蘭州市軌道交通對城市時空格局影響初探

張志斌，陳 龍，張亞麗，師 晶，郭倩倩

(西北師范大學 地理與環(huán)境科學學院，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

城市軌道交通具有運量大、速度快、單位能耗低、安全性高、節(jié)能環(huán)保、準點舒適等優(yōu)點，可作為公共產品產生外部積極性效益，引導著城市人口與資本變得高度集中和有序，使生產要素得以合理組織.先進的技術設備(智能交通卡)可以迅速大規(guī)模使用，促使勞動生產率大幅度提高.當前，我國正處于快速城市化和工業(yè)化時期，城市空間形態(tài)轉變趨勢顯現(xiàn)，各大城市致力于發(fā)展以軌道交通為主、多種交通類型并存的城市交通體系，以引導優(yōu)化城市空間的發(fā)展.

地鐵發(fā)展大約經歷了150多年，已具有較高的應急能力和運營管理水平[1]，成為城市居民交通出行首選的重要交通工具.國外研究地鐵對于影響城市地下空間開發(fā)利用的時間較長，側重地鐵的大容量、安全性和環(huán)保性.20世紀初，學者們采用不同模型和定量方法探討軌道交通給土地帶來的增值效應[2-4]，并基于級差地租和扇形結構等理論，對城市土地和城市空間的相互關系的研究積累了大量理論基礎，包括軌道交通對土地造成的梯度性的空間效應特征等得到許多學者的認可.20世紀60年代初，西方發(fā)達國家的研究開始從地鐵對地價梯度效應轉向對城市時間效應，例如A.Z.Gutenberg指出城市交通運輸的“可達性”，導致了城市空間結構的相對集中與擴散[5]，這就意味著學者們開始側重研究地鐵對城市空間結構的影響.日本作為亞洲軌道交通系統(tǒng)發(fā)達的國家，關于地鐵的研究時間較早，學者Daluwatte(1994)通過對日本新干線的長期跟蹤發(fā)現(xiàn)，地鐵能夠改變城市空間分布的主要原因是地鐵能夠通過減少通行時間來改變區(qū)位因素[6]，并且對于在城市中工作、游玩、就醫(yī)等人群來說，時間是第一因素.因此，居住者更愿意在交通便利、環(huán)境優(yōu)美的城郊生活；Francisco Calvo[7]的研究證實了這一結論.研究發(fā)現(xiàn)馬德里外圍地區(qū)的新地鐵站附近的住宅開發(fā)和人口增長大于市中心和馬德里的衛(wèi)星城鎮(zhèn)[8-10]，表明地鐵對城市中心和近郊的均衡發(fā)展具有重要作用.

由于我國軌道交通建設起步較晚，在建設實踐方面仍在尋找軌道交通引導城市空間結構調整的成功案例.與國外初期研究成果相似，近年來關于地鐵與城市空間的研究多集中于地鐵對土地與住宅價格、城市空間形態(tài)、土地利用方式的影響等方面，而地鐵對城市空間結構方面的研究較少.陳淳(2007)等研究發(fā)現(xiàn)，廣州市在軌道交通的影響下城市空間結構由“攤大餅”式向多中心城市格局演變[11]；陳高超等(2011)以長沙為研究對象,指出地鐵的“廊道”與“可達性”等效應對城市空間變遷的誘導作用[12]。以上研究均說明軌道交通對于引導城市空間結構具有舉足輕重的作用，有利于優(yōu)化城市空間結構[14]、提高城市運行效率[13]、引導城市資源配置.而運用不同方法研究地鐵對城市時空格局影響的文章有限，李曉貝等學者(2013)利用空間句法分析軌道交通時間影響下的北京市城市空間形態(tài)演變[15]、樂曉輝等(2016)基于地價和開發(fā)強度兩個要素，從時空角度探討軌道交通影響下的深圳市空間結構動態(tài)演變過程.研究發(fā)現(xiàn)，軌道交通對城市空間結構的影響在時間上是超前的[16]，這對于理解軌道交通對城市空間結構影響及政府財政效應評估等具有積極意義.

綜上所述，軌道交通網絡系統(tǒng)的不斷完善有利于引導和促進城市空間結構的發(fā)展，最為顯著的是引導多中心城市空間結構的形成[17].軌道交通對城市影響的研究內容主要包括空間可達性、城市空間形態(tài)、土地利用方式以及引導城市空間發(fā)展等，但鮮有文章基于出行時間結合地面公共交通和地下軌道交通的分析對城市時空格局變化進行研究.居民出行由地面公共交通和私家車變?yōu)椤暗罔F+慢性”[18]的方式，極大地縮短了城市時空距離，改變了居民出行和城市空間結構.因此，本文以地鐵為研究對象，以地面公共交通和地下公共交通的出行時間以及交通路網為基礎數據，分析地鐵的準時性和快速性相較于地面公共交通的時空壓縮對蘭州城市時空格局的影響.

1 研究區(qū)域、數據與方法

1.1 研究區(qū)域

蘭州市作為西北地區(qū)重要的中心城市，是甘肅省省會和全省政治、經濟、文化中心，也是“一帶一路”上的節(jié)點城市，地處黃土、內蒙古、青藏三大高原交匯地帶，具有引領和帶動西北地區(qū)發(fā)展的重要作用.受河谷地形及南北兩山的限制，蘭州市主城區(qū)地域空間狹窄，形成特殊地貌條件的河谷型城市.軌道交通的建設對解決蘭州市東西不暢的交通局面具有重要作用，對城市空間的拓展和功能布局的優(yōu)化也有十分重要的意義.蘭州市現(xiàn)轄城關、七里河、安寧、西固、紅古五區(qū)及永登、皋蘭、榆中三縣.本文選取蘭州市主城區(qū)即城關區(qū)、安寧區(qū)、七里河區(qū)、西固區(qū)作為研究區(qū)域.

蘭州軌道交通規(guī)劃將蘭州地鐵分三個階段進行建設：第一階段(2011—2020年) 主要修建1號線和2號線一期工程；第二階段(2021—2030年) 主要修建1號線和2號線二期工程和3號線；第三階段(2031―2050年) 主要修建中川線、榆中線和青什線.蘭州地鐵1號線一期工程于2014年3月28日正式開工建設，蘭州成為甘肅省第一個建設地鐵的城市.2018年12月，地鐵1號線已建設完成，全長26 km(數據來源http://www.lzgdjt.com/)，正在試運營階段，預計開放時間為2019年6月.本文以地鐵一號線一期工程(圖1)研究地鐵對蘭州城市時空格局的影響.

1.2 數據來源

蘭州市軌道交通的設計運行速度40 km/h、軌道交通線、軌道交通站及其名稱等數據均在蘭州軌道交通網(http://www.lzgdjt.com/)獲得，經過投影，矢量化在行政區(qū)劃圖上.軌道交通站點的經緯度則通過高德地圖的坐標拾取器獲得，通過百度地圖進行坐標準確性校驗；通過高德地圖的測距工具得出軌道交通站點間的距離，創(chuàng)建空間坐標數據庫，批量導入到ArcGIS.

通過實地調研、訪問蘭州市不同職業(yè)(上班、上學、游憩、購物)的市民在早晨(7:00～9:00)、中午(11:30～13:30)、下午(16:30～18:30)的出行方式、出行時間以及出行目的.調查對象均為14周歲及以上的蘭州市常住居民，在訪問中排除居住時間小于半年的停留人口，以使調查數據更加切合實際.

圖1蘭州市地鐵1號線分布

1.3 研究方法

1.3.1 比較分析法

基于地面公共交通和軌道交通在相同距離下的不同耗時，對比分析軌道交通建成前與建成后蘭州城市時空結構的演變，客觀反映軌道交通對于城市結構的影響，并以此為基礎通過城市交通路網數據以定量分析為主和定性分析為輔研究軌道交通對于城市空間發(fā)展帶來的影響.

1.3.2 基于最小阻抗的可達性分析模型

Allen(1995)提出的基于最小阻抗的可達性分析方法，用中心點至所有目的地點的平均最小阻抗作為可達性評價指標，來分析研究區(qū)域內各軌道交通站點到其他任意站點的交通便捷程度.基于最小阻抗的可達性分析方法不考慮出行目的，可對路網作一般性評價[19]，公式如下：

(1)

(2)

式(1)中，Ai為網絡上的節(jié)點i的可達性；A為dij整個網絡的可達性，表示節(jié)點i、j間的最小阻抗，可為距離、時間或費用等.式(1)表明，節(jié)點i的可達性，為該節(jié)點到網絡上其他所有節(jié)點的最小阻抗的平均值.最小阻抗可以為最短距離、最短時間、最少費用等.

式(2)中，A代表整個網絡各節(jié)點可達性的平均值.分析區(qū)域內平均最短出行時間.出行時間越短，可達性越高；反之，可達性越低.

2 軌道交通對蘭州城市空間結構的影響分析

2.1 理論基礎

同心圓模式：美國芝加哥大學社會學家伯吉斯(E.W.Burgess)于1929年提出，認為由服務和設施的集聚力使得大量外來人口遷入城市中心及城市內部人口的向心化，導致了城市地域結構分化，城市以不同功能用地圍繞某個單一核心而有規(guī)則地向外擴展，形成了中央商務區(qū)、居住區(qū)、通勤區(qū)三個層次的同心圓結構，反映了一元城市的特點.

扇形模式：美國土地經濟學家霍依特(H.Hoyt)于1939年提出，認為城市的發(fā)展總是從市中心向外沿主要交通干線或沿阻礙最小的交通干線呈扇形向外擴展，城市社會經濟結構主要依扇形形式變化，因地租的差異形成分布格局.城市的空間結構被描述為：中心區(qū)是中央商務區(qū)，沿交通線從市中心向外呈楔狀延伸，屬于批發(fā)和輕工業(yè)區(qū)，外圍是不同收入群體的居住區(qū).

多核心模式：美國地理學家哈里斯(C.D.Harris)和烏爾曼(E.L.Ullman)于1945年提出，認為城市是由若干不連續(xù)的地域所組成，這些地域分別圍繞不同的核心形成，除CBD外的大城市的中心區(qū)域，還有支配一定地域的其他副中心的能力，形成的空間結構由中心向外圍依次為：中央商務區(qū)、批發(fā)業(yè)和輕工業(yè)區(qū)、住宅區(qū)、重工業(yè)區(qū)、文化中心和公園、郊外住宅區(qū)以及郊外工業(yè)區(qū).其中，區(qū)位、地價、集聚、擴散和歷史因素是導致城市空間結構分異的主要因素.

2.2 蘭州城市空間結構發(fā)展演變

根據蘭州城市發(fā)展歷程，并參考蘭州城市第一、二、三、四版總體規(guī)劃，以及鮮肖威(1984)、毛漢英(1993)、楊永春(2003)、孟彩虹(2005)、嚴巍(2016)等學者從不同角度對蘭州城市空間發(fā)展的深入研究，具體介紹各個階段不同的城市空間結構特征.

2.2.1 第一階段(1954年之前)，單核心結構

蘭州建城伊始至1954年大規(guī)模工業(yè)企業(yè)(蘭煉、蘭化)入駐西固區(qū)，城市空間始終為單核心結構發(fā)展.早在秦始皇時期，收復黃河以南區(qū)域，在黃河以南筑城防守，蘭州“城”之雛形顯現(xiàn).據有關資料記載，古蘭州城最早形成于今西固區(qū)西固城一帶，名為金城縣，后經戰(zhàn)爭而被摧毀，幾經歷史周折，西晉時期在五泉山一帶筑城，城址延續(xù)至今.隋唐之后因古絲綢之路的開辟，蘭州迅速成為了一座重鎮(zhèn)和名鎮(zhèn)，城鎮(zhèn)規(guī)模發(fā)展進程加快，城市經濟職能加強，但邊防軍事重鎮(zhèn)的戰(zhàn)略地位未曾改變，城市發(fā)展仍以老城區(qū)政治中心為核心.清朝末年至建國初，盡管蘭州在甘肅省會城市的地位已經確立，并有了外商和企業(yè)入駐蘭州，但是受到落后基礎設施的制約和黃河阻隔，企業(yè)仍然在老城區(qū)內高度集聚，中心城區(qū)單中心集聚式發(fā)展格局未曾改變.

2.2.2 第二階段(1954年—至今)，多核心結構

第一階段蘭州城市空間結構以“谷地內更迭，點狀生長”為主，1954年之后，城市空間從單核心結構之間發(fā)展為“多核心”結構.這種演變雖有多種因素的影響，但主要還是受城市規(guī)劃引導.第一版總體規(guī)劃提出“在空間布局上采用田園式分散組團形式，進行明確功能分區(qū)，組團推進，跨越發(fā)展”，構筑了帶狀組團城市空間結構框架，是城市多核心結構的開端.第二版總體規(guī)劃提出“帶狀組團分布、分區(qū)平衡發(fā)展”的城市用地布局和建設發(fā)展原則，是蘭州城市多核心結構的進一步發(fā)展.第三版總體規(guī)劃開創(chuàng)了以黃河為發(fā)展軸線的雙中心格局，提出打造安寧新城區(qū)，以解決城市發(fā)展不平衡的問題，城市多核心結構屬于半成熟階段.第四版總體規(guī)劃提出跳出盆地，實現(xiàn)區(qū)域多中心發(fā)展，構筑起“雙城五帶多片區(qū)”的發(fā)展模式，形成成熟的多核心城市空間結構.蘭州城市空間結構由單中心向多中心轉型，打破了受地形和黃河阻隔的制約，城市得到迅速發(fā)展.

2.3 蘭州市居民出行特征分析

居民出行是指有目的性的人從某一地點(始發(fā)地)到另一地點(目的地)的空間移動行為.居民出行的特性包括出行方式、出行時間、出行目的、出發(fā)地點和到達地點等.本文運用實地調研方法，對蘭州市居民具體出行情況匯總(見表1)，以對居民的出行特征進行分析.

表1蘭州市居民出行行為分析

從表1可以看出，地面公共交通是蘭州市目前主要的交通出行方式.

2.4 基于出行時間的時空格局分析

基于第六次人口普查數據，運用人口重心公式得出蘭州市重心位于張掖路的西關什字.作為蘭州市經濟繁華、人口密集、商業(yè)發(fā)達地區(qū)之一的西關什字不僅是人口密度重心點，還濃縮了蘭州的歷史.在20世紀80年代之前，蘭州人都認為進入西關什字便是到了蘭州城，無論是古代喧鬧的茶馬互市、渡口酒肆，還是當前的亞歐商廈、張掖路步行街，西關什字繁榮的經濟和濃厚的商業(yè)氣息從未衰減.因此，參考居民出行特征分析得出：“地面公共交通是蘭州市主要交通出行方式”，以西關什字站為起始點，對比研究地面公共交通主導下和地鐵引導下的城市空間特征及其變化.

2.4.1 地面公共交通與軌道交通的出行時間演變

根據地面公共交通1 km耗時4 min、軌道交通設計速度、地鐵站點之間的距離，地面公共交通的運行速度是根據實際距離與實際耗時的平均時間利用公式(距離=時間﹡速度)計算所得，再計算出以西關什字站為中心站到其他任意地鐵站點的地面公交耗時和軌道交通耗時以及二者之間的時間差(表2).做出地面公交耗時和軌道交通耗時趨勢分析(圖2)，以檢驗計算所得地面公共交通耗時的合理性.從圖2中可以發(fā)現(xiàn),地面公共交通實際耗時圍繞計算耗時線上下浮動，整體趨勢走向相符，說明運用計算耗時分析地面公共交通和軌道交通對城市時空影響是合理且可行的.

表2出行時間統(tǒng)計

從距離上來看，西關什字站與省政府站相距最近，為0.78 km；與陳官營站相距最遠，為15.99 km.在5 km以內的站點有8個，占比42.11%；在10 km以內的站點有15個，占78.94%.從公交消費時間來看，西關什字站與省政府站相距最近，出行消耗時間最短，為3.12 min；與陳官營站相距最遠，出行消耗時間為63.96 min.在30 min以內的站點有12個，占比66.67%.從地鐵消費時間來看，西關什字站與省政府站出行消耗時間最短，為1.17 min；到陳官營站出行消耗時間為23.98 min，30 min內可以到達的站點占比100%.

從地面公共交通和軌道交通相同距離出行時間差來看，最小值為1.95 min，最大值39.98 min.出行時間差中超過15 min的有7個站點，占比52.62%.在地面公共交通主導下，由東港站到陳官營站需100.68 min，軌道交通引導下耗時縮短為38.13 min.軌道交通相比地面公共交通工具出行效率提高了2.64倍，有效縮短了居民出行時間.軌道交通的建設將縮短市區(qū)外圍居民到市中心商業(yè)區(qū)就醫(yī)、購物、上學以及上班的時間.同樣，也可縮短市區(qū)居民到市區(qū)外圍公園地帶的游憩時間，加強了城關區(qū)、安寧區(qū)、七里河區(qū)、西固區(qū)之間的空間聯(lián)系.

圖2 蘭州市地面公共交通實際與計算耗時分析

2.4.2 地面公共交通與軌道交通的空間結構演變

計算地面公共交通和軌道交通出行時間差下軌道交通站到附近區(qū)域的可達距離(可達距離等于地面公共交通速度乘以地面公共交通和軌道交通出行的時間差)，并基于ArcGIS軟件平臺，運用點的緩沖工具對可達距離做空間分析(圖3).

圖3 蘭州市軌道交通與地面公共交通時間差的可達距離

從空間分析圖可知，西關什字站以東有8個地鐵站，可達距離由省政府的0.48 km增至東崗站的5.89 km；西關什字站以西有11個地鐵站，可達距離由文化宮站的0.61 km增至陳官營站的9.99 km.隨著與西關十字站距離的增加，地鐵站點的輻射范圍也逐漸擴大.其中，東崗站、焦家灣站、拱星墩站和東部市場站基本覆蓋了城關區(qū)的東方紅廣場以東區(qū)域，陳官營站和奧體中心站覆蓋了整個西固區(qū)，世紀大道站和迎門灘站覆蓋了整個安寧區(qū).說明隨著中心地鐵站點距其他站點距離的增加，地鐵優(yōu)勢明顯強于地面公共交通,并且市區(qū)外圍軌道交通站的輻射范圍大于中心城區(qū).軌道交通的建設對于市區(qū)外圍居民來說更為有利，可有效擴大居民出行范圍和提高出行效率.

為了進一步分析軌道交通對蘭州城市時空特征的影響，基于距離和時間做出空間結構變化圖(圖4).圖4中兩幅圖的橫軸距離為陳官營站至東崗站的實際距離，縱軸為蘭州碧桂園至蘭山公園的實際距離.圖4a是基于地面公共交通的城市空間結構，由東到西需耗時90 min，由北到南耗時40 min.因整個城市依黃河而建，呈東西向帶狀分布，所以在地面交通主導下城市空間呈東西向扁橢圓狀特征.圖4b是基于軌道交通引導下的城市空間結構，其中縱軸仍然是基于地面公共交通的，需耗時40 min，而橫軸基于軌道交通需耗時38.13 min.城市空間結構在軌道交通和地面交通共同作用下近似圓狀特征.綜上所述，蘭州城市空間結構由扁橢圓狀變?yōu)榻茍A狀特征，說明軌道交通對于城市的時空壓縮效應明顯，改變了城市物理空間，縮短了東西兩地之間的時間與空間距離，有助于減輕各行政區(qū)之間因交通不便帶來的城市壓力，可帶動七里河區(qū)、安寧區(qū)、西固區(qū)作為城市副中心的發(fā)展，加強與城關區(qū)之間的城市聯(lián)系.

圖4 蘭州市不同公共交通引導下的城市空間結構

2.5 基于交通網絡的時空特征

圖5 蘭州市不同公共交通網絡下的城市空間可達性

可達性一般指某一地點到其他地點的交通方便程度，也可指其他地點到這一地點的交通方便程度[20].在基于最小阻抗的可達性分析模型中，以車行時間作為最小阻抗.其中，地面公共交通車行時間參考《蘭州市公共交通分布特征及其可達性研究》(達福文2013)中主干路平均車行速度16.54 km/h、次干路平均車行速度14.04 km/h、支路平均車行速度12.80 km/h數據.通過ArcGIS軟件的網絡分析功能 network analysis 擴展模塊下的[新建OD成本矩陣]工具計算各路口到其他路口的平均最短交通時間，以此作為可達性評價指標，基于車行時間繪制地面公共交通和軌道交通引導下的城市交通路網的空間可達性(圖5).

由圖5a地面公共交通主導下的可達性可知，以東方紅廣場、南關什字、西關什字以及小西湖及延伸至安寧東路兩側和西固城等組成的區(qū)域為核心呈圈層遞減格局，距離該區(qū)域越遠可達性越差.這與蘭州市路網密度分布格局一致.這些核心區(qū)域分布于城市中心地帶，交通路網密集，分布著四條東西向主干道，即東崗路—慶陽路—西津路、敦煌路—安寧東路、南濱河路、北濱河路，還包括90%以上的南北向主干道.西固區(qū)與其他三區(qū)聯(lián)系較弱，形成單核心圈層狀.

圖5b是軌道交通引導下基于出行時間的可達性空間圖，可以發(fā)現(xiàn)中心城區(qū)可達性高的區(qū)域明顯增加，在地面交通主導下的基礎上向外擴張，城關區(qū)、安寧區(qū)、七里河區(qū)的可達性明顯改善.其中，軌道交通站點周邊可達性顯著增高，形成可達性圍繞軌道交通站點圈層狀遞減的特征，例如東港、馬灘村、世紀大道、陳官營等區(qū)域，其可達性得到較快的提高[21].這與軌道交通對市區(qū)外圍軌道交通站的輻射范圍大于中心城區(qū)，軌道交通的建設對于市區(qū)外圍居民更為有利的結論相一致.

整體來看，地面公共交通主導下的可達性高的中心區(qū)域變化不明顯，軌道交通建設對其影響相對較小.相反，原本可達性差的城鄉(xiāng)交錯區(qū)域沿著軌道交通線提高，使得整個城區(qū)的可達性得到明顯提高且分布相對更均衡.可達性的空間結構由地面交通主導下的“雙核心”結構演變?yōu)檐壍澜煌ㄒ龑碌摹按椤睜钶S向式結構，符合蘭州主城區(qū)以東西為主的軸帶狀城市空間特征，縮短城市東西向交通時間距離，提高運行效率，促進城市巨系統(tǒng)的有序運行.

4 結論與討論

4.1 結論

通過蘭州市地面公共交通和軌道交通的出行時間以及交通路網的基礎數據，運用比較分析法和基于最小阻抗的可達性分析模型探討了軌道交通對蘭州時空格局的影響，可為加強軌道交通對城市內部空間結構影響的分析提供借鑒，同時有助于揭示西北河谷型城市軌道交通配置規(guī)律和促進城市結構的優(yōu)化.研究得出以下結論：

①在居民出行特征中發(fā)現(xiàn)，地面公共交通是蘭州市居民出行首選的交通工具；②地面公共交通從東港站到陳官營站需耗時100.68 min，軌道交通下則將消耗時間縮短為38.13 min，軌道交通相比地面公共交通出行效率提高了2.64倍，有效縮短了居民出行的時間；③隨著與西關什字站距離的增加，相比地面公共交通同等耗時下，軌道交通站的出行輻射范圍明顯強于地面公共交通，并且市區(qū)外圍軌道交通站的輻射范圍大于中心城區(qū)；④基于距離和時間共同作用下分析城市空間結構變化，得出蘭州城市空間結構由地面公共交通主導的扁橢圓狀變?yōu)檐壍澜煌ㄒ龑У慕茍A狀特征；⑤軌道交通引導下，城關區(qū)、安寧區(qū)、七里河區(qū)、西固區(qū)之間的空間可達性明顯改善.其中，軌道交通站點沿線周邊可達性增長很顯著，形成可達性圍繞軌道交通站點圈層狀遞減的特征.城市空間結構由地面交通主導下的“雙核心”空間特征演變?yōu)檐壍澜煌ㄒ龑碌摹按椤睜钶S向式空間特征.

4.2 論論

相比地面公共交通運輸效率，地鐵的快捷性和準時性可以大大提升城市中心與周邊的運行效率，加速城市各個區(qū)域內的彼此溝通.本文僅利用地面公共交通和軌道交通在同等時間下不同的運行速度對城市時間特征進行了分析，其中軌道交通線為地鐵一號線一期工程，研究內容較為宏觀，未涉及到其他地鐵線路與公共交通共同作用下的城市空間結構以及地鐵站點與周圍公交站點之間的“P+R+B”模式(汽車及自行車換乘軌道交通)對城市空間格局、城市運行效率的影響，在后續(xù)研究中可結合這些內容，綜合考慮和深入調研軌道交通引導下的城市發(fā)展.