贵阳市城市化、生态环境耦合协调演化与障碍因素诊断

朱士鹏，张志英

(1．六盘水师范学院 旅游与历史文化学院，贵州 六盘水 553004；2．六盘水师范学院 图书馆，贵州 六盘水 553004)

城市化是当今世界的一种重要社会现象，是一个区域走入现代化的必经阶段．在城市化推进过程中，城市的生态破坏、环境污染问题也不断出现，而这些问题的出现在一定程度上又限制了城市化的进一步推进，因此，城市化与生态环境如何协调发展，成为学术界研究的一个重要课题．国外学者对城市化与生态环境协调问题的研究起步较早．早在19世纪末，英国著名学者Howard[1]就提出了田园城市的理论，试图运用理性的规划方法来协调城市化与城市生态环境之间的发展，在此之后Geddes[2],Kline等[3],Meinzen-Dick等[4],Tiffen[5],Grossman等[6],Deosthali[7]也先后开展了该问题的研究，从这些学者使用的研究方法看主要有计量经济学方法[5]、数值模拟方法[6]等．国内学者对城市化与生态环境协调问题的研究起步于20世纪80年代，明显滞后于国外，但经过30多年的发展，也取得了不少成果．国内学者对城市化与生态环境协调问题的研究主要侧重于二者协调度的测定[8-17]、耦合协调度预测[10,17]、交互耦合机制[18]等方面；评价模型主要有协调发展度模型[8-14]、耦合度模型[15]、SD模型[16]、BP神经网络模型[17]、GM(1,1)灰色预测模型[10]等，上述评价模型虽能较好地对城市化与生态环境的协调发展水平、发展趋势进行测度与预测，但是却不能精确揭示制约二者协调发展的因素，而障碍度模型却能很好地解决这一问题，可以弥补上述评价模型的不足．

近年来，在城市化快速推进过程中，贵阳市的生态破坏、环境污染问题也不断出现，日益严峻的生态环境问题反过来又制约了贵阳市城市化的进一步推进．如何推动贵阳市城市化与生态环境协调发展，成为亟待解决的问题.因此，文中在前人研究的基础上，采用耦合度模型、耦合协调度模型对贵阳市2004—2014年城市化与生态环境的协调发展水平进行测度，明确该时期内二者的协调发展状况与演变趋势，在此基础上，引入障碍度模型，进一步揭示影响贵阳市城市化与生态环境协调发展的主要障碍因子，旨在为贵阳市制定相关决策提供参考．

1 研究方法

1.1 研究区概况

贵阳市位于贵州省中部，是贵州省省会所在地．截至2014年底，贵阳市包含1个县级市、6个市辖区、3个市辖县，总面积为8 034 km2，其中市区面积为2 403 km2．2014年全市实现生产总值2 497.27亿元，一、二、三产业的比重分别为4.3%,39.1%,56.6%；年末常住人口455.6万人，其中，城镇人口333.5万人，城镇化率达到了73.2%；建成区公共绿地面积3 105 hm2，绿化覆盖率43.5%，人均公共绿地面积为11.2 m2(贵阳市2014年国民经济和社会发展统计公报、贵阳市统计年鉴2015)

1.2 指标体系构建

国内学者在城市化与生态环境耦合协调评价指标的选择方面差异较大，目前尚未达成共识.文中借鉴已有的研究成果，根据指标选取的科学性、全面性、可比性等原则，构建评价指标体系(表1)．对于城市化子系统，选择城镇人口比重、城市人口规模、城市人口密度等4个指标反映人口城市化程度；选择人均GDP、GDP密度等4个指标反映经济城市化程度；选择城镇居民可支配收入、人均社会消费品零售额、城镇登记失业率等8个指标反映社会发展程度与生活方式转变程度；选择人均城市道路铺装面积、建成区面积等4个指标反映城市土地利用形态改变程度，即空间城市化程度．对于生态环境子系统，选择人均公共绿地面积、建成区绿化覆盖率等3个指标反映城市生态环境状态；选择人均日生活用水量、人均工业SO2排放量、人均工业烟尘排放量等5个指标反映城市人类活动对生态环境的压力；选择工业固体废弃物综合利用率、生活垃圾无害化处理率、环保投资占GDP比重等7个指标反映城市生态环境在受到污染和破坏的同时，人类采取措施对其保护的程度．

1.3 数据来源

城市人口规模、人均GDP、城镇居民可支配收入、建成区面积、建成区园林绿地面积、建成区绿化覆盖率、城镇登记失业率、污水集中处理率等数据直接来源于《2005—2015年贵阳市统计年鉴》，城市人口密度、二三产业从业人员比重、人均工业产值、每万人拥有公交车数、人均工业SO2排放量、人均工业废水排放量等数据根据《2005—2015年贵阳市统计年鉴》《2004—2014年贵阳市环境状况公报》计算获得；部分缺失数据利用插值法进行补齐．

表1 城市化和生态环境耦合协调指标体系

注：“+”为正向型指标，“-”为逆向型指标．

1.4 数据处理与指标赋权

1.4.1 数据处理 由于各指标量纲不统一，数值差距较大，需要进行数据标准化处理[18]927：对正向型指标：

(1)

对逆向型指标：

(2)

其中，yij,xij分别为标准化值、原始值；xjmin,xjmax分别为j指标的最小值、最大值．

1.4.2 指标赋权 采用均方差赋权法对各指标进行赋权[19]927：

(3)

其中，μj,σj,wj分别为j项指标的均值、标准差、权重．

1.5 研究方法

1.5.1 发展指数 用发展指数衡量城市化发展水平、生态环境发展水平，计算公式为[14]12705

(4)

其中，f(A),g(B)分别为城市化发展指数、生态环境发展指数；aj为城市化系统的构成要素；bk为生态环境系统的构成要素；wj,ωk为各个要素的权重．

1.5.2 耦合度模型 基于城市化系统与生态环境系统间的交互胁迫关系，将两系统作为一个复合系统来研究，f(A),g(B)是该复合系统的主导部分，那么，按照贝塔兰菲的一般系统论，这个系统的演化方程为[15]106

其中，M,N分别为城市化系统、生态环境系统的演化方程；β1,β2,η1,η2为方程系数．

2个子系统(城市化子系统、生态环境子系统)的演化速度为[15]106

(6)

假定城市化子系统的发展具有周期性特征，生态环境子系统在城市化子系统的影响下也具有周期性特征．在每个周期内，如果用2维平面来描述(VM,VN)的演化轨迹，那么演化轨迹就是2维平面中的椭圆，VM与VN的夹角α为[20]65

(7)

α其实就是耦合度．根据α取值可以判定整个系统的演化状态以及f(A)和g(B)的动态耦合程度．在一个完整的周期内，系统会经历4个不同的阶段(表2)．

表2 城市化系统与生态环境系统耦合发展过程[21]2676

1.5.3 耦合协调度模型 由于耦合度只能反映城市化系统和生态环境系统相互作用的程度，不能很好地体现二者协调发展水平的高低，因此，文中引入耦合协调度模型对城市化与生态环境的协调发展水平进行测度．

综合发展指数T、耦合协调性指数C计算公式为[22]108,[23]141

其中c,d为待定系数．可以认为城市化子系统、生态环境子系统在整个复合系统中一样重要，所以取c=d=1/2．

由于C和T量纲不统一，数值差距较大，所以需要进行标准化处理．标准化处理公式为[23]141

耦合协调度D计算公式为[22]108

(10)

表3 2004—2014年贵阳市城市化发展指数、生态环境发展指数

2 结果与分析

2.1 城市化与生态环境发展指数测算与分析

利用(1)～(4)式，分别计算贵阳市城市化发展指数f(A)、生态环境发展指数g(B)，结果见表3、图1．

表3、图1显示：① 贵阳市城市化发展指数、生态环境发展指数分别由2004年的0.035 7,0.128 0增长到2014年的0.971 2,0.911 5，整体呈上升趋势，说明贵阳市城市化水平、生态环境发展水平在2004—2014年期间整体呈提高趋势， 并达到较高水平；② 2004—2012年贵阳市城市化水平始终低于生态环境发展水平，属于城市化滞后型，到了2013年，城市化发展水平开始高于生态环境发展水平，这时演变为生态环境滞后型．

图1 城市化与生态环境发展指数时间变化

2.2 耦合度测算与分析

1)利用Excel软件和表3中的数据，采用二次多项式分别拟合城市化发展指数f(A)、生态环境发展指数g(B)对年份的变化趋势，得到拟合曲线方程M=0.00533t2+0.02991t+0.03762，R2=0.987；N=-0.00605t2+0.15108t-0.0305，R2=0.984(拟合曲线方程的变量t取1～11，对应2004—2014年)．

2)对拟合曲线方程M,N分别求时间t的一阶导数，得到城市化、生态环境两子系统演化速度方程：

3)利用(11)式、(7)式，计算城市化系统和生态环境系统演化速度、耦合度，结果见表4．

表4表明，2004—2014年贵阳市城市化和生态环境的耦合度α∈(0°,90°)，说明二者在该期间内处于协调发展阶段．其中，2004—2008年耦合度α∈(0°,45°)，属于初级协调发展阶段，在该阶段城市化速度落后于生态环境的发展速度，但由于城市化速度一直加快，而生态环境发展速度持续放慢，二者的差距逐渐缩小，因此α 值不断扩大，并趋近于45°，这说明在2004—2008年期间二者的关系在逐步走向和谐；2009—2014年耦合度α∈(45°,90°)，属于共同发展阶段，在该阶段随着贵阳市城市化的快速推进，城市化对生态环境的胁迫作用逐步加强，与此同时，生态环境对城市化的限制与约束也开始出现，两者之间出现矛盾，且矛盾随着时间的推移不断加大，表现为α值进一步扩大，并趋近于90°，这反映在2009—2014年期间二者的关系正在向不和谐方向发展.

表4 演化速度、耦合度

2.3 耦合协调度测算与分析

利用表3-4数据，借助式(8)～(10)式，计算城市化系统和生态环境系统演化的耦合协调度，结果见表5．表5表明，贵阳市城市化与生态环境的耦合协调度呈先上升后下降的趋势．2004—2009年贵阳市城市化和生态环境的发展水平逐年提高，且二者演化速度的差距整体缩小，协调性增强，因此耦合协调度不断提高，并在2009年达到最大值；2009年之后贵阳市城市化加速，由于城市化演化速度明显快于同期生态环境演化速度，且二者差距不断拉大，导致协调性不断降低，因此，耦合协调度不断降低．

将耦合协调度分为4个等级，即D∈(0,0.3]为低度耦合协调；D∈(0.3,0.5]为中度耦合协调；D∈(0.5,0.8]为高度耦合协调；D∈(0.8,1.0]为极度耦合协调[20]．从表5可以看出，2004年D值为0.183 1∈(0,0.3]，说明2004年贵阳市城市化与生态环境为低度耦合协调，2005,2006年D值分别为0.319 8,0.441 9∈(0.3,0.5]，为中度耦合协调，2007—2012年D值分别为0.578 4,0.702 2,0.706 1,0.697 8,0.644 1,0.584 3∈(0.5,0.8]，为高度耦合协调，2013,2014年D值分别为0.473 4,0.316 2∈(0.3,0.5]，为中度耦合协调．2004年贵阳市城市化和生态环境发展水平均较低，尤其是城市化水平更低，且两者演化速度差距较大，因此，耦合协调度低，为低度耦合协调；2005—2006年，贵阳市在抓城市生态建设的同时，加快了城市化的步伐，表现为城市化和生态环境发展水平均得到了明显提高，且两者演化速度差距不断缩小，因此，耦合协调度有了较大的提高，达到中度耦合协调；2007—2010年贵阳市城市化和生态环境演化速度比较接近，协调性很好，又加上二者的发展水平较前一阶段(2005—2006年)年提高较多，因此，耦合协调度很高，为高度耦合协调；2011—2012年贵阳市城市化和生态环境演化速度差距较前一阶段(2007—2010年)略微扩大，耦合协调性略微降低，但由于该时期内城市化和生态环境发展水平较前期又有明显提高，因此，耦合协调度仍很高，仍处于高度耦合协调状态；2013—2014年贵阳市城市化和生态环境发展水平均很高，但是二者耦合协调度却不高，主要原因是在该时期内，贵阳市生态环境受城市化高速推进的影响，演化速度非常缓慢，二者之间的耦合协调性很低，因此，在该期间内贵阳市城市化与生态环境耦合协调度不高，为中度耦合协调．所以，对于贵阳市来说，未来几年应进一步加大城市生态环境建设力度，继续改善城市生态环境，同时，适度控制城市化速度，以促进其城市化与生态环境向更加协调的方向发展．

表5 耦合协调度D

3 城市化与生态环境协调发展障碍因素诊断

表3显示，2012年以后贵阳市生态环境发展水平低于城市化发展水平，属于生态环境发展滞后型．生态环境发展滞后阻碍了贵阳市城市化与生态环境协调发展水平的进一步提高．为了找出阻碍贵阳市生态环境发展水平进一步提高的主要障碍因子，为政府相关部门制定城市生态环境发展政策提供科学依据，更好地促进贵阳市城市化与生态环境协调发展，文中引入障碍度模型[24]126：

(12)

其中，mij,wj,zij分别为第i年j项指标的障碍度、j项指标的权重、j项指标的标准化值．zij的取值为：对于正向指标，zij=xij/nj，若xij≥nj，则zij=1；对于负向指标，zij=nj/xij，若xij≤nj，则zij=1．其中，xij为第i年j指标的原始值；nj为j指标的理想值(结合贵阳市实际情况确定)．障碍度表示单项指标对城市生态环境的影响值，该值大小排序可确定哪些因子是制约城市生态环境发展的主要障碍因子．

借助(12)式，计算2004—2014年影响贵阳市生态环境发展各指标因子的障碍度，并选取障碍度排名前5的因子作为每年份影响贵阳市生态环境发展的主要障碍因子，结果如表6．表6表明，人均公共绿地面积b11、人均工业固体废弃物产生量b23、环保投资占GDP比重b33、污水集中处理率b344个因子在2004—2014年期间出现频率均超过50%，可视为制约贵阳市生态环境发展的主要障碍因子，其中，污水集中处理率因子虽然出现频率较高，但由于在最近5年已没有出现，说明其已不再是目前制约贵阳市生态环境发展的主要障碍因子．2004—2014年贵阳市人均公共绿地面积一直处于8.65～1.2 m2，距离目标值13 m2还有一定差距，说明人均公共绿地面积不足制约了贵阳市生态环境发展水平的提高；人均工业固体废弃物产生量一直处于1.73～2.70 t， 距离目标值1.5 t仍有一定差距，说明人均工业固体废弃物产生量大也制约了贵阳市生态环境发展水平的提高；环保投资占GDP比重一直低于3.6%，距离目标值5%，仍有较大差距，说明环境保护投入不足是制约贵阳市生态环境发展水平提高的主要原因；污水集中处理率在最近5年均已超过95%，已接近目标值100%，说明贵阳市污水处理已达到较高水平．通过以上分析可以看出人均公共绿地面积b11、人均工业固体废弃物产生量b23、环保投资占GDP比重b333个因子是目前制约贵阳市生态环境发展的主要障碍因子，同时也是阻碍贵阳市城市化与生态环境协调发展水平进一步提高的主要障碍因子．计算结果显示，贵阳市要促进城市化与生态环境协调发展：① 必须加大环境保护投入，对重点污染区域进行治理，并进一步完善城市“三废”处理设施；② 加大城市公共绿地建设，增加城市公共绿地面积；③ 加大科学技术投入，提高资源利用率，同时，积极调整产业结构，逐步淘汰固体废弃物产生多的企业，进一步减少固体废弃物的产生量．

表6 2004—2014年贵阳市生态环境发展的障碍因子及频率

4 结论

文中借助耦合度、耦合协调度模型首先判定了贵阳市2004—2014年城市化和生态环境的协调发展状态与演化趋势，在此基础上，利用障碍度模型，找出了制约二者协调发展的主要障碍因子．与传统的耦合度模型相比，以上3种方法的相互补充使城市化与生态环境耦合关系的判断更为全面、准确，而且更容易揭示出制约二者协调发展的主要障碍因子，因此，在一定程度上可弥补传统方法的不足．

1)贵阳市城市化、生态环境发展水平在研究期内整体呈提高趋势；2004—2012年城市化发展水平低于生态环境发展水平，属于城市化滞后型，到了2012之后，则演变为生态环境滞后型．

2)贵阳市城市化和生态环境的耦合度α∈(0°,90°)，处于协调发展阶段，其中，2004—2008年属于初级协调发展阶段，2009—2014年属于共同发展阶段．虽然贵阳市目前仍处于城市化和生态环境的协调发展阶段，但随着城市化的加速，耦合度已趋近于90°，如果不加以控制，城市化和生态环境将进入极限发展阶段．

3)耦合协调度先上升(2004—2009年)后下降(2009—2014年)，表明贵阳市城市化与生态环境的协调发展水平先升高后下降．城市化与生态环境耦合协调状态经历了低度协调(2004年)—中度协调(2005—2006年)—高度协调(2007—2012年)—中度协调(2013—2014年)的演变过程．

4)人均公共绿地面积、人均工业固体废弃物产生量、环保投资占GDP比重3个因子是目前制约贵阳市生态环境发展的主要障碍因子，同时也是阻碍贵阳市城市化与生态环境协调发展水平进一步提高的主要障碍因子．

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