京津冀城市群城市化-旅游業-生態環境耦合協調度及障礙因子診斷

趙安周, 王冬利, 王金杰, 胡小楓

(1.河北工程大學 礦業與測繪工程學院, 河北 邯鄲 056038;2.中國科學院, 地理科學與資源研究所 資源與環境信息系統國家重點實驗室, 北京 100101)

城市化是推動地區社會經濟發展、實現中國現代化的必由之路[1-2]。自1978年以來，我國城市化水平取得了顯著的進步，國家統計局數據顯示2018年中國城市化率已達59.58%，目前正在形成長三角、珠三角、京津冀、長江中游和成渝5個特大城市群[3]。旅游業作為無煙工業已成為城市經濟增長的重要推動力，其發展會對當地的社會、經濟、文化、環境等方面產生深遠的影響[4]。2016年國家發展改革委、國家旅游局《關于實施旅游休閑重大工程的通知》中明確提出中國旅游消費總額到2020年對國民經濟增長的綜合貢獻率要達到10%以上。隨著旅游業的快速發展，城市作為旅游活動開展的物質載體，其城市化水平的高低對旅游產業的發展具有重要的作用[5]。在旅游業和城市化發展過程中，生態環境是其依托和物質基礎，良好的生態環境可以促使旅游產業發揮其聯動效應，從而推動地區城市化的進程[6]。與此同時，在旅游業和城市化快速發展的同時也產生了諸如大氣污染、水污染、耕地面積減少等諸多生態環境問題，阻礙和制約了城市化和旅游業的可持續發展[7]。因此，綜合分析城市化、旅游業以及生態環境三者之間的關系，辨識區域要素對三者的影響對于國家和地區城市社會經濟發展規劃的制定具有重要的借鑒意義。

目前已有諸多學者對城市化、旅游業以及生態環境的關系開展了研究。早期的研究多集中在城市化與旅游業、城市化或旅游業與生態環境兩兩子系統之間的交互關系研究[8]。在城市化與旅游產業方面，高楠等[9]構建了西安市旅游業和城市化的耦合評價模型，認為兩個子系統之間存在明顯的耦合發展特征；王新越等[10]認為2000—2014年中國東部地區國內旅游消費與城市化的協調度不斷提高，但存在空間上的差異；在城市化與生態環境方面，He[11]等探索了1980—2013年上海市城市化與生態環境之間的交互耦合關系，認為二者之間的耦合度呈現S型曲線的形式；方創琳等[12]分析了天山北坡城市群城市擴張對生態環境的影響，認為該城市群在未來發展過程中要充分考慮其生態環境的承載力及其敏感性；在旅游業與生態環境方面，劉遺志等[13]構建了貴州省旅游業和生態環境的壓力—狀態—響應框架，認為二者的耦合程度與人類活動密切相關；熊建新等[14]認為旅游產業的快速發展會對生態環境造成一定的壓力，進而限制地區旅游城鎮化的提升。隨著研究的不斷深入，也有學者嘗試構建區域城市化—旅游業—生態環境三者的耦合框架，如Liu等[15]構建了陜西省旅游產業—城市化—生態環境的耦合協調度模型，認為該省份三者之間的耦合協調度經歷了北部低、中南部高到中部高、南部和北部低的發展趨勢；趙胡蘭[8]、李秋雨[16]、高楊[17]等分別對新疆省、吉林省以及京津冀地區旅游產業—城市化—生態環境的關系進行了研究，探討了其耦合關系的時空演變規律。然而現有的有關城市化、旅游業和生態環境的關系研究缺乏對未來耦合協調度演變趨勢以及對影響三者演變的障礙性因子的診斷分析[8]，且研究區多集中在國家、省市尺度，對城市群，特別是對特大城市群地區的研究略顯不足。

京津冀城市群是中國重點建設的5個特大城市群之一，也是中國北方重要的社會經濟核心區域[3]。隨著近些年來城市化和旅游業的快速發展，該地區生態環境受到一定程度的破壞[18-19]，其城市化—旅游業—生態環境出現了不協調發展的局面。因此，深入研究京津冀城市群的城市化—旅游業—生態環境耦合協調過程、未來演變趨勢，找出影響其演變的障礙性因子，有利于推動京津冀協調發展戰略取得更大進展，對實現該城市群城市化—旅游業—生態環境的協調和可持續發展具有現實的指導意義。

1 研究區概況

京津冀城市群地處華北平原北部，位于36.1°—42.7°N，113.5°—119.8°E，地勢由西北向東南傾斜，北部為燕山山脈，西部為太行山脈，東部為渤海，包括北京、天津兩個直轄市以及河北省的11個城市，總面積達216 485.2 km2(圖1)。地形以平原和山地為主，氣候類型為溫帶半濕潤半干旱大陸性季風氣候，春季干旱多大風，夏季高溫多降水，冬季寒冷干燥少降水[20-21]。該地區是中國北方經濟規模最大、旅游業發展態勢強勁和最具有活力的地區之一[17]。據統計，2017年京津冀城市群接待海內外游客人數達到10.53億人次，實現旅游收入11 922.8億元，約占全國旅游總收入的22.04%[22]。從城市發展水平來看，2018年該城市群城市化水平達到65.9%，高于全國城市化水平約6%。城市化和旅游業在促進京津冀城市群社會經濟發展的同時，也給周邊生態環境造成了巨大的壓力[23]?！毒┙蚣絽f同發展規劃綱要》明確指出經濟發展的同時要兼顧生態環境的保護。

圖1 研究區范圍

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

本文以2000—2017年為時間序列，以京津冀城市群為研究單元，分析城市化—旅游業—生態環境的耦合協調關系，找出影響3個系統發展的障礙因素。數據主要來自于《北京統計年鑒》(2001—2018年)、《天津統計年鑒》(2001—2018年)、《河北經濟年鑒》(2001—2018年)以及北京、天津和河北的各地統計公報(2000—2017年)。

2.2 研究方法

2.2.1 指標體系構建與權重確定 依據城市化、旅游業和生態環境耦合模型的內涵，在科學性、可操作性、數據可獲取性以及已有研究的基礎上[8-9,24-25]，選取16個一級指標、34個二級指標來構建京津冀城市群城市化—旅游業—生態環境綜合評價指標體系(表1)。為消除指標之間由于不同量綱及物理意義對結果造成的影響，首先利用極值法對原始數據進行無量綱化處理[26]，在此基礎上，利用熵權法計算各二級指標和一級指標的權重(表1)[26]。

表1 京津冀城市群城市化-旅游業-生態環境協調發展指標體系及權重

2.2.2 系統耦合協調模型 借鑒已有的資料和文獻[8,15]，本文依據效益理論和平衡理論，構建城市化、旅游業和生態環境3個子系統的協調度模型，具體如下所示：

(1)

式中:C為耦合度,其范圍為0～1,值越大表明3個子系統之間的相關性越高；UI,TI和ECEI分別為城市化水平、旅游業和生態環境子系統的綜合發展水平的測算值,可以通過以下公式求得:

(2)

式中:ωij為子系統i的第j項指標的權重；rij為無量綱化處理后的數據；yi(i=1，2，3)分別為城市化水平(UI)、旅游業(TI)和生態環境(ECEI)子系統的綜合發展水平。

由于3個子系統的發展水平存在差異，會出現3個子系統發展水平都較低，而耦合度較高的情況[9]。為避免該情況出現，客觀評價城市化—旅游業—生態環境的協調發展水平，本文進一步引入耦合協調度模型：

(3)

T=α×UI+β×TI+γ×ECEI

(4)

式中:D為耦合協調度;T為城市化、旅游業、生態系統的綜合評價指數;α，β和γ為待定系數,考慮到旅游業和城市化相互作用的不對稱性,旅游業的發展可以改善城市基礎設施建設,進而推動城市化的進程,城市化可以為旅游業發展提供強有力的支撐,但是旅游業并非城市化進程的唯一驅動力,而生態環境在二者發展中均有重要作用[6],故α，β和γ分別取值0.4,0.2,0.4,其耦合協調等級劃分見表2[27]。

表2 耦合協調度等級劃分

2.2.3 灰色Verhulst模型 本文采用灰色Verhulst模型來預測未來10 a京津冀城市群城市化—旅游業—生態環境的耦合協調度。與傳統的灰色預測模型GM(1，1)相比，該模型考慮了有限制情況下的指數發展情況，主要用來研究具有飽和狀態S型序列的曲線事件，可以更好地預測長時間序列的社會經濟活動和自然生態環境[28]。其具體建立過程如下[29]：

假設在模型預測中，其原始數據為x(1)=[x(1)(1)，x(1)(2)，…，x(1)(n)]，對原始數據列做一次累減，進而弱化呈離散狀態的原始數據列，經過處理后的數據序列為x(0)=[x(0)(1)，x(0)(2)，…，x(0)(n)]；然后對原始數據序列累加生成的遞增序列的數據生成緊鄰均值z(1)，則數據矩陣為：

(5)

式中:符號～表示估算值,則Verhulst模型的白化方程如下:

(6)

對其進行求解得：

(7)

(8)

最后采用絕對誤差對其進行檢驗，其具體計算公式如下[30]：

Δt=|Ct-St|

(9)

式中:Δt為第t年的絕對誤差;Ct和St分別為第t年耦合協調度的真實值和模擬值。

2.2.4 障礙因子診斷模型 對影響城市化—旅游業—生態環境的主要障礙因素進行診斷和分析，可以有效制定和調整相關城市和旅游業發展政策。障礙度的大小可以表示各指標對子系統影響程度的高度，其診斷模型具體公式如下[30-31]：

(10)

式中:Ij為各指標最優目標值和實際值的差,可用1-rij(各指標標準化后的值與1的差值)表示;ωj為第j項指標的權重。

3 結果與分析

3.1 城市化-旅游業-生態環境綜合水平時序分析

圖2為2000—2017年期間京津冀城市群城市化綜合水平(UI)、人口城市化(UPI)、經濟城市化UEI)、空間城市化(ULI)以及社會城市化(USI)的時間變化趨勢。從圖中可以看出，UI呈逐年上升的趨勢，其值由2000年的0.127上升到2017年的0.887，表明京津冀城市群自2000年以來城市化發展較快，城市經濟不斷發展，非農人口比例不斷增加(圖2A)。具體來看，其UPI，UEI，ULI和USI均呈現增加的趨勢，2010年之前，其UPI對UI的貢獻份額最大，表明這期間人口城市化所包含的要素在推動京津冀城市群城市化發展過程中起重要作用；2010年以后，其USI對UI的貢獻額度開始超過UPI，USI的值由2000年的0.014增加到2017年的0.295，表明社會城市化所包含的要素對城市化發展的貢獻越發重要；ULI對UI的貢獻額度不高，雖呈現波動上升得趨勢，但仍處于較低水平(圖2B)。

圖2 2000-2017年京津冀城市群城市化水平時序變化

旅游業(TI)的變化與UI類似，均呈現上升的趨勢，其值由2000年的0.025上升到2017年的0.869，表明京津冀城市群自2000年以來旅游業發展較為迅速(圖3A)。從一級指標的變化趨勢來看，旅游收入(TRI)、旅游就業(TEI)、旅游設施(TF)和游客數量(TN)均呈現波動增加的趨勢。2010年之前，其TEI和TF對旅游業子系統的貢獻份額最大，表明這期間旅游就業和旅游設施所包含的要素在推動京津冀城市群旅游產業發展過程中起重要作用；2010年以后，TN和TRI對旅游業子系統的貢獻額度開始超過TEI，表明游客數量包含的要素對旅游產業發展的貢獻越發重要(圖3B)。

圖3 2000-2017年京津冀城市群旅游產業水平時序變化

圖4展示了生態環境綜合水平(ECEI)以及各一級指標的變化趨勢。ECEI在2000—2017年期間表現出波動下降的趨勢，其值由2000年的0.634下降到2017年的0.407，最低值出現在2011年(0.373)，最高值出現在2000年(0.634)。2000—2009年，ECEI呈現波動下降的變化趨勢；2010—2017年ECEI呈現波動上升的趨勢(圖4A)。從一級指標的變化趨勢來看，資源要素指標(REI)和環境壓力指標(EPI)呈波動下降的趨勢，而生態要素條件指標(EEI)呈現波動上升的趨勢。2010年之前，其REI和EPI對ECEI的貢獻份額最大，表明這期間資源要素條件和環境壓力條件所包含的要素在推動京津冀城市群生態環境子系統時間演變過程中起重要作用；2010年以后，其EEI對ECEI的貢獻額度開始超過REI和EPI，表明生態要素條件包含的要素對生態環境子系統時間演變的貢獻越發重要。

圖4 2000-2017年京津冀城市群生態環境水平時序變化

3.2 城市化-旅游業-生態環境耦合協調度分析

2000—2017年京津冀城市群城市化—旅游業—生態環境耦合度(C)、耦合協調度(D)及類型見表3。京津冀城市群城市化—旅游業—生態環境耦合度總體水平較高，除2000年、2001年的值較低外，其他年份的值均在0.80以上，這說明京津冀城市群城市化—旅游業—生態環境之間的關聯性較高。從耦合協調度的變化來看，2000—2017年期間經歷了輕度失調—瀕臨失調—勉強協調—初級協調—中級協調—良好協調的變化趨勢，表明該城市群城市化綜合水平、旅游業發展水平和生態環境水平總體持續向良好的方向發展，到2015年在良好協調水平保持穩定發展。

表3 2000-2017年京津冀城市群城市化-旅游業-生態環境耦合度及協調度

從耦合的類型來看，京津冀城市群城市化—旅游業—生態環境耦合協調可劃分為生態環境超前和城市化超前型。具體分時間段來看，2000—2009年屬于生態環境超前型，UI和TI的值均低于ECEI，這表明此階段京津冀城市群城市化發展較為落后，豐富的旅游資源并未得到有效的開發利用，城市化—旅游業—生態環境僅能達到輕度失調、瀕臨失調、勉強協調和初級協調水平，長期來看城市化和旅游產業仍有較大的發展空間。從2010年開始，該城市群城市化—旅游業—生態環境耦合協調類型轉為城市化超前型，該階段UI和TI均開始快速上升，但ECEI呈現波動上升的趨勢，其值低于UI和TI，表明城市化和旅游產業的快速發展在很大程度上對生態環境產生了消極的影響，粗放式的城市化和旅游業的發展會造成生態環境的破壞，進而制約生態環境的良性發展。

3.3 城市化-旅游業-生態環境耦合協調發展預測分析

為進一步了解京津冀城市群城市化—旅游業—生態環境耦合協調度的未來變化趨勢，基于2000—2017年的耦合協調度計算結果，根據灰色Verhulst的建模方法，預測未來10 a(2018—2027年)的耦合協調度，其灰色Verhulst構建的模型為：

(11)

利用模型(11)對2000—2017年的京津冀城市群耦合協調度進行預測，將預測值與初始值進行比較擬合。如圖5所示，該模型預測結果與實際計算的耦合協調度擬合效果良好，其2000—2017年該城市群城市化—旅游業—生態環境耦合協調度的初始值與預測值的平均誤差為2.41%，模型的預測精度可達97.59%，可以用來預測未來10 a京津冀城市群城市化—旅游業—生態環境耦合協調度的值，其預測結果見圖6。結果顯示，未來10 a該城市群城市化—旅游業—生態環境耦合協調度的值將保持小幅度的持續上升趨勢，耦合協調度總體上在逐步向好發展。

圖5 2000-2017年京津冀城市群城市化-旅游業-生態環境耦合協調度真實值與灰色預測值的擬合趨勢

圖6 京津冀城市群城市化—旅游業—生態環境耦合協調度預測值

3.4 障礙性因素診斷

2000—2017年京津冀城市群城市化—旅游業—生態環境各子系統的障礙度見圖7。在城市化水平系統中，人口城市化水平(UPI)的障礙度比例較大，平均值達到32.63%，其次為社會城市化水平(USI)、經濟城市化水平(UEI)和土地城市化水平(ULI)，其值分別為30.75%，25.69%，11.13%，表明UPI和USI是制約城市化子系統的主要要素。由此可見，在新常態下，提高城市化水平，應重點關注人口城市化和社會城市化。從各個一級指標的時間變化趨勢來看，UPI的障礙度逐年增加，2012年增速明顯加快，其年均增長達3.38%；UEI和ULI的障礙度呈下降的趨勢，下降速率分別為1.55%，0.89%；USI的障礙度呈先上升后下降的波動起伏變化趨勢(圖7A)。

從旅游業發展水平系統來看，旅游收入(TRI)的障礙度所占比例較大，其平均值達到32.38%，其次為游客數量(TN)、旅游就業(TEI)和旅游設施(TF)，其值分別為27.21%，26.18%，14.23%。從各個一級指標的時間變化趨勢來看，旅游設施的障礙度逐年下降，其年均下降速率達0.98%；TRI和TN呈先上升后下降的波動起伏變化趨勢，而TEI呈先下降后上升的波動起伏變化趨勢。由此可見，提高旅游產業發展水平，應重點關注旅游收入和游客數量(圖7B)。

從生態環境子系統來看，資源要素條件(REI)的障礙度比例最大，其平均值達到47.73%，其次為生態環境條件(EEI)和生態要素條件(EPI)，其值分別為26.12%，26.14%。從其時間變化趨勢來看，資源要素條件(REI)呈現增加的趨勢，其增加速率為0.78%；生態要素條件(EEI)呈減小的趨勢，其減少速率為0.99%；環境壓力條件(EPI)呈先增加后減少的趨勢(圖7C)。

圖7 2000-2017年影響京津冀城市群城市化-旅游業-生態環境耦合協調度一級指標的障礙度

4 結論與討論

(1) 從3個子系統的時間變化趨勢來看，城市化綜合水平子系統和旅游產業子系統均呈現增加的趨勢，其值由2000年的0.126，0.025分別上升到2017年的0.887，0.869。生態環境子系統呈現減少的趨勢，其值由2000年的0.634下降到2017年的0.407。從貢獻份額來看，2010年之前，其UPI對UI的貢獻份額最大，TEI和TN對TI的貢獻份額最大，REI對ECEI的貢獻份額最大；2010年以后，其USI對UI的貢獻額度開始超過UPI，TN和TRI對TI的貢獻額度開始超過TEI，EEI對ECEI的貢獻額度開始超過REI。

(2) 2000—2017年期間京津冀城市群城市化—旅游業—生態環境三者之間具有較高的關聯度(C>0.8)，耦合協調度經歷了輕度失調—瀕臨失調—勉強協調—初級協調—中級協調—良好協調的變化趨勢，其耦合的類型可劃分為生態環境超前和城市化超前型。

(3) 灰色Verhulst模型預測精度達到97.59%，其預測的京津冀城市群城市化—旅游業—生態環境耦合協調度在未來10 a(2018—2027年)保持小幅度的持續上升趨勢。

(4) 從各個一級指標對子系統的障礙度來看，人口城市化水平(UPI)對其城市化子系統的影響較大(32.63%)，其呈現逐年增加的趨勢，年均增長達3.38%；旅游收入(TRI)對旅游業子系統的影響最大，其均值為32.38%，時間上呈先上升后下降的波動變化趨勢；資源要素條件(REI)對生態環境子系統的影響最大，其均值達到47.73%，時間上呈現增加的趨勢，其增加速率為0.78%。

目前已有諸多學者對城市化、旅游業和生態環境的耦合關系進行了研究[8,16,32-33]，但是針對特大城市群地區的研究仍處于探索階段。本研究借鑒已有的研究成果測算2000—2017年京津冀城市群地區耦合協調度，預測了未來10 a(2018—2027年)該地區的耦合協調度，并診斷了影響3個子系統的障礙因子(圖7)，為提升京津冀城市群地區城市化、旅游業和生態環境的耦合協調關系提供一定的指導和借鑒。今后，京津冀城市群應重點關注人口城市化水平(UPI)、旅游收入(TRI)和資源要素條件(REI)對城市化、旅游業和生態環境的影響。研究結果可以更好地了解京津冀城市群城市化—旅游業—生態環境的耦合協調發展情況，并為合理制定和規劃未來城市發展、推動旅游產業健康發展給予參考。然而，區域城市化、旅游業和生態環境涉及指標眾多，相關政策、規劃等諸多定性指標無法直接量化，同時由于數據的可獲取性，沒有對不同地市的城市化—旅游業—生態環境的耦合協調關系在空間上進行橫向比較研究，今后研究中因綜合考慮以上因素，以便更加全面地測度城市化—旅游業—生態環境的耦合協調發展情況，為城市社會經濟的可持續發展提供更多指導和借鑒。