2000-2018年遼寧省交通優勢度與經濟發展耦合評價

劉 鵬 宇，李 晶，劉 珞 丹，殷 守 強

(中國礦業大學(北京)地球科學與測繪工程學院，北京 100083)

0 引言

交通對城市的影響最早來源于區位論[1]，人口和經濟向運輸成本最低處聚集。1959年Hansen提出通達性的概念，此后交通作為獨立的研究體系[2]。國外學者較早關注通達性對土地利用的影響[2]，隨后平均旅行時間[3，4]、通達距離、GIS網絡分析等概念與方法的應用推動了可達性研究[5，6]，近年來學者多圍繞區域可達性，結合經濟、生態、社會等多指標體系，探究交通與社會及生態的相互影響機制[7，8]。國內該領域研究起步晚、發展快，早期研究多以交通可達性為主，從時間、距離、系數等方面進行可達性評價[9-14]；2008年，金鳳君等提出交通優勢度的概念，將區域交通看作是“質、量、勢”的集合[15]。交通可達性和交通優勢度是兩個互為補充的評價體系[16，17]，前者側重城際交通聯系能力，后者側重對交通設施和戰略區位的綜合考慮。

交通優勢度評價研究主要集中在兩方面：1)評價模型的改進。例如，孟德友等采用熵權法計算交通優勢度評價指標權重[18]；閔敏等用地形因素修正交通優勢度模型[19]；周寧等重新定義中心城市對交通發展影響的測度方式[20]。2)探討交通與其他社會經濟因子的耦合關系。例如，崔學剛等研究山東半島城市群高速交通優勢度與土地利用效率的空間關系[21]；王武林等研究2000-2016年武陵山區交通優勢度與縣域經濟發展的協調水平[22]；王奉林等揭示唐山市休閑農業分布與交通優勢度的耦合協調規律[23]；戢曉峰等結合交通優勢度與交通通達性，測算中國36個主要城市交通狀況與物流產業效率的聯系[24]；郭向陽等利用象限法研究云南省快速交通與旅游流強度的組合關系及其空間異質性[25]。

上述研究在理論和應用層面均取得長足進展，但多以行政區為評價單元，空間精度較低。此外，針對行政區統計數據的交通優勢度評價s模型雖較成熟，但不適用于柵格數據，且交通優勢度評價體系依賴縣及鄉村路網數據，該數據獲取難度大，制約了交通優勢度時序變化的研究。針對以上問題，本文基于傳統交通優勢度評價模型[15]，提出TM-TAE(Time series and Micro-scale Transportation Advantage Evaluation)模型，并利用該模型探究遼寧省2000年、2010年、2018年交通優勢度及其與經濟發展水平的耦合協調態勢、互動關系及“瓶頸”區域，旨在為協調交通優勢度與經濟發展的關系以及制定精細化國土空間開發保護策略提供數據支撐和科學參考。

1 研究區與數據來源

遼寧省位于我國東北地區南部(38°43′～43°26′N，118°53′～125°46′E)，面積14.86萬km2，是東北經濟區、京津冀城市群、環渤海經濟區協同發展的交匯地帶，同時也是東三省與內蒙古外向型經濟發展的重要門戶。截至2019年，遼寧省鐵路運營里程為6 132 km(高速鐵路2 037 km)，公路通車里程為123 830 km(高速公路4 331 km)(圖1)，基本形成以鐵路為骨架、港口為門戶、公路四通八達、民航/水運/管道相配合的現代化立體交通網絡。

圖1 遼寧省交通圖Fig.1 Traffic map of Liaoning Province

本文研究時段為2000-2018年，并選取200 m×200 m的柵格為基本評價單元。因海島與陸域連通方式特殊，故不考慮長海縣及其他島嶼。2000年、2010年和2018年遼寧省鐵路、公路空間數據分別源于《2001年中國分省公路交通地圖冊》《2010年中國重大自然災害圖集》和遼寧省交通運輸廳，鐵路類型數據源于中國鐵路地圖門戶網站(cnrail.geogv.org/zhcn)，鐵路站點、港口、機場空間數據源于高德地圖(www.amap.com);由WorldPOP(www.worldpop.org)平臺獲取中國區人口柵格數據，經裁剪得到遼寧省人口分布數據；縣域經濟統計數據源于相應年份的《中國城市統計年鑒》和《遼寧統計年鑒》；行政界限源于全國地理信息資源目錄服務系統(www.webmap.cn)1∶100萬全國基礎地理數據庫。

2 研究方法

2.1 TM-TAE模型評價體系

TM-TAE模型針對長時序和像元尺度開展研究，基于交通優勢度理論重新界定“量、質、勢”的概念。1)“量”反映研究區域的交通支撐能力和發展潛力，傳統方法采用交通網絡密度指標進行量化。在針對柵格數據的研究中，無法忽略交通線路間空白區“量”的存在。考慮到縣及鄉村歷史道路對區域交通支撐能力的貢獻較大，但數據難以獲取，本文根據不同坡度等級賦予不同潛在速度值的方式量化空白區的“量”[26]，非空白區以不同道路類型的設計速度量化(表1)。“量”的結果反映在時間成本圖層中，參與交通干線影響度和區位優勢度的計算。2)“質”反映大型交通線路或重要交通設施對區域間通達能力的影響，使用交通干線影響度指標進行量化。傳統方法依據研究區是否擁有交通干線或與交通干線的距離進行加權分析，本文利用“量”的時間成本數據，進行時間成本計算，對不同交通干線賦予不同權重并進行疊加分析。3)“勢”反映重要城市節點的統領作用，通過區位優勢度指標進行量化。傳統方法利用精密路網數據，結合GIS最短路徑模型，計算中心城市幾何中心點到各行政區幾何中心點的最短時間成本。本文將GIS網絡分析與成本分析相結合，計算中心城市幾何中心點到每一柵格的最短時間成本。通過對不同等級城市的區位優勢度柵格圖層進行加權疊加分析，測算研究區柵格尺度的區位優勢度。因為“量”的結果參與了“質”與“勢”的構建，所以在交通優勢度指標集成時，不重復考慮“量”的影響。

表1 不同坡度、道路類型的速度賦值Table 1 Speed values of different slopes and road types km/h

2.1.1 交通干線影響度 根據交通干線的技術特征，對交通干線的權重設定如表2[15]所示。設Ji為柵格i的交通干線影響度，其計算公式為：

表2 不同交通干線的權重Table 2 Weights of different traffic arteries

(1)

式中：Valmi、Hmi分別為柵格i第m類型交通干線的時間成本和權重；N為柵格總數量；M為交通干線類型數量。

2.1.2 區位優勢度 首先，考慮高速公路與鐵路封閉性，利用路徑分析與成本分析計算柵格i到中心城市A的最短可達時間Ti：1)利用時間成本圖層和中心城市位置，計算中心城市A到柵格i的時間成本tA-i；2)生成火車站、高鐵站及高速出入口的交通樞紐點集Sj，通過路徑分析計算中心城市A到Sj的最短可達時間tA-j，同時利用時間成本圖層計算Sj到柵格i的最短可達時間tj-i；3)通過比較分析，得到柵格i到中心城市A的最短可達時間，即Ti=min(tA-i,tA-j+tj-i)。然后，按照《遼寧省城鎮體系規劃(2016-2030年)》，將沈陽、大連、營口、錦州、丹東作為中心城市，在綜合考慮城市節點的經濟、人口、交通條件下，利用式(2)計算2018年各中心城市的職能強度Kz[27]，并依據Kz值賦予各地市權重Wz。經計算，沈陽、大連Kz值分別為8.32和7.67，設為一級中心城市，權重為2；營口Kz值為4.12，設為二級中心城市，權重為1.4；錦州和丹東Kz值分別為2.21和1.73，設為三級中心城市，權重為0.8。最后，計算柵格i的區位優勢度Qi：Qi=Ti/Wz。

(2)

式中：Pz、Gz、Rz分別為地市z的戶籍人口、工業總產值、道路與交通設施用地占行政面積的比率；n為地市數量。

2.1.3 交通優勢度指標集成 將交通干線影響度、區位優勢度無量綱化后，與權重相乘再相加，得到柵格i的交通優勢度(Fi)計算公式：

Fi=J′i×wJ+Q′i×wQ

(3)

式中：J′i和Q′i分別為交通干線影響度和區位優勢度的無量綱值，wJ和wQ分別為其權重，均取值為1。

2.2 GDP數據空間化

應用“人口—經濟”空間化模型[28]，通過人口柵格數據估算柵格i的GDPi(式(4))。因經濟數據具有空間聚集效應，為使GDP柵格數據符合正態分布，采用對數logistic標準化模式對其進行轉換。

GDPi=(GDP/P)×Pi

(4)

式中：GDP、P分別為所在縣區的GDP和總人口；Pi為柵格i的人口數。

2.3 耦合協調度模型

為評價交通優勢度與經濟發展之間的耦合協調程度，本文構建遼寧省交通優勢度與經濟發展的耦合協調度模型。耦合度C(式(5))表征兩者相互依賴的程度，C值越大，兩者相互作用越強；協調度D(式(6))表征兩者耦合的良性程度，D值越大，協調度越好，兩者呈相互促進狀態，反之則呈相互抑制狀態。

(5)

(6)

式中：f(x)為柵格交通優勢度評價值，g(y)為柵格GDP估測值，均為經過標準化處理的無量綱值，取值范圍為0～1；wf和wg為交通優勢度與經濟發展的評價權重，通常wf+wg=1,本文取wf=wg=0.5；E為綜合評價指數，表征兩系統的協調發展程度。

2.4 空間組合關系

以柵格為單位，按交通優勢度—GDP等級組合關系進行類型劃分。采用分位數法，以0.5、1.0、1.5、2.0為間斷點將交通優勢度劃分為5個區間，以5、10、50、100為間斷點將GDP劃分為5個區間，形成25個交通優勢度與經濟發展組合類型。其中，Ⅰ-Ⅰ、Ⅰ-Ⅱ、Ⅱ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ類型為“高交通優勢—高GDP”區域，Ⅰ-Ⅳ、Ⅰ-Ⅴ、Ⅱ-Ⅳ、Ⅱ-Ⅴ類型為“高交通優勢—低GDP”區域，Ⅳ-Ⅰ、Ⅳ-Ⅱ、Ⅴ-Ⅰ、Ⅴ-Ⅱ類型為“低交通優勢—高GDP”區域，Ⅳ-Ⅳ、Ⅳ-Ⅴ、Ⅴ-Ⅳ、Ⅴ-Ⅴ類型為“低交通優勢—低GDP”區域，其余類型為“中交通優勢—中GDP”區域。

3 結果分析

3.1 交通優勢度分析

由圖2可知，2000年、2010年和2018年Ⅰ類地區(0～0.5)分別占遼寧省總面積的5.6%、10.7%和24.7%，主要分布在以沈陽、大連為核心的沈陽—鞍山—大連軸帶區域以及盤錦市大洼區和丹東東港市部分區域，18年間該區域向外擴張10～20 km，多位于大型交通設施所在地或區位優越區；Ⅱ類地區(0.5～1.0)主要分布于Ⅰ類地區外圍、葫錦組團、大莊組團以及沈陽—本溪—丹東軸線的本溪—丹東段，2000年面積占比16.4%，2010年、2018年分別上升至28.9%和44.9%；Ⅲ類地區(1.0～1.5)主要分布于Ⅱ類地區外圍20～30 km范圍內以及朝陽縣和岫巖滿族自治縣西南部，2000年和2018年面積占比分別為20.7%和25.3%；Ⅳ類地區(1.5～2.0)分布在Ⅲ類地區外圍20～40 km范圍內以及岫巖滿族自治縣東北部，2000-2018年面積占比由17.5%減至4.3%；Ⅴ類地區(>2.0)分布在省域邊緣地帶，2000-2018年面積占比由39.8%降至0.8%。Ⅳ類和Ⅴ類地區遠離機場、港口等交通樞紐，且部分地區受地形等因素影響，與中心城市聯通能力較差，導致交通優勢度偏低。

圖2 遼寧省交通優勢度Fig.2 Transportation advantage of Liaoning Province

從總體格局看，遼寧省交通優勢度沿“一核、兩軸、三帶”呈距離衰減的特征。“一核”即以沈陽為核心，依托大型交通網絡，分別向錦州、阜新、鐵嶺、撫順、本溪輻射，呈放射狀衰減格局；“兩軸”包括沈大軸和沈丹軸，前者呈現以沈陽、大連為核心，遼陽、鞍山、營口共同組成的“啞鈴”狀衰減格局，后者呈現以沈陽為核心，本溪、丹東共同組成的“擺錘”狀衰減格局；“三帶”即葫蘆島—錦州帶、盤錦—營口帶、大連—莊河帶，是遼寧省第三層次的衰減格局，其特征符合遼寧省提出的“沈陽經濟區”和“沿海經濟帶”戰略布局。

從局部變化看，西北部地區在長深高速公路、京沈鐵路、京哈高速鐵路、秦沈客運專線貫通后，交通優勢得到明顯改善，逐漸呈平行條帶式分布格局。因沈丹客運專線東部受長白山脈地形制約，交通優勢度在G201國道和溪田線完善過程中逐漸提高。鞍山岫巖地區受千山山脈等影響，交通優勢度低于周圍地區，在丹錫高速公路和莊蓋高速公路貫通后出現明顯好轉。盤錦部分地區為濕地，屬禁止開發區域，交通優勢度略滯后于周圍地區。

3.2 GDP空間分析

結合遼寧省區縣統計數據分析表明，應用“人口—經濟”空間化模型得到的GDP柵格數據能精細刻畫省域經濟發展的空間格局。由2018年遼寧省GDP空間分布(圖3)可知，Ⅰ類地區分布在中南部城市群和遼東半島核心區域，包括沈陽和平、沈河、皇姑、大東區，大連中山、西崗、沙河口區，遼陽白塔區，鞍山鐵東區，錦州古塔、凌海區，面積和GDP分別占全省的1.7%和58.7%；Ⅱ類地區分布于沈陽、大連周邊市區，包括沈陽鐵西、渾南、沈北新區，撫順望花、新撫、順城區，本溪溪湖、明山、平山區，鞍山海城市，盤錦雙臺子區，營口老邊區，大連金州、旅順口區，面積和GDP分別占全省的3.5%和14.2%；Ⅲ類地區緊鄰Ⅱ類地區及部分縣級市，包括沈陽蘇家屯、遼中、沈北新區，鐵嶺調兵山市，丹東東港市，大連莊河市、普蘭店區，營口大石橋市，盤錦大洼區，面積和GDP分別占全省的11.4%和12.3%；Ⅳ類地區主要分布于黃海翼、渤海翼和中部城市群的西北部，包括大連莊河市，丹東東港市，葫蘆島綏中縣、連山區，錦州義縣、黑山縣、北鎮市，沈陽新民、康平縣，面積和GDP分別占全省的26.6%和9.2%；Ⅴ類地區分布于遼寧省西部和東部，包括朝陽、阜新、鐵嶺、撫順、本溪大部分地區以及鞍山市岫巖滿族自治縣，面積和GDP分別占全省的56.8%和5.6%。

圖3 2018年遼寧省GDP空間分布Fig.3 Spatial distribution of GDP in Liaoning Province in 2018

3.3 交通優勢度與GDP空間特征分析

3.3.1 耦合協調度分析 結合SPSSAU軟件得到的參考分級標準，以0.2、0.4、0.6、0.8為間斷點將交通優勢度與經濟發展的耦合協調度分為嚴重失調、輕度失調、瀕臨失調、初級協調、良好協調5個等級(圖4)。時間變化上，2000-2018年遼寧省交通優勢度與經濟發展耦合協調度顯著上升，平均值由0.58(瀕臨失調)上升到0.73(初級協調)。2000-2010年初級協調區域明顯擴張，這與沈陽經濟區發展戰略部署密不可分；2010-2018年交通優勢度與經濟發展耦合協調度大幅提升，很大程度上得益于高速鐵路網的完善。空間差異及變化上，嚴重失調區(0～0.2)出現于2000年朝陽市建平縣北部，約為該縣總面積的1/9；輕度失調區(0.2～0.4)主要分布在朝陽市西北部、葫蘆島建昌縣、撫順新賓、本溪恒仁、丹東寬甸的東部以及盤錦市濕地范圍，18年來該類面積減少了11.2%；瀕臨失調區(0.4～0.6)主要分布于朝陽西北部、阜新北部、葫蘆島中部、鞍山岫巖、撫順新賓、本溪恒仁、丹東寬甸，近年來協調度在遼寧北部及鞍山岫巖地區得到較大改善，而在撫順、本溪、丹東東部變化不明顯；初級協調區(0.6～0.8)基本位于“沈陽經濟區”與“沿海經濟帶”區域，由最初點—軸式分布逐漸過渡到同心圈結構，該類地區占全省的面積比重由2000年的44.3%升至2018年的78.5%，變化最顯著；良好協調區(0.8～1.0)集中分布在沈陽、大連及盤錦、營口、鞍山市中心周圍，面積增長了11.0%。

圖4 遼寧省交通優勢度與經濟發展耦合協調度Fig.4 Coupling coordination degree between transportation advantage and economic development in Liaoning Province

3.3.2 空間組合關系分析 如圖5所示，2018年沈大軸帶以“高交通優勢—高GDP”為主，中部城市群及沿海兩翼以“高交通優勢—低GDP”為主，“低交通優勢—低GDP” 多分布于東西兩廂，整體呈交通先行發展、經濟相對滯后的特征。2000-2010年“高交通優勢—高GDP”區域變化最顯著，表現為從“雙核”變為軸帶分布的空間格局，面積占比從2.1% 提升至13.7%；2000-2018年“高交通優勢—低GDP”區域面積占比持續上升，“低交通優勢—高GDP”區域面積占比先升后降，主要分布于朝陽及遼寧東部沿邊地區，“低交通優勢—低GDP”區域面積占比縮小43.4%，且西廂的改善速度明顯快于東廂。

圖5 遼寧省交通優勢度與經濟發展組合類型空間分布Fig.5 Distribution of combination types of transportation advantage and economic development in Liaoning Province

4 結論與討論

本研究以200 m×200 m柵格為評價單元，綜合運用TM-TAE模型、耦合協調度模型、空間組合關系分析等方法，探討2000-2018年遼寧省的交通狀況及其與經濟發展的相互關系，得出如下結論:1)TM-TAE模型基于交通干線影響與城市輻射，降低了傳統交通優勢度計算的復雜性，相對于以行政區為單元的交通優勢度模型，該模型更能體現交通優勢度的空間異質性，便于研究不同尺度下的空間分異特征；但該模型依賴交通速度的先驗知識，今后仍需結合交通大數據等進一步改進。2)遼寧省交通優勢度呈“一核、兩軸、三帶”的空間分布格局，距離軸線越遠，交通優勢度越低，這除與“沈陽經濟區”“沿海經濟帶”等發展戰略和經濟政策、地形地貌制約等相關外，省域邊緣效應也不容忽視；研究時段內交通優勢度顯著上升，優勢度較高地區(Ⅰ類、Ⅱ類地區)在2010-2018年上升幅度(30.0%)遠高于2000-2010年(17.6%)，高速鐵路對省域內交通發展的促進作用相對明顯。3)交通優勢度與經濟發展協調性以初級協調區域為主，兩者呈良性、相互促進式發展。2010-2018年“良好協調”區域擴張(2.5倍)明顯滯后于Ⅰ類交通優勢度擴張(4.4倍)速度，反映了交通先行的特征，也在某種程度上反映出經濟發展“頹勢”；兩者的主導空間關系經歷了由“低交通優勢—低GDP”向“高交通優勢—低GDP(交通超前型)”的轉變，與整體變化趨勢不同，受交通、產業宏觀背景和人才流出等多因素影響，“低交通優勢—高GDP”區域則呈現先增后減的特征。

針對交通優勢度較低或經濟發展不協調區域，在“十四五”交通發展規劃和2020-2035年國土空間規劃中，應堅持效率與公平兼顧原則，平衡交通設施布局和社會經濟發展，一方面交通先行以支撐社會經濟發展，同時也要根據人口與經濟收縮狀況、生態承載力的空間差異等特點合理布局交通設施，避免盲目建設導致浪費和對生態保護產生過多負效應。此外，在遼寧省交通與經濟發展耦合協調特征差異形成機理和相應的政策響應方面有待深入研究。