新疆維吾爾自治區鐵路路網擴張時空關系研究

高玉祥，韓 峰

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

路網密度是指一定區域內鐵路總長度與該地區面積的比值，是評價一定尺度條件下某一地區鐵路交通水平的重要指標[1-3]。研究路網發展規律時選取路網密度為指標來進行研究，根據所研究結果建立合適的數學模型來預測今后該地區符合經濟社會發展的鐵路建設量，更好地服務于社會[4-5]。目前，很多學者在道路網密度指標體系研究、道路網絡通達度和道路網絡評價等內容進行了研究，但是研究內容主要集中在發達的公路網方面，對鐵路網密度及擴張規律研究則不多[6-8]。基于GIS技術，將新疆維吾爾自治區不同時期的鐵路網密度、人口密度和GDP密度空間化并分析其時空關系，運用SPSS軟件分析新疆地區鐵路網密度和GDP、人口之間的相關性。

1 研究區概況

新疆維吾爾自治區位于中國西北邊陲，是5個少數民族自治區之一，也是中國陸地面積最大的省級行政區，面積166萬km2，占中國國土總面積1/6。位處亞歐大陸腹地，陸地邊境線5600 km以上，周邊與俄羅斯、哈薩克斯坦等8國接壤，在歷史上是古絲綢之路的重要通道，現在是第二座“亞歐大陸橋”的必經之地，戰略位置十分重要(見圖1)。鐵路作為國家重要的基礎設施和綜合運輸體系的骨干方式，長期以來約3 000 km的鐵路線承載了新疆166萬km290%以上進出疆物資和人員的運輸任務，在促進新疆經濟社會發展方面發揮著不可替代的作用。2015年鐵路網密度為29.6 km/萬km2，僅為全國平均水平101.4 km/萬km2的29.1%。

圖1 2015年新疆自治區鐵路路網發展現狀

2 研究方法

2.1 鐵路路網密度

計算路網密度時雙線鐵路線路長度用里程值的兩倍表示，單線鐵路即為其本身長度，將區域內的各段線路長度乘以與該段線路等級對應的權重系數后求和，除以該區域的面積得到路網密度，算式為

(1)

式中：D為研究地區內鐵路網的密度(km/km2)；Li為區域內第i段的線路長度；ωj為第i段線路對應的權重系數，按照調查通過能力得到(Ⅰ級鐵路ω1=1,Ⅱ級鐵路ω2=0.8,其他ω3=0.6)；Ai為研究地區的面積。

以市(州)為單位統計各個地區的路網密度，將路網密度計算結果鏈接新疆維吾爾自治區行政區劃數據。為更好表達各個地區的鐵路分布特征和空間差異，利用ArcGIS將新疆各市(州)的路網密度空間化，采用IDW(反距離權重插值)法進行路網密度空間插值后得到2005年和2015年兩個時期的新疆地區路網密度空間分布(見圖2和圖3)。

圖2 2005年新疆自治區鐵路路網密度

圖3 2015年新疆自治區鐵路路網密度

從圖2可知：2005年新疆地區的鐵路網密度主要形成了以烏魯木齊市、吐魯番市、伊犁地區為中心的高密度區域，主要由于烏魯木齊為新疆的鐵路運輸樞紐，吐魯番是南疆、北疆地區鐵路的交匯點，阿勒泰地區有阿拉山口、霍爾果斯兩個鐵路口岸。路網主要形成了“人”字形主骨架，在南疆地區出現了大面積的路網密度較低區域，南疆地區經濟發展相對落后、人口比較稀疏且南疆地區多為沙漠、盆地等因素限制了鐵路發展。

從圖3可看出，截止“十三五”末，蘭新高鐵、喀和鐵路、額哈鐵路、奎北鐵路等線路的開通運營使新疆鐵路通車區域迅速擴大，沿著“人”字形骨架衍生了很多支線，路網密度進一步增大。路網密度較大的主要是烏魯木齊、伊犁、克拉瑪依和吐魯番，這些城市基本都位于北疆地區，該地區由于人口密度較大、自然資源較豐富、地形地質氣候條件較好，使北疆鐵路發展相對較快，而鐵路運輸反過來又對沿線經濟發展起到很大的帶動作用。

南疆的阿克蘇、喀什、克州、和田地區沒有處在新疆的鐵路口岸大通道兩側，且由于南疆地區經濟、歷史等原因，鐵路建設一直很緩慢，限制了鐵路對當地經濟發展的帶動作用。蘭新高鐵開通使內地與新疆的聯系更加緊密，喀和鐵路把南疆地區重要的兩個地方喀什、和田地區連接到一起，對促進南疆地區經濟發展、社會交流具有深遠意義。

2.2 空間相關性分析

空間相關分析是揭示地理空間要素之間相互關系的密切程度，本研究主要通過相關系數的計算與檢驗來完成。計算空間相關模型的算式為[9]

(2)

2.3 路網密度和人口密度的相關性

為研究路網密度和經濟發展之間的關系，選取2005年新疆常住人口為社會因素指標，計算出2005年各市(州)常住人口的密度，在GIS中運用IDW法對其進行空間化，分析結果(見圖4)。

圖4 2005年新疆自治區人口密度

利用SPSS對2005年各市(州)的鐵路網密度和人口密度作相關性分析，結果中相關系數r=0.713，在顯著性水平α=0.01，自由度為100，約束條件為2時，查相關系數臨界值表得相關系數臨界值ra=0.41，表明人口密度和路網密度有顯著相關性。

同樣將2015年各市(州)的人口密度空間化(見圖5),在SPSS中對路網密度和人口密度做相關分析，相關分析結果中相關系數r=0.742，同理在相關系數臨界值ra=0.41時，說明二者有顯著相關性。

圖5 2015年新疆自治區人口密度

2.4 路網密度和GDP密度的相關性

利用新疆維吾爾自治區2005和2015年鑒資料計算出各市(州)GDP密度，將GDP密度進行插值后得到兩個不同時期的空間化的密度分布圖(見圖6和圖7)。

圖6 2005年新疆自治區GDP密度

對2005年路網密度與GDP密度作相關分析得相關系數r=0.852,在α=0.01、自由度為100，約束條件為2時，相關系數臨界值ra=0.23,說明路網密度與GDP密度有高度相關性。

圖7 2015年新疆自治區GDP密度

同樣在SPSS中將2015年路網密度與GDP密度作相關性分析得相關系數r=0.881,同理在相關系數臨界值ra=0.23時,說明二者有高度相關性。

根據以上的分析結果，新疆大部分地區的路網密度與GDP密度、人口密度有正相關性，所以人口密度較大、經濟條件較好的北疆地區路網密度在鐵路建設中得到迅速增大，特別是GDP密度增長較大的區域，鐵路網密度也迅速增大，可見經濟發展需要快速便捷的鐵路網支撐，完善的鐵路網對經濟發展的帶動作用也很明顯。

3 路網需求模型及應用

3.1 理論模型

為研究人口、GDP對鐵路路網密度的綜合影響，根據Cobb-Douglas生產函數理論，假定新疆維吾爾自治區鐵路網需求函數為[10]

(3)

式中：Dr為研究區域內鐵路網密度；Dp為人口密度；Dg為GDP密度；K、a和b分別為鐵路路網需求函數模型中社會進步、人口密度、經濟發展水平彈性系數。其中可以通關相關資料計算出Dp、Dg，K、a和b則需要從模型中進行參數估計。估計參數時，對式(3)兩邊取自然對數，得

lnDr=lnK+alnDp+blnDg.

(4)

令Y=lnDr，A0=lnK，X1=lnDp，X2=lnDg，那么式(4)可以寫為

Y=A0+aX1+bX2.

(5)

3.2 實際模型

為求出上述理論模型中的K、a和b，將統計計算得到的2015年新疆自治區鐵路網密度、人口密度、GDP密度各自取自然對數,在SPSS軟件中運用多元回歸分析算出相應參數并帶入式(5)得

lnDr=-8.352+0.602lnDp+0.324lnDg.

(6)

回歸方程擬合度R2=0.635。在顯著性水平α=0.01、自由度為100、約束條件為3時，查相關系數臨界值表得相關系數臨界值=0.310，可知求出的回歸方程符合模擬要求。去掉式(6)兩邊的對數后得到鐵路網密度與人口密度、GDP密度的函數模型關系式

Dr=0.000 236Dp0.602Dg0.324.

(7)

為了驗證路網密度計算模型對2015年新疆地區鐵路網密度的模擬是否準確，將ArcGIS中的實際計算值與預測得到的模擬值相比較(見圖8)，可知模型計算值與實際值具有較高的一致性。

圖8 2015年新疆自治區鐵路路網密度模擬值與真實值

根據預測的新疆地區路網密度與實際路網密度的結果比較，人口密度、GDP密度越高則該區域的路網密度往往越大，說明鐵路對促進經濟發展和社會交流具有重要作用。由此可以得出一個基本推論，即對于一個人口—經濟社會—鐵路網協調發展的地區來說，隨著人口數量增長和社會經濟發展，該地區的鐵路網建設也會隨著發展，在動態進化過程中保持其協調性的基本要求。

3.3 路網空間依賴-偏好分析

由于新疆維吾爾自治區內各市(州)的產業結構、資源分布、鐵路建設政策都存在不同程度的差異，使鐵路網模型估計值與實際密度值之間出現一些小偏差，這種偏差反映了鐵路建設規劃地域之間存在的差異規律。新疆地區地大物博，自然資源極為豐富，為分析自治區內不同地區的資源與產業結構對鐵路運輸的依賴性和路網建設的政策偏好。根據以上路網密度計算模型，提出新疆維吾爾自治區鐵路路網建設的依賴-偏好指數，算式為

SD=(Di/Dj)×100%.

(8)

式中：SD為鐵路網空間依賴指數；Di為實際統計值；Dj為模型估計值。此研究中空間依賴—偏好指數反映了流域資源、產業結構、人口分布格局、經濟發展等對鐵路網的影響度和鐵路路網建設的政策偏好和走勢。

結合相關研究結果，根據新疆維吾爾自治區各市(州)計算出的鐵路網依賴-偏好指數，統計出3種依賴-偏好類型及各市(州)所屬的類型(見表1)，分別為：強依賴或強偏好(W>200%)；中等依賴或中等偏好(100%

表1 2015年新疆自治區鐵路網建設的依賴—偏好類型結果

3.4 路網密度預測

將預測計算后的2020年新疆維吾爾自治區各市(州)人口密度、GDP密度代入式(7),得到2020年自治區各個地方的鐵路網預測密度(見圖9)。

圖9 2020年新疆自治區各市(州)路網密度預測值

南疆地區由于經濟、地形和地質等原因使鐵路建設相對緩慢，到2020年，格庫鐵路、和羌線、南疆鐵路至蘭新鐵路聯絡線和博州支線等線路的建成將進一步促進路網密度相對較低的南疆地區鐵路大發展，打通出疆北通道，進一步擴大通車區域和路網密度，對促進南疆地區經濟發展和社會交流具有重要的意義，將建成貫通東西、連接南北疆、銜接內地、溝通亞歐的鐵路運輸線，形成“四縱四橫”主骨架，實現“由線到網”的蛻變，2020年新疆地區路網預測密度空間化(見圖10)。

圖10 2020年新疆自治區預測路網密度

將2020年新疆維吾爾各市(州)的預測人口密度和GDP密度代入上述模型，得到2020年新疆地區鐵路通車里程應該達到10 840 km，路網密度為0.008 4 km/km2，到2030年，運營里程應該達到16 000 km，路網密度達到0.013 3 km/km2。目前新疆地區鐵路骨干已基本成形，構建絲綢之路經濟帶核心區、打造“交通樞紐中心”，主要的任務就是完善路網結構，優化鐵路運輸、提高點線配套能力，使新疆地區真正成為我國構建絲綢之路經濟帶的重要通道和樞紐。

4 結 論

1)新疆維吾爾自治區鐵路已發生從“一”字形、“人”字形到“網”狀結構的巨大變化，北疆地區路網密度整體比南疆地區高很多，在已修建的三條大通道上，只有中通道經阿拉山口和霍爾果斯實現對外連通，南北鐵路通道尚未打通，國際化便利運輸水平還有待提升。

2)鐵路網密度與人口、GDP等社會因素之間有很大的相關性，通過分析其相關關系建立的新疆維吾爾自治區鐵路路網需求模型可以科學預測不同地區的路網需求密度。

3)新疆維吾爾自治區是絲綢之路經濟帶三大通道的重要交匯地，加強與周邊國家和區域互聯互通、形成全方位開放新格局，要求加快推進鐵路運輸大通道建設，文中的研究成果對新時期新疆地區的鐵路建設規劃提供有效的決策支持。