河西走廊地區(qū)鐵路網(wǎng)絡空間布局研究

袁 鋒

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司 線路運輸設計院，陜西 西安 710043)

1 河西走廊鐵路網(wǎng)布局研究

1.1 研究背景

鐵路是區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的重要支撐，完善的鐵路網(wǎng)能夠為區(qū)域內(nèi)部貨物流動、人員往來提供良好的運輸支持，促使經(jīng)濟社會更好地發(fā)展。很多學者對鐵路網(wǎng)進行了研究，高玉祥等[1]以GDP 密度、人口密度和路網(wǎng)密度研究了新疆的鐵路網(wǎng)擴張規(guī)律。張野等[2]對西北五省的鐵路網(wǎng)與區(qū)域發(fā)展的耦合關系進行研究，指出了該地區(qū)今后路網(wǎng)建設的方向。關于路網(wǎng)的可達性研究，徐旳等[3]以江蘇省高等級公路為研究對象，分析了公路網(wǎng)絡建設對區(qū)域可達性的影響及各地市的可達性特征。李紅昌等[4-5]通過構建DID 估計模型，以第三產(chǎn)業(yè)區(qū)位熵等指標作為集聚經(jīng)濟指數(shù)，定量分析了高速鐵路對城市集聚經(jīng)濟產(chǎn)生的影響。

之前學者們的研究主要集中在路網(wǎng)擴張規(guī)律方面[6]，對于運用可達性指標對鐵路網(wǎng)空間布局方面的研究則比較少?？蛇_性是評價交通便利程度的重要指標，能夠在一定層面較好地反映路網(wǎng)建設水平。以河西走廊為研究區(qū)域，以可達性為評價指標，運用地學統(tǒng)計、空間分析等方法研究2015 年和2020 年2 個時間節(jié)點的河西走廊鐵路網(wǎng)可達性空間分布，并預測2025 年的路網(wǎng)可達性，給出今后鐵路建設的決策建議。

1.2 河西走廊概況

2019 年國家發(fā)展和改革委員會印發(fā)《西部陸海新通道總體規(guī)劃》[7]，明確指出提升通道對西北地區(qū)的輻射和聯(lián)動作用，有力促進西部地區(qū)開發(fā)開放。河西走廊作為“一帶一路”的重要節(jié)點區(qū)域，地理位置和區(qū)位優(yōu)勢明顯，是聯(lián)通新疆、中亞的鐵路通道地區(qū)。研究該地區(qū)的鐵路網(wǎng)空間布局，明晰該地區(qū)鐵路建設的優(yōu)勢與不足及路網(wǎng)空間布局和經(jīng)濟社會的適應性，不斷加快鐵路建設來優(yōu)化路網(wǎng)布局，對建設陸海新通道和加快河西地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展有重要意義。河西走廊因位于黃河以西，為兩山夾峙得名[8]，占地面積為24.57 萬km2，約占甘肅省總面積的55.4%，地理位置重要，是內(nèi)地通往新疆、西亞及中亞的重要通道，跨越甘肅省的武威市、金昌市、張掖市、酒泉市和嘉峪關市，走廊內(nèi)蘭新高速鐵路(蘭州—烏魯木齊)、蘭新鐵路(蘭州—烏魯木齊)、干武鐵路(干塘—武威)、敦煌鐵路(柳溝—飲馬峽)等構成了區(qū)域鐵路網(wǎng)，河西地區(qū)人口約占到甘肅省總人口的1/5。人口、行政區(qū)和經(jīng)濟數(shù)據(jù)都取自河西地區(qū)5 市各縣(區(qū))2015年、2020 年國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報。由于鐵路從開工建設到竣工通車的時間較長，且鐵路網(wǎng)規(guī)劃建設周期與國家的“國民經(jīng)濟五年計劃”基本一致，因此時間節(jié)點選擇了“十二五”末(2015 年)、“十三五”末(2020 年)，并對“十四五”末(2025 年)進行了預測，通過利用這3 個時間節(jié)點的路網(wǎng)數(shù)據(jù)進行研究。根據(jù)我國鐵路、公路的設計速度目標值，并充分結合河西走廊地區(qū)的鐵路、公路實際運營情況，給出各種類型的公路、鐵路速度賦值。速度賦值如表1 所示。

表1 速度賦值 km/hTab.1 Velocity assignment

1.3 模型構建

1.3.1 可達性

可達性受到多種因素的約束，通常有加權平均旅行時間、日?？蛇_性等指標，由于河西走廊地區(qū)的城市發(fā)展差異不大，所以選取平均可達性作為研究指標。平均可達性指的是研究區(qū)域內(nèi)的一個點到其他點的通行時間的平均值，值越小則表明該點的通達程度越好、區(qū)位優(yōu)勢越強，其計算公式為[9-11]

式中：Ai為節(jié)點的可達性均值；Tij為i節(jié)點到研究區(qū)內(nèi)j節(jié)點的最短鐵路交通時間；n為研究區(qū)內(nèi)除選中節(jié)點外的其他節(jié)點數(shù)總和。Ai的值越小表示該節(jié)點的可達性越好，反之則表示該節(jié)點的可達性越差。

1.3.2 網(wǎng)絡分析

網(wǎng)絡分析就是根據(jù)已經(jīng)構建的網(wǎng)絡中各元素的拓撲關系，利用元素的屬性信息對網(wǎng)絡的性能進行分析評價[12]。網(wǎng)絡數(shù)據(jù)集適用于創(chuàng)建交通網(wǎng)絡，使用GIS 網(wǎng)絡分析時執(zhí)行該操作，分析過程始終在網(wǎng)絡數(shù)據(jù)集中進行。網(wǎng)絡數(shù)據(jù)集由包含了簡單要素 (線和點) 和轉(zhuǎn)彎要素的源要素創(chuàng)建而成，線要素類、點要素類可分別作為邊要素源、交匯點要素源，要素的基本屬性有名稱、使用類型、單位、數(shù)據(jù)類型和默認情況下是否使用[13-14]。通過GIS 地理數(shù)據(jù)庫中的要素數(shù)據(jù)集來創(chuàng)建，地理數(shù)據(jù)庫要素數(shù)據(jù)集中的所有要素均可作為網(wǎng)絡源參與網(wǎng)絡數(shù)據(jù)集。構建時將需要參與網(wǎng)絡分析的要素類放到同一個要素數(shù)據(jù)集中，在網(wǎng)絡數(shù)據(jù)集編輯完成后，必須對網(wǎng)絡數(shù)據(jù)集進行構建后才可用于分析。根據(jù)矢量化的路網(wǎng)數(shù)據(jù)和行政區(qū)劃數(shù)據(jù)空間關系，利用GIS軟件建立河西走廊路網(wǎng)數(shù)據(jù)集。網(wǎng)絡分析圖層可以對網(wǎng)絡分析的輸入、屬性和結果進行存儲，包括網(wǎng)絡分析類和網(wǎng)絡分析對象，其中網(wǎng)絡分析對象以合成圖層的形式顯示在GIS 的圖層列中。通行成本可以利用網(wǎng)絡分析中的OD 成本矩陣分析圖層進行計算，由于網(wǎng)絡分析的執(zhí)行將始終針對特定的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)集，故在此之前需要將分析圖層與網(wǎng)絡數(shù)據(jù)集綁定。計算時如果阻抗為時間，則會求出耗時最短的路徑；如果阻抗為距離，則會求出路程最短的路徑。OD 矩陣將起點和終點分別按行為起點區(qū)、列為終點區(qū)排序，以任意兩分區(qū)之間的居民交通出行量(OD 量)為元素的矩陣，如公式 ⑵ 所示。網(wǎng)絡分析是GIS 重要的空間分析功能，通過GIS 網(wǎng)絡分析和OD 矩陣原理可計算區(qū)域內(nèi)節(jié)點間的通達時間，進而分析得到各節(jié)點的空間可達性。

2 鐵路網(wǎng)絡布局的時空變化

2.1 基于可達性分析的2015 年鐵路網(wǎng)絡空間布局

2015 年河西地區(qū)主要形成了以蘭新高速鐵路、蘭新鐵路為骨架的鐵路網(wǎng)，基于路網(wǎng)數(shù)據(jù)和GIS 軟件構建計算通達時間的網(wǎng)絡分析模型，得到2015年河西地區(qū)各城市節(jié)點的相互間通達時間及鐵路網(wǎng)可達性，其中，通達時間是指通過網(wǎng)絡數(shù)據(jù)集計算得到的各縣區(qū)間的最短通行時間，能較為直觀地表示2 個節(jié)點之間的通行時間成本。2015 年、2020 年河西地區(qū)縣(區(qū))相互間的通達時間如表2所示。

由表2 可知，各縣區(qū)相互通達時間最長的是天祝至肅北，時間為13.6 h；通達時間最短的是從嘉峪關至酒泉，時間為0.3 h。雖然蘭新鐵路串聯(lián)了河西地區(qū)的5 個地級市及部分縣，且蘭新高速鐵路連接了張掖、酒泉、嘉峪關三市，但由于高速鐵路部分線路位于青海省境內(nèi)，金昌市、武威市境內(nèi)縣區(qū)未被連接，與其他城市相互間的通達時間還是比較長。利用可達性模型計算了2015 年甘肅省河西地區(qū)主要縣區(qū)的空間可達性。2015 年縣(區(qū))可達性如表3 所示。

表2 2015 年、2020 年河西地區(qū)縣(區(qū))相互間的通達時間 hTab.2 Travel time between counties (districts) in Hexi region in 2015 and 2020

表3 2015 年縣(區(qū))可達性 hTab.3 Accessibility of counties (districts) in 2015

由表3 可知，2015 年各縣(區(qū))的平均可達時間為4.32 h，可達性最好的甘州區(qū)為2.75 h，可達性最弱的肅北縣為7.03h?？蛇_性在5 h 以內(nèi)的縣區(qū)有15 個，6 h 以內(nèi)的縣區(qū)有18 個。地級市及其附近的城市可達性相對于其他地區(qū)較好，民勤縣由于遠離鐵路干線，可達性為5.14 h。可達性主要呈現(xiàn)以張掖為中心向兩端逐漸變差的趨勢，被鐵路串聯(lián)及鐵路沿線的城市節(jié)點的可達性都較好，主要為張掖市和酒泉市大部分區(qū)域，酒泉市的西南部可達性最差?？蛇_性與區(qū)域發(fā)展、地理位置的聯(lián)系較為緊密，張掖和酒泉市肅州區(qū)的經(jīng)濟較好，路網(wǎng)建設較為完善，且位于鐵路主通道范圍內(nèi)，可達性顯著優(yōu)于其他區(qū)域。

2.2 基于可達性分析的2020 年鐵路網(wǎng)絡空間布局

2019 年12 月18 日歷時7 年的敦格鐵路(敦煌—格爾木)建成通車，形成了我國在西北地區(qū)的第一個環(huán)形鐵路網(wǎng)，連接了甘肅省酒泉市和青海省格爾木市，西北路網(wǎng)布局得以進一步完善，酒泉市阿克塞縣、肅北縣從此有了鐵路通達。同時連接包蘭鐵路(包頭—蘭州)和蘭新鐵路(蘭州—烏魯木齊)的干武鐵路(干塘—武威)增建二線開通運營，列車運行速度和運輸能力得到進一步提升?；贕IS 網(wǎng)絡分析模型計算得到的縣區(qū)間通達時間，肅北、阿克塞到其他地區(qū)的時間進一步縮短，便捷性也得到了較好的提升。

2020 年各縣(區(qū))可達性如表4 所示。2020年河西地區(qū)的縣區(qū)可達性平均值為4.17，較上一時間節(jié)點提升了0.15 h，是由于蘭新高速鐵路的通車，被其串聯(lián)的節(jié)點的可達性提升很大?？蛇_性在5 h以內(nèi)的縣區(qū)為10 個，6 h 以內(nèi)的縣區(qū)數(shù)目未發(fā)生變化。可達性較弱的地區(qū)主要為酒泉市東南部、武威市北部，依然是河西走廊路網(wǎng)建設的薄弱地區(qū)，經(jīng)濟發(fā)展與鐵路建設的耦合作用不強。

表4 2020 年縣(區(qū))可達性 hTab.4 Accessibility of counties (districts) in 2020

肅北縣的可達性由原來的7.03 h 提升為6.46 h，甘州區(qū)的可達性提升了0.09 h。可達性提升最大的是阿克塞縣，提升了0.51 h，由于之前沒有鐵路通達，所以在敦格鐵路通車及柳敦鐵路(柳園—敦煌)提速改造后可達性提升很明顯，與區(qū)域內(nèi)其他城市間的聯(lián)系進一步增強，高速鐵路的建設對沿線地區(qū)可達性的作用程度明顯。

經(jīng)過一段時期的鐵路建設，河西地區(qū)鐵路運輸?shù)哪芰Σ粩嘣鰪?，普速鐵路的覆蓋率已經(jīng)達到100%，但高速鐵路通達率不高，武威、金昌還沒有高速鐵路，鐵路建設還有很大的空間。目前，由于蘭新高速鐵路只串聯(lián)了張掖、酒泉、嘉峪關，未來應該盡快建設蘭張城際鐵路武威至張掖段，釋放蘭新鐵路的貨物運輸能力，滿足西部陸海新通道建設不斷增長的貨物運輸需求。在進行主干道建設的同時，適度加快酒額鐵路(酒泉—額濟納)、敦格鐵路二線其他分支線路的建設，加大干線鐵路在區(qū)域內(nèi)的有效輻射面積，實現(xiàn)全地區(qū)經(jīng)濟的協(xié)調(diào)發(fā)展，同時加快建設蘭州至張掖城際鐵路，形成從蘭州經(jīng)河西五市到新疆的高速鐵路大通道，為地區(qū)發(fā)展提供重要支撐。

2.3 基于可達性分析的2025 年鐵路網(wǎng)絡空間布局

根據(jù)《甘肅省“十四五”及中長期鐵路網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃》及在建的鐵路項目，到2025 年將有蘭張城際鐵路(蘭州—張掖)、酒額鐵路等建成通車。2020 年、2025 年河西地區(qū)縣（區(qū)）相互間的通達時間如表5 所示。

表5 2020 年、2025 年河西地區(qū)縣（區(qū)）相互間的通達時間 hTab.5 Travel time between counties (districts) in Hexi region in 2020 and 2025

2025 年所有縣區(qū)的平均可達性提升為3.31 h，可達性在3 h 以內(nèi)的縣區(qū)有9 個，4 h 以內(nèi)的有16個，各縣(區(qū))的通達性進一步提升。屆時武威市、金昌市的可達性將有很大提升，改變幅度分別為1.63 h，1.44h，河西地區(qū)所有的地級市都進入高速鐵路網(wǎng)，對地區(qū)經(jīng)濟的發(fā)展將有積極的帶動作用。

為了更好研究和比較各縣區(qū)的可達性時空變化差異，計算2015 年、2020 年和2025 年河西地區(qū)各縣(區(qū))的可達性變化趨勢。各縣(區(qū))可達性變化如圖1 所示。

圖1 各縣(區(qū))可達性變化Fig.1 Accessibility changes of counties (districts)

由圖1 可知，張掖市的高臺、山丹、甘州、臨澤，以及酒泉市肅州的可達性始終是河西地區(qū)最優(yōu)的，這與其地理位置有密切的關系，其始終位于鐵路干線大通道附近，鐵路對其可達性的改善有很大的作用。而不在鐵路作用范圍內(nèi)地區(qū)的可達性一直較差，社會經(jīng)濟發(fā)展受交通運輸約束大。

經(jīng)過10 年的鐵路網(wǎng)建設，河西地區(qū)各縣(區(qū))的可達性都有了明顯的提升，整體的平均可達性由2015 年的4.32 h 縮短為2020 年的4.17 h，至2025年可達到3.31 h，提升幅度為23.4%；但不同地區(qū)的可達性提升幅度不一樣，由于敦格鐵路建設，肅北縣和阿克塞縣有了鐵路通達，再加上蘭張城際鐵路(蘭州—張掖)的開通，可達性將分別提升1.67 h，1.87 h，是河西走廊可達性提升最大的區(qū)域，與其他城市的空間聯(lián)系進一步增強。

由于鐵路只有在站點才可以與地方產(chǎn)生相互作用，河西地區(qū)地域遼闊，故在加快鐵路建設的同時，科學合理構建與鐵路運輸相配合的綜合交通運輸體系，進一步提升區(qū)域的整體可達性來提高鐵路的運營效率和減少鐵路建設的成本，以此實現(xiàn)可達性與經(jīng)濟社會相適應的協(xié)調(diào)發(fā)展。

3 結束語

鐵路和高速鐵路作為河西走廊地區(qū)內(nèi)外聯(lián)系的重要交通運輸工具，有效提升了河西地區(qū)可達性，加快了城市之間人員和物資的流動，也引起了城市經(jīng)濟和空間集聚的變化。隨著路網(wǎng)布局的不斷完善，河西走廊縣區(qū)平均可達性由2015 年的4.32 h縮短為2020 年的4.17 h，至2025 年預計為3.31 h，已成為區(qū)域內(nèi)經(jīng)濟社會發(fā)展重要的運輸支撐。在當前河西走廊地區(qū)普速鐵路網(wǎng)相對完善的情況下，緊抓“一帶一路”發(fā)展機遇，大力發(fā)展陸橋通道，加快區(qū)域內(nèi)高速鐵路、干線鐵路建設，加快建設新的省際、區(qū)際運輸通道，以及必要的聯(lián)絡線、城市與經(jīng)濟據(jù)點、礦山企業(yè)間的線路，構建高效快捷、布局合理的綜合交通體系，進而進一步提升不同地區(qū)的可達性，縮短各個城市之間的旅途時間，更有效地帶動河西走廊地區(qū)相關產(chǎn)業(yè)發(fā)展，為河西地區(qū)的發(fā)展服務助力。