參考序列C*，城市形態指標形勢比C1、緊湊度C2、延長率C3、人口密度C4作為比較序列，根據灰色關聯分析模型，得出武漢城市圈生態環境與城市形態指標的關聯度（表4）。由表4可知，生態環境與城市緊湊度的關聯度為0.803，城市緊湊度高人均基礎設施建設消耗少，可共享的基礎建設和資源多，能促進城市生態環境建設，因此緊湊度對生態環境可能是一個促進因素。城市形式比與生態環境關聯度為0.797，城市內在聯系越密切生態環境質量越高。城市延長率增加使交通長度增加，需要消耗更多土地和能源資源，生態環境與城市延長率的關聯度最低為0.482。城市人口密度與生態環境的關聯度最高為0.803，對生態環境影響重大，高人口密度能有效地利用資源，從而利于資源節約，但過高的人口密度會超出城市環境承載力，造成嚴重的環境污染和環境破壞，不利于環境友好。城市的緊湊性、延長率對生態環境的影響并不顯著，生態環境與人口密度密切相關。

3結論與討論

基于耦合度理論構建城市形態與生態環境耦合發展體系，評價武漢城市圈城市形態與生態環境耦合協調程度以及城市形態指標對生態環境的影響。該研究運用耦合度及耦合協調度函數，對武漢城市圈耦合協調度進行了探索性的實證研究，得出以下結論：

（1）不同地區的城市形態與生態環境耦合協調程度不同。武漢作為城市圈的核心城市，城市形態與生態環境耦合協調程度較高為Ⅲ類。鄂州、黃岡、咸寧為Ⅲ類，這些城市的城市形態與生態環境的關系處于中級協調發展階段，城市化水平逐步提升，且城市生態環境質量超前發展。仙桃、孝感、天門為Ⅳ類，這3個市近幾年城市化發展力度大，生態環境建設相對滯后，城市生態發展超前，處于初級耦合協調發展類型。作為老工業基地的黃石市，生態環境較差，城市形態與生態環境的耦合協調程度最低為Ⅴ類，但隨著“兩型社會”的快速發展，黃石市的生態環境明顯提高，提升為初級耦合協調類型。縣級市潛江從失調衰退類型向協調發展類型過渡為Ⅴ類。

（2）城市形態指標對生態環境的影響十分顯著，生態環境與人口密度密切相關。要改善城市生態環境，應最大限度地減少不可持續資源的浪費，提高城市形勢比與緊湊度。但緊湊度增加的同時人口密度也會增加，兩者之間存在著復雜的動態平衡關系。緊湊的生活可以降低能源消耗，但人口密度過高會導致城市生態環境質量下降。人口密度的進一步提高，會導致更密集的居住環境、能源消耗和生態環境污染，這個“度”的問題需要進一步研究。

（3）該研究探索性的研究結果與城市實際發展狀況吻合較好，為城市形態和生態環境的進一步調查研究提供了背景和出發點。然而，該研究選取的城市形態指標以及生態環境指標有限，研究方法僅是耦合協調性分析，因此需要進一步的實證研究。

參考文獻

[1] 樊風雷.珠江三角洲核心區域土地利用時空變化遙感監測及其生態環境效應研究[D].廣州：國科學院研究生院（廣州地球化學研究所），2007.

[2] VAN GRUNSVEN L.Compact Cities.Sustainable Urban Forms for Developing Countries，Mike Jenks and Rod Burgess（Eds.）[J].Journal of Housing and the Built Environment，2003，18（4）：387-391.

[3] ELIZABETH BURTON，MIKE JENKS，KATIE WILLIAMS.The compact city：A sustainable urban form[M].London：E FN Spon，1996.

[4] RUDLIN D，FALK N.Building the 21st century home，the sustainable urban neighborhood[M].Oxford：Architectural Press，1999.

[5] 中國氣象局.生態質量氣象評價規范（試行）[S].2005：1-14.

[6] 國家環境保護總局.生態環境狀況評價技術規范（試行）HJ/T192-2006[S].北京：中國環境科學出版社，2006：1-6.

[7] 祝青林，劉莉，尹文昱，等.東北區域水體密度指數估算方法[J].應用氣象學報，2009（3）：365-369.

[8] 權維俊，郭文利，葉彩華，等.基于TM衛星影像獲取北京市水體密度指數與植被覆蓋指數的方法[J].南京氣象學院學報，2007（5）：610-616.

[9] 史軍，崔林麗，李軍.上海地表濕潤度變化特征及成因分析[J].自然資源學報，2009（6）：1090-1098.

[10] 王立輝，黃進良，杜耘.南水北調中線丹江口庫區生態環境質量評價[J].長江流域資源與環境，2011（2）：161-166.

[11] 劉耀彬，李仁東，宋學鋒.中國城市化與生態環境耦合度分析[J].自然資源學報，2005（1）：105-112.

[12] 宋偉軒，白彩全，廖文強，等.長三角地區經濟發展水平與居民生活質量耦合協調性研究[J].長江流域資源與環境，2013（11）：1382-1388.

[13] 呂添貴，吳次芳，游和遠.鄱陽湖生態經濟區水土資源與經濟發展耦合分析及優化路徑[J].中國土地科學，2013（9）：3-10.

[14] 朱新玲，黎鵬.武漢城市圈可持續發展能力綜合評價[J].中南民族大學學報：自然科學版，2010（2）：125-128.

[15] 程成.對武漢城市圈的現狀分析及政策建議[C]//中國行政管理學會.中國行政管理學會2008年哲學年會論文集.中國行政管理學會，2008：2.

[16] HUANG J N，LU X X，SELLERS J M.A global comparative analysis of urban form：Applying spatial metrics and remote sensing[J].Landscape and Urban Planning，2007，82（4）：184-197.

[17] HANSEN W G.How Accessibility Shapes Land Use[J].Journal of the American Planning Association，1959，25（2）：73-76.

[18] COLE J P.Study of major and minor civil division in political geography[N].Mimeographed，1960.

[19] KENWORTHY J，HU G.Transport and Urban Form in Chinese Cities[J].Disp-The Planning Review，2002，151：5-14.

[20] CHEN H Y，JIA B S，LAU S Y Y.Sustainable urban form for Chinese compact cities：Challenges of a rapid urbanized economy[J].Habitat International，2007，32（1）：28-40.

[21] 楊士弘.城市生態環境學[M].北京：科學出版社，2003.

[22] 霍影.戰略性新興產業集群與區域經濟空間耦合發展效率測度方法研究[J].統計與信息論壇，2012（10）：78-83.

[23] 何宜慶，翁異靜.鄱陽湖地區城市資源環境與經濟協調發展評價[J].資源科學，2012，34（3）：502-509.

[24] 孔雪松，劉艷芳，譚傳鳳.嘉魚縣土地利用結構與效益變化的耦合效應分析[J].資源科學，2009（7）：1095-1101.