城市軌道交通發展與城市人口變遷特征相關性研究

李巖輝

(1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043； 2.陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室(中鐵一院),西安 710043)

1 研究背景

近10年來，我國城市軌道交通進入了快速發展階段，我國城市軌道交通總里程增長情況如圖1所示[1]。

圖1 我國城市軌道交通運營里程增長情況

城市軌道交通的建設是我國城市化進程與城市發展的必然要求。在城市軌道交通線網規劃、線路路由選擇過程中，通常采用“點-線-面-網”要素分析法，通過錨固重要節點，結合主要客流走廊、自然地理地貌條件，經過不斷優化調整，得出最終線網方案[2-3]。不同區域由于城市空間結構、人口與就業崗位分布、土地利用性質、產業分布、開發強度等諸多因素存在差異，使得客流特征不同，主要體現在出行距離、乘降量、OD分布等要素，上述因素也是決定線網中不同功能線路的主要因素[4]。在城市發展自身動力的作用下以及軌道交通的骨干支撐效應，大城市、特大城市均向多中心、多組團的形式發展，用地組團、產業、人口與就業崗位分布也都會隨著城市空間結構變化而變化[5]。對于一個城市來說，其發展具有協同性、相關性性質，通過區域協調發展，促進區域產業、人口與用地集約發展，提升都市區整體的競爭力[6-7]。正是由于城市空間發展的多樣性、各組團稟賦的差異，需要構建多層次、多模式、多制式的軌道交通線網，通過軌道交通的多樣化來滿足不同區域多樣化的需求[8]。在軌道交通網絡完善的同時，人口、就業崗位、用地也在空間上呈現出面上分散、點上集中的變化規律，人口也隨著城市軌道交通延伸而形成了空間上的分散分布[9-10]；另一方面，軌道交通網絡完善的同時，就業空間呈現出極化、集中的分布規律，形成明顯的就業中心。軌道交通可達性的提升使產業分布、就業崗位分布更加集中。特別是在軌道交通交叉的節點位置，交通可達性優勢吸引了更多企業，進而形成了明顯的就業中心[11]。由上可見，城市軌道交通系統通過空間配置優化進而實現社會效益優化，是支撐多中心大都市網絡化發展的基礎，軌道交通與城市空間相互作用呈現出一定的耦合模式[12]。

根據上述研究思路，確定本文研究流程如圖2所示。

圖2 本文研究流程

2 模型建立

2.1 模型建立基礎條件

在地理空間分析中，通常會用到空間自相關模型作為分析方法，該測度指標為Moran’s I模型(也稱為“莫蘭指數”)，用來量化分析鄰近分布的空間要素之間的關系，檢驗某一要素與其鄰近空間要素是否顯著相關聯的方法。軌道交通在線網規劃過程中，一方面是為現狀需求提供設施供給，通過對客流集散點的連接，最大程度服務居民出行；另一方面就是對城市空間的骨架支撐作用，通過對城鎮體系規劃、城市總體規劃的解讀，把握城市發展方向，體現軌道交通與城市發展的雙向互動作用。因此，軌道交通線網結構較大程度體現了城市空間結構與發展趨勢，并且隨著城市發展而擴展、延伸、加密，其空間相關性與城市發展基本保持一致[13-14]。

2.2 空間自相關模型

空間自相關模型分為全局空間自相關模型、局部空間自相關模型兩類。兩者均是檢驗某一要素屬性與其相鄰空間要素屬性是否顯著相關。全局空間自相關反映了整個區域空間內某一屬性的總體特征；局部空間自相關是分析各屬性在各向異質空間的分布特征，用來量化各區域與周邊區域的關聯程度。

2.2.1 全局Moran’s I模型

(1)

(2)

2.2.2 局部Moran’s Ii模型

相比于全局空間自相關模型，局部空間自相關模型可以識別空間不同位置可能存在的空間關聯模式或空間集聚模式，從而發現要素分布的空間異質性，其模型為

(3)

(4)

式中，Ii為第i個流局部的Moran’s I值；δ為變量y的標準差；zi、zj分別為第i個流和第j個流屬性值的標準化值；wij為一般標準化值。

2.2.3 城市空間與軌道交通關系判斷-Pearson相關性分析

Pearson可以用來分析城市空間自相關和軌道交通網絡自相關的關系分析，計算方法為

(5)

式中，ρ為城市空間自相關指數與軌道交通空間自相關指數之間的相關性；Xp為城市空間自相關指數(本文選取人口為測度指標)；Ym為軌道交通空間自相關指數；Var(Xp)為Xp的方差；Var(Ym)為Ym的方差。

2.3 模型應用分析

從上述對自相關模型的分析可知，該模型源于對人口遷移、人口流動的自相關分析，其參數所代表的含義為i、j小區所代表的人口流動的過程。基于該動態過程，可以將自相關模型應用于城市變化的各個要素分析，包括人口變化、就業崗位變化、用地變化及交通出行空間關系變化等。對于城市空間與城市軌道交通的空間耦合關系，通過應用空間自相關模型進行分析，能夠得出軌道交通線網結構變化隨著城市空間變化所體現的量化關系。在建立“城市空間-軌道線網”空間模型時，對城市空間變化、軌道交通線網結構變化中可量化的因素進行分析。城市的量化因素包括人口、就業崗位、用地規模等；軌道交通的量化因素包括線網規模、線網密度、站點數量等。并進一步通過對量化因素進行空間計量分析，得出其自相關關系。

3 實例分析

3.1 規劃概述

2016年，陜西省住建廳組織編制了《關中城市群核心區總體規劃(2016)》，為緊密結合未來都市區空間發展，發揮城市軌道交通的功能和作用，編制了《關中城市群都市區城市軌道交通線網規劃(2016)》規劃方案[15-18]。

為能充分體現城市人口變化、軌道交通發展過程的相關性，選取具有代表性的時間節點進行分析。一方面，選取的不同時間節點需要體現差異并有明顯不同；另一方面，選取的時間節點人口規模能有較為準確的依據，保證各時間節點與城市群、都市區、城市不同層面的總體規劃保持一致。因此，根據西安市現狀及規劃特征，并結合軌道交通現狀、建設規劃、線網規劃各階段的擬建線路規模，確定本研究由3個時間節點構成：(1)西安市已運營、已批復線路，由1～6號線，9號線構成；(2)第三期建設規劃擬建線路，由1號線三期，2號線二期，3號線二期，8號線，10號線一期，14號線，15號線一期，16號線一期構成；(3)為線網規劃中其余線路。在確定軌道線網研究節點的同時，人口規模對應各期線網完全建成的時間，分別為2021，2025，2045年，各年度的線網建設情況分別如圖3～圖5所示；3個年度對應的人口密度分布如圖6～圖8所示。

圖3 已批復線路

圖4 第三期建設規劃線路

圖5 線網規劃全部線路

圖6 現狀人口密度分布

圖7 近期人口密度分布

圖8 遠期人口密度分布

由軌道交通線網規劃圖、人口密度變化圖可以大致看出城市空間逐步向外拓展的過程中，線網也逐步適應城市的發展，而在外圍區域進行補充、加密、延伸。

3.2 軌道交通與人口分布演化

考慮城市規劃各個組團的特征與組成要素，將大西安都市區依據城市總體規劃、各組團分區規劃劃分為組團規模，各個組團作為一個單元統計其中的人口、線路規模、站點分布數量等，組團劃分結果如圖9所示。

根據圖9的功能區劃分，將圖3～圖5的線路長度按照功能區邊界進行分隔并丈量其規模，計算各個功能區分時間節點的線路總規模；將圖6～圖8的小區人口規模組合成功能區進行加和，得出各個功能區的人口規模。以上述功能區劃分為基礎，軌道線網方案在不同時間節點的站點分布熱力圖如圖10～圖12所示。

圖9 大西安功能區劃分

圖10 已批復線路站點密度

圖11 第三期建設規劃站點密度

圖12 遠景線網規劃站點密度

對比圖6～圖8，站點密度分布與人口密度分布一致性較高并體現出如下特征。

(1)已批復線路主要為市區線，中心城區人口密度高、人口總量大，則線網在城區的線網規模、站點分布較多，與中心城區需求較為匹配。至已批復線路建成運營時，都市區已擴展至西咸新區、咸陽、鄠邑區，由于建設規劃的時序限制，在該階段，線網規模低于實際需求，未能覆蓋都市區其他需求較為迫切的區域。

(2)第三期建設規劃與2018年7月完成評審、上報工作，預計于2025年全部建成。根據建設年限，與1～6號線，9號線建成時序相差不大，城市要素變化較小。主要是對都市區外圍組團的支撐，通過環線形成內通外聯的作用，線網服務范圍進一步擴大。

(3)遠景年線網方案即線網規劃所有線路。線路、站點均覆蓋了都市區所有組團、重要客流集散點、所有對外交通樞紐，站點密度與人口分布基本一致。

根據既有分析的各功能區軌道里程與人口數據，繪制出不同年限的箱型圖如圖13所示，圖13中所體現的發展趨勢與上述趨勢一致，初期的交通需求多于軌道交通供給水平，至遠期供需逐漸匹配。

圖13 各功能區軌道里程與人口規模對比關系箱型圖

3.3 空間自相關分析

上面小結分別從線網規劃方案與里程、人口密度分布與總規模、站點分布等方面分析了城市發展與軌道交通發展的相關性。從定性角度來說，兩者基本呈現相互影響、共同發展的趨勢。隨著人口總量增長，交通需求也隨之增長，因此需要進一步建設軌道交通以滿足需求。

以Moran’s I模型為基礎，計算不同時期軌道交通規模分布與人口分布的自相關指數，結果如表1所示。各時間節點的Moran’s I指數布如圖14～圖19所示。

表1 不同時期軌道交通與人口分布自相關分析結果

圖14 現狀線路規模自相關分布

圖15 近期線路規模自相關分布

圖16 遠期線路規模自相關分布

圖17 現狀人口自相關分布

圖18 近期人口自相關分布

圖19 遠期人口自相關分布

分析結果呈現如下特征。

(1)Moran’s I指數、z值、p值均呈現出逐漸分散的趨勢，即大西安都市區城市空間發展由中心城區連片發展轉變為中心城區組團式的空間結構。

(2)隨著時間推移，Moran’s I指數逐漸趨于不相關，即中心城區發展與外圍區域發展趨于不相關，由于中心城區人口飽和，人口開始向外疏散；同時，至第三期建設規劃完成，中心城區基本網已完成建設，市區線網結構穩定，至遠期時，市域線、快線延伸至周邊區域，都市區外圍組團線網規模增加快。

(3)雖然z值隨著時間推移逐漸減小，但是依然處于顯著相關的狀態。由于本研究對象為城市軌道交通，市區線、市域線也僅僅集中在以西安—咸陽為中心的都市區范圍，沒有體現出城市群范圍的分散狀態特征。

上述分析僅對各個功能區的線網規模、人口分布做了自相關分析，體現了各自指標在不同時間節點的空間變化程度。而線網、人口之間的增長關系，可以用相關度指標進行分析，得到結果如表2所示。

表2 線網規模與人口規模Moran’s I指數的相關性指標

從相關性分析結果可以看出，各功能區的人口規模與線網規模的Moran’s I指數Pearson相關系數為0.995，大于0.95；雙尾檢驗結果為0.061，接近0.05顯著指標，可以認為較為相關，即人口規模空間自相關變化特征與線網結構變化一致。

4 研究結論

(1)本文應用空間自相關模型，對大西安都市區軌道交通線網發展不同階段與對應時期城市空間結構的關系進行研究。首先，城市發展、線網結構發展呈現出一定的自相關特征，并且隨著時間推移，自相關性減弱。這與自相關模型的含義一致，即從整體空間來說，線網規劃、建設時序首先考慮中心城區，之后逐漸向外拓展延伸。

(2)城市發展、軌道交通發展的自相關性的相關性顯著，說明人口集聚、城市發展、軌道交通線網結構首先從中心城區開始，之后外圍地區逐漸發展，而中心城區發展緩慢并趨向穩定。外圍地區雖然有軌道交通銜接，但線網密度低于中心區，屬于市域線功能范疇，為點對點、大范圍的空間交換關系。該研究結論也可以作為線網規劃、建設時序規劃的參考，通過軌道交通市區線、市域線、快線、城際鐵路等多層次多制式延展城市空間，支撐城市骨架的發展，構成新的城市空間形態[19]。

(3)西安市為歷史文化名城，都市區范圍內有眾多文物遺址保護區，保護區內不允許任何建設開發，特別在漢長安城遺址區、秦漢新城，線網密度較少；同時，受到第4次西安市城市規劃邊界的制約，在城市外圍組團周邊有非建設用地，上述因素對自相關指數產生了一定影響。

(4)在2016版線網規劃的基礎上，以明城墻區為中心，1 h可達范圍僅為西安—咸陽范圍的部分區域，外圍地區尚未在1 h通勤圈范圍，特別是10號線、16號線等超長線路在中心城區部分站間距較小，其快線功能受到影響。根據上述城市空間結構變化分析，大西安中心城區功能在不斷完善的同時，城市功能逐漸向外疏解并產生新的出行需求，因此，需要根據不同組團之間、不同走廊需求特征構建不同層次的線網，特別是外圍地區與中心城區之間的通勤需求，以適應其長距離出行[20]。

(5)都市區核心區、周邊地區在不同圈層的交通需求特征不盡相同，促進差異化、多制式軌道交通協調發展已成為趨勢。西安市中心城區、西咸新區、咸陽市與外圍組團之間，以及各個組團內部的出行特征存在差異。該差異性提出了軌道交通系統多元發展的需求，從市情、域情出發，因地制宜選擇符合城市及都市區空間發展的大、中、低運量的軌道交通制式。發展多制式軌道交通，對城市空間有序發展、空間結構合理化、功能布局優化、多組團協調發展、推進新型城鎮化建設、發揮TOD效應將起到積極作用。