铁路功效运输联系空间差异化及区域整合效应_李涛.pdf
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1、地 理 学 报ACTA GEOGRAPHICA SINICA第78卷 第4期2023年4月Vol.78,No.4April,2023铁路功效运输联系空间差异化及区域整合效应李 涛1,2,彭天浩1,王姣娥2,3,黄 洁2(1.陕西师范大学西北国土资源研究中心,西安 710119;2.中国科学院地理科学与资源研究所 中国科学院区域可持续发展分析与模拟重点实验室,北京 100101;3.中国科学院大学资源与环境学院,北京 100049)摘要:由于速度、票价、合理运距等技术经济特征的差异,高速铁路和普通铁路可以反映不同功效层级的空间运输联系,并对国土空间结构重塑产生影响。本文基于铁路列车时刻表数据,采
2、用客流联系强度模型,研究了基于高铁与普铁服务的差异化空间级联系统秩序,比较了两者对功效空间的区域整合效应。研究结论为:相较普铁而言,高铁的空间布局与全国经济社会发展梯度格局更一致,距离衰减效应更显著,在600 km范围内最具优势;高铁与普铁优势城市分别集中在长江以南和以北,考虑旅客运输需求后显示普铁服务更为均衡。进一步分析发现,在技术经济优势、高铁与普铁竞争以及网络布局影响下,高铁功效空间区域整合呈现出显著的两极分化态势,以邻近区域集聚形态为主,普铁则形成了宏观尺度的南北向和东西向跨区域廊道集聚形态,二者对功效空间区域整合亦分别呈现出多中心等级化与多板块均衡化组织模式。关键词:铁路;技术经济特
3、征;空间级联系统;功效空间;区域整合DOI:10.11821/dlxb2023040111 引言铁路建设改变要素流动的时空关系及其配置效率,并进而影响经济社会发展与引导国土空间重塑。近年来,中国铁路网络快速发展,在路网规模及质量、技术标准与客货运量等方面均步入世界前列。2021年3月国务院下发关于进一步做好铁路规划建设工作的意见,要求严格控制既有高铁的平行线路建设,铁路设计时速与客流密度密切挂钩,注重高速铁路(简称“高铁”)与普通速度铁路(简称“普铁”)协调发展。随着中国铁路网络布局的不断完善,铁路新建速度开始放缓,中国高铁骨架网络已基本形成。2020年全国铁路和高铁投产新线较2019年分别同
4、比下降41.89%和47.02%。按照国铁集团计划,2022年铁路新开通里程继续下降,预计投产新线3300 km,其中普速铁路约1900 km。由于速度、票价、合理运距等技术经济特征和网络布局等差异,高铁和普铁承载了差异化的空间运输联系,本质上反映了社会经济联系的层级性及塑造的区域空间结构等级特征。在中国高铁基本成网、强调高铁与普铁平衡发展背景下,适时开展高铁和普铁功效空间级联系统差异化及其区域整合效应研究具有重要意义。收稿日期:2022-02-28;修订日期:2022-10-27基金项目:国家社会科学基金重大项目(20&ZD099);国家自然科学杰出青年基金项目(42225106);中央高校
5、基本科研业务费项目(GK202103124)Foundation:Major Program of National Social Science Foundation of China,No.20&ZD099;National Science Fund for Distinguished Young Scholars,No.42225106;The FundamentalResearch Funds for the Central Universities,SNNU,No.GK202103124作者简介:李涛(1985-),男,山西长治人,博士,教授,主要从事交通运输地理研究。E-mail:
6、taoli-通讯作者:王姣娥(1981-),女,湖南涟源人,博士,研究员,主要从事交通地理与区域发展研究。E-mail: 数据来源:https:/ 涛 等:铁路功效运输联系空间差异化及区域整合效应交通建设与运输组织重塑区域空间结构一直是经济地理学的经典命题1-2。聚焦于铁路,相关研究包括:基于可达性的铁路空间效应评估。从效率与公平角度评估了跨国、国家和区域尺度上铁路修建所带来的时空压缩效应与可达性格局变化,并以此揭示铁路塑造空间结构的规律3-6。铁路发展对区域发展的影响。以出行时间、可达性等时空压缩效应指标为解释变量,探讨铁路发展对区域经济的影响,并通过经济增长在空间上的极化与扩散揭示铁路整合
7、与重塑区域空间格局特征7-8。基于铁路交通流的城市网络结构。“流空间”背景下,相较于可达性静态指标,反映经济社会功能联系的交通流更能准确揭示区域空间结构特征9-10。国内外学者基于中心流动理论与网络分析方法开始对铁路交通流支撑下城市网络结构11-14、铁路与其他交通方式支撑下的城市网络结构异同15-17、铁路网络与经济社会空间组织的耦合4,18等议题展开研究,并呈方兴未艾之势。上述研究从多维视角深化了铁路网络演化及其对区域空间结构重塑效应的规律性认识,但整体仍侧重于基于可达性的静态分析,缺少基于“流空间”视角下区域整合效应的分析。高铁与普铁以其各自的技术经济优势承担了差异化运输需求,反映了差异
8、化区域空间结构特征19-20。然而,现有研究多基于高铁和航空的比较视角展开,缺乏高铁与普铁的直接比较并将其延伸到对经济社会空间组织整合效应的研究,可能导致已有结果的片面性。鉴于此,在高铁网络架构基本形成,追求高铁与普铁平衡与协调发展背景下,本文以地级行政区为基本单元,开展高铁与普铁空间运输联系比较并评估其对经济社会空间组织的整合效应,为优化铁路网布局、通过铁路网嵌入国家空间治理进而促进区域协调发展提供决策参考。2 理论基础与研究方法2.1 交通运输与区域空间结构耦合理论理解基于铁路的功效运输联系及其区域整合效应差异化逻辑,需从交通运输与区域空间结构耦合理论方面进行把握。交通运输与区域空间结构耦
9、合主要指交通运输系统与人地关系地域系统的交互作用过程及其要素集散空间形态。从基础设施与空间福利视角出发,金凤君认为功效空间是一种福利空间,其实质是满足人类安全、健康和发展需求的地域空间21。科学有序的功效空间组织是实现人类社会可持续发展的关键。交通运输通过可达性与运输联系(交通流)作用于要素空间集散进而影响功效空间结构(图1),如交通经济带2、交通走廊22等。一方面,交通技术进步、高速交通运营所产生的时空压缩效应,通过促进要素流动、拓展空间相互作用范围与深度,进而引起要素集散和可达性格局变化,从而引导各尺度功效空间产生重塑23-24。新经济地理学认为,要素集散所引起的极化效应与扩散效应都存在,
10、主要与区域发展阶段以及经济结构相关25。另一方面,交通运输联系作为功效空间社会经济功能联系的直接体现,通过各类交通流表征的图1理论框架Fig.1 Theoretical framework947地 理 学 报78卷要素流动直接作用于功效空间组织与结构的变化9。特别是在“地点空间”向“流空间”转型背景下,高速交通运营所产生的连通性变化将重塑区位优势,引起基于交通流的空间关联网络重构,直接反映了各类资源、人口及产业等要素的重新分配格局与区域空间结构特征。对交通运输与功效空间结构的探讨,即是对城市在交通网络中位势与城际关联空间结构的关注19。不同交通方式基于各自技术经济优势承担了差异化空间交通流。与
11、公路和航空运输相比,铁路更偏向于揭示宏观区域和城市群尺度的空间结构26-27,铁路网拓展空间的实质即是对市场实现整合24。依据铁路技术管理规程,普铁指200 km/h以下的客货共线铁路和仅运行普铁旅客列车的铁路,而高铁指速度200 km/h以上的客运专线和速度160200 km/h仅开行动车组列车的铁路。高铁在设备配置、行车组织、信号显示以及基建等方面的要求远高于普铁,具有高建设成本、高票价以及发车频率高、客运密度高、舒适度高等技术经济与服务特征(表1)。由于经济社会发展地域差异,不同地域空间和群体使用铁路所带来的单位时间价值也存在差异。因此,基于差异性的运输需求,高铁和普铁对功效空间结构的影
12、响也具有差异性。与公路相比,铁路在中长途客运市场中具有优势;但与普铁比较,高铁则相对集中于中短途客运市场20,26,其中,高铁(G字头)优先满足廊道内核心城市之间联系,并给沿线城市带来显著的时空压缩与廊道效应,重构新区位,通过极化(虹吸、过滤)效应促进了人口、资源、产业等要素向核心城市的集聚,产生明显的效率导向或非均衡效应27。而在中心城市集聚不经济的背景下,高铁亦通过扩散效应作用于外围城市,进而提升了发展均衡性18。另一方面,“流空间”背景下,高铁(D、C字头)承担城市群中小城市出行服务需求9,其“速度快、频率高、站点多”的运营服务特征与城市群内部高频城际出行需求结合,产生网络邻近效应与“规
13、模借用”效应,带来功效空间结构多中心化与城市区域一体化发展28-29。因此,高铁对功效空间组织的影响以“廊道+区域(城市群)”呈现,以极化效率导向为主还是均衡导向为主则主要与所在区域发展阶段、地理尺度等因素相关25。与此对应,普铁在高铁的竞争下主要集中于中长途市场,更多地承担中长距离和欠发达地区的城际运输联系20,26,站点设置差异小且停站较多,主要对跨区域廊道(通道)区域空间结构产生影响。表1高铁与普铁技术经济指标与服务特征比较Tab.1 Comparison of techno-economic indicators and service characteristics between
14、high-speed rail andconventional rail类型高铁普铁类型高铁普铁技术标准动车、高铁国铁-级列车频次17.367.51建设成本350 km/h:9400万1.83亿元/km250 km/h:7000万1.69亿元/km约为高铁的30%70%客运量(亿人)及其占比(%)15.57(70.7)6.46(29.3)速度(km/h)新建:250;既有线改造:200;200以下动车组 200周转量(亿人km)及其占比%)4844.9(58.6)3421.3(41.4)基准票价(元/人km)350 km/h:0.420.48250 km/h:0.290.310.11客运密度(
15、万人km/km)2038.6642.6单位时间价值(元/h)低收入群体:9.09中低收入群体:18.09中等收入群体:27.18中高收入群体:36.27高收入群体:90.63覆盖范围连接主要城市群,基本连接省会城市和其他50万人口以上大中城市连接20万人口以上城市,基本覆盖县级以上行政区注:根据参考文献30-31整理;客货运量数据为2020年。9484期李 涛 等:铁路功效运输联系空间差异化及区域整合效应2.2 数据来源研究数据包括铁路和社会经济统计数据两大类。铁路数据来源于中国铁路客户服务中心(https:/ P模式构建高铁和普铁运营组织网络,即以车站所在城市为节点,任意两个城市之间只要有直
16、达列车通过并停靠即构成一条边。本文对拥有多个站点的城市进行数据合并,最终获得289个普铁站点城市、213个高铁站点城市和199个高铁普铁城市,分别占中国地级及以上行政单元总数的85.77%、63.2%和59.05%。高铁和普铁网络分别有6006组和12204组城际联系对,4094组城市对同时存在于两类网络中(表2)。人口与GDP数据来源于中国城市统计年鉴(2020年)。2.3 研究方法2.3.1 客流联系强度模型由于铁路部门对同一列车或不同列车在沿途站点分配车票数量的差异,仅采用频次数据揭示运输联系差异化特征具有一定的片面性。因此本文以每趟列车沿途经过的城市类型作为权重对基于时刻表获得的原始频
17、次数据进行转换得到客流联系强度,公式如下19:tij=k=1n()okfk,ij(1)Tij=tij+tji(2)Ti=j=1nTij(3)式中:tij为城市i到j的联系强度;Tij为城市i和j的铁路客运联系强度;Ti为城市i的铁路客运服务能力;fk,ij是第k趟列车的计数系数,每趟列车设为1;ok为经停系数,若i和j分别为该趟列车的始发和到达城市,或均为省会城市,则ok值为1;若i和j中仅有一个为起点、终点或省会,则ok值为0.8;剩余情况ok值为0.64(即0.82)。需要指出的是,由于铁路售票会根据实际客流进行智能分配,涉及因素包括长途优先、管内外差异等,在全国尺度上很难统一考虑,因而本
18、文的客流联系强度模型重点考虑了经停城市类型差异这一关键因素。2.3.2 服务能力区位熵为揭示城市铁路服务资源与人口分布之间的集聚与匹配程度,参考区位熵概念,选用列车服务能力区位熵(TIi)予以表征,公式如下33:TIi=TiTPiP(4)式中:Ti含义同上;T为所有城市铁路客运服务能力总和;Pi和P分别为城市i的常住人口和全国总人口。TIi1,表示城市i的铁路服务占全国比重高于其人口比重,为铁路服务突出型;TIi1,则为铁路服务滞后型;TIi=1,则为铁路服务均衡型。2.3.3 城市位势指数为解释网络中各城市相对优势水平的高低,采用节点中心性系数(DITi)指标表征城市在网络中的位势,计算公式
19、为17:表22019年中国高铁与普铁网络规模统计Tab.2 Statistics on the size of high-speed rail and conventional rail networks in China in 2019类型高铁普铁城市数(个)213289边数(对)600612204日发车数(趟/d)61712312总联系强度7351264341平均联系强度6.572.77最大值25661最小值0.640.64CV2.061.66949地 理 学 报78卷DITi=Tij=1nTj/J(5)式中:Ti含义同上;n为网络中城市总数;DITi值越大,表明城市i的相对优势越大,若该
20、值大于1,则表明城市i的位势高于平均水平。2.3.4 重叠率指数为比较高铁与普铁在重叠城市对中的优势度,选取重叠率指数(ORij),公式如下20:ORij=tHSTijtHSTij+tCTij(6)式中:tHSTij为高铁客流联系强度;tCTij为普铁客流联系强度;当0ORij0.5时,为普铁主导;当ORij=0.5时,为均衡型;当0.5ORij1时,为高铁主导型。2.3.5 社团划分模型本文基于客运联系强度构建了高铁和普铁有向运营加权网络,因此选取Rosvall等提出的基于流数据的infomap算法进行社团划分34,该方法已经在交通网络35、城际出行网络社团结构36识别中得到了很好应用。具体
21、公式不再赘述。3 高铁与普铁的功效空间级联系统结构3.1 空间布局与服务能力3.1.1 高铁布局与经济社会发展格局耦合性更好,普铁服务更具均衡性高铁与普铁网络布局特征具有显著地域差异。高铁网络覆盖城市数量由中东部向西逐渐递减,普铁网络则由中部向东西部地区递减(表3)。在高铁网络中,东中西地带城市数量占总量的比重分别为37.09%、38.03%和24.88%,东中部所占比重基本一致;普铁网络中,中部所占比重为39.10%,东西部地区所占比重一致,为30.45%。从服务能力来看,东中西部差距更为明显,且高铁资源的集聚程度更高,超过一半的高铁服务能力(51.97%)集聚在东部,普铁则以中东部地区占比
22、最高,占比分别为41.20%和39.08%。可见,高铁网络布局与全国区域经济社会发展梯度格局的耦合性更好,分别反映了高铁的效率与普铁的普惠导向。服务能力区位熵反映了各城市铁路服务的集聚程度或铁路资源配置公平性。铁路服务能力与人口规模匹配计算结果如图2所示。两类网络的共同点在于:突出型城市多为省会城市、直辖市,并在重要铁路干线沿途形成优势城市密集地区,如长三角、武广线、西南黔贵地区,普铁的京哈沿线、陇海兰新沿线等。不同之处在于:高铁服务资源高度集聚在“胡焕庸线”以东地区,东侧有83个城市为高铁服务突出型,以西仅有兰州和嘉峪关两地,呈现出显著的效率导向;与高铁不同,考虑人口布局即旅客运输需求因表3
23、2019年中国高铁与普铁网络空间分布Tab.3 Spatial distribution of high-speed rail and conventional rail networks in China in 2019地区东部中部西部全国高铁网络城市数量(个)798153213占比(%)37.0938.0324.88100.00客运服务能力764054898121638147024占比(%)51.9733.3114.72100.00普铁网络城市数量(个)8811388289占比(%)30.4539.1030.45100.00客运服务能力502915301525377128683占比(%)3
24、9.0841.2019.72100.00注:东中西三大地带的划分参考文献16。9504期李 涛 等:铁路功效运输联系空间差异化及区域整合效应素后,普铁服务能力配置均衡性大幅提高,在“胡焕庸线”东西两侧具有分布,东西两侧分别有96个和24个突出型城市,分别占东西城市总数的38.55%和60%。3.1.2 高铁客运的距离衰减速率更快,600 km内具有显著运输优势借助距离分布规律揭示基于高铁与普铁的功效空间级联系统距离衰减效应(图3)。相较于普铁营造的普惠导向,高铁营造的效率导向在距离上更为集中。高铁和普铁的平均运输距离分别为733 km和938 km;在600 km范围内,高铁联系强度比重高于普
25、铁,累计率达到74.45%,600km以上则以普铁最高,且随着距离增加二者差距逐渐拉大。高铁的距离衰减速率更为显著,80%的高铁联系强度集中在800 km范围内,在200 km范围内快速增加并达到峰值(27.84%),此后快速下降;普铁80%的联系强度集中在1200 km以内,在400 km范围内快速增加至峰值(20.66%)后稳步降低。结合图3b可知,在现有高铁与普铁的竞争下,二者大致存在3个作用区间,600 km以内高铁具有绝对优势,7001100 km之间是现有运输网络布局下高铁和普铁互补服务的距离,1100 km以上则是普铁绝对优势距离。3.2 城市空间层级3.2.1 等级结构:金字塔
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