山东半岛城市群高铁可达性及其经济联系响应

胡 瑞,于尚坤,刘惠冉,王成新,苗 毅,王雪芹

(1.山东师范大学 地理与环境学院,山东 济南 250358;2.山东省高校人地协调与绿色发展协同创新中心，山东 济南 250358;3.南京邮电大学 地理与生物信息学院,江苏 南京 210023)

交通是兴国之要,强国之基。近年来,中国高速铁路(高铁)发展迅速。截至2021年底,其运营里程突破40 000 km,逐渐形成以特大城市为中心覆盖全国、以省会城市为支点覆盖周边的高速铁路网,也促使中国高速铁路研究成为热点[1-4]。其中,高铁建设对区域交通可达性水平以及经济发展的影响已成为重要的研究主题[5]。伴随多源数据的广泛获取与评价技术的改进,诸多学者基于可达性的多维度概念内涵,运用网络分析[6]、成本加权栅格法[7]、矢量-栅格集成法[8-9],通过判断区域间的加权平均出行时间、日常可达性等测算指标[10-11],结合Super-DEA、DEA等模型[12-14],改进和发展可达性的测度,并进行区域交通可达性特征与演变的刻画,发现了高速铁路的建设对区域交通可达性提升的深刻影响[3,10]。基于可达性测算发现的显著的时空压缩效果,学者们对经济联系格局[15]以及交通可达性与经济联系关联分析[16]展开了进一步的丰富论证,广泛涉及了洲际[17-18]、国家[19-20]、区域[21-22]、城市群[23-26]、省域[27-29]、城市内部[30]等各类宏微观尺度。结果表明,高铁所形成的“廊道效应”[31]逐渐成为促进沿线地区经济联系[32-33],重塑中国城市与区域空间经济格局的重要力量[34-35]。也有研究表明高速铁路的“时空收敛”效果具有非均衡特征[36],从而引发交通公平性问题。

总体而言,关于高铁对交通可达性与区域经济联系影响的成果日益丰富,但对山东半岛城市群的关注相对较少,可达性方面结合理论情景与“12306”官网真实通行时长的探讨相对不够充分。作为中国沿海经济人口大省,山东省具有与全国相似的城市化率、产业结构,高速铁路发展起步较早,具有一定规模。鉴于此,聚焦山东半岛城市群开通高铁的10个地级市,基于高铁开通前2008年和开通后2019年的列车开行信息数据,围绕加权平均出行时间、日常可达性以及引力模型等方法,分析高铁网络对沿线城市可达性及经济联系的影响,以期为城市群高速铁路交通网络的高标准、合理化规划建设,培育山东省以及黄河流域经济网络与中心城市,实现区域性高质量发展提供科学参考[37-38]。

1 研究方法与数据来源

1.1 研究区概况

山东半岛城市群地处黄河下游,对内承接南北、拱卫京畿,对外毗邻日韩、面向东北亚、联通“一带一路”,是黄河流域的经济重心和龙头带动区域。本研究的区域范围来源于《山东半岛城市群发展规划(2021—2035年)》,覆盖山东省16地市。至2021年底,该区域常住人口10 169.99万人,地区生产总值达83 095.9亿元[39]。

山东半岛城市群高速铁路建设发展迅速,截至2021年底,运营里程达2 319 km,位居全国第3位。已建成的高铁、快速铁路项目包括胶济客专、京沪高铁、青荣城际、石济客专、济青高铁、青盐铁路青连段、鲁南高铁日菏段、潍荣高铁潍莱段等8个项目,现已形成“一纵两横”的环鲁高速铁路网,6 h可环游齐鲁8市(见图1),并逐步加快构建“四横六纵”现代化高铁网络。预计至2035年将形成“省会环、半岛环、省际环”格局,覆盖县域范围达到93%以上[40]。

图1 山东半岛城市群高速铁路现状图(截至2021年12月)

1.2 研究方法

1.2.1 加权平均出行时间

加权平均出行时间测度是评价某节点到各经济中心可达性的常用指标,指标测算值越低,表示节点对外联系的成本越低,即可达性愈好,反之亦然。其公式为[8]

(1)

(2)

式中:Ai为研究区域内节点城市i的加权平均出行时间(min),i为10个高铁沿线中心城市;Tij表示节点i通过某交通设施或网络到达节点j的最短旅行时间;Mj为节点城市j某种社会经济要素流的流量,即表示该经济中心的经济实力和对周边地区的辐射力或吸引力的高低,常用GDP总量、人口规模、社会商品销售额等指标来衡量,本文采用各节点地区生产总值(Gj)和年末总人口数(Pj)的几何平均值作为权重;n为研究区域中除节点i以外的节点数量。

1.2.2 日常可达性

日常可达性表示某节点城市i在有限旅行时间内所能达到的经济活动规模或人口规模[41],可用活动的人流或物流量来度量,也可采用日常最大通行范围来表示。其中,等时圈法是日常可达性分析的常用方法,分析给定节点在出行时间限定内可以到达目的地的数量或区域内的人口数量,从而评价节点的可达性。根据《山东半岛城市群发展规划(2016—2030年)》提出的城市群3 h交通圈及综合相关研究[26],本研究以3 h为出行时间阈值,统计各城市对外联系的3 h等时圈覆盖的人口规模。公式为[42]

(3)

式中:Di表示节点城市i的日常可达性值,其值越大表示节点的可达性水平越高;Pj为节点城市人口规模;δij为系数,若节点城市i到城市j间的加权平均出行时间Tij在3 h以内,则δij=1,否则δij=0;n为研究区域中除节点i以外的节点数量。与加权平均出行时间研究相同,假设城市中人口集中在某一点上不移动。

1.2.3 引力模型

引力模型最早由英国学者莱温斯坦提出,认为在人口迁移过程中,人口迁移量与城市人口数量成正比,与城市距离成反比。可达性的提升直接加强各城市之间的社会经济联系强度。空间相互作用模型是以引力模型为基础,反映高铁沿线各节点城市之间的相互辐射强度。城市间的空间相互作用强度与城市的社会经济发展水平呈正相关,而与两地之间的旅行时间呈负相关,即[43]

(4)

式中:Iij为i城市与j城市间的相互作用强度;Pi、Pj为i城市与j城市的人口规模,本文采用城市年末总人数表示;Gi、Gj为i城市与j城市的GDP总量;Dij为节点城市间的最短旅行时间。

1.2.4 可达性空间公平的测度

需求是公平性测度的前提。借助变异系数测度全域空间公平性,能够充分考虑行为主体(人)的需求性,更好地评估高铁开通对可达性空间分配状态的影响,指标测算值越低,表示公平性越高,即可达性的空间分配更加公平,反之亦然。其公式为[44]

CV=∂r/[∑(AiPi)/∑Pi],

(5)

Pi=(Wi·Ci)/(W1·C1+W2·C2+…+Wi·Ci)

(6)

式中:CV表示全域变化系数;∂r为加权平均出行时间Ai的标准差;Pi为城市人口规模的权重;WiCi分别表示i个城市的常住人口和城镇化率。

1.3 数据来源及处理

1.3.1 社会经济数据

本研究中使用的经济社会统计数据主要包括高铁开通前后沿线站点城市的地区生产总值(GDP)、人口数据及城市间旅行时间数据。2008年和2019年沿线站点城市的GDP、人口等社会经济数据来源于2009年、2020年《山东统计年鉴》。所需山东半岛城市群行政边界数据来源于国家基础地理信息中心(www.ngcc.cn)的1∶400万地图数据库。

1.3.2 交通运输数据

城际最短旅行时间的计算考虑了城市间列车通行时间与城市内部通行时间[45],城市间列车出行时间通过“12306”官网的列车时刻表(www.12306.cn)及“去哪儿网”获取,输入出发与到达站城市,将Z、T、K开头及四位数字编号的列车运营班次中的最短通行时间作为高铁开通前城际最短旅行时间,现已停运的普速列车的城际最短旅行时间数据来源于《2008全国铁路旅客列车时刻表》;以G、C、D开头的列车运营班次中的最短通行时间作为高铁开通后城际最短旅行时间。暂不考虑在中转点的滞留和待车时间。城市内部通行时间借助BMap进行计算。山东半岛城市群高速铁路现状及规划的线路及站点数据根据《山东省综合交通运输网中长期发展规划(2018—2035)》中附图4“山东省高速铁路网规划建设示意图(2018—2022年)”进行选取和矢量化得到。

2 山东半岛城市群交通可达性空间格局及其演变

2.1 加权平均出行时间演变

山东半岛城市群各站点城市2008年和2019年的加权平均出行时间Ai值如图2所示。由图2可知,高铁开通前山东半岛城市群可达性空间分异特征显著,具有明显的“核心-边缘”结构分布特征,呈现出以济南、淄博、潍坊等城市为核心,向四周逐渐递减的圈层嵌套式空间分布模式。其中加权平均出行时间最低值出现在淄博,最高值出现在滨海城市威海。济南、淄博、潍坊等城市为核心圈层,这与胶济铁路的开通密切相关。泰安、日照、青岛以及滨州、东营为第二圈层,鲁南地区的菏泽、济宁、枣庄、临沂以及鲁西地区的聊城、德州与胶东半岛的烟台为第三圈层;威海地处胶东半岛最东端,地缘位置较为偏僻,在空间上呈现出“孤岛状”,为第四圈层。

随着高铁开通,山东半岛城市群可达性水平整体提高,区域空间差异降低,空间分级结构明显弱化,时空收敛效应明显。济青高铁沿线的济南、淄博、潍坊为加权平均出行时间的低值中心,可达性水平较高,“廊道效应”显著。除去半岛城市群南部,呈现出以枣庄为核心的极核式空间布局,其余区域可达性水平的空间异质性较弱。其中,济南为加权平均出行时间最低值区域,可达性水平最高,这与济南均为胶济客专、京沪高铁、济青高铁、石济客专的沿线站点城市密切相关。鲁南地区的济宁以及地处胶东半岛最东端的威海因地缘位置较为偏僻,由于高铁开通线路较少、运营时间较短、高铁站点距离市区较远等,可达性水平有所提升但仍处于较低水平。枣庄为加权平均出行时间最高值区域,这与已建成高铁中仅有京沪高铁途经有关,再加上枣庄地处半岛城市群高铁网络的偏南一隅,使其可达性水平处于相对较低水平。

从变化率来看,高铁开通后沿线城市可达性变化率处在较为稳定的变化区间,空间分异特征不甚显著。胶济客专、京沪高铁、济青高铁、石济客专的建设,使得省会经济圈的济南、德州以及胶东经济圈的烟台、威海、潍坊,可达性水平有较大幅度提高。泰安、济宁以及日照处于变化率的相对低值区,泰安、济宁位于京沪高铁山东段沿线,日照位于青连高铁沿线,受益于高铁建设其可达性水平有较大幅度提高,但与省会经济圈和胶东经济圈相比稍显逊色。

图2 高铁开通前后沿线城市加权平均出行时间

2.2 日常可达性分析

山东半岛城市群高铁开通前后各沿线城市的日常可达性Di值如图3所示。从图3可以看出,高铁开通前,山东半岛城市群日常可达性空间格局呈现出明显的“核心-边缘”分布特征,见图3(a),极化效应显著。济南、泰安、淄博等城市为高值核心区,因胶济铁路建设起步较早、线路较多,对外交通联系最为密切,日常可达性处于较高水平;枣庄、威海以及烟台虽已开通普铁,但因其现有铁路运营时速较慢利用率低,城际客运仍以公路为主,客运结构不尽合理,对外交通联系不便,日常可达性水平较低。

图3 高铁开通前后沿线城市日常可达性

高铁开通后,沿线城市日常可达性空间格局呈现出多核心分布特征,见图3(b),且核心区域空间分布发生明显位移,由“济(南)淄(博)泰(安)”单核心空间分布模式向“济南-淄博”、“日照-临沂”双核心分布模式转变。“济南-淄博”核心区域的形成表明随着胶济客专、济青高铁的建设,济南在山东高铁网络中的枢纽地位逐渐稳固,呈现出较强的辐射带动能力,彰显了高铁建设形成的交通廊道——“济青廊道”的重要作用。“日照-临沂”核心的出现则体现出青连铁路在一定程度上增强了鲁南地区和胶东地区的联系纽带,这有利于日照进一步发展成为鲁南地区的“出海口”和胶东半岛的“南大门”。青荣城际的建设极大提升了沿线城市威海的日常可达性水平。然而,鲁南经济圈的菏泽、济宁、枣庄三市因其从西向东成带状排列,相较于省会经济圈的极核式空间布局,不利于人口等要素聚集,日常可达性处于较低水平。

对比高铁开通前后变化可知,见图3(c),省会经济圈的潍坊和胶东经济圈的烟台、威海以及鲁南经济圈的枣庄为日常可达性显著提升的高值中心,这与加权可达性的变化率大致吻合。半岛城市群其余区域呈现出以济南、泰安为低值陷落区,由中心向外围逐渐增高的圈层式空间格局,其中济南、泰安和淄博因其高铁开通前对外交通联系就较为便利,因此日常可达性水平变化不甚明显。

2.3 空间公平性分析

由式(5)计算可得,高速铁路开通前山东半岛城市群全域CV值为0.307 9,高铁开通后CV值减少至0.297 8,山东半岛城市群交通可达性变异系数CV值在绝对值上减少0.010 0,相对值上减少了3.27%。由此可见,山东半岛城市群的空间公平性有所提高,程度不甚显著,但全域交通可达性在空间上趋于公平分布状态。这意味着高铁开通后,加权平均旅行时间的减少,在一定程度上缓解了城市间可达性水平的差异,但由于目前山东半岛城市群尚未形成覆盖全省的省会环、半岛环、省际环格局,仍需进一步强化互联互通,尽快打通高铁通道主动脉,从而促进全域空间公平性的提升。

3 山东半岛城市群经济联系空间格局及其演变

3.1 经济联系强度演变

城市间的经济联系强度与两地间的经济发展水平和可达性水平密切相关,由式(4)可得山东半岛城市群高铁开通前后各沿线城市的经济联系强度矩阵。利用ArcGIS空间拓扑工具进行空间联系强度的空间表达如图4所示。由图4可知,山东半岛城市群经济联系强度表现出两方面空间特征。

图4 高铁开通前后沿线城市经济联系空间关系图

1)空间网络化特征显著。高铁开通前后山东半岛城市群经济联系均呈现出明显的网络化特征,沿高铁轴线分布态势显著。高铁开通前形成了以济南为网络核心,以济南-泰安为主轴线的点轴空间形态,具有明显的路径指向性,体现出济南较强的经济社会辐射带动能力。高铁开通后山东半岛城市群经济联系网络化水平大幅提升,城市经济联系沿高铁沿线集聚,呈现出以济南、烟台为网络双核心的经济联系网络。胶济客专、京沪高铁、济青高铁以及青荣城际的建设大大缩减了各节点城市的时空距离,加速了城市间的要素流动,从而使各城市间经济联系显著增强。此外,鲁西北地区的德州与鲁南地区的枣庄,得益于京沪高铁的南北贯通,经济联系也日益密切,在空间上呈现出德州-泰安-枣庄的经济联系轴线。

2)具有显著的多中心特征。经济联系总体格局呈现出明显的距离衰减特征,中心辐射作用强化,边缘化特征减弱。济南、烟台等中心城市周边区域的经济联系强度明显高于边缘城市,以济南为经济联系方向向外辐射的轴线数量与强度远大于其他区域,且呈现出以济南为中心向外辐射状的空间格局,充分体现出济南在山东半岛城市群内具有较强的区位优势。由此可知,高铁在重塑区域经济联系格局的同时,也凸显出了一定的高铁虹吸效应。

3.2 对外经济联系总量演变

由3.1节可得高铁开通前后山东半岛城市群经济联系总量表,及各沿线城市经济总量的空间模拟分析图(见图5)。由图5可知,山东半岛城市群各沿线城市经济联系总量表现出2个显著空间特征。

1)“廊道效应”显著。高铁开通前后沿线城市经济联系总量差异显著,济南、泰安、淄博等经济总量较大的城市集中分布于京沪高铁以及济青高铁沿线,这体现出交通廊道成为增强城市间经济联系的重要纽带,由此形成了经济轴带“京沪廊道”“济青廊道”,在重塑半岛城市群空间经济联系格局中发挥着重要作用。

2)空间极化特征显著。高铁开通前后均呈现出以济南、潍坊为双核心向外辐射扩散的空间分布格局,济南、潍坊中心性明显并不断增强,对外经济联系最为密切,经济联系总量均居于前两位。与此相比,鲁北地区与鲁南地区的高铁网络密度较鲁中地区、胶东地区差距较大,有些城市客运结构仍以公路和铁路为主,经济要素流动缓慢,彼此间联系不甚紧密。这说明山东半岛城市群经济发展存在着明显的区域不平衡性,其他城市的经济发展潜力有待进一步提升。

图5 高铁开通前后沿线城市经济联系总量图

4 结论与讨论

4.1 结论

本文中使用加权平均出行时间、日常可达性、引力模型等方法,分析高铁开通对山东半岛城市群交通可达性、经济联系强度的影响,得到以下主要结论。

1)高铁建设使山东半岛城市群尤其是高铁轴线区域可达性得到明显优化,“廊道效应”显著。高铁开通前,区域可达性空间格局以济南、淄博、潍坊为核心,呈现出由中心向外围递减的圈层嵌套分布模式,空间分异显著;高铁开通后,各沿线城市的加权平均时间大大降低,时空收敛效应明显,区域空间差异降低,边缘效应逐渐弱化,但可达性的高值中心仍位于济青高铁沿线的济南、淄博、潍坊三市。高铁建设改变了半岛城市群日常可达性的空间格局,使其由“济(南)淄(博)泰(安)”的单核心分布模式转变为“济南-淄博”“日照-临沂”双核心模式,充分凸显了青连铁路和青荣城际的“廊道效应”。值得一提的是,山东半岛城市群的高铁建设,在一定程度上促进了交通可达性的空间公平性,使山东半岛城市群的空间可达性差异趋于缩小。

2)高铁建设首先重塑了区域可达性空间格局,并在此基础上对城市间经济联系及区域发展的均衡性产生影响。高铁的开通促进了城市间要素沿交通廊道流动并集聚,形成了以济南、烟台为网络双核心的经济联系网络,具有鲜明的沿高铁轴线分布态势。与此同时,高铁的建设强化了区域中心的辐射作用,呈现出一定的虹吸效应,具体表现在济南、烟台等区域中心的经济联系强度远高于周围区域。在经济联系总量上,鲁北与鲁南地区的高铁密度远低于鲁中地区与胶东半岛,从而使得高铁沿线城市的对外经济联系总量极化特征显著,以济南、潍坊为双核心且中心性不断增强。由此可知,作为半岛城市群重要的高铁干线,京沪高铁与济青高铁“廊道效应”尤为凸显。

综上,高铁建设重塑了山东半岛城市群的区域经济发展格局。基于半岛城市群高铁布局与经济发展现状深入探讨如何结合高铁建设推动半岛城市群区域经济的健康发展。

1)加快建设现代化高铁运输网络,为推动黄河流域生态保护和高质量发展赋能。目前山东半岛城市群的高铁网络已初具规模,成为拉动经济增长的新引擎。山东半岛城市群作为黄河流域生态保护和高质量发展的龙头,在提升半岛一体化的同时,需积极融入国家区域发展战略,加快推进济郑高铁山东段、鲁南高铁菏泽至兰考段等鲁豫对接高铁项目,深化省会经济圈与郑州都市圈的互联互通,从而为建设贯通黄河流域重要城市的高速铁路大通道、推动山东半岛城市群与中原城市群一体化发展贡献力量。

2)合理开发利用优质铁路资源,为乡村振兴、新型城镇化发展赋能。利用“铁路+旅游”模式发掘鲁南地区优质旅游文化资源,开发“铁路+电商”模式,开辟高铁电商专列,搭建货运电子商务平台,满足电商企业大宗货物的运输需求并提升运输效率。鲁南高铁沿线菏泽、临沂、济宁等内陆城市可借助高铁推广历史文化与开发特色旅游项目, 打造“红色文化”“儒家文化”旅游品牌, 形成新的消费增长点, 从而缩小与省会经济圈、 胶东经济圈的经济发展差距,推动半岛城市群经济健康协调发展。 此外, 山东半岛城市群具有良好的产业基础、 物流支持与能人保障, “铁路+电商”模式可为城市群的电商经济的发展赋能, 为乡村振兴和新自下而上的城镇化发展提供有力的支撑。

3)依托半岛城市群高铁轴线协调区域产业布局结构性矛盾,畅通国民经济发展循环。高速铁路的运营,促进了城际经济联系,使得信息技术产业和数字产业等新产业借助济青高铁、鲁南高铁、青荣城际等交通廊道实现人流、物流、信息流、资金流等要素资源的流动提速以及产业链、供应链的降本增效,极大推动了研发、制造、服务等全产业链的优化整合,有利于半岛城市群工业实体经济的平稳发展与产业结构转型升级。“日韩陆海快线”“上合快线”“鲁欧快线”也成为联通山东半岛城市群与亚欧国家经贸往来的重要轨道,提高了半岛城市群的对外贸易活力。

4.2 讨论

采用高铁站点之间的运行时间对最短时间距离进行量化,计算简便但缺乏城市内部通行时间和站点换乘时间,不能反映高铁实际出行链的所有出行时间。未来将进一步完善最短时间距离的计算方法,尝试使用基于分层栅格成本的“门到门”出行时间计算方法以提升可达性度量精度。

本文探究了高铁开通对于沿线城市交通可达性及经济联系的影响,对其进行了定量测度与可视化表达,但对于其空间格局及分异特征的内在机理尚未进行深入剖析。未来将进一步完善研究,尝试运用大数据挖掘、城市流等数据深入剖析其内在机理。在研究尺度上,进行了市级单元的探究,并未细化至县级行政单元,未来将继续深化研究。