武漢城市圈城市形態(tài)與生態(tài)環(huán)境耦合協(xié)調(diào)性分析研究

(1.山東省肥城市國土資源局土地利用科，山東肥城271600;2.武漢大學資源與環(huán)境科學學院，湖北武漢430079;2.武漢大學地理信息系統(tǒng)教育部重點實驗室，湖北武漢430079)

鹿龍1，王娜娜1，明立彩2*

目前城市化、城市人口增長、人口的集聚與分散以及居民點的延伸，引發(fā)了人們對城市形態(tài)和城市可持續(xù)發(fā)展的激烈討論?？焖俚某鞘谢统鞘袛U張消耗了寶貴的土地資源，導致能源需求增加、交通網(wǎng)絡(luò)擁堵、環(huán)境質(zhì)量惡化等問題［1］。中國模式的城市擴張沒有考慮城市形態(tài)、農(nóng)業(yè)土地利用、能源消耗以及生態(tài)環(huán)境的破壞等，導致的各種社會環(huán)境問題阻礙了城市化的可持續(xù)發(fā)展［2］。成功的城市化發(fā)展模式應(yīng)最大限度的減少不可持續(xù)資源的浪費，建設(shè)緊湊型的城市提高城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，提高城市緊湊度和人口密度［3］。但是過于緊湊的城市將導致交通擁堵、更大的空氣污染、噪音和擁擠［4］，這之間存在著復雜的平衡關(guān)系。

地區(qū)政府部門高度重視城市化可持續(xù)發(fā)展問題，2005年中國氣象局組織專家編制并發(fā)布《生態(tài)質(zhì)量氣象評價規(guī)范》［5］開展區(qū)域生態(tài)質(zhì)量氣象評價;2006年國家環(huán)境保護總局發(fā)布《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范》［6］開展生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況及變化度分級。隨著生態(tài)質(zhì)量評價研究的深入開展，各地區(qū)已取得初步研究成果［7－10］。近年來，學者對城市化與生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟發(fā)展與生活質(zhì)量以及水土資源與經(jīng)濟發(fā)展等的耦合協(xié)調(diào)性進行了大量的實證研究［11－13］。但是對城市形態(tài)與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量耦合協(xié)調(diào)性分析并不多見，缺乏城市形態(tài)指標變化對生態(tài)環(huán)境影響的深入研究。該研究以武漢城市圈地區(qū)為例，借鑒物理學中耦合的概念，通過計算武漢城市圈城市形態(tài)與生態(tài)環(huán)境之間的耦合度、耦合協(xié)調(diào)度以及綜合協(xié)調(diào)指數(shù)，分析城市形態(tài)與生態(tài)環(huán)境的耦合協(xié)調(diào)性以及城市形態(tài)指標對城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響。

1 研究區(qū)域、數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)來源 武漢城市圈是指武漢及其周邊100 km范圍內(nèi)的黃石、鄂州、黃岡、孝感、咸寧、仙桃、潛江、天門等8個市，又稱“1+8城市圈”，是湖北省乃至長江中游最大的城市圈［14］。2007年12月7日武漢城市圈被批為全國“資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會”改革試驗區(qū)，武漢城市圈經(jīng)濟迅速增長，綜合實力明顯提升，不僅是湖北經(jīng)濟發(fā)展的核心區(qū)域，也是中部地區(qū)崛起的重要戰(zhàn)略支點［15］。

影像數(shù)據(jù)來自2005和2011年中國科學院地理研究所陸地衛(wèi)星Landset ETM 30 m分辨率影像。利用ENVI4.8軟件對遙感影像進行校正、裁剪、鑲嵌以及拼接，使用監(jiān)督分類結(jié)合目視解譯的方法對影像進行土地利用類型分類，利用ArcGIS9.3進行后期數(shù)據(jù)處理。根據(jù)目視解譯、衛(wèi)星圖像和輔助專題地圖、行政邊界地圖來解譯城市建成區(qū)邊界以2005年武漢市為例，如圖1所示。同樣方法獲得其他城市2005與2011年城市邊界。通過ArcGIS9.3提取城市最小外接矩形長軸長度、短軸長度，計算城市最小外接圓面積、最小內(nèi)切圓面積，數(shù)據(jù)整理(表1)。統(tǒng)計數(shù)據(jù)主要來自2006和2012年《中國城市統(tǒng)計年鑒》、《中國統(tǒng)計年鑒》、《中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒》、《湖北統(tǒng)計年鑒》以及武漢城市圈各市統(tǒng)計年鑒。

1.2 耦合度評價指標體系

1.2.1 城市形態(tài)指標。城市形態(tài)不同于“城市布局”、“城市結(jié)構(gòu)”、“城市體系”，它是構(gòu)成城市所表現(xiàn)的發(fā)展變化著的空間形式特征。城市形態(tài)指標有多種，基于指標數(shù)據(jù)的實用性和可獲取性，考慮到研究的主要目的，該研究選用的城市形態(tài)量化指標主要有:形成比、緊湊度、延伸率和城市人口密度［16］。

圖1 武漢市2005年城市邊界獲取圖例

(1)形式比?；纛D1932年基于long-axis-based方法提出形式比(FR)概念，F(xiàn)R的表達公式如下:

式中，A是城市面積;L是長軸的長度。研究普遍認為，一個城市的 FR從1/2到 π/4時，這個城市的內(nèi)在聯(lián)系更密切［17］。

(2)緊湊度。緊湊度(CR)概念由(Cole)［18］1960 年提出，使用城市區(qū)域最小外接圓作為標準來測量區(qū)域的形狀特征。CR的表達公式為:

式中，A是城市區(qū)域面積;A'是城市區(qū)域最小外接圓的面積。

表1 武漢城市圈各市形態(tài)指標數(shù)據(jù)

該比率越高說明城市的緊密性越好，緊湊度越大。

(3)延長率。延長率(ER)是衡量一個地區(qū)擴展程度的重要指標，延長率方程是1969年由Webbity提出的［16］，表達式為:

式中，L是地區(qū)的長軸長度;L'是地區(qū)的短軸長度。城市形態(tài)越擴展，城市的延長率越高。

(4)城市人口密度。人口密度是指單位面積土地上居住的人口數(shù)，是表示各地區(qū)人口密集程度的指標，計算公式為:

式中，P是建城區(qū)的估計人口;A*是相對應(yīng)的區(qū)域面積［19］，主要指建成區(qū)的住宅、商業(yè)、工業(yè)用地以及公路和街道用地，不包括農(nóng)村土地、森林、大面積連續(xù)的未利用地或者空地［20］。

1.2.2 城市生態(tài)環(huán)境指標。生態(tài)環(huán)境是指在一個具體的時間和空間范圍內(nèi)，生態(tài)系統(tǒng)的總體或部分生態(tài)因子的組合對人類的生存及社會經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展的適宜程度參考［21］。借鑒《生態(tài)質(zhì)量氣象評價規(guī)范》和《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范》方法，充分考慮武漢城市圈生態(tài)系統(tǒng)特征，選取植被覆蓋指數(shù)、水體覆蓋指數(shù)、生物豐富度指數(shù)和環(huán)境質(zhì)量指數(shù)，從自然生態(tài)系統(tǒng)本身特征和城市人類活動(主要是土地利用/土地覆蓋變化)方面來分析武漢城市圈城市形態(tài)與生態(tài)環(huán)境的耦合協(xié)調(diào)關(guān)系，為城市圈生態(tài)環(huán)境安全和生態(tài)型城市建設(shè)服務(wù)。

(1)植被覆蓋指數(shù)。指被評價區(qū)域內(nèi)林地、草地、農(nóng)田、建設(shè)用地、未利用地等5種類型的面積占被評價區(qū)域面積的比重，用于反映被評價區(qū)域植被覆蓋的程度。

式中，Aveg為植被覆蓋指數(shù)的歸一化系數(shù)［6］。

(2)水體覆蓋指數(shù)。指被評價區(qū)域內(nèi)水體面積占被評價區(qū)域面積的比重［6］，用于反映被評價區(qū)域水的豐富程度。

(3)生物豐富度指數(shù)。生物豐富度指數(shù)是指通過單位面積上不同生態(tài)系統(tǒng)類型在生物物種數(shù)量上的差異，間接地反映被評價區(qū)域內(nèi)生物豐度的豐貧程度。

式中，Abio為生物豐度指數(shù)的歸一化系數(shù)［6］。

(4)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)。指被評價區(qū)域內(nèi)受納污染物負荷，用于反映評價區(qū)域所承受的環(huán)境污染壓力。

式中，ASO2為 SO2歸一化系數(shù);ACOD為歸一化系數(shù)［6］。

1.3 研究方法

1.3.1 功效函數(shù)。設(shè)ui(i=1，2，…，n)為系統(tǒng)序參量，uij(i=1，2，…，n;j=1，2，…，n)為第 i個序參量的第 j個指標，設(shè)U1為城市形態(tài)系統(tǒng)序參量，U2為城市環(huán)境質(zhì)量系統(tǒng)序參量。由于城市形態(tài)與生態(tài)環(huán)境處于2個不同而又相互作用的子系統(tǒng)，對子系統(tǒng)內(nèi)各個序參量的“總貢獻”通過集成的方法來實現(xiàn)，所以定義Ui=∑λijuij為系統(tǒng)各指標的外在發(fā)展功效，其中 λij為各指標的權(quán)重［6］，有∑λij=1，由于指標的發(fā)展功效在測算過程中會出現(xiàn)零值的情況，因此對進行歸一化，u'ij為第i個序參量的第j個指標經(jīng)過歸一化后的標準化數(shù)值［11］，歸一化的具體過程為:

1.3.2 耦合度函數(shù)。在構(gòu)建功效函數(shù)的基礎(chǔ)上，借鑒物理學中容量耦合的概念以及容量耦合系數(shù)模型，推廣得到多個系統(tǒng)(或要素)相互作用、相互依賴、相互協(xié)調(diào)、相互促進的耦合度模型:

筆者主要研究城市形態(tài)與城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量2個子系統(tǒng)的耦合關(guān)聯(lián)分析，為便于分析，直接通過降維得到城市形態(tài)與生態(tài)環(huán)境的二維耦合度函數(shù)［11］:

其中，C∈［0，1］。當C趨向于1時，耦合度最大，系統(tǒng)間或系統(tǒng)內(nèi)部要素之間達到良性共振耦合狀態(tài);當C趨近于0時，耦合度極小，此時系統(tǒng)或系統(tǒng)內(nèi)部各要素之間處于失諧或者無關(guān)的狀態(tài)。

1.3.3 耦合協(xié)調(diào)度模型。耦合度作為反映耦合程度的重要指標，能夠判斷城市形態(tài)與生態(tài)環(huán)境耦合作用強弱，但無法反映城市形態(tài)與生態(tài)環(huán)境整體“功效”與“協(xié)同”效應(yīng)，特別是在多個區(qū)域?qū)Ρ妊芯康那闆r下容易產(chǎn)生誤差，出現(xiàn)結(jié)論偏離實際的情況。因此，需要構(gòu)建耦合協(xié)調(diào)度模型，以期能夠有效地判別城市形態(tài)與生態(tài)質(zhì)量交互耦合的協(xié)調(diào)程度［11］。協(xié)調(diào)度函數(shù)為:

式中，D為耦合協(xié)調(diào)度;C為城市形態(tài)指標與生態(tài)質(zhì)量的耦合度;T為城市形態(tài)與生態(tài)環(huán)境的綜合協(xié)調(diào)指數(shù)［17］;k、a、b為待定系數(shù)，該研究選取k=0.5;在實際應(yīng)用中為便于使用，要保證 T∈(0，1)，使 D∈(0，1)［22］;鑒于城市形態(tài)與生態(tài)環(huán)境在城市化過程中重要程度相同，取a、b值均為0.5。按照協(xié)調(diào)度的大小程度，再根據(jù)城市形態(tài)綜合評價指數(shù)U1與環(huán)境質(zhì)量綜合評價指數(shù)U2之間的相互關(guān)系［24］，將系統(tǒng)分為4個大類 10 個亞類(表2)［23］。

表2 城市形態(tài)與環(huán)境耦合評價指標分類體系及判別標準

1.3.4 灰色關(guān)聯(lián)度模型。根據(jù)灰色系統(tǒng)理論，將{C*}=［，…，］將作為參考序列，將{Ci}=［，…，］作為比較序列，則參考序列與比較序列在點的關(guān)聯(lián)系數(shù)為［24］:

式中，ξi(k)是C*和Ci在時刻k的關(guān)聯(lián)系數(shù);|－|為在k點和的絕對差;minimink|C－|分別為最小絕對差;maximaxk|－|為最大絕對差;ρ為分辨系數(shù)，一般的取值為 ρ∈［0，1］，當 ρ=0.546 3時分辨率最好，通常取 ρ=0.5。參考序列與比較序列的關(guān)聯(lián)度為序列在各時刻關(guān)聯(lián)系數(shù)的均值，記作:

2 測算結(jié)果與特征分析

2.1 武漢城市圈城市形態(tài)與環(huán)境質(zhì)量耦合評價結(jié)果 根據(jù)城市形態(tài)與生態(tài)環(huán)境綜合序參量的計算方法以及耦合度、耦合協(xié)調(diào)度模型，計算2005和2011年武漢城市圈耦合度、耦合協(xié)調(diào)度［21］、城市形態(tài)綜合評價指數(shù)、生態(tài)環(huán)境綜合評價指數(shù)及與的對比關(guān)系(表3)。利用ArcGIS軟件，建立武漢城市圈耦合協(xié)調(diào)度空間屬性數(shù)據(jù)庫，劃分出武漢城市圈耦合協(xié)調(diào)類型圖(圖2)，分析武漢城市圈各市耦合協(xié)調(diào)度的時空演變情況［25］。

分析圖2和表3可知，武漢城市圈城市形態(tài)與生態(tài)環(huán)境的耦合協(xié)調(diào)程度共跨越5個等級，從Ⅱ類到Ⅵ類，保持在一個穩(wěn)定的健康程度。為便于對比分析，根據(jù)耦合協(xié)調(diào)程度的相對大小將武漢城市圈劃為高耦合區(qū)(Ⅱ和Ⅲ類)、中耦合區(qū)(Ⅳ和Ⅴ類)以及低耦合區(qū)(Ⅵ類)。

圖2 耦合協(xié)調(diào)類型分布

表3 武漢城市圈城市形態(tài)與環(huán)境質(zhì)量耦合評價結(jié)果

2.1.1 高耦合區(qū)。表3顯示，武漢作為武漢城市圈的核心城市，經(jīng)濟與城市發(fā)展水平較高，2005～2011年均為中級協(xié)調(diào)發(fā)展類型(ⅢA類)。鄂州為中級協(xié)調(diào)發(fā)展類型(ⅢC類)，城市形態(tài)與生態(tài)環(huán)境同步協(xié)調(diào)發(fā)展。黃岡、咸寧的山區(qū)老區(qū)較多，城市化水平較低，但城市形態(tài)與生態(tài)環(huán)境的耦合程度較高，黃岡人文古跡、自然旅游資源豐富，教育事業(yè)突出，是武漢城市圈的重要組成部分(ⅡA類)。咸寧作為武漢市的后花園，城市形態(tài)與生態(tài)環(huán)境耦合協(xié)調(diào)度高，城市形態(tài)與生態(tài)環(huán)境同步發(fā)展(ⅢC類)。

2.1.2 中耦合區(qū)。2005年仙桃、孝感為ⅣA類，天門為ⅤA類，處于初級協(xié)調(diào)發(fā)展類型，生態(tài)環(huán)境發(fā)展滯后。到2011年，仙桃為ⅢA類中級協(xié)調(diào)類型，耦合協(xié)調(diào)度提高。孝感、天門穩(wěn)定在ⅣA類，城市形態(tài)超前發(fā)展。

2.1.3 低耦合區(qū)。黃石市作為老工業(yè)城市，有著深厚的工業(yè)文化底蘊和雄厚的工業(yè)基礎(chǔ)，是華中地區(qū)重要的原材料工業(yè)基地，也是武漢城市圈的副中心城市。2005年為瀕臨失調(diào)發(fā)展類型(ⅥB類)且城市形態(tài)發(fā)展滯后，2011年轉(zhuǎn)型為初級協(xié)調(diào)發(fā)展型(ⅣB類)，且生態(tài)環(huán)境超前發(fā)展。潛江作為縣級城市，隨著“兩型社會”的建設(shè)，已逐步從失調(diào)衰退類型(ⅥA類)向協(xié)調(diào)發(fā)展類型過渡(ⅤA類)。

2.2 城市形態(tài)指標對生態(tài)環(huán)境的影響 運用灰色關(guān)聯(lián)分析法，將武漢城市圈生態(tài)環(huán)境作為參考序列C*，城市形態(tài)指標形勢比C1、緊湊度C2、延長率C3、人口密度C4作為比較序列，根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)分析模型，得出武漢城市圈生態(tài)環(huán)境與城市形態(tài)指標的關(guān)聯(lián)度(表4)。由表4可知，生態(tài)環(huán)境與城市緊湊度的關(guān)聯(lián)度為0.803，城市緊湊度高人均基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)消耗少，可共享的基礎(chǔ)建設(shè)和資源多，能促進城市生態(tài)環(huán)境建設(shè)，因此緊湊度對生態(tài)環(huán)境可能是一個促進因素。城市形式比與生態(tài)環(huán)境關(guān)聯(lián)度為0.797，城市內(nèi)在聯(lián)系越密切生態(tài)環(huán)境質(zhì)量越高。城市延長率增加使交通長度增加，需要消耗更多土地和能源資源，生態(tài)環(huán)境與城市延長率的關(guān)聯(lián)度最低為0.482。城市人口密度與生態(tài)環(huán)境的關(guān)聯(lián)度最高為0.803，對生態(tài)環(huán)境影響重大，高人口密度能有效地利用資源，從而利于資源節(jié)約，但過高的人口密度會超出城市環(huán)境承載力，造成嚴重的環(huán)境污染和環(huán)境破壞，不利于環(huán)境友好。城市的緊湊性、延長率對生態(tài)環(huán)境的影響并不顯著，生態(tài)環(huán)境與人口密度密切相關(guān)。

表4 武漢城市圈環(huán)境質(zhì)量與城市形態(tài)指標的關(guān)聯(lián)系數(shù)與關(guān)聯(lián)度

3 結(jié)論與討論

基于耦合度理論構(gòu)建城市形態(tài)與生態(tài)環(huán)境耦合發(fā)展體系，評價武漢城市圈城市形態(tài)與生態(tài)環(huán)境耦合協(xié)調(diào)程度以及城市形態(tài)指標對生態(tài)環(huán)境的影響。該研究運用耦合度及耦合協(xié)調(diào)度函數(shù)，對武漢城市圈耦合協(xié)調(diào)度進行了探索性的實證研究，得出以下結(jié)論:

(1)不同地區(qū)的城市形態(tài)與生態(tài)環(huán)境耦合協(xié)調(diào)程度不同。武漢作為城市圈的核心城市，城市形態(tài)與生態(tài)環(huán)境耦合協(xié)調(diào)程度較高為Ⅲ類。鄂州、黃岡、咸寧為Ⅲ類，這些城市的城市形態(tài)與生態(tài)環(huán)境的關(guān)系處于中級協(xié)調(diào)發(fā)展階段，城市化水平逐步提升，且城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量超前發(fā)展。仙桃、孝感、天門為Ⅳ類，這3個市近幾年城市化發(fā)展力度大，生態(tài)環(huán)境建設(shè)相對滯后，城市生態(tài)發(fā)展超前，處于初級耦合協(xié)調(diào)發(fā)展類型。作為老工業(yè)基地的黃石市，生態(tài)環(huán)境較差，城市形態(tài)與生態(tài)環(huán)境的耦合協(xié)調(diào)程度最低為Ⅴ類，但隨著“兩型社會”的快速發(fā)展，黃石市的生態(tài)環(huán)境明顯提高，提升為初級耦合協(xié)調(diào)類型。縣級市潛江從失調(diào)衰退類型向協(xié)調(diào)發(fā)展類型過渡為Ⅴ類。

(2)城市形態(tài)指標對生態(tài)環(huán)境的影響十分顯著，生態(tài)環(huán)境與人口密度密切相關(guān)。要改善城市生態(tài)環(huán)境，應(yīng)最大限度地減少不可持續(xù)資源的浪費，提高城市形勢比與緊湊度。但緊湊度增加的同時人口密度也會增加，兩者之間存在著復雜的動態(tài)平衡關(guān)系。緊湊的生活可以降低能源消耗，但人口密度過高會導致城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降。人口密度的進一步提高，會導致更密集的居住環(huán)境、能源消耗和生態(tài)環(huán)境污染，這個“度”的問題需要進一步研究。

(3)該研究探索性的研究結(jié)果與城市實際發(fā)展狀況吻合較好，為城市形態(tài)和生態(tài)環(huán)境的進一步調(diào)查研究提供了背景和出發(fā)點。然而，該研究選取的城市形態(tài)指標以及生態(tài)環(huán)境指標有限，研究方法僅是耦合協(xié)調(diào)性分析，因此需要進一步的實證研究。

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