王 璐,孟德友*
(1.河南财经政法大学 资源与环境学院,河南 郑州 450046;2.河南财经政法大学 城乡协调发展河南省协同创新中心,河南 郑州 450046)
交通基础设施是区域间相互联系和往来的基础,是区域空间演变的支撑条件,交通基础设施的改善和交通工具的变革所带来的交通可达性的提升有利于促进城市间要素流动和集聚扩散的强度和频度。1959 年Hansen 首次提出可达性概念,将其定义为交通运输网络中节点之间相互作用的机会大小[1];国内学者提出,可达性反映了在区域范围内城市、区域与其它城市、区域发生空间相互作用的难易程度[2]。国内外学者从不同尺度[3-7]、交通方式[8,9]、公共服务评价层面[10,11]对可达性进行理论与实证研究;研究方法主要利用人口、经济总量等指标采用加权平均旅行时间[4-5]、经济潜力[12]等方法对可达性水平进行定量测度。可达性的改善促进地区间经济联系的增强,强化城市间相互作用和相互联系,是区域空间结构形成和演化的重要动力,推动空间结构由点轴模式向网络化演变,表现为城市间联系网络的发育和提升。自Castells提出“流空间”理论,世界范围内城市网络研究蓬勃发展,Talor提出“连锁网络模型”为城市网络研究找到了新方向,在中国独特的社会发展背景下,学者们对中国城市网络进行了理论研究与定量测度。有学者提出,城市网络是在特定区域范围内城市间通过要素流动和扩散,相互联系和相互作用,形成的复杂网络化系统[13]。城市网络空间关系通过荷载和扩展能力的强化,提升要素流通的广度和密度,增强与外部经济网络的联系,为区域经济协调发展提供动力[14]。城市网络结构是区域空间结构研究的主要内容和重要的描述与刻画手段,在研究区域上关注了京津冀[15]、长三角[16]、珠三角[17]等城市群,方法主要集中在重力模型[18]、连锁网络模型[19]和社会网络分析[20]等方法,研究视角主要基于人口流[21]、旅游流[22]、产业流[19]、互联网信息流[23]、交通流[14,20]等,尤其是基于交通流的城市空间联系能够比较准确的反映城市网络结构。交通基础设施的网络连通和枢纽带动作用对区域发展以及城市空间结构演变具有深刻的影响[12]。
国内外对交通可达性及城市网络研究取得了不少成果,但针对发展水平较高、相对成熟的区域较多,对中西部地区尤其黄河流域的研究还比较少。2019年黄河流域生态保护和高质量发展上升为国家战略,将对推动黄河流域生态保护和高质量发展,强化全流域协同合作、缩小南北方发展差距、促进民生改善具有重大战略意义。黄河中下游综合发展水平较黄河上游地区好,良好的地理条件、相对发达的交通网,能够作为黄河流域发展的主体带动整个黄河流域的发展。而学术界对黄河流域的研究还主要侧重于产业发展模式[24,25]、生态环境保护[26,27]等方面,对黄河流域交通与城市空间结构的研究相对较少,而交通基础设施作为统筹区域发展、实现资源优化配置的重要支撑,探讨其发展现状及特征对优化区域交通格局、加强区域联系与协作、统筹流域经济发展具有重要意义。鉴于以上考虑,以黄河中下游地区城市群城市为基本研究单元,采用铁路客运数据结合社会网络分析和空间分析方法,对黄河流域中下游地区城市可达性及网络结构特征进行深入分析,以期为黄河中下游地区协同发展提供参考。
根据《国家新型城镇化规划(2014-2020年)》和相关学者的研究[28],黄河中下游地区城市群包括山东半岛、关中平原、中原和晋中城市群。城市群范围界定以《山东半岛城市群发展规划》《中原城市群发展规划》《关中平原城市群发展规划》以及《2016中国城市群发展报告》[29]为标准,在城市群规划上跨省的地市,在本研究中以行政区划确定其所属城市群。考虑到本次研究为黄河中下游地区,关中平原群城市的范围暂不含甘肃省天水市、平凉市;中原城市群城市范围暂不含河北省邢台市、邯郸市,安徽省淮北市、蚌埠市、宿州市、阜阳市、亳州市。本研究基本单元为地级及以上城市,中原城市群不包含济源市(表1)。黄河中下游地区城市群国土面积53×104km2,占全国9.16%,2020年末总人口达到2.58亿人,占全国总人口的19.42%。
表1 黄河中下游地区城市群基本概况Tab.1 Basic situation of urban agglomerations in the middle and lower reaches of the Yellow River
以城市间最短旅行时间为城市间可达性测度基础,以城市间铁路客运班次为两地间联系强度。自2008年京津城际铁路开通到2018年底,中国高速铁路总里程达2.9×104km,建成了世界上规模最大、技术最先进的高速铁路网;同时考虑到数据的可获得性,研究选取2008年和2018年为考察时点,城市间旅行时间数据和铁路旅行班次从《2008年石开旅行时刻表》和《2018年盛名时刻表》中采集。在数据采集过程中遵循以下几点:(1)两城市间最短旅行时间选择的列车类型顺序为G>D>T>K>其它,优先选择可直达列车,不可直达的列车选择省会城市为中转地,暂不考虑中转待车及滞留时间。(2)城市间列车经停班次数,若两城市间无须中转,经停列车班次数量即为两城市间联系强度;若两城市间需要中转或无直接中转车站,则两城市间联系强度均赋值为0,获得黄河中下游地区城市群48个地级及以上城市间旅行时间及列车班次数据,涉及到的社会经济数据来源于相关年份的《中国城市统计年鉴》。
1.3.1 加权平均旅行时间
加权平均旅行时间是从节约时间的角度反映区域内从某一城市到其他城市的难易程度的指标。加权平均旅行时间越小,可达性越好,公式如下[30]:
(1)
式中:Ai为城市i的加权平均旅行时间;Tij为城市i到达城市j的最短旅行时间;n为城市i可到达的城市数量;Mj为加权平均旅行时间的权重,表征城市i对其它城市的影响程度,Mj取城市j的地区生产总值与年末总人口的几何平均值。
1.3.2 可达性系数
可达性系数指节点城市可达性值与区域内城市平均可达性值的比值,反映节点城市在区域内相对可达性水平,公式如下[30]:
(2)
式中:Adi为城市i的可达性系数;Ai为城市i的可达性值;n为网络中城市的数量。以该指标分析各城市相对可达性水平及其演化。
1.3.3 弦图
弦图是用来揭示网络节点间拓扑关系和属性的网络可视化方法[31],以节点属性为圆弧,不同圆弧代表不同的节点城市,对应的圆弧越长,其属性值越大。各圆弧间的连线为弦,弦的粗细表示城市间关联强度的大小。
1.3.4 社会网络分析
社会网络分析是一种结构主义视角下的量化分析。从网络密度、中心度方面对区域内城市网络结构及城市角色与地位进行定量分析。
(1)网络密度。网络密度指标反映的是网络中节点城市间相互联系的紧密度,值越大表示城市间联系越紧密,公式如下[32]:
(3)
式中:D为网络密度;k为城市节点数;d(i,j)为城市i与城市j间的客运联系量/班次。
(2)中心度分析。中心度指标反映了节点城市在网络中的角色与地位,中心度包括程度中心度、中介中心度及接近中心度等形式。
程度中心度用来测度网络中城市自身的交往能力,程度中心度越高,城市核心竞争力越强,公式如下[32]:
(4)
式中:CD(i)为城市i的程度中心度;Xij为城市i、城市j间的客运联系强度/班次。
中介中心度指标表示非邻接城市对其他城市的依赖程度,反映城市对其他城市间空间联系的控制程度。接近中心度在考虑网络完备性方面与中介中心度具有相似性,本文采用中介中心度探究网络中城市控制能力,公式如下[32]:
(5)
式中:CB(i)为城市i的中介中心度;gjk为城市j和城市k间存在的捷径数目;gjk(i)/gjk表示城市i处于城市j和城市k间捷径上的概率。
黄河中下游地区城市群城市的群内可达性在研究期间显著改善。2008年,各群内加权平均旅行时间在1 h内城市数量2个,为西安、咸阳,1~2 h内城市数量4个,为郑州、漯河、宝鸡、渭南。2018年,群内加权平均旅行时间在1 h内城市数量增加至3个,为西安、咸阳、渭南,1~2 h内城市数量增至10个,为郑州、开封、洛阳、许昌、宝鸡等;2018年较2008年加权平均旅行时间4 h以上城市数量明显减少,由21个减少到14个,降低了33%。表明城市群内部可达性已显著提升,但受交通基础设施区位、经济总量、人口规模等因素影响,黄河中下游城市群内部可达性水平及变化幅度存在区间差距。2008~2018年,山东半岛城市群内可达性值平均减少1.36 h,中原城市群内可达性值平均减少0.99 h,关中平原城市群平均减少0.42 h,晋中城市群平均减少1.31 h,主要源于高速铁路的快速建设运营,尤其是京广线、京沪线、徐兰线、青太客运专线贯穿黄河中下游地区的主要节点城市,如郑州、商丘、济南、青岛、西安、宝鸡、太原等。
2008~2018年,可达性水平空间格局呈现由不规则圈层结构向沿高铁线路轴线延伸的分布格局。2008年黄河中下游地区城市群内部可达性整体表现为不规则圈层结构,到2018年表现为沿京港线、徐兰线走向分布的特征(图1)。自“八纵八横”的新线网规划提出,城际高铁建设加快了步伐,黄河中下游地区城市群城际轨道交通网的规划实施已取得部分成效。山东半岛城市群威海市、枣庄市及烟台市可达性提升幅度较高,加权平均旅行时间分别减少5.15 h、3.2 h和2.93 h,这主要得益于京沪线、青荣线、济青线的高铁运营。中原城市群郑开城际铁路、郑焦城际铁路,徐兰线、京广客运专线连通郑州、开封、洛阳、安阳、鹤壁、新乡、许昌、漯河、商丘等城市,这些城市群内可达性水平相对较高,但提升幅度相对较小,原因在于2008年已有D字头动车组列车开通,其变化幅度相对平缓。关中平原城市群西宝城际线开通运营,西安、咸阳、渭南群内时间可达性值均在1小时内,群内可达性提升、差异减小;晋中城市群城际铁路建设起步较晚,可达性值相对较高,群内可达性较好的城市为太原、晋中、阳泉已开通高铁城市。高铁的开通运营,缩减了沿线城市间旅行时间,时间距离与空间距离的节约效应显著。高铁设站地区可达性水平明显提高,长治、晋城、濮阳、南阳、日照、滨州等未通高铁城市可达性水平与高铁设站城市差距逐步拉大,提升高铁线路网络密度是群内可达性提升、差异逐渐减小的关键。
图1 2008和2018年黄河中下游地区城市群内部可达性演变Fig.1 Evolution of accessibility within urban agglomerations in the middle and lower reaches of the Yellow River in 2008 and 2018
研究期内,城市群际加权平均旅行时间显著减少,中心城市辐射能力增强。高铁“四纵四横”基本建成,黄河流域中下游省会城市济南、郑州、西安、太原群际最短旅行时间分别降低了50.91%、47.27%、48.90%、45.31%,郑西线、青太线的开通运营,加速提升了黄河中下游地区城市群间可达性。黄河中下游城市群城市外部加权平均旅行时间均值由2008年的12.26 h降至2018年的7.69 h,降低了37.28%,主要在于京广线、徐兰专线与青太专线高速铁路的开通运营。山东半岛城市群外部平均可达性值缩短4.59 h,中原城市群减少4.16 h,晋中城市群减少4.47 h,关中平原城市群减少5.63 h,但城市群外部可达性及变化幅度存在区域差异,关中平原城市群对外平均可达性改善幅度最大,减少了5.63 h,2018年西安、宝鸡、咸阳、渭南均已开通高铁,群内高铁设站城市占比较高,对外旅行时间缩短,促进关中平原城市群对外时间可达性明显改善。2018年中原城市群对外可达性最优,可达性值为6.77 h,其余城市群外部可达性平均值均在8 h左右。中原城市群内省会城市郑州作为全国铁路网的关键节点,对其对外可达性的大幅度改善起着至关重要的作用,一方面郑西线、京广线、郑徐线的陆续开通运营,另一方面河南省“米”字形铁路网的快速建设,加速中原城市群对外联系密度与联系强度,促进中原城市群外部可达性水平提升。
黄河中下游地区城市群群际可达性格局表现出从片状联系、整体分散转变为以中原城市群为核心的“核心—外围”圈层结构特征(图2)。郑州市作为全国重要的铁路枢纽城市,其群际可达性快速提升能力辐射整个中原城市群。山东半岛城市群对外可达性以省会济南为中心向外围逐渐减弱,济南、泰安、济宁、枣庄外部加权平均旅行时间在7 h内,得益于京沪线和京港线的通车,呈现出了时间成本的节约效益。关中平原城市群呈现以西安为中心的圈层结构,可达性值向外升高,西安作为国家中心城市,其核心辐射能力较强,徐兰线促进关中平原城市群在黄河中下游群际可达性水平的提高。晋中城市群2008年城市对外可达性值在10 h以上数量为7个,2018年可达性值已均在10 h内,但晋中城市群对外可达性值较高,区域可达性是区域发展的前提条件[33],其仍需加强交通基础设施建设。高速铁路的快速建设,缩短了节点城市之间时间成本与时空距离,区域交通可达性水平得到极大提升。
图2 2008和2018年黄河中下游地区城市群际可达性演变Fig.2 Evolution of exterior-urban agglomerations accessibility in the middle and lower reaches of the Yellow River in 2008 and 2018
可达性系数及变化是城市在交通网络中交通优势相对地位的体现。2008年,相对可达性大于1的城市,山东半岛城市群8个、中原城市群3个、关中平原城市群5个、晋中城市群5个;2018年,相对可达性大于1的城市,山东半岛城市群10个、中原城市群5个、关中平原城市群3个、晋中城市群7个,如青岛、烟台、威海、日照、南阳、吕梁等(表2),反映了处于边缘地区的城市可达性状况相对较差。随着高速铁路的快速建设发展,2018年相比2008年,城市的可达性位序都发生了不同程度的变化。济南、焦作、潍坊的可达性位序提升了10个名次,尤其是济南由2008年的第17位升为2018年的第6位,京广线对山东半岛城市群、中原城市群节点城市群际可达性水平提高具有重要作用;郑州市排名升至第2位,其作为国家中心城市的重要节点发挥着自身交通枢纽的区位优势;德州、菏泽、聊城、周口、平顶山、日照、南阳等城市的群际可达性在黄河流域中下游地区城市铁路网络中的地位均有不同程度的降低,尤其是聊城市,可达性系数由0.71升为1.09,排序由第2位降为第30位,由于高速铁路的发展,位于城市群边界的门户区位优势不再明显,需加强与重要节点城市相关联系,利用高速铁路网的扩散效应,强化与中心城市的联动互动。
表2 城市可达性系数变化Tab.2 Variation of the urban accessibility coefficient in the Middle and Lawer Reaches of the Yellow River
2008~2018年,黄河中下游地区城市群内部联系愈加紧密,城市群网络密度呈现不同程度的提升。晋中城市群内部网络密度变化率最高,提升了123%,山东半岛城市群提升了107%、关中平原城市群提升了81%,中原城市群提升了75%(表3)。2018年关中平原城市群内部网络密度最高,达到21.43,表明关中平原城市群城市内部客运联系班次较为密集,但基于二值法(存在联系则为1,反之则为0)的网络密度仅为0.57,由于铜川市游离于铁路联系网之外,其网络连接状态相对较弱;基于二值化数据显示2018年山东半岛、中原城市群相对网络密度分别达到0.72和0.78,表明这两个城市群内城市间铁路客运联系超过70%,表现出较强的网络联系;研究期内,晋中城市群内部网络密度均最低,较其它城市群空间联系程度相对较弱,其发展态势处于相对较低的水平,内部客运联系班次亟需增加,增强群内城市间往来联系强度,提升区域发展水平。
表3 黄河中下游城市群内部网络密度Tab.3 Network Density within urban agglomeration in the Middle and Lower Reaches of the Yellow River
黄河中下游地区各城市群内程度中心度呈现较高幅度提升。2008~2018年,各城市群内省会城市郑州、济南、西安、太原程度中心度群内最高,其核心地位始终稳固,郑州市程度中心度由410.5增长至748.5,济南市程度中心度由253增长至558.5,西安市程度中心度由125.5增长至232,太原市程度中心度由71增长至170.5,涨幅均在80%以上,群内城市联系愈加紧密。2018年晋中城市群内临汾、运城程度中心度超越晋中,对外联系增强,群内次交通枢纽地位确立。研究期内,程度中心度高值集聚区域始终位于京广、徐兰沿线,沿线城市核心竞争力高于其它城市,轴线发展地位稳固。中介中心度地域性分布特征显著,核心城市控制力持续发力。中原城市群内郑州市群内中介中心度由3.33上浮至5.88,晋中城市群内太原市中介中心度由4上浮至6,其群内联系网络的控制力度持续增强;山东半岛城市群内中介中心度呈现高值集聚区,表明济南、德州、淄博是群内网络联系核心节点;但2008~2018年,关中平原城市群内西安群内中介中心度由3下降至0.33,但仍位居群内首位,其群内铁路客运网络的完善,使域内城市的中介能力向均衡化发展。
城市群内部联系强度愈趋紧密,中心城市节点地位稳固,城市间联系强度呈现出差异化特征。省会城市在城市群内部联系中居主导,济南客运班次由506次增至1 117次,郑州客运班次从821次增至1 497次,西安班次占群内班次的1/3,太原联系班次从251次增至464次(图3、图4)。2018年,山东半岛城市群内高联系强度城市对济南—淄博、济南—德州、济南—潍坊等班次在170以上,较2008年翻一番;淄博、潍坊、青岛群内班次位居前列展现出其在群内次交通枢纽地位;东营、滨州铁路客运较少,与整个城市群呈弱连接状态。中原城市群联系强度在120次以上城市对为郑州与洛阳、商丘、信阳、漯河、新乡、开封等、信阳与漯河和驻马店,徐兰、京广客运专线促进群内可达性提升及客运班次大幅增加,形成以郑州为中心,周边城市环绕的放射状网络格局,并逐步均衡化发展,但濮阳、周口仍与群内城市网络关联较弱。关中平原城市群基本联系格局未发生变化,城市间网络联系趋于紧密。西安具有优越的区位条件,网络联系总量占群内35%以上,联系强度较高城市对为西安—宝鸡、西安—渭南,联系强度在140班次以上,宝鸡次核心城市的地位逐步显现,商洛与群内网络联系密度略有增加,铜川无铁路运营,游离于城市铁路客运联系网络外围。晋中城市群铁路网络连接状态最弱,联系强度随着增加,但变化幅度较小。2008年群内联系强度最高城市对为太原—晋中(44次),2018年太原—临汾(72次)、太原—阳泉(70次)、太原—运城(66次)、运城—临汾(58班次)城市对联系强度超越太原—晋中(56次),其余城市间联系较为分散、网络连接状态较弱,晋中城市群空间联系发展态势处于相对较低水平。
图3 2008年黄河中下游地区城市群内部城市联系网络Fig.3 Connection network within urban agglomerations in the middle and lower reaches of the Yellow River in 2008
图4 2018年黄河中下游地区城市群内部城市联系网络Fig.4 Connection network within urban agglomerations in the middle and lower reaches of the Yellow River in 2018
黄河中下游地区城市群间网络联系密度不断提升,但城市间联系密度还相对比较弱。关中平原城市群对外网络密度值最高,中原城市群次之、晋中城市群网络连接程度最弱。2008年城市群间网络密度为1.29,标准差3.83,2018年网络密度达2.33,标准差为6.98,表明城市群网络结构在一定程度上获得了改善,但基于二值化得到的2008年和2018年铁路客运相对网络密度分别为0.26和0.47,表明铁路网络联系仍旧处于弱连接状态。各城市群之间网络密度均有所提升,但相对水平保持不变。中原与关中城市群均表现较高紧密联系状态,网络密度值由5.11升至8.17;山东与晋中城市群网络联系始终较为薄弱,2018年两者之间网络密度仅为0.76,铁路客运联系为104班次,可能存在其地理位置的非邻近原因,但就地理邻近城市群联系来看,中原—山东、中原—关中网络密度值均高于中原—晋中,这表明晋中城市群对外辐射不足,与周边城市群联系发展能力较弱。
程度中心度高值区沿轴线集聚特征明显,西安网络核心地位稳固。研究期间西安程度中心度均居首位,郑州程度中心度由第3名升至第2名,对外联系强度增加,济南、太原分别排第七、八位,排名小幅度上升。2008~2018年,程度中心度高值集聚于徐兰沿线,沿线城市交往能力高于其他城市,核心竞争力增强,尤其是商丘,程度中心度由122升至266,排名第4位,商丘作为徐兰线关键节点,其网络交往能力大幅度提升,成为中原城市群对外联系的枢纽城市。中介中心度呈现普遍提升特征,核心城市控制力持续发力,部分节点城市空间联系能力有所减弱。郑州中介中心度由49.707升至64.108,排名升至第1,太原由31.196升至42.309、济南由11.274升至16.467,表明其对联系网络的控制力度持续增强;而西安由72.035降至44.538,说明其对整体网络的控制力有所减弱;东营、滨州、濮阳、商洛等城市中介中心度最低,这些城市处于联系网络的边缘地位,与其他城市间交往联系的能力较小;中介中心度提升大多为高铁城市,这些城市逐步成为城市群对外联系的重要节点。
城市群之间联系强度明显增强。省会城市太原、济南、西安、郑州客运联系班次年均增长18.8%、14.5%、10.7%、8.6%(图5、图6),在群际联系班次数量上,西安1 029班、郑州682班要远超于济南299班和太原297班,徐兰线与青太线开通,较大程度上提高了城市群之间的联系强度。2018年,山东半岛城市群联系强度高的城市为郑州(255次)、商丘(327次),中原城市群联系强度高的城市为西安(786次)、渭南(410次)、宝鸡(309次);关中平原城市群联系强度高的城市为郑州(232次)、洛阳(373次)、三门峡(218次);晋中城市群联系强度高的城市为西安(146次)、渭南(87次),这种现象从一定程度上表明了地理临近对城市群之间往来联系的影响。郑西线是黄河流域中下游地区最早开通的省际高铁线,使得中原与关中平原城市群间联系迅速拉近,随着石太线、石济线、大西线的建设,黄河流域中下游地区东西贯穿,山东半岛、关中平原、晋中城市群联系强度增强,再加上京沪线、京港专线形成了黄河中下游“三纵两横”高铁网,使得城市间往来越来越密切。此外,区域内多个城市还游离在铁路网络之外,存在濮阳、滨州、铜川等边缘城市,各地方仍需加强对边缘城市的铁路规划建设,带动区域内整体经济发展。
图5 2008年黄河中下游地区城市群际城市联系网络Fig.5 External connection network of urban agglomerations in the middle and lower reaches of the Yellow River in 2008
图6 2018年黄河中下游地区城市群际城市联系网络Fig.6 External connection network of urban agglomerations in the middle and lower reaches of the Yellow River in 2018
以2008年和2018年铁路客运旅行时间和班次为测度指标,从城市群内外可达性和联系网络两个方面对黄河中下游地区城市群的城市网络格局进行定量分析,得到以下几点认识:(1)通过对各城市群内外可达性的研究测度发现,随着铁路发展,旅行时间缩短,可达性提升明显,群内加权平均旅行时间在1~2 h内城市数量增加明显,省会城市济南、郑州、西安、太原群际最短旅行时间均降低50%左右。但城市可达性水平存在较大差异,高铁线路的走向影响城市可达性格局。国家中心城市的地位展现出其较强的集聚影响力,集聚特征明显,网络核心地位逐步确立,具有较强的辐射扩散能力。(2)黄河中下游地区城市网络联系趋于紧密,城市群间网络密度由2008年1.29增长至2018年的2.33。网络结构呈现以省会城市为核心,向周边城市辐射,形成圈层网状联系格局,但个别城市处于相对孤立状态,对外联系较弱。(3)空间联系程度相对较弱、发展相对处于弱势的城市需加强对外交通基础设施建设,缩短对外联系时空距离,强化区域间对外联系与合作。(4)城市联系网络是由多要素流构成的综合网络体系,不仅包含铁路客流,还包括人口流、旅游流、互联网信息流等,引入多种要素对城市联系进行综合研究,更能全面刻画城市网络的结构特征及过程,这是后续需要加强探讨的一个方向。