高玉祥，韓 峰

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

路網(wǎng)密度是指一定區(qū)域內(nèi)鐵路總長度與該地區(qū)面積的比值，是評價一定尺度條件下某一地區(qū)鐵路交通水平的重要指標(biāo)[1-3]。研究路網(wǎng)發(fā)展規(guī)律時選取路網(wǎng)密度為指標(biāo)來進(jìn)行研究，根據(jù)所研究結(jié)果建立合適的數(shù)學(xué)模型來預(yù)測今后該地區(qū)符合經(jīng)濟社會發(fā)展的鐵路建設(shè)量，更好地服務(wù)于社會[4-5]。目前，很多學(xué)者在道路網(wǎng)密度指標(biāo)體系研究、道路網(wǎng)絡(luò)通達(dá)度和道路網(wǎng)絡(luò)評價等內(nèi)容進(jìn)行了研究，但是研究內(nèi)容主要集中在發(fā)達(dá)的公路網(wǎng)方面，對鐵路網(wǎng)密度及擴張規(guī)律研究則不多[6-8]?；贕IS技術(shù)，將新疆維吾爾自治區(qū)不同時期的鐵路網(wǎng)密度、人口密度和GDP密度空間化并分析其時空關(guān)系，運用SPSS軟件分析新疆地區(qū)鐵路網(wǎng)密度和GDP、人口之間的相關(guān)性。

1 研究區(qū)概況

新疆維吾爾自治區(qū)位于中國西北邊陲，是5個少數(shù)民族自治區(qū)之一，也是中國陸地面積最大的省級行政區(qū)，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(xiàn)在是第二座“亞歐大陸橋”的必經(jīng)之地，戰(zhàn)略位置十分重要(見圖1)。鐵路作為國家重要的基礎(chǔ)設(shè)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(jìn)出疆物資和人員的運輸任務(wù)，在促進(jìn)新疆經(jīng)濟社會發(fā)展方面發(fā)揮著不可替代的作用。2015年鐵路網(wǎng)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(qū)鐵路路網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀

2 研究方法

2.1 鐵路路網(wǎng)密度

計算路網(wǎng)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(qū)域內(nèi)的各段線路長度乘以與該段線路等級對應(yīng)的權(quán)重系數(shù)后求和，除以該區(qū)域的面積得到路網(wǎng)密度，算式為

(1)

式中：D為研究地區(qū)內(nèi)鐵路網(wǎng)的密度(km/km2)；Li為區(qū)域內(nèi)第i段的線路長度；ωj為第i段線路對應(yīng)的權(quán)重系數(shù)，按照調(diào)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(qū)的面積。

以市(州)為單位統(tǒng)計各個地區(qū)的路網(wǎng)密度，將路網(wǎng)密度計算結(jié)果鏈接新疆維吾爾自治區(qū)行政區(qū)劃數(shù)據(jù)。為更好表達(dá)各個地區(qū)的鐵路分布特征和空間差異，利用ArcGIS將新疆各市(州)的路網(wǎng)密度空間化，采用IDW(反距離權(quán)重插值)法進(jìn)行路網(wǎng)密度空間插值后得到2005年和2015年兩個時期的新疆地區(qū)路網(wǎng)密度空間分布(見圖2和圖3)。

圖2 2005年新疆自治區(qū)鐵路路網(wǎng)密度

圖3 2015年新疆自治區(qū)鐵路路網(wǎng)密度

從圖2可知：2005年新疆地區(qū)的鐵路網(wǎng)密度主要形成了以烏魯木齊市、吐魯番市、伊犁地區(qū)為中心的高密度區(qū)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(qū)鐵路的交匯點，阿勒泰地區(qū)有阿拉山口、霍爾果斯兩個鐵路口岸。路網(wǎng)主要形成了“人”字形主骨架，在南疆地區(qū)出現(xiàn)了大面積的路網(wǎng)密度較低區(qū)域，南疆地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展相對落后、人口比較稀疏且南疆地區(qū)多為沙漠、盆地等因素限制了鐵路發(fā)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(qū)域迅速擴大，沿著“人”字形骨架衍生了很多支線，路網(wǎng)密度進(jìn)一步增大。路網(wǎng)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(qū)，該地區(qū)由于人口密度較大、自然資源較豐富、地形地質(zhì)氣候條件較好，使北疆鐵路發(fā)展相對較快，而鐵路運輸反過來又對沿線經(jīng)濟發(fā)展起到很大的帶動作用。

南疆的阿克蘇、喀什、克州、和田地區(qū)沒有處在新疆的鐵路口岸大通道兩側(cè)，且由于南疆地區(qū)經(jīng)濟、歷史等原因，鐵路建設(shè)一直很緩慢，限制了鐵路對當(dāng)?shù)亟?jīng)濟發(fā)展的帶動作用。蘭新高鐵開通使內(nèi)地與新疆的聯(lián)系更加緊密，喀和鐵路把南疆地區(qū)重要的兩個地方喀什、和田地區(qū)連接到一起，對促進(jìn)南疆地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展、社會交流具有深遠(yuǎn)意義。

2.2 空間相關(guān)性分析

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

(2)

2.3 路網(wǎng)密度和人口密度的相關(guān)性

為研究路網(wǎng)密度和經(jīng)濟發(fā)展之間的關(guān)系，選取2005年新疆常住人口為社會因素指標(biāo)，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(jìn)行空間化，分析結(jié)果(見圖4)。

圖4 2005年新疆自治區(qū)人口密度

利用SPSS對2005年各市(州)的鐵路網(wǎng)密度和人口密度作相關(guān)性分析，結(jié)果中相關(guān)系數(shù)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(guān)系數(shù)臨界值表得相關(guān)系數(shù)臨界值ra=0.41，表明人口密度和路網(wǎng)密度有顯著相關(guān)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(wǎng)密度和人口密度做相關(guān)分析，相關(guān)分析結(jié)果中相關(guān)系數(shù)r=0.742，同理在相關(guān)系數(shù)臨界值ra=0.41時，說明二者有顯著相關(guān)性。

圖5 2015年新疆自治區(qū)人口密度

2.4 路網(wǎng)密度和GDP密度的相關(guān)性

利用新疆維吾爾自治區(qū)2005和2015年鑒資料計算出各市(州)GDP密度，將GDP密度進(jìn)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(qū)GDP密度

對2005年路網(wǎng)密度與GDP密度作相關(guān)分析得相關(guān)系數(shù)r=0.852,在α=0.01、自由度為100，約束條件為2時，相關(guān)系數(shù)臨界值ra=0.23,說明路網(wǎng)密度與GDP密度有高度相關(guān)性。

圖7 2015年新疆自治區(qū)GDP密度

同樣在SPSS中將2015年路網(wǎng)密度與GDP密度作相關(guān)性分析得相關(guān)系數(shù)r=0.881,同理在相關(guān)系數(shù)臨界值ra=0.23時,說明二者有高度相關(guān)性。

根據(jù)以上的分析結(jié)果，新疆大部分地區(qū)的路網(wǎng)密度與GDP密度、人口密度有正相關(guān)性，所以人口密度較大、經(jīng)濟條件較好的北疆地區(qū)路網(wǎng)密度在鐵路建設(shè)中得到迅速增大，特別是GDP密度增長較大的區(qū)域，鐵路網(wǎng)密度也迅速增大，可見經(jīng)濟發(fā)展需要快速便捷的鐵路網(wǎng)支撐，完善的鐵路網(wǎng)對經(jīng)濟發(fā)展的帶動作用也很明顯。

3 路網(wǎng)需求模型及應(yīng)用

3.1 理論模型

為研究人口、GDP對鐵路路網(wǎng)密度的綜合影響，根據(jù)Cobb-Douglas生產(chǎn)函數(shù)理論，假定新疆維吾爾自治區(qū)鐵路網(wǎng)需求函數(shù)為[10]

(3)

式中：Dr為研究區(qū)域內(nèi)鐵路網(wǎng)密度；Dp為人口密度；Dg為GDP密度；K、a和b分別為鐵路路網(wǎng)需求函數(shù)模型中社會進(jìn)步、人口密度、經(jīng)濟發(fā)展水平彈性系數(shù)。其中可以通關(guān)相關(guān)資料計算出Dp、Dg，K、a和b則需要從模型中進(jìn)行參數(shù)估計。估計參數(shù)時，對式(3)兩邊取自然對數(shù)，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(tǒng)計計算得到的2015年新疆自治區(qū)鐵路網(wǎng)密度、人口密度、GDP密度各自取自然對數(shù),在SPSS軟件中運用多元回歸分析算出相應(yīng)參數(shù)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(guān)系數(shù)臨界值表得相關(guān)系數(shù)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(shù)后得到鐵路網(wǎng)密度與人口密度、GDP密度的函數(shù)模型關(guān)系式

Dr=0.000 236Dp0.602Dg0.324.

(7)

為了驗證路網(wǎng)密度計算模型對2015年新疆地區(qū)鐵路網(wǎng)密度的模擬是否準(zhǔn)確，將ArcGIS中的實際計算值與預(yù)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(qū)鐵路路網(wǎng)密度模擬值與真實值

根據(jù)預(yù)測的新疆地區(qū)路網(wǎng)密度與實際路網(wǎng)密度的結(jié)果比較，人口密度、GDP密度越高則該區(qū)域的路網(wǎng)密度往往越大，說明鐵路對促進(jìn)經(jīng)濟發(fā)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(jīng)濟社會—鐵路網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的地區(qū)來說，隨著人口數(shù)量增長和社會經(jīng)濟發(fā)展，該地區(qū)的鐵路網(wǎng)建設(shè)也會隨著發(fā)展，在動態(tài)進(jìn)化過程中保持其協(xié)調(diào)性的基本要求。

3.3 路網(wǎng)空間依賴-偏好分析

由于新疆維吾爾自治區(qū)內(nèi)各市(州)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、資源分布、鐵路建設(shè)政策都存在不同程度的差異，使鐵路網(wǎng)模型估計值與實際密度值之間出現(xiàn)一些小偏差，這種偏差反映了鐵路建設(shè)規(guī)劃地域之間存在的差異規(guī)律。新疆地區(qū)地大物博，自然資源極為豐富，為分析自治區(qū)內(nèi)不同地區(qū)的資源與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)對鐵路運輸?shù)囊蕾囆院吐肪W(wǎng)建設(shè)的政策偏好。根據(jù)以上路網(wǎng)密度計算模型，提出新疆維吾爾自治區(qū)鐵路路網(wǎng)建設(shè)的依賴-偏好指數(shù)，算式為

SD=(Di/Dj)×100%.

(8)

式中：SD為鐵路網(wǎng)空間依賴指數(shù)；Di為實際統(tǒng)計值；Dj為模型估計值。此研究中空間依賴—偏好指數(shù)反映了流域資源、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、人口分布格局、經(jīng)濟發(fā)展等對鐵路網(wǎng)的影響度和鐵路路網(wǎng)建設(shè)的政策偏好和走勢。

結(jié)合相關(guān)研究結(jié)果，根據(jù)新疆維吾爾自治區(qū)各市(州)計算出的鐵路網(wǎng)依賴-偏好指數(shù)，統(tǒng)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(qū)鐵路網(wǎng)建設(shè)的依賴—偏好類型結(jié)果

3.4 路網(wǎng)密度預(yù)測

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

圖9 2020年新疆自治區(qū)各市(州)路網(wǎng)密度預(yù)測值

南疆地區(qū)由于經(jīng)濟、地形和地質(zhì)等原因使鐵路建設(shè)相對緩慢，到2020年，格庫鐵路、和羌線、南疆鐵路至蘭新鐵路聯(lián)絡(luò)線和博州支線等線路的建成將進(jìn)一步促進(jìn)路網(wǎng)密度相對較低的南疆地區(qū)鐵路大發(fā)展，打通出疆北通道，進(jìn)一步擴大通車區(qū)域和路網(wǎng)密度，對促進(jìn)南疆地區(qū)經(jīng)濟發(fā)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(nèi)地、溝通亞歐的鐵路運輸線，形成“四縱四橫”主骨架，實現(xiàn)“由線到網(wǎng)”的蛻變，2020年新疆地區(qū)路網(wǎng)預(yù)測密度空間化(見圖10)。

圖10 2020年新疆自治區(qū)預(yù)測路網(wǎng)密度

將2020年新疆維吾爾各市(州)的預(yù)測人口密度和GDP密度代入上述模型，得到2020年新疆地區(qū)鐵路通車?yán)锍虘?yīng)該達(dá)到10 840 km，路網(wǎng)密度為0.008 4 km/km2，到2030年，運營里程應(yīng)該達(dá)到16 000 km，路網(wǎng)密度達(dá)到0.013 3 km/km2。目前新疆地區(qū)鐵路骨干已基本成形，構(gòu)建絲綢之路經(jīng)濟帶核心區(qū)、打造“交通樞紐中心”，主要的任務(wù)就是完善路網(wǎng)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化鐵路運輸、提高點線配套能力，使新疆地區(qū)真正成為我國構(gòu)建絲綢之路經(jīng)濟帶的重要通道和樞紐。

4 結(jié) 論

1)新疆維吾爾自治區(qū)鐵路已發(fā)生從“一”字形、“人”字形到“網(wǎng)”狀結(jié)構(gòu)的巨大變化，北疆地區(qū)路網(wǎng)密度整體比南疆地區(qū)高很多，在已修建的三條大通道上，只有中通道經(jīng)阿拉山口和霍爾果斯實現(xiàn)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(wǎng)密度與人口、GDP等社會因素之間有很大的相關(guān)性，通過分析其相關(guān)關(guān)系建立的新疆維吾爾自治區(qū)鐵路路網(wǎng)需求模型可以科學(xué)預(yù)測不同地區(qū)的路網(wǎng)需求密度。

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