司奕坤，趙 蓉

(太原師范學(xué)院 地理科學(xué)學(xué)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(gè)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(duì)周圍地區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)聯(lián)系起主導(dǎo)作用的一個(gè)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(wù)范圍的概念[2]。從20世紀(jì)50年代到20世紀(jì)末，國(guó)內(nèi)外對(duì)城市吸引范圍的劃分主要采用實(shí)證法與數(shù)學(xué)模擬法。1955年，Green[3]最先采用實(shí)證法，選擇了6個(gè)指標(biāo)劃分了美國(guó)紐約和波士頓的吸引范圍。顧朝林等[4]也采用類似方法對(duì)濟(jì)南市的城市吸引范圍進(jìn)行了劃分。數(shù)學(xué)模擬法主要是依據(jù)引力模型及其改進(jìn)模型對(duì)城市吸引范圍進(jìn)行劃分。陳田[5]運(yùn)用康弗斯(Converse P D)的斷裂點(diǎn)理論對(duì)全國(guó)范圍的城市吸引范圍進(jìn)行了劃分。劉科偉[6]采用賴?yán)?Reilly W J)的引力模型對(duì)陜西省城市的吸引范圍進(jìn)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(duì)城市間相互作用的影響。進(jìn)入21世紀(jì)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(shí)性。張莉等[9]改進(jìn)了之前算法，自行開發(fā)了計(jì)算區(qū)域時(shí)間可達(dá)性的GIS程序，并基于此對(duì)長(zhǎng)江三角洲的城市吸引范圍進(jìn)行了劃分。陳守強(qiáng)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(zhǎng)期以來都顯現(xiàn)出省會(huì)城市對(duì)省內(nèi)其他城市集聚吸引能力偏弱，區(qū)域中心城市對(duì)區(qū)域內(nèi)其他縣市的集聚吸引能力偏弱的缺點(diǎn)，基于此，筆者旨在利用GIS技術(shù)，基于山西省實(shí)際路網(wǎng)，通過時(shí)間可達(dá)性的擴(kuò)散對(duì)山西省的城市吸引范圍進(jìn)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(chǔ)設(shè)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(guó)北方東部到西部的過渡區(qū)域，地形地貌復(fù)雜多樣，地貌類型多為高原、山地。山西省是我國(guó)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(yùn)行，開通時(shí)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(dá)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(duì)區(qū)域各節(jié)點(diǎn)時(shí)間可達(dá)性的影響很大，所以本研究選取2015年與2020年兩個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)進(jìn)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O(shè)SM(https://www.openstreetmap.org)，2020年的交通數(shù)據(jù)集中包括了當(dāng)時(shí)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(guó)地理信息資源目錄服務(wù)系統(tǒng)(https://www.webmap.cn/)，以上數(shù)據(jù)地理坐標(biāo)統(tǒng)一為WGS-84坐標(biāo)系。

2.2 數(shù)據(jù)處理

將整個(gè)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(shí)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(fèi)的時(shí)間成本，c為柵格單元邊長(zhǎng)(100 m)，v為通行速度。道路速度設(shè)定的主要依據(jù)為道路實(shí)際運(yùn)行情況以及《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTGB01-2014)(見表1)。

表1 不同等級(jí)道路及其通行時(shí)間成本

若柵格單元內(nèi)無道路通過，對(duì)地形與土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)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(yīng)用下式計(jì)算其通行速度[11]，并計(jì)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(guān)研究[11]，將坡度超過31°設(shè)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(shè)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?yàn)椴豢赏ㄟ^區(qū)域。

2.3 山西省城市等級(jí)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(gè)地級(jí)市分為3個(gè)等級(jí)。以太原都市區(qū)(包括太原市與晉中市)為一級(jí)城市，大同、長(zhǎng)治和臨汾二級(jí)城市，剩余6個(gè)地級(jí)市為三級(jí)城市。

3 結(jié)果與分析

由于城市的吸引范圍會(huì)隨著交通網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展而不斷變化。所以本研究選取2015年與2020年兩個(gè)時(shí)段對(duì)山西省時(shí)間可達(dá)性的時(shí)間演化進(jìn)行研究。分別將3個(gè)等級(jí)城市的市政府所在地設(shè)為目標(biāo)點(diǎn)，其中太原都市區(qū)選擇的目標(biāo)點(diǎn)為太原市與晉中市政府。利用ArcGIS 10.8軟件成本距離工具計(jì)算山西省范圍內(nèi)所有格網(wǎng)單元通過時(shí)間距離最短的路線到達(dá)各級(jí)目的地城市的時(shí)間，生成了2015年與2020年山西省各級(jí)城市時(shí)間可達(dá)性擴(kuò)散圖，如圖1所示。因?yàn)楦叩燃?jí)的城市也包含低等級(jí)城市的職能，所以本研究中二級(jí)城市當(dāng)中也包含一級(jí)城市，三級(jí)城市則包含所有城市。

圖1 2015年與2020年山西省各級(jí)城市時(shí)間可達(dá)性擴(kuò)散圖

3.1 一級(jí)城市時(shí)間可達(dá)性變化

以太原都市區(qū)作為目標(biāo)城市計(jì)算山西省區(qū)域內(nèi)所有柵格到達(dá)太原都市區(qū)的時(shí)間可達(dá)性擴(kuò)散圖并對(duì)不同時(shí)間的覆蓋范圍區(qū)域進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見表2。

表2 山西省一級(jí)城市時(shí)間可達(dá)性的分區(qū)統(tǒng)計(jì)

2015年，山西省境內(nèi)共開通運(yùn)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(yùn)城和陽泉方向延伸，對(duì)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(dá)太原都市區(qū)的時(shí)間成本，這在一定程度上提升了太原都市區(qū)對(duì)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(zhǎng)了12.7%，有2/3的縣都進(jìn)入到3h吸引范圍。

2020年太原都市區(qū)時(shí)間可達(dá)性沿交通路網(wǎng)呈“大”字形向外擴(kuò)散，按照一日交流圈(3 h等時(shí)圈)的理念，太原都市區(qū)基本覆蓋到了山西省11個(gè)地級(jí)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(zhǎng)治等地，對(duì)北部的大同，南部的運(yùn)城以及東南的晉城輻射力相對(duì)較弱。雖然運(yùn)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(shí)車程；運(yùn)城北站位于鹽湖區(qū)北部陶上村，距運(yùn)城市市政府也有半小時(shí)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(chǔ)設(shè)施投入的同時(shí)，還應(yīng)該增設(shè)從交通站點(diǎn)到達(dá)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(shí)間，進(jìn)而強(qiáng)化太原都市區(qū)的極核作用。

3.2 二級(jí)城市時(shí)間可達(dá)性變化

選擇太原都市區(qū)、大同市、臨汾市與長(zhǎng)治市作為目標(biāo)城市，計(jì)算山西省區(qū)域內(nèi)所有柵格點(diǎn)到達(dá)最近二級(jí)城市的時(shí)間可達(dá)性擴(kuò)散圖并對(duì)不同時(shí)間的覆蓋范圍區(qū)域進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計(jì)，見表3。

表3 山西省二級(jí)城市時(shí)間可達(dá)性的分區(qū)統(tǒng)計(jì)

從表3可以看出，2015年、2020年山西省4個(gè)等級(jí)城市0～2 h覆蓋范圍均有一定程度擴(kuò)大，2 h以上覆蓋范圍絕大多數(shù)存在下降趨勢(shì)。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(jìn)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(jí)城市中增速最快，晉北地區(qū)增速緩慢，未來應(yīng)加強(qiáng)晉北地區(qū)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。從2020年時(shí)間可達(dá)性擴(kuò)散圖來看，二級(jí)城市的時(shí)間可達(dá)性擴(kuò)散基本與山西省“一主三副”的城鎮(zhèn)格局相符合。

3.3 三級(jí)城市時(shí)間可達(dá)性變化

第三等級(jí)城市是太原都市區(qū)加剩余9個(gè)地級(jí)市。將第三等級(jí)城市設(shè)為目標(biāo)點(diǎn)計(jì)算山西省區(qū)域內(nèi)所有柵格點(diǎn)到達(dá)最近二級(jí)城市的時(shí)間可達(dá)性擴(kuò)散圖。2015年、2020年，三級(jí)城市時(shí)間可達(dá)性變化不大，117個(gè)縣級(jí)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(shí)間可達(dá)性的基礎(chǔ)上，利用ArcGIS成本分配工具計(jì)算各級(jí)城市吸引范圍，把各級(jí)城市的吸引范圍與它們的行政區(qū)范圍進(jìn)行疊合分析，并計(jì)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(jí)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(zhǎng)治西北部的縣(區(qū))。臨汾和運(yùn)城、長(zhǎng)治和晉城、大同和忻州各自形成了組團(tuán)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(guān)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(yùn)城)面積的97%，基本包括運(yùn)城、臨汾全境以及呂梁市的石樓、交口兩縣部分地區(qū)；長(zhǎng)治副省域中心的吸引范圍占晉東南地區(qū)(長(zhǎng)治和晉城)面積的80.9%，基本包括除長(zhǎng)治西北部的沁縣、武鄉(xiāng)縣以外的長(zhǎng)治、晉城全境。

3.4.2 三級(jí)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(jí)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(jí)城市吸引范圍與行政區(qū)的疊合分析統(tǒng)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)

結(jié)果所示:晉城、運(yùn)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?fàn)顩r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(luò)基礎(chǔ)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(yīng)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(dāng)擴(kuò)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?fàn)顩r滯后于區(qū)域發(fā)展?fàn)顩r，未來要加強(qiáng)忻州市的交通建設(shè)投入力度。呂梁、長(zhǎng)治、朔州、太原都市區(qū)與其行政區(qū)的范圍存在錯(cuò)位，表明這些城市在目前交通發(fā)展?fàn)顩r的基礎(chǔ)上，其吸引范圍包含了周邊縣市的同時(shí)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(duì)優(yōu)勢(shì)，其行政區(qū)范圍內(nèi)還有30%以上的區(qū)域處于其他地級(jí)市的吸引范圍之內(nèi)。未來還要進(jìn)一步加強(qiáng)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(luò)加強(qiáng)其與省內(nèi)各城市的聯(lián)系，提升太原都市區(qū)的綜合實(shí)力和在山西省內(nèi)的區(qū)域影響力。

表5 山西省三級(jí)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(shí)際的陸路交通網(wǎng)，生成了山西省交通網(wǎng)絡(luò)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(jí)，分別生成了2015年與2020年山西省3個(gè)級(jí)別城市的時(shí)間可達(dá)性擴(kuò)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(shí)間可達(dá)性擴(kuò)散也主要沿盆地呈放射狀向外擴(kuò)散；高鐵線路的開通對(duì)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(cuò)位的區(qū)域，未來可結(jié)合實(shí)際適當(dāng)?shù)剡M(jìn)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(gè)孤立的區(qū)域，僅討論了省域范圍內(nèi)各城鎮(zhèn)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間可達(dá)性，忽略了其與其他省份的聯(lián)系。

本研究?jī)H考慮了交通一個(gè)影響因子，綜合考慮多因素研究山西省城鎮(zhèn)節(jié)點(diǎn)吸引范圍的時(shí)空演變有待筆者進(jìn)一步深入。