案例分析 | 中国城市化与生态环境的耦合度分析
随着城市化的发展，城市的生态环境也越来越受到人们关注，城市化进程与城市的生态环境建设之间有着怎样的关系，需要我们进一步去研究。因此，我们在阐述城市化与生态环境耦合涵义的基础上，利用协同思想构建二者之间的耦合度模型，并对2005年-2015年的中国城市化与生态环境耦合度的时空分布进行了分析。
一、中国城市化指标框架
城市化是指随着一个国家或地区社会生产力的发展、科学技术的进步以及产业结构的调整，其社会由以农业为主的传统乡村型社会向以工业（第二产业）和服务业（第三产业）等非农产业为主的现代城市型社会逐渐转变的历史过程。
从不同的方面来看，城市化的定义也不尽相同。人口学把城市化定义为农村人口转化为城镇人口的过程，地理学角度来看城市化是农村地区或者自然区域转变为城市地区的过程，经济学上从经济模式和生产方式的角度来定义城市化，生态学认为城市化过程就是生态系统的演变过程，社会学家从社会关系与组织变迁的角度定义城市化。
在此，我们用经济学的定义建立中国城市化水平的框架，如表1所示，城市化水平包括人口城市化水平，经济城市化水平，空间城市化水平，社会城市化水平。
二、中国生态环境现状指标框架
中国的生态环境用不同的方式划分可以有不同的子系统，在这里，我们用生态环境压力，生态环境水平和生态环境保护三个子系统表示生态环境指标，这三个子系统同样也是不可以直接测量得到的，因此我们用“人均工业废水排放量（吨/人）”，“人均工业固体废物产生量（吨/人）”，“人均工业废气排放总量（万标立方米/人）”，“人均工业二氧化硫排放量（吨/万人）”表示生态环境压力，用“人均公园绿地面积（平方米/人）”，“建成区绿化覆盖率（%）”，“森林覆盖率（%）”这三个指标表示生态环境水平，用“保护区面积占辖区面积比重（%）”，“工业废气治理设施运行费用（万元）”，“工业固体废物综合利用率（%）”，“环境污染治理投资占GDP比重（%）”这四个指标表示生态环境保护。具体如表2所示。
三、中国城市化与生态环境的耦合度时空分析
1、城市化与生态环境交互耦合的涵义
经济学家认为城市化程度和城市的生态环境之间存在相互作用和相互制约的关系，并称这种关系为相互耦合的关系。从现实的生产生活过程来看，其耦合作用主要表现在两个方面：一方面，城市化通过人口增长，经济发展，能源消耗和交通扩张对生态环境产生胁迫；另一方面，生态环境又通过人口驱逐，资本排斥，资金争夺和政策干预对城市发展产生约束。我们可以通过定量计算得出城市化水平与生态环境之间的耦合程度。
2、耦合度理论及模型
耦合来源于物理学，系统耦合是指各个子系统通过相互影响和作用带动彼此良性互动的过程,各子系统间存在动态关联关系。借鉴物理学中的容量耦合概念及耦合系数模型，推广得到多个系统（或要素）相互作用耦合度模型，即：
上个公式是多个系统的耦合度函数，基于目前的城市化和生态环境两个系统，可以直接得到城市化—生态环境这两个系统的耦合度函数，表示为：
式中，u1和u2分别为新城市化与生态环境系统综合发展水平。显然，有耦合度值C∈［0,1 ]。当 C=1 时，耦合度最大，系统之间或系统内部要素之间达到良性共振耦合，系统将趋向新的有序结构；当C=0 时，耦合度极小，系统之间或系统内部要素之间处于无关状态，系统将向无序发展。
3、耦合协调度模型
耦合度作为反映城市化与生态环境耦合程度的重要指标，它对判别城市化与生态环境耦合作用的强度以及作用的时序区间，预警二者发展秩序等具有十分重要的意义。然而，耦合度在有些情况下却很难反应出城市化与生态环境的整体功效与协同效应，特别是在多个区域对比研究的情况下，耦合度计算的上下限一般取自地区的基准年数和发展规划数，单纯依靠耦合度判别有可能产生误导，因为每个地区的城市化与生态环境都有其交错、动态和不平衡的特性。协调是指系统内部各要素或系统间存在“和谐一致”、“配合得当”的相互关系。在耦合的基础上引入耦合协调度,可以更准确的反映两个子系统的整体协同效应。耦合协调公式如下所示：
其中，C 为耦合度；D 为耦合协调度；T 为城市化与生态环境综合调和指数，它反映城市化与生态环境的整体协同效应或贡献；a、b为特殊权重，在此取a=b=0.5。
四、功效函数
在计算耦合度之前，需要利用功效函数对数据进行统一处理，记uij为变量，xij对系统有序的功效函数。其反映各指标达到目标的满意程度，趋近于0时表示最不满意，趋近于1时表示最满意。
4.1 计算每个指标的序参量uij
记uij(i=1,2;j=1,2,…,n)是城市化—生态环境系统中第i个子系统的第j个序参量，其值为xij(i=1,2;j=1,2,…,n),aij和bij是系统稳定临界点上的序参量的上、下限值。则根据功效函数可以计算uij。在生态环境的子系统中，生态环境压力需要用负功效函数计算，其余的子系统则都使用正功效函数计算。
正功效函数公式：
负功效函数公式：
4.2 计算子系统各个序参量有序程度的“总贡献”
其中λij为各个序参量的权重，这里用熵值法确定权重。在此只需要计算u1和u2即可。
五、实证分析
5.1 选取数据
首先根据城市化和生态环境的指标框架从EPS数据平台获取每个指标的值，由于有一些指标暂停更新，因此选取2005年-2015年的值进行计算。
5.2 计算权重
根据熵值法确定指标权重，具体结果见附录表3，图1和图2分别是城市化和生态环境的子系统的指标权重环形图。
5.3 计算耦合度
根据贡献度和权重计算出每个省份各年份的耦合度C和协调度D，具体见附录表4和附录表5，图3是2005年，2010年和2015年的耦合度与协调度的雷达图，可以看出，耦合度普遍较高，协调度普遍较低，耦合度较高表明城市化水平和生态环境之间存在很强的相互作用，但是无法确定这种相互作用是否是良性的还是恶性的，耦合协调度较低表明两个系统之间的良性耦合程度较低，也就是表明两个系统处于低水平的相互制约状态，而不是高水平的相互促进状态。因此目前的城市化水平和生态环境系统之间的耦合度都是低水平耦合。
5.4 对比分析与评价
1、从图4可以看到，耦合度数值都处于0.9~1 之间，属于高度耦合；耦合协调度数值主要处于0.4~0.5 之间，处于初步失调水平。
2、从图5可以看到，2008年以前，生态环境建设滞后于城市化发展，自2008年以后，城市化发展滞后于生态环境建设水平，可以看出，国家对保护生态环境取得一定的成果。
3、图4和图5的4条曲线都处于上升趋势。表明城市化综合发展水平，生态环境保护综合水平和两者的耦合度以及耦合协调度都有逐渐往好的方向发展的趋势。
4、根据表3的耦合等级表，可以从表7中发现，耦合度数值都处于0.7-1之间，所有的省份都属于良性耦合和高度耦合，表明各省份的城市化发展和生态环境的耦合情况较好，这个系统之间的交互作用很强大。
5、根据表4的耦合协调等级表，可以从表8中发现，基本所有的省份都处于初步失调水平，表明各个省份的城市化水平和生态环境之间的耦合是低水平耦合，因此，各省份都需要在加快城市化建设进程的同时注意保护生态环境，而不是以牺牲生态环境为前提来建设城市化。但是我们只知道省份是初步失调，不知道是城市化滞后还是生态环境滞后，抑或是两者都同步失调，因此，我们记X为城市化的综合发展水平，Y为生态环境的综合发展水平，则可以根据表5的计算，得到每个城市的耦合协调类型，最终计算结果表明，31个省份的耦合协调类型都是城市化滞后型，即城市化的发展滞后于生态环境的发展水平，因此，面对城市化建设和生态环境保护两方面，各省份最重要的是加强城市化建设，但是由于目前的城市化和生态环境两个系统初步失调，因此需要协同发展城市化和生态环境。
六、结论
根据以上的数据以及实证结果，可以发现，城市化发展与生态环境之间存在高度耦合，两者相互影响，经济学家认为最好的状态应该是两者相互促进，但是目前我国的城市化和生态环境现状则是两者相互制约的状态，如果要使城市化和生态环境两个系统达到理想的状态，则需要国家在加快发展城市化的同时，坚持可持续发展和绿色发展，让我们的城市既有绿水青山，又有金山银山。
七、附录：