李 媛,韓 峰,張少謹,韓姝敏,賈 強

(1.蘭州交通大學土木工程學院,蘭州 730070； 2.蘭州交通大學測繪與地理信息學院,蘭州 730070)

鐵路是綜合運輸體系中一種主要的運輸方式，對區(qū)域發(fā)展的引導、支撐和保障毋庸置疑，對沿線經濟發(fā)展有著積極的促進作用。在當前社會經濟高速發(fā)展的時代背景下，鐵路建設與區(qū)域經濟發(fā)展的共生關系研究逐漸成為研究的焦點所在[1-3]。隨著《陜甘寧革命老區(qū)振興規(guī)劃》及《關中平原城市群發(fā)展規(guī)劃》相繼實施與批復，陜甘寧地區(qū)迎來新一輪的鐵路建設高潮，鐵路建設對于促進革命老區(qū)開發(fā)、提升紅色旅游資源開發(fā)利用水平及鞏固脫貧攻堅成果具有十分重要的作用。如何利用現(xiàn)有的經濟發(fā)展和路網分布狀況，研究該區(qū)域內軌道交通與區(qū)域經濟發(fā)展的相互耦合作用關系，對于判斷區(qū)域軌道交通服務水平、合理安排鐵路建設時機具有十分重要的作用。目前，國內外對軌道交通與區(qū)域經濟的研究多集中于以高速鐵路為代表的軌道交通與經濟發(fā)展的關系。Peter M J[4]將高鐵對區(qū)域經濟的推動作用分為催化和促進作用，認為前者通過給經濟欠發(fā)達區(qū)域帶去新的經濟活動進而促進區(qū)域社會經濟發(fā)展，后者是高速鐵路使經濟較好區(qū)域的發(fā)展水平進一步得到提升。楊琴等[5]以區(qū)域經濟理論和交通運輸經濟理論為基礎導向，對我國高鐵在城鎮(zhèn)化進程中的作用進行了分析。于曉萍[6-7]基于集聚經濟理論構建了軌道交通與都市區(qū)發(fā)展的框架，通過對城市功能布局得以不斷演進的能效機制加以分析，得出兩者的協(xié)同發(fā)展在空間結構上表現(xiàn)出“點-軸-網”發(fā)展格局的結論。余沛等[8]以河南省為例，首先選取灰色關聯(lián)度模型分析得出鐵路運輸與區(qū)域經濟存在極高的相關性，在此基礎上采用多維灰色動態(tài)協(xié)調模型分析了兩者的協(xié)調性，指出應當加強鐵路基礎設施的建設以滿足經濟高速發(fā)展需求。齊喆等[9-10]以京津冀城市群在2004～2013年期間各運輸方式及綜合交通承載力為樣本數(shù)據(jù)，通過向量自回歸模型分析其變化趨勢，但未開展定量研究。張野等[11-12]研究了一定區(qū)域范圍內鐵路網的擴張規(guī)律。高玉祥、韓峰[13-15]等以甘肅省為例，對可達性與鐵路網的耦合關系進行了研究。潘振興等[16]研究了新疆鐵路網與區(qū)域經濟發(fā)展的耦合協(xié)調度評價。本文從軌道交通與區(qū)域經濟發(fā)展的協(xié)調性出發(fā)，提出耦合協(xié)調度的測算模型，進而將軌道交通與區(qū)域經濟相互協(xié)調發(fā)展的作用機制從定性分析上升到定量分析層面。

1 研究區(qū)域概況

1.1 軌道交通現(xiàn)狀

本次研究以行政區(qū)域作為劃分，涵蓋陜甘寧三省，區(qū)域內包含1個副省級城市(西安)，2個自治州(甘南藏族自治州、臨夏回族自治州)以及其余26個地級市，共計29個城市單元。陜西省鐵路網絡覆蓋全省，輻射甘肅、寧夏、內蒙、山西、四川、湖北、重慶等省市，已建成通車的鄭西高鐵、寶蘭高鐵、西太高鐵、西成高鐵和在建的銀西高鐵，包西高鐵西延段、延榆段、西康高鐵、西十高鐵共同組成了陜西省以西安為中心的“米”字形高速鐵路網，西安是全國重要的客貨轉運樞紐，其在西部地區(qū)甚至全國范圍內的地位至關重要。

甘肅省鐵路網形成了以蘭州樞紐為核心，以隴海線、蘭新線為主軸，其他干線、支線等構成的“魚刺狀”分布格局[17]。樞紐站蘭州北接包蘭線，西連蘭青線、青藏線，干武鐵路將寧夏、蒙西地區(qū)與河西走廊連通，寶中線和西平線輻射隴東地區(qū)；包蘭通道、蘭新通道、蘭青通道及龍海通道在省會蘭州得以交匯，使得蘭州成為內地進出甘青新藏的門戶。包蘭鐵路縱貫寧夏回族自治區(qū)，太中銀鐵路向西經隴海線、蘭新線等鐵路大動脈可達中亞和歐洲，向東可達東南沿海各口岸，在建的銀西高鐵銀川至吳忠段已通車運營，全線建成通車后將成為溝通以銀川為中心的沿黃城市帶與以西安為中心的關中城市群的便捷通道。鐵路發(fā)展現(xiàn)狀如圖1所示，甘肅省的兩大民族自治區(qū)域，甘南藏族自治州和臨夏回族自治州以及位于隴東地區(qū)的資源大戶慶陽市，至今仍為鐵路空白區(qū)域；寧夏地區(qū)僅開通了中衛(wèi)至銀川高速鐵路，才結束了不通高鐵的歷史，但高鐵覆蓋面較小，通車時間不長，其對經濟的帶動作用方興未艾。陜西地區(qū)，無論軌道交通發(fā)展或是經濟發(fā)展，在整個研究區(qū)域中都處于第一梯隊，但整體而言，對周圍區(qū)域的帶動作用不強。陜甘寧地區(qū)的軌道交通網絡發(fā)展水平參差不齊，部分區(qū)域間缺少高效便捷的軌道交通基礎設施。

圖1 陜甘寧地區(qū)鐵路既有線示意

1.2 區(qū)域經濟現(xiàn)狀

2009年陜甘寧地區(qū)GDP總量為12 861億元，占國內生產總值的3.69%，而十年后的2018年，陜甘寧地區(qū)的生產總值合計36 390億元，在國內生產總值中占比3.96%。如圖2所示，各省十年間經濟增長率呈“V”形變化。陜西省在2014年以前增長態(tài)勢較為強勁，隨后增長放緩，甘肅省2015年甚至出現(xiàn)了負增長；就地區(qū)生產總值來看，三省的經濟發(fā)展水平極不平衡，陜西省經濟總量在甘肅省的2.5～3.0倍之間徘徊，相較于寧夏地區(qū)高達6倍之多[18]。

圖2 陜甘寧地區(qū)生產總值

1.3 數(shù)據(jù)來源

鐵路網各項指標數(shù)據(jù)來源陜甘寧“十三五”鐵路規(guī)劃，區(qū)域經濟數(shù)據(jù)選自《2018中國統(tǒng)計年鑒》、《2018年陜西省統(tǒng)計年鑒》、《2018年甘肅統(tǒng)計年鑒》、《2018年寧夏統(tǒng)計年鑒》[19-21]。

2 研究方法

2.1 耦合協(xié)調度

耦合理論旨在通過探析系統(tǒng)間或是系統(tǒng)內部各模塊間的相互作用，采取耦合理論來闡明軌道交通與區(qū)域經濟的相互作用關系，以兩者為耦合系統(tǒng)的子模塊，選取“耦合協(xié)調度”這一指標來搭建耦合評價模型。如圖3所示，在該模型中以影響兩個子系統(tǒng)發(fā)展的因素作為評價指標，進而建立評價體系進行分析，從耦合的角度量化軌道交通與經濟發(fā)展的相互作用。

圖3 耦合系統(tǒng)

設存在某一子系統(tǒng)P，第i年子系統(tǒng)所有指標對其貢獻值Vij表示為

(1)

式中，Vij為子系統(tǒng)的總貢獻值；eij為指標在第i年的效用函數(shù)；wj為指標j的權重，wj≥0，∑wij=1。

設耦合系統(tǒng)有m個子系統(tǒng)，則該系統(tǒng)第t年的耦合度Ct為

(2)

本次研究僅涉及區(qū)域經濟與軌道交通兩個子系統(tǒng)，則系統(tǒng)耦合度表示為

(3)

分別用α，β表示兩個子系統(tǒng)所占權重，耦合系統(tǒng)的綜合評價指數(shù)Tt及耦合協(xié)調度Dt表示如下

Tt=αvt1+βvt2

(4)

(5)

軌道交通和區(qū)域經濟對社會發(fā)展的貢獻同等重要，故將兩者的權重均賦值0.5，綜合評價指數(shù)Tt及耦合協(xié)調度Dt的值域一致為[0，1]。根據(jù)均勻分布函數(shù)法確定的劃分標準對耦合協(xié)調度等級進行劃分，如表1所示。

表1 軌道交通與區(qū)域經濟耦合協(xié)調度等級劃分

2.2 軌道交通可達性模型

利用陜甘寧區(qū)域內的鐵路軌道交通網絡，以某節(jié)點城市到其他節(jié)點城市的通行時間作為衡量標準來測度可達性。常用的基于可達性評價模型為交通阻力法，表示為

(6)

式中，AAi為節(jié)點i到其他n-1個節(jié)點的平均時間成本；Tij為節(jié)點i與j之間的最短通行時間成本。

采用ArcGIS軟件平臺的網絡分析工具研究陜甘寧軌道交通的可達性，使用OD成本矩陣[22]對陜甘寧地區(qū)城市節(jié)點間的鐵路出行時間成本進行研究。

(7)

(8)

式中，Ai為鐵路網絡中節(jié)點城市i的可達性；A為該地區(qū)整體鐵路網絡的可達性；dij為節(jié)點城市i與j之間的阻抗屬性，以時間為測度。

可達性的測度值能夠反映某一城市節(jié)點可達性的優(yōu)劣情況，其值越小，表明該城市通過軌道交通網絡到達其他城市的時間越短，該城市可達性較好，反之，則可達性較差。

為更直觀地研究區(qū)域各城市單元的可達性情況，將陜甘寧地區(qū)的行政區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)導入ArcGIS軟件平臺，并將鐵路可達性指標值數(shù)據(jù)賦值給該區(qū)域內各市州駐地圖層中，對2018年該地區(qū)的可達性指標進行空間化表達，結果如圖4所示。

圖4 2018年各市州鐵路可達性空間化示意

2.3 區(qū)域經濟評價模型

結合研究區(qū)域中29個城市單元的發(fā)展特點，從該區(qū)域各地區(qū)的統(tǒng)計年鑒中進行指標篩選工作，選取表2中的三類共計12個指標，以期能夠更加翔實、準確地表征區(qū)域經濟發(fā)展水平。規(guī)模指標反映總體經濟水平；結構指標為三大產業(yè)生產總值，反映經濟構成情況；效益指標以人均生產總值和城鎮(zhèn)居民可支配收入為表征，反映經濟效益。

表2 區(qū)域經濟評價指標體系

針對多變量環(huán)境下的量化分析，利用主成分分析法可將若干變量通過代數(shù)變換得到幾個相互獨立的、涵蓋指標原始信息的綜合變量。圖5為主成分分析法的流程，綜合評分函數(shù)旨在衡量區(qū)域經濟的發(fā)展水平，由主成分及其貢獻率相乘，然后累加而得。綜合評分函數(shù)旨在衡量區(qū)域經濟的發(fā)展水平。

圖5 主成分分析流程

3 軌道交通與區(qū)域經濟耦合預期分析

3.1 軌道交通發(fā)展水平預期分析

由于當前數(shù)據(jù)資料有限，通過收集陜甘寧三省相應的鐵路發(fā)展規(guī)劃方案得知，截至2023年底，陜甘寧地區(qū)內會陸續(xù)有若干條高速鐵路建成通車，其中包括西延高鐵、延榆高鐵、中蘭高鐵及銀西高鐵，有部分線路規(guī)劃至遠期(2030年)建成通車。圖6為區(qū)域內鐵路示意。

圖6 2023年鐵路網格局

將陜甘寧各城市預期的可達時間與2018年的可達性數(shù)據(jù)繪制在同一圖中。由圖7可以看出，截至2023年末，各城市可達性均有不同程度的改善，平均改善程度達17%，可達時間平均減少1 h，其中以石嘴山、銀川、商洛、金昌、安康、榆林、吳忠等城市的變化最大。石嘴山的可達時間由7.37 h縮短至4.61 h，可達性提高37.5%；銀川從6.74 h縮短至4.36 h，改善幅度達35.3%；榆林從7.75 h變化至6.15 h，變化了20.7%。銀西高鐵、中蘭高鐵、西延高鐵、延榆高鐵等的修建，縮短了城市間的通行時間，原本處于劣勢地位的石嘴山、銀川、吳忠、榆林等城市在鐵路可達性上產生了質的飛躍。此外，銀西高鐵、蘭合鐵路的建成通車使得慶陽、臨夏及甘南結束了鐵路空白的歷史，延榆高鐵的修建結束了銅川不通客運的歷史，新建鐵路使得這些城市的可達性產生從無到有的改變。

圖7 2018年和2023年可達時間對比

嘉峪關、酒泉等城市因其區(qū)位在研究區(qū)域中偏離中心地較遠，與其他城市缺乏直達線路聯(lián)系，且主要經過蘭州、西安大型鐵路樞紐，故而其可達性較低；而平涼、固原等城市雖在鐵路可達時間上整體有所改善，但總體排名基本維持2018年的現(xiàn)狀，究其原因，在陜甘寧區(qū)域鐵路相關規(guī)劃中的白銀至平涼鐵路、定西至平涼至慶陽鐵路尚處在可研階段，將于遠期(2030年)完成建設。

綜上可知，陜甘寧區(qū)域內高速鐵路的修建讓該地區(qū)鐵路整體可達性得到不同程度的改善。甘肅省的臨夏、甘南民族自治區(qū)域以及慶陽地區(qū)因蘭合鐵路、銀西高鐵的建成通車，極大地改善了區(qū)域內城市間的可達性差異，經濟聯(lián)系也會進一步得到強化。相信隨著規(guī)劃方案的持續(xù)實施，陜甘寧區(qū)域內的鐵路網絡格局進一步完善，且覆蓋面越來越廣，鐵路可達性指標將會迎來質的飛躍。

3.2 區(qū)域經濟發(fā)展水平預測

灰色模型是通過少量的、不完全的信息，建立灰色微分預測模型，對事物發(fā)展規(guī)律做出模糊性的長期描述。其基本思想是用原始數(shù)據(jù)組成原始序列(0)，經累加生成序列(1)，它可以弱化原始數(shù)據(jù)的隨機性，使其呈現(xiàn)出較為明顯的特征規(guī)律。通過變換后生成的序列(1)建立微分方程的模型，即GM模型，對指標的預期值進行預測。

以陜甘寧地區(qū)29個城市單元在2013～2018年的經濟指標作為基礎數(shù)據(jù)，通過建立灰色模型進行預測，下面以蘭州市的GDP灰色預測為例。

(1)構建原始數(shù)據(jù)序列

蘭州市的GDP原始數(shù)據(jù)序列為

X(0)=(1 776.28，1 913.5，2 095.99，2 264.23，2 523.54，2 732.94)

構建矩陣B和常數(shù)項向量YN為

(-0.089 9，1 665.115 9)T

(3)計算預測模型

(4)進行模型預測，見表3。

表3 模型檢測

(5)預測結果，見表4。

表4 預測結果

(6)其他指標值的預測計算過程同上，以此計算出蘭州市經濟質量評價指標預測值。重復以上計算過程可分別得到研究區(qū)域其他城市經濟發(fā)展的預測水平。

根據(jù)所得經濟發(fā)展指標預測結果，使用主成分分析法得到2018年和2023年各城市經濟發(fā)展綜合評分，將研究區(qū)域內各城市在兩個時間節(jié)點的經濟綜合指數(shù)繪制成折線圖，如圖8所示。

圖8 陜甘寧各城市經濟質量評分

對比陜甘寧各城市經濟發(fā)展水平的綜合得分，將區(qū)域內的發(fā)展水平劃分為3個維度，西安經濟發(fā)展勢頭依舊強勁，處于區(qū)域內經濟發(fā)展的龍頭地位；緊隨其后的蘭州市在原有基礎上與西安的差距有所收窄，同處第二梯隊的還有榆林、渭南、咸陽、寶雞等城市，多為西安市的衛(wèi)星城市，另有天水、吳忠成功躋身經濟發(fā)展的第二梯隊，自此，甘肅及寧夏各城市經濟發(fā)展在區(qū)域內平均水平線以上各占二席；其后，第三梯隊中慶陽、隴南、定西及甘南等地綜合發(fā)展水平排名雖有所靠前，但仍處于平均水平以下。處于評分樣本末位的金昌、嘉峪關及酒泉等地，對比2018年發(fā)展有一定的提升，但在整體區(qū)域中，相較于甘肅省的蘭州及天水市，因其地理位置及產業(yè)結構等因素成為限制發(fā)展的瓶頸。

3.3 預測條件下的耦合分析

對比2018年和2023年的耦合協(xié)調關系等級表，研究區(qū)域各節(jié)點城市軌道交通與區(qū)域經濟的耦合協(xié)調可分為優(yōu)質耦合型、良好耦合型、中級耦合型、初級耦合型及勉強耦合型，各節(jié)點城市的耦合協(xié)調等級已經沒有輕度和中度失調，如圖9、圖10所示。其中，西安的耦合協(xié)調等級由2018年的良好耦合協(xié)調變成優(yōu)質耦合協(xié)調型。其他城市的耦合類型也有不同程度的提升，以慶陽、臨夏和甘南的改善程度最為突出，慶陽市從中度失調(0.26)變化至勉強耦合協(xié)調(0.53)，其改善程度高達106%，臨夏及甘南自治州從輕度失調轉變?yōu)槊銖婑詈蠀f(xié)調，均有70%左右的提升；值得注意的是，勉強耦合協(xié)調型中，安康、商洛、平涼、固原、金昌等城市相較于2018年，雖耦合類型未改變，但其耦合協(xié)調度的評分均有所提高，合理的解釋是軌道交通可達性的持續(xù)變好更加符合經濟發(fā)展的需求。

圖9 2018年耦合協(xié)調類型分布示意

圖10 2023年耦合協(xié)調類型分布示意

截止2023年，研究節(jié)點的29個城市耦合協(xié)調度均達到0.5以上，區(qū)域經濟與軌道交通的耦合協(xié)調等級至少達到勉強耦合。由于區(qū)域內相關鐵路規(guī)劃到遠期2030年，截至研究節(jié)點2023年，僅有通達主要城市的銀西、蘭合、延榆、西延等高鐵線路完成修建，部分規(guī)劃線路對區(qū)域發(fā)展的改善難以深入探究，但即便如此，高鐵的建成投產對區(qū)域內發(fā)展及其耦合協(xié)調程度的改善已然可見一斑。

結合以上分析不難得出，陜甘寧區(qū)域在軌道交通與區(qū)域經濟水平兩個層面的發(fā)展差異在逐步縮小。銀西、蘭合、西延、中蘭、蘭張三四線等鐵路的建設縮短了城市間經濟聯(lián)系所需生產資料等的可達時間，路網格局越發(fā)完善，軌道交通使得各城市間的發(fā)展完成了由點到線再到面的聯(lián)動發(fā)展，經濟發(fā)展較好的帶動較差的城市持續(xù)向好發(fā)展，區(qū)域內的發(fā)展差異正在收窄，經濟的發(fā)展需求轉變?yōu)閷M一步提高運輸效率的訴求，進而使得政府在政策制定時向鐵路的投資建設上加大傾斜力度，從而實現(xiàn)經濟發(fā)展與軌道交通相互促進的良性耦合協(xié)調機制。陜甘寧地區(qū)應當充分發(fā)揮鐵路樞紐及經濟大體量城市的輻射帶動作用，通過對地方經濟發(fā)展?jié)摿Φ某浞衷u估，在鐵路基礎設施建設上發(fā)力，進而實現(xiàn)運輸網絡格局的完善，擴大其覆蓋面，從而促進經濟與運輸系統(tǒng)步入協(xié)調發(fā)展軌道。

4 結論

本研究從軌道交通和區(qū)域經濟的相互作用機能出發(fā)，分別采用ArcGIS平臺提供的OD成本矩陣模型對陜甘寧區(qū)域內各城市的鐵路可達性進行了現(xiàn)狀及預期分析，在對經濟發(fā)展質量的測度中采取主成分分析法對區(qū)域經濟的發(fā)展現(xiàn)狀及預期時間節(jié)點的發(fā)展水平完成了定量分析，然后分別對區(qū)域經濟和軌道交通兩個子系統(tǒng)的耦合現(xiàn)狀及預期條件下的耦合情況進行了測度，得到以下結論。

(1)陜甘寧地區(qū)的軌道交通網絡發(fā)展水平參差不齊，部分區(qū)域間缺少高效便捷的軌道交通基礎設施，軌道交通與區(qū)域經濟大都呈勉強耦合和初級耦合關系，軌道交通與區(qū)域經濟相互促進、協(xié)調發(fā)展的作用不強。

(2)在對研究區(qū)域預期時間節(jié)點兩個子系統(tǒng)耦合協(xié)調度的預測分析中發(fā)現(xiàn)：截止2023年，節(jié)點城市耦合協(xié)調度均在0.5以上，西安市在2018年良好耦合協(xié)調的基礎上上升為優(yōu)質耦合協(xié)調，其耦合協(xié)調度較之其他城市處于優(yōu)勢地位；而甘肅及寧夏地區(qū)的城市，得益于銀西高鐵、中蘭高鐵等投產運營，耦合協(xié)調度均有不同程度的改善，其中，以慶陽、甘南、臨夏、吳忠和銀川的改善程度最大，其發(fā)展水平與經濟體量較大的城市間差異有所減小，區(qū)域整體發(fā)展的差距逐步收窄。

(3)軌道交通網絡格局的完善給陜甘寧區(qū)域的經濟發(fā)展注入了新的動能，銀西高鐵的建設使得打造陜甘寧“3小時經濟圈”的設想成為現(xiàn)實，蘭合高鐵的修建為甘肅省民族自治區(qū)域發(fā)展帶來前所未有的歷史機遇，多條高速鐵路的建設將使得陜甘寧區(qū)域內生產要素、人才、資源更為高效地流通，通過擴大軌道交通覆蓋面進而推動經濟的發(fā)展，經濟高速發(fā)展反過來刺激鐵路基礎設施的投資建設，這一良性循環(huán)體系的持續(xù)演進將對陜甘寧區(qū)域整體發(fā)展注入源源不斷的動力。