高速铁路建设对甘肃省时空可达性的影响作用研究

高玉祥，董晓峰,b

(北京交通大学 a.土木建筑工程学院，b.建筑与艺术学院，北京 100044)

铁路是区域间联系的主要交通工具和地区发展的重要支撑，决定着空间联系的范围.高速铁路(以下简称“高铁”)能够极大压缩城市间的时间距离，提升沿线各城市的可达性，增强地区获取发展的机会和控制市场的能力[1].可达性是评价路网发展水平高低的重要指标，高铁最明显的特点是提升了地区的可达性，加速了人员和物资的空间流动，科学合理的高铁建设对优化路网布局和推动地区发展具有重要意义.

国内外学者对公路网、铁路网的可达性及其与经济社会发展的关系进行了大量的研究.Dupuy等[2]利用网络指数分析欧洲城市公路可达性及其等级体系.Kotavaara[3]研究了芬兰近40年的公路网可达性和人口分布的关系，发现人口更倾向聚集于路网可达性较高的地区.蒋晓威等[4]以加权平均旅行时间为指标，研究了基于公路网的安徽省城镇的可达性及演化规律，发现可达性变化在空间的分布具有交通干道指向性.张开广等[5]基于人口加权时间距离倒数的通达性指数研究了河南省高速交通网的通达性时空特征及变化规律.Gutiérrez等[6]用指标体系对欧洲铁路网带来的整体可达性进行研究评价.Holl[7]通过研究发现，高速铁路建设将原来的“环状”可达性格局改变为“带状”或“岛状”.钟业喜等[8]基于列车时刻表数据提取中心城市间的通达时间，以平均可达性为度量指标测算了高铁建设对全国31个城市可达性格局的影响.蒋海兵等[9]通过网络分析与成本栅格加权集成法，分析了京沪高铁对区域中心城市通达时间压缩效应.白永平等[10]运用空间句法、GIS技术和日常可达性模型，测度了兰西城市群的区域路网格局.

学者们关于路网可达性研究主要集中在较发达的公路网，对高铁可达性的研究对象多是高铁路网已基本成型的南方地区，省级尺度研究时选取的对象多为县级单元[11].而高铁建设相对滞后的欠发达地区，很多地级市都未通高铁，若在可达性研究中单纯选用县级节点使得在描述可达性的空间分布时准确度欠佳.为了更好研究高铁建设对甘肃省时空可达性的作用，本文采用地级单元和县级单元相结合的方法.测算通行成本的主要方法为网络分析法和成本距离法[12-14]，但后者在计算通行成本时，无法描述铁路站点的跳跃式通行，计算精度不如网络分析法，而传统的网络分析法由于未考虑交通换乘，难以较好地模拟不同交通方式的组合.针对传统的网络分析法未考虑不同交通方式转换需花费时间的问题，通过设置矢量阻抗对传统的网络分析法进行优化，考虑不同交通之间的换乘时间，使计算结果更符合实际情况.

本文作者通过GIS建立甘肃省交通网络数据集，利用改进的网络分析法和GIS空间分析，以全省14个市(州)和86个县(区)的可达性为指标，从两个层级研究不同时间节点高速铁路建设对地区时空可达性的提升作用.通过分析可达性的空间分布规律和变化特征，明晰甘肃省高铁建设的优势与不足，为今后的高速铁路建设提供一定的参考.

1 研究区域与数据来源

1.1 研究区域

甘肃省位于中国西北地区，东通陕西，西达新疆，南瞰四川、青海，北扼宁夏、内蒙古，西北端与蒙古国接壤[15].省内铁路网主要形成以宝兰—兰新高铁、陇海—兰新铁路贯穿全省，以干武铁路、兰渝铁路、包兰铁路等为支撑的区域铁路网.截至2018年底，铁路总里程4 872 km，其中高速铁路1 269 km，甘肃省铁路网和人口分布见图1.

人口在空间上分布不均衡，呈现“西北—东南”的轴向分布特征，主要集中在陇海—兰新线和宝兰—兰新高铁的沿线.占全省面积2/5的河东地区集中了全省80 %的人口，而面积占全省3/5的河西走廊仅有20 %的人口[16].

2019年8月国家发改委印发《西部陆海新通道总体规划》[17]，明确提出“加强西部陆海新通道与丝绸之路经济带的衔接，提升通道对西北地区的辐射和联动作用，有力促进西部地区发展”.甘肃省作为丝绸之路经济带的重要节点省份，不断加快高铁建设，释放客货共线铁路的货物运输能力，对建设陆海新通道具有极其重要的意义.

1.2 数据来源

路网数据和人口数据来源于《甘肃发展年鉴2012》《甘肃发展年鉴2015》《甘肃发展年鉴2018》《甘肃发展年鉴2019》、甘肃省地图(2012版、2015版、2018版、2020版).

利用矢量化方法从不同时间年份的地图中提取空间要素，分别建立道路、铁路的矢量要素图层，根据铁路和公路的行车速度标准并结合甘肃省路网的实际情况，在speed字段中对不同类型的铁路、公路按表1中给定的值进行速度赋值.

表1 不同等级铁路与公路的速度

2 研究方法

2.1 可达性

平均可达性是指某点到区域内其他所有节点花费时间的平均值，可体现该节点在区域内的交通区位优势，计算公式为[18]

(1)

式中:Ai为城市的平均可达性，表示i点在交通网络中的可达性水平；Tij为区域内i城市到j城市的最短交通花费时间；n为交通网络中除选定城市以外的城市总数.Ai的值越小表示该城市的可达性越好，反之则表示该城市的可达性越差.

节点间通达时间的计算一般采用网络分析法，主要原理为OD(Origin-Destination)矩阵.OD矩阵以所有交通分区按行(起点区)与列(讫点区)排序，以任意起终点之间的OD量为元素的矩阵，多被用来计算多个目的地、起始地间的通行成本.通过Arc GIS的Network Analyst模块可完成节点间的通行成本计算，OD矩阵SOD为

(2)

2.2 改进的网络分析法

网络分析法利用路网中各元素的拓扑关系实现通行成本计算[19]，由于本文研究中选取的路网基础数据包括公路、普速铁路和高速铁路，不同交通方式转换时会存在换乘成本，而被广泛采用的网络分析法并未考虑交通方式转换成本.为更准确计算高铁建设对空间通达性的提升作用，对传统的网络分析法进行改进，在构建网络数据集时加入换乘阻抗及属性来设置换乘时间，主要设置原理见图2.

当位于公路G上的乘客需要到达点Q时，必须先在火车站S换乘，需要经过公铁换乘阻抗A.交通方式由汽车转变为火车，此时加入乘火车的等待时间并设定属性值.当位于铁路T上的乘客要到点Z时，仍需在火车站S换乘，此时状态为火车换乘汽车，作用的仍旧是公铁阻抗A，铁路与铁路换乘时间的设置同理.通过上述方法在构建路网数据集的过程中添加矢量阻抗及属性的方式来设置换乘时间，将铁路间的换乘时间设置为1 h，铁路和公路间的换乘阻抗为0.7 h.

基于上述原理将甘肃省各类路网数据矢量化，并在属性中添加相应的成本字段及属性值，结合GIS空间分析方法构建甘肃省路网数据集，见图3.

3 可达性的时空变化特征

3.1 2011年全省可达性

为了更好分析高铁建设对甘肃省可达性的提升作用，利用路网数据集和GIS空间分析，首先计算2011年全省各市(州)无高铁时的时间可达性，然后计算2014年全省各市(州)有高铁时的时间可达性，计算得到的市(州)间通达时间见表2.

表2 2011、2014年甘肃省各市(州)相互间的通达时间

由表2可知，市(州)相互间的通达时间均较大，在空间上的联系很不方便.大部分市(州)间的通达时间在7 h左右，陇南—嘉峪关的通达时间为17.31 h，是所有市(州)间最大的.河西五市与河东地区市(州)的通达时间都大于7 h，主要是由于交通不便，再加上甘肃省狭长的地形特征，造成相互间的通达时间较长.市(州)平均可达性为7.46 h，铁路网建设较好的地区可达性好，兰州的可达性最优，陇南的可达性最差.

为了更好研究甘肃省可达性的空间规律，利用GIS的反距离权重插值方法将计算得到的县(区)可达性进行空间化后见图4.可以发现全省的县区可达性整体呈现“中间好、两端差”的空间特征，以兰州为中心向四周扩散，可达性较好的区域均位于兰州及其周边，东南部的可达性优于西北部.可达性的空间分布具有明显的“廊道”特征，陇海—兰新铁路附近的节点可达性均较好，而位于其辐射范围外的县区可达性普遍差.

2011年全省县级单元的平均可达性为9.44 h，可达性大于10 h的县(区)有26个，区域的空间联系普遍较差.肃北的可达性最差，其值为19.18 h，阿克塞、瓜州、环县和华池等可达性也较差，均大于14 h.县(区)平均可达性比市(州)平均可达性大2 h，地级节点可达性优于县级节点，这与路网分布有密切的关系，地级市的铁路通达率同时也远高于县级单元.

3.2 2014年全省可达性

兰新高铁由兰州至乌鲁木齐，全长1 775.8 km，是甘肃省内的第一条高速铁路.2014年12月全线开通运营，直接联通了兰州、张掖、酒泉和嘉峪关，计算的市(州)通达时间见表2.

高铁运营使各市(州)间的通达时间大幅缩短，兰州在5 h内可通达的城市增加到11个，兰州—酒泉的通达时间由8.28 h缩短为4.07 h，庆阳、陇南至酒泉的通达时间缩短了4 h，大部分市(州)的通达时间都在7 h以内.市(州)平均可达性为6.3 h，较2011年减小1.16 h.高铁沿线的张掖、酒泉、嘉峪关三市，可达性分别较原来提升2.29、2.82、3.13 h，7～9 h的可达性范围扩大到张掖全部、酒泉部分区域，与其他区域的可达时间进一步缩短.同处河西走廊的武威、金昌由于未通高铁，与新开通的兰新高铁沿线的张掖、酒泉和嘉峪关相比，可达性比2011年仅缩短了0.04 h.

兰新高铁缩短了河西走廊与兰州及甘肃东南部的时空距离，全省的可达性有了很明显的提升，2014年县级单元的可达性空间分布见图5.

计算得到2014年甘肃省县(区)平均可达性为8.31 h，较2011年整体缩短1.13 h，可达性变化率为13.6 %，而市级节点的可达性变化率为19.8 %，表明高速铁路建设对甘肃省地级市可达性的提升更为明显.可达性小于7 h的县(区)有26个，小于9 h的有62个，约占全省的3/4.肃北的可达性依旧最差，相比上一节点提升了4.47 h，是可达性改善最大的节点.张掖、酒泉的县级节点的可达性提升最明显，平均提升幅度为3.59 h，是全省平均可达性变化量的3倍.

3.3 2017年全省可达性

2017年7月，东起宝鸡、西至兰州的宝兰高铁通车，与已有的兰新高铁形成贯穿全省的快速铁路客运通道，优化了地区的铁路网络，通车后甘肃省各市(州)间的通达时间和预测的2025年各市(州)间的通达时间见表3.

由表3可见，宝兰高铁串联城市间的通达时间大幅缩短，兰州至省内其他市(州)均可在7 h内到达.酒泉到天水的可达时间由2014年的9.43 h缩短为5.49 h，酒泉到陇南缩短为7.77 h，甘肃西北部与东南部的时空距离进一步缩短.天水和嘉峪关作为区域副中心城市，是周边地区对外联系的交通枢纽，高铁开通对其周围地区的通达性改善明显.

表3 2017、2025年甘肃省各地级市(州)间的通达时间

宝兰高铁开通以后，计算的2017年县(区)可达性的空间分布见图6，与2014年相比可以发现甘肃省东南部的可达性明显提升，形成了沿西北-东南轴向的可达性优质区，高铁沿线区域的可达性显著提升.全省7 h内可达性范围的面积进一步增大，可达性小于9 h的县(区)增加到71个，但庆阳所有县(区)的可达性都大于9 h，全市的可达性仍较差.庆阳作为全省的第三大城市，交通不便捷成为制约经济快速发展的因素.陇南部分区域进入8 h内，可达性虽有提升却不是很大.县级单元平均可达性较2014年减小0.9 h，变化率仍小于市级单元的15.4 %，由于宝兰—兰新高铁为省内仅有的高速铁路，串联了6个地级市，故地级单元的可达性提升幅度仍优于县级单元.

3.4 2019年全省可达性

2019年兰渝铁路开通兰州—重庆、兰州—成都的动车组列车(速度160 km/h)，兰新高铁开通兰州—敦煌动车组列车(速度160 km/h)，全程运行时间为8.7 h.将以上开通动车组的线路也算入“高铁”范围，计算的2019年甘肃省各市(州)间的通达时见图7.

与2017年相比，各城市间的通达时间变化不大，市(州)可达性均值为5.29 h，较2017年仅提升0.16 h.可达性变化最大的是陇南，由6.38 h缩短为5.76 h.陇南风光秀丽，拥有丰富的旅游资源，可达性的提升对旅游业发展有积极的推动作用.庆阳—嘉峪关的通达时间为11.96 h，是市(州)间通达时间最长的，铁路建设止步不前，对外联通的方式仍比较单一，严重制约了庆阳的社会经济发展.

2019年县级单元可达性的空间分布见图8，平均可达性为6.92 h，比上一时间节点减小0.49 h.陇南、定西南部的可达性有提升.其中，康县、岷县、宕昌和武都的可达性都比2017年缩短了0.8 h以上，拉近了和兰州的时空距离.县级单元可达性变化率高于市级单元的3%，主要是因为2019年地级市中只有陇南通达高铁，而县级单元则有瓜州、敦煌等进入高铁网.

3.5 2025年全省可达性

根据甘肃省在建和即将开建的高铁项目，到2025年将有银西高铁、中兰客专、兰张高铁、兰合快速铁路等通车，高铁运营总里程将超过2 300 km，预测的2025年各市(州)可达时间见表3.

届时市(州)间的通达时间基本在7 h以内，兰州到其他地市的时间都在4.5 h内，主要城市间的空间联系增强.市(州)平均可达性为3.61 h，兰州的可达性为2.27 h，可达性变化率为72.7 %.

经过密集的高铁建设，2025年全省的县(区)可达性有了更明显的提升，预测的可达性见图9.

预测得到的2025年全省县级单元平均可达性为5.61 h，有38个县区的可达性小于5 h，66个县(区)的可达性在6.5 h内，省内一日交流圈的范围迅速扩大.从具体节点来看，肃北的可达性水平提升最快，由19.18 h减小到12.45 h.兰州及周围县(区)由于在交通枢纽的影响范围内，可达性变化值最小.甘南、陇南和庆阳部分区域的可达性都缩短到7 h内，甘南州有部分区域的可达性提升到5 h内，庆阳全域都在8 h范围内，高铁将作为地区发展的重要支撑，推动这些地区与其他区域的社会经济往来和人员交流.

3.6 不同时间节点的可达性比较

不同时间节点的市(州)可达性变化见图10，可以发现兰州作为西北地区重要的铁路枢纽，可达性一直最优，周边的临夏、定西和白银可达性也较好，通往其他地区的通达时间短.庆阳、平凉、甘南和临夏，从未通铁路到跨入高铁时代，可达性明显提升.庆阳可达性从最初的9.72 h缩短为5.65 h，平凉的可达时间也从7.97 h缩短为4.04 h，可达性改善有质的飞越，与其他市州的联系进一步增强.

高铁建设使甘肃省的可达性显著提升，不同时间节点市县两级单元的可达性比较见图11.

由图11可见，从2011年到2019年市、县的可达性均有了很大改善，市级单元平均可达性由2011年的7.46 h缩短为2019年的5.29 h，年均减少0.27 h，年均可达性变化率为5.1 %；县级单元的平均可达性由2011年的9.44 h缩短为2019年的6.92 h，减小了2.52 h，年均减少0.32 h，其年均可达性变化率小于地级单元，高速铁路建设对甘肃省市(州)可达性的提升优于县(区).各时间节点市级单元平均可达性均优于县级，仅在2019年县(区)可达性变化率高于市级，主要是由于该时间段内新开通动车组线路串联的县区数目远多于地级市.

4 结论

1)高速铁路建设缩短了甘肃省各城市间的通达时间，节点的轴向联系更加明显，可达性得到显著提升.全省的时空收敛效应不均衡，位于边缘地区的节点可达性提升最大，但甘南、陇南和庆阳仍然是高铁建设的薄弱地区，未来可达性的提升空间依然较大.

2)地级节点平均可达性由2011年的7.46 h缩短到2019年的5.29 h，县级节点平均可达性由2011年的9.44 h缩短到2019年的6.92 h，其年均可达性变化率小于市级节点，高铁建设对甘肃省地级节点可达性的改善幅度优于县级.

3)甘肃省应紧抓“一带一路”和“西部陆海新通道”的建设机遇，进一步优化完善省内的高铁路网布局，加快路网薄弱地区的高铁建设，通过不断增强省内城市间的联系沟通来实现经济建设的跨越式发展.本文研究成果对该地区今后的高铁建设可提供一定的参考.