山西省基于時間可達性的城市吸引范圍劃分

司奕坤，趙 蓉

(太原師范學院 地理科學學院，山西 晉中 030619)

城市是具有一定人口規(guī)模，并以非農(nóng)業(yè)人口為主的居民聚集地。從區(qū)域角度看，每個城市都有自己的影響范圍[1]。城市的吸引范圍就是城市的吸引力和輻射力對周圍地區(qū)的社會經(jīng)濟聯(lián)系起主導作用的一個地域。1932年，克里斯塔勒的中心地理論明確提出了中心地服務范圍的概念[2]。從20世紀50年代到20世紀末，國內(nèi)外對城市吸引范圍的劃分主要采用實證法與數(shù)學模擬法。1955年，Green[3]最先采用實證法，選擇了6個指標劃分了美國紐約和波士頓的吸引范圍。顧朝林等[4]也采用類似方法對濟南市的城市吸引范圍進行了劃分。數(shù)學模擬法主要是依據(jù)引力模型及其改進模型對城市吸引范圍進行劃分。陳田[5]運用康弗斯(Converse P D)的斷裂點理論對全國范圍的城市吸引范圍進行了劃分。劉科偉[6]采用賴利(Reilly W J)的引力模型對陜西省城市的吸引范圍進行了研究；王德等[7-8]人參考了赫夫(Huff D L)引力模型自行開發(fā)了USAP軟件，并利用該軟件劃分了滬寧杭地區(qū)的城市吸引范圍。以上方法多基于區(qū)域的空間距離，并未考慮交通狀況的改變對城市間相互作用的影響。進入21世紀后，隨著地理信息系統(tǒng)技術(shù)的成熟和發(fā)展，以及多源數(shù)據(jù)的獲取難度不斷降低，大大提高了研究的可靠性和真實性。張莉等[9]改進了之前算法，自行開發(fā)了計算區(qū)域時間可達性的GIS程序，并基于此對長江三角洲的城市吸引范圍進行了劃分。陳守強等[10]綜合了上述3種方法，提出了界定城市群發(fā)育范圍的具體步驟。

山西省長期以來都顯現(xiàn)出省會城市對省內(nèi)其他城市集聚吸引能力偏弱，區(qū)域中心城市對區(qū)域內(nèi)其他縣市的集聚吸引能力偏弱的缺點，基于此，筆者旨在利用GIS技術(shù)，基于山西省實際路網(wǎng)，通過時間可達性的擴散對山西省的城市吸引范圍進行劃分，為山西省內(nèi)各區(qū)域間交流聯(lián)系空間格局的優(yōu)化、交通基礎設施的優(yōu)化布局以及山西省行政區(qū)劃的調(diào)整提供參考。

1 研究區(qū)概況

山西省地處我國北方東部到西部的過渡區(qū)域，地形地貌復雜多樣，地貌類型多為高原、山地。山西省是我國重要的能源基地，華北地區(qū)重要的交通樞紐。全省土地總面積15.67萬km2,總?cè)丝? 491.56萬人。山西省交通發(fā)展滯后，部分縣(市)還未開通高速，鐵路有同蒲、京包、大秦、神黃、石太高鐵、大西高鐵、鄭太高鐵、太中銀高鐵等主要干線。其中，鄭太高鐵與太中銀高鐵分別于2020年、2021年開通運行，開通時間較短。截至2020年，全省公路通車總里程14.43萬km，公路密度達到92.08 km/百km2，其中，高速公路通車總里程為0.57萬km。由于高速鐵路的開通對區(qū)域各節(jié)點時間可達性的影響很大，所以本研究選取2015年與2020年兩個時間節(jié)點進行研究。

2 研究方法與數(shù)據(jù)來源

2.1 數(shù)據(jù)來源

筆者所采用的道路數(shù)據(jù)來自OSM(https://www.openstreetmap.org)，2020年的交通數(shù)據(jù)集中包括了當時還尚未開通的太中銀高鐵。DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云(https://www.gscloud.cn/)，土地覆蓋數(shù)據(jù)來源于GLOBELAND30(http://www.globallandcover.com/)。山西省行政邊界數(shù)據(jù)來源于全國地理信息資源目錄服務系統(tǒng)(https://www.webmap.cn/)，以上數(shù)據(jù)地理坐標統(tǒng)一為WGS-84坐標系。

2.2 數(shù)據(jù)處理

將整個研究區(qū)劃分為100 m×100 m的柵格單元，確定每一柵格單元的通行時間成本(CrossCellTime，CCT)，如式(1)所示：

(1)

其中：CCT為通過每一柵格單元所要花費的時間成本，c為柵格單元邊長(100 m)，v為通行速度。道路速度設定的主要依據(jù)為道路實際運行情況以及《公路工程技術(shù)標準》(JTGB01-2014)(見表1)。

表1 不同等級道路及其通行時間成本

若柵格單元內(nèi)無道路通過，對地形與土地利用數(shù)據(jù)進行重采樣統(tǒng)一柵格大小為100 m×100 m后，根據(jù)其坡度值與土地利用類型，應用下式計算其通行速度[11]，并計算其CCT值：

(2)

式中：V為通過無道路地區(qū)的速度，S為柵格單元坡度。參考相關研究[11]，將坡度超過31°設定為不可通過區(qū)域；i為柵格單元速度折減系數(shù)，不同土地利用類型速度折減系數(shù)分別為：建設用地1.0、耕地或草地0.8、林地0.7、灌木林地0.75、濕地或裸地0.2、水域為不可通過區(qū)域。

2.3 山西省城市等級的劃分

本研究按照山西省“一主三副六市域中心”的城市格局，將山西省11個地級市分為3個等級。以太原都市區(qū)(包括太原市與晉中市)為一級城市，大同、長治和臨汾二級城市，剩余6個地級市為三級城市。

3 結(jié)果與分析

由于城市的吸引范圍會隨著交通網(wǎng)絡的發(fā)展而不斷變化。所以本研究選取2015年與2020年兩個時段對山西省時間可達性的時間演化進行研究。分別將3個等級城市的市政府所在地設為目標點，其中太原都市區(qū)選擇的目標點為太原市與晉中市政府。利用ArcGIS 10.8軟件成本距離工具計算山西省范圍內(nèi)所有格網(wǎng)單元通過時間距離最短的路線到達各級目的地城市的時間，生成了2015年與2020年山西省各級城市時間可達性擴散圖，如圖1所示。因為高等級的城市也包含低等級城市的職能，所以本研究中二級城市當中也包含一級城市，三級城市則包含所有城市。

圖1 2015年與2020年山西省各級城市時間可達性擴散圖

3.1 一級城市時間可達性變化

以太原都市區(qū)作為目標城市計算山西省區(qū)域內(nèi)所有柵格到達太原都市區(qū)的時間可達性擴散圖并對不同時間的覆蓋范圍區(qū)域進行統(tǒng)計，見表2。

表2 山西省一級城市時間可達性的分區(qū)統(tǒng)計

2015年，山西省境內(nèi)共開通運行了兩條高鐵，分別為大西高鐵與石太高鐵，3 h吸引范圍明顯向大同、運城和陽泉方向延伸，對東南部的晉城輻射能力較弱。2020年鄭太高鐵的開通縮短了晉東南地區(qū)到達太原都市區(qū)的時間成本，這在一定程度上提升了太原都市區(qū)對晉東南地區(qū)的集聚吸引能力。由表2可以看出，2020年太原都市區(qū)3 h吸引范圍面積比2015年增長了12.7%，有2/3的縣都進入到3h吸引范圍。

2020年太原都市區(qū)時間可達性沿交通路網(wǎng)呈“大”字形向外擴散，按照一日交流圈(3 h等時圈)的理念，太原都市區(qū)基本覆蓋到了山西省11個地級市的行政區(qū)范圍，但是太原都市區(qū)的3 h覆蓋范圍主要為其周邊的忻州中部、陽泉、呂梁東部、長治等地，對北部的大同，南部的運城以及東南的晉城輻射力相對較弱。雖然運城、晉城、大同均有通往太原南站的高鐵線路，但晉城東站位于澤州縣東部的金村鎮(zhèn)，距晉城市市政府有半小時車程；運城北站位于鹽湖區(qū)北部陶上村，距運城市市政府也有半小時車程，未來山西省在繼續(xù)加大省內(nèi)通往太原都市區(qū)的交通基礎設施投入的同時，還應該增設從交通站點到達市區(qū)的通勤線路和頻次，從而縮短往返于車站和市區(qū)的通勤時間，進而強化太原都市區(qū)的極核作用。

3.2 二級城市時間可達性變化

選擇太原都市區(qū)、大同市、臨汾市與長治市作為目標城市，計算山西省區(qū)域內(nèi)所有柵格點到達最近二級城市的時間可達性擴散圖并對不同時間的覆蓋范圍區(qū)域進行分區(qū)統(tǒng)計，見表3。

表3 山西省二級城市時間可達性的分區(qū)統(tǒng)計

從表3可以看出，2015年、2020年山西省4個等級城市0～2 h覆蓋范圍均有一定程度擴大，2 h以上覆蓋范圍絕大多數(shù)存在下降趨勢。太中銀高鐵的開通，使得原來位于太原都市區(qū)2 h以上覆蓋范圍的離市區(qū)，中陽縣與柳林縣進入到1～2 h覆蓋范圍。太原都市區(qū)3 h以上覆蓋范圍在所有二級城市中增速最快，晉北地區(qū)增速緩慢，未來應加強晉北地區(qū)交通基礎設施建設。從2020年時間可達性擴散圖來看，二級城市的時間可達性擴散基本與山西省“一主三副”的城鎮(zhèn)格局相符合。

3.3 三級城市時間可達性變化

第三等級城市是太原都市區(qū)加剩余9個地級市。將第三等級城市設為目標點計算山西省區(qū)域內(nèi)所有柵格點到達最近二級城市的時間可達性擴散圖。2015年、2020年，三級城市時間可達性變化不大，117個縣級行政單元全部位于3h覆蓋范圍內(nèi)。

3.4 吸引范圍與行政區(qū)范圍的疊合分析

在時間可達性的基礎上，利用ArcGIS成本分配工具計算各級城市吸引范圍，把各級城市的吸引范圍與它們的行政區(qū)范圍進行疊合分析，并計算各市吸引范圍中各城市面積的比例和各市行政區(qū)面積中各市吸引范圍的比例。

3.4.1 二級城市吸引范圍與行政區(qū)范圍的疊合分析。太原都市區(qū)的輻射范圍占據(jù)了山西省面積的47.44%，主要包括周邊的陽泉、忻州、呂梁中、北部和長治西北部的縣(區(qū))。臨汾和運城、長治和晉城、大同和忻州各自形成了組團結(jié)構(gòu)。其中，大同副省域中心的吸引范圍占晉北地區(qū)(大同、朔州和忻州)面積的61%，基本包括大同和朔州全境以及忻州市的偏關縣、代縣和繁峙縣部分地區(qū)；臨汾副省域中心的吸引范圍占晉南地區(qū)(臨汾和運城)面積的97%，基本包括運城、臨汾全境以及呂梁市的石樓、交口兩縣部分地區(qū)；長治副省域中心的吸引范圍占晉東南地區(qū)(長治和晉城)面積的80.9%，基本包括除長治西北部的沁縣、武鄉(xiāng)縣以外的長治、晉城全境。

3.4.2 三級城市吸引范圍與行政區(qū)范圍的疊合分析。參考張莉等人的研究[9]可將各級城市吸引范圍與行政區(qū)范圍疊合分析的結(jié)果分為4種類型，見表4，得出山西省各級城市吸引范圍與行政區(qū)的疊合分析統(tǒng)計表。為表示方便，分別用X、Y、Z表示吸引范圍中各城市面積比例、行政區(qū)中各市吸引范圍面積比例、吸引范圍與行政區(qū)面積比例。

表4 吸引范圍與行政區(qū)面積比分類標準

結(jié)果所示:晉城、運城、臨汾的吸引范圍與行政區(qū)范圍大致吻合，表明三市目前的交通發(fā)展狀況與其影響區(qū)域的范圍基本一致；大同、陽泉的吸引范圍大于其行政區(qū)范圍，表明兩市在現(xiàn)有的交通網(wǎng)絡基礎上不僅能夠影響本市行政區(qū)范圍內(nèi)的區(qū)域，還能輻射到周邊城市的縣市。其中，大同的吸引范圍還包括了朔州的右玉縣、懷仁市和應縣，陽泉吸引范圍還包括了壽陽、昔陽和和順三縣。未來可以適當擴大陽泉市的行政區(qū)劃；忻州的吸引范圍小于其行政區(qū)范圍，表明其目前的交通發(fā)展狀況滯后于區(qū)域發(fā)展狀況，未來要加強忻州市的交通建設投入力度。呂梁、長治、朔州、太原都市區(qū)與其行政區(qū)的范圍存在錯位，表明這些城市在目前交通發(fā)展狀況的基礎上，其吸引范圍包含了周邊縣市的同時又受到了其他不同城市的吸引，見表5。從結(jié)果可以看出，太原都市區(qū)的吸引范圍并沒有在省內(nèi)占有絕對優(yōu)勢，其行政區(qū)范圍內(nèi)還有30%以上的區(qū)域處于其他地級市的吸引范圍之內(nèi)。未來還要進一步加強太原都市區(qū)的交通投資力度，通過更加密集的交通網(wǎng)絡加強其與省內(nèi)各城市的聯(lián)系，提升太原都市區(qū)的綜合實力和在山西省內(nèi)的區(qū)域影響力。

表5 山西省三級城市吸引范圍與行政區(qū)的疊合分析

4 結(jié)論與討論

筆者基于山西省實際的陸路交通網(wǎng)，生成了山西省交通網(wǎng)絡數(shù)據(jù)集。綜合考慮了地表的坡度和地表覆蓋類型以及道路的類型和等級，分別生成了2015年與2020年山西省3個級別城市的時間可達性擴散圖。結(jié)果發(fā)現(xiàn):山西省交通的發(fā)展受地形因素影響較大，路網(wǎng)主要沿盆地延伸，時間可達性擴散也主要沿盆地呈放射狀向外擴散；高鐵線路的開通對太原都市區(qū)于全省的輻射吸引作用具有較大的正向作用；通過疊合分析可以發(fā)現(xiàn)吸引范圍與行政區(qū)有發(fā)生錯位的區(qū)域，未來可結(jié)合實際適當?shù)剡M行行政區(qū)劃的調(diào)整。

區(qū)域是開放的，本文將山西省看作一個孤立的區(qū)域，僅討論了省域范圍內(nèi)各城鎮(zhèn)節(jié)點的時間可達性，忽略了其與其他省份的聯(lián)系。

本研究僅考慮了交通一個影響因子，綜合考慮多因素研究山西省城鎮(zhèn)節(jié)點吸引范圍的時空演變有待筆者進一步深入。