山西省城镇体系结构的分形分析

第16卷 第4期

2008年10月系 统 科 学 学 报JOURNALOFSYSTEMSSCIENCEVo.l16 No.4oct.,2008 文章编号:1005-6408(2008)04-0059-05

山西省城镇体系结构的分形分析

武晋芳,冯玉广12

(山西师范大学物理与信息工程学院,山西临汾,041004)

摘 要::运用分形理论对山西城镇体系的规模分布和城镇空间结构进行了具体分析,得出

了城镇体系不健全,城镇结构失衡,城镇在空间上具有集聚态分布的特点;并对城镇职能结构单

一,产业结构趋同做了分析,就如何优化山西省城镇体系结构提出了参考建议。

关键词:城镇体系;分形;山西省

中图分类号:N94B02 文献标识码:A

1 引言

作为一个开放的社会经济系统,城市与城市之间、城市与区域间不断地进行着物质交换、能量传递和信息流动。这种空间相互作用使一定区域内不同规模等级、不同职能的城镇之间产生密切联系,形成具有一定结构和功能的有机整体,即城镇体系

度性,即具有分形特征[2~4][1]。研究表明,由于城镇体系的等级结构和空间结构都存在无标,因此通过分形理论来研究城镇体系结构特征,制定合理的城镇体系发展对策,对促进区域经济增长、社会发展具有十分重要的意义。

到目前为止,山西省共设有城市22个,其中地级市11个,县级市11个,小城镇1926个,它们共同构建了山西省的城镇体系。城镇体系结构研究一般包括城镇规模等级结构和城镇空间结构的研究。城镇规模等级结构指一定区域内城镇人口规模的层次分析,揭示一个区域内城镇规模的分布规律(集中或分散),反映城镇体系由大到小的序列和规模的关系。城镇体系的空间结构即城镇空间分布体系,是指一个区域内的城镇由于存在空间相互作用,把空间上彼此分离的城镇结合为具有一定结构和功能的有机整体,

[5]它揭示的是区域内各城镇之间空间相互作用的状况。

2 山西城镇等级体系分形研究

2.1 分形理论简介

分形理论(fractaltheory)是由美国科学家曼德尔布罗特于20世纪70年代中期创立的,用以解决非线性环境中一些随机分布的现象和问题,分形基本特征是分形体具有自相似性,这种自相似性是统计意义上的自相似性,而并非数学上的自相似性。由于分形体不具备特征尺度,因而它难以用通常的数学尺度(例如长宽高、面积、体积等)来进行度量,描述分形的数量特征的主要特征参数是分维(fractaldimen- 收稿日期:2006-03-18

作者简介:武晋芳(1983)),女,山西阳泉人,硕士研究生,研究方向:统计物理及其应用研究和系统科学及其应

用研究。2(,1

60系统科学学报 第16卷 sion),又可称为分维数,分维反映了局部对整体的填充能力,通过对分维的分析,揭示整个系统的演化机理。城镇等级体系这个复杂的系统,不具备明显的规则性,但城镇体系规模分布在空间结构上具有自相似性,满足分形体的特征,可以利用分形维数描绘其状态和演化特征。

2.2 城镇规模等级结构

2.2.1 山西省城镇规模等级结构特点

(1)首位分布明显。我国的城市规模等级划分是以城市人口的多少为主要依据的,城市非农业人口超过100万为特大城市,人口规模在50万到100万之间为大城市,人口规模在20万至50万之间为中等城

[6]市,人口规模小于20万为小城市。按照这个城市规模标准来看,山西目前拥有特大城市两个:太原、

大同,截至到2006年末其非农业人口分别为:227.69万人、115.35万人;大城市有两个:阳泉、长治;这两个大城市的人口都是刚刚达到我国大城市城镇人口数量要求的底线。中等城市有四个:临汾、晋中、晋城、运城;其余的14个城市:朔州、忻州、吕梁、古交、潞城、高平、原平、孝义、汾阳、永济、

[7]

介休、侯马、霍州、河津都是20万以下的小城市。22个城市的非农业人口如表1所示。

资料来源:5山西2007年统计年鉴6

根据马克#杰斐逊(M.Jefferson)的城市首位律,由表1可计算出山西省首位指数,一般认为城市首位指数应该包括2城市指数S2、4城市指数S4和11城市指数S11。

S2=P1/P2=227.67/115.35=1.97

S4=P1/(P2+P3+P4)=227.67/(115.35+52.45+53.46)=1.03

S11=2P1/(P2+P3+P4+P5+P6+P7+P8+P9+P10+P11)

=2*227.67/(115.35+52.45+53.46+33.86+29+25.18+22.17+18.32+17.93+14.24=1.19

其中,Pn表示按人口规模排在第n位的城市非农业人口数,n=1、2、3,11。

按照城市位序-规模的原理,正常的4城市指数S4和11城市指数S11都为1,而两城市指数S2为2,从表1计算结果可以看出,山西省具有首位分布特征。说明山西省目前的首位度处于比较合理的状态。

(2)城镇体系不健全,规模结构失衡。2006年山西省特大、大、中、小城市数目比为1:1:2:7,与全国城市1:1.3:5.5:10.2的结构相比较,城市规模等级结构不合理,特大城市与大城市比与全国城市比还比较接近;中等城市占城市总数的18.18%,仅比全国水平30.56%的一半高点,数目较少;小城市占城市总数的63.64%,高于全国水平近8个百分点,但其发展也存在规模小、实力弱、质量差的问题。形成这种等级结构状况的原因,主要是:¹撤县设市造成的/新瓶装旧酒0式的虚假城市化;º撤地设市(市管县体制)造成的城市等级地位的虚假提升。这些方式的一个重要的弊端就是:形式上的城镇化、外延城镇化,而不是货真价实的城镇化或内涵城镇化。这也正是为什么我省城镇数量不断增加,而城镇化水平依然较低的缘故。这种规模结构造成城镇体系的整体功能发挥受阻,大中小城镇之间缺乏必要的有机联系,城市辐射功能受到限制。

2.2.2山西城镇人口等级规模分布的分形模型

根据分形理论,对于一个区域的城镇体系,若给定一个人口尺度r去度量,则人口大于r的城镇数N(r)与r的关系满足

N(r)Wr (1)

式(1)是一个分形模型,D即为分维数,它表征的是城市规模分布特征。对于(1)式两边取对数,将其转化为 -D

第4期 武晋芳等:山西省城镇体系结构的分形分析61

在式(2)中,A为常数,N(r)为城市人口数量超过一个给定尺度r的个数。在现实中,一般来说,D值的大小具有明确的地理意义,直接反映了城镇体系等级规模结构。当D1时,表示该区域城镇等级规模分布比较集中,人口分布比较均衡,中间位序的城镇数目较多;当Dy0时,表示该区域内只有一个城市;当Dy]时,表示该区域内所有城市一样大,人口规模分布无差别[8]。因为城镇体系的演化受到许多因素制约,因此后2种极端情况在实际中一般均不存在。

以lnN(r)为纵坐标,lnr为横坐标做出散点图,取步长vr=10(万人),然后用线性回归进行模拟。得出分维值D=0.370,A=1.370,R=0.891。对回归方程进行F检验可知方程具有显著性意义[9]2。由于D

2.3 城镇空间结构

2.3.1山西省城镇体系的空间结构特点

(1)山西省素有/二分川,八分山0之称,使城镇分布也存在差异。全省75%的城市、50%的建制镇分布在中部盆地,盆地区域城镇密度每平方公里40座,而东部占全省面积的35.8%,只有3座地级城市,西部面积占全省24.6%,仅有一座地级城市。

(2)从城市空间布局看,是一种交通线型组群和分散型组群相结合的分布形式,沿南北同蒲线、侯西-侯月线、神朔-朔港线、太焦线、石太-太中线及支线城镇布点多,远离交通线区域和山区布点少。即沿交通干线和平原地区、盆地区城镇分布密集,远离交通干线及山区则相对疏散。

(3)多年来/能源重化工基地0的建设,使得山西省城市多具工矿型特征,其分布多依矿产资源集中情况而定,形成了以太原市为首位城市的首位型城市等级序列。

2.3.2山西城镇空间结构的分形模型

城镇的空间结构即城镇空间分布体系。它指一个区域内的城镇由于存在空间相互作用,把空间上彼此分离的城镇结合为具有一定结构和功能的有机整体,它揭示的是区域内各城镇之间空间相互作用的状况和机制。城镇的空间分布结构是城镇等级体系的重要组成部分,也是城市地理学研究的重点内容之一。城镇在空间上的分布构成了城镇体系的特定结构,这个特定的结构影响到城镇之间的信息流,物质流和能量流的交换与传输,影响到了城镇之间的协同合作与发展。一般来说,地理位置优越,对外交通便利,城镇之间距离近会有利于三流的流动和交换,也有利于城镇的协同发展。

城镇体系是地球表面分形支体上发育的多标度分形系统。在空间上彼此分离的城镇它们的空间相互作用是客观存在的。用分形理论中的关联维数模型可以很好地模拟城镇间的这种相互作用,其基本模型如

下。首先定义城镇体系的空间关联函数为

(3)式中,H为Heaviside阶越函数,

即

在式(3)和(4)中,r为给定的距离标度,dij为第i个与第j个城镇之间的距离。根据城镇体系空间分布的分形特征))))标度不变性,

则有

式中,D即为关联维数,其地理意义反映了城镇体系空间布局的均衡性,D的取值范围一般介于0~2之间。如果D>2,则城镇体系要素的空间分布从中心向四周呈密度递增,城镇体系空间分布呈漏斗离散态分布,这是一种非正常的情况,且D值越大其城市空间分布的离散程度越大;如果D=2,城镇体系2,

62系统科学学报 第16卷 布从中心向四周密度递减,城镇体系空间分布呈集聚态分布,且D值越小其城镇空间分布的集聚程度越大。我们利用GIS工具,测算了山西22个城市之间的直线距离,做出了山西22个城市之间直线距离矩阵。

在计算当中,以步长vr=50km来取距离标度r,可以得到一系列点对(r,C(r)),在双对数坐标中画出(r,C(r))的散点图,然后用线性回归分析方法进行模拟。结果是,关联维数D=0.579。因为D

2.4 城镇职能结构

山西省的大中城市多数为工矿业城市,城市经济主要依托对煤炭资源的开采及粗加工,形成以煤炭、电力、冶金、煤化工为主导产业的能源重化工基地,除山西省南部的运城、河津、垣曲、永济、侯马等地以有色金属工业和轻纺工业为主外,全省形成了六大能源工业基地,从北向南依次为大同)))朔州动力煤生产基地、忻州)))原平煤化工业基地、太原重工业综合基地、阳泉无烟煤生产基地、临汾)))霍州煤电工业基地、长治)))晋城能源综合工业基地[7]。这种趋同的城市经济之间既不能形成优势互补、资源共享的局面,在城市内部产业之间的联系作用也很差,造成山西省铁路运输单一,运输机车/重出空回0现象,耗水多、污染严重的产业不仅经济效益低下,而且还严重影响其它产业发展前景,尤其是制约旅游业、服务业的进一步发展。趋同的城市产业结构使全省经济产生/共振0现象,经济波动加大。20世纪90年代末期,煤价低、煤炭销售困难,全省经济总体下滑,经济发展停滞不前。近两三年来,国际国内煤炭需求增加,煤价上升,所有煤炭产业又重整旗鼓,一片兴旺发达的景象。然而,在经济繁荣的背后,我们不能不问,资源型城市的道路到底能走多远?城市职能结构的进一步完善、主导产业的替代与升级是山西省无法回避的现实。

3 山西城镇体系的发展构想

根据山西省城镇规模结构发展趋势和各级城镇具体发展条件,遵循积极发展区域中心城市、集中发展县域中心城镇的总体指导思想,采取/自上而下0和/自下而上0相结合的布点法规划城镇体系规模结构,以特大城市、大城市、中等城市、小城镇和建制镇为序,按城市非农业人口计算,不同规模城镇的数量比例由2006年的1:1:2:7B963发展到2010年的2B2B7B25B620。其中,太原、大同为特大城市,阳泉、长治为大城市,榆次、临汾、侯马、晋城、运城、朔州、忻州为中等城市。

3.1 强化太原市的省域中心城市功能

从传统的规模经济和集聚经济的角度来看:第一,首位分布允许资金和人才的更大积累,有利于知识更加专门化和思想广泛交流;第二,大城市内的各种运输成本一般比城市间的运输成本低,因此大城市的劳动生产率是最高的;第三,首位城市常常是交通运输网络中效益最好的地方,是革新的源地,比乡村地区更能吸引投资。所以应该强化太原市的省域中心城市功能。

3.2 积极推进大城市的建设,重点发展中小城市

经济学家研究得出结论:一个城市在人口达到25万人规模时,才能显示出规模效益;城市人口规模达到50万人以上时,基础设施建设才会发挥出最大效益。阳泉和长治刚刚达到大城市的标准,它们的发展主要应放在培育城市的主导产业和增强城市的辐射功能上做文章。中等城市建设中,临汾应当培育成晋南经济区域的一座大城市,扩大城市规模,提升城市等级,增强城市辐射功能和拉动功能。要结合每个城市的区位优势和资源优势,给每个城市定位具有地方特色的产业结构和城市类型,使城市间职能分工明确,各具特色。不要搞成千市一面、结构趋同。

3.3 力争将大运城镇密集带和太原都市圈建成中西部地区具有较大竞争力的区域城镇群

以中心城市为核心,按照区域经济联系的方向、强度与特征,全省可分为晋中、晋北、晋东南和晋南4个一级经济区:,[10]

区为中圈层,离柳中、宁武两个经济区为外圈层的空间布局。具体规划则体现在加快太原经济区的产业结构调整步伐,推进阳泉经济区清洁能源与新型材料工业基地的建设,打造介孝汾晋商特色旅游区,构建起以宗教古建筑文化观光和温泉度假为特色的忻原旅游经济区。外圈层中的离柳中、宁武两个经济区也将按照既定规划,走上发展新型煤电能源和新兴煤)电)铝综合型工业基地的路子。

晋北经济区将以大同为中心,朔州为副中心,大运为一级发展轴的带状布局结构。在发展策略上,除着力提升煤炭、电力产业等传统工业外,还将大力发展高新技术产业、旅游业、高载能工业等新兴产业。同时,工矿城市的转型、历史文物古迹和生态环境的保护、交通设施的建设等也是晋北经济区今后大力发展的方向。

晋东南经济区将建立起以长治为中心,晋城为副中心,以太焦线为重点布局的轴带。晋南经济区的构建则将采取以临汾-侯马-运城为复合中心的模式,也将紧扣层次推进。强化太原市的省域中心城市功能,促进大同、长治等各区域中心城市的发展,依托南北纵贯的大运高速公路、同蒲铁路和东西向主要交通干线,优化全省城镇布局,完善城镇功能。要积极推进资源型城镇经济转型,增强可持续发展能力,引导产业和人口向各级城镇的合理集聚,逐步提高全省城镇化和现代化水平,形成布局合理,功能明确、设施完善、生态良好、发展协调的城镇体系。

3.4 城镇体系职能结构的优化途径

提升各类城镇的职能层次,搞好城镇职能体系的多样化和综合化建设,明确城镇之间的职能分工,密切城市与区域之间的职能联系,稳步推进工矿城镇由工矿职能向城镇职能的转型发展,尽快形成各具特色、职能有别、分工联系、协调发展的城镇职能结构。

初步考虑,将山西主要城市分成6个职能类型:具有全国意义的大型工业基地和省域综合性城市:太原;具有跨省区意义的工业城市和区域性综合城市:太原、阳泉、长治;交通枢纽-加工工业城市:榆次、介休、侯马、原平;地方性综合城市:朔州、晋城、临汾、运城、忻州、离石;一般性城市:汾阳、太谷、闻喜、灵石、洪洞;工矿城市:古交、河津、潞城、高平、阳城、霍州、孝义、翼城、襄垣、盂县、垣曲;旅游城市:祁县、平遥、永济、五台山、浑源、宁武。

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(下转第94页)

社会主义制度,使社会主义制度在不断改革和调整中由一种优化态向更高优化态突变。上述功能有的已为我国社会主义建设实践所证明,有的正在为我国社会主义建设实践所证明。只要我们今后继续不断地研究和探索社会主义和谐社会的自组织特征,并运用其理论成果去指导社会主义现代化建设实践,则我国社会必将获得进一步发展和繁荣,中华民族自立于世界民族之林的能力必将得到进一步提高。

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TheSixCharacteristicsofHarmoniousSocialismSocietySelf-organizing

ChangShao-shun

(MarxismSchoolofChinaUniversityofPoliticsandLaw,Beijing100088,China)

Abstract:Harmonioussocialismsocietyisanadvancedself-organizingsystem,withhighlycomplexity,whollyopening,approx-matebalancei,institutionharmony,self-motivating,conditionundulating.Andtorevealthesecharacteristicsandtheirdevelopmentruleswillsurelydogoodtotheconstructionofharmonioussocialismsociety.

Keywords:Socialism;HarmoniousSociety;Self-organizing

(上接第63页)

ResearchingonUrbanSysteminShanxiProvinceBasedonFractalTheory

WuJin-fang,FengYu-guang12

(SchoolofPhysicsandInformationEngineering,ShanxiNormalUniversity,LinFen041004,China)

Abstract:Usingfractaltheory,aanalyzingofthehierarchicalscalestructureandthespatialdistributionofShanxiProvincewasdone.Theresultsshow:I.Thefractaldimensionofsize-scalestructure(D)is0.370

Keywords:FractalTheory;shanxiProvince;Urbansystem