面向新城的土地利用-交通整體規(guī)劃建模方法

鐘鳴，董一鳴，漢特·道格拉斯，孫江濤，馬曉鳳，劉少博，吳寧寧

(1.武漢理工大學(xué)，a.智能交通系統(tǒng)研究中心，b.國家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心，武漢430063；2.卡爾加里大學(xué)，土木工程系，卡爾加里T2N 1N4，加拿大；3.武漢市交通發(fā)展戰(zhàn)略研究院，武漢430017)

0 引言

在高質(zhì)量發(fā)展的背景下，隨著國內(nèi)大量新城出現(xiàn)，新城規(guī)劃方法的科學(xué)性也需要進(jìn)一步提升與改進(jìn)。在傳統(tǒng)城市規(guī)劃過程中，既有方法往往存在規(guī)劃策略單一，未考慮土地利用與交通之間，以及新城與舊城(或主城)之間的協(xié)調(diào)性，導(dǎo)致區(qū)域土地開發(fā)強(qiáng)度過大、交通擁堵或交通基礎(chǔ)設(shè)施能力浪費等問題。現(xiàn)有新城交通規(guī)劃和土地利用規(guī)劃的研究中，許多科研與實踐工作者對新城與舊城進(jìn)行單獨規(guī)劃，割裂了土地利用與交通系統(tǒng)之間的聯(lián)系，導(dǎo)致在設(shè)計、建設(shè)與城市運(yùn)營時出現(xiàn)問題，如新城與主城間交通走廊擁堵或“鬼城”等。

就地理區(qū)位而言，新城與主城相互聯(lián)系且相互制約，故不能在規(guī)劃實踐中分而治之。此外，城市土地利用與交通緊密相關(guān)、相互影響：一方面，社會經(jīng)濟(jì)活動在空間上的分布造成人員和物資的交通運(yùn)輸需求；另一方面，由于區(qū)域出行量增長使區(qū)域交通出現(xiàn)擁堵，降低了區(qū)域可達(dá)性，最終影響區(qū)域的用地開發(fā)與空間密度增長。針對以上問題，諸多學(xué)者開展了土地利用與交通規(guī)劃的耦合關(guān)系模型研究。

1964年美國學(xué)者Lowry(勞瑞)在匹茲堡市的交通規(guī)劃中基于空間相互作用模型提出了Lowry 模型，模型通過將區(qū)域活動與空間關(guān)系進(jìn)行互動，根據(jù)相互關(guān)聯(lián)構(gòu)建相應(yīng)的土地利用模型[1]。1983—1991年間，Putman[2]在Lowry 模型的基礎(chǔ)上完成了一體化ITLUP(Integrated Transportation and Land Use Package)模型的構(gòu)建，該模型通過區(qū)域收入對家庭數(shù)進(jìn)行預(yù)測，通過區(qū)域不同就業(yè)類型對就業(yè)量進(jìn)行預(yù)測，通過交通方式與交通分配實現(xiàn)預(yù)測結(jié)果的交互。

空間投入產(chǎn)出模型在土地利用與交通整體規(guī)劃模型中加入了不同區(qū)域之間的經(jīng)濟(jì)關(guān)系，與Lowry 模型的不同在于模型內(nèi)部不僅考慮區(qū)域的土地利用和交通系統(tǒng)之間的聯(lián)系，且引入空間的投入產(chǎn)出關(guān)系，增加了區(qū)域之間的資金流動。該模型可直接利用基于投入產(chǎn)出關(guān)系的土地利用模塊預(yù)測交通出行分布，還可根據(jù)價格對土地利用和交通設(shè)施進(jìn)行模擬，為政府制定規(guī)劃和政策提供有效的理論支持?；诖丝蚣艿耐恋乩?交通整體規(guī)劃模型有MEPLAN、TRANUS和PECAS等[3]。

PECAS 土地利用-交通整體規(guī)劃模型是進(jìn)一步研究前人的空間投入產(chǎn)出模型而得出的。模型分為區(qū)域宏觀經(jīng)濟(jì)模塊(簡稱ED)、土地開發(fā)模塊(簡稱SD)、社會經(jīng)濟(jì)活動空間分配模塊(簡稱AA)和交通供給模塊(簡稱TR)[4]。以鐘鳴[5]為代表的PECAS模型團(tuán)隊，已在上海、武漢開展了大量的前期研究，團(tuán)隊根據(jù)武漢市2008年的社會經(jīng)濟(jì)活動數(shù)據(jù)對武漢市PECAS模型進(jìn)行了校核[5]，該模型可用于估算空間利用系數(shù)[6]、分析出行和空間消費行為的社會差異[7]以及交通設(shè)施廣義經(jīng)濟(jì)影響[8]等。

對于模型在新城規(guī)劃應(yīng)用方面的研究表明，一般預(yù)測分析中較少考慮新城交通與土地兩者之間的協(xié)調(diào)關(guān)系，以及新城與舊城之間的關(guān)系[9]。已有相關(guān)研究多將新城獨立進(jìn)行交通需求預(yù)測[10]，或從交通引導(dǎo)土地開發(fā)的角度，對新城的土地利用形態(tài)進(jìn)行預(yù)測[11]。因此有學(xué)者依據(jù)新城交通問題，提出新城交通應(yīng)該加強(qiáng)新城與中心城的連通性，在交通建設(shè)時土地利用和交通建設(shè)應(yīng)該符合綠色發(fā)展的要求，除新城土地利用與交通系統(tǒng)協(xié)調(diào)外，新城與主城的關(guān)聯(lián)性也應(yīng)考慮到新城規(guī)劃中[12]。

因此，針對新城規(guī)劃的建模方法還存在以下問題：第一，規(guī)劃方法與模型的區(qū)域相互獨立，即沒有統(tǒng)籌考慮新城規(guī)劃與主城現(xiàn)狀；第二，未考慮土地利用的獨立性，以及交通系統(tǒng)的綜合性下新城與主城的互動耦合關(guān)系。因此本文擬通過對土地利用與交通整體規(guī)劃模型進(jìn)行優(yōu)化解決以上兩個問題。

1 面向新城的整體規(guī)劃模型構(gòu)建

本文需要分別研究新城與老城人口、就業(yè)分布及土地、空間開發(fā)的詳細(xì)過程，故采用土地利用模型與交通模型“連接型”交互方法，即使用土地利用模型分別預(yù)測新城與老城的人口與經(jīng)濟(jì)總量，進(jìn)行空間分配并輸出人口、崗位分布數(shù)據(jù)到交通規(guī)劃模型，交通規(guī)劃模型利用該數(shù)據(jù)完成交通需求與供給分析和預(yù)測，最終預(yù)測出新城未來年社會經(jīng)濟(jì)活動空間分布、土地利用形態(tài)及交通運(yùn)營狀況，為后續(xù)交通與土地利用研究提供數(shù)據(jù)支持。

1.1 面向新城規(guī)劃的整體規(guī)劃模型框架和特征

土地利用模型與交通規(guī)劃模型之間的交互框架通?？梢苑譃閮煞N，即整合型和連接型?！罢闲汀迸c“連接型”的主要區(qū)別在于：前者中的土地利用模塊將交通規(guī)劃模塊中的出行生成和出行分布階段直接取代，土地利用模塊與交通規(guī)劃模塊之間通過OD出行矩陣進(jìn)行交互；后者將土地利用模塊輸出的區(qū)域人口就業(yè)數(shù)據(jù)作為交通規(guī)劃模塊的輸入，從而展開“四階段”分析，實現(xiàn)交通需求與供給預(yù)測。

在PECAS的土地利用模型中，模型初始輸出結(jié)果可以是交通小區(qū)家庭數(shù)與分行業(yè)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值，交通小區(qū)人口數(shù)可根據(jù)交通小區(qū)家庭數(shù)乘以平均家庭人口數(shù)得到，交通小區(qū)就業(yè)數(shù)可通過分行業(yè)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值除以勞動生產(chǎn)率矩陣得到，將交通小區(qū)人口與就業(yè)崗位數(shù)輸入到交通需求預(yù)測模塊中完成交通規(guī)劃“四階段”。如圖1所示，在“連接型”整體規(guī)劃模型中，土地利用模型與交通需求預(yù)測模型均獨立運(yùn)行，僅僅通過人口與就業(yè)數(shù)據(jù)的交互建立一種比較松散的連接關(guān)系。在這種模型架構(gòu)下，土地利用模型僅僅將預(yù)測得到的社會經(jīng)濟(jì)活動空間分布結(jié)果輸出給交通需求預(yù)測模型，在運(yùn)行交通需求預(yù)測模型之前需要將PECAS預(yù)測得到的各個交通或者土地利用小區(qū)的社會經(jīng)濟(jì)活動量轉(zhuǎn)化為交通需求預(yù)測模型所需的人口與就業(yè)數(shù)據(jù)。

圖1 “連接型”城市整體規(guī)劃模型架構(gòu)Fig.1 "Connected"integrated land-use transport modeling architecture

基于以上“連接型”PECAS 整體規(guī)劃模型框架，本文提出面向新城規(guī)劃的整體規(guī)劃模型建模方法，通過修改PECAS 整體規(guī)劃模型中的架構(gòu)和輸入等，實現(xiàn)新城區(qū)域未來年的社會經(jīng)濟(jì)活動和土地利用形態(tài)的模擬，如圖2所示。該模型相對于傳統(tǒng)模型來說，建模方法既可以充分考慮新城與主城存在的獨立性，又可以在此基礎(chǔ)上考慮主城與新城之間的聯(lián)系。由于新城規(guī)劃中往往存在指定扶持與引入的社會經(jīng)濟(jì)活動種類與發(fā)展規(guī)模、土地利用形態(tài)和交通系統(tǒng)，因此，構(gòu)建面向新城規(guī)劃的整體規(guī)劃模型不僅需針對上述模塊的特點進(jìn)行模擬，還應(yīng)契合實際真實合理地模擬新城的發(fā)展情況。主城與新城之間的不同主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)新城與主城所承載的社會經(jīng)濟(jì)活動種類與總量有所不同，具有獨立性，故應(yīng)該通過社會經(jīng)濟(jì)活動總量預(yù)測模塊進(jìn)行分別預(yù)測。

(2)在社會經(jīng)濟(jì)活動空間分配過程中，分屬新城與主城的社會經(jīng)濟(jì)活動應(yīng)該被分配到其相應(yīng)的土地與空間上，但需要注意，分配過程不僅僅受到新城與主城土地利用規(guī)劃(如控規(guī))的約束，還受到兩者既有社會經(jīng)濟(jì)活動空間分布及連接兩者交通系統(tǒng)的影響，如與新城、主城相關(guān)產(chǎn)業(yè)都具有緊密投入產(chǎn)出關(guān)系的產(chǎn)業(yè)將很可能選址在新城與主城相鄰的地域。

(3)由于(1)和(2)的原因，新城與主城的空間開發(fā)量和土地利用形態(tài)有所不同，所以應(yīng)該分別建模預(yù)測。

(4)新城與主城交通基礎(chǔ)設(shè)施有所不同，但是同時又是互聯(lián)互通的，承載著新城與主城之間大量的交互交通流量，所以需要在建模過程中統(tǒng)一對兩者進(jìn)行預(yù)測分析。

考慮新城與主城所模擬的社會經(jīng)濟(jì)活動、空間及用地形態(tài)及交通狀態(tài)等存在著即有相互獨立的部分又相互聯(lián)系的部分，在構(gòu)建面向新城規(guī)劃的城市整體規(guī)劃模型時需要在傳統(tǒng)PECAS模型框架基礎(chǔ)上對其進(jìn)行修改，如圖2所示，在區(qū)域經(jīng)濟(jì)與人口預(yù)測模塊、社會經(jīng)濟(jì)活動空間分配模塊及空間開發(fā)模塊中，對于主城(簡稱OT)與新城(簡稱NT)的社會經(jīng)濟(jì)活動總量、社會經(jīng)濟(jì)活動空間分布形態(tài)及土地開發(fā)等預(yù)測都是分別開展的，但是在交通模塊的分析中需要將兩者統(tǒng)一起來進(jìn)行分析、預(yù)測，以此實現(xiàn)在建模中考慮主城和新城在社會經(jīng)濟(jì)活動與土地利用形態(tài)方面相互獨立，但是在交通方面存在交互關(guān)系的特點。

圖2 面向新城規(guī)劃的城市整體規(guī)劃模型架構(gòu)Fig.2 Architecture of New Town Planning using an integrated land use-transport model

1.2 面向新城規(guī)劃的PECAS整體規(guī)劃模型構(gòu)建方法與步驟

本文構(gòu)建模型涉及14 大類社會經(jīng)濟(jì)活動，包括第一、第二產(chǎn)業(yè)及其管理部門、第三產(chǎn)業(yè)、政府機(jī)構(gòu)及城市與農(nóng)村家庭。

(1)在產(chǎn)品與服務(wù)方面，考慮第一和第二產(chǎn)業(yè)的“總產(chǎn)品”及第三產(chǎn)業(yè)的服務(wù)、第一和第二產(chǎn)業(yè)的內(nèi)部管理及政府職能。

(2)在勞動力方面，考慮“管理與技術(shù)人員”(白領(lǐng)階層)、服務(wù)人員和生產(chǎn)人員(藍(lán)領(lǐng)階層)及其他人員(如從事第一產(chǎn)業(yè)的農(nóng)林漁業(yè)者)。

(3)在空間面積種類方面，考慮住宅、第一、第二及第三產(chǎn)業(yè)所需要的空間面積和辦公空間。

(4)14 大類社會經(jīng)濟(jì)活動具體為：農(nóng)業(yè)活動產(chǎn)出A01與農(nóng)業(yè)活動消耗A02、工業(yè)活動產(chǎn)出A03與工業(yè)活動消耗A04、交通郵電倉儲產(chǎn)生A05與交通郵電倉儲消耗A06、商業(yè)服務(wù)活動A07、科技教育活動A08、文體娛樂等公共活動A09、政府服務(wù)活動A010、政府財政A011、地方財政A012、城市家庭數(shù)A013、農(nóng)村家庭數(shù)A014。

(5)時空分辨率方面，以覆蓋武漢市及長江新城的716個交通小區(qū)為空間分析單元，以每年為土地利用和交通網(wǎng)絡(luò)更新步長進(jìn)行建模，預(yù)測從基礎(chǔ)年(2015年)至未來年(2035年)內(nèi)武漢及長江新城土地利用與交通系統(tǒng)的發(fā)展變化及兩者之間的相互影響與作用關(guān)系。

具體步驟如下：

(1)根據(jù)研究對象提出面向新城規(guī)劃的PECAS整體規(guī)劃模型的頂層設(shè)計，如圖3所示。

圖3 面向新城規(guī)劃的PECAS整體規(guī)劃模型框架設(shè)計Fig.3 Top-level design of New Town Planning using PECAS

(2)根據(jù)頂層設(shè)計，將已有湖北省投入產(chǎn)出表集計并采用Fratar法得到武漢市投入產(chǎn)出表。

(3)實現(xiàn)宏觀經(jīng)濟(jì)預(yù)測模塊。其值由各行業(yè)社會經(jīng)濟(jì)活動產(chǎn)量和消耗等歷史年度數(shù)據(jù)，通過指數(shù)平滑法進(jìn)行預(yù)測后累加而成，通過該模塊分別預(yù)測未來年武漢市及長江新城區(qū)域人口就業(yè)、各行業(yè)經(jīng)濟(jì)總量。

(4)實現(xiàn)社會經(jīng)濟(jì)活動空間分配模塊。利用宏觀經(jīng)濟(jì)預(yù)測模塊分別預(yù)測并得到主城與新城的社會經(jīng)濟(jì)活動總量，將其分別分配到主城與新城不同的交通小區(qū)之中，社會經(jīng)濟(jì)活動空間分配模型基于隨機(jī)效用理論，依據(jù)多層Logit 模型中的區(qū)位選擇對社會經(jīng)濟(jì)活動進(jìn)行分配，依次為位置選擇、生產(chǎn)/生活方式選擇、買賣市場選擇。由于篇幅限制，本文僅列出位置選擇層模型的函數(shù)，即

式中：Wa,z為小區(qū)z的活動a強(qiáng)度；La,z為小區(qū)z的活動a的區(qū)位效用；Ta為活動a的總強(qiáng)度；λa為活動a的區(qū)位效用函數(shù)的離散參數(shù)；sa,z，αsize,a為小區(qū)z中活動a的相對期望規(guī)模及其系數(shù)；αinert,a為小區(qū)z中活動a的敏感性系數(shù)；Pa,z為小區(qū)z中活動a上一模型年度的強(qiáng)度；Ia為活動a的上一模型年度的敏感系數(shù)；Ca,z為小區(qū)z中活動a的效用函數(shù)常量；Xv,z為小區(qū)z的區(qū)位屬性v；αtech,a為活動a使用生產(chǎn)技術(shù)的復(fù)合效用函數(shù)的系數(shù)；Utech,a,z為小區(qū)z中活動a使用生產(chǎn)技術(shù)tech的復(fù)合效用。

(5)實現(xiàn)空間開發(fā)模塊。根據(jù)區(qū)域土地利用數(shù)據(jù)和控規(guī)數(shù)據(jù)等分別實現(xiàn)主城與新城土地利用與空間開發(fā)的預(yù)測。根據(jù)社會經(jīng)濟(jì)活動總量預(yù)測結(jié)果，結(jié)合外部條件的輸入(如土地開發(fā)政策、用地數(shù)量與用地價格等)，進(jìn)行空間性質(zhì)的轉(zhuǎn)變、空間量的增減，從而模擬空間開發(fā)行為。將空間開發(fā)劃分為6類，依次考慮區(qū)域的每一個地塊情況，選擇可能開發(fā)的類型，并在給定現(xiàn)有年價格的情況下，計算不同地塊上的空間變化情況，具體為

式中：QInt,v,i,d為土地類別d上現(xiàn)有空間類型v分配給臨時空間類型i的數(shù)量；k為迭代次數(shù)；Qext,v,d為土地類別d上現(xiàn)有空間類型v的現(xiàn)有量；d為用地類別編號；v為現(xiàn)有空間類型編號；i為臨時空間類型編號；λi,d為效用函數(shù)離散參數(shù)，用于分配給土地類別d上的i類臨時空間類型；I(d)為d類土地上臨時空間類型的集合；UInt,v,i,d為d類土地上單位v類空間分配給臨時空間i的效用；Ri為i類臨時空間的單位價格；Rstd,i為將現(xiàn)有空間轉(zhuǎn)換為i類臨時空間的參考價格；RMA，i為年度i類臨時空間的平均價格；RSeM，i為現(xiàn)有空間轉(zhuǎn)換為i類臨時空間的模型范圍內(nèi)的參考平均價格；Fd為土地類別d上分配的現(xiàn)有空間效用函數(shù)的容量系數(shù)；Qcur,i,d為土地類別d上i類臨時空間的現(xiàn)有數(shù)量；Qcap,i,d為土地類別d上i類臨時空間的可用容量；?d為土地類別d的效用函數(shù)中的容量系數(shù)；ni,d為土地類型d上現(xiàn)有i類空間的比例；QExt,v=i,d為迭代過程中，上一年度的臨時空間i與本年度的v類空間類型一致時，疊加作為i類空間的現(xiàn)有量；CATr,v,i為效用函數(shù)常數(shù)項，適用于現(xiàn)有空間類型v分配給i類臨時空間的類型；CRTr,v,i為效用函數(shù)常數(shù)項，適用于現(xiàn)有空間類型v分配給i類(特定)臨時空間的類型；CNC，i為效用函數(shù)常數(shù)項，適用于現(xiàn)有空間類型i無變化情況下；αexprop,i為分配到i類臨時空間時，對現(xiàn)有空間的比例敏感度的效用函數(shù)系數(shù)；αprice,i為分配到i類臨時空間時，價格敏感度的效用函數(shù)系數(shù)；αmaprice,i為分配到i類臨時空間時，模型范圍內(nèi)平均價格敏感度的效用函數(shù)系數(shù)；αcap,i為分配到i類臨時空間時，可用容量敏感度的效用函數(shù)系數(shù)；Qcap，d為d類土地上可供開發(fā)的空間量；Dmax,i,d為d類土地上i類空間的規(guī)定最大允許密度。

(6)實現(xiàn)交通模塊，基于“連接型”整體規(guī)劃框架，將土地利用模型分別預(yù)測的主城與新城的人口與就業(yè)賦值給相應(yīng)的交通小區(qū)，基于“四階段”交通規(guī)劃建模方法對整個區(qū)域(包括主城與新城)開展未來年交通需求與供給合理性分析與預(yù)測。

(7)根據(jù)實際調(diào)查數(shù)據(jù)和宏觀經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)對模型中的參數(shù)進(jìn)行估計和校正。

2 面向新城規(guī)劃的城市整體規(guī)劃模型的實證模型與結(jié)果分析

2.1 實證模型區(qū)域介紹

“兩江、四岸、三鎮(zhèn)”格局一直是武漢市對外的城市名片，但是武漢市一直缺乏具有國際影響力的城市新區(qū)，因此在武漢市政府超前理念下，啟動規(guī)劃建設(shè)武漢“第四鎮(zhèn)”——長江新城。起步區(qū)規(guī)劃范圍約40 km2，且靠近武漢市中心；中期建設(shè)將沿著起步區(qū)域擴(kuò)展到100 km2，遠(yuǎn)期規(guī)劃將達(dá)到500 km2，圖4為長江新城區(qū)位圖。

圖4 武漢長江新城區(qū)位圖Fig.4 Location map of Wuhan Yangtze River New Town

隨著長江新城規(guī)劃的出爐，長江新城范圍內(nèi)的土地利用和交通規(guī)劃政策也相繼出臺。2018年8月23日關(guān)于《武漢長江新城起步區(qū)控制性詳細(xì)規(guī)劃》頒布，明確了長江新城起步區(qū)具體的產(chǎn)業(yè)布局、土地利用、交通發(fā)展與環(huán)境保護(hù)等規(guī)劃，長江新城將構(gòu)建“一軸、雙核、四區(qū)、多廊”的空間結(jié)構(gòu)。“一軸”為沿新區(qū)大道-高線公園延展的城市發(fā)展主軸；“雙核”為諶家磯、武湖超級TOD核心區(qū)；“四區(qū)”為青年活力樂居片區(qū)、總部基地服務(wù)片區(qū)、產(chǎn)城融合創(chuàng)新片區(qū)及國際交往服務(wù)片區(qū)；“多廊”為垂江生態(tài)廊道和水系連通廊道。

基于1.2節(jié)提出的整體規(guī)劃模型建模方法和步驟，構(gòu)建面向新城規(guī)劃的整體規(guī)劃建模方法，并依據(jù)基礎(chǔ)年(2015年)調(diào)查數(shù)據(jù)對模型輸出結(jié)果進(jìn)行校核，通過不斷修改模型參數(shù)與設(shè)置，使模型趨于實際。由于篇幅限制，僅從社會經(jīng)濟(jì)活動空間分配模塊的居住空間量數(shù)據(jù)與交通方式劃分結(jié)果進(jìn)行校核示例。

在土地利用的社會經(jīng)濟(jì)活動空間分配模塊校核中，主要對勞動力和服務(wù)出行距離、貨物運(yùn)輸距離和建筑面積3個方面進(jìn)行校核，選取居住空間類型的建筑面積進(jìn)行示例，建筑面積可通過社會經(jīng)濟(jì)活動中的租金價格來表征，依據(jù)2015 居住空間單位面積租金數(shù)據(jù)，對模型的預(yù)測值進(jìn)行擬合，如圖5所示。建筑面積數(shù)據(jù)包含Commodity(各類活動占地建筑面積)、ZoneNumber(小區(qū)編號)、Floorspace(建筑面積)、Price(價格)與Tolerance(容差值)。本次校正中，建筑面積容差值設(shè)置為25%[6]。結(jié)果顯示，預(yù)測準(zhǔn)確率達(dá)到99%以上，故本文所構(gòu)建模型的土地利用模塊可反映實際情況。

圖5 2015年居住空間單位面積租金的預(yù)測值與觀測值擬合曲線Fig.5 Fitting results of predicted value and target value in rent unit area of living space

根據(jù)出行調(diào)查數(shù)據(jù)，以及2015年度的地鐵與公交出行數(shù)據(jù)對方式劃分的百分比進(jìn)行交通模塊校準(zhǔn)，如表1所示，模型預(yù)測值與實際觀測值誤差不超過1%，且除自行車與步行方式外，最大誤差不超過0.2%，故交通模塊的運(yùn)行結(jié)果符合實際，可將本文研究的整體規(guī)劃模型應(yīng)用于新城土地利用與交通需求預(yù)測中。

表1 交通方式占比校正結(jié)果Table 1 Correction result of traffic mode percentage

2.2 實證模型宏觀經(jīng)濟(jì)預(yù)測模塊預(yù)測結(jié)果

根據(jù)長江新城規(guī)劃，將長江新城未來年不同產(chǎn)業(yè)總量利用S 曲線劃分為長江新城不同年份的社會經(jīng)濟(jì)活動總量。依據(jù)1.2 節(jié)中描述的14 類社會經(jīng)濟(jì)活動進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，不同社會經(jīng)濟(jì)活動表現(xiàn)出不同的增長情況，其中，工業(yè)活動產(chǎn)出A03和工業(yè)活動消耗A04、商業(yè)服務(wù)活動A07和科技教育活動A08表現(xiàn)出正增長，其他經(jīng)濟(jì)活動表現(xiàn)出負(fù)增長情況，正是由于未來年長江新城的規(guī)劃是大力發(fā)展第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)，其他社會經(jīng)濟(jì)活動將逐漸減少，如圖6所示。從增長和減少趨勢來看，符合S 曲線的趨勢，增長和減少趨勢先是平緩，然后速度激增，最后達(dá)到穩(wěn)定。在家庭數(shù)方面，長江新城未來年的規(guī)劃是城市區(qū)域，所以城市家庭數(shù)A13(單位：戶數(shù))數(shù)據(jù)是逐漸增加，相對應(yīng)的農(nóng)村家庭數(shù)A14(單位：戶數(shù))數(shù)據(jù)逐漸減少，增長/減少趨勢同樣符合S曲線情況。

圖6 長江新城不同社會經(jīng)濟(jì)活動歷年變化圖Fig.6 Yearly various activity totals in new town

2.3 實證模型社會經(jīng)濟(jì)活動空間分配模塊預(yù)測結(jié)果

根據(jù)面向新城規(guī)劃的整體規(guī)劃模型中社會經(jīng)濟(jì)活動空間分配模塊對未來年的各種社會經(jīng)濟(jì)活動進(jìn)行預(yù)測，得到不同年份的社會經(jīng)濟(jì)活動量，本文選取農(nóng)業(yè)活動與工業(yè)活動進(jìn)行展示，如圖7和圖8所示，由于所示結(jié)果均采用相同的等級分層，故圖7和圖8各給出一個圖例。

圖7 按年按小區(qū)分配的農(nóng)業(yè)活動量A01AgOperFig.7 Agricultural activity allocated by each zone in planning year-A01AgOper

圖7表示2015年、2020年、2025年、2030年和2035年武漢市和長江新城區(qū)域的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動量的分布與增減趨勢。結(jié)果顯示，武漢市農(nóng)業(yè)活動基本分布在周邊，靠近市區(qū)的農(nóng)業(yè)活動為0；隨著年份的增加，農(nóng)業(yè)活動量隨之增加，但是農(nóng)業(yè)活動分布幾乎沒有變化，比較符合實際的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展；長江新城區(qū)域的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動量逐年減少，基本符合長江新城的規(guī)劃。

圖8顯示，武漢市工業(yè)生產(chǎn)分布較廣，工業(yè)活動量逐年增加，但是工業(yè)活動分布幾乎沒有發(fā)生變化。個別交通小區(qū)增長量相對較大，原因在于該交通小區(qū)的土地空間量也相對較高，比較符合實際的工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展變化；長江新城的工業(yè)生產(chǎn)活動量也逐年增加，相較于武漢主城的工業(yè)活動增速而言，長江新城增速較快，符合長江新城規(guī)劃。

圖8 按年按小區(qū)分配的工業(yè)活動量A03IndusOperFig.8 Industrial activity allocated by each zone in planning year-A03IndusOper

2.4 實證模型交通系統(tǒng)模塊預(yù)測結(jié)果

交通需求預(yù)測模型采用“四階段”建模，人口就業(yè)數(shù)據(jù)由面向新城規(guī)劃的PECAS整體規(guī)劃模型輸出的交通小區(qū)社會經(jīng)濟(jì)活動總量轉(zhuǎn)化而來。

基于交通小區(qū)的人口與就業(yè)數(shù)據(jù)確定“四階段”的出行生成，采用類分析方法進(jìn)行出行生成預(yù)測，通過2008年基于不同出行目的的調(diào)查數(shù)據(jù)和PECAS 預(yù)測的未來年不同交通小區(qū)人口數(shù)據(jù)，計算城市與農(nóng)村在不同出行目的下不同的出行總量，從而得出不同出行目的下的出行產(chǎn)生率。將PECAS整體規(guī)劃模型輸出的社會經(jīng)濟(jì)活動量轉(zhuǎn)化為不同社會經(jīng)濟(jì)活動的崗位數(shù)，結(jié)合不同出行目的的崗位比例計算城市與農(nóng)村兩個區(qū)域中不同出行目的下的出行吸引率。本文利用TransCAD軟件的Zone or Subzone Size(s)功能計算各交通小區(qū)的出行產(chǎn)生量與出行吸引量，計算結(jié)果顯示區(qū)域的吸引總量基本與區(qū)域的產(chǎn)生總量相同，因城市會帶來更多的就業(yè)機(jī)會，故城市的出行吸引量高于農(nóng)村的出行吸引總量。鑒于長江新城未來年定義為城市區(qū)域，因此2035年長江新城區(qū)域的出行生成量變化與武漢市主城區(qū)域的變化一致。

通過Balance功能對出行產(chǎn)生量和吸引量進(jìn)行平衡后，采用重力模型法進(jìn)行“四階段”的第二階段——出行分布。運(yùn)用TransCAD 中的Gravity Application 功能進(jìn)行出行分布建模，結(jié)果表明，不同出行時間下的出行量不同，出行時間集中于短時間，且出行總量在45 min 內(nèi)與出行時間呈正比，在45 min 時到達(dá)峰值后出行總量逐漸減少為0，符合Gamma函數(shù)的出行分布。

為分析人們對不同出行方式的選擇，基于多層Logit 模型進(jìn)行交通方式劃分，在模型中將出行方式劃分為步行、自行車、公交、地鐵、出租車和私家車6 類。利用TransCAD的Logit Model Application功能進(jìn)行建模，經(jīng)校核后計算得到不同出行方式下的出行總量，分析武漢市整體對于不同出行方式的選擇占比和長江新城的出行方式選擇占比，如表2所示。

表2 2035年武漢主城與長江新城不同出行方式占比Table 2 Proportions of mode choice in old city and new town in 2035

預(yù)測數(shù)據(jù)顯示，武漢市2035年出行方式選擇最多的是步行，其次是自行車。由于長江新城規(guī)劃年以地鐵和公交網(wǎng)絡(luò)為主導(dǎo)，因此在未來年長江新城出行方式選擇最多的是地鐵，其次是公交車。上述兩個區(qū)域中出租車方式均最低，基本符合實際出行規(guī)律與規(guī)劃建設(shè)。

為評價城市規(guī)劃方案提供數(shù)據(jù)支持，采用路阻函數(shù)法(BPR)進(jìn)行交通分配。使用TransCAD 軟件中Traffic Assignment功能進(jìn)行模型構(gòu)建，計算不同道路的流量，通過不同道路的流量數(shù)據(jù)和該道路的實際通行能力得到不同道路的V/C比值，該比值反映了道路的通行情況，如圖9和圖10所示。

由圖9、圖10可知，武漢市2035年全市道路通行情況整體良好，市中心出行擁堵較為明顯，擁堵嚴(yán)重區(qū)域主要集中在過江橋梁；長江新城的建設(shè)，使長江新城與市區(qū)連接走廊存在一定擁堵。相對地，長江新城區(qū)域內(nèi)未來年路網(wǎng)基本未出現(xiàn)擁堵，僅存在幾條快速路呈輕微擁堵，初步判斷長江新城規(guī)劃年的路網(wǎng)與區(qū)域人口、就業(yè)及用地布局相匹配。

圖9 武漢市2035年不同道路的V/C比值Fig.9 V/C of different roads in Wuhan in 2035

圖10 長江新城2035年不同道路的V/C比值Fig.10 V/C of different roads in New Town in 2035

2.5 實證模型土地利用與交通系統(tǒng)協(xié)調(diào)性分析

為建立城市交通與土地利用閉環(huán)系統(tǒng)，國內(nèi)學(xué)者通過城市交通與土地利用的評價指標(biāo)分析，構(gòu)建兩者的協(xié)調(diào)性評價體系，但研究多著重于城市主城，考慮新城與舊城協(xié)同規(guī)劃發(fā)展的研究較少。本文通過面向新城規(guī)劃的整體規(guī)劃模型，從土地集約化、交通服務(wù)水平與環(huán)境質(zhì)量3個方面構(gòu)建土地利用與交通系統(tǒng)協(xié)調(diào)性評價體系，如圖11所示。綜合考慮整體規(guī)劃模型的輸出結(jié)果，在一級指標(biāo)土地集約化下選取人口、就業(yè)密度作為指標(biāo)體系的二級指標(biāo)；在交通服務(wù)水平下選取快速路與主干道擁堵路段比例作為指標(biāo)體系的二級指標(biāo)；區(qū)域私家車出行量比例越高，車輛排放對區(qū)域環(huán)境影響也會提高，因此環(huán)境質(zhì)量下選取人均公里數(shù)作為指標(biāo)體系的二級指標(biāo)[13]。

圖11 交通與土地利用協(xié)調(diào)性評價體系構(gòu)建技術(shù)路線Fig.11 Construction of technical route for coordination evaluation system of transportation and land use

根據(jù)面向新城規(guī)劃的整體規(guī)劃模型輸出的2035年武漢市不同交通小區(qū)家庭(包括城市和農(nóng)村)數(shù)量以及就業(yè)量，并根據(jù)人口密度計算方法與就業(yè)密度計算方法得到不同交通小區(qū)的人口密度與就業(yè)密度，如圖12和圖13所示。

圖12 武漢市2035年交通小區(qū)人口密度Fig.12 Population density of zone in Wuhan by 2035

圖13 武漢市2035年交通小區(qū)就業(yè)密度Fig.13 Employment density of zone in Wuhan by 2035

結(jié)果顯示，武漢市主城與長江新城均為武漢市2035年人口密度與就業(yè)密度較高的區(qū)域，且人口密度呈現(xiàn)出以這兩個區(qū)域為中心向周邊輻射逐漸減小的現(xiàn)象。根據(jù)武漢市對長江新城的規(guī)劃，2035年長江新城將成為具有國際影響的城市新區(qū)，伴隨就業(yè)機(jī)會增多，該區(qū)域人口密度與就業(yè)密度相對較高，因此判斷模型預(yù)測的人口與就業(yè)密度與規(guī)劃一致。

根據(jù)交通需求預(yù)測模塊的交通分配結(jié)果，結(jié)合武漢市市域和長江新城的擁堵路段比例指標(biāo)計算公式[13]可知，上述兩者的交通系統(tǒng)效率與服務(wù)水平指標(biāo)分別為0.216和0.187，表明在未來年武漢市整體的道路擁堵會比長江新城區(qū)域稍微嚴(yán)重。相對而言，長江新城人口密度較武漢市整體較大，依據(jù)交通分配結(jié)果與區(qū)域路網(wǎng)數(shù)據(jù)，經(jīng)過公式[13]計算顯示，武漢市人均車公里數(shù)為2773.98，長江新城為65.23。

由以上人口與就業(yè)密度，交通系統(tǒng)效率與服務(wù)水平，人均車公里數(shù)指標(biāo)，借由相關(guān)學(xué)者在交通與土地利用協(xié)調(diào)性評價指標(biāo)的權(quán)重值[14]，對武漢市市域與長江新城的交通與土地利用協(xié)調(diào)性進(jìn)行評判，通過公式[14]計算，前者綜合值為0.406，長江新城區(qū)域為0.528。基于交通與土地利用協(xié)調(diào)性等級評價表[14]，綜合值位于[0.4,0.5)為不太協(xié)調(diào)，[0.5,0.6)為基本協(xié)調(diào)，可知武漢市交通與土地利用協(xié)調(diào)性為“不太協(xié)調(diào)”，長江新城區(qū)域的協(xié)調(diào)性較武漢市稍好，但是考慮未來年規(guī)劃中長江新城的人口就業(yè)數(shù)量過多，未來年易出現(xiàn)交通與土地利用協(xié)調(diào)性由“基本協(xié)調(diào)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤安惶珔f(xié)調(diào)”，因此建議對長江新城規(guī)劃進(jìn)行優(yōu)化，可適當(dāng)考慮縮減就業(yè)崗位數(shù)量，從而降低人口數(shù)量，提高區(qū)域的交通與土地利用之間的協(xié)同程度。

3 結(jié)論

面對中國主城區(qū)與新城區(qū)協(xié)同規(guī)劃發(fā)展的趨勢，本文提出面向新城規(guī)劃的整體規(guī)劃模型建模方法，該模型可以在分別考慮主城與新城區(qū)社會經(jīng)濟(jì)活動分布與土地空間開發(fā)的前提下，對城市的整體交通系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)籌考慮。一方面，該模型相對于傳統(tǒng)的人口就業(yè)預(yù)測模型，精細(xì)度可達(dá)到小區(qū)級；另一方面，模型既能充分考慮新城與主城在交通基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展與交通需求產(chǎn)生的系統(tǒng)性和新城在產(chǎn)業(yè)與土地利用等方面的獨立性，又重視主城與新城協(xié)同規(guī)劃對區(qū)域發(fā)展的影響。

模型預(yù)測的社會經(jīng)濟(jì)活動總量增減符合S 曲線，并為社會經(jīng)濟(jì)活動空間分配模塊提供輸入條件，結(jié)果(由于篇幅有限，以農(nóng)業(yè)活動量與工業(yè)活動量為例)顯示，經(jīng)濟(jì)活動與空間分配預(yù)測與預(yù)期的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)展規(guī)律一致，符合長江新城規(guī)劃。根據(jù)模型預(yù)測的社會經(jīng)濟(jì)活動總量及其空間分布，以交通小區(qū)為空間單元，系統(tǒng)地研究區(qū)域交通系統(tǒng)的供需狀況，結(jié)果顯示，基于整體規(guī)劃模型的“四階段”交通模塊預(yù)測結(jié)果與預(yù)期比較相符，可用于評價城市規(guī)劃方案。

綜上所述，本文采用的面向新城規(guī)劃的整體規(guī)劃模型構(gòu)建方法采用了新城與主城社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展總量、社會經(jīng)濟(jì)活動分布與相應(yīng)土地空間開發(fā)獨立建模，而交通系統(tǒng)融合建模的思路，在不脫離城市主城協(xié)同發(fā)展的情況下，相對于傳統(tǒng)的新城規(guī)劃方法，其模擬結(jié)果更加精確，與實際發(fā)展規(guī)劃更加契合。

致謝：武漢研究院2018年開放性課題《武漢長江主軸交通需求預(yù)測與適應(yīng)性方案研究》提供的研究項目，使得整體規(guī)劃模型以武漢市長江新城為案例進(jìn)行驗證。