河南省交通通达水平对新型冠状病毒传播的影响

汪冉，张明鑫，李浩

(宁夏大学 资源环境学院，宁夏 银川 750021)

0 引 言

新型冠状病毒感染引起的肺炎，临床表现为发热、乏力、干咳，严重者出现呼吸困难，潜伏期多在14 d以内，以3～7 d为主，可通过飞沫及接触传播感染[1]。2019年12月12日，武汉市卫生健康委员会公布新冠肺炎病例，至2020年3月28日，中国累计病例达82 341例，除中国外全球累计确诊病例已经超过60万例[2]。在中国，春节特殊时期加速了人口流动和病毒传播，河南省是除湖北省外疫情较为严重的省份之一，累计病例达1 276例(含3名境外输入病例)。

交通通达性是由英国学者W.G.Hansen[3]首次提出，其意义为节点间相互作用的程度，即表现在区域与区域之间的可达机会，也表现在区域内部的流通强度，反映了区域间的人流物流信息流的交换，也反映了区域内部居民的工作生活方式。交通通达性的研究成果较多，在土地利用[4-6]、城市建设[7-8]、交通完善[9-12]、旅游管理[13-14]、资源开发[15]等众多领域均有应用，更有学者将交通通达性应用于流行病传播研究[16-17]。流行病的传播研究离不开数学模型的构建，随着研究深入，模型更加多样化、精细化，复杂网络模型[18-20]、元胞自动机模型[21-22]、传染病动力学模型[23]等是构建传染病传播模型、模拟流行病传播及控制过程的常用方法。例如韩涉[24]通过构建流行病传播网络模型，运用数学仿真方法，探讨移动行为与流行病传播之间的相互作用机制；陈长坤等[25]基于元胞自动机方法，建立传染病跨区域传播模型，分析动态区域位置与面积对传染病跨区域传播的影响规律。在流行病传播因素研究中发现温度[26-27]、昼夜温差[28]等自然环境条件，人口密度[29]、城市化水平[30]、交通通达水平[31-32]等社会条件，都与流行病传播有着密切的关系。例如杨斯棋等[33]通过地理探测器和地理加权回归分析方法研究发现，平均风速、平均相对湿度、平均温度都对北京甲型H1N1流感传播有显著影响。

交通通达水平与流行病传播作用机制研究以近年来国际上两次大范围的流行病(SARS、甲型H1N1)传播为例，国内外学者展开了多种交通方式、多个空间范围的研究，S.J.Olsen等[34]、FANG L Q等[35]通对病例数据比较研究发现，航空、公路等交通运输进一步促进了SARS病毒在国内外的传播扩散;常超一等[36]基于实时航空数据构建空间传播模型评估SARS病毒传播的风险；K.Khan等[37]利用国际航空运输协会公布的墨西哥商业航班行程数据,分析并预测甲型H1N1的传播扩散;肖洪等[38]结合扩散速度和人群流动特征构建疫情扩散模型，探究长沙不同级别的公路及站点对甲型H1N1病毒传播的影响。

本文以河南省为例，探究122个县市区交通管制前后病毒传播的时空差异；综合公路、铁路、航空等多种交通运输方式，并结合离武汉距离因素，计算各县市区的交通通达水平；采用地理加权回归分析方法探究交通管制前后，两类交通通达水平对新型冠状病毒传播影响力大小的空间差异，为流行病防治工作提供一定借鉴。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

河南省位于中国中部，北纬31°23′～36°22′，东经110°21′～116°39′，地势西高东低，平原和盆地面积广阔。地处暖温带和亚热带，气候温和、雨热同期。河南省是人口大省，也是劳务输出大省之一，而距离较近的湖北省是河南劳务输入较多的省份之一。随着现代化交通运输发展，河南省成为“九州腹地、十省通衢”的综合交通枢纽和人流物流信息流中心，省会郑州凭借50个国内强联系城市数量，仅次于上海、北京，位居全国第3。河南省公路、铁路、航空站点区位如图1所示。春节期间，外出务工人员借助各种交通工具返回河南各县市区，为新型冠状病毒提供了传播途径。作为同时具有输入性病例和扩散性病例的河南省，是中原交通枢纽，在新型冠状病毒大范围传播的早期，采取了强有力的应对措施，因此，对其研究成果更加具有借鉴作用。

1.2 病例数据

新冠肺炎确诊病例数来源于河南省卫生健康委员会(wsjkw.henan.gov.cn)及各市县卫生健康委员会，时间跨度为2020年1月21日第一例病例起至3月28日，空间范围包括17个省辖市、1个省直管市、20个县级市、84个县，共122个行政区。

图1 河南省交通网络分布

武汉于2020年1月23日“封城”，阻断了武汉人口外流通道。河南全省多地在2020年1月25—26日分别实施了各级交通管制措施，一定程度上限制了人口流动，可能对新冠病毒的传播起到一定的阻断作用[39]。新型冠状病毒的潜伏期一般在14 d以内，多集中在3～7 d，因此,在确诊病例统计上，以2月3日为界，1月21日—2月3日累计确诊病例以交通流通顺畅为背景，表示为累计病例A，2月3日后交通流动受阻，新增确诊病例表示为累计病例B。

1.3 交通通达水平数据

各级公路网数据和铁路网数据来源于open street map (https://www.openstreetmap.org)；各航空站点数据来源于谷歌地图、百度地图、高德地图的经纬度坐标查询；各级行政区面矢量及点矢量数据来源于中国国家基础地理信息系统(http://nfgis.nsdi.gov.cn)。

交通通达水平的计算包括：(1)公路网密度，春节期间各级公路都发挥了强大的运输作用，因此公路网数据包含国道、省道、县道、乡道通行里程各级样本。(2)铁路网密度，包括各级铁路通行里程。(3)航空站点通航城市数量。(4)各行政区与武汉距离。新型冠状病毒的传播伴随着人口流动，结合人口流动的距离衰减性特征和新型冠状病毒在中国大规模传播的起点湖北省武汉与河南省距离较近的特点，将离武汉距离标准化后加权计算，得出新的交通通达水平。该通达水平包含了各县市区与武汉之间的流通顺畅程度的含义。本文以X代表不包含距离因素的交通通达水平，以Y代表包含距离因素的交通通达水平。

1.4 研究方法

1.4.1 交通通达水平计算

本文以公路密度、铁路密度、航空站点通航城市数量、离武汉距离为计算指标。在春节期间，各类型交通工具都发挥着强大的运输能力，乡道、县道等客流量比正常要高，因此各指标经过离差标准化消除量纲影响后赋予相同权重，累加得到各县市区交通通达水平。

当指标意义为正时，例如公路网密度、铁路网密度，数值越大，表示通达水平越高。其标准化计算公式为

(1)

当指标意义为负时，例如离武汉距离，数值越小，代表与武汉城市之间流通越顺畅。其标准化计算公示为

(2)

式中：Z为标准化结果；z为公路密度、铁路密度、航空站点通航城市数量、离武汉距离数值；min为指标数值最小值；max为指标数值最大值。

为确保不同时段、不同因素的交通通达水平具有可比性，将4组数据进行统一的标准化计算，并赋予各个因素相同的权重，得到各县市区的交通通达水平。

式中：Z公路,Z铁路,Z航空,Z距离分别为公路密度标准化数值、铁路密度标准化数值、航空站点通航城市数量标准化数值、离武汉距离标准化数值。通达水平X为河南省实际交通通达水平，通达水平Y为考虑与武汉城市间交通顺畅程度之后的通达水平。

1.4.2 地理加权回归方法

地理加权回归分析是辨别多种变量间相互依赖关系的一种统计分析方法。传统回归模型默认空间为均质性，忽略了区域内交通通达水平对病毒传播的影响作用可能是随空间变化而具有空间非平稳性的。地理加权回归模型则在考虑空间异质性的前提下，引入了空间权重的概念，对变量间区域差异的关系进行估算，可以较好地描述定量关系随空间变化的特征[40]。

地理加权回归使用核函数确定空间依赖性的空间范围，通过距离衰减函数对河南省内的样本点进行加权，计算每个样本点在局部回归方程里的权重，得出加权回归方程，并假设样本点距离越近，其影响越显著[41]。其计算公式为

(4)

式中：x为交通因素指标；k为交通因素个数；j为县市区个数；(uj,vj)为县市区j的空间位置；β0(uj,vj)为截距，j为随机误差，βi(uj,vj)为回归系数，随着样本点位置的变化而变化[42]。

2 确诊病例与交通通达水平空间分布特征

2.1 交通管制前后确诊病例空间分布

以2月3日为中界，将之前和之后的累计病例分别进行ArcGIS自然断点法，得到确诊病例的空间分布，如图2所示。新冠肺炎确诊病例在河南省的空间分布规律为：南部确诊病例高值区分布集中；中部、北部高值区零星分布；西部主要为无病例区和低值区。交通管制前，南部的信阳市辖区和北部的郑州市辖区为一级高值区，南部的南阳市辖区及其下辖邓州、中部的漯河市辖区和平顶山市辖区、东部的商丘市辖区、北部的安阳市辖区为二级高值区中心。南部南阳和信阳、中部驻马店和平顶山、东部周口和商丘这些市的下辖县市3级高值区分布较为集中，而北部巩义、洛阳市辖区、新乡市辖区的3级高值区分布极其孤立。郑州是北部各行政区的特例，郑州市辖区确诊病例数值极大，周围下辖县市确诊病例数值极小，形成一个孤立的一级高值区中心。

交通管制后累计确诊病例较之前更多，空间分布与之前相比有一定异同。相同之处为：南部仍然是疫情较重区域，新增确诊病例较高；北部郑州市辖区仍然是一个孤立的一级高值区中心。不同之处：零增长县市区的范围扩大；南部高值区进一步向东南方向集聚；除信阳下辖各县市病例增长趋势升高之外，其他各市逐渐形成了类郑州高值区中心——市辖区确诊病例数值仍然较高、下辖县市确诊病例明显降低，确诊病例进一步从下辖县市向市辖区集中。

2.2 交通通达水平空间分布

本文将交通通达水平划分两类进行比较，即不包括距离因素的通达水平X和包括距离因素的通达水平Y，通过ArcGIS自然断点得到图3所示的交通通达水平空间分布。交通通达水平X北部以郑州市辖区、洛阳市辖区为高值区中心，集中连片分布；中部的驻马店、漯河、平顶山及北部的焦作、新乡交通通达水平整体处于第二等级；南部仅南阳、信阳两个市辖区通达水平较高，下辖各县市交通通达性都较差。各县市区交通通达水平高值区少而低值区众多，形成了底座巨大、顶尖极细的“金字塔”结构。

图2 交通管制前后确诊病例空间分布

图3 交通通达水平空间分布

交通通达水平Y与X相比变化较大。郑州市辖区、洛阳市辖区仍然为一级核心区。全省形成两条高值区条带，即郑州、洛阳—信阳和南阳—信阳，中部和南部高值区范围扩大，“金字塔”底座缩小、腰部扩大。在研究新型冠状病毒传播规律时，考虑距离因素更加贴合河南省实际情况。

3 交通通达水平对新型冠状病毒传播的影响

3.1 交通通达水平与新冠肺炎确诊病例的相关性分析

利用SPSS进行pearson相关分析，探究交通通达水平与新型冠状病毒传播之间的关联程度，相关分析结果如表1所示。在0.01显著水平下，交通通达水平与新冠肺炎确诊病例之间存在较强的正相关关系。3类病例与交通通达水平Y之间的相关性明显高于与通达水平X之间的相关性，说明新型冠状病毒的传播与本地交通顺畅便捷程度、离武汉距离都有着非常密切的关系。交通管制之后交通通达水平与新冠肺炎确诊病例的相关性呈下降趋势，说明交通管制对新型冠状病毒的传播有一定抑制作用。

表1 通达水平与累计病例相关分析结果

3.2 地理加权回归分析

由相关分析发现，交通通达水平与新冠肺炎确诊病例数量之间存在着显著相关关系。但各县市区的区位差异较大，交通通达水平对各地区的影响也各不相同。采用ArcGIS进行地理加权回归分析，得到4项地理加权回归系数特征比较表(表2)及回归系数空间分布图(图4～5)。

在比较普通最小二乘法基础上，运用地理加权回归分析方法，确定各行政区因素影响力的空间差异。与普通最小二乘法相比，地理加权回归分析中通达水平X调整R2提高了0.53个单位以上，通达水平Y调整R2提高了0.35个单位以上,通达水平XAICc值降低了99个单位以上，通达水平YAICc值降低了68个单位以上，表明考虑了空间非平稳性的地理加权回归分析可以较好地解释交通通达水平对新型冠状病毒传播作用的局部影响规律。

如表2所示，地理加权回归系数的绝对值差异表明交通通达水平对各县市区病毒传播影响的强弱存在差异。各类病例的回归系数以正数为主，表明交通通达水平对各行政区病毒传播主要起到加速影响。从回归系数极大值、极小值、平均值在交通管制之后明显减小可知，无论有无距离因素影响，交通管制之前交通加速了新型冠状病毒的传播，而交通管制之后，交通通达水平的抑制作用增强明显。

交通管制前后通达水平X的影响力空间分布如图4所示。通达水平在交通管制前后影响力空间变化明显，交通管制之前形成了信阳、南阳、商丘、郑州为4端的高值区中心，西部地区交通通达水平影响力整体较弱。说明就整体而言，交通通达水平对新型冠状病毒传播具有加速作用，尤其是通达性较好的县市区，交通加速病毒传播作用更加明显。

表2 地理加权回归系数特征

交通管制之后，南阳东南部和信阳西北部高值区相连，形成一级轴线，南部回归系数整体较高；郑州—南阳东北部形成二级高值区轴线，全省形成“L”型高值区。北部安阳交通通达水平的影响力也有扩大趋势。

交通管制前后通达水平Y的影响力空间分布如图5所示。交通通达水平Y回归系数空间分 布与交通通达水平X趋势一致。交通管制之前回归系数的4个核心区空间位置不变，但信阳下辖各县市中，高值区位置由东向西集中，南阳下辖各县市高值区向东南集中，通达水平Y对病毒传播的影响力因距离不同而发生变化,与武汉交通流通更加顺畅的县市，通达水平Y对病毒传播的影响相对较大。交通管制之后，郑州、南阳和信阳形成的“L”型高值区轴线仍然存在。

图4 交通管制前后通达水平X的影响力差异空间分布

图5 交通管制前后通达水平Y的影响力差异空间分布

与交通通达水平X的影响力相比，交通通达水平Y的影响力整体变化不大，高值区空间位置不变。距离因素影响有限，主要影响范围为南阳、信阳，并且在交通管制之后通达水平Y的影响力与X相比高值区范围并没有扩大。

4 讨 论

交通管制之后，各市下辖县市确诊病例向市辖区集中，交通通达性较好的郑州、南阳辖区、信阳辖区通达水平对新型冠状病毒传播的影响力也较大。这说明交通通达性较差的地区交通管制更加便利，随交通流传播的确诊病例减少，而通达性较好的市辖区绝对的交通管制极为困难，交通流仍然带动着病毒传播。交通管制之后虽然新增累计病例较之前多，但是交通通达水平对病毒传播的影响力在下降，或与家庭聚集等其他因素有关。已有研究发现交通管制之后家庭集聚性病例在有限范围内扩散的研究结果与本文相呼应[43-44]。

与武汉距离因素虽然对南部的南阳、信阳范围的病毒传播有一定影响，但是河南省病毒传播整体趋势仍然受交通通达水平影响。因1月23日武汉实施“封城”举措，距离因素影响的时空范围非常有限，这也与已有研究发现武汉“封城”之前有限的人口外流结果一致[39]。

河南省既是疫情重灾区之一，也是此次抗疫行动中做好充分准备工作、及时采取合理措施、从上到下一致落实的省份之一。本文从交通通达水平视角入手研究其对新型冠状病毒传播的影响，一方面论证了交通管制在应对流行病传播的有效性，另一方面也验证了各行政区在交通管制工作中的管制力度是否合理。

5 结 论

(1)新冠肺炎确诊病例在河南省南部地区分布集中，在北部郑州市辖区形成极高值中心，其他县市区主要集中在市辖区，下辖各县(市)确诊病例较少。而交通通达水平北部高值区集中分布，南部南阳、信阳两个市辖区交通通达水平较高。交通管制使确诊病例进一步向市辖区集中，零增长、低增长范围进一步扩大。

(2)相关分析可见交通通达水平与新型冠状病毒传播具有显著相关关系，与通达水平Y的相关关系更显著，且交通管制之后相关系数下降明显。

(3)地理加权回归表明交通通达水平在各行政区影响力大小差异明显。郑州、南阳、信阳是交通通达水平影响力的高值区，中部漯河、驻马店、平顶山是通达水平影响力的过渡区。商丘虽然通达水平较高，但是早期病例传入少，后期交通管控严格，2月3日后交通通达水平影响力急速下降。距离因素在交通管制前主要影响区域为信阳、南阳，交通管制之后，影响力下降。

新型冠状病毒具有极强的变异性，其传播介质和潜伏周期也在发生变化。既往研究流行病传播的影响因素中包含多种自然环境因素和社会因素，只限于交通通达水平的研究仍然不能较为全面地分析病毒传播特征。未来研究要立足于全方位视角，宏观分析与微观分析相结合，以便为传染病防控工作的开展提供更好的理论借鉴。