城市化与生态环境之关联耦合性分析

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摘要 本文以快速城市化的上海市青浦区为对象，应用城市化与生态环境关联耦合模型，遴选出作用于生态环境的18项城市化指标和制约城市化的12项生态环境指标，计算关联度和耦合度及进行它们的时序规律分析，阐明城市化进程中的生态环境变化规律。城市化与生态环境的关联度和耦合度在1997-2006 年间的时序上均呈现两个阶段，第一阶段是城市化与生态环境关联度的低位时期，第二阶段是关联走向紧密时期，表明了城市化与生态环境进入并行发展的轨道。

关键词 城市化；生态环境；关联度；耦合度；青浦区

中图分类号 F205；X322 文献标识码 A 文章编号 1002-2104（2008）06-0174-04

城市化具有多维涵义：人口迁移、经济发展、空间扩张和生活提高，它们互相联系、互相促进，经济发展是基础，人口迁移和地域扩张是表现，生活水平提高是目标［1］。城市化开始时需要开拓环境，发展缓慢，继而是适应生态环境，近似乎直线上升，最后受到瓶颈的限制而接近某一饱和水平，呈S 型增长［2,3］。因此城市化与生态环境的耦合作用表现在两个方面：人口增长、经济发展、能源消耗和交通扩张对生态环境产生胁迫；生态环境又通过人口驱逐、资本排斥、资金争夺和政策干预对城市发展产生约束。依据城市化与生态环境交互作用的强弱程度，可以将耦合过程划分为低水平耦合、拮抗、磨合和高水平耦合4个阶段［4, 5］。由此，可以把城市化与生态环境两个系统通过各自元素产生相互彼此影响的程度定义为城市―生态环境耦合度［6］。目前真正从实证角度，采用科学合理的方法，定量分析区域城市化与生态环境耦合特点及演变规律的文献不多。

本文以上海市青浦区为例，利用由灰色关联度矩阵等构建的评价模型，遴选作用于生态环境的18项城市化指标和制约城市化的12项生态环境指标，计算关联度和耦合度，并进行时序（从1997年至2006年10年的时间区间）规律分析，阐明城市化进程中的生态环境变化规律。

1 城市化与生态环境之耦合理论

物理学意义上的耦合是两个（或以上）系统或运动通过各种相互作用而彼此影响的现象［7］。耦合作用决定了系统由无序走向有序的趋势，即关键在于系统内部序参量之间的协同作用，耦合度是反映这种协同作用的度量［8］。

1.1 驱动要素

设变量xi ( i= 1, 2, ……, 18) 和yj( j= 1, 2, ……,12)分别为指标体系中的城市化要素和生态环境要素，αi和βi为稳定临界点上要素的上下限值。要素xi和yj对城市化―生态环境系统的驱动功效表示为：

Xi = (xi－βi)/(αi－βi) (Xi具有正驱动功效)

(αi－xi)/(αi－βi) (Xi具有负驱动功效)（1）

驱动要素Xi趋于0时为不发展，趋于1时最好发展［7］。αi和βi确定是模型正确应用的关键［9］。对统计数据不完整，但确是十分重要的指标要素，其上下限可参照生态城市标准，还可参考地区基准年期值、规划年期值、对比标准值等。

城市化要素和生态环境要素的筛选应遵循科学性、可操作性、完备性、动态性、主成分性和独立性等原则。本研究采用了专家咨询法［10］，结果见表1。

1.2 耦合度

设X(t)和Y(t)分别为t时刻城市化与生态环境的平均驱动要素（Xi和Yj的几何平均）。X(t)和Y(t)的协调不仅意味着它们数值较大，且它们之间的相对离差小，即离差系数CV 越小越协调，于是有：

2 城市化与生态环境关联耦合分析

2.1 青浦区城市化与生态环境关联系数矩阵

收集并查阅1996年至2007年青浦区统计年鉴，直接引用和经转化计算，获得城市化与生态环境要素的关联系数矩阵。2004年关联耦合系数矩阵列于表1。

2.2 关联度计算结果

将表1关联系数予以上一层次的简均，分别得到了城市化对生态环境胁迫的作用因素和生态环境对城市化约束的反馈因素。

城市化对生态环境的胁迫作用：直接表现在人口增长与迁移、经济扩张与推进及地域扩展。青浦区经济和空间城市化对生态环境的关联度处于高水平。在计算得出的城市化18项指标中，对生态环境关联度最大的前3项要素依次为：第三产业产值比重、人口密度、煤气及液化气普及率。

生态环境要素对城市化的支撑和约束：生态环境对城市化的关联度达0.676，反映出生态条件成为了支撑和限制城市化的重要因素。生态环境压力和生态环境保护对城市化关联度分别为0.689 1 和0.717 9，成为制约和反馈目前青浦区城市化发展的显现因素，对城市化关联度最大的前3项是：建成区绿地覆盖率、工业废水排放达标率、工业固体废物综合利用率。

2.3 耦合度计算结果

根据公式(1)，进行驱动功效转化，并经式(4)计算得到的1997-2006年耦合度，列于图1。青浦区经济发展目前已经到了较高水平，2006年人均GDP达4.5万元以上。鉴于人们的环保意识逐渐加强，环境保护示范城区创建成为青浦区近期生态环境质量提升的最高目标，使得城市化对区域生态环境压力呈现逐步减小，城市化与生态环境走向耦合协调。

2.4 关联度和耦合度的时序性

1995-2006年间的年均关联度列于图1。青浦区确定加快发展经济的战略，在这“张力”与“弛力”作用下，近十年来城市化与生态环境的总体上走向关联。将关联度曲线分成两个阶段：1997-2002年和2003-2006年。第一阶段，关联度0.55-0.65，经济快速发展，城市景观变化大，但是生态环境保护和改善滞后，导致关联程度不高。第二阶段，关联度0.65-0.82，增加较快，主要是这段时段内，随经济快速发展，对生态环境保护和改善的建设投入和全方位的生态环境管理都得到了增强，经济结构改善，引起关联度较快上升。

耦合度曲线也可划分为两个阶段：1997-2002年和2003-2006年，见图1。第一阶段，耦合度基本维持不变，0.45-0.55，处于基本失调状态，以景观变化的城市化水平造成资源、能源新的制约瓶颈，生产、生活排泄成为城市发展的屏障。第二阶段，耦合度明显上升，0.65-0.80，处于中等协调状态，2001年以来推行“三农”及“三个集中”政策，确定旅游城区和生态城区为青浦区建设的主要目标，生态环境通过自身反馈使其与城市化的协调程度不断加强，人地矛盾缓和。

2.5 关联度与耦合度的内在联系

耦合度是基于城市化与生态环境两驱动要素之间的离差性，关联度是各关联系数的简均，关联系数则是反映两类响应指标之间的“距离”。因此关联度和耦合度是既有联系又有区别。如针对两组数据：(0.2,0.25,0.2)和(0.6,0.65,0.7)，关联度较高，耦合度却低；但是对于另外两组数据(0.65,0.7,0.6)和(0.6,0.65,0.7)，关联度较高，耦合度也较高。

本文中计算得到的关联度和耦合度的时序特性显示出了较高的一致性，因此青浦地区的关联耦合是良性关联，正因为良性关联才得到良好的耦合协调性。

3 小 结

以青浦区为对象，遴选出作用于生态环境的18项城市化指标和影响城市化的12项生态环境指标，并确定了它们的上下限值。

关联度和耦合度均在1997-2006 年间的时序上表现出先失调、后中等协调的发展过程。第一阶段城市化与生态环境处于从失调向勉强协调的过渡时期，第二阶段两者开始协调。关联度与耦合度的时序性基本相同，没有出现明显差异。

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Study on Conjunction and Coupling between Urbanization and

Ecoenvironment

――in Case of Qingpu District in Shanghai

ZHAO Honglin CHEN Donghui

(College of Environmental Science & Engineering, Donghua University, Shanghai 200051, China)

Abstract In this paper, Qingpu district was taken as a case study, the appraisal model for coupling urbanization and ecoenvironment was applied for. The model consists of conjunction and coupling degrees, 18 indexes of urbanization acting on ecoenvironment and 12 indexes of ecological environment contracted on urbanization. And with two degrees calculated from 1997 to 2006, the main factors coupling between urbanization and ecoenvironment in Qingpu district were pinked out and analyzed. The curves

can be divided empirically into two stages. In the first stage, the degrees keep the low level, which implies both of urbanization and ecoenvironment being random state, while in the second stages, they seem to be compact linking, which implies both of them going into the path with parallel development.

Key words urbanization; ecoenvironment; conjunction degree; coupling degree; Qingpu district