超高速管道磁浮系統通道規劃研究

張云嬌，王修華，范丁元，程 婕

(1.中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055; 2.中國國際工程咨詢有限公司,北京 100048)

引言

速度是衡量一個國家交通發展水平和科技創新能力的重要指標之一,交通運輸速度的每一次提升,都對人類文明的加速發展發揮了重要作用。近年來,國家大力支持并開展了低真空管(隧)道高速列車等技術和推進超大城市間高速磁懸浮通道布局的相關研究工作, “合理統籌安排低真空管(隧)道磁懸浮交通技術的儲備研發”被寫進《交通強國建設綱要》[1-2],交通部將“低真空管道超高速磁懸浮交通”列為“十四五”重大研發專項,《國家綜合立體交通網規劃綱要》[3-4]明確提出要研究推進超大城市間高速磁懸浮通道布局和試驗線路建設。超高速管道磁浮系統相關技術已成為國家當前乃至未來很長一段時間的重大科技研究領域和交通新模式研發基礎。

目前,我國長三角、粵港澳大灣區等地區擬規劃實施600 km/h及以上高速線路。但是,在超高速系統制式的規劃方面還有所欠缺,相關研究都在初期。開展超高速管道磁浮系統通道規劃研究,目的是明確系統的發展意義和功能定位,提出全國性的通道規劃和實施方案,對新型陸路交通系統發展具有重要作用。

1 高速運輸系統發展研究

1.1 民航運輸

當前,我國民航發展水平不斷提高、覆蓋范圍不斷擴大、服務能力穩步提升、樞紐作用日益凸顯。2021年12月14日,中國民用航空局,國家發展和改革委員會,交通運輸部關于印發《“十四五”民用航空發展規劃》在優化國內航線網絡布局中提出,要構建以骨干網、基礎網為支撐的國內航線網絡,擴容京津冀、長三角、粵港澳大灣區、成渝世界級機場群樞紐機場之間的主骨干通道,暢通四大世界級機場群、國際航空樞紐、區域航空樞紐之間的次骨干通道,推進快線公交化,打造高頻率、高品質的骨干網,鞏固航線網絡基本盤。

預計未來民航客運需求仍將持續增長[5],主要分布在華東、中南、華北和西南地區,但在國民經濟增速放緩和高速鐵路網絡持續完善的背景下,增速會持續放緩。民航具有受天氣影響時效性較弱的自身劣勢,加之近年來,隨著高鐵系統的逐步完善,民航受高鐵運營的影響逐步擴大[6-8]。2009年至2019年間,民航旅客吞吐量增幅由原來的20%下降至6.9%(圖1),主要影響區段在1 200 km以下航線,以京滬、京廣、滬漢蓉3條高鐵運營對沿線民航航線實際影響為例,800 km以下航線航班減少了50%～60%。

圖1 中國民航旅客吞吐量增長趨勢Fig.1 Growth trend of China’s civil aviation passenger throughput

1.2 高鐵運輸

隨著我國高鐵的飛速發展,截至2023年年底,我國高鐵營業里程達4.5萬km,占世界高鐵總里程達70%以上。目前,我國高速鐵路營業里程不斷增長、覆蓋水平持續提高,客流增速穩步提升、客運骨干作用凸顯,城市群間交流頻繁、輻射帶動作用明顯。2019年,我國高鐵運輸量為24億人次,約占鐵路運輸總量的65%,高鐵主要承擔中長途和短途運輸;其中,全國主要城市群間的旅客運輸量約3.0億人次,約占全國高鐵運輸總量的12%,客流量最大的通道是長江中游—粵港澳大灣、京津冀—長三角、長江中游—長三角、京津冀—山東半島,完成運輸量約為1.3億人次,約占城市群間的42%。

我國高鐵的發展直接拉動了沿線區域經濟社會快速發展,縮短了地域交流,減少了環境污染。但是,由于2016版中長期高速鐵路網規劃研究范圍有限,如今我國高速鐵路在通道能力、質量、布局及科技發展等方面已經無法充分滿足新時代對高速鐵路的新要求,出現了部分通道能力緊張、區段技術標準不一致、城市覆蓋不充足、超長距離運輸競爭力弱等問題。

1.3 國內外高速磁浮發展概況

目前,美國、歐洲、亞洲等國家均已開展超級高鐵的研究和實驗線的建設工作[9-11]。其中,日本在2015年建設了42.8 km山梨線常壓試驗線,試驗速度達到603 km/h,日本應慶大學利用山梨線超導電動懸浮技術成果,正在開展時速1 000 km研究。

我國現有中國中車承擔研制、具有完全自主知識產權的時速600 km常導電磁高速磁浮交通系統在青島成功下線;航天科工聯合多家單位共同研發超導電動制式低真空磁懸浮系統,設計時速1 000 km的大同(陽高)試驗線工程已開工建設;西南交通大學設計時速620 km的高溫超導釘扎制式高速磁浮工程化樣車及試驗線正式啟用。近年來,該系統的技術及應用在我國已取得了較好發展[12-14]。

2 系統發展的必要性

2.1 落實交通強國戰略,實現超高速管道磁浮技術體系實施的需要

近年來,面對我國在高鐵、民航等交通運輸領域取得的巨大成就,美國等西方國家競相在全球范圍加緊布局時速1 000 km及以上的“超級高鐵”項目,該項目作為一種顛覆性的交通工具,將成為引領世界交通技術發展的標志性抓手[15-16]。美國Hyperloop One、HTT等公司已經針對真空管道交通技術開展了多階段試驗,先后與西班牙、印度、阿聯酋等國家地區簽訂產業合作協議,并于2018年試圖落戶我國相關地區侵入我國市場。同時,國際鐵路聯盟也積極推進真空管道交通相關標準制定,意圖搶占交通運輸領域新的戰略制高點。當前,我國應充分發揮在高速鐵路、磁浮建設過程中產生的技術積淀,率先在世界范圍內建立相關標準和規劃,形成新的巨大產業方向,為我國未來一段時間內經濟社會發展提供先決條件刻不容緩。

2.2 完善高速陸路交通運輸系統譜系,滿足人們高質量出行的需要

作為國土面積全球第三的地域大國,我國南北長約5 500 km,東西寬約5 200 km,形成了京津冀、長三角、粵港澳大灣區和成渝地區雙城經濟圈4個城市群極,各城市群間相距均在1 000 km以上。隨著社會的快速發展和人民群眾生活水平的不斷提升,人們對出行品質的要求越來越高,現有交通工具等效旅行時間(含出發和到達時間)已經難以滿足人們的需求[17]。以1 500 km距離為例,門到門等效速度飛機約為350 km/h,且易受到空域管制、天氣延誤等影響;高鐵等效速度約為250 km/h;超高速管道磁浮系統等效速度可以達到600～1 000 km/h,站點設在城市中心,具備與城市交通無縫接駁、天氣適應性強、出行更加環保、舒適性和安全性更優等特點,作為陸路交通新成員,是滿足人們出行方式多樣化、個性化的新選擇。

2.3 旨在規劃引領發展,加快超高速管道磁浮系統產業落地的需要

超高速管道磁浮屬于航空、航天、軌道交通等眾多領域融合的多學科復雜系統工程,現階段已形成系統總體方案,完成部分關鍵系統樣機研制,但還需實際線路運營檢驗其系統耦合方面關鍵技術,支撐系統自主化和工程化[18]。最終實現產業化的目標,需采取技術驗證和工程應用相結合的研究方法,建設實際線路開展全線路綜合運營,實現全尺寸系統實際驗證,提升全系統技術成熟度。形成綜合研究體系、及線路應用技術體系,為后續全國多線路推廣運營奠定技術基礎。因此,該系統通道方案的研究對技術研發的突破、實現系統實際運營驗證、未來產業落地的可行性具有關鍵意義。

3 戰略研究

3.1 發展定位

客戶群體:隨著社會經濟的快速發展,人們對交通出行的要求更高,包括對旅行速度、時間成本、出行費用、舒適便捷、服務頻率、出行安全和智慧高端等高質量出行需求。相比較民航和高鐵,超高速磁浮系統具有更高的時效性、舒適性、安全性、便捷性、穩定性等優勢,但其票價會隨著速度和成本的提升有所增長。因此,超高速磁浮系統面向的客戶群體是具有一定經濟基礎、更注重時間價值的商務群體,以及在個別條件下,對旅行時間有著絕對要求的出行群體。

交通體系:在超長距離運輸中相較于民航,超高速磁浮系統具有準點率強、不受天氣干擾、接駁便捷、穩定性強等優勢,可作為陸路超長距離超高速交通主體網絡通道;在中長距離運輸中相較于高鐵,超高速磁浮系統具有時效性強、服務質量高、舒適性好等優勢,可作為陸路長距離高速便捷通道;同時,在中短途運輸中可與城際、高鐵形成互為補充的格局。

目標市場:超高速磁浮系統鑒于其距離需求分析優勢更適用于遠距離出行[19]。因此,系統主要適用于我國1 000 km以上的大型國家級城市群間;在區域性中心城市間也可作為快速商務交通補充。未來,在超大型級別及以上城市將對超高速低真空管道磁懸浮系統產生較強依賴,形成超高速內外聯通的交通新模式。

3.2 發展戰略

根據我國高速磁浮的發展歷程和形勢挑戰,結合超高速低真空管道磁浮系統的需求特征和發展定位,建議超高速低真空管道磁浮系統發展分為四個階段。

第一階段:建設工程試驗線,完成樣機研制,通過實車試跑檢驗其系統耦合方面關鍵技術,形成可實際運營的交通系統。

第二階段:建設中短距離商業示范線,聯系城市群內部主要中心城市,通過實際運營從評價制度、技術指標、運輸組織及社會經濟的影響等全方面進一步完善系統,同時預留延伸條件,作為其所在通道上長距離運輸的先行段。

第三階段:建設長距離快運通道,以國家綜合立體交通網主骨架布局為依據,在商業示范線基礎上以客流通道主軸線作延伸,基本實現主要城市群間快速通達。

第四階段:建設超高速交通管道系統,結合國家發展戰略、社會經濟水平、旅客運輸需求建設超高速管道網絡,不斷打造創新國家綜合立體交通網絡,全面實現“全國123出行交通圈”。

3.3 規劃原則

以人民為中心。著眼于人民出行需求,規劃通道空間布局,強化空地資源保障,提升可達性、便捷化服務水平,滿足人民美好生活需要,增強人民超高速出行的獲得感、幸福感和安全感。

服務國家戰略。建立與綜合立體交通、國土空間規劃、城鎮化格局相適應的通道布局,服務國家重大戰略實施,支撐社會主義現代化國家建設滿足國家經濟、政治、社會、文化、國防的需要。

綜合統籌協調。統籌民航機場、高鐵車站、城市交通樞紐規劃布局,超高速磁浮系統與其他交通方式規劃建設,構建系統車站功能互補土地資源協同配置、與其他交通方式高效銜接的超現代化高質量交通基礎設施體系。

安全智慧高效。持續加強新技術研發與應用,鼓勵政策創新、管理創新,不斷提升系統設施穩定性、保障系統運營的安全性、提高系統時效的便捷性,充分發揮超高速磁浮系統效能。

綠色經濟適用。牢固樹立綠色低碳循環發展理念,集約節約利用資源,設施規模穩步推進、經濟適用,加強生態環境保護。合理利用土地資源,鼓勵站城融合、一體開發、綜合利用。

3.4 規劃目標

構建覆蓋合理、功能完善、優質高效、協同開放的高質量超高速低真空管道磁懸浮系統交通基礎設施,全面建設“高效、便捷、智能、安全、綠色、可持續”的未來交通系統,與其他交通方式快速銜接、與區域社會經濟發展深度融合。具體目標如下。

系統覆蓋。全面覆蓋京津冀、長三角、粵港澳大灣區和成渝地區雙城經濟圈4極;部分覆蓋長江中游、山東半島、海峽西岸、中原地區、哈長、遼中南、北部灣和關中平原8組群。

通達時效。構建城市群間“超級城市群兩小時快速通達圈”和“超級城市群一小時經濟生活圈”,以及主要城市群內部“區域性中心城市間半小時同城圈”。

服務質量。建設舒適便捷、快速準時、集約高效的現代化綜合交通運輸系統;系統安全運行達到世界領先水平,系統利用效率得到全面發揮,系統環境污染排放實現“碳中和”,進一步完善綜合交通運輸系統的迭代更新。

4 規劃方案

4.1 網絡構建

根據《國家綜合立體交通網規劃綱要》和國土空間規劃,結合未來交通運輸發展和空間分布特點,將重點區域按照交通運輸需求量級劃分為:京津冀、長三角、粵港澳大灣區和成渝地區雙城經濟圈4個極;長江中游、山東半島、海峽西岸、中原地區、哈長、遼中南、北部灣和關中平原8個組群,呼包鄂榆、黔中、滇中、山西中部、天山北坡、蘭西、寧夏沿黃、拉薩和喀什9個組團。圍繞21個地區,從面-點-線三個維度分析系統適宜的目標市場,構建系統應用網絡[20]。

4.1.1 面的分析

作為超高速客運交通工具,超高速磁浮的目標市場將集中在人口密集地區和社會經濟高水平地區。我國人口分布較為不均衡,且受到地形、地緣、歷史等因素影響,人口多分布在胡煥庸線東側,約占全國人口的93%。2010年至今,人口持續向南方涌入,廣東省10年人口增量2 219萬人,穩居第一;浙江省以1 046萬人的增量成為人口增長的第二名;其他人口增加的省份主要是東部三省的浙江、江蘇和山東。從人口密度來看,目前高密度地區全部集中在東南部,人口最密集的以京津冀、長三角、珠三角三大地區為主,其中全國經濟中心上海市以3 923人/km2占據第一,其次是北京和天津,見表1。

表1 七普全國各省人口總數統計Tab.1 Total population of each province in the seventh national census

因此,建議超高速管道磁懸浮系統主要分布在我國東部和南部,兼顧西部和北部區域部分人口密集的城市群區域。

4.1.2 點的分析

超高速磁浮系統適用于遠距離點對點的出行,其車站將呈現較大間距、在重要樞紐城市集中的分布態勢。根據國家綜合立體交通網梳理主骨架城市,重點分析我國21個地區的中心城市。目前,21個地區集中了全國61%的人口和73%的社會生產總值。根據第七次人口普查結果顯示,人口超過1 000萬人的城市為重慶、上海、北京、成都、廣州、深圳、天津、西安、蘇州、鄭州、杭州、武漢、臨沂、石家莊、東莞、長沙、濟南等;同時,截至2020年年底,21個地區GDP水平超過10 000億元的大城市有上海、北京、深圳、廣州、重慶、蘇州、成都、杭州、武漢、南京、天津、青島、長沙、鄭州、濟南、合肥、西安、福州等。以上城市中,大部分為21個地區中的“4極”成渝雙城經濟圈、長三角、京津冀、粵港澳大灣區的中心城市或省會城市,其他為“8組群”長江中游、山東半島、海峽西岸、中原地區、哈長、遼中南、北部灣和關中平原的中心城市。

因此,建議超高速磁浮系統主要覆蓋我國“4極”間中心城市,兼顧部分“8組群”社會經濟水平較高的中心城市。

4.1.3 線的分析

我國正形成“以軸串群和以群托軸”的宏觀城鎮化的格局,21個地區分別處在城鎮化主軸線的交點處。規劃線路應以國家綜合立體交通網為依據,以超高速運輸需求在我國的分布特征為基礎,在“八縱八橫”高速鐵路主通道為骨架、區域性高速鐵路銜接的高速鐵路網的格局上,重點聯通主要城市群中心城市,即“4極、8群組”間的主要超大型中心城市,以京津冀、長三角、粵港澳大灣區、成渝地區雙城經濟圈等重點城市群率先建成快速連接通道,其他城市群間連接線逐步完善。因此,建議超高速磁浮系統應當沿城鎮化主軸,形成京津冀、長三角、粵港澳大灣區、成渝地區雙城經濟圈間超快速陸路連接通道,逐步聯通部分“8組群”中心城市。

4.2 通道方案

超級城市群兩小時快速通達圈:以“4極”城市群中心城市為核心,在中國版圖上打造交通兩小時可通達的超級交通圈,南北快速聯通京津冀—粵港澳大灣區,東西快速銜接成渝-長三角城市群,構建6條主軸,形成我國“4極”間的全新超快速陸路通道、有力支撐國土空間開發的主線,構建世界一流的交通基礎設施系統。

相鄰城市群一小時經濟生活圈:以主要城市群為節點,構建部分廊道,加強“4極”的敷設作用,充分支撐城市群之間產業的分工與協作,形成中心城市聚集、城市群間互補、城市化地區輻射、整體具備國際競爭優勢的國際領先產業集群,支撐中國在國際舞臺的戰略地位。

區域性中心城市間半小時同城圈:以區域中心城市為核心,在城市群內部打造30 min可通達的超級通勤圈,進一步做大做強區域中心城市,充分發揮區域中心城市的極化帶動作用,促進周邊城市的發展,形成區域統籌發展的都市圈層。

綜上所述,規劃形成由京津冀—長三角、京津冀—粵港澳、京津冀—成渝、長三角—粵港澳、長三角—成渝、粵港澳—成渝6條通道組成的“鉆石”格局,和京津冀—哈長、大陸橋、長三角—滇中3條通道組成的“放射”格局,具體見圖2和表2。

表2 規劃通道Tab.2 Planned channel

圖2 超高速管道磁浮系統通道規劃示意Fig.2 Sketch of ultra-high speed pipeline maglev system channel planning

4.3 建設時序

規劃初期選取通道內社會經濟、里程范圍、運輸需求都合適的區段先期建設示范線,形成城市群內中心城市城際骨干效應。

規劃近期在示范線基礎上延伸建設京津冀、長三角、粵港澳大灣區和成渝商城經濟圈4極間的“三縱一橫”通道:京滬、京廣、滬深港、滬寧蓉超高速低真空管道磁懸浮線,形成“滿弓”格局。

遠期擴大輻射范圍,進一步完善線網。建設4極與哈長、遼中南、中原地區、關中平原等主要組群的“一橫三聯”通道:京西成、京沈哈、滬鄭蘭、成渝廣超高速低真空管道磁懸浮線,形成“鉆石+放射”格局。

5 結論

本文對標民航、高鐵兩大高速運輸系統在我國多年的發展趨勢、影響因素和市場特征,分析提出了超高速管道磁浮系統的發展定位和必要性,以及其“四階段”發展戰略、發展原則和發展目標。通過“面、點、線”分析法實施路網構建,提出近期建設京津冀—長三角、京津冀—粵港澳、長三角—粵港澳、長三角—成渝,遠期建設京津冀—成渝、粵港澳—成渝、京津冀—哈長、大陸橋、長三角—滇中9條通道組成的“鉆石+放射”的通道規劃方案,以實現超級城市群兩小時快速通達圈、相鄰城市群一小時經濟生活圈、區域性中心城市間半小時同城圈的規劃布局。 通過科學系統的規劃,形成的通道布局方案可為我國未來超高速管道磁浮交通系統的發展提供依據和指導。