交通基础设施对城市规模的影响研究

孙莹莹,吉达鹏,肖忠斌

(1.江苏中设工程咨询集团有限公司,江苏无锡214072；2.江苏省交通科学研究院股份有限公司,南京210017；3.扬州大学建筑科学与工程学院,江苏扬州225009)

交通基础设施对城市规模的影响研究

孙莹莹1*,吉达鹏2,肖忠斌3

(1.江苏中设工程咨询集团有限公司,江苏无锡214072；2.江苏省交通科学研究院股份有限公司,南京210017；3.扬州大学建筑科学与工程学院,江苏扬州225009)

交通基础设施是影响城市规模的重要因素之一.在特定的城市发展阶段,一定的交通基础设施条件下对应着其合理的城市规模.本文通过研究交通基础设施内在组成与城市发展的关系,将交通基础设施的布局和规模、节点匹配性及可达性等指标量化,结合经济发展水平对城市规模的影响,根据生产函数理念建立交通基础设施与城市规模之间的模型,并对模型相关参数进行估计.最后,以沭阳城区为例,探索在现状交通基础设施下合理的城市规模,并与现状城市规模进行对比,从而为城市发展和交通基础设施建设提供参考依据.

城市交通;城市规模;生产函数;交通基础设施;节点匹配度;节点可达度

1 引 言

目前,单中心城市的发展基本呈现“摊大饼”的形态,这种城市扩张方式在很大程度上依赖于交通基础设施的建设.在达到最优城市规模之前,交通基础设施对城市发展的影响较大,滞后的交通基础设施建设将制约城市的发展,需积极推动设施建设；而超前建设导致资源的浪费,需推动加快城市发展的其他措施.因此,探索在一定交通基础设施条件下合理的城市规模,将有助于指导城市发展速度及交通基础设施建设的进度.目前在该领域的相关研究,主要从城市形态与城市交通的相互作用[1-5]、城市聚集性与交通设施的定性关系[6]、交通基础设施对城市经济的弹性关系[7-8]等方面论述该问题,未从定量角度研究交通基础设施与城市发展规模之间的关系.

本文通过研究交通基础设施与城市空间形态和规模之间的作用机制,建立交通基础设施与城市规模的定量模型,探索在一定交通基础设施条件下合理的城市规模.从而为指导城市交通基础设施的建设及城市发展形态和发展方向提供参考依据.本研究中的城市区域规模,具体指行政区划中城区的规模.

2 城市规模与交通基础设施内在组成

2.1 城市规模

城市是一个变动的区域实体,其发展过程是城市区域范围内的经济要素在空间上的集聚和扩展.由于城市的性质和发展条件不同,城市的集聚与扩展可分为均质增长、初始集聚、单中心城市形成、多中心城市形成、单中心城市群组形成、和单中心城市扩展阶段[9].本研究的城市发展阶段为单中心城市形成阶段.

在某个发展阶段中,受城市区域内经济状况、产业结构、政策、城市交通等影响,城市的规模有相应的变化,且呈现多样化的形态.城市规模一般包括两方面的含义,即人口规模和用地规模.由于城市人口总数和城市占地面积突出反映城市实体在空间上的发展和变化,因此城市的用地规模通常受制于人口规模[7].因此,本研究选用人口规模作为城市规模的衡量指标.

2.2 交通基础设施内在组成

使用交通基础设施产生的交通成本,是影响城市发展规模的重要因素之一.交通成本用交通基础设施内在组成的指标表示,对城市规模的影响主要表现在以下几个方面.

(1)交通基础设施属性.

属性不同的交通基础设施由于所塑造的城市空间形态不同,对城市发展规模有一定的抑制或者促进作用.如水路对城市普遍有抑制作用,高速公路与铁路对城市的扩展作用较大.

(2)交通基础设施规模.

交通设施的规模可用里程或面积表示.由于铁路、水路对城市规模的影响更多体现在其本身属性的作用下,因此,本次研究中交通设施规模主要指公路规模.

由于不同等级的公路通行能力的差别,导致同一里程长度但不同等级的公路所能承担的年平均日车公里数也不相同,所能满足的交通需求也不同.为了研究方便,将不同技术等级的公路长度按其通行能力转换为标准二级公路长度,即等效里程Leq.

式中 bj——j级公路的一个车道等效系数；

mj——j级公路的车道数(条)；

xj——j级公路的实际里程(km)；

m2——二级公路车道数.

(3)节点匹配度.

交通节点包含的内容广泛,可指道路之间的交叉点和连接点,高速公路的匝道,停车场、广场、车站、码头、航空港、交通枢纽等道路服务端点等等.匹配度是指事物间所具有的一致性或拟合性.节点匹配度是指节点与各相关要素的匹配程度,包括节点与道路匹配度、节点与交通需求匹配度、节点与服务标准匹配度、节点与路网间匹配度、节点之间匹配度等[11].由于本研究是交通基础设施与城市空间规模的关系,且铁路、水路已在设施属性对城市规模的影响中有单独考虑,因此选用节点与道路匹配度来表示节点匹配度.

节点道路匹配度可通过断面匹配度、通行能力匹配度和机动性匹配度等反映,在此选择通行能力匹配度作为节点道路的匹配度,其一般表达式为

式中 Pi——第i节点的匹配度；

Ji——第i节点的通行能力指标；

Di——第i节点的对应路段通行能力指标的加权平均.

由此可见,区域内的节点匹配度为所有节点匹配度Pi的算术平均值.

由于城市道路之间交叉形成的节点众多,道路通行能力有较为稳定的值,而节点通行能力受交通流性质的影响较大,在此将匹配度简化.以十字路口为例,可近似认为无信号控制交叉口节点匹配度小于1/4,两相位信控节点匹配度约为1/2,四相位信控节点匹配度约为1/4,立交匹配度可达1.

(4)节点可达度.

可达性反映节点之间的相互关系及节点间的交通便捷程度,用可达度表示它的便捷程度,它不仅与节点间的实际距离相关,也与逻辑距离相关.由于节点间的实际距离这个因素在设施规模中已体现,为保障变量的独立性,在此将逻辑距离与实际距离的比值反映节点可达性,其表达式如下:对于城市区域B,bi(i=1,2,3,...,n)为城市区域B的n个节点之一,Ci表示节点间的便捷程度,即

式中 Ci——节点bi的可达度；

Xij——表示i,j之间的逻辑距离,在此可视为最短直线长度；

xij——表示i,j之间的实际距离,与路网布局相关.

由此可见,区域内节点可达度为所有节点可达度Ci的算术平均值.

3 交通基础设施对城市规模的影响机理研究

3.1 模型假定及理论

由上述分析可知,在一定阶段,城市发展规模与区域内经济状况、产业结构、政策、城市交通等相关.本研究将区域经济、产业结构等经济因素简化为地区生产总值所对应经济发展水平系数；将城市交通简化为交通基础设施,量化为交通基础设施的属性、规模、节点匹配度、节点可达度这些指标,而政策受宏观因素的影响,在此不计入量化范围内.

根据以上假定,建立单中心城市规模与区域经济、交通基础设施之间理论解释模型如下

式中 R——城市规模；

g——经济影响因素；

T——交通设施影响因素；

S——交通属性影响因素.

其它符号含义同上.

3.2 模型构建

根据生产函数的理念,可将交通设施看作生产要素的投入量,而城市规模作为产出量.经济影响因素折算成规模系数.而生产函数中,应用最广泛的为柯布—道格拉斯生产函数(即C-D生产函数)[7],在两种要素投入下,其数学形式如下:

式中 Y——产出量；

K——资本投入量；

L——劳动投入量；

α——资本产出弹性系数；

β——劳动产出弹性系数；

A——效率系数,表示技术进步的作用.映射到交通基础设施对城市规模的作用,将设施规模、节点匹配度以及可达度作为投入量,每个投入量均有对应产出的弹性系数,将设施属性及经济指标作为效率函数,且用相应的系数进行修正.由此构建交通基础设施与城市规模之间的模型,其表达式如下:

式中 A——修正系数；

R——城市规模；

Kg——经济发展水平系数,可利用公路网规则中的国土系数法求得区域的经济发展水平,近似为城区的经济发展水平；

S——交通设施属性的相应折算系数；根据城市发展的实际经验,分别将水路、铁路穿越市区设施属性折算成0.8和1.1的近似值；

Leq——区域内二级公路等效里程,km；由于Leq表示区域内的公路网,与市区道路的节点匹配度以及节点可达性之间联系较少,因此可认为Leq与P、C独立；

P——区域内节点匹配度,与C独立；

C——区域内节点可达度；

α、β、γ——分别为公路等效里程、节点匹配度、节点可达度对城市规模的弹性系数.

3.3 参数估计

由于估计生产函数的样本数据有时间数据和截面数据两类,由于社会经济发展迅猛,交通设施属性在一定时间会呈现质的飞跃.为保证模型是在一定城市发展阶段,在研究交通基础设施对城市规模的投入产出关系时宜选用截面数据.由于目前县级市城市发展基本处于单中心城市阶段,因此,本文采用2010年江苏省苏北28个县级市的截面数据对所构建的模型进行参数估计.利用TRANSCAD软件构建每个县级市市区的路网,利用节点小范围建立小区,将节点间的直线距离与实际距离的比值作为节点的阻抗矩阵,由此可得可达度指标.

由于式(6)是非线性函数,通过取对数进行变量转换,得到

其中水路、铁路穿越城区的范围与方式时,S分别取为0.8和1.1的近似值.

采用线性回归方法得到参数lnA、α、β、γ,结果如表1所示.

表1 参数回归值Table 1 Parameters of regression value

由此可得式(6)的模型为

式中符号含义同式(6).

由参数估计可知,城市规模与路网规模、节点的匹配度和可达度呈正相关关系,即路网规模越大、节点匹配度越高、节点可达度越高,该城市相应的规模也越大,其中路网节点匹配度对城市规模的影响作用最大.这与实际情况基本符合,也可说明在达到最优城市规模之前,城市规模与交通基础设施呈现正向比例.

4 实证分析

以沭阳城区为例,分析交通设施与对城市规模的影响作用.沭阳地处

江苏北部,沂沭泗水下游,总体上拥有较完善的交通设施.新沂河横贯沭阳县域,位于城区的北侧,由于过河设施的缺乏,对城区向北发展具有一定的限制作用,因此城市空间在新沂河南侧沿河拓展；新长铁路纵贯县域,从沭阳城区西侧绕越,在沭阳境内设沭阳客货站,在一定程度上限制了城区的向西发展,但也拓展了铁路沿线发展空间,呈东南向扩展趋势.根据调查资料与分析的等效里程为1 064.83 km,匹配度和可达度分别为0.64和0.78.根据式(8),可得2010年沭阳城区在该交通设施条件下的合理城市规模为45.99万人.

据统计,2010年沭阳城区人口约为51万.与江苏省苏北县级市相比较,说明沭阳城市发展在很大程度上超前于交通设施发展水平,因此,应积极推进交通设施的建设,特别是加快公路设施的建设进度.

5 研究结论

交通基础设施与城市空间形态和规模有着紧密的联系.本文通过研究交通基础设施内在组成与城市发展的影响,建立于城市规模之间的模型.在参数估计的统计数据合理的基础上,可得到在现有交通基础设施基础上合理的城市规模,从而为城市发展和交通基础设施建设提供参考依据.但对于模型中交通基础设施组成成分的量化,如何使其更好地体现实际情况,还有待于进一步研究.

[1] 官莹.城市交通与城市空间形态[D].南京:南京大学,2003.[GUAN Y.Study on transportation and urbanspatialform[D].NanJing:NanJing University,2003.]

[2] 葛亮,王炜,邓卫,等.城市空间布局与城市交通相关关系研究[J].华中科技大学学报(城市科学版), 2003,20(4):51-54.[GE L,WANG W,DENG W,et al.Study on the relation ship between urban space layout and urban tran sportation[J].J.of HUST. (Urban Science Edition),2003,20(4):51-54.]

[3] 王春才.城市交通与城市空间演化相互作用机制研究[D].北京:北京交通大学,2007.[WANG C C. Study on the interaction mechanism of urban transport and urban spatial evolution[D].Beijing:Beijing Jiaotong University,2007.]

[4] 单刚,王晓原,王凤群.城市交通与城市空间结构演变[J].城市问题,2007,9:37-42.[SHAN G,WANG X Y,WANG F Q.Evolution of urban transportation and urban spatial structure[J].Urban Problems,2007, 9:37-42.]

[5] 杨少辉,马林,陈莎.城市空间结构演化与城市交通的互动关系[J].城市交通,2009,7(5):45-49.[YANG S H,MA L,CHEN S.Interaction of spatial structure evolution and urban transportation[J].Urban Transport of China,2009,7(5):45-49.]

[6] 姚影.城市交通基础设施对城市集聚与扩展的影响机理研究[D].北京:北京交通大学,2009.[YAO Y. Research on influence mechanism of urban transport infrastructure on urban agglomeration and expansion [D].Beijing:Beijing Jiaotong University,2009.]

[7] 陈宽民,马超群.城市道路设施对经济发展作用的定量分析[J].交通运输工程学报,2003,3(2): 93-95.[CHEN K M,MA C Q.Quantitative effect of urban road to economic growth[J].Journal of Traffic and Transportation Engineering,2003,3(2):93-95.] [8] Calino,G A.Manufacturing agglomeration economies fits return to seale:a production approach[J].Papers of the Regional Science Association,1982(50): 95-108.

[9] 孟祥林.城市化进程的经济学分析[M].成都:西南财经大学出版社.2008,3:120.[MENG X L. Economic analysis of urbanization procession[M]. Chendu:SouthwesternUniversityofFinanceand Economics Press.2008,3:120.]

[10] 刘冰.中国城市最优规模的实证研究[D].长春:东北师范大学,2007.[LIU B.The empirical research on the optimum city size in China[D].Changchun: Northeast Normal University,2007.]

[11] 杨永勤.城市道路节点规划设计理论与方法研究[D].北京:北京工业大学,2006.[YANG Y Q.Study on theory and methodology of planning and design of the node of urban roads[D].Beijing:Beijing University of Technology,2006. ]

The Influence of Transport Infrastructure on Urban Size

SUN Ying-ying1,JI Da-peng2,XIAO Zhong-bin3
(1.Jiangsu Zhongshe Engineering Consultancy Group Co.Ltd,Wuxi 214072,Jiangsu,China；2.Jiangsu Transportation Research Institute Co.Ltd,Nanjing 210017,China；3.College of Civil Science and Engineering,Yangzhou University,Yangzhou 225009,Jiangsu,China)

Transport infrastructure is one of the important influences on urban size.In certain stage of urban involution,status of transport infrastructure always indicates the size of urban area.This paper will do research into the relationship between transport infrastructure and urban involution；quantify indicators such as layout and scale of transport infrastructure,node compatibility and accessibility.Then based on the consideration of economic development towards urban size,the model about relationship between transport infrastructure and urban size is structured,and part of parameters is evaluated.Finally,it takes Shuyang as an example,researches the reasonable urban size under the established scale of transport infrastructure,and compares with its current size.

urban traffic；urban size；production function；transport infrastructure；node compatibility；node accessibility

U121,TU984

A

U121,TU984

A

1009-6744(2013)06-0027-05

2013-03-05

2013-07-29录用日期:2013-08-14

孙莹莹(1984-),女,浙江宁波人,工程师.

*通讯作者:sunyingying135@163.com