高速鐵路對城市可達性及其時空格局影響研究

張玉婷，韓 燕,2，王久梗

(1. 蘭州交通大學 經(jīng)濟管理學院，蘭州 730070；2. 中國科學院 地理科學與資源研究所 經(jīng)濟地理與區(qū)域發(fā)展研究室， 北京 100101；3. 蘭州交通大學 甘肅省物流與信息技術(shù)研究院，蘭州 730070)

高速鐵路是一種新興的運輸方式，具有運輸能力較強、在一定運距范圍內(nèi)送達速度快、時間差錯小、安全性高、環(huán)境污染小等優(yōu)勢[1].自2008年8月1日中國第一條350公里/小時的高速鐵路開通運營以來，高速鐵路在中國大陸迅猛發(fā)展.學者們研究認為高鐵可達性對出行便利程度改變的衡量，可較好反映高速鐵路投資的收益[2-3].

可達性是評價交通網(wǎng)絡的一項有效的綜合性指標，由Hansen[4]在1959年首次提出.可達性是指依靠交通設施在一定時間到達某地點的能力，其高低由人的移動能力、可移動的機會以及移動的便利程度等決定[5].金鳳君、王姣娥[6-7]等總結(jié)了我國鐵路網(wǎng)絡發(fā)展過程并主要以時間指標探討了客運網(wǎng)絡系統(tǒng)的演進，從而分析其可達性空間格局演化進程；姜博[8]等認為高鐵對城市的影響有規(guī)律可循，即節(jié)點交通可達性的影響帶來空間效應，從而對城市與區(qū)域的經(jīng)濟產(chǎn)生影響，繼而影響空間組織結(jié)構(gòu).馮長春[9]等以省際為地域劃分，研究高鐵可達性發(fā)現(xiàn)高鐵運營使省際可達性均衡化，可達性變化幅度在空間上呈中間凹四周高的“碗形”特點，位于客運鐵路網(wǎng)絡中心附近的省份可達性變化幅度較小，外圍地區(qū)變化幅度較大.胡天軍[10]等指出京滬高鐵的開通有助于促進沿線地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展；曹小曙[11]等分析高鐵的開通建設對關中平原城市群核心區(qū)域關中天水經(jīng)濟區(qū)交通可達性變化的影響.賀劍鋒[12]認為高鐵可以顯著改善城市的外部可達性環(huán)境，但這種獲益的地區(qū)分布并不均勻，其中大城市和小城市的改善要明顯高于中等城市.

目前我國學者大多建立較為單一的指標用以評價鐵路網(wǎng)絡單時間點的可達性，但多指標的綜合研究以及多時間節(jié)點的研究日益受到重視[13].鐵路運輸依賴鐵路運輸組織，故節(jié)點在鐵路客運網(wǎng)絡中的可達性水平除受線路發(fā)展、節(jié)點區(qū)位影響外，在很大程度上還與鐵路客運組織有關，單一指標分析在鐵路可達型研究中具有局限性[14].且近年來高速鐵路飛速發(fā)展，選取不同時間截面對鐵路可達性進行對比研究更具實際意義.基于此類分析較少，本文計算2014-2019年中國高鐵快速發(fā)展階段鐵路可達性的多指標評價與分析，能夠較為全面地體現(xiàn)近年來我國鐵路客運網(wǎng)絡的可達性變化.

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究對象

以鐵路客運網(wǎng)絡為研究對象，選取各省級行政單元行政中心城市(不包括臺灣省和香港、澳門特別行政區(qū))作為研究節(jié)點，共計31個；客運列車各項數(shù)據(jù)來源于《鐵路列車時刻表》及中國鐵路12306官網(wǎng)，數(shù)據(jù)更新日期為2019.04.20.人口、經(jīng)濟社會指標數(shù)據(jù)來源于《中國城市統(tǒng)計年鑒》.

根據(jù)高鐵的定義，本文中的高速列車包括G高鐵、D動車、C城際，其他歸為普通列車.城市間列車運行時間選取運行時間最短班次的耗時(無直達列車時選取耗時最短的中轉(zhuǎn)車輛且考慮中轉(zhuǎn)候車時間).對于未開通高鐵的節(jié)點城市，從開通的普通列車中，提取運行時間最短者計入.

1.2 可達性指標

1.2.1 最短時間距離

最短時間距離為某一節(jié)點到另一節(jié)點的最短列車運行時間，是最為直觀衡量可達性的指標之一.采用某一節(jié)點與網(wǎng)絡中其他所有節(jié)點間最短時間距離之和來測度該節(jié)點的可達性.其計算公式如下:

Ti=∑jTij,

(1)

(2)

1.2.2 平均加權(quán)旅行時間

可達性水平同時受旅客移動機會、移動能力和移動意愿影響.旅客的移動意愿往往與城市經(jīng)濟社會發(fā)展水平密切相關，因此區(qū)域可達性除受空間區(qū)位條件和交通基礎設施限制外，更與地區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展水平息息相關[15].故在綜合考慮鐵路網(wǎng)絡最短時間線路以及節(jié)點城市對人們移動意愿的影響程度的基礎上，采用加權(quán)平均旅行時間指標來評價區(qū)域可達性水平.其表達式為

(3)

(4)

式(3)中：Ai為節(jié)點城市i的加權(quán)平均旅行時間，單位為h,當Ai值越小時，表示該節(jié)點的可達性越好；Tij為節(jié)點i與節(jié)點j間最短旅行時間距離；Pj為節(jié)點城市j的質(zhì)量指標，表示該經(jīng)濟中心對周圍城市的輻射力和吸引力，借鑒相關研究[15]，本文采用GDP總量和常住人口對其進行測度.

1.2.3 連接性

將連接性定義為某一節(jié)點與網(wǎng)絡中其他節(jié)點間可直達節(jié)點總數(shù)，其值越高，表明與該節(jié)點有直達聯(lián)系的節(jié)點越多，出行越為便捷，可達性也越好.計算公式如下：

Ci=∑jCij.

(5)

式(5)中，Ci為節(jié)點i的連接性，其中Cij為節(jié)點間是否有直達列車的判斷變量，若有直達列車則其值為1，反之則為0.

2 可達性指標結(jié)果與分析

2.1 最短時間距離

最短時間距離可較直觀衡量可達性.將從中國鐵路網(wǎng)獲得的數(shù)據(jù)帶入公式(1)、(2)，分別求得2014、2019年各節(jié)點最短時間距離見表1.2014和2019年各節(jié)點最短時間距離均值分別為827 h和529 h，標準差分別為3.39和2.55，變異系數(shù)分別為0.409 9和0.482 6.最短時間距離均值縮短36%，節(jié)點間絕對差距也在縮小，但是相對差異卻呈現(xiàn)增長趨勢.由2019年數(shù)據(jù)得，鄭州為時間距離最短的節(jié)點，其值僅為264 h.北京作為首都，加之其位于我國版圖偏中部位置，其最短時間距離為278 h居于第二.濟南、武漢該指標也小于300 h.該指標介于300 h～400 h的城市也多達9個，均為中東部一二線城市.最短時間距離較大的節(jié)點位于我國鐵路網(wǎng)絡的邊緣地區(qū)，其中拉薩是最短旅行時間最大的節(jié)點，其值達到了1 305.62 h，為鄭州(最短節(jié)點)的3.86倍.位于倒數(shù)第二、三位的節(jié)點城市分別是烏魯木齊與?？?，其值分別為1 153.47 h與1 019.87 h，兩者與拉薩差距較為明顯.這也可看出，我國西部、西南部地區(qū)由于自然條件較惡劣，同時經(jīng)濟欠發(fā)達，故鐵路線路技術(shù)等級較低.

為進一步分析各節(jié)點最短時間距離縮短程度，由表1數(shù)據(jù)做折線圖分析見圖1，與2014年數(shù)據(jù)計算出的最短時間距離對比可得，31個節(jié)點2019年最短時間距離均有所減少，其中福州最短時間距離縮短56%，提升幅度最大.提升幅度最小的節(jié)點拉薩，其最短時間距離也縮短了17%.同時，變化幅度較小的節(jié)點還有北京、武漢、上海等，這些節(jié)點無論在2014年還是2019年，均排在31個節(jié)點前位；變化幅度較大的幾個節(jié)點為南寧、昆明、西寧、貴陽等，這些節(jié)點都排在中后位置.由此得出，最短時間距離較小的節(jié)點所在城市，其周邊鐵路建設已經(jīng)較為完善，故其提高空間有限，僅有小幅度提高，但最短時間距離較大的城市發(fā)展空間大，可提高性較強，預計在未來5年內(nèi)其仍有大幅度提高.

表1 2014年、2019年中國鐵路客運網(wǎng)絡各節(jié)點城市最短時間距離(100 h)Tab.1 Nodes′ temporal distance in Chinese railway passenger network (100 h) in 2014 and 2019

高速鐵路開通前后各節(jié)點最短時間距離空間變化分析如圖2所示.2014年最短時間距離短(<400 h)的節(jié)點較少，僅有北京、武漢、鄭州四個節(jié)點.中部地區(qū)最短時間距離值最小，可達性較高，東部地區(qū)緊跟其后.東北部地區(qū)相較于中、東部地區(qū)其值較大，處于第二階梯，西部地區(qū)由于地處偏遠，線路普遍較長，該指標值相對較高，可達性較低.2019年整體空間格局改變較大，最短時間距離較小節(jié)點數(shù)量明顯增加，全國各節(jié)點最短時間距離的差異在縮小，但兩極分化現(xiàn)象依舊存在.形成了以長三角、京津冀、珠三角等城市群地區(qū)為核心的集中連片群，西部、東北地區(qū)情況也明顯好轉(zhuǎn).

總體上，各節(jié)點的最短時間距離呈現(xiàn)中心—外圍格局.以鄭州、武漢為中心，各節(jié)點的最短時間距離向周邊逐漸增加，其可達性也隨之降低.同時由這些節(jié)點向外延伸，從中心到外圍最短時間距離的增加也具有明顯的特點.在南北方向上，沿鄭州至北京方向，等值面向外凸出；東西方向上，向西沿鄭州向成都，向東沿武漢至上海等值面也外凸明顯，其最短時間距離增加速度低于其他方向.從鄭州至呼和浩特方向，等值面呈現(xiàn)內(nèi)凹趨勢，說明最短時間距離由中心向外圍增高的速度高于其他方向，產(chǎn)生異性衰減.這也說明個別城市鐵路干線技術(shù)等級高，這些節(jié)點也在我國鐵路路網(wǎng)系統(tǒng)中有著更為突出的作用.我國中東部京滬線、京廣線及東北地區(qū)京哈線等線路技術(shù)等級較高，在行車速度上形成明顯優(yōu)勢.

2.2 平均加權(quán)旅行時間

城市吸引力的大小浸到該城市社會經(jīng)濟發(fā)展水平影響，同時該區(qū)域的交通發(fā)展水平也對其產(chǎn)生顯著影響.在最短時間距離基礎上，將各節(jié)點的GDP、常住人口和帶入公式(3)、(4)中，計算得到結(jié)果并整理見表2.2019年各節(jié)點平均加權(quán)旅行時間較2014年值均有不同幅度縮短，其均值分別為22.18 h和14.15 h，5年間降低36%.標準差分別為11.77和9.46，變異系數(shù)分別為0.530 7和0.668 4.這表明伴隨經(jīng)濟發(fā)展與鐵路高速化進程，各節(jié)點可達性水平絕對差距逐漸縮小，而相對差距的增加伴隨的仍是較明顯的空間兩極化現(xiàn)象.

表2 2014年、2019年中國鐵路客運網(wǎng)絡各節(jié)點平均加權(quán)旅行時間(h)Tab.2 Nodes′ weighted travel time in Chinese railway passenger network (h) in 2014 and 2019

為進一步分析各節(jié)點指標情況，由表2數(shù)據(jù)做折線圖分析見圖3.與2014年數(shù)據(jù)計算出的平均加權(quán)旅行時間對比可得，31個節(jié)點2019年指標值均有所減少，其中福州平均加權(quán)旅行時間縮短59%，提升幅度最大.提升幅度最小的節(jié)點拉薩，其值縮短幅度為13%，僅為福州的四分之一.變化幅度較小的節(jié)點還有烏魯木齊、哈爾濱、呼和浩特、長春等，縮短幅度均不超過20%.這些節(jié)點不僅變化幅度不大，且2014年、2019年排名均較靠后，這些經(jīng)濟欠發(fā)達地區(qū)在中國鐵路網(wǎng)絡中處于邊緣位置，且與其他節(jié)點之間的距離較遠，導致其加權(quán)平均旅行時間指標較大.

根據(jù)表2所得數(shù)據(jù)，做高速鐵路開通前后各節(jié)點平均加權(quán)旅行時間空間變化分析如圖4所示.總體上，2014年、2019年各節(jié)點的最短時間距離均呈現(xiàn)中心—外圍格局，以鄭州、武漢、南京為中心，由該區(qū)域呈環(huán)狀向外推 , 各節(jié)點指標值逐漸增大，可達性水平逐漸降低.2019年較2014年各節(jié)點平均旅行時間雖然都有所減少，但是空間兩極化現(xiàn)象愈發(fā)嚴重.其中西北、西南地區(qū)平均加權(quán)旅行時間縮短幅度大，但是中部、東部及西部地區(qū)拉薩、烏魯木齊兩節(jié)點可達性變化不大.一方面，這些線路沿線城市經(jīng)濟較為發(fā)達，在鐵路客運組織中也占據(jù)明顯優(yōu)勢.另一方面，伴隨著鐵路高速化進程帶來的最短時間距離縮短，蘭西城市群、成渝雙城經(jīng)濟圈的落成及發(fā)展帶來的經(jīng)濟效應，受通車時間及城市質(zhì)量影響的平均加權(quán)旅行時間指標，其變化更具特點.

2.3 連接性

連接性指標主要測度節(jié)點鐵路出行的便利性和可直達性，可較好體現(xiàn)節(jié)點在鐵路網(wǎng)絡中的相對地位.該指標受節(jié)點在客運網(wǎng)絡中的區(qū)位影響較大，處于鐵路主干線且位于區(qū)域中心的節(jié)點必將提升其可達性水平，反之亦然[13].根據(jù)節(jié)點與節(jié)點間是否可直達通車，由公式(5)統(tǒng)計數(shù)據(jù)得出2014年、2019年各節(jié)點連接性指標見表3.

表3 2014年、2019年中國鐵路客運網(wǎng)絡各節(jié)點連接性(個)Tab.3 Nodes′ connectivity in Chinese railway passenger network in 2014 and 2019

2014和2019年各節(jié)點可直達連接數(shù)均值分別為24.5和26.1，標準差分別為4.99和3.89，變異系數(shù)分別為0.20和0.14.連接性提高的同時，各節(jié)點間連接性的絕對差距也在縮小，相對差距也縮小了30%，改善了空間極化現(xiàn)象.

為進一步對比各節(jié)點連接性情況并分析其提高程度，由表3所得數(shù)據(jù)做出圖5.從2014年至2019年5年間，許多節(jié)點的連接性大幅提高，其中南寧增長幅度最大為60%，由原來的15個變?yōu)?4個，步入前列.提高幅度高于20%的節(jié)點有7個，這些節(jié)點多位于我國西部、東北地區(qū)版塊，在2014年排名均靠后，其可提升性較強.5年間連接性無變化的節(jié)點多達11個，其均為我國中部及東部經(jīng)濟發(fā)達的省市、城市群、經(jīng)濟圈的中心城市，且位于各高鐵線路“主骨架”上.2014年底，我國已具有世界先進水平的高速鐵路，形成比較完善的高鐵技術(shù)體系，故5年間這些節(jié)點的連接性指標無變動.其余大多數(shù)節(jié)點的連接性也有提升.值得一提的是，在考察的所有節(jié)點中，相比最短時間距離及平均加權(quán)旅行時間均有所減少的情況，部分城市的連接性不增反降.分別是海口(由15個降為14個)、西安(由30個降為29個)、太原(由26個降為25個)、石家莊(由30個降為29個)，出現(xiàn)這種情況是由于鐵路部門綜合考慮客流量、行車時間等因素，取消部分列車車次或更改部分列車線路及停靠站點所導致的，這也是鐵路系統(tǒng)完善的一種合理現(xiàn)象.

高速鐵路開通前后各節(jié)點連接性空間變化分析如圖6所示.總體而言，版圖中心地區(qū)優(yōu)于邊緣地區(qū)，中東部地區(qū)優(yōu)于西部及東北地區(qū)，但空間格局特征并不明顯.2014年底，在長三角、中原城市群、珠三角、等城市群，高鐵已經(jīng)連片成網(wǎng)，截止2019年底，我國中部、東部、西部、東北地區(qū)也已實現(xiàn)高鐵互聯(lián)互通.2019年在所有節(jié)點中均可直達剩余節(jié)點的有6個，分別為北京、上海、長沙、廣州、武漢與鄭州，數(shù)值為30.而2014年該指標下節(jié)點僅有三個，數(shù)量的提升較為明顯.其中北京作為首都、上海和廣州作為重要經(jīng)濟中心，在客運組織中占地位突出，三者可與網(wǎng)絡中其余所有節(jié)點直達連接.鄭州為我國版圖中心，長沙、武漢作為我國大型樞紐城市，也均與其他節(jié)點城市開通直達列車.成都和蘭州位于我國版圖較偏地區(qū)，雖然其時間距離指標數(shù)值較高，但由于其分別是西南、西北地區(qū)樞紐中心城市，故其連接性也較好.南京和杭州連接性較好則與其分別處于上海對外聯(lián)系的兩條主干線路上有關，同時其經(jīng)濟發(fā)達也有一定助力.連接性較差的節(jié)點主要分布于鐵路網(wǎng)絡的邊緣，包括哈爾濱、南寧、福州、銀川、西寧、?？诩袄_等7個節(jié)點，連接數(shù)均小于25.而最低的海口及拉薩，該指標僅為13，還不足鄭州的二分之一.

3 可達性多指標對比

不同指標從不同層面體現(xiàn)了各節(jié)點可達性水平及空間格局特征，為便于對多個指標進行橫向交叉對比，計算各指標可達性系數(shù)進行分析，公式如下：

(6)

根據(jù)式(6)計算出2019年我國鐵路網(wǎng)絡各節(jié)點三項指標的可達性系數(shù)見表4.表中各項指標可達性系數(shù)都按節(jié)點可達性從高到低排序，可以看出不同指標下各節(jié)點排名水平變動較大，可達性水平也各有差異.例如廣州，由于其處于鐵路網(wǎng)絡骨干線路重要節(jié)點，且經(jīng)濟地位突出，其連接性排名第一(并列)，但由于其地理位置位于我國版圖邊緣，其平均加權(quán)旅行時間及最短時間距離分別位于第十六與第十九，呼和浩特、成都等節(jié)點與其特點相同.雖然各項指標分別都受多項因素影響，但對于不同指標，關鍵影響因素也不同.對于連接性指標，對其影響較大的主要是鐵路客運網(wǎng)絡因素，越處在鐵路干線、越是地區(qū)樞紐型節(jié)點的連接性就越好，例如地處西北的蘭州、成都等節(jié)點.受地理位置影響最大的指標為最短時間距離，越處于版圖中央的節(jié)點，該指標越優(yōu)，同時其空間分布呈現(xiàn)中心——外圍趨勢，且向外衰減時帶有明顯方向性，一些政治、經(jīng)濟地位突出節(jié)點占優(yōu)勢.平均加權(quán)旅行時間在最短時間距離的基礎上，附帶了節(jié)點的經(jīng)濟發(fā)展權(quán)重，更加全面地考慮了當?shù)厣鐣?jīng)濟水平對人們移動意愿的影響.

表4 2019年中國鐵路客運網(wǎng)絡各節(jié)點可達性系數(shù)Tab.4 Nodes′ accessibility coefficient in Chinese railway passenger network in 2019

4 結(jié)論

借助平均加權(quán)旅行時間、最短時間距離和連接性對2014年、2019年兩個時間點我國31個節(jié)點城市可達性進行多指標測度研究，較為全面的反映多種因素對鐵路客運可達性的影響，并對其時空格局特征進行了探討.

1) 高速鐵路網(wǎng)絡建設顯著提高我國各省會節(jié)點可達性，使得其兩極化效應減弱并促進其分布的均衡化.伴隨我國鐵路網(wǎng)絡建設快速發(fā)展，非高速鐵路城市和邊緣城市的可達性大幅度提高，與核心城市差距逐漸減小.但由于時空收斂產(chǎn)生的非均衡效應，各節(jié)點可達性水平提升幅度存在差異，進一步擴延了其中心—外圍不均衡格局.高鐵帶來的時空收斂只是鐵路高速化的表面形象，隨之帶來的區(qū)域空間經(jīng)濟結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)移及轉(zhuǎn)化更具層次意義.同時對比連接數(shù)發(fā)現(xiàn)，部分中邊緣地區(qū)中心節(jié)點的連接性優(yōu)于中部地區(qū)部分節(jié)點，體現(xiàn)其作為區(qū)域性樞紐城市與功能性樞紐城市的差異.

2) 時間上，2014-2019年，各節(jié)點平均加權(quán)旅行時間及最短時間距離均大幅縮短，排名靠前的節(jié)點，其周邊鐵路建設已經(jīng)較為完善，可提高幅度較小，排名靠后的節(jié)點發(fā)展空間大，可達性提高程度較大，且預計在未來5年內(nèi)其仍有大幅度提高.連接性指標大部分節(jié)點持續(xù)上升，但由于鐵路客運組織的特殊性及中心城市的帶動，個別外圍節(jié)點城市連接性指標有所下降.

3) 空間上，可達性各項指標呈現(xiàn)不同特征：最短時間距離與平均加權(quán)旅行時間指標整體均呈現(xiàn)中心—外圍圈層結(jié)構(gòu)，可達性水平由內(nèi)向外沿不同方向按不同速度逐漸降低.2014年僅東部地區(qū)可達性較優(yōu)，2019年西南地區(qū)可達性大幅提高，同時中部、東部地區(qū)兩指標也均有所下降，兩極化現(xiàn)象進一步縮??；連接性指標受鐵路客運組織影響較大，中東部地區(qū)優(yōu)于西部地區(qū)，中心地區(qū)優(yōu)于邊緣地區(qū)，呈現(xiàn)多中心分布格局.鐵路高速化提升大幅度擴大了區(qū)域性樞紐中心城市的輻射范圍，處在區(qū)域、經(jīng)濟圈、城市群中心的城市以及位于鐵路骨干線上的節(jié)點城市，其連接性越優(yōu)，同時伴隨高速鐵路建設進程的加快，各大城市圈、經(jīng)濟圈的重疊范圍也日益增大.