劉金平 楊 賀 何高文 嚴(yán) 慧

（中國礦業(yè)大學(xué)管理學(xué)院，江蘇省徐州市，221116）

我國煤炭運輸通道優(yōu)化布局研究＊

劉金平 楊 賀 何高文 嚴(yán) 慧

（中國礦業(yè)大學(xué)管理學(xué)院，江蘇省徐州市，221116）

利用ArcGIS平臺，建立中國煤炭供需數(shù)據(jù)庫，構(gòu)建基于主要煤炭運輸鐵路、高速公路、國道和基礎(chǔ)公路的煤炭運輸通道網(wǎng)絡(luò)，測算省域、縣域交通通達(dá)度；運用山體水重力模型，以煤炭凈存量作為高程值進(jìn)行分析，得出煤炭供需三維模型的山谷線和山脊線，并結(jié)合縣域交通通達(dá)度和各省域煤炭調(diào)動情況，給出我國新建煤炭儲備庫的煤炭運輸通道選址的具體建議。

煤炭運輸通道 交通通達(dá)度 SOA分析 煤炭儲備庫

1 引言

由于我國煤炭資源地域分布，產(chǎn)煤區(qū)和用煤區(qū)地域跨度大，煤炭需經(jīng)過長距離運輸，運能嚴(yán)重不足，制約煤炭產(chǎn)、運、需的平衡。煤炭運輸通道的優(yōu)化布局旨在根據(jù)煤炭生產(chǎn)和煤炭消費區(qū)域進(jìn)行三維模擬，生成三維圖形后，再將其比擬為山體模型，根據(jù)山體水重力模型，進(jìn)行SOA分析，得出山脊線和山谷線。通過建立煤炭運輸通行評價指標(biāo)體系，得到對交通通達(dá)度的度量。結(jié)合煤炭調(diào)動區(qū)，山脊線對應(yīng)于水流分流區(qū)，與交通通達(dá)度低值重合區(qū)域新建煤炭運輸通道；山谷線對應(yīng)于水流匯流區(qū)，與交通通達(dá)度低值重合區(qū)域新建煤炭運輸通道或煤炭儲備庫，最終結(jié)合煤炭凈調(diào)動量，給出煤炭運輸通道的具體優(yōu)化布局。具體的煤炭運輸通道優(yōu)化布局技術(shù)路線見圖1。

圖1 煤炭運輸通道優(yōu)化布局技術(shù)路線

2 地區(qū)GDP與耗煤量關(guān)系

煤炭是中國的主要能源，發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)與煤炭消費關(guān)系十分密切。由于縣市級耗煤量數(shù)據(jù)可得性，采集全國1998-2008年的GDP數(shù)據(jù)和煤炭消耗量數(shù)據(jù)，進(jìn)行相關(guān)性研究，得到GDP和煤炭消耗量關(guān)系，再根據(jù)2008年縣域GDP數(shù)據(jù)，反推其煤炭消耗量數(shù)據(jù)。

總體上，中國的煤炭消費量和實際GDP總體上均呈現(xiàn)逐年上升的趨勢。為了進(jìn)一步研究二者之間的彈性系數(shù)，本文選取對數(shù)線性模型，分析兩者的變化趨勢。根據(jù)對數(shù)線性回歸后得到回歸分析結(jié)果：

式中：CC——煤炭消費量；

GDP——國內(nèi)生產(chǎn)總值。

煤炭產(chǎn)量 （CP）減去煤炭消耗量 （CC）即可得到縣市的煤炭凈賦存量C。

3 三維分析

基于高程信息的三維分析主要包括三維幾何參數(shù)計算、地形因子提取、地表類型分析、通視性分析、地形剖面圖繪制、地形三維可視化等。通過ArcGIS的3D Analyst模塊，來創(chuàng)建動態(tài)三維模型和交互式地圖，從而更好地實現(xiàn)地理數(shù)據(jù)的可視化和分析處理。

三維分析采用兩種表面模型：柵格和TIN。創(chuàng)造表面模型主要有兩個方法：數(shù)據(jù)內(nèi)插和三角測量。內(nèi)插方法包括反距離權(quán)重、樣條函數(shù)、克利金和自然領(lǐng)域內(nèi)插。柵格用樣本值或內(nèi)插值把表面表達(dá)成規(guī)則格網(wǎng)。TIN用不規(guī)則三角網(wǎng)表達(dá)表面，三角形的網(wǎng)點存儲Z值。通過創(chuàng)建TIN或添加要素到TIN中的方法可以建立三角表面。還可以實現(xiàn)TIN和柵格表面模型的互換。

3.1 DEM提取分析

本文選取煤炭生產(chǎn)消費主要城市點共78個，根據(jù)其產(chǎn)煤量和煤炭消耗量，測度其凈煤量 （其煤炭純賦存或者煤炭純消耗量），并將其凈煤量設(shè)置為Z值高程屬性，以用來創(chuàng)建柵格表面。通過反推、計算得到部分縣市煤炭凈賦存量，再運用IDW空間插值方法，生成柵格IDW＿產(chǎn)煤點圖層，并設(shè)置等值線間隔后，生成等值線。再通過三維分析，由等值線生成TIN圖形，并轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)，得到部分縣市點的煤炭凈賦存屬性的DEM數(shù)據(jù)，見圖2。

圖2 研究區(qū)域的DEM數(shù)據(jù)

3.2 坡向變率 （SOA）分析

山脊線和山谷線的提取實質(zhì)上也是分水線與匯水線的提取。因此，可以利用水文分析的方法，根據(jù)區(qū)域DEM數(shù)據(jù)，提取山脊線、山谷線柵格數(shù)據(jù)。

對于山脊線而言，由于它同時也是分水線，而分水線的性質(zhì)即為水流的起源點。所以，通過地表徑流模擬計算之后，這些柵格的水流方向都應(yīng)該只具有流出方向而不存在流入方向，即柵格的匯流累積量為零。因此，通過對零值的提取，就可得到分水線，即山脊線。

對于山谷線而言，可以利用反地形計算，即利用一個較大的數(shù)值減去原始DEM數(shù)據(jù)，得到與原始DEM地形相反的地形數(shù)據(jù)，使得原始的DEM中的山脊變成反地形的山谷，而原始DEM中的山谷在反地形中就變成了山脊。再利用山脊線的提取方法就可以實現(xiàn)山脊線的提取，并利用正、負(fù)地形糾正偏差。

4 交通通達(dá)度的度量

4.1 交通通達(dá)度

通達(dá)度概念由漢森 （Hansen W.G.）于1959年提出，他將其定義為相互作用機(jī)會的潛力值。交通通達(dá)度則是指從一個地方到另一個地方的難易程度。一個地區(qū)的物流和交通網(wǎng)絡(luò)的密度和可達(dá)性影響到這個地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。公路和鐵路網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展使得中國的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)有了新的發(fā)展，也將區(qū)域間的空間運輸緊密聯(lián)系起來。地區(qū)的交通設(shè)施越便利，其可達(dá)性越高；反之交通狀況越差，其偏遠(yuǎn)性就越強(qiáng)。

目前已有的交通通達(dá)度研究集中于單一的交通方式，全面反映區(qū)域的交通運輸能力比較困難；多數(shù)學(xué)者采用距離度量法、重力度量法、拓?fù)涠攘糠ɑ蛳嚓P(guān)模型等方法，其計算方法和過程繁雜，某種程度上限制了其應(yīng)用范圍。本文采用權(quán)重歸一法，把不同級別的因素賦予權(quán)重，在同一級別程度上進(jìn)行歸一化處理。

4.2 建立煤炭運輸通行評價指標(biāo)體系

我國煤炭運輸狀況是公路占7.5%，鐵路占70.0%，水運和漕運占22.5%，因為水運涉及港口位置、吞吐量，由于數(shù)據(jù)獲取和定點運輸問題，本文構(gòu)建交通通達(dá)度影響因素以鐵路和公路為主。為遵循科學(xué)、系統(tǒng)等原則，從交通運輸線路網(wǎng)絡(luò)密度方面提出4項指標(biāo)來構(gòu)建各研究區(qū)域交通通達(dá)評價體系。具體如下：T1國道密度、T2高速公路密度、T 3基礎(chǔ)公路密度、T 4鐵路密度。

為計算中國分省和分縣通達(dá)度，消除量綱影響，各個指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理。根據(jù)2008年各省和各縣中各個指標(biāo)中的最小值和最大值確定歸一化中的極值。因為中國分省和分縣指標(biāo)差異大，為了縮小各區(qū)域間的差異，將各個指標(biāo)進(jìn)行對數(shù)變換，再進(jìn)行歸一化處理，見公式 （2）：

式中：Gij——第i區(qū)域第j個指標(biāo)的歸一化值；

Tij——i區(qū)域第j個指標(biāo)的實際值；

Maxj、Minj——分別為全國各區(qū)域第j個指標(biāo)的最大值和最小值。

對各種道路通行能力權(quán)重設(shè)置，結(jié)合煤炭鐵路運輸量狀況 （鐵路煤炭運輸量約占整個煤炭運輸總量的70%），在煤炭運輸通行能力指標(biāo)體系中，鐵路、高速公路、國道、基礎(chǔ)公路所占權(quán)重分別為0.70，0.15，0.10，0.05。

在ArcGIS9中，通過提取分省 （縣）域內(nèi)煤炭運輸通道的總長度，運算求出煤炭運輸通道的密度，加權(quán)歸一化處理后，得到分省 （縣）域的煤炭運輸綜合交通通達(dá)度。省域、縣域煤炭運輸交通通達(dá)度見圖3，交通通達(dá)度高的區(qū)域基本分布在京津冀環(huán)渤海地區(qū)、長三角地區(qū)、珠三角地區(qū)，以及中部部分地區(qū)。

5 新建通道和煤炭儲備庫選址

山脊線急速分流、山谷線急速匯流，流量都很大，在交通通達(dá)度低的下墊面會阻滯。所以對應(yīng)山脊線在土地利用交通通達(dá)度低的地方應(yīng)該新建煤炭運輸通道，以確保煤炭運輸?shù)捻樌至魍膺\；而對應(yīng)山谷線在交通通達(dá)度低的地方，因為大量煤炭流匯流，所以需要新建煤炭儲備庫以緩解運輸通道的阻滯，或者新建煤炭運輸通道以防止煤炭在此大量滯留。

本文中根據(jù)所獲取的數(shù)據(jù)資料，新建通道或煤炭儲備庫的選址取決于交通通達(dá)度，山脊山谷線，鐵路、國道、高速公路、基礎(chǔ)公路的位置，以此來決定是否新建煤炭運輸通道和煤炭儲備庫。

將路網(wǎng)匯總線圖層和煤炭儲量山谷線、山脊線線圖層，以及縣級交通通達(dá)度面圖層匯總，見圖4。

5.1 煤炭運輸通道優(yōu)化布局目標(biāo)和原則

煤炭運輸通道布局優(yōu)化目標(biāo)在于緩解基于煤炭運輸鐵路、公路網(wǎng)為基礎(chǔ)的煤炭運輸通道網(wǎng)絡(luò)的運輸瓶頸問題，以及緩解煤炭消費區(qū)域的時空性運煤緊缺。煤炭運輸通道的優(yōu)化布局原則基于以下幾點：

（1）對于煤炭調(diào)動量較小地區(qū)，其煤炭供需基本能夠自給 （如貴州地區(qū)），則不進(jìn)行煤炭運輸通道或煤炭儲備庫的新建；

（2）對于煤炭調(diào)動量較大，但煤炭運輸交通通達(dá)度較高地區(qū)，對已有路網(wǎng)不進(jìn)行有關(guān)煤炭運輸通道和煤炭儲備庫的新建工作；

（3）對于煤炭調(diào)動量較大的煤炭調(diào)出區(qū)域，在煤炭運輸交通通達(dá)度低的區(qū)域新建煤炭運輸通道，以緩解煤炭外運壓力；

（4）對于煤炭調(diào)動量較大的煤炭調(diào)入?yún)^(qū)域，在煤炭運輸交通通達(dá)度低的區(qū)域新建煤炭運輸通道以緩解煤炭調(diào)進(jìn)壓力；或新建煤炭儲備庫，緩解在煤炭運輸能力不足的情況下的煤炭時空性短缺。

5.2 疊置分析

通過對多個數(shù)據(jù)層要素所具有的屬性疊置，按一定的數(shù)字模型邏輯運算，進(jìn)行圖層擦除、識別疊加、交集操作、對稱區(qū)別、圖層合并和修正更新等操作。本文選擇縣級交通通達(dá)度面狀圖層綜合交通通達(dá)度屬性值不大于0.0016的區(qū)域，得到縣級土地利用交通通達(dá)度較低區(qū)域，再將山脊線和山谷線與地交通通達(dá)度縣級區(qū)域做剪切操作，得出縣域交通通達(dá)度低的山脊線和山谷線。在此基礎(chǔ)上還要考慮避讓已有的路網(wǎng)狀況，將剪切后的山谷、山脊線與煤炭運輸鐵路、高速、國道、基礎(chǔ)公路綜合而成的匯總路網(wǎng)進(jìn)行擦除運算，得到交通通達(dá)度較低區(qū)域內(nèi)避讓已有路網(wǎng)的山脊、山谷線。結(jié)合煤炭凈調(diào)動區(qū)域，保留煤炭凈調(diào)動值較高區(qū)域內(nèi)的山脊、山谷線作為最終選址決策支持方案。得到最終煤炭運輸通道和煤炭儲備庫選址位置。

圖3 我國省級、縣級面域交通通達(dá)度

圖4 新建通道和煤炭儲備庫選址數(shù)據(jù)預(yù)處理

山脊線在交通通達(dá)度低、煤炭調(diào)動量大的區(qū)域，為了分散煤炭流量，可以根據(jù)下墊面的實際情況，結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)、地理狀況，新建煤炭運輸通道，緩解煤炭生產(chǎn)后快速外輸?shù)膲毫?；山谷線在交通通達(dá)度低、煤炭調(diào)動量大的區(qū)域，為了避免匯流至此的大量煤炭，根據(jù)下墊面的實際情況，結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)、地理狀況，新建煤炭運輸通道或者新建煤炭儲備庫煤炭快速流動中的滯留問題。

5.3 最終分析結(jié)果

分析得出，在內(nèi)蒙古自治區(qū)中部、西北部以及東北部，山西省大幅地區(qū)、陜西省東北部、河南省中部、安徽省中南部、遼寧省中部及東北部、吉林省西南部、山東省中東部、江蘇省東北部和東南部、上海崇明島地區(qū)、福建省北部地區(qū)需新建煤炭運輸通道或在藍(lán)色山谷線處建立煤炭儲備庫。具體結(jié)果和有關(guān)新建設(shè)施建議如下：

（1）山西、內(nèi)蒙古、陜西作為煤炭調(diào)出大省，對應(yīng)于煤炭運輸交通通達(dá)度較低區(qū)域的山谷山脊線，都作為新建煤炭運輸通道的位置。山西省以中北部為核心向四周各省份輻射，總長度為1514.84 km；內(nèi)蒙古地區(qū)主要集中在和山西、陜西、河北交界的中部地區(qū)，和東北地區(qū)接壤的內(nèi)蒙古東部地區(qū)，以及和寧夏地區(qū)交界的內(nèi)蒙古西部地區(qū)，新建煤炭運輸通道總長度為6886.86 km；陜西省則主要分布在和山西、內(nèi)蒙古地區(qū)接壤的陜西西北部，新建煤炭運輸通道總長度為536.83 km。

（2）吉林省分布在和內(nèi)蒙古、遼寧接壤地區(qū)，新建煤炭運輸通道長332.78 km，保障本省煤炭供應(yīng)及自給。

（3）安徽和河南兩省屬于煤炭調(diào)出地區(qū)，其對應(yīng)的煤炭運輸交通通達(dá)度較低地區(qū)的山谷山脊線均作為煤炭運輸通道新建位置。安徽主要分布在其東南部、西南部以及和河南東南部接壤地區(qū)，保障安徽及周邊河南地區(qū)煤炭產(chǎn)出的相互調(diào)動以及東南部省份的煤炭供應(yīng)，新建煤炭運輸通道379.26 km。河南省主要分布在其東南部、西北部，以及其和山西、河北、山東接壤地區(qū)，新建煤炭運輸通道508.97 km，以保障河南和周邊的煤炭產(chǎn)出調(diào)度，并保障其周邊河北、江蘇等地的煤炭消耗。

（4）上海作為煤炭調(diào)入量較大區(qū)域，對應(yīng)于煤炭運輸交通通達(dá)度較低的區(qū)域，山脊線分布在上海市區(qū)外圍煤炭供應(yīng)外圍區(qū)域，山谷線分布在崇明島交通水陸隔絕區(qū)域，由于上海煤炭港口，或新建相應(yīng)輻射能力的煤炭儲備庫。

（5）河北、江蘇、山東、遼寧這幾個煤炭調(diào)入量較大區(qū)域，對應(yīng)的煤炭運輸交通通達(dá)度較低的地區(qū)的山谷山脊線，作為新建煤炭運輸通道位置，其地理隔絕區(qū)域則新建相應(yīng)輻射能力的煤炭儲備庫。河北主要集中在北京和天津市外圍，以及其和河南、山東接壤地區(qū)，新建煤炭運輸通道長767.15 km，保障北京、天津等地的高密度的煤炭消耗。江蘇主要分布在其東北部的連云港，徐州等地以及東南部的南通地區(qū)，從徐州往外運煤輻射至連云港及周邊城市，南通地區(qū)新建煤炭運輸通道以保障蘇南以及江蘇和上海接壤地區(qū)的用煤，新建煤炭運輸通道長為155.89 km。山東省主要分布在其中部和東北部，以及其與河北、河南交界處，新建煤炭運輸通道長201.41 km。遼寧省主要分布在其中部和東北部，中部為山脊線，則新建煤炭運輸通道，長395.24 km；東北部為山谷線，則新建煤炭運輸通道，長323.53 km，或新建相應(yīng)輻射能力的煤炭儲備庫，從內(nèi)蒙古東北部運煤進(jìn)行存儲，以緩解遼寧、吉林兩省份的用煤緊缺。

（6）湖北作為煤炭調(diào)入的我國中部地區(qū)，其對應(yīng)的煤炭運輸交通通達(dá)度較低地區(qū)的山谷線分布在其西南部，新建煤炭儲備庫，從貴州經(jīng)重慶運煤進(jìn)行儲備以保障湖北以及湖南等中部地區(qū)的煤炭消耗時空性緊缺問題。

（7）福建作為煤炭調(diào)入?yún)^(qū)域，其對應(yīng)煤炭運輸交通通達(dá)度較低區(qū)域的山脊線分布在其東北部，新建煤炭運輸通道46.66 km，以保障其煤炭消耗。

（8）其他地區(qū)由于煤炭調(diào)動量太小、煤炭供需自給自足、煤炭運輸交通通達(dá)度較高等原因建議暫不予以修建煤炭運輸通道和煤炭儲備庫。

各省、自治區(qū)、直轄市內(nèi)新建煤炭運輸通道長度見表2。分縣級的新建煤炭運輸通道情況亦可得出，再次就不多做描述。

表2 省域范圍內(nèi)山脊線、山谷線分析結(jié)果

6 展望

由于數(shù)據(jù)的可得性和水路運輸?shù)拇a頭、港口的吞吐量的數(shù)據(jù)的復(fù)雜性，對于占煤炭運輸一定比例的水路并沒有考慮，這對于模擬實際煤炭運輸情況以及測度煤炭運輸交通通達(dá)度有一定的影響。實際應(yīng)用中應(yīng)對水路運輸，煤炭裝卸港口位置、路線、運量進(jìn)行實地考察或者有效數(shù)據(jù)查詢，將水路運輸路網(wǎng)加入。另外，煤炭運輸通道和煤炭儲備庫的選址要結(jié)合實際地質(zhì)、地理等工程屬性數(shù)據(jù)的決策支持。這也是對于中國煤炭運輸通道優(yōu)化布局研究的更深一步地和實際結(jié)合，更有效地為煤炭生產(chǎn)、運輸、消費的整體流程上進(jìn)行決策支持的一個發(fā)展方向。

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Study on optimization of coal transport corridors lay-out in China

Liu Jinping，Yang He，He Gaowen，Yan Hui
（School of Management，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China）

Applying Arc GIS platform，we made a best route analysis in the coal transportation network of China which was constructed by the main coal transportation railway，highway，national highway and foundational road.Then we also measured the communication availability of all provinces and counties in China.The author got the ridges and valley axes by using the mountain gravity model.Combining the communication availability at county level，we got the finally identified site selections of newly-built coal transportation corridors and coal storehouse.

coal transportation corridors，communication availability，SOA analysis，coal storehouse

TD-9

A

國家社科基金重大項目 “礦產(chǎn)資源有效供給與高效利用機(jī)制研究”（09ZD046）

劉金平 （1962-），男，陜西鳳翔人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，中國礦業(yè)大學(xué)國土資源規(guī)劃與評價研究所所長。研究方向：資源經(jīng)濟(jì)與管理。

（責(zé)任編輯 張大鵬）