基于熵值法的城市擴張社會-經濟-生態效益耦合協調度研究
——以成都市為例

劉 穎，楊 丹

(西華師范大學國土資源學院，四川南充 637000)

0 引言

進入21世紀以來，中國城鎮化在經濟發展和政策的帶動下快速推進，除了城市人口增加以外，快速城鎮化在土地利用方面最直接的表象就是城市邊界的不斷外擴[1].近些年來，由于經濟資源、資本和發展機會的過度集中，我國大多數城市多以“攤大餅”式的方式“巨型化”發展，無序蔓延，城市用地在為區域創造經濟紅利的同時也出現了諸如城市用地供應方式不合理、土地資源浪費嚴重以及耕地資源被破壞侵占等問題，嚴重影響了區域的可持續發展[2].城市擴張不是單純的城市邊界的外擴，它可以對城市內部及其周邊區域經濟社會和生態環境產生多位效應.基于城市擴張所產生的經濟社會和生態環境效益的耦合協調度又可以反映出城市擴張內部格局是否和諧.對此，國內外諸多學者開展了研究.例如，利用多目標優化模型和 CLUE-S 模型探討如何優化城市空間結構以期實現社會經濟生態效益協同優化[3]； 利用熵值法、主成分分析法驗證了城市擴張與土地經濟之間的關系[4]；基于協整理論、改進后的熵值法分析南京市近18年的城市用地擴張效益[5]；借助DEA數據包絡分析，通過構建土地擴張綜合效益指標體系，對武漢市土地擴張效益進行了空間差異性分析[6]；以南京市為例，建立指標體系探討了城市空間快速擴張過程中的用地效益[7].

本文以成都為研究對象，選取成都市2000—2016年共計23項指標構建城市擴張效益綜合評價體系，對其城市擴張的社會、經濟、生態效益進行耦合分析，旨在為成都未來城市發展提供決策參考.

1 研究區概況及研究方法

1.1 研究區概況

成都市位于四川盆地西部，地處成都平原腹地，東西橫跨東經102°54′～104°53′，南北介于北緯30°05′-31°26′.受饋于都江堰水利工程，境內地勢平坦、河網發達、物產富饒、灌溉農業發達，享有“天府之國”的美譽.進入21世紀以來，經濟經過17年發展，人均GDP由2000年的13 020元上升至2016年的76 960元，增加了4.9倍；工業總產值、第三產業總產值和建筑業總產值分別增加了8.2、9.8、12倍；城市建成區面積由2000年的208 km2上升到2016年的837.27 km2，17年間擴張增幅3.0倍；城市的快速擴張也必然伴隨顯著的生態環境效應，17年間工業廢氣和生活廢水的排放分別增加了1.9、1.6倍.

1.2 建立城市擴張效益評價指標體系

根據已有的研究基礎和數據的可獲得性，篩選出能反映成都城市擴張的社會、經濟和生態環境效益指標，運用層次分析法從經濟效益、社會效益與生態環境效益構建成都城市擴張社會-經濟-生態環境效益計算指標體系.

1.3 數據來源及處理

本文的數據指標主要取自《四川統計年鑒》(2001—2017)和《成都統計年鑒》(2001—2017)，部分數據參考了成都市歷年社會經濟統計公報.考慮到數據量綱的不同，擬采用極差標準化[8]法消除量綱的影響，公示如下：

正向指標：Xij'=(Xij-Xj,min)/(Xj,max-Xj,min)

(1)

負向指標：Xij'=(Xj,max-Xij)/(Xj,max-Xj,min)

(2)

式子中，Xij'代表某一項指標的標準化值，Xij代表指標原值，Xi,max代表第i項指標值的最大值，Xi,min代表第i項指標值的最小值.i為樣本數，j為指標數.

1.4 指標權重的確定

指標賦權的方法主要分為主觀賦權法和客觀賦權法，本文主要運用客觀賦權法中的熵值法運用較多，熵值法是通過數據表信息計算信息熵，根據客觀數據的離散程度測算指標權重[9]，某項指標所攜帶的信息量越大，說明其對決策的作用越大[10].熵值法具體計算過程如下：

(3)

dj=1-ej

(4)

(5)

1.5 城市擴張效益協調發展評價模型

1.5.1 綜合評價模型 根據表1，目標層為城市擴張綜合評價，其下有三個準則層，分別是經濟效益、社會效益和生態環境效益，上述三項效益指數的計算模型如下：

(6)

式子中，Fki表示第i年的各子系統效益評價指數.Xij'是第i年第j項指標的標準化值，當k=l，2，3時，分別表示第i年的城市擴張經濟效益、社會效益和生態環境效益指數；p表示指標層所包含的指標個數；Wj表示各項指標的權重.

1.5.2 耦合度模型 兩個或者兩個以上的系統在運行過程中有相互作用而相互影響的現象，在物理學中定義為耦合[11]，它可以反映系統之間的相關程度[12].參考該概念以及文獻[13]的研究，并根據已得到的經濟-社會-生態環境效益指數可以構建出3個子系統的耦合度模型：

(7)

式中，F1i表示第i年經濟效益指數，F2i表示第i年社會效益指數，F3i表示第i年的生態環境效益指數，Ci即為第i年的社會-經濟-生態環境效益的耦合度，Ci的取值范圍介于[0,1]，C值越大，表明系統之間處于良性耦合狀態且趨向新的有序結構，反則系統之間處于失調或者無序狀態[14].

1.5.3 耦合協調度模型 耦合度Ci在某種程度上存在一定的局限，難以反映出三個系統的整體功能或者經濟-社會-生態環境效益的發展水平[15].因此，本文再次利用耦合協調度模型來判讀經濟、社會和生態環境三個子系統的耦合協調發展程度，其數學模型如下：

(8)

Ti=α*F1i+β*F2i+γ*F3i

(9)

式中，Di為第i年的經濟-社會-生態環境偶爾協調度，Ti為第i年的經濟-社會-生態環境效益綜合評價指數，α、β、γ為各個子系統的的權重，本文認為三個子效益在系統發展中同等重要，因此各取1/3.

表1 成都市城市擴張效益評價指標體系Tab.1 The evaluating Indicators System of Chengdu's urban expansion

2 成都市城市擴張效益耦合協調度分析

2.1 成都市城市擴張經濟-社會-生態效益綜合分析

根據表1所得到的指標權重，計算得出成都市2000—2016年城市擴張的經濟效益、社會效益和生態效益以及綜合效益，結果如圖1所示，各個子系統效益指數和綜合效益指數都表現了不同程度的上升趨勢.其中，經濟效益穩居要位，持續增長，由2000年的0.005上升至2016年的0.465；社會效益指數由2000年的0.051上升至2016年的0.236，變化特點表現為緩慢勻速增長；生態效益指數由2000年0.031增長到2016年的0.196，變化幅度和速度均較小；綜合來看，成都市城市擴張所帶來的效益是持續上升的，其中經濟效益的貢獻程度最大.

圖1 2000—2016年成都市城市擴張效益得分變化曲線Fig.1 The changing curve of benefits' score of Chengdu's urban expansion in 2000-2016

從階段性特征來看，2000—2008年，子效益系統均表現為持續緩慢增長，社會效益和生態效益基本持平增長，經濟效益落后于社會效益和生態效益.2000年適逢“西部大開發戰略”開始實施，成都作為西部重要的城市節點，響應國家政策，開始著力承接東部沿海地區的剩余經濟能力，致力于提高自身的經濟社會發展能力，鞏固西部國防實力.這一階段，處于成都城市總體規劃(1995—2020)近中期階段，城市發展開始起步，產生的社會效益和生態效益較好，但經濟效益發展相對較緩；2008—2016年，經濟發展迅速，經濟效益增速加快，迅速超越社會效益和生態效益，社會效益和生態效益繼續保持持平增長.5·12特大地震以后，四川自然環境遭到了重創，但并不影響成都的投資環境，這一階段，也正處于西部大開發“十一五”、“十二五”規劃的引領下，成都繼續抓住機遇，經濟實現了高速增長，社會生活水平和生態環境建設持續穩定提高.

2.2 系統耦合協調度實證分析

根據相關學者的研究，并聯系成都市的實際，耦合協調度可以劃分為以下幾種類型[16-17](詳見表2).將數據帶入公式(7)、(8)、(9)計算得出耦合度C值和協調度D值，再根據表2的劃分類型，劃分出成都市城市擴張經濟-社會-生態耦合協調度類型(詳見表3).

表3 成都市2000—2016年城市擴張各子系統耦合協調發展變化Tab.3 The developing change of 3 subsystems' coupling coordination degree of Chengdu's urban expansion in 2000-2016

續表3：

從耦合度上來看，成都市城市擴張經濟-社會-生態效益耦合度基本上處于高水平耦合狀態或者有序狀態，說明子效益系統之間高度關聯，在推進城市發展演進的過程中交互脅迫、相互依賴與相互影響的程度較深[18].從指標數據上可以看出，除2000年和2002年耦合度指數在0.8以下的磨合階段，其余年份均在0.8以上的高水平耦合階段，并在2008年達到了有序狀態，數據表明成都市在城市擴張發展的當中始終保持經濟-社會-生態的高度聯動發展，經濟的高速發展的同時注重提高社會生活水平、加強公共交通、公共基礎設施以及生態環境的建設.

從協調度上來看，成都市城市擴張經濟-社會-生態效益三個子系統間大致經歷了“嚴重失調-中度失調-輕度失調”的變化趨勢，由2000年的0.122增加到2016年的0.366.從階段來看，2000—2002年系統處于嚴重失調狀態，原因在于經濟滯后，該階段為西部大開發早期，西部城市的城市化和工業化處于探索階段，各項投資開始注入，但城市多以粗放型模式發展，建成區擴張了92 km2，人均GDP、人均社會消費品零售總額、城鎮居民可支配收入等經濟指標僅增長了25%、26%、7.6%，經濟發展與人民日益增長的社會文化需要、以及環保需求矛盾較大；2003—2008年系統處于中度失調狀態.這一階段，城市建成區擴張了44.65 km2，經濟有了較大程度的發展，經濟指標中人均GDP、財政收入以及城鎮居民可支配收入分別增長了70.9%、2.96倍、76.58%，產業結構的調整、產業技術的更新使得經濟-社會-生態聯動關系密切，市政綠化和生態環境治理方面的投入得到增強，雖然該階段經濟效益仍然相對滯后，但相對于第一階段，系統協調度得到了提升；2009-2016年系統處于輕度失調狀態，城市擴張下的系統協調度進一步增強.2010年開始，以成都為中心的成都經濟區一體化戰略、成都平原城市群開始起步和打造，成都天府新區也開始規劃.該階段成都城市建成區擴張了398.06 km2，城市擴張所產生的經濟效益迅速超過社會、生態效益，各項經濟指標均有大幅度的提升，經濟發展的帶動下，公共基礎設施實現網絡一體，交通基礎設施全面對接，環保治理能力也有了明顯的進步.但子系統之間仍然處于失調狀態，主要原因在于生態效益滯后，后期城市擴張的過程中需更加注重對生態環境的保護.

綜合耦合度、協調度來看，西部大開發進程中，成都市城市發展經濟-社會-生態內部聯動效應明顯，但同時也面臨著城市建成區不斷外擴占用其他地類、人口密度不斷增加以及環境污染惡劣等城市擴張問題.隨著經濟實力的不斷壯大，城市公共建設和環境保護的投入日趨增多，但總體來說，城市擴張系統內部發展水平存在不協調現象，未來城市建設過程中，應加強對滯后效益的監管和改善.

3 結論與討論

通過對成都市2000—2016年城市擴張經濟-社會-生態效益耦合協調度進行系統分析，發現子系統效益指數表現為不同程度的增長，子系統效益之間存在極高的耦合度，表明它們之間存在著較強的相互影響、相互制約的聯動關系，子系統之間的協調度由嚴重失調逐年過渡到輕度失調，協調度增強但總體程度較低，不同階段呈現出不同的影響因素.

城市化高速發展的今天，人們不僅有豐富的經濟物質需求，還有對優質生態環境的追求.成都作為西部重鎮，在日趨嚴格的生態環境質量標準下，要保持城市發展過程中經濟-社會-生態的協調共進，首先應該強化政府宏觀調控.科學規劃城市用地，大力發展循環綠色經濟，助力產業結構轉型升級；其次將生態環境建設和保護并重，繼續完善環境基礎設施，打造高質量宜居生活城市.