吐魯番市城市化與生態(tài)環(huán)境動態(tài)分析

周玄德，孜比布拉·司馬義，2

（1.新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊830046；2.新疆大學(xué) 綠洲生態(tài)教育部重點實驗室，烏魯木齊830046）

城市化是一個國家或地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的必經(jīng)途徑，同時也是衡量經(jīng)濟發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。在城市化推進的過程中，人們極大地豐富了物質(zhì)和精神生活，然而卻又不得不面對日益嚴(yán)峻的生態(tài)環(huán)境問題。城市化所帶來的能源短缺、水資源短缺、水環(huán)境污染、大氣環(huán)境污染、土地利用擴張等資源環(huán)境問題，已經(jīng)成為制約該地區(qū)城市化發(fā)展的約束條件[1]。如果忽視這些生態(tài)環(huán)境問題，務(wù)必會限制該地區(qū)的城市化進程。因此，研究城市化與生態(tài)環(huán)境關(guān)系，探討改善城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的途徑與對策，促進城市的生態(tài)建設(shè)與可持續(xù)發(fā)展已成為社會關(guān)注的焦點[2]。

1 研究區(qū)范圍與數(shù)據(jù)采集

吐魯番市境位于新疆維吾爾自治區(qū)東部，地處天山中東部主峰博格達山之南，吐魯番盆地中心地帶，是古代絲綢之路的樞紐地段，聯(lián)系天山南北的要沖，東鄰鄯善縣，西接托克孫縣，南低庫魯克塔格，連尉犁縣，北以天山分水嶺為界，同烏魯木齊縣、吉木薩爾縣、奇臺縣接壤。地理坐標(biāo)為北緯42°15′10″—43°35′，東經(jīng)88°29′28″—89°54′33″。吐魯番市區(qū)是中共吐魯番地委，吐魯番地區(qū)行署和吐魯番軍分區(qū)所在地市境南北最長約262km，東西最寬處約90km，總面積約為15 738 km2。市區(qū)距烏魯木齊市183km，鐵路里程143km。本研究以吐魯番市作為研究對象，資料來源于2000—2008年《新疆統(tǒng)計年鑒》、《新疆統(tǒng)計年報》。

2 城市化與生態(tài)環(huán)境指標(biāo)體系的建立

由于城市化和生態(tài)環(huán)境分處于一個復(fù)雜的系統(tǒng)當(dāng)中，考慮單一指標(biāo)難以很好地反映其變化特征，因此根據(jù)城市化與生態(tài)環(huán)境的內(nèi)涵、動力機制，構(gòu)建吐魯番市城市化與生態(tài)環(huán)境指標(biāo)體系。同時，結(jié)合吐魯番市的實際發(fā)展情況，初步確定從人口城市化、經(jīng)濟城市化、社會城市化和空間城市化4個方面的16項指標(biāo)將城市化發(fā)展系統(tǒng)予以內(nèi)涵的擴充和特征綜合；從生態(tài)環(huán)境水平、生態(tài)環(huán)境壓力與生態(tài)環(huán)境保護3個方面的18項指標(biāo)將生態(tài)環(huán)境綜合狀況予以指標(biāo)分解和特征細化，以便進行城市化與生態(tài)環(huán)境量化分析[3－4]，詳見表1。

3 吐魯番市城市化與生態(tài)環(huán)境動態(tài)分析的理論模型

3.1 數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理

對數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，是對吐魯番市城市化與生態(tài)環(huán)境量化研究的基礎(chǔ)。在評價指標(biāo)體系建立之后，有可能因為各個指標(biāo)的計量單位不同，即因為具有不同的量綱而不能進行直接比較。因此，一般在收集了相關(guān)數(shù)據(jù)后，還需要進行無量綱化處理，即同度量處理。本文選取標(biāo)準(zhǔn)化處理，即在標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換中，將變量值轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)期望值為0、方差為1的標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)值[5]。具體轉(zhuǎn)換過程如下：第一步，求出各個變量（指標(biāo)）的算術(shù)平均數(shù)，即數(shù)學(xué)期望值ˉxi和標(biāo)準(zhǔn)差σi；

第二步，利用以下公式進行標(biāo)準(zhǔn)化處理：

式中：x′ij——標(biāo)準(zhǔn)化變量（指標(biāo)）；xij——實際變量（指標(biāo)）值；ˉxi——各變量（指標(biāo)）的算術(shù)平均數(shù)（數(shù)學(xué)期望值）；σi——各項指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差。

3.2 指標(biāo)權(quán)重的確定

變異系數(shù)法（Coefficient of variation method）是直接利用各項指標(biāo)所包含的信息，通過計算得到指標(biāo)的權(quán)重，是一種客觀賦權(quán)的方法。此方法的基本做法是在評價指標(biāo)體系中，指標(biāo)取值差異越大的指標(biāo)，也就是越難以實現(xiàn)的指標(biāo)，更能反映被評價單位的差距。

表1 城市化與生態(tài)環(huán)境指標(biāo)體系

由于評價指標(biāo)體系中的各項指標(biāo)的量綱不同，不宜直接比較其差別程度。為了消除各項評價指標(biāo)的量綱不同的影響[6－7]，需要用各項指標(biāo)的變異系數(shù)來衡量各項指標(biāo)取值的差異程度。各項指標(biāo)的變異系數(shù)公式為：

式中：Vi——第i項指標(biāo)的變異系數(shù)，也稱為標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)；σi——第i項指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差；——第i項指標(biāo)的平均數(shù)；Wi——各項指標(biāo)的權(quán)重，i＝1，2，3，…，n。

3.3 綜合指數(shù)的測度

根據(jù)各指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值與權(quán)重，加權(quán)求和計算城市化f（x）和生態(tài)環(huán)境g（y）的綜合指數(shù)。設(shè)xi（i＝1，2，…，m）為城市化指標(biāo)，yj（j＝1，2，…，n）為生態(tài)環(huán)境指標(biāo)，對應(yīng)的權(quán)重分別為Wi和Wj。則按照式（5）、式（6）分別計算城市化綜合指數(shù)和生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)[8]。

3.4 預(yù)測模型的原理

灰色數(shù)列預(yù)測模型（下稱灰色模型）是灰色控制系統(tǒng)中灰色系統(tǒng)預(yù)測模型之一，它是一種微分方程時間連續(xù)性模型。該文應(yīng)用這種灰色系統(tǒng)理論中單序列一階微分模型GM（1，1）對城市化與生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)進行預(yù)測分析。

（1）累加生成與均值生成。GM（1，1）模型的建立方法按照公式（7），（8）分別求出一次累加生成數(shù)據(jù)Y（t）和均值生成數(shù)據(jù)Z（t），列成表。

（2）建立GM（1，1）模型。Yt估計值的一階線性微分方程為：

此式即為GM（1，1）模型，按微分方程的求解方法得到：

式中：x0——初始時刻（t＝0時）的原始數(shù)據(jù)；u，a——待定系數(shù)，根據(jù)最小二乘法估計參數(shù)向量。

計算Xt的估計值

（3）計算后驗差比值C和小誤差概率P。若數(shù)列Xt和數(shù)列δt＝xt－＾xt的標(biāo)準(zhǔn)差分別為S1和S2，則

（4）根據(jù)預(yù)測精度等級劃分表確定模型的精度，詳見表3。

表3 預(yù)測精度等級劃分

4 結(jié)果與分析

4.1 城市化綜合指數(shù)評析

根據(jù)吐魯番市城市化綜合指數(shù)在2000—2008年的數(shù)據(jù)，得到吐魯番市城市化綜合指數(shù)曲線，見圖1。

圖1 城市化綜合指數(shù)曲線

由圖1可以看出，在2000—2008年，綜合指數(shù)由起始年份2000年的－0.795，上升到2008年的0.689 3，增長了1.484 3，盡管在有些年份城市化綜合指數(shù)出現(xiàn)了波動，如2001—2003年，城市化綜合指數(shù)在下降，但總體上呈明顯的上升趨勢。為了進一步分析研究期間吐魯番市城市化綜合指數(shù)的變化規(guī)律，采取了多項式曲線模擬，具體的模擬曲線及檢驗參數(shù)值[9－10]見表2。

根據(jù)R2值的大小，可以發(fā)現(xiàn)在多項式曲線模擬上，五次多項式的模擬效果最好，R2的值達到了0.972 6。從而這個五次多項式可以更好地反映在研究期間吐魯番市城市化綜合指數(shù)的變化特征。

表2 多項式回歸結(jié)果

4.2 生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)評析

根據(jù)吐魯番市生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)在2000—2008年的數(shù)據(jù)，得到吐魯番市生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)曲線，見圖2。

圖2 吐魯番市生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)曲線

根據(jù)圖2可以得出吐魯番市生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)波動比較明顯，從2000的－0.264 6下降到2001年的－0.507 8，然后出現(xiàn)連續(xù)兩年上升，然后又開始呈現(xiàn)下降態(tài)勢，然而吐魯番市生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)在上升與下降波動的同時，轉(zhuǎn)折點有所上升。在9a中，出現(xiàn)了三個最低點的轉(zhuǎn)折點，依次為2001年的－0.507 8，2005年的－0.245 9，2007年的0.048 2。吐魯番市生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)體現(xiàn)著在波動中緩慢上升的特征[11－14]。

4.3 城市化與生態(tài)環(huán)境的關(guān)聯(lián)度測算

為了更加進一步的分析城市化與生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)的聯(lián)系，現(xiàn)采取灰色關(guān)聯(lián)度知識予以分析。將研究年份2000—2012的分為三個部分：實際年份2000—2008年為第一階段，其關(guān)聯(lián)度記為R1；預(yù)測年份2002—2010年為第二階段，其關(guān)聯(lián)度記為R2；全部年份2004—2012年為第三階段[15－18]，其關(guān)聯(lián)度記為R3。通過DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件求得R1，R2，R3，分別為0.600 7，0.621 5，0.669 6。隨著時間的延續(xù)，城市化與生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)關(guān)聯(lián)度值在不斷的增加[19－21]，由此說明，兩者的聯(lián)系越來越密切。

4.4 城市化與生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)預(yù)測

結(jié)合上述GM（1，1）模型，考慮實際情況，分別選取2005—2008年4a的城市化綜合指數(shù)與2004—2008年5a的生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)，作為已知數(shù)據(jù)對2009—2012年的城市化和生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)給予預(yù)測[22－24]，詳見表3—4。

在城市化和生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)的預(yù)測方面，平均誤差分別為1.496%和1.3554%，小概率誤差P值均為1.0，方差比C值一次為0.002 3和0.009 6，對照預(yù)測精度等級劃分表，兩者的預(yù)測精度均為好，由此預(yù)測年份的值具有參考價值[25]，可信度比較高。

由圖3可以看出，城市化與生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)均呈現(xiàn)快速穩(wěn)定的增長態(tài)勢，由此說明在未來的幾年內(nèi)，城市化與生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)發(fā)展良好[26－27]。在2000—2008年，吐魯番市城市化與生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)增速呈現(xiàn)交錯更替的狀態(tài)，2009—2012年，城市化綜合指數(shù)明顯高于生態(tài)環(huán)境的綜合指數(shù)，而且兩者的差距有增加的趨勢。

表3 吐魯番市城市化綜合指數(shù)預(yù)測結(jié)果

公式為：x（t＋1）＝0.001445e0.363579t－0.000071，小概率誤差P值為1.0，方差比C值為0.0023，預(yù)測精度等級為好。

表4 吐魯番生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)預(yù)測結(jié)果

公 式 為 x（t＋1）＝ －0.024797e－0.281530t＋0.029031，小概率誤差P 值為1.0，方差比C值為0.0096，預(yù)測精度等級為好。

圖3 城市化與生態(tài)環(huán)境綜合分析

5 結(jié)論

（1）在2000—2008年，吐魯番市城市化與生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)均體現(xiàn)上升趨勢。城市化綜合指數(shù)上升趨勢比較明顯，擬合曲線為五次多項式，R2為0.972 6，擬合效果比較好；生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)波動比較明顯，但總體上還是呈上升趨勢的。

（2）結(jié)合GM（1，1）模型，分別對吐魯番市城市化與生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)在2009—2012年給予預(yù)測，兩者預(yù)測的平均誤差均在1.5%以下，而且根據(jù)小概率誤差P值與方差比C值，對照預(yù)測精度等級劃分表，兩者預(yù)測等級均達到好，對實際有一定的參考價值。同時在預(yù)測年份，城市化增速快于生態(tài)環(huán)境增速，兩者的差距有增加的趨勢。

（3）在對吐魯番市城市化與生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)關(guān)聯(lián)度的分析當(dāng)中，發(fā)現(xiàn)隨著時間的推移，在相同的年份中城市化與生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)的關(guān)聯(lián)度逐漸增加，依次為0.600 7，0.621 5，0.669 6，由此說明吐魯番市城市化與生態(tài)環(huán)境的關(guān)系越來越密切。

（4）吐魯番市城市化與生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)在未來有一個很好的發(fā)展態(tài)勢，然而城市化的增長可能快于生態(tài)環(huán)境，由此應(yīng)加強兩者的聯(lián)系，進一步采取有關(guān)措施，保證兩者的同步協(xié)調(diào)發(fā)展。

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