吐鲁番市城市化与生态环境动态分析

周玄德，孜比布拉·司马义，2

（1.新疆大学 资源与环境科学学院，乌鲁木齐830046；2.新疆大学 绿洲生态教育部重点实验室，乌鲁木齐830046）

城市化是一个国家或地区经济发展的必经途径，同时也是衡量经济发展水平的重要标志之一。在城市化推进的过程中，人们极大地丰富了物质和精神生活，然而却又不得不面对日益严峻的生态环境问题。城市化所带来的能源短缺、水资源短缺、水环境污染、大气环境污染、土地利用扩张等资源环境问题，已经成为制约该地区城市化发展的约束条件[1]。如果忽视这些生态环境问题，务必会限制该地区的城市化进程。因此，研究城市化与生态环境关系，探讨改善城市生态环境质量的途径与对策，促进城市的生态建设与可持续发展已成为社会关注的焦点[2]。

1 研究区范围与数据采集

吐鲁番市境位于新疆维吾尔自治区东部，地处天山中东部主峰博格达山之南，吐鲁番盆地中心地带，是古代丝绸之路的枢纽地段，联系天山南北的要冲，东邻鄯善县，西接托克孙县，南低库鲁克塔格，连尉犁县，北以天山分水岭为界，同乌鲁木齐县、吉木萨尔县、奇台县接壤。地理坐标为北纬42°15′10″—43°35′，东经88°29′28″—89°54′33″。吐鲁番市区是中共吐鲁番地委，吐鲁番地区行署和吐鲁番军分区所在地市境南北最长约262km，东西最宽处约90km，总面积约为15 738 km2。市区距乌鲁木齐市183km，铁路里程143km。本研究以吐鲁番市作为研究对象，资料来源于2000—2008年《新疆统计年鉴》、《新疆统计年报》。

2 城市化与生态环境指标体系的建立

由于城市化和生态环境分处于一个复杂的系统当中，考虑单一指标难以很好地反映其变化特征，因此根据城市化与生态环境的内涵、动力机制，构建吐鲁番市城市化与生态环境指标体系。同时，结合吐鲁番市的实际发展情况，初步确定从人口城市化、经济城市化、社会城市化和空间城市化4个方面的16项指标将城市化发展系统予以内涵的扩充和特征综合；从生态环境水平、生态环境压力与生态环境保护3个方面的18项指标将生态环境综合状况予以指标分解和特征细化，以便进行城市化与生态环境量化分析[3－4]，详见表1。

3 吐鲁番市城市化与生态环境动态分析的理论模型

3.1 数据的标准化处理

对数据进行标准化处理，是对吐鲁番市城市化与生态环境量化研究的基础。在评价指标体系建立之后，有可能因为各个指标的计量单位不同，即因为具有不同的量纲而不能进行直接比较。因此，一般在收集了相关数据后，还需要进行无量纲化处理，即同度量处理。本文选取标准化处理，即在标准化转换中，将变量值转换为数学期望值为0、方差为1的标准化的数值[5]。具体转换过程如下：第一步，求出各个变量（指标）的算术平均数，即数学期望值¯xi和标准差σi；

第二步，利用以下公式进行标准化处理：

式中：x′ij——标准化变量（指标）；xij——实际变量（指标）值；¯xi——各变量（指标）的算术平均数（数学期望值）；σi——各项指标的标准差。

3.2 指标权重的确定

变异系数法（Coefficient of variation method）是直接利用各项指标所包含的信息，通过计算得到指标的权重，是一种客观赋权的方法。此方法的基本做法是在评价指标体系中，指标取值差异越大的指标，也就是越难以实现的指标，更能反映被评价单位的差距。

表1 城市化与生态环境指标体系

由于评价指标体系中的各项指标的量纲不同，不宜直接比较其差别程度。为了消除各项评价指标的量纲不同的影响[6－7]，需要用各项指标的变异系数来衡量各项指标取值的差异程度。各项指标的变异系数公式为：

式中：Vi——第i项指标的变异系数，也称为标准差系数；σi——第i项指标的标准差；——第i项指标的平均数；Wi——各项指标的权重，i＝1，2，3，…，n。

3.3 综合指数的测度

根据各指标的标准化值与权重，加权求和计算城市化f（x）和生态环境g（y）的综合指数。设xi（i＝1，2，…，m）为城市化指标，yj（j＝1，2，…，n）为生态环境指标，对应的权重分别为Wi和Wj。则按照式（5）、式（6）分别计算城市化综合指数和生态环境综合指数[8]。

3.4 预测模型的原理

灰色数列预测模型（下称灰色模型）是灰色控制系统中灰色系统预测模型之一，它是一种微分方程时间连续性模型。该文应用这种灰色系统理论中单序列一阶微分模型GM（1，1）对城市化与生态环境综合指数进行预测分析。

（1）累加生成与均值生成。GM（1，1）模型的建立方法按照公式（7），（8）分别求出一次累加生成数据Y（t）和均值生成数据Z（t），列成表。

（2）建立GM（1，1）模型。Yt估计值的一阶线性微分方程为：

此式即为GM（1，1）模型，按微分方程的求解方法得到：

式中：x0——初始时刻（t＝0时）的原始数据；u，a——待定系数，根据最小二乘法估计参数向量。

计算Xt的估计值

（3）计算后验差比值C和小误差概率P。若数列Xt和数列δt＝xt－＾xt的标准差分别为S1和S2，则

（4）根据预测精度等级划分表确定模型的精度，详见表3。

表3 预测精度等级划分

4 结果与分析

4.1 城市化综合指数评析

根据吐鲁番市城市化综合指数在2000—2008年的数据，得到吐鲁番市城市化综合指数曲线，见图1。

图1 城市化综合指数曲线

由图1可以看出，在2000—2008年，综合指数由起始年份2000年的－0.795，上升到2008年的0.689 3，增长了1.484 3，尽管在有些年份城市化综合指数出现了波动，如2001—2003年，城市化综合指数在下降，但总体上呈明显的上升趋势。为了进一步分析研究期间吐鲁番市城市化综合指数的变化规律，采取了多项式曲线模拟，具体的模拟曲线及检验参数值[9－10]见表2。

根据R2值的大小，可以发现在多项式曲线模拟上，五次多项式的模拟效果最好，R2的值达到了0.972 6。从而这个五次多项式可以更好地反映在研究期间吐鲁番市城市化综合指数的变化特征。

表2 多项式回归结果

4.2 生态环境综合指数评析

根据吐鲁番市生态环境综合指数在2000—2008年的数据，得到吐鲁番市生态环境综合指数曲线，见图2。

图2 吐鲁番市生态环境综合指数曲线

根据图2可以得出吐鲁番市生态环境综合指数波动比较明显，从2000的－0.264 6下降到2001年的－0.507 8，然后出现连续两年上升，然后又开始呈现下降态势，然而吐鲁番市生态环境综合指数在上升与下降波动的同时，转折点有所上升。在9a中，出现了三个最低点的转折点，依次为2001年的－0.507 8，2005年的－0.245 9，2007年的0.048 2。吐鲁番市生态环境综合指数体现着在波动中缓慢上升的特征[11－14]。

4.3 城市化与生态环境的关联度测算

为了更加进一步的分析城市化与生态环境综合指数的联系，现采取灰色关联度知识予以分析。将研究年份2000—2012的分为三个部分：实际年份2000—2008年为第一阶段，其关联度记为R1；预测年份2002—2010年为第二阶段，其关联度记为R2；全部年份2004—2012年为第三阶段[15－18]，其关联度记为R3。通过DPS数据处理系统软件求得R1，R2，R3，分别为0.600 7，0.621 5，0.669 6。随着时间的延续，城市化与生态环境综合指数关联度值在不断的增加[19－21]，由此说明，两者的联系越来越密切。

4.4 城市化与生态环境综合指数预测

结合上述GM（1，1）模型，考虑实际情况，分别选取2005—2008年4a的城市化综合指数与2004—2008年5a的生态环境综合指数，作为已知数据对2009—2012年的城市化和生态环境综合指数给予预测[22－24]，详见表3—4。

在城市化和生态环境综合指数的预测方面，平均误差分别为1.496%和1.3554%，小概率误差P值均为1.0，方差比C值一次为0.002 3和0.009 6，对照预测精度等级划分表，两者的预测精度均为好，由此预测年份的值具有参考价值[25]，可信度比较高。

由图3可以看出，城市化与生态环境综合指数均呈现快速稳定的增长态势，由此说明在未来的几年内，城市化与生态环境综合指数发展良好[26－27]。在2000—2008年，吐鲁番市城市化与生态环境综合指数增速呈现交错更替的状态，2009—2012年，城市化综合指数明显高于生态环境的综合指数，而且两者的差距有增加的趋势。

表3 吐鲁番市城市化综合指数预测结果

公式为：x（t＋1）＝0.001445e0.363579t－0.000071，小概率误差P值为1.0，方差比C值为0.0023，预测精度等级为好。

表4 吐鲁番生态环境综合指数预测结果

公 式 为 x（t＋1）＝ －0.024797e－0.281530t＋0.029031，小概率误差P 值为1.0，方差比C值为0.0096，预测精度等级为好。

图3 城市化与生态环境综合分析

5 结论

（1）在2000—2008年，吐鲁番市城市化与生态环境综合指数均体现上升趋势。城市化综合指数上升趋势比较明显，拟合曲线为五次多项式，R2为0.972 6，拟合效果比较好；生态环境综合指数波动比较明显，但总体上还是呈上升趋势的。

（2）结合GM（1，1）模型，分别对吐鲁番市城市化与生态环境综合指数在2009—2012年给予预测，两者预测的平均误差均在1.5%以下，而且根据小概率误差P值与方差比C值，对照预测精度等级划分表，两者预测等级均达到好，对实际有一定的参考价值。同时在预测年份，城市化增速快于生态环境增速，两者的差距有增加的趋势。

（3）在对吐鲁番市城市化与生态环境综合指数关联度的分析当中，发现随着时间的推移，在相同的年份中城市化与生态环境综合指数的关联度逐渐增加，依次为0.600 7，0.621 5，0.669 6，由此说明吐鲁番市城市化与生态环境的关系越来越密切。

（4）吐鲁番市城市化与生态环境综合指数在未来有一个很好的发展态势，然而城市化的增长可能快于生态环境，由此应加强两者的联系，进一步采取有关措施，保证两者的同步协调发展。

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