城镇化与地质环境耦合协调时空演化分析——以临潼区为例

杨盼盼，王念秦，郭有金，王 超

(西安科技大学地质与环境学院，西安 710054)

改革开放以来，中国城镇化进入了快速发展阶段。据《国家新型城镇化规划(2014—2020年)》和中国统计年鉴显示，从1978—2017年，城镇常住人口从1.7亿增加到8.1亿，城镇化率从17.92%提升到58.52%。城镇化的快速发展正在给中国现代化建设、城乡统筹规划以及区域协调发展等方面发挥着巨大作用。然而，城镇化的快速发展势必会引发地质环境承载力被削弱、社会矛盾多发等问题[1]。据不完全统计，20世纪90年代以来，中国每年因为灾害造成的直接经济损失高达1 000亿～3 000亿元，相当于当年国内生产总值的3%～6%，而这些损失大部分都集中在城镇，城镇已成为现代自然灾害巨大而脆弱的承灾体。

目前，中外学者对城镇化与环境相互作用关系的研究成果颇丰。Fang等[2]提出投入-状态-产出模型来研究环境、社会和经济之间的相互作用关系；万本太等[3]研究认为生态环境是城镇化的客观载体，并探讨了其质量评价方法；周航等[4]定性讨论了城镇化进程对环境的影响、问题及对策；邢璐平等[5]基于城镇化与生态环境测度体系，以定量方法多角度研究了城镇化发展与生态环境之间的互动关系；程云鹤等[6]基于安徽省地级市城镇化与生态环境面板数据，利用耦合协调度模型进行评价，研究结果表明城镇化与生态环境协调等级分布与经济发展水平存在一定的对应关系。前人的研究主要集中在城镇化与生态环境互动关系方面，而关于城镇化与地质环境之间关系的研究成果较少，然而随着城镇化的快速发展，人类活动力度日益强烈，地质环境问题频发，因此，研究城镇化与地质环境之间的互动关系迫在眉睫。

目前关于城镇化与环境关系的研究尺度体现在对全球、国家、区域和城市四种层次空间地域[7]。在城市研究尺度空间中，主要以县级及以上行政单元为主，较少涉及到行政街办(乡镇)。鉴于此，以临潼区23个行政街办为研究单元，选取城镇化与地质环境评价指标，基于组合赋权法，提出“城镇化-地质环境”耦合协调度概念模型，进而深入研究临潼区各行政街办城镇化与地质环境的耦合协调发展过程及两者耦合时空演化规律，以期为临潼区城镇化与地质环境发展提供理论指导，也可为其他城市的研究提供经验借鉴。

1 评价指标及数据来源

为建立科学合理的城镇化发展水平与地质环境承载能力评价体系，在遵循科学性、独立性、数据可获得性等原则的基础上，借鉴邢艳春等[8]、郭莎莎等[9]、郭漩等[10]关于城镇化方面的相关研究成果，从人口、经济、空间、社会四个方面展开城镇化水平研究，选取8个指标运用熵权法、层次分析法(AHP)以及组合赋权法，构建城镇化发展水平评价体系(表1)。借鉴王念秦等[11-12]、王子红等[13]、何江飞等[14]关于地质环境方面的相关研究成果，从地形地貌、地层岩性、地质灾害、气象水文和人类活动5个方面展开地质环境研究，选取7个指标构建地质环境承载能力评价体系，结合临潼区现有资料及实际调研结果，将评价因子影响程度量化分为5级，以此构建地质环境承载能力评价体系(表2)。

2008年，国土资源部发布并实施《全国地质灾害“十一五”规划》，中国的城镇化进入高速发展阶段，为更好地研究城镇化与地质环境的相互作用关系，选取2010年《临潼十一五地质灾害防治规划》、2013年《临潼十二五地质灾害防治规划》、2017《临潼十三五地质灾害防治规划》三个时间节点展开研究，数据主要来源于临潼区历年统计年鉴、地质图、地质灾害点及降雨量数据以及实地调研等。

2 研究方法

2.1 指标权重计算方法

2.1.1 熵权法确定客观权重

初始矩阵X为

(1)

式(1)中:m为准则层的数量;n为指标的数量；Xij为第i个准则层的第j个指标值。

(1)数据标准化处理：

(2)

P=(pij)m×n

(3)

式中：Pij为第i个准则层第j个指标无量纲化后的值；P为标准化处理后的矩阵。

(2)权重确定：

第j项指标的冗余度为

(4)

第j个指标的熵权重为

(5)

表2 地质环境承载能力指标分级标准及评价体系Table 2 Geological environment carrying capacity index of grading standard and evaluation system

2.1.2 层次分析法确定主观权重

层次分析法(AHP)是通过专家两两比较各个指标，进行判断赋值，构造判断矩阵T为

(6)

指标权重向量为

(7)

2.1.3 组合赋权法确定综合权重

熵权法属于客观赋权法，忽视了主观层面对权重的影响；而层次分析法在构造判断矩阵时可以从主观层面进行权重赋值[15]。因此，为增加评价体系的合理性，采用组合赋权法对城镇化与地质环境进行评价，计算公式为

w=αw′+βw″

(8)

式(8)中:w′为熵权重；w″为层次分析法权重；α为熵权重的影响因子;β为层次分析法权重的影响因子，且α+β=1，取α=β=0.5。

2.2 城镇化与地质环境综合评价模型

根据组合赋权法确定综合权重后，将各指标标准化处理后的数值乘以权重获得其综合指数，从而构建城镇化发展水平评价函数和地质环境承载力评价函数，计算公式分别为

(9)

(10)

式中：i、j分别为城镇化发展水平和地质环境承载力的指标数量；xi、yi为标准化数值;wi、wj分别为其对应的指标权重。

利用以上公式建立城镇化与地质环境综合评价函数，计算公式为

S=λU(x)+μE(y)

(11)

式(11)中：S为综合评价函数;λ、μ为子系统的权重，取λ=μ=0.5。

2.3 城镇化-地质环境耦合协调度模型

耦合是指对两个或两个以上系统间关联程度的度量。为分析城镇化发展水平与地质环境承载力间相互作用影响的程度，以城镇化发展水平与地质环境承载力评价指标为数据基础，构造城镇化与地质环境相互作用的耦合度模型。具体耦合度模型为

(12)

式(12)中:C代表耦合度，反映在一定条件下城镇化与地质环境之间的关联程度；k为调节系数，一般k∈[2,5]，取k=2。

耦合度只能反映系统间的关联程度，难以体现其相互作用水平。为进一步分析城镇化发展水平与地质环境承载力间的协调发展状况，在耦合度测算的基础上，引入城镇化-地质环境耦合协调度概念模型，从而深入分析两者之间的耦合协调发展水平。具体耦合协调度概念模型为

(13)

式(13)中:D为耦合协调度。参考相关研究，确定城镇化与地质环境耦合协调水平划分标准，如表3所示。

表3 城镇化与地质环境耦合协调度划分标准Table 3 Standard for the coupling coordination degree of urbanization and geological environment

3 实例分析

3.1 城镇化发展水平时空演化

以临潼区23个街办为研究单元，以此分析2010、2013、2017年的城镇化发展水平的时空演化规律，根据式(9)计算，得到城镇化发展水平指数为0.190～0.870，根据自然间断法，运用ArcGIS软件将城镇化发展水平划分为优、良、中、差4级，如图1所示。

图1 城镇化发展水平时空演化Fig.1 The spatial-temporal evolution of urbanization development level

①从整体上来看，2010、2013年城镇化发展水平均值从0.358上升到0.417，2017年达到0.491，说明临潼区城镇化发展水平呈现上升趋势，这可能得益于近年来临潼作为西安东板块，辐射效应日益增加，使得城镇化发展水平逐年提高；②从发展水平来看，城镇化发展呈现较大的区域差异性，发展水平由临潼5A级、4A级景点所在街办(骊山、代王和秦陵街办)向外辐射，斜口、行者街办紧邻西临高速和骊山街办，城镇人口居多，并有多所国家级本科、高职院校以及部队疗养院，且随着地铁9号线的建设，带动周边经济飞速发展；其余街办基本以农业为主，产业结构单一，经济发展较落后，社会公共配套服务较差等限制了城镇化的发展；③从发展速率看，骊山街办与代王街办城镇化水平发展较缓慢，但总体发展水平较高；仁宗街办、穆寨街办、铁炉街办位于自然条件较差区域，影响阻碍了城镇化的快速发展，城镇化水平增长幅度小，2017年仍处于中等程度；小金街办作为临潼区城镇化水平最低的区域，随着政府大力支持种植产业园及发展电子商务，城镇化水平增长幅度较大；其余街办城镇化发展速率则平稳增长。

图2 地质环境承载能力时空演化Fig.2 The spatial-temporal evolution of geological environment carrying capacity

根据临潼区历史资料和实地调研分析，临近景区、地铁及高校等所在街办城镇化发展相对较高，与其余街办的差距较明显，该结果与城镇化发展水平时空演化分析结果相吻合。因此，建议临潼区进一步加大对其余街办产业的扶持及开发政策的倾斜，推动整个临潼区城镇化的协调发展。

3.2 地质环境承载能力时空演化

根据式(10)计算，得到地质环境承载能力指数为0.040～0.520，根据自然间断法，运用ArcGIS软件将地质环境承载能力划分为优、良、中、差4级，以此分析2010、2013、2017年的地质环境承载能力的时空演化规律，如图2所示。

①从整体上来看，2010、2013年地质环境承载能力均值从0.235上升到0.259，2017年达到0.304，说明临潼区地质环境承载力整体呈现上升趋势，这可能得益于近年来临潼区加强地质灾害点排查，坚持消除灾害点的原则，以及对开发建设区环境质量监督及惩罚力度加大，从而对地质环境形成了有效保护；②从地质环境承载力发展水平来看，地质环境承载力呈现出的区域差异性与地貌单元、地质灾害发育及人类活动强度等有较大关联，小金、铁炉、穆寨、仁宗街办位于基岩山区，且灾害点数量占全区51%，自然环境恶劣，地质环境承载力差，其余街办承载能力相对较好；③从地质环境承载力发展速率来看，地质环境承载力提升速率缓慢，骊山、秦陵、行者、代王街办处于南部低山丘陵区，人类活动强度大，地质灾害较发育，但随着国家对旅游业的大力支持，以及消除灾害点的相关政策，对提升地质环境承载力效果显著；小金、铁炉街办地质环境承载力差，近年来虽有所改善，但幅度微小；新丰街办因棚户区改造、修建铁路、地铁等，人类改造力度较大，且伴有地质灾害发育，地质环境承载力处于中等，变化幅度小；其余街办位于平原或黄土台塬地区，随着近年退耕还林及风景树产业的大力开展，地质环境承载力波动提升。

根据临潼区实地调研和历年地质灾害排查及城乡规划等资料分析，地质灾害发育、人类活动强度大、丘陵及山地等街办地质环境承载力较差，且随着人类活动改造力度的加大，地方政府环境保护措施不力，重视不够，致使其对环境造成了极大破坏，影响了地质环境承载能力的提升。该结果与地质环境承载力时空演化分析结果相吻合。因此，建议临潼区进一步加大对地质灾害的排查和治理，以及制定保护环境的相关政策，提升整个临潼区地质环境承载能力。

3.3 城镇化与地质环境耦合协调时空演化分析

根据式(13)计算，得到耦合协调度，利用表3将其划分为6级。以此分析2010、2013、2017年的城镇化与地质环境的耦合协调时间演化规律，如图3所示。2013—2017年各街办的耦合协调度差距正在不断缩小，整体协调度不断提升，良好协调以上48%提升至78%，濒临失调的街办于2017年降至0个。说明中国城镇化与地质环境的耦合协调度水平整体有较大提升，濒临失调的街办均向勉强协调水平跃进，说明城镇化发展水平与地质环境承载能力由最初的失调逐渐走向协调。

城镇化与地质环境耦合协调空间演化分析：2010、2013、2017年临潼区城镇化与地质环境的耦合协调水平虽逐年提升，但整体偏低。①从耦合协调度的空间分布特征看，城镇化与地质环境耦合协调水平不断改善，但整体偏低，空间分异现象明显。濒临失调的区域分布于南部基岩山区，良好协调位于北部平原及中部台塬区，优质协调位于南部低山丘陵区；②从区域差异性来看，耦合协调度高值区集中分布于骊山、秦陵街办；低值区位于南部小金、铁炉街办，这些地区受地形地貌及基础设施等条件的限制，导致城镇化发展水平与地质环境承载能力差距较大，地质环境承载力滞后于城镇化发展水平；③耦合协调水平具有空间集聚效应。耦合协调水平的提升产生了较明显的空间集聚效应，使低耦合协调发展水平街办逐渐趋于相邻。

根据临潼区实地调研和相关资料分析，临潼区各行政街办城镇化发展水平不均衡，城镇化发展水平较高的街办，有更多资金投入到地质环境的保护和治理中，更好地协调了两者之间的关系。如斜口、骊山、秦陵街办，该结果与城镇化与地质环境耦合协调时空演化分析结果相吻合。因此，建议临潼区应进一步优化空间布局，使各街办互相带动发展，可以进一步提升城镇化发展的协调性，同时，应进一步加强资源共享模式，加快产业结构升级，提倡保护环境和消除地质灾害点，提高整体竞争力，促使城镇化与地质环境耦合协调水平向更优发展。

图3 城镇化与地质环境耦合协调时空演化分析Fig.3 Analysis of spatial-temporal evolution of the coupling coordination between urbanization and geological environment

4 结论

(1)2010—2017年，临潼区城镇化发展水平整体呈上升趋势，均值从0.358上升到0.417。但区域差异性较大，城镇化发展水平呈现出以骊山、秦陵、代王、斜口街办向北辐射的发展格局；城镇化发展速率相对较快街办，主要以旅游业为主，带动周边经济飞速发展；城镇化水平较低街办，主要以农业为主，城镇化发展速率相对缓慢。建议城镇化发展水平较低的街办仍应以发展经济为第一要务，积极探寻适合当地发展的产业结构或者进行产业结构转型升级；其次，城镇化发展水平较高的街办应当加大地质环境监管力度，实现城镇化与地质环境耦合协调发展。

(2)2010—2017年，地质环境承载力水平整体呈现缓慢上升趋势，均值从0.235上升到0.304。但区域差异性较大，地质环境承载力依次为北部>中部>南部，地质环境承载力主要受地质灾害、人类活动强度及地貌类型影响较大；发展速率的区域差异性较明显，城镇化水平高的街办其发展速率提升较大，主要由于有资金投入对地质环境进行治理和修复，促进二者耦合协调发展。

(3)2010—2017城镇化与地质环境的耦合协调度整体有较大提升，良好协调以上48%提升至78%，濒临失调的街办于2017年降至0个；耦合协调度值高低取决于城镇化发展水平与地质环境承载能力的差距，差距越大，耦合协调度越低；耦合协调度分布具有一定的空间集聚效应。针对城镇化与地质环境发展水平较低，且两者协调性较低的街办，可适当进行政策扶持和资金资助。进一步加强资源共享模式，消除地质灾害点和加大环境监管力度，提高整体竞争力，促使城镇化与地质环境耦合协调水平向更优发展。