煤炭资源型城市基础设施与城乡一体化协调发展评价研究

李星汐，常 江,代慧甫,于东升

(1.中国矿业大学力学与土木工程学院，江苏 徐州 221116；2.永城市地质矿产局，河南 永城 476600)

0 引 言

基础设施是促进城市与乡村间各生产要素便捷流动，实现城市与乡村资源共享，保障城市与乡村社会经济各部门的正常运行及提高资源利用效率的基础结构性要素,包括城乡生存和发展所必须具备的工程性基础设施和社会性基础设施。工程性基础设施一般指能源、交通、信息、环境、防灾等工程设施；社会性基础设施则主要指文教、医疗、商业服务等设施[1-2]。工程性基础设施为城乡居民提供生产和生活所必需的最基本的基础设施硬件部分，是城乡赖以生存和持续发展的物质基础和重要支撑体系。我国城乡建设中提及的基础设施，多为工程性基础设施[2]。城乡一体化(urban-rural integration,URI)是在明确城乡差别、功能互补的基础上，通过一定机制促使生产要素在城乡间自由流动、优化组合，以达到促进城乡空间协同发展，缩小城乡经济、文化和生态等领域差距的目的[3]。

煤炭资源型城市是在矿产资源开发和利用的基础上形成和发展起来的，城市建设初期缺乏统一规划，基础设施建设多围绕资源开发和工业生产展开，空间布局较为分散[5-7]。随着URI进程的不断加快，基础设施作为城乡经济、社会、人口、产业可持续发展的物质载体，其承载力与URI发展过程中所产生的需求压力相协调，才能保证URI可持续发展。因此，分析基础设施与URI协调关系，建立矿、城、乡不同区域生产要素便捷流动、资源共享的桥梁，对于构建优质、健康、可持续发展的煤炭资源型城市URI新格局具有现实意义。

目前，国外学者主要从城市社会和经济发展两个方面对基础设施进行研究[8-10]。Ricardo Jordana等从综合经济效益和社会包容性的角度提出了城市基础设施规划方法[11]。Bebbington A等以资源型城镇为研究对象，在分析矿区基础设施建设与经济发展内在联系的基础上提出基础设施发展模式[12]。Pegg S认为基础设施合理配置是解决矿业城市社会问题及促进经济发展的有效途径[13]。目前国内对基础设施与URI的研究主要从城乡基础设施建设差异性及基础设施对URI发展贡献度等方面对二者的关联性进行研究[14-17]。部分学者对煤炭资源型城市基础设施对URI的影响因素进行了研究。梁靓洁强调基础设施是煤炭资源型城市城乡社会一体化的基础条件，主要体现在引导城镇空间布局和增强城镇吸引力两个方面[18]。陈瞻等认为优化煤炭资源型城市基础设施空间布局可以带动城镇区域空间的重组，提升城镇化发展的整体效益，进一步促进URI发展[19]。Li H等基于中国资源型城市URI特征提出了多准则的基础设施空间规划方案[20]。综合国内外相关文献，以煤炭资源型城市为研究对象，建立URI和基础设施协调发展的评价指标体系，并用于定量评估二者之间关系，以促进URI可持续发展的相关研究较少。本文在建立煤炭资源型城市基础设施与URI协调发展评价指标体系和协调发展度评价模型的基础上，以永城市为例，对煤炭资源型城市基础设施与URI发展协调性进行评价，探讨基础设施建设和URI协调发展规律，以期为煤炭资源型城市URI的可持续发展提供理论依据。

1 研究区概况、数据来源和研究方法

1.1 研究区概况

永城市位于河南省东部，是全国五大工业用煤基地之一，同时也是全国六大无烟煤基地之一。全市辖29个乡镇，土地总面积2 020.53 km2。参照《全国资源型城市可持续发展规划(2013～2020年)》，永城市被界定为煤炭资源型城市。目前已形成以煤炭开采为主，电力工业、煤化工业等相关配套的工业生产体系。2015年永城市常住人口123万人，市域城镇化水平为42.9%，按照城镇体系空间格局发展阶段模式划分，市域城镇体系正处在增长核心初步形成的极核发展阶段。近年来永城市基础设施建设速度逐步加快，但是部分基础设施建设水平与河南全省相比还有一定差距。比如，2015年永城市自来水普及率、燃气普及率、生活垃圾无害化处理率分别为91%、79%、93.7%，均低于河南省平均水平。2015年永城市人均GDP为35 295元，根据公共服务和经济增长相互作用、相互适应的规律，永城市处于经济社会发展和公共服务需求协调发展阶段，也是社会经济快速增长阶段，该阶段城市处于基础设施需求扩张时期。

1.2 数据来源

评价指标数据来源于《河南省统计年鉴》《商丘市统计年鉴》《永城市国民经济和社会发展统计公报》，以及永城市国土资源局、永城市地质矿产局、永城市住房和城乡规划建设局等政府部门所提供的永城市总体规划、永城市土地利用总体规划及永城市矿产资源规划等相关资料。

1.3 研究方法

1.3.1 评价指标体系的构建

基础设施与URI协调发展是指在一定的资源条件约束下，基础设施在不断建设和发展中所形成的承载力，能够满足URI发展的需求[21]。本文在频度统计法、理论分析法基础上结合专家咨询法，同时兼顾评价指标数据可获取性，建立基础设施与URI协调发展指标体系(表1)。

表1 基础设施和URI协调发展评价指标体系

1.3.2 基础设施和URI综合发展水平评价方法

计算综合发展指数是评估系统协调发展程度的基础。如何从大量的统计数据中提炼客观有效的综合评价指数至关重要，决定了协调发展评价的准确性。主成分分析法(principal component analysis，PCA)的降维特性可以克服指标体系维数过高和数据量过大带来的计算困难，适用于评价指标过多的情况。本文采用协方差矩阵对数据的标准化方法进行修正，在PCA分析过程中不会改变各指标间的相关系数，相关系数的全部信息均可在协方差矩阵中反映，因此可提高计算的准确度。

1.3.2.1 PCA法数学模型

设某地区URI系统有N组数据样本，每组样本含p个评价指标，分别用X1,X2,X3,…,Xp表示，则可得原始数据矩阵为X=[X1,X2,X3,…,Xp]。PCA法可将选取的p个指标转化为p个指标的线性组合问题，以达到简化分析的目的。做法是对X做正交变换，寻求原指标的线性组合，见式(1)。

(1)

式中，Y1,Y2，Y3,…,Ym为主成分，且m≤p。式(1)中，主成分Y1,Y2,Y3,…,Ym需满足如下条件。

条件1：多项式系数平方和等于1，见式(2)。

(2)

条件2：且主成分之间相互独立，见式(3)。

cov(Yi,Yj)=0，i≠j，i,j=1,2,…,p

(3)

条件3：主成分的方差依次递减，重要性依次递减，见式(4)。

var(Y1)≥var(Y2)≥…≥var(Yp)

(4)

基于条件1、条件2和条件3确定的综合指标分别为原始指标的主成分。因Y1,Y2,Y3,…,Ym在总方差中所占比重依次递减，可选取几个方差最大的主成分作为新的指标量。

1.3.2.2 PCA法的计算过程

本文的主成分分析法[22-23]计算步骤如下所述。

1) 构建数据矩阵。通过采集原始数据构建矩阵X，见式(5)。

(5)

式中，xij为第i组样本的第j个指标观测值。对原指标矩阵X中的元素进行同趋势化变换以保证运算有效性。若xij的指标性质为正，则其取值保持不变；若xij的指标性质为负，则令xij=M-∣xij-k∣。其中，k为xij的理想值，M为给定正数。

2) 完成同趋势化处理后，对原始数据进行标准化运算以消除量纲的影响，见式(6)。

(6)

(7)

因标准差ξj不能为零，可得标准化数据矩阵，式(8)。

(8)

3) 求标准化矩阵Z的相关系数阵R=(rij)p×p，其中，rij反映指标Zi与Zj之间的相关度，见式(9)。

(9)

式中，cov(Zi,Zj)为指标Zi和Zj的协方差。计算相关系数矩阵的特征方程∣R-λI∣=0，可得p个特征值λ1≥λ2≥…≥λp≥0。主成分的方差贡献率α和累计方差贡献率γ可分别按式(10)计算。

(10)

求解方程组Ra=λja，可得λj对应的特征向量aj，则aj对应的单位特征向量可表示为式(11)。

(11)

5) 求主成分Yj与Zi的相关系数ρ(即因子载荷量)，此系数反映了指标Yj与Zi关系的密切程度，见式(12)。

(12)

式中，var(Zi)为指标Zi的方差。由此可通过式(13)求出前m个主成分对于指标Zi的贡献率。

(13)

6) 以各主成分方差贡献率为权值，生成线性加权综合评价函数，见式(14)。

F1=α1Y1+α2Y2+…+αmYm

(14)

式中，α1～αm为权值。

1.3.2.3 PCA法的修正

PCA分析需以标准化方法处理原始数据以消除各指标量纲和数量级的差异。然而，标准化处理后的各指标方差为1，导致各指标离散度差异相同，从而丢失了指标离散度差异对主成分的影响。因此，以标准化数据提取得到的主成分指标所含信息并不全面。研究中，对数据标准化方法做如下修正。

对原始指标数据进行同趋势化处理，得X=(xij)n×p。若令

(15)

(16)

其中

(17)

如式(16)所示的协方差矩阵进行PCA不改变各指标间的相关系数，全部信息均可在协方差矩阵中反映。

依据表1选定的评价指标，则可分别求解煤炭资源型城市基础设施建设和URI发展水平的综合评价指数。

1.3.3 系统间协调发展度评价函数

系统协调是指多种系统间或系统组成要素之间，在发展演化过程中形成的合理匹配状态。协调度则是度量系统之间协调状态好坏程度的定量指标[24]。若依据PCA法计算得到的基础设施与URI系统在时间点t的综合发展指数分别为F(t,x)和G(t,y)，则F(t,x)和G(t,y)的离差系数可由式(18)求得。

(18)

F(t,x)和G(t,y)的相对离差系数越小，则两者之间的协调度越好。因为F(t,x)和G(t,y)均大于零，所以Cv最小的充要条件满足式(19)。

Φ(t,x,y)=

(19)

式中：Φmax(tc,xc,yc)为Φ(t,x,y)的最大值；tc、xc和yc分别为使Φ(t,x,y)最大的t、x和y的取值。参考协调发展度评价模型[25-26]，定义基础设施与URI系统在t时刻的协调度为式(20)。

(20)

式中，K为辨识系数，一般可取K≥2，对应于协调度的层次性。协调度的计算值为0～1，当F(t,x)=G(t,y)时，协调度ρ的计算值达到最大，表明两个系统达到了最理想的协调状态；反之，协调度ρ的取值越小则表示发展越不协调。

需要注意的是，ρ的取值仅表明两个系统的协调程度，并不能体现两个系统的发展水平。比如，当综合发展指数G(t,y) =F(t,x) =0.2时，协调度为1；而当F(t,x)=G(t,y)=0.8时，协调度也为1。但是，后者的发展水平却显然高于前者。因此，引入协调发展度D(t,x,y)来综合反映协调度与综合发展水平[26-27]，见式(21)。

(21)

其中

(22)

协调发展度D在一定程度上综合了两个系统的协调状况及其发展水平，具有更高的可信度及适用范围，可用于同一城市在不同时期基础设施与URI发展水平的定量评价和比较。由于基础设施承载力存在一个合理的范围，URI发展过程中的也包含诸多不确定因素，因此，基础设施与URI最优协调发展度应该是一个区间值，最理想的状态是基础设施与URI发展保持在最优协调区间范围内。

2 实证分析

基于上述评价方法，对永城市URI发展和基础设施综合发展水平进行评价。将指标数据进行同趋化数据处理，以构造标准化样本数据。以主成分分析法计算URI和基础设施样本指标矩阵特征值、方差贡献率和累计方差贡献率(表2和表3)。

表2 永城市URI指标矩阵的主成分特征值和方差贡献率

表3 永城市基础设施指标矩阵的主成分特征值和方差贡献率

由表2可知，前9个主成分的累计贡献率已经达到了98.51%，即涵盖了原始数据指标的98.51%的信息量，因此可将前9个主成分作为新的URI评价指标。表3显示，前12个主成分的累计贡献率已经达到了98.56%，因此可将前12个主成分作为新的基础设施评价指标。利用式(13)计算主成分对各原始指标的贡献率，计算结果表明选取的前9个和12个主成分对各指标的贡献率均较高，说明主成分选取是合理的。

2.1 基础设施与URI综合发展水平逐年提高，基础设施建设水平相对滞后于URI发展

依据PCA法可求得永城市URI和基础设施综合发展指数(图1)。由图1可以看出，永城市基础设施综合发展指数F(t,x)从2006年的0.426增长到了2015年的0.508，URI综合发展指数G(t,y)从2006年的0.623增长到2015年的0.739，即2006～2015年，永城市URI发展水平及基础设施建设水平不断提高。与此同时F(t,x)始终小于G(t,y)，表明与URI发展水平相比，基础设施建设水平相对滞后。

图1 永城市URI和基础设施综合发展指数

2.2 基础设施与URI经历了初步协调到中度协调的发展过程

参照申金山等[26]、史雅娟等[27]对系统协调发展度的划分规则，同时综合考虑永城市的城市发展特点，制定的URI和基础设施协调发展度的划分标准(表4)。

根据基础设施与URI综合发展评价结果，取辨识系数K=6，则依据式(20)和式(21)可得永城市2006～2015年的协调度及协调发展度计算结果(图2)。由图2可以看出，协调发展度由2006年的0.6503提高到2015年的0.7091。依据表4可以判断，永城市URI与基础设施协调发展经历了从初步协调(基础设施滞后增长型)到中度协调(基础设施滞后增长型)的发展过程。表明2006～2015年永城市基础设施与URI呈现逐年增长的良好趋势。

表4 协调发展度划分标准

图2 永城市2006～2015年协调度和协调发展度计算结果

2.3 基础设施与URI协调发展评价结果分析

根据前述协调度评价结果，分析基础设施与URI的协调发展规律。可以发现，永城市基础设施与URI协调发展过程可划分为2个阶段。

第一阶段永城市基础设施与URI协调度总体呈增长态势。河南省在《关于扩大部分县(市)管理权限的意见》中赋予了“永城等五县(市)与省辖市相同的经济管理权限和部分社会管理权限”，2006～2012年永城市经济发展逐渐提高，城镇化发展速度稳步推进，年均提高0.8个百分点。根据URI综合评价指数分析结果，2006～2012年永城市URI为稳步增长期。与此同时，政府逐渐加大基础设施建设力度，促进了基础设施与URI协调度的提高。

第二阶段永城市基础设施与URI协调度呈下降趋势。随着《全国资源型城市可持续发展规划(2013～2020年)》《河南省新型城镇化规划》《永城市城乡总体规划》等相关规划出台，对永城市城乡发展提出了新的目标。永城国家煤炭基地、河南省永城市产业集聚区及重点中心镇的不断建设，为永城市城镇化快速发展提供了良好的物质基础及财政支持。2013～2015年城镇化保持较高的发展速度，城镇化率年均增长2.0个百分点。随着城镇化水平的增长，城乡空间结构不断完善，城乡差距逐渐缩小，推动URI的快速发展。根据URI综合发展水平评价结果可知，2013年永城市URI发展水平较之前有较大幅度提高，呈现加速增长的发展态势。与URI发展水平相比，基础设施建设水平相对滞后。以具体指标为例，人均道路面积由2013年的15.5 m2/人减少为2015年的15 m2/人。同时永城市基础设施建设存在老城区基础设施建设不够完善，农村基础设施建设较为薄弱的问题，其中老城排水系统大部分为雨污合流，各乡镇中只有少数村庄有集中供水设施，老城区和各乡镇均没有集中供热设施。此外，随着永城市城市空间扩展，中心城区周边部分村庄被城市建设用地所包围或纳入城建用地范围，形成了一批缺乏基础设施、环境较差的城中村。以上多种因素导致基础设施建设水平增幅较小。随着URI的快速发展，基础设施现有的承载力在一定程度上已不能适应URI的发展需求，导致二者的协调度从2013年的0.8130下降到2015年的0.8012，呈现出逐年降低的趋势。

3 结 论

1) 2006～2015年永城市基础设施与URI协调发展在时间演变上表现为：基础设施与URI经历了初步协调到中度协调的发展过程,协调发展度总体上呈增长态势。2006～2012年，基础设施与URI综合发展同步增长，二者协调度总体上呈现提高趋势。2013年永城市URI发展水平较之前有较大幅度提高，呈现加速增长的发展态势，而基础设施建设水平则增幅较小，基础设施与URI发展水平差距呈扩大趋势，导致2013～2015年二者协调度有所下降。

2) 由于基础设施具有建设超前性和形成同步性的特点，因此永城市应加大基础设施建设力度，改变建设水平相对滞后的状态。首先,可以借助GIS等空间分析方法分析城乡交通基础设施现状，在此基础上不断完善城乡交通基础设施建设，加大县乡道路建设力度，构建县际高等级公路及其乡村级公路配套的公路交通体系，形成内外衔接、城乡互通、布局合理、方便快捷的城乡交通网络。其次，以基础设施城乡联网、城乡共建为的目标，采用空间自相关分析研究城镇空间特征，对建制镇、集镇以及中心村的给水、排水、供热、燃气、电力、通信管网实施统筹规划。其中，较集中分布或沿流域等连绵分布的建制镇、集镇、中心村的给水、排水、供热、燃气、电力、通信管网规划应联建共享；分散、单独分布的集镇和中心村的基础设施应尽量与区域内相关设施相衔接。同时，完善企业配套基础设施与城乡基础设施的衔接、共享机制，避免重复建设，实现矿、城、乡基础设施资源共享。通过分类实施、分步推进的原则，提高基础设施建设水平，使基础设施承载力适应URI发展的需求，提高二者之间的协调度，促进不同区域生产要素有效流动及资源共享，从而推动永城市URI的可持续发展。

3) 通过建立煤炭资源型城市基础设施与URI协调发展度评价模型，可以反映二者协调发展规律，可定量化地描述基础设施对URI发展需求的满足程度。研究结论对于煤炭资源型城市升级和优化基础设施建设水平，促进基础设施与URI协调发展，实现矿、城、乡不同区域生产要素的有效流动，推动URI的可持续发展具有一定的实践意义。同时有助于地方政府认识基础设施建设水平与URI协调发展现状，为政府制订基础设施建设和城乡规划政策提供理论基础。

考虑到煤炭资源型城市矿、城、乡不同区域的差异性，在今后研究中可借助ArcGIS空间分析工具分析煤炭资源型城市不同区域空间结构差异，为基础设施布局提供技术支持，并结合空间计量分析方法探索基础设施与URI协调发展的影响因素，对煤炭资源型城市URI问题展开深入研究。