基于铁路客运流的黄河流域城市网络化空间联系与结构

马学广,贾 岩

(中国海洋大学,山东 青岛 266100)

引言

目前以黄河流域为空间尺度的研究主要在生态、旅游以及知识技术等方面，这些研究具体为：从黄河流域的生态环境入手进行政策建议研究[1]，采用探索性空间数据分析等方法在黄河流域尺度上研究旅游经济空间[2]，运用空间自相关模型与社会网络分析方法的黄河流域技术转移研究[3]；此外，还包括对黄河流域高质量发展的定量化测度[4]。这些研究从多样化的角度出发，从不同侧面对黄河流域空间进行深入研究。

铁路客运是我国交通网络中不可或缺的组成部分，高铁的迅速发展也成为中国成就所体现的重要内容。这类研究的方法为脆弱性分析[5]、可达性分析[6-7]，以及时空演变分析[8-9]等。基于流动空间理论[10]，越来越多的研究不局限于城市属性，城市间的关系研究更能反映城市的状况。社会网络分析方法[11-13]可以将城市作为网络中的节点，研究节点间的关系以及空间组织模式等。同时，高铁与民航的竞争分析[14]、城市高铁的开通对创新的影响[15]等是对交通流网络的影响的探索。西北地区的“弱连接状态”[16]、关中城市群的“双中心”格局[17]以及中原城市群的中心性研究等[18]从铁路客运流的视角探究西部与中部地区的发展，也是对黄河流域城市区域的关注。

综合上述分析，基于中国铁路的研究相对充实，为我国交通体系的完善提供了智力支持，但针对黄河流域的铁路客运网络关注较少。黄河流域的城市发展对我国区域竞争力的提升至关重要。本研究将以黄河流域为研究对象，聚焦该流域的铁路客运流网络，运用社会网络方法进行可视化分析，旨在探究黄河流域城市区域的铁路网络结构与特征。本研究紧跟政策导向，以期从铁路客运流视角出发为黄河流域城市区域的高质量发展提供政策建议。

一、研究设计

(一)研究区域

黄河流经九省区，具体为青海省、四川省、甘肃省、宁夏回族自治区、内蒙古自治区、陕西省、山西省、河南省与山东省。研究区域为四川省阿坝州、内蒙古除呼伦贝尔、兴安盟、通辽和赤峰之外的地级行政单元以及其他省区的全部地级行政单元，共计91个城市，如图1所示。京包-包兰线、陇海-兰新线是途径黄河流域的重要铁路干线，连接了包头、银川、兰州以及西安等重要城市。黄河流域内部的互联互通以及对外的跨界联系均是黄河流域高质量发展的重要内容。因此，选择黄河流域的城市区域作为网络化空间研究的对象具有现实意义。

图1 黄河流域研究范围图

(二)研究数据

数据来源为2020年6月12日通过138查询网站爬取的32个省级行政区116622条铁路列车时刻表，澳门特别行政区、台湾地区的数据较难获取，不列入研究范围。从中提取黄河流域内部联系、向外联系的数据。此外，基于我国完善的多类型铁路网，研究将数据进行分类提取。主要数据信息包括始发站、中转站、到达站，以及时间、列车类型等。

(三)研究方法

研究方法采用社会网络分析与ArcGIS可视化，具体包括网络密度、集聚系数、中心性等多种计算指标。在城市网络中，城市为网络中的节点，城市间的联系为节点之间的边，这里介绍三种主要的方法。

第一，网络密度(D)是指网络中城市间铁路客运联系的紧密程度，它是实际存在的联系数占理论上最大可能存在的联系数的比重，具体公式表达为：

其中：n为网络中城市数，l(i,j)表示城市i与城市j之间的联系状况，存在联系则为1，反之则为0。

第二，集聚系数(C)是指网络中各城市的聚集平均值，Ci为单个城市与相邻城市的连接数占最大可能存在连接数的比重。具体公式表达为：

其中：n为城市数，ki为城市所连接的相邻城市数，Ei为这些城市间的连接数。

第三，点度中心性CD(ci)是指各个城市直接相连的城市数。加权点度中心性将考虑城市间连接的次数。具体公式表达为：

10月18日，北京市商务委、市发展改革委、市财政局、市城管委、市工商局、市食药监局、市公安局消防局等七部门联合出台了《关于进一步促进便利店发展的若干措施》。措施从“拓展发展空间，优化网点布局”、“加大资金支持，降低经营成本”、“深入推进‘放管服’，简化注册流程”、“改革经营许可，创新监管模式”、“规范执法检查，提高服务水平”、“促进规范提升，培育品牌优势”等六个方面提出了19条创新举措。未来北京将按照每千人10－20平方米的标准在居住项目规划中预留便利店业态空间。未来三年左右，全市连锁便利店门店数量将达到6000家以上，实现每个社区有2个连锁便利店的目标。

其中：aij为网络中城市i和其他城市之间的直接联系的数量。如果某个节点的点度中心性高，说明它处于网络的中心。

二、黄河流域城市间的功能联系与空间分布

(一)黄河流域城市网络的内部联系

黄河流域内部联系随着层级发展进而形成“船形结构”的网络化格局。运用自然间断点法将城市间的联系进行分级，如图2所示。第一层级呈现黄河流域“三横三纵”的带状分布的空间形态。“三横”即包头—呼和浩特、兰州—西安—郑州—商丘、济南—淄博—潍坊—青岛，“三纵”即太原—晋中—临汾—运城、烟台—青岛、渭南—西安—汉中。济南—青岛、青岛—潍坊、烟台—威海是山东省内最为联系紧密的城市对，也是整个黄河流域的高强度客流带。西安—渭南、兰州—天水等也是高强度联系的城市对，均体现出城市间联系的地域邻近原则。基于近距离的联系而形成组团式发展，山东半岛城市群区域内城市互动频繁，关中城市群、兰西城市群等内部也存在高强度联系的密集客流带。此外，黄河流域内部的城市间的跨省联系较多，其中郑州—西安城市对的联系最为频繁。

第二层级、第三层级的城市间联系跨省特征更为显著，形成黄河流域铁路客运网“船形结构”的骨架。网络架构的空间范围广阔，西接海西、东连威海、北至锡林郭勒盟、南达信阳。省会城市是网络化联系中的重要支点，通过发挥其磁场效应，周边城市与其搭建更多的联系。西安、兰州、郑州、太原和济南等省会城市是空间组织的核心枢纽，但是银川、西宁等省会城市发展动力不足，其联通能力低于烟台、威海等次级核心枢纽。

第四等级的铁路客运流联系形成贯穿东中西三大地区的密集型“船形结构”空间分布格局。该层级城市联系对的数量约占全部城市联系对总量的80%，东中西不同地带的空间分化明显，青海省处于城市网络的边缘位置。在第一层级到第四层级的城市联系演化过程中，织网密度不断提高，同时也伴随着远距离联系的发生，例如西宁—郑州、西宁—青岛等联系。空间联系的加强也是高铁主导的交通时代下“时空压缩”效应的产物，极大地提升了交通网络的运输效率，由跨界联系构成的网络模式逐渐趋向扁平化。

图2 黄河流域铁路客运联系的等级结构

(二)黄河流域城市网络的外部联系

研究通过黄河流域内部城市的首次位城市联系来体现该流域的外部联系特征。从首位联系来看，黄河流域网络联系具有明显的空间指向性，北京是黄河流域外部联系的首位规模最大的城市；从次位联系来看，北京、上海为次位规模最大的城市。由此可见，地理距离因素对城市间联系有重要制约，城市间联系呈现涌向发达地区的具有选择性的趋势。此外，黄河流域中对外联系最为频繁的城市为郑州，其次为西安、青岛等城市。郑州作为“中国铁路的心脏”在承北接南、连接东西方面发挥着不可替代的作用，它也是黄河流域内外联系的重要中转站。与此相反，济南的中转作用在弱化。2014年兰新高铁的开通，为甘肃与新疆的跨界联系提供了重要保障。乌鲁木齐是黄河流域城市对外联系的核心城市之一，黄河流域内部的城市也在新疆与南方地区城市发生联系过程中扮演中转站的角色。

黄河流域城市网络的首位联系与次位联系的空间分布格局存在差异，次位联系的空间范围增加了武汉、重庆、杭州等城市，整体城市间的联系形成不规则形状的网络。在黄河流域内部联系与外部联系的不同尺度下，网络的节点城市的位置也发生了变化。例如，郑州的外部联系性优于兰州、青岛等城市，但在黄河流域内部联系上中心地位相对略有下降。此外，需要说明的是，由于黄河流域内部的一些城市的外部联系不强且与其他城市的联系频率较低，整体处于对外的低水平联系状态。因此，将联系频度小于5的城市联系剔除。一些城市的首次位的联系城市数量较多，无法较好地体现中心指向性，在此也不列入。

图3 黄河流域铁路客运网络的首位联系与次位联系

(三)各类型铁路客运网的空间分布

从黄河流域的上游、中游与下游三大空间单元对铁路网进行研究，按照省份划分黄河流域上、中、下游的城市区域。上游地区为青川甘宁蒙的城市，中游地区为陕晋城市，下游地区为豫鲁城市。上、中、下游地区均在不同程度上开通各类型的铁路客运联系，但是地区间存在显著差异。上游地区以快速铁路为主要联系方式，中游地区通过动车列车形成更多的往来联系。整体而言，下游地区城市间联系较为频繁，主要联系集中为高铁、快速列车的客运方式。青岛、济南、郑州在下游地区的高铁网中处于核心位置，青岛是下游地区高铁客运流的集聚高地。得益于我国多元化的铁路客运网络体系，黄河流域上、中、下游地区呈现出多样化的城市联系，但不同类型的铁路客运方式在空间上差异显著，这与自然环境、社会经济等因素有关。

河南省与山东省城市间的联系更多以高铁为主，有利于借助高铁交通方式的优势带动沿线城市的经济发展与交流合作。例如河南“米”字形高铁网的建设，充分利用新时代的交通工具与不同方位的地区搭建联系，将有助于中原城市群的发展。黄河流域的高铁客运流网络呈现上、中、下游地区分化明显的空间特征，由于生态环境与经济水平等因素，上游地区是黄河流域高铁网联系中的“洼地”。黄河流域中下游区域的“晋陕豫黄河金三角”是网络链接的重要交界地带，跨行政区合作是该地区实现整体发展的关键路径，这也说明黄河流域的整体发展不应以上、中、下游地区或者东、中、西部地区划分割裂。

图4 黄河流域铁路客运网的分类联系桑基图

三、黄河流域城市网络的节点属性与网络结构

(一)黄河流域的节点城市

基于对黄河流域内部的城市铁路客运联通度进行计算与排名，城市位序—规模分布情况如图5所示。西安、青岛、兰州以及郑州等城市为黄河流域中的集聚高地，这些数量较少的城市资源流通能力较强，且联通度远大于黄河流域内的其他城市，这体现出明显的区域不均衡特征与幂律分布结构。同时将联通度与位序分别取对数，其结果符合Zipf法则。通过线性拟合呈现结果的双分形特征，右侧位序—规模区间的城市联通性差距显著，甘肃、青海的部分城市的网络化联系参与度较低，青岛、济南、烟台、威海以及潍坊的联通度较高。山东省在黄河流域的交通联系中处于核心地位，但是东营、滨州等城市处于网络的边缘化位置，省内分化明显。黄河流域网络节点城市间联通能力差异明显，空间分化程度较高。但是，“基础设施通达程度比较均衡”是我国区域协调发展的目标之一，因此改善空间不均衡也是推动黄河流域区域协调发展的突破口。

图5 黄河流域城市的位序—规模分布图

2.节点度的空间分布

通过对黄河流域城市的节点度进行插值呈现，由图6可以看出整体呈现了东中西部梯度变化特征的空间结构。节点度较高的城市多为省会城市或者其他经济发展相对较好的城市。高节点度的城市空间溢出效应明显，但由于龙头城市的带动能力差异大，因此形成大小不同的辐射空间。关中城市群、山东半岛城市群等区域的城市节点度水平整体较高，济南与青岛不仅是山东半岛城市群的“双子星”，也是黄河流域交通联系的主力军。宁夏沿黄城市群仅银川市连接能力较好，石嘴山、中卫以及吴忠通达度较低，且在整体节点度均值之下。由此可见，黄河流域城市节点间的空间异质性明显，边缘化城市亟待发力。

图6 黄河流域节点度插值图

(二)黄河流域的网络结构

运用Ucinet6对黄河流域社会网络的不同指标进行计算，结果如表1所示。黄河流域内部任意两个城市平均通过1.94条线进行连接。上游地区的网络规模最大，但城市间的联系相对松散。中游地区的城市间联系相对紧密，集聚能力较强，例如关中城市群是黄河流域中游地区的跨省联系区域，运城、临汾与陕西省内的城市具有较为紧密的联系。中游地区集聚系数较高，平均距离较短，形成了小世界网络。下游地区的城市区域核心边缘结构[19]比较明显，核心区形成郑州、济南与青岛等9个城市的紧密联系，其他城市形成了联系较为稀疏的边缘化区域。山东省内部联系紧密，9个核心城市仅有郑州为河南省，其他城市均为山东地域单元。上游地区城市间的联系水平呈现出较为均衡的特征，核心—边缘结构拟合系数极低，但这是一种低质量的联系状况。之所以会这样，是因为大部分城市间的联系较少，中心城市自身发展有限或者带动作用不明显、城市参与网络联系水平较低。兰州、银川与呼和浩特在上游地区城市发展的引领作用方面有待提升。受自然环境等因素影响，上游地区一些未开通铁路线的城市处于相对孤立的状态。

表1 黄河流域上、中、下游地区的网络结构

(三)中心性与社团探测

1.不同铁路类型的中心性

图7 铁路客运分类网的中心性插值图

将各类铁路网节点的中心性以插值图的形式呈现，研究发现各个城市节点的主导交通方式存在差异。青岛、西安与郑州等城市是高铁网的中心支点，山东半岛城市群是高铁网中的区域高地。在动车网中，太原—西安形成不连续脊带，该区域客流带中较多地方通过动车列车搭建联系。青岛、济南、郑州等成零星点状散落于网络中。西部地区城市在特快网中扮演着关键角色，兰州、西宁等城市形成块状分布。兰州、银川、西安与青岛等在快速网络中占据有利位置，银川仅在快速网中地位相对突出，其整体联通能力有待提高。内蒙古与山西构成的板块是普快网的中心区域。整体而言，西部地区囿于生态环境的脆弱性，青海、甘肃等部分地区铁路仍未实现开通，铁路通达度相对较低。由此可见，黄河流域铁路客运联系方式多样，流域整体上以快速网为基础，中下游地区是高铁网、动车网的先行者。

2.铁路综合网的社团结构

运用Gephi0.9.2对黄河流域内的城市节点与铁路客运联系进行分析，从加权度数中心性与社团探测两方面对网络结构进行分析。一方面，黄河流域网络形成以西安、青岛、兰州与郑州为核心的网络化联系。城市是网络中的节点，城市间的联系为网络中连接节点的边，而城市间联系的紧密程度是边的权重。基于此，通过加权度数中心性的计算，黄河流域形成城市中心性由高至低的核心—边缘网络结构。中介中心性体现城市的中转功能，例如济南相对于青岛而言发挥了更大的中介作用。另一方面，运用Gephi0.9.2的社区探测功能将黄河流域分为5个社团，其模块度为0.465。不同社团占黄河流域网络的比例差异显著，其中，陕豫社团占比最大，内蒙古社团占比最小。根据铁路客运流的数据结果，西安与郑州属同一社团。相较而言，郑州有着更大的吸引力，西安的联系方向中向东的联系更为频繁。此外，不同社团作为黄河流域系统的子网络，其组团结果是由单个或多个省域空间单元组成，反映出各省内部联系紧密且相邻省份间有着更为良好的互动状态。兰州、西宁与银川构成了相对紧密的联系，这些城市所在的区域构成片区联系，兰西城市群的内部聚合力相对较好，且与宁夏沿黄城市群进行紧密连接。山东省内部联系紧密，自身构成一个单独的社团，其组团式发展范围与行政区划的界定相吻合。

图8 黄河流域铁路客运网络的中心性与子群

四、黄河流域城市网络的影响机制

(一)社会经济

为考察黄河流域的社会经济因子对铁路客运联通度的影响程度，采用线性拟合对各市的地区生产总值与联通度进行分析。整体而言，各市联通度与GDP呈现正相关关系，相关系数R=0.7424，判定系数R2=0.55116，该模型对联通度的可解释程度约为55.1%。青岛、郑州与西安是黄河流域的经济增长极，同时也是重要的客流集散地。然而，从全国的经济发展版图进行分析，黄河流域城市网络的核心城市在全国网络中经济地位并不突出，这也从侧面说明黄河流域网络增长极的引领动力不足。黄河流域内部已经形成若干城市群，但其竞争力相对不足，其中晋中城市群、宁夏沿黄城市群等仍然处于发育不成熟的状态，经济发展水平相对落后。此外，不同铁路类型下的相关程度差异较大，高铁网与GDP的相关度最高，高铁客运建设需要经济实力作为重要支持。通过线性拟合，高铁网的联通度与GDP的拟合程度相对其他类型列车而言最好，R2=0.69704，其他情况下的R2<0.5。传统的普快客运列车与经济发展关联度并不大，这是因为传统铁路主导的运输时期，经济主干区域与现阶段的中心经济城市区域不相匹配。从传统普速时代到现今的高铁新时代，南北经济发展格局发生了显著的变化。

图9 联通度与地区生产总值的线性拟合与散点图

(二)地理距离

地理距离对黄河流域铁路客运流网络的影响明显，城市间联系的地理邻近效应突出，空间网络整体遵循距离衰减规律。就铁路客运流的综合网而言，距离对交通联系所产生的效应是显著的。黄河流域内部的铁路客运联系主要集聚在400千米以内的距离区间，主要为省内城市联系以及与周边省份的城市发生往来。400～600千米的距离区间联通度大幅下降，同时随着距离的增加而降低，这也表明铁路客运流联系有着较强的距离敏感特征。此外，远距离的联系主要为东部城市与西部城市的联系，黄河流域城市区域占据着承东启西的重要通道。就铁路客运流的分类网而言，各类铁路网的高联通度联系集中分布在400千米以内的距离范围，这与整体联系的距离分布相一致。但是，不同类型的铁路客运流网络的联通能力差异较大。具体而言，快速网的整体联通度最高，在不同距离区间均发挥着主要作用，并且该类网络中发生了相对远距离的联系。普快网中的城市间联系对距离较为敏感，但无法提供距离相对较远的城市联系。特快网中城市间的联系水平整体处于较低联通性的互动，不同距离区间差异较小。另外，高铁网与动车网的联系总量占黄河流域整体联系总量的49%，这是促进铁路客运联系的主要交通方式。

图10 基于不同距离区间的联通度

(三)空间策略

社会经济的发展水平与地理距离的远近可以通过测度直观地呈现，它们是影响黄河流域铁路客运流网络结构与空间组织模式的重要因素。此外，不同尺度的空间政策对于黄河流域城市网络的塑造也发挥着重要作用。市场调节与行政干预是一对互补的治理工具，空间策略对于区域的不平衡发展有着积极的引导功能。郑州与西安在黄河流域城市网络中处于中心地位，两者的国家中心城市建设不仅有助于提升自身综合发展水平，也有助于增强黄河流域的核心城市的带动能力。中原城市群、关中平原城市群、呼包鄂榆城市群、兰西城市群等是黄河流域内部的重要空间组织形式，城市群是跨界合作与区域发展的重要空间载体。西部大开发战略的提出推进了陇海兰新线周边城市的发展，甘肃、陕西与河南省域空间单元综合竞争力在不断提升，同时与东部城市的联系也得到加强。中部崛起计划对山西、河南等省份的城市区域发展在政策上给予重大支持，这也有助于提高中部地区的交通运输能力。西部大开发战略与中部崛起计划的区域范围均与黄河流域的部分省份一致，有益于充分发挥不同空间策略的叠加优势，推动黄河流域协调发展。此外，黄河流域内部的一些城市将通过“一带一路”倡议与新亚欧大陆桥的项目建设进而投身于国际合作中，这将为黄河流域城市区域开放水平的提升提供机遇。不同的空间策略对于资源配置与空间布局均会产生影响，这也是空间策略所体现的“空间选择性”[20]。空间策略可以作为一种推进区域协调发展与一体化的重要工具，从制度与策略的视角出发改善区域发展。

图11 基于不同尺度的黄河流域城市区域的空间策略

五、结论与对策建议

(一)主要结论

第一，黄河流域内部联系呈“船形”空间形态，且具有明显的层级结构；外部联系网络具有明显的空间指向性，北京是黄河流域首次位联系规模最大的城市，其次是上海，这也体现出经济发展水平与城市吸引力密切相关，而地理距离因素的制约降低；下游地区是黄河流域中城市间联系最为密切的区域，且以高铁为主要联系方式。第二，黄河流域节点的位序—规模分布符合Zipf法则，空间非均衡特征显著；节点度大致呈现从东向西的梯度分布，省会城市具有较高的连接能力；黄河流域内部的城市间联系差异显著，可划分为5个子群，即青甘宁子群、内蒙古子群、晋子群、陕豫子群以及鲁子群。第三，社会经济、地理距离以及空间策略对城市间联系有着重要影响，经济发展是交通建设的基础，同时也是提高自身吸引力的因素；随着高铁的发展，距离因素的制约因素不断降低，但是整体而言城市间联系符合地域邻近原则；空间策略对于城市网络的结构与发展在政策层面具有引导作用。

(二)对策建议

1.培育黄河流域城市网络的核心力量

培育黄河流域中心城市，提升城市区域竞争力是黄河流域城市区域实现高质量发展的重要举措。西安、郑州正在经历国家中心城市的建设与发展，它们将在流域发展方面发挥引擎作用，但是目前黄河流域内部的省域中心城市辐射力度、吸引能力等方面相对有限。改革开放时期，国家空间策略呈现出促进沿海城市发展的集中化特征[21]，中西部地区与东部沿海地区的差异化格局不断凸显，黄河流域内陆城市的经济发展动力不足也是国情所在。在新时代给予黄河流域发展机遇的现实下，培育黄河流域支点，促进中心城市带动周边连片发展，是推动流域充分发挥后发优势的关键路径。

2.提升黄河流域网络化发展的系统性

黄河流域城市网络的空间异质性较为突出，上、中、下游地区空间不均衡现象明显。中下游地区的交通网络密度高于上游地区，且下游地区是高铁流联系最为密集的地域空间。黄河流域的发展是一项复杂的系统工程，上、中、下游地区是该系统的子网络，子网络的合理分工与联动发展有助于形成1+1>2的合力，打破区流域空间格局的“不平衡不充分”现状，实现多元尺度的协同发展。下游地区铁路网发育良好，因此，下游地区城市区域排头兵的带动作用需要充分发挥，以推进多尺度的流域一体化发展。上、中、下游地区通过铁路干线相连接，省会城市间的互动较多，需要注意避免“过道效应”，重视中小城市的发展，释放铁路客运流的空间效应，推动铁路沿线经济带的发展。

3.加强黄河流域网络化联系的开放性

黄河流域铁路客运流的对外联系主要为北京和上海，与其他城市联系相对较少。铁路干线将距离远近不同的城市进行连接，既对相邻地区的组团式发展具有意义，也能对加强全国东西、南北地区桥梁作用的发挥产生积极效应。此外，加强对外开放联系，积极推进跨界空间合作是黄河流域城市区域在全球尺度提升竞争力的策略工具。黄河流域东西两端均为实现跨国合作的重要平台，山东省是黄河流域对外开放的东大门，甘肃省是黄河流域向西开展跨国合作的窗口。因此，以跨界合作为提高黄河流域综合发展的抓手，提供黄河流域区域协调发展的专项资金支持，打造贯穿东西的资源要素通道，积极参与全球联系，提升流域的国际化发展能力，将有助于黄河流域城市区域的开放性与包容性发展。