山西省基于时间可达性的城市吸引范围划分

司奕坤，赵 蓉

(太原师范学院 地理科学学院，山西 晋中 030619)

城市是具有一定人口规模，并以非农业人口为主的居民聚集地。从区域角度看，每个城市都有自己的影响范围[1]。城市的吸引范围就是城市的吸引力和辐射力对周围地区的社会经济联系起主导作用的一个地域。1932年，克里斯塔勒的中心地理论明确提出了中心地服务范围的概念[2]。从20世纪50年代到20世纪末，国内外对城市吸引范围的划分主要采用实证法与数学模拟法。1955年，Green[3]最先采用实证法，选择了6个指标划分了美国纽约和波士顿的吸引范围。顾朝林等[4]也采用类似方法对济南市的城市吸引范围进行了划分。数学模拟法主要是依据引力模型及其改进模型对城市吸引范围进行划分。陈田[5]运用康弗斯(Converse P D)的断裂点理论对全国范围的城市吸引范围进行了划分。刘科伟[6]采用赖利(Reilly W J)的引力模型对陕西省城市的吸引范围进行了研究；王德等[7-8]人参考了赫夫(Huff D L)引力模型自行开发了USAP软件，并利用该软件划分了沪宁杭地区的城市吸引范围。以上方法多基于区域的空间距离，并未考虑交通状况的改变对城市间相互作用的影响。进入21世纪后，随着地理信息系统技术的成熟和发展，以及多源数据的获取难度不断降低，大大提高了研究的可靠性和真实性。张莉等[9]改进了之前算法，自行开发了计算区域时间可达性的GIS程序，并基于此对长江三角洲的城市吸引范围进行了划分。陈守强等[10]综合了上述3种方法，提出了界定城市群发育范围的具体步骤。

山西省长期以来都显现出省会城市对省内其他城市集聚吸引能力偏弱，区域中心城市对区域内其他县市的集聚吸引能力偏弱的缺点，基于此，笔者旨在利用GIS技术，基于山西省实际路网，通过时间可达性的扩散对山西省的城市吸引范围进行划分，为山西省内各区域间交流联系空间格局的优化、交通基础设施的优化布局以及山西省行政区划的调整提供参考。

1 研究区概况

山西省地处我国北方东部到西部的过渡区域，地形地貌复杂多样，地貌类型多为高原、山地。山西省是我国重要的能源基地，华北地区重要的交通枢纽。全省土地总面积15.67万km2,总人口3 491.56万人。山西省交通发展滞后，部分县(市)还未开通高速，铁路有同蒲、京包、大秦、神黄、石太高铁、大西高铁、郑太高铁、太中银高铁等主要干线。其中，郑太高铁与太中银高铁分别于2020年、2021年开通运行，开通时间较短。截至2020年，全省公路通车总里程14.43万km，公路密度达到92.08 km/百km2，其中，高速公路通车总里程为0.57万km。由于高速铁路的开通对区域各节点时间可达性的影响很大，所以本研究选取2015年与2020年两个时间节点进行研究。

2 研究方法与数据来源

2.1 数据来源

笔者所采用的道路数据来自OSM(https://www.openstreetmap.org)，2020年的交通数据集中包括了当时还尚未开通的太中银高铁。DEM数据来源于地理空间数据云(https://www.gscloud.cn/)，土地覆盖数据来源于GLOBELAND30(http://www.globallandcover.com/)。山西省行政边界数据来源于全国地理信息资源目录服务系统(https://www.webmap.cn/)，以上数据地理坐标统一为WGS-84坐标系。

2.2 数据处理

将整个研究区划分为100 m×100 m的栅格单元，确定每一栅格单元的通行时间成本(CrossCellTime，CCT)，如式(1)所示：

(1)

其中：CCT为通过每一栅格单元所要花费的时间成本，c为栅格单元边长(100 m)，v为通行速度。道路速度设定的主要依据为道路实际运行情况以及《公路工程技术标准》(JTGB01-2014)(见表1)。

表1 不同等级道路及其通行时间成本

若栅格单元内无道路通过，对地形与土地利用数据进行重采样统一栅格大小为100 m×100 m后，根据其坡度值与土地利用类型，应用下式计算其通行速度[11]，并计算其CCT值：

(2)

式中：V为通过无道路地区的速度，S为栅格单元坡度。参考相关研究[11]，将坡度超过31°设定为不可通过区域；i为栅格单元速度折减系数，不同土地利用类型速度折减系数分别为：建设用地1.0、耕地或草地0.8、林地0.7、灌木林地0.75、湿地或裸地0.2、水域为不可通过区域。

2.3 山西省城市等级的划分

本研究按照山西省“一主三副六市域中心”的城市格局，将山西省11个地级市分为3个等级。以太原都市区(包括太原市与晋中市)为一级城市，大同、长治和临汾二级城市，剩余6个地级市为三级城市。

3 结果与分析

由于城市的吸引范围会随着交通网络的发展而不断变化。所以本研究选取2015年与2020年两个时段对山西省时间可达性的时间演化进行研究。分别将3个等级城市的市政府所在地设为目标点，其中太原都市区选择的目标点为太原市与晋中市政府。利用ArcGIS 10.8软件成本距离工具计算山西省范围内所有格网单元通过时间距离最短的路线到达各级目的地城市的时间，生成了2015年与2020年山西省各级城市时间可达性扩散图，如图1所示。因为高等级的城市也包含低等级城市的职能，所以本研究中二级城市当中也包含一级城市，三级城市则包含所有城市。

图1 2015年与2020年山西省各级城市时间可达性扩散图

3.1 一级城市时间可达性变化

以太原都市区作为目标城市计算山西省区域内所有栅格到达太原都市区的时间可达性扩散图并对不同时间的覆盖范围区域进行统计，见表2。

表2 山西省一级城市时间可达性的分区统计

2015年，山西省境内共开通运行了两条高铁，分别为大西高铁与石太高铁，3 h吸引范围明显向大同、运城和阳泉方向延伸，对东南部的晋城辐射能力较弱。2020年郑太高铁的开通缩短了晋东南地区到达太原都市区的时间成本，这在一定程度上提升了太原都市区对晋东南地区的集聚吸引能力。由表2可以看出，2020年太原都市区3 h吸引范围面积比2015年增长了12.7%，有2/3的县都进入到3h吸引范围。

2020年太原都市区时间可达性沿交通路网呈“大”字形向外扩散，按照一日交流圈(3 h等时圈)的理念，太原都市区基本覆盖到了山西省11个地级市的行政区范围，但是太原都市区的3 h覆盖范围主要为其周边的忻州中部、阳泉、吕梁东部、长治等地，对北部的大同，南部的运城以及东南的晋城辐射力相对较弱。虽然运城、晋城、大同均有通往太原南站的高铁线路，但晋城东站位于泽州县东部的金村镇，距晋城市市政府有半小时车程；运城北站位于盐湖区北部陶上村，距运城市市政府也有半小时车程，未来山西省在继续加大省内通往太原都市区的交通基础设施投入的同时，还应该增设从交通站点到达市区的通勤线路和频次，从而缩短往返于车站和市区的通勤时间，进而强化太原都市区的极核作用。

3.2 二级城市时间可达性变化

选择太原都市区、大同市、临汾市与长治市作为目标城市，计算山西省区域内所有栅格点到达最近二级城市的时间可达性扩散图并对不同时间的覆盖范围区域进行分区统计，见表3。

表3 山西省二级城市时间可达性的分区统计

从表3可以看出，2015年、2020年山西省4个等级城市0～2 h覆盖范围均有一定程度扩大，2 h以上覆盖范围绝大多数存在下降趋势。太中银高铁的开通，使得原来位于太原都市区2 h以上覆盖范围的离市区，中阳县与柳林县进入到1～2 h覆盖范围。太原都市区3 h以上覆盖范围在所有二级城市中增速最快，晋北地区增速缓慢，未来应加强晋北地区交通基础设施建设。从2020年时间可达性扩散图来看，二级城市的时间可达性扩散基本与山西省“一主三副”的城镇格局相符合。

3.3 三级城市时间可达性变化

第三等级城市是太原都市区加剩余9个地级市。将第三等级城市设为目标点计算山西省区域内所有栅格点到达最近二级城市的时间可达性扩散图。2015年、2020年，三级城市时间可达性变化不大，117个县级行政单元全部位于3h覆盖范围内。

3.4 吸引范围与行政区范围的叠合分析

在时间可达性的基础上，利用ArcGIS成本分配工具计算各级城市吸引范围，把各级城市的吸引范围与它们的行政区范围进行叠合分析，并计算各市吸引范围中各城市面积的比例和各市行政区面积中各市吸引范围的比例。

3.4.1 二级城市吸引范围与行政区范围的叠合分析。太原都市区的辐射范围占据了山西省面积的47.44%，主要包括周边的阳泉、忻州、吕梁中、北部和长治西北部的县(区)。临汾和运城、长治和晋城、大同和忻州各自形成了组团结构。其中，大同副省域中心的吸引范围占晋北地区(大同、朔州和忻州)面积的61%，基本包括大同和朔州全境以及忻州市的偏关县、代县和繁峙县部分地区；临汾副省域中心的吸引范围占晋南地区(临汾和运城)面积的97%，基本包括运城、临汾全境以及吕梁市的石楼、交口两县部分地区；长治副省域中心的吸引范围占晋东南地区(长治和晋城)面积的80.9%，基本包括除长治西北部的沁县、武乡县以外的长治、晋城全境。

3.4.2 三级城市吸引范围与行政区范围的叠合分析。参考张莉等人的研究[9]可将各级城市吸引范围与行政区范围叠合分析的结果分为4种类型，见表4，得出山西省各级城市吸引范围与行政区的叠合分析统计表。为表示方便，分别用X、Y、Z表示吸引范围中各城市面积比例、行政区中各市吸引范围面积比例、吸引范围与行政区面积比例。

表4 吸引范围与行政区面积比分类标准

结果所示:晋城、运城、临汾的吸引范围与行政区范围大致吻合，表明三市目前的交通发展状况与其影响区域的范围基本一致；大同、阳泉的吸引范围大于其行政区范围，表明两市在现有的交通网络基础上不仅能够影响本市行政区范围内的区域，还能辐射到周边城市的县市。其中，大同的吸引范围还包括了朔州的右玉县、怀仁市和应县，阳泉吸引范围还包括了寿阳、昔阳和和顺三县。未来可以适当扩大阳泉市的行政区划；忻州的吸引范围小于其行政区范围，表明其目前的交通发展状况滞后于区域发展状况，未来要加强忻州市的交通建设投入力度。吕梁、长治、朔州、太原都市区与其行政区的范围存在错位，表明这些城市在目前交通发展状况的基础上，其吸引范围包含了周边县市的同时又受到了其他不同城市的吸引，见表5。从结果可以看出，太原都市区的吸引范围并没有在省内占有绝对优势，其行政区范围内还有30%以上的区域处于其他地级市的吸引范围之内。未来还要进一步加强太原都市区的交通投资力度，通过更加密集的交通网络加强其与省内各城市的联系，提升太原都市区的综合实力和在山西省内的区域影响力。

表5 山西省三级城市吸引范围与行政区的叠合分析

4 结论与讨论

笔者基于山西省实际的陆路交通网，生成了山西省交通网络数据集。综合考虑了地表的坡度和地表覆盖类型以及道路的类型和等级，分别生成了2015年与2020年山西省3个级别城市的时间可达性扩散图。结果发现:山西省交通的发展受地形因素影响较大，路网主要沿盆地延伸，时间可达性扩散也主要沿盆地呈放射状向外扩散；高铁线路的开通对太原都市区于全省的辐射吸引作用具有较大的正向作用；通过叠合分析可以发现吸引范围与行政区有发生错位的区域，未来可结合实际适当地进行行政区划的调整。

区域是开放的，本文将山西省看作一个孤立的区域，仅讨论了省域范围内各城镇节点的时间可达性，忽略了其与其他省份的联系。

本研究仅考虑了交通一个影响因子，综合考虑多因素研究山西省城镇节点吸引范围的时空演变有待笔者进一步深入。