山東省城鎮化與空氣質量耦合協調關系研究

張文信,王涵,楊忠學,葛藝冰,董光龍

山東省城鎮化與空氣質量耦合協調關系研究

張文信1,王涵2,楊忠學3*,葛藝冰3,董光龍3*

1. 山東省國土空間規劃院, 山東 濟南 250014 2. 山東大學經濟研究院, 山東 濟南 250100 3. 山東建筑大學管理工程學院, 山東 濟南 250101

從人口、空間、經濟、社會和環境等5個維度評價了城鎮化水平，選取PM2.5、PM10、SO2、NO2等指標表征空氣質量，采用靜態和動態耦合協調度模型，分析二者的耦合協調關系，并進行耦合協調度分區。結果表明：（1）城鎮化與空氣質量靜態耦合關系由基本協調轉向良好協調發展；（2）城鎮化與空氣質量動態耦合關系以較協調為主；（3）根據城鎮化與空氣質量的耦合協調關系，可將山東省劃分為高級協調—平衡理想區、良好協調—平衡理想區、良好協調—改善理想區、高級協調—改善理想區等4個區域。

城鎮化; 空氣質量; 耦合關系

全球經歷了快速城鎮化發展。作為發展中國家，中國的城鎮化過程更是史無前例，城鎮化率由1978年的17.92%提升至2019年的60.60%[1]。引發了一系列生態環境問題，嚴重影響了人民的幸福感，已經成為制約我國綠色可持續發展的重要因素[2-3]。空氣污染問題尤為嚴峻，嚴重影響了居民的生產生活和公眾健康[4]。空氣污染的時空特征、影響因素和驅動機理是當前研究重點內容[5-7]。相關學者還采用多種方法分析城鎮化及經濟增長對空氣質量和對空氣污染的影響[8-11]。研究結果對于指導空氣污染治理，促進城鎮化與空氣質量協調發展具有重要意義，但鮮有城鎮化與空氣質量靜態和動態耦合關系的探討。

因此，本文采用靜態和動態耦合協調度模型，系統分析城鎮化和空氣質量的耦合協調關系，并進行分區，以期為山東省空氣污染治理以及城鎮化與空氣質量的協調發展提供科學參考。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

作為人口大省和經濟強省，山東省城鎮化水平快速提升，人口城鎮化率由2013年的53.75%提升至2020年的63.05%。在此過程中，山東省空氣質量有所改善，但仍不容樂觀，2019年PM2.5平均濃度為50 μg/m3，PM10平均濃度為94 μg/m3，環境空氣質量綜合指數平均為5.42，同比均有不同程度上升。而優良天數平均為217.9 d，同比減少30.2 d。空氣污染已然成為制約山東省新型城鎮化建設的重要瓶頸。

1.2 數據來源

本研究城鎮化評價的數據主要來源于2013-2019年的山東省國民經濟和社會發展統計公報、各城市國民經濟和社會發展統計公報，2014-2020年各地市統計年鑒、《山東省統計年鑒》等。空氣質量評價數據主要來源于山東省城市環境空氣質量信息發布平臺（http://fb.sdem.org.cn:8801/AirDeploy.Web /AirQuality/History.aspx）。

2 研究方法

2.1 評價指標體系構建

2.1.1 城鎮化評價指標體系構建基于城鎮化的內涵，參考相關研究[11]，從人口、空間、經濟、社會和環境城鎮化等5個方面，構建城鎮化評價指標體系（表1）。

表1 城鎮化評價指標體系及權重

2.1.2 空氣質量評價指標體系構建環境質量標準（GB3095-2012）中僅規定了PM2.5、PM10、SO2、NO2的年均濃度限值，而沒有規定CO、O3的年均濃度限值（表2）。因此參考相關研究[7]，結合數據的可獲取性，選取PM2.5、PM10、SO2、NO2作為空氣質量的評價指標。

表2 大氣環境質量指標體系及指標權重

在此基礎上，采用熵值法計算評價指標權重，采用加權求和模型，分別測算城鎮化和空氣質量綜合得分。

2.2 耦合協調度模型

城鎮化與空氣質量的耦合關系是一個動態變化的過程，僅考慮研究基期與末期狀態不足以全面反映兩者之間的耦合協調關系[13]。因此，本文引入靜態和動態耦合協調度模型，對城鎮化和空氣質量的耦合協調關系進行全過程分析。

2.2.1 靜態耦合協調度模型

式中：為城鎮化與空氣質量的靜態耦合度，為城鎮化和空氣質量的綜合水平，為耦合協調度；、分別為城鎮化綜合得分和空氣質量綜合得分；、分別為城鎮化和空氣質量對系統的貢獻（假設城鎮化子系統和空氣質量子系統同等重要，即==0.5）。參考相關研究[12]，根據耦合協調度得分以及城鎮化子系統和空氣質量子系統的作用關系，將二者的耦合協調關系劃分為高級協調（0.8<≤1）、良好協調（0.6<≤0.8）、基本協調（0.5<≤0.6）、輕度不協調（0.4<≤0.5）、基本不協調（0.2<≤0.4）、嚴重不協調（0<≤0.2）等6種類型。

2.2.2 動態耦合協調度模型

式中：C表示城鎮化與空氣質量的動態耦合協調度，-1.414≤C≤1.414；U表示城鎮化綜合水平的年平均變化率；表示空氣質量的年平均變化率。參考相關研究[14]，將城鎮化與空氣質量的動態耦合關系劃分為較協調（1.2≤C<1.414）、基本協調（1.0≤C<1.2）、調和（0.8≤C<1）、基本調和（0.5≤C<0.8）、勉強調和（0≤C<0.5）、不協調（-1.414≤C<0）等6種發展類型。

3 結果與分析

3.1 靜態耦合關系

山東省城鎮化與空氣質量靜態耦合協調度由2013年的0.58提高到2019年的0.73，耦合協調關系由基本協調轉向良好協調發展階段（圖1）。具體而言，2013年城鎮化與空氣質量靜態耦合關系以基本協調類型為主。2019年城鎮化與空氣質量靜態耦合關系以良好協調為主，占比為81.25%。從空間分布格局來看，整體呈現出東高西低的空間格局。東部沿海地區的青島、煙臺、威海等城鎮化與空氣質量耦合協調關系較好，均處于良好協調及以上發展階段；中部地區的大部分城市，如濰坊、泰安、淄博、濟寧、臨沂等，則一直處于基本協調階段；而西部的聊城、德州、棗莊城鎮化與空氣質量耦合協調關系較差，大多處于輕度不協調或基本協調發展階段。總體而言，全省靜態耦合關系呈現穩步上升的發展趨勢（圖2）。

圖1 2013-2019年城鎮化與空氣質量靜態耦合協調度

3.2 動態耦合關系

2013-2019年城鎮化增長率為4.46%，空氣質量改善率為13.51%，二者之間的動態耦合協調度為1.26，處于較協調發展階段，但城鎮化提高滯后于空氣質量改善。山東省城鎮化與空氣質量動態耦合關系包括較協調、基本協調2種類型，并以較協調類型為主（圖3）。膠東半島地區的青島、煙臺、威海和魯西南地區的菏澤、濟寧、棗莊等10個地市屬于較協調類型，魯西北地區的聊城、德州、東營等6地市處于基本協調狀態。利用二次多項式擬合城鎮化子系統與空氣質量動態耦合協調度的趨勢三維透視圖可以看出二者之間的空間布局及趨勢（圖4），各地市經濟城鎮化與空氣質量的耦合關系相對較好，發展較平穩。人口城鎮化、社會城鎮化與空氣質量的耦合關系表現相似，均包括較協調與基本協調2種類型；空間分布來看，人口城鎮化與空氣質量的耦合協調度越靠近東部、南部越高，社會城鎮化與空氣質量耦合協調度較高的地區則主要集中在西南部。空間城鎮化與空氣質量耦合關系包含較協調、基本協調等全部6種類型，耦合協調關系空間分布與經濟城鎮化相似。環境城鎮化與空氣質量的耦合關系最差，耦合關系空間上呈由西向東、由南向北逐漸減弱的發展趨勢。

圖3 城鎮化與空氣質量動態耦合類型空間分布

圖4 城鎮化子系統與空氣質量動態耦合關系空間變化

3.3 城鎮化和空氣質量耦合關系分區

按照“現狀（靜態）+趨勢（動態）”的命名規則，采用矩陣組合法，將16地市的城鎮化與空氣質量耦合關系劃分為4個區域：（Ⅰ）高級協調—平衡理想區，包括青島、煙臺2個地市，城鎮化與空氣質量靜態耦合關系處于高級協調階段；（Ⅱ）良好協調—平衡理想區，包括棗莊、濰坊、濟寧、泰安、威海、日照、濱州、菏澤8個地市，這些地區城鎮化與空氣質量的靜態耦合關系處于良好協調階段，但耦合發展趨勢較好；（Ⅲ）良好協調—改善理想區，包括淄博、東營、臨沂、德州、聊城5個地市，這些地區城鎮化與空氣質量的靜態耦合關系為良好協調，動態耦合關系為基本協調；（Ⅳ）高級協調—改善理想區，僅有濟南1個地市，城鎮化與空氣質量靜態耦合關系處于高級協調階段，動態耦合關系發展較好。各地市應利用資源稟賦和區位優勢創新發展模式，積極進行新舊動能轉換加快產業升級，將空氣污染治理與碳達峰、碳中和等目標有效銜接，因地制宜實現城鎮化與空氣質量的高質量發展。

4 結論

城鎮化與空氣質量的耦合協調關系是一個動態變化的過程。從靜態和動態兩個視角，定量評估山東省城鎮化與空氣質量的耦合協調關系，可以得出以下結論。

（1）山東省城鎮化與空氣質量靜態耦合水平呈現穩步上升的發展趨勢，由基本協調轉向良好協調發展階段，整體呈現出東高西低的空間格局。

（2）山東省城鎮化與空氣質量動態耦合關系包括較協調、基本協調類型，以較協調類型為主。

（3）根據城鎮化與空氣質量的耦合協調關系，山東省可劃分為高級協調—平衡理想區、良好協調—平衡理想區、良好協調—改善理想區、高級協調—改善理想等4個區域。

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Study on Coupling Relationship of Urbanization and Air Quality in Shandong Province

ZHANG Wen-xin1, WANG Han2, YANG Zhong-xue3*, GE Yi-bing3, DONG Guang-long3*

1.250014,2.250100,3.250101,

The evaluation index system of urbanization is constructed from five dimensions of population, space, economy, society and environment. PM2.5, PM10, SO2, and NO2are selected to evaluate the air quality. The static and dynamic coupling coordination degree model is used to analyze the coupling coordination relationship between urbanization and air quality. The results show that: (1) The static coupling relationship between urbanization and air quality has changed from basic coordination to good coordination; (2) The dynamic coupling relationship between urbanization and air quality is mainly coordinated; (3) The coupling relationship between urbanization and air quality in Shandong Province can be divided into four types: high coordination relatively balanced area, good coordination relatively balanced area, good coordination improvement area and high coordination improvement area.

Urbanization; air quality; coupling relationship

F299.27;X51

A

1000-2324(2021)05-0865-05

2021-04-25

2021-06-10

國家自然科學基金項目(41801173);山東建筑大學博士基金項目(XNBS1803)

張文信(1976-),男,碩士,高級工程師,主要從事土地利用與管理研究. E-mail:82094526@qq.com

通訊作者:Author for correspondence. E-mail:294624263@qq.com; dongguanglong18@sdjzu.edu.cn