1 引言

改革开放40年来, 我国经济建设取得重大成就, 城市化水平呈现稳步提升态势, 城市化率由1978年17.92%增长到2015年56.1%, 城市化进入快速发展阶段。然而, 与发达国家相比, 我国城市化水平相对落后。在城市化推进过程中, 基础设施建设滞后是影响城市化进程的“瓶颈”问题, 会带来城市化发展的“城市病”, 从而导致城乡、区域发展不平衡。在“十九大”报告提出的实施区域协调发展战略引领下, 统筹城市化与基础设施建设均衡协调发展, 是一项具有挑战性和现实意义的重大时代课题。 国内外学者对基础设施或城市化的研究主要集中在概念和理论视角, 对城市基础设施建设与相关产业之间作用机理研究涉及较少, 城市化偏重于一般城市理论及城市相关问题研究, 研究范式单一、实证分析相对缺乏。A.Serda在1982年首次提出城市化 (Urbanization) 。Greenwald D (1982) 提出基础设施的直接或间接对经济发展具有提升作用。Madlener R (2011) 研究美国城市基础设施对城市化的影响。国内学者较多关注城市化与其它系统或要素 (土地资源系统、环境生态系统、科技资源系统、产业集聚系统等) 的耦合协调研究, 并取得一系列成果, 如张明斗、吴玉鸣、胡喜生、范斐、陈斌等学者的研究, 对城市化与基础设施建设系统的耦合协调分析涉及较少。因此, 对两者耦合进行定量探究, 科学度量两系统间的耦合演进状况与协调程度, 对于实施区域协调发展战略具有重要的价值。

2 模型构建与理论解析

近年来, 在推进城镇化 (城市化) 道路发展战略时发现, 发展中国家要实现城镇化的快速健康发展, 需要模仿发达国家领先技术, 以缩小与其之间的差距, 从而以“技术后发优势”赶超发达国家城镇化水平。实际而言, 后进国家并未通过技术引进有效缩短与先进国家之间的差距。Beil、Weil (1998) , Acemoglu、Zilibotti (2001) 提出了技术适宜性理论。适宜性技术是指人口与基础设施建设的配比达到最优时, 城镇化道路才能健康快速发展。若技术水平存在过高或低的偏离, 会导致边际效益递减, 引发城市病的发生。因此, 适宜的技术水平加上系统要素的最优配比, 才能使效益发挥最大。将适宜性理论扩展本文研究, 考虑基础设施建设与城市化发展的适宜性, 并结合耦合模型, 则可以对两大系统的耦合协调发展演进做出合理的解释。

2.1 基本模型

耦合是指两个或两个以上的实体相互作用而彼此依赖于对方的影响量度。耦合度是指模块之间相互作用及联系的紧密程度。城市化和基础设施建设存在相互作用、制约、影响的关系。将城市化与基础设施建设作为相互耦合系统, 利用系统发展模型、协调模型、耦合模型, 定量测度两大系统耦合度及协调度, 借鉴耦合跃迁模式分析其耦合协调演进规律。

2.1.1 系统发展模型

设U (x) =∑α_ix_i为城市化子系统的发展水平, 其中x_i、α_i分别代表城市化系统标准化指标及对应的指标权重;V (y) =∑β_iy_i为基础设施建设子系统的发展水平, 其中y_i、β_i分别代表基础设施建设系统标准化指标及对应指标权重;R代表两大系统综合发展水平, 即为系统发展度。其公式如下 其中, ξ为外生参量, φ和1-φ为两大系统的产出弹性, 反映城市化系统与基础设施建设系统对总系统的重要程度。 为深度解析耦合发展度, 构建U (x) 和V (y) 的等发展线二维平面坐标图, C₀、C₁、C₂代表系统协调度。另外, R₁、R₂、R₃…代表由低级到高级的系统发展水平, 每条等发展线意指系统在同级发展水平时, 两子系统可以相互替代 (详见图1) 。 图1 耦合度图形解析 下载原图

2.1.2 系统协调模型

协调度是判断系统内部要素协调好坏程度的测度指标, 体现系统之间由无序向有序递进的发展趋势。本文借鉴廖重斌 (1999) 协调模型, 并在此基础上进行改进。 式 (2) 中E_v代表U (x) 和V (y) 两系统的平均偏离程度, 其值越趋近于0, 则表示系统之间的偏差越小, 两大系统的协调性越优。另外, 当E_v=0时, U (x) =V (y) , 两子系统的数值恰好落在从坐标原点出发的45°射线OS上。在射线上方U (x) V (y) 下方时, 与之相反 (详见图1) 。 为了更科学地展现系统协调度特性, 使不同的评价单元具有可比性。可以把偏离差系数模型转化为: 由公式 (3) 和 (4) 可知, 偏离差系数E_v取值越趋于0, 表明两大系统的偏差越小;相反, 系统协调度C取值越趋近于1, 则是越优。如图1所示, 斜率均为1的射线OS、BB′、DD′, 它们代表不相等的协调度, 一条射线代表等值的协调度, 特别是过原点的协调度最优, 其协调度值为1。关于射线OS上下对称的协调相线, 具有同等的协调度, 即C₁=C₂ (详见图1) 。

2.1.3 耦合模型

经上述的发展模型和协调度模型分析, 一方面, 仅看重发展耦合, 可能存在系统协调性低水平。由图1知, 在坐标区域内的任意点落在两大系统组合的等发展和协调线上, T、F点落在相等的发展水平线上, 但F点的协调度优于T点, 即T点城市化子系统与基础设施建设子系统协调效率稍低, 两系统存在一定程度偏离。另一方面, 仅看重协调耦合, 可能存在两系统的低发展水平, 高耦合协调的状态陷阱。观察图1知, H、F坐标点协调度相等, 但H点的系统发展水平低于F点, H点意指城市化和基础设施建设系统陷入“高耦合低发展陷阱”, 不能揭示耦合量扩的演进特性。 由上所述, 系统的协调线和等发展线在坐标系中的交点形象绘制了耦合水平高低。F点的耦合水平高于H点, 同样也高于T、G点。因此, 系统耦合度可以定义为发展子系统和协调子系统纵横两维度的综合度量。 其中D为系统耦合协调度, 类型划分标准, 本文借鉴物理学关于协调分类理论, 结合系统耦合协调度D及U (x) 和V (y) 发展水平差值, 并充分考虑京津冀区域经济发展实际状况, 并借鉴吴文恒 (2006) 耦合协调等级, 将城市化与基础设施建设系统耦合进行10个等级划分 (如表1) 。

2.1.4 基于适宜性理论的解析

上述分析可知, 首先对系统耦合的作用机理进行解析, 其次对系统耦合度也进行了优劣比较。然而, 如何将低耦合点H点跃迁至优质耦合点F点?系统如何摆脱低耦合水平陷阱, 实现耦合由低水平向高水平协调演进?如何选择与子系统结合相适宜的耦合跃迁模式?本文将借适宜性理论来探讨上述问题。 表1 城市化与基础设施建设耦合协调发展等级划分标准 下载原表 从图2可知, 坐标点I、N、E、Q、S协调度是相等的, 并且系统的发展水平也是逐步提升的态势, 从而系统耦合度也存在不规则的上升, 这就表征了耦合模式的演进路径。解析步骤如下: 图2 适宜性耦合跃迁模式解析 下载原图 首先, 假设某一耦合度较低区域起初耦合点处在I点, 之后政府加大对基础设施的投资建设, 经发展后耦合点由I点跃迁至J点。这说明所在地区基础设施水平提高显著。 其次, 基础设施水平的提升为城市化提升提供了环境条件, 然后再通过发展地区经济、扩大城镇人口数量、发展第二第三产业、增加就业人口, 城市化水平有所提升, 耦合点由J点跃迁至N点。紧接着, 城市化水平的提高使地方经济得到快速发展、人口素质的提高、产业规模的扩大和实力增强、城市规模的扩大、社会财富积累增多, 从而使得对基础设施投资建设获得动力支持实现新增长, 同时也带动城市化水平的提升, 两大系统实现协调耦合发展趋势, 耦合点由N点跃迁至E点。 再次, 耦合点到达E点后, 假设此时城市化发展出现了与工业化发展的不协调、土地利用的不合理、住房紧张、生态环境问题、城市病、产业结构失调等问题, 基础设施建设须找新的推动力。此时该区域加强投资主体多元化、引进外资, 除了政府、企业投资外, 引进外资和引导居民合理投资, 鼓励科技创新, 发展高新技术产业, 为城市化发展增加发展动力, 耦合点由E点跃迁至W点。尔后, 加强城市规划、提升土地利用效率, 调整产业结构优化升级、推动生产要素集聚, 促进城市化可持续发展, 耦合点由W点跃迁至Q点。最后, 再次实现城市化与基础设施建设向高水平的耦合态势演进。倘若上述演进过程循环持续, 就能保证城市化与基础设施建设在发展的进程中实现良性协调发展。 综上分析, 将坐标点I、J、N、E、W、Q、S用虚线AA′连起来, 可以清楚看到耦合点的演进态势和系统协调度的动态发展趋势。从长期发展看, 整个系统的发展曲线和协调曲线呈逐年提升态势演进。此外, 本文将整个系统耦合区分为U₁ (x) ~U₂ (x) 和U₂ (x) ~U₃ (x) 两个阶段来概括两种不同的演进模式。前者是基础设施建设系统主导的落后阶段, 该阶段强调地区城市化发展带动各个产业发展的能力;后者是城市化系统主导先进阶段, 该阶段强调资本多元化和创新产业, N、Q两点分别为城市化系统带动能力、内生动力的门槛点, E点是由落后到先进阶段的耦合点演化跃迁门槛点。

2.2 城市化与基础设施建设指标体系建立与数据处理

2.2.1 指标体系建立

本文以京津冀为例, 选取2006~2015年为研究区间, 耦合相关数据来自历年《中国统计年鉴》、《天津统计年鉴》、《北京统计年鉴》和《河北经济年鉴》。负指标类型以“-”标注。另外, 综合考量城市化及基础设施已有研究成果, 遵循设计科学性、可比性、导向性、可操作性和可行性原则, 建立城市化指标体系, 主要从人口、经济、社会、空间四个方面展开, 涉及指标12项;城市基础设施建设指标体系从交通、能源、绿色、文卫、邮电五个方面, 展开涉及指标20项 (详见表2) 。

2.2.2 数据标准化

本文利用功效贡献函数对原始数据进行标准化处理, 其中功效贡献函数分为正向指标功效贡献函数和负向指标功效函数, 计算公式如下: 负向指标公式: 正向指标公式: 其中, u_ij为系统指标标准化数据且0≤u_ij≤1;a_ij中的i代表省份, j代表时间。

2.2.3 指标权重确定

19世纪50年代德国物理学家克劳修斯创立熵理论, 并在各个领域都得到了广泛的应用。相比层次分析法 (AHP) 、德尔菲法、专家估计法、G1法等确定权重的方法, 熵权法能有效避免指标权重矢量确定主观性, 步骤如下: (1) 对矩阵进行非负归一化处理; 表2 城市化与基础设施指标体系 下载原表

3 实证分析

3.1 城市化与基础设施综合发展指数特征

由表3、图3~5可知, 2006~2015年, 京津冀各省市城市化发展指数呈现稳步上升的趋势, 增幅分别为78.9%、179%、279.7%, 在时序上的增长趋势分别呈以下函数拟合: 基础设施建设发展指数也存在相似规律, 除在2007年、2010年存在小幅波动外, 系统总体也呈现稳步上升态势, 其增幅分别为148.2%、218.4%、339.4%, 在时序上的增长趋势分别呈以下函数拟合: 2010年以后, 随着改革开放及城市化进程的不断推进, 京津冀城市化与基础设施建设两大系统出现大幅度的快速发展态势。另外发现, 城市化发展增长率明显低于基础设施建设发展增长率, 两大系统差距最小达39.4%, 最大达69.3%。究其原因, 2010年中国经济进入产业结构转型和政策的调整时期, 加上由国务院实施4万亿元资金的投放, 同时明确要求, 要加快文化、医疗、卫生事业发展, 加强绿色基础设施建设, 如污染防治、节能减排工程, 加快自主创新和产业结构调整转型, 进而促进基础设施投资建设发展快速发展, 伴随基础设施的完善, 中国经济经过危机触底之后进入新一轮经济上升周期的起点, 各省市经济运行逐步正常化, 城市化发展水平在之后时期也获得飞速提升, 这一发展趋势近5年特别显著。 表3 城市化与基础设施建设综合发展指数 下载原表 图3 北京系统协调发展度 下载原图 图5 河北系统协调发展度 下载原图 图4 天津系统协调发展度 下载原图 图6 京津冀系统平均协调发展度 下载原图 从京津冀整体均值看, 城市化与基础设施建设发展系统呈现上述同样规律, 增幅分别为161.7%、219.8%, 详见图6, 在时序上的增长趋势分别呈以下函数拟合: ?2010年之后两大系统也呈现加速增长趋势。其中, 基础设施建设发展指数增长高于城市化指数的增长率, 这为将来京津冀以基础设施建设为支撑的城市化水平跨越式发展及区域协调可持续发展提供潜在保障。

3.2 城市化与基础设施耦合特征

通过上述分析, 本文认为城市化与基础设施建设两大系统同等重要, 故假定产出弹性φ取0.5, 外生参量ξ取1, 并利用公式 (4) 和 (5) , 对两大系统耦合水平进行测度。观察表4可知: 首先, 京津冀整体城市化与基础设施建设系统耦合值呈逐年递增趋势, 从0.509提升至0.872, 并在时序上呈线性函数为:D_Z (t) =-0.0008t²+3.1113t-3169.3 (R²=0.9909) 、其增幅高达71%, 两大系统呈现协调的发展态势 (详见图6) 。北京、天津、河北耦合值分别从0.572、0.513、0.441上升至0.833、0.888、0.894, 增幅分别为73.1%、45.6%、102.7%, 河北增幅最高、天津次之, 北京最低 (详见图3~5) 。在时序上的增长趋势分别呈以下函数拟合: 不难看出, 2006年河北省仍处于濒临失调衰退类, 天津市也刚由濒临失调衰退步入勉强协调发展的类型, 仅有北京已完全步入勉强协调发展类。河北步入勉强协调发展类相比北京和天津需要延迟2年, 才能实现这一跨越。2006年天津市由勉强协调发展类升迁至良好协调发展类, 河北省由濒临失调衰退类升迁至良好协调发展类, 而北京要想从勉强协调发展类升迁至良好协调发展类延迟2年。 此外, 京津冀近5年同比近十年耦合值增幅, 天津、河北两大系统耦合值上升态势收敛, 增幅分别为36.6%和27.2%, 相反, 北京耦合值呈现加速上升态势, 增幅为24.3%, 这说明未来京津冀区域的耦合加速趋同, 有利于实现区域协调发展战略。

3.3 城市化与基础设施建设的适宜性

上述分析可知, 京津冀的城市化与基础设施建设两大系统的耦合度呈现持续提升趋势, 且两系统的协调演进趋势不断增强, 耦合水平也处于协调状态, 加上京津冀地区显现出耦合趋同的发展态势, 因此, 利用适宜性跃迁理论探讨耦合的演进成为可能。 由图3~6显示了津京冀各省市及整体区域的城市化指数、基础设施建设指数和耦合值。观察可以发现, 各省份的耦合值曲线在最优曲线下方, 并均处于协调阶段, 最优达到是良好协调发展类, 说明两大系统耦合协调仍然有较大提升空间。另外, 两大系统偏离系数趋近于0, 且在时间序列的曲线波动特征基本相似, 表明京津冀地区城市化与基础设施建设的水平相对稳定, 这就决定其耦合度水平相对同样较稳定。 表4 城市化与基础设施建设耦合度 下载原表 联系上述结论分析, 并结合图3~6中曲线起伏规律, 各省市城市化与基础设施建设的系统耦合度存在明显差异, 这也反映出各地区城市发展水平的互异性。因此, 如何促进低耦合度水平的提升?高耦合度地区如何向更优耦合度迈进?这将对京津冀地区有效缩小差距, 促进区域协调可持续发展具有现实意义。以下利用适宜性耦合理论进行解析。 在京津冀区域, 首先, 河北省城市化与基础设施建设两大系统水平都较低, 系统耦合程度在2006年处于濒临失调衰退阶段, 在2008年才迈入勉强协调发展阶段。其原因是, 该省工业经济增速放缓, 就业形势不容乐观, 另外社会保障、文化、卫生、医疗基本服务有待加强, 这些阻碍了城市化水平的发展, 使得现有基础设施投资建设未能获得动力支持实现新增长, 由此得出基础设施建设子系统无法有效支撑系统耦合, 因此这一时期可认定为U₁ (x) ~U₂ (x) 阶段。其次, 北京和天津的城市化与基础设施建设两大系统都较高, 且2006年两系统已经处于勉强协调发展, 河北在2008年迈进该阶段, 因此可认定北京和天津已结束U₁ (x) ~U₂ (x) 阶段, 并跨过P点成功迈进相对协调发展的U₂ (x) ~U₃ (x) 阶段, 目前应该注重, 加强交通、医疗、文化、卫生、绿色等基础设施建设, 提升基础设施服务能力, 使基础设施建设子系统对整个系统的协调发展起推动作用。最后, 要使各省市系统从良好协调向优质协调发展阶段跃迁, 应该加强城市规划、提升城市土地利用效率, 发展高等教育和引进人才、加大高新技术研究投入, 提高创新能力, 调整产业结构优化升级、推动生产要素集聚增加就业, 从而才可能实现耦合协调发展。综上所述, 京津冀省市可制定城市化与基础设施建设系统发展状态相适应耦合跃迁框架模型, 能持续提升两大系统的耦合水平。

4 结论

本文基于耦合模型定量实证了京津冀省市近10年城市化与基础设施建设之间协调演进的发展特征, 并借鉴适宜性理论对耦合度的演化规律进行初步探讨。定量研究表明:首先, 京津冀两大系统耦合协同具有良好的发展基础, 区域间耦合趋同潜力巨大。其次, 天津、河北的城市化与基础设施建设发展指数及耦合协调度均呈现逐年递增的态势, 除北京2010年出现波动外, 其他年份两大系统发展指数及耦合协调度也呈现持续提升的趋势, 特别是近五年这一特征更为显著。再次, 京津冀地区两大系统耦合度在空间上表现具有差异性。除此之外, 京津冀地区的耦合度水平处在协调发展阶段, 且耦合度最优为河北 (0.894) 、其次为天津 (0.888) 、最低为北京 (0.833) 。值得关注的是, 京津冀地区实现耦合趋同的发展潜力巨大, 以此为契机, 其他区域也可探索耦合跃迁的结构模式。