煤炭資源型城市基礎設施與城鄉一體化協調發展評價研究

李星汐，常 江,代慧甫,于東升

(1.中國礦業大學力學與土木工程學院，江蘇 徐州 221116；2.永城市地質礦產局，河南 永城 476600)

0 引 言

基礎設施是促進城市與鄉村間各生產要素便捷流動，實現城市與鄉村資源共享，保障城市與鄉村社會經濟各部門的正常運行及提高資源利用效率的基礎結構性要素,包括城鄉生存和發展所必須具備的工程性基礎設施和社會性基礎設施。工程性基礎設施一般指能源、交通、信息、環境、防災等工程設施；社會性基礎設施則主要指文教、醫療、商業服務等設施[1-2]。工程性基礎設施為城鄉居民提供生產和生活所必需的最基本的基礎設施硬件部分，是城鄉賴以生存和持續發展的物質基礎和重要支撐體系。我國城鄉建設中提及的基礎設施，多為工程性基礎設施[2]。城鄉一體化(urban-rural integration,URI)是在明確城鄉差別、功能互補的基礎上，通過一定機制促使生產要素在城鄉間自由流動、優化組合，以達到促進城鄉空間協同發展，縮小城鄉經濟、文化和生態等領域差距的目的[3]。

煤炭資源型城市是在礦產資源開發和利用的基礎上形成和發展起來的，城市建設初期缺乏統一規劃，基礎設施建設多圍繞資源開發和工業生產展開，空間布局較為分散[5-7]。隨著URI進程的不斷加快，基礎設施作為城鄉經濟、社會、人口、產業可持續發展的物質載體，其承載力與URI發展過程中所產生的需求壓力相協調，才能保證URI可持續發展。因此，分析基礎設施與URI協調關系，建立礦、城、鄉不同區域生產要素便捷流動、資源共享的橋梁，對于構建優質、健康、可持續發展的煤炭資源型城市URI新格局具有現實意義。

目前，國外學者主要從城市社會和經濟發展兩個方面對基礎設施進行研究[8-10]。Ricardo Jordana等從綜合經濟效益和社會包容性的角度提出了城市基礎設施規劃方法[11]。Bebbington A等以資源型城鎮為研究對象，在分析礦區基礎設施建設與經濟發展內在聯系的基礎上提出基礎設施發展模式[12]。Pegg S認為基礎設施合理配置是解決礦業城市社會問題及促進經濟發展的有效途徑[13]。目前國內對基礎設施與URI的研究主要從城鄉基礎設施建設差異性及基礎設施對URI發展貢獻度等方面對二者的關聯性進行研究[14-17]。部分學者對煤炭資源型城市基礎設施對URI的影響因素進行了研究。梁靚潔強調基礎設施是煤炭資源型城市城鄉社會一體化的基礎條件，主要體現在引導城鎮空間布局和增強城鎮吸引力兩個方面[18]。陳瞻等認為優化煤炭資源型城市基礎設施空間布局可以帶動城鎮區域空間的重組，提升城鎮化發展的整體效益，進一步促進URI發展[19]。Li H等基于中國資源型城市URI特征提出了多準則的基礎設施空間規劃方案[20]。綜合國內外相關文獻，以煤炭資源型城市為研究對象，建立URI和基礎設施協調發展的評價指標體系，并用于定量評估二者之間關系，以促進URI可持續發展的相關研究較少。本文在建立煤炭資源型城市基礎設施與URI協調發展評價指標體系和協調發展度評價模型的基礎上，以永城市為例，對煤炭資源型城市基礎設施與URI發展協調性進行評價，探討基礎設施建設和URI協調發展規律，以期為煤炭資源型城市URI的可持續發展提供理論依據。

1 研究區概況、數據來源和研究方法

1.1 研究區概況

永城市位于河南省東部，是全國五大工業用煤基地之一，同時也是全國六大無煙煤基地之一。全市轄29個鄉鎮，土地總面積2 020.53 km2。參照《全國資源型城市可持續發展規劃(2013～2020年)》，永城市被界定為煤炭資源型城市。目前已形成以煤炭開采為主，電力工業、煤化工業等相關配套的工業生產體系。2015年永城市常住人口123萬人，市域城鎮化水平為42.9%，按照城鎮體系空間格局發展階段模式劃分，市域城鎮體系正處在增長核心初步形成的極核發展階段。近年來永城市基礎設施建設速度逐步加快，但是部分基礎設施建設水平與河南全省相比還有一定差距。比如，2015年永城市自來水普及率、燃氣普及率、生活垃圾無害化處理率分別為91%、79%、93.7%，均低于河南省平均水平。2015年永城市人均GDP為35 295元，根據公共服務和經濟增長相互作用、相互適應的規律，永城市處于經濟社會發展和公共服務需求協調發展階段，也是社會經濟快速增長階段，該階段城市處于基礎設施需求擴張時期。

1.2 數據來源

評價指標數據來源于《河南省統計年鑒》《商丘市統計年鑒》《永城市國民經濟和社會發展統計公報》，以及永城市國土資源局、永城市地質礦產局、永城市住房和城鄉規劃建設局等政府部門所提供的永城市總體規劃、永城市土地利用總體規劃及永城市礦產資源規劃等相關資料。

1.3 研究方法

1.3.1 評價指標體系的構建

基礎設施與URI協調發展是指在一定的資源條件約束下，基礎設施在不斷建設和發展中所形成的承載力，能夠滿足URI發展的需求[21]。本文在頻度統計法、理論分析法基礎上結合專家咨詢法，同時兼顧評價指標數據可獲取性，建立基礎設施與URI協調發展指標體系(表1)。

表1 基礎設施和URI協調發展評價指標體系

1.3.2 基礎設施和URI綜合發展水平評價方法

計算綜合發展指數是評估系統協調發展程度的基礎。如何從大量的統計數據中提煉客觀有效的綜合評價指數至關重要，決定了協調發展評價的準確性。主成分分析法(principal component analysis，PCA)的降維特性可以克服指標體系維數過高和數據量過大帶來的計算困難，適用于評價指標過多的情況。本文采用協方差矩陣對數據的標準化方法進行修正，在PCA分析過程中不會改變各指標間的相關系數，相關系數的全部信息均可在協方差矩陣中反映，因此可提高計算的準確度。

1.3.2.1 PCA法數學模型

設某地區URI系統有N組數據樣本，每組樣本含p個評價指標，分別用X1,X2,X3,…,Xp表示，則可得原始數據矩陣為X=[X1,X2,X3,…,Xp]。PCA法可將選取的p個指標轉化為p個指標的線性組合問題，以達到簡化分析的目的。做法是對X做正交變換，尋求原指標的線性組合，見式(1)。

(1)

式中，Y1,Y2，Y3,…,Ym為主成分，且m≤p。式(1)中，主成分Y1,Y2,Y3,…,Ym需滿足如下條件。

條件1：多項式系數平方和等于1，見式(2)。

(2)

條件2：且主成分之間相互獨立，見式(3)。

cov(Yi,Yj)=0，i≠j，i,j=1,2,…,p

(3)

條件3：主成分的方差依次遞減，重要性依次遞減，見式(4)。

var(Y1)≥var(Y2)≥…≥var(Yp)

(4)

基于條件1、條件2和條件3確定的綜合指標分別為原始指標的主成分。因Y1,Y2,Y3,…,Ym在總方差中所占比重依次遞減，可選取幾個方差最大的主成分作為新的指標量。

1.3.2.2 PCA法的計算過程

本文的主成分分析法[22-23]計算步驟如下所述。

1) 構建數據矩陣。通過采集原始數據構建矩陣X，見式(5)。

(5)

式中，xij為第i組樣本的第j個指標觀測值。對原指標矩陣X中的元素進行同趨勢化變換以保證運算有效性。若xij的指標性質為正，則其取值保持不變；若xij的指標性質為負，則令xij=M-∣xij-k∣。其中，k為xij的理想值，M為給定正數。

2) 完成同趨勢化處理后，對原始數據進行標準化運算以消除量綱的影響，見式(6)。

(6)

(7)

因標準差ξj不能為零，可得標準化數據矩陣，式(8)。

(8)

3) 求標準化矩陣Z的相關系數陣R=(rij)p×p，其中，rij反映指標Zi與Zj之間的相關度，見式(9)。

(9)

式中，cov(Zi,Zj)為指標Zi和Zj的協方差。計算相關系數矩陣的特征方程∣R-λI∣=0，可得p個特征值λ1≥λ2≥…≥λp≥0。主成分的方差貢獻率α和累計方差貢獻率γ可分別按式(10)計算。

(10)

求解方程組Ra=λja，可得λj對應的特征向量aj，則aj對應的單位特征向量可表示為式(11)。

(11)

5) 求主成分Yj與Zi的相關系數ρ(即因子載荷量)，此系數反映了指標Yj與Zi關系的密切程度，見式(12)。

(12)

式中，var(Zi)為指標Zi的方差。由此可通過式(13)求出前m個主成分對于指標Zi的貢獻率。

(13)

6) 以各主成分方差貢獻率為權值，生成線性加權綜合評價函數，見式(14)。

F1=α1Y1+α2Y2+…+αmYm

(14)

式中，α1～αm為權值。

1.3.2.3 PCA法的修正

PCA分析需以標準化方法處理原始數據以消除各指標量綱和數量級的差異。然而，標準化處理后的各指標方差為1，導致各指標離散度差異相同，從而丟失了指標離散度差異對主成分的影響。因此，以標準化數據提取得到的主成分指標所含信息并不全面。研究中，對數據標準化方法做如下修正。

對原始指標數據進行同趨勢化處理，得X=(xij)n×p。若令

(15)

(16)

其中

(17)

如式(16)所示的協方差矩陣進行PCA不改變各指標間的相關系數，全部信息均可在協方差矩陣中反映。

依據表1選定的評價指標，則可分別求解煤炭資源型城市基礎設施建設和URI發展水平的綜合評價指數。

1.3.3 系統間協調發展度評價函數

系統協調是指多種系統間或系統組成要素之間，在發展演化過程中形成的合理匹配狀態。協調度則是度量系統之間協調狀態好壞程度的定量指標[24]。若依據PCA法計算得到的基礎設施與URI系統在時間點t的綜合發展指數分別為F(t,x)和G(t,y)，則F(t,x)和G(t,y)的離差系數可由式(18)求得。

(18)

F(t,x)和G(t,y)的相對離差系數越小，則兩者之間的協調度越好。因為F(t,x)和G(t,y)均大于零，所以Cv最小的充要條件滿足式(19)。

Φ(t,x,y)=

(19)

式中：Φmax(tc,xc,yc)為Φ(t,x,y)的最大值；tc、xc和yc分別為使Φ(t,x,y)最大的t、x和y的取值。參考協調發展度評價模型[25-26]，定義基礎設施與URI系統在t時刻的協調度為式(20)。

(20)

式中，K為辨識系數，一般可取K≥2，對應于協調度的層次性。協調度的計算值為0～1，當F(t,x)=G(t,y)時，協調度ρ的計算值達到最大，表明兩個系統達到了最理想的協調狀態；反之，協調度ρ的取值越小則表示發展越不協調。

需要注意的是，ρ的取值僅表明兩個系統的協調程度，并不能體現兩個系統的發展水平。比如，當綜合發展指數G(t,y) =F(t,x) =0.2時，協調度為1；而當F(t,x)=G(t,y)=0.8時，協調度也為1。但是，后者的發展水平卻顯然高于前者。因此，引入協調發展度D(t,x,y)來綜合反映協調度與綜合發展水平[26-27]，見式(21)。

(21)

其中

(22)

協調發展度D在一定程度上綜合了兩個系統的協調狀況及其發展水平，具有更高的可信度及適用范圍，可用于同一城市在不同時期基礎設施與URI發展水平的定量評價和比較。由于基礎設施承載力存在一個合理的范圍，URI發展過程中的也包含諸多不確定因素，因此，基礎設施與URI最優協調發展度應該是一個區間值，最理想的狀態是基礎設施與URI發展保持在最優協調區間范圍內。

2 實證分析

基于上述評價方法，對永城市URI發展和基礎設施綜合發展水平進行評價。將指標數據進行同趨化數據處理，以構造標準化樣本數據。以主成分分析法計算URI和基礎設施樣本指標矩陣特征值、方差貢獻率和累計方差貢獻率(表2和表3)。

表2 永城市URI指標矩陣的主成分特征值和方差貢獻率

表3 永城市基礎設施指標矩陣的主成分特征值和方差貢獻率

由表2可知，前9個主成分的累計貢獻率已經達到了98.51%，即涵蓋了原始數據指標的98.51%的信息量，因此可將前9個主成分作為新的URI評價指標。表3顯示，前12個主成分的累計貢獻率已經達到了98.56%，因此可將前12個主成分作為新的基礎設施評價指標。利用式(13)計算主成分對各原始指標的貢獻率，計算結果表明選取的前9個和12個主成分對各指標的貢獻率均較高，說明主成分選取是合理的。

2.1 基礎設施與URI綜合發展水平逐年提高，基礎設施建設水平相對滯后于URI發展

依據PCA法可求得永城市URI和基礎設施綜合發展指數(圖1)。由圖1可以看出，永城市基礎設施綜合發展指數F(t,x)從2006年的0.426增長到了2015年的0.508，URI綜合發展指數G(t,y)從2006年的0.623增長到2015年的0.739，即2006～2015年，永城市URI發展水平及基礎設施建設水平不斷提高。與此同時F(t,x)始終小于G(t,y)，表明與URI發展水平相比，基礎設施建設水平相對滯后。

圖1 永城市URI和基礎設施綜合發展指數

2.2 基礎設施與URI經歷了初步協調到中度協調的發展過程

參照申金山等[26]、史雅娟等[27]對系統協調發展度的劃分規則，同時綜合考慮永城市的城市發展特點，制定的URI和基礎設施協調發展度的劃分標準(表4)。

根據基礎設施與URI綜合發展評價結果，取辨識系數K=6，則依據式(20)和式(21)可得永城市2006～2015年的協調度及協調發展度計算結果(圖2)。由圖2可以看出，協調發展度由2006年的0.6503提高到2015年的0.7091。依據表4可以判斷，永城市URI與基礎設施協調發展經歷了從初步協調(基礎設施滯后增長型)到中度協調(基礎設施滯后增長型)的發展過程。表明2006～2015年永城市基礎設施與URI呈現逐年增長的良好趨勢。

表4 協調發展度劃分標準

圖2 永城市2006～2015年協調度和協調發展度計算結果

2.3 基礎設施與URI協調發展評價結果分析

根據前述協調度評價結果，分析基礎設施與URI的協調發展規律。可以發現，永城市基礎設施與URI協調發展過程可劃分為2個階段。

第一階段永城市基礎設施與URI協調度總體呈增長態勢。河南省在《關于擴大部分縣(市)管理權限的意見》中賦予了“永城等五縣(市)與省轄市相同的經濟管理權限和部分社會管理權限”，2006～2012年永城市經濟發展逐漸提高，城鎮化發展速度穩步推進，年均提高0.8個百分點。根據URI綜合評價指數分析結果，2006～2012年永城市URI為穩步增長期。與此同時，政府逐漸加大基礎設施建設力度，促進了基礎設施與URI協調度的提高。

第二階段永城市基礎設施與URI協調度呈下降趨勢。隨著《全國資源型城市可持續發展規劃(2013～2020年)》《河南省新型城鎮化規劃》《永城市城鄉總體規劃》等相關規劃出臺，對永城市城鄉發展提出了新的目標。永城國家煤炭基地、河南省永城市產業集聚區及重點中心鎮的不斷建設，為永城市城鎮化快速發展提供了良好的物質基礎及財政支持。2013～2015年城鎮化保持較高的發展速度，城鎮化率年均增長2.0個百分點。隨著城鎮化水平的增長，城鄉空間結構不斷完善，城鄉差距逐漸縮小，推動URI的快速發展。根據URI綜合發展水平評價結果可知，2013年永城市URI發展水平較之前有較大幅度提高，呈現加速增長的發展態勢。與URI發展水平相比，基礎設施建設水平相對滯后。以具體指標為例，人均道路面積由2013年的15.5 m2/人減少為2015年的15 m2/人。同時永城市基礎設施建設存在老城區基礎設施建設不夠完善，農村基礎設施建設較為薄弱的問題，其中老城排水系統大部分為雨污合流，各鄉鎮中只有少數村莊有集中供水設施，老城區和各鄉鎮均沒有集中供熱設施。此外，隨著永城市城市空間擴展，中心城區周邊部分村莊被城市建設用地所包圍或納入城建用地范圍，形成了一批缺乏基礎設施、環境較差的城中村。以上多種因素導致基礎設施建設水平增幅較小。隨著URI的快速發展，基礎設施現有的承載力在一定程度上已不能適應URI的發展需求，導致二者的協調度從2013年的0.8130下降到2015年的0.8012，呈現出逐年降低的趨勢。

3 結 論

1) 2006～2015年永城市基礎設施與URI協調發展在時間演變上表現為：基礎設施與URI經歷了初步協調到中度協調的發展過程,協調發展度總體上呈增長態勢。2006～2012年，基礎設施與URI綜合發展同步增長，二者協調度總體上呈現提高趨勢。2013年永城市URI發展水平較之前有較大幅度提高，呈現加速增長的發展態勢，而基礎設施建設水平則增幅較小，基礎設施與URI發展水平差距呈擴大趨勢，導致2013～2015年二者協調度有所下降。

2) 由于基礎設施具有建設超前性和形成同步性的特點，因此永城市應加大基礎設施建設力度，改變建設水平相對滯后的狀態。首先,可以借助GIS等空間分析方法分析城鄉交通基礎設施現狀，在此基礎上不斷完善城鄉交通基礎設施建設，加大縣鄉道路建設力度，構建縣際高等級公路及其鄉村級公路配套的公路交通體系，形成內外銜接、城鄉互通、布局合理、方便快捷的城鄉交通網絡。其次，以基礎設施城鄉聯網、城鄉共建為的目標，采用空間自相關分析研究城鎮空間特征，對建制鎮、集鎮以及中心村的給水、排水、供熱、燃氣、電力、通信管網實施統籌規劃。其中，較集中分布或沿流域等連綿分布的建制鎮、集鎮、中心村的給水、排水、供熱、燃氣、電力、通信管網規劃應聯建共享；分散、單獨分布的集鎮和中心村的基礎設施應盡量與區域內相關設施相銜接。同時，完善企業配套基礎設施與城鄉基礎設施的銜接、共享機制，避免重復建設，實現礦、城、鄉基礎設施資源共享。通過分類實施、分步推進的原則，提高基礎設施建設水平，使基礎設施承載力適應URI發展的需求，提高二者之間的協調度，促進不同區域生產要素有效流動及資源共享，從而推動永城市URI的可持續發展。

3) 通過建立煤炭資源型城市基礎設施與URI協調發展度評價模型，可以反映二者協調發展規律，可定量化地描述基礎設施對URI發展需求的滿足程度。研究結論對于煤炭資源型城市升級和優化基礎設施建設水平，促進基礎設施與URI協調發展，實現礦、城、鄉不同區域生產要素的有效流動，推動URI的可持續發展具有一定的實踐意義。同時有助于地方政府認識基礎設施建設水平與URI協調發展現狀，為政府制訂基礎設施建設和城鄉規劃政策提供理論基礎。

考慮到煤炭資源型城市礦、城、鄉不同區域的差異性，在今后研究中可借助ArcGIS空間分析工具分析煤炭資源型城市不同區域空間結構差異，為基礎設施布局提供技術支持，并結合空間計量分析方法探索基礎設施與URI協調發展的影響因素，對煤炭資源型城市URI問題展開深入研究。