袁 鋒

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 線路運(yùn)輸設(shè)計(jì)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(jì)發(fā)展的重要支撐，完善的鐵路網(wǎng)能夠?yàn)閰^(qū)域內(nèi)部貨物流動(dòng)、人員往來提供良好的運(yùn)輸支持，促使經(jīng)濟(jì)社會(huì)更好地發(fā)展。很多學(xué)者對鐵路網(wǎng)進(jìn)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(kuò)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(guān)系進(jìn)行研究，指出了該地區(qū)今后路網(wǎng)建設(shè)的方向。關(guān)于路網(wǎng)的可達(dá)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(luò)建設(shè)對區(qū)域可達(dá)性的影響及各地市的可達(dá)性特征。李紅昌等[4-5]通過構(gòu)建DID 估計(jì)模型，以第三產(chǎn)業(yè)區(qū)位熵等指標(biāo)作為集聚經(jīng)濟(jì)指數(shù)，定量分析了高速鐵路對城市集聚經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生的影響。

之前學(xué)者們的研究主要集中在路網(wǎng)擴(kuò)張規(guī)律方面[6]，對于運(yùn)用可達(dá)性指標(biāo)對鐵路網(wǎng)空間布局方面的研究則比較少?？蛇_(dá)性是評價(jià)交通便利程度的重要指標(biāo)，能夠在一定層面較好地反映路網(wǎng)建設(shè)水平。以河西走廊為研究區(qū)域，以可達(dá)性為評價(jià)指標(biāo)，運(yùn)用地學(xué)統(tǒng)計(jì)、空間分析等方法研究2015 年和2020 年2 個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的河西走廊鐵路網(wǎng)可達(dá)性空間分布，并預(yù)測2025 年的路網(wǎng)可達(dá)性，給出今后鐵路建設(shè)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(huì)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(dòng)作用，有力促進(jìn)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(diǎn)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(shè)的優(yōu)勢與不足及路網(wǎng)空間布局和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的適應(yīng)性，不斷加快鐵路建設(shè)來優(yōu)化路網(wǎng)布局，對建設(shè)陸海新通道和加快河西地區(qū)經(jīng)濟(jì)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(guān)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(gòu)成了區(qū)域鐵路網(wǎng)，河西地區(qū)人口約占到甘肅省總?cè)丝诘?/5。人口、行政區(qū)和經(jīng)濟(jì)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(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)。由于鐵路從開工建設(shè)到竣工通車的時(shí)間較長，且鐵路網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)周期與國家的“國民經(jīng)濟(jì)五年計(jì)劃”基本一致，因此時(shí)間節(jié)點(diǎn)選擇了“十二五”末(2015 年)、“十三五”末(2020 年)，并對“十四五”末(2025 年)進(jìn)行了預(yù)測，通過利用這3 個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的路網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。根據(jù)我國鐵路、公路的設(shè)計(jì)速度目標(biāo)值，并充分結(jié)合河西走廊地區(qū)的鐵路、公路實(shí)際運(yùn)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(gòu)建

1.3.1 可達(dá)性

可達(dá)性受到多種因素的約束，通常有加權(quán)平均旅行時(shí)間、日常可達(dá)性等指標(biāo)，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(dá)性作為研究指標(biāo)。平均可達(dá)性指的是研究區(qū)域內(nèi)的一個(gè)點(diǎn)到其他點(diǎn)的通行時(shí)間的平均值，值越小則表明該點(diǎn)的通達(dá)程度越好、區(qū)位優(yōu)勢越強(qiáng)，其計(jì)算公式為[9-11]

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

1.3.2 網(wǎng)絡(luò)分析

網(wǎng)絡(luò)分析就是根據(jù)已經(jīng)構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)中各元素的拓?fù)潢P(guān)系，利用元素的屬性信息對網(wǎng)絡(luò)的性能進(jìn)行分析評價(jià)[12]。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集適用于創(chuàng)建交通網(wǎng)絡(luò)，使用GIS 網(wǎng)絡(luò)分析時(shí)執(zhí)行該操作，分析過程始終在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集中進(jìn)行。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集由包含了簡單要素 (線和點(diǎn)) 和轉(zhuǎn)彎要素的源要素創(chuàng)建而成，線要素類、點(diǎn)要素類可分別作為邊要素源、交匯點(diǎn)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(rèn)情況下是否使用[13-14]。通過GIS 地理數(shù)據(jù)庫中的要素?cái)?shù)據(jù)集來創(chuàng)建，地理數(shù)據(jù)庫要素?cái)?shù)據(jù)集中的所有要素均可作為網(wǎng)絡(luò)源參與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集。構(gòu)建時(shí)將需要參與網(wǎng)絡(luò)分析的要素類放到同一個(gè)要素?cái)?shù)據(jù)集中，在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集編輯完成后，必須對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集進(jìn)行構(gòu)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(guān)系，利用GIS軟件建立河西走廊路網(wǎng)數(shù)據(jù)集。網(wǎng)絡(luò)分析圖層可以對網(wǎng)絡(luò)分析的輸入、屬性和結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)，包括網(wǎng)絡(luò)分析類和網(wǎng)絡(luò)分析對象，其中網(wǎng)絡(luò)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(luò)分析中的OD 成本矩陣分析圖層進(jìn)行計(jì)算，由于網(wǎng)絡(luò)分析的執(zhí)行將始終針對特定的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集，故在此之前需要將分析圖層與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集綁定。計(jì)算時(shí)如果阻抗為時(shí)間，則會(huì)求出耗時(shí)最短的路徑；如果阻抗為距離，則會(huì)求出路程最短的路徑。OD 矩陣將起點(diǎn)和終點(diǎn)分別按行為起點(diǎn)區(qū)、列為終點(diǎn)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(luò)分析是GIS 重要的空間分析功能，通過GIS 網(wǎng)絡(luò)分析和OD 矩陣原理可計(jì)算區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)間的通達(dá)時(shí)間，進(jìn)而分析得到各節(jié)點(diǎn)的空間可達(dá)性。

2 鐵路網(wǎng)絡(luò)布局的時(shí)空變化

2.1 基于可達(dá)性分析的2015 年鐵路網(wǎng)絡(luò)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(gòu)建計(jì)算通達(dá)時(shí)間的網(wǎng)絡(luò)分析模型，得到2015年河西地區(qū)各城市節(jié)點(diǎn)的相互間通達(dá)時(shí)間及鐵路網(wǎng)可達(dá)性，其中，通達(dá)時(shí)間是指通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集計(jì)算得到的各縣區(qū)間的最短通行時(shí)間，能較為直觀地表示2 個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通行時(shí)間成本。2015 年、2020 年河西地區(qū)縣(區(qū))相互間的通達(dá)時(shí)間如表2所示。

由表2 可知，各縣區(qū)相互通達(dá)時(shí)間最長的是天祝至肅北，時(shí)間為13.6 h；通達(dá)時(shí)間最短的是從嘉峪關(guān)至酒泉，時(shí)間為0.3 h。雖然蘭新鐵路串聯(lián)了河西地區(qū)的5 個(gè)地級市及部分縣，且蘭新高速鐵路連接了張掖、酒泉、嘉峪關(guān)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(dá)時(shí)間還是比較長。利用可達(dá)性模型計(jì)算了2015 年甘肅省河西地區(qū)主要縣區(qū)的空間可達(dá)性。2015 年縣(區(qū))可達(dá)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(dá)時(shí)間 hTab.2 Travel time between counties (districts) in Hexi region in 2015 and 2020

表3 2015 年縣(區(qū))可達(dá)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(dá)時(shí)間為4.32 h，可達(dá)性最好的甘州區(qū)為2.75 h，可達(dá)性最弱的肅北縣為7.03h?？蛇_(dá)性在5 h 以內(nèi)的縣區(qū)有15 個(gè)，6 h 以內(nèi)的縣區(qū)有18 個(gè)。地級市及其附近的城市可達(dá)性相對于其他地區(qū)較好，民勤縣由于遠(yuǎn)離鐵路干線，可達(dá)性為5.14 h。可達(dá)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(diǎn)的可達(dá)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(dá)性最差。可達(dá)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(jì)較好，路網(wǎng)建設(shè)較為完善，且位于鐵路主通道范圍內(nèi)，可達(dá)性顯著優(yōu)于其他區(qū)域。

2.2 基于可達(dá)性分析的2020 年鐵路網(wǎng)絡(luò)空間布局

2019 年12 月18 日歷時(shí)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(gè)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(jìn)一步完善，酒泉市阿克塞縣、肅北縣從此有了鐵路通達(dá)。同時(shí)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(yùn)營，列車運(yùn)行速度和運(yùn)輸能力得到進(jìn)一步提升。基于GIS 網(wǎng)絡(luò)分析模型計(jì)算得到的縣區(qū)間通達(dá)時(shí)間，肅北、阿克塞到其他地區(qū)的時(shí)間進(jìn)一步縮短，便捷性也得到了較好的提升。

2020 年各縣(區(qū))可達(dá)性如表4 所示。2020年河西地區(qū)的縣區(qū)可達(dá)性平均值為4.17，較上一時(shí)間節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的可達(dá)性提升很大。可達(dá)性在5 h以內(nèi)的縣區(qū)為10 個(gè)，6 h 以內(nèi)的縣區(qū)數(shù)目未發(fā)生變化?？蛇_(dá)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(shè)的薄弱地區(qū)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展與鐵路建設(shè)的耦合作用不強(qiáng)。

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

肅北縣的可達(dá)性由原來的7.03 h 提升為6.46 h，甘州區(qū)的可達(dá)性提升了0.09 h。可達(dá)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(dá)，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(dá)性提升很明顯，與區(qū)域內(nèi)其他城市間的聯(lián)系進(jìn)一步增強(qiáng)，高速鐵路的建設(shè)對沿線地區(qū)可達(dá)性的作用程度明顯。

經(jīng)過一段時(shí)期的鐵路建設(shè)，河西地區(qū)鐵路運(yùn)輸?shù)哪芰Σ粩嘣鰪?qiáng)，普速鐵路的覆蓋率已經(jīng)達(dá)到100%，但高速鐵路通達(dá)率不高，武威、金昌還沒有高速鐵路，鐵路建設(shè)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(guān)，未來應(yīng)該盡快建設(shè)蘭張城際鐵路武威至張掖段，釋放蘭新鐵路的貨物運(yùn)輸能力，滿足西部陸海新通道建設(shè)不斷增長的貨物運(yùn)輸需求。在進(jìn)行主干道建設(shè)的同時(shí)，適度加快酒額鐵路(酒泉—額濟(jì)納)、敦格鐵路二線其他分支線路的建設(shè)，加大干線鐵路在區(qū)域內(nèi)的有效輻射面積，實(shí)現(xiàn)全地區(qū)經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)發(fā)展，同時(shí)加快建設(shè)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(dá)性分析的2025 年鐵路網(wǎng)絡(luò)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(xiàng)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(dá)時(shí)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(dá)時(shí)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(dá)性提升為3.31 h，可達(dá)性在3 h 以內(nèi)的縣區(qū)有9 個(gè)，4 h 以內(nèi)的有16個(gè)，各縣(區(qū))的通達(dá)性進(jìn)一步提升。屆時(shí)武威市、金昌市的可達(dá)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(jìn)入高速鐵路網(wǎng)，對地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展將有積極的帶動(dòng)作用。

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

圖1 各縣(區(qū))可達(dá)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(dá)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(guān)系，其始終位于鐵路干線大通道附近，鐵路對其可達(dá)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(dá)性一直較差，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展受交通運(yùn)輸約束大。

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

由于鐵路只有在站點(diǎn)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(shè)的同時(shí)，科學(xué)合理構(gòu)建與鐵路運(yùn)輸相配合的綜合交通運(yùn)輸體系，進(jìn)一步提升區(qū)域的整體可達(dá)性來提高鐵路的運(yùn)營效率和減少鐵路建設(shè)的成本，以此實(shí)現(xiàn)可達(dá)性與經(jīng)濟(jì)社會(huì)相適應(yīng)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

3 結(jié)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(yùn)輸工具，有效提升了河西地區(qū)可達(dá)性，加快了城市之間人員和物資的流動(dòng)，也引起了城市經(jīng)濟(jì)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(dá)性由2015 年的4.32 h縮短為2020 年的4.17 h，至2025 年預(yù)計(jì)為3.31 h，已成為區(qū)域內(nèi)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展重要的運(yùn)輸支撐。在當(dāng)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(jī)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(shè)，加快建設(shè)新的省際、區(qū)際運(yùn)輸通道，以及必要的聯(lián)絡(luò)線、城市與經(jīng)濟(jì)據(jù)點(diǎn)、礦山企業(yè)間的線路，構(gòu)建高效快捷、布局合理的綜合交通體系，進(jìn)而進(jìn)一步提升不同地區(qū)的可達(dá)性，縮短各個(gè)城市之間的旅途時(shí)間，更有效地帶動(dòng)河西走廊地區(qū)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，為河西地區(qū)的發(fā)展服務(wù)助力。