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(fā)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(fā)展的必然要求。在城市軌道交通線網規(guī)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(jié)點，結合主要客流走廊、自然地理地貌條件，經過不斷優(yōu)化調整，得出最終線網方案[2-3]。不同區(qū)域由于城市空間結構、人口與就業(yè)崗位分布、土地利用性質、產業(yè)分布、開發(fā)強度等諸多因素存在差異，使得客流特征不同，主要體現(xiàn)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(fā)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(fā)展，用地組團、產業(yè)、人口與就業(yè)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(fā)展具有協(xié)同性、相關性性質，通過區(qū)域協(xié)調發(fā)展，促進區(qū)域產業(yè)、人口與用地集約發(fā)展，提升都市區(qū)整體的競爭力[6-7]。正是由于城市空間發(fā)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(qū)域多樣化的需求[8]。在軌道交通網絡完善的同時，人口、就業(yè)崗位、用地也在空間上呈現(xiàn)出面上分散、點上集中的變化規(guī)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(yè)空間呈現(xiàn)出極化、集中的分布規(guī)律，形成明顯的就業(yè)中心。軌道交通可達性的提升使產業(yè)分布、就業(yè)崗位分布更加集中。特別是在軌道交通交叉的節(jié)點位置，交通可達性優(yōu)勢吸引了更多企業(yè)，進而形成了明顯的就業(yè)中心[11]。由上可見，城市軌道交通系統(tǒng)通過空間配置優(yōu)化進而實現(xiàn)社會效益優(yōu)化，是支撐多中心大都市網絡化發(fā)展的基礎，軌道交通與城市空間相互作用呈現(xiàn)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(lián)的方法。軌道交通在線網規(guī)劃過程中，一方面是為現(xiàn)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(zhèn)體系規(guī)劃、城市總體規(guī)劃的解讀，把握城市發(fā)展方向，體現(xiàn)軌道交通與城市發(fā)展的雙向互動作用。因此，軌道交通線網結構較大程度體現(xiàn)了城市空間結構與發(fā)展趨勢，并且隨著城市發(fā)展而擴展、延伸、加密，其空間相關性與城市發(fā)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(qū)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(qū)域與周邊區(qū)域的關聯(lián)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(lián)模式或空間集聚模式，從而發(fā)現(xiàn)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(qū)所代表的人口流動的過程?；谠搫討B(tài)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(yè)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(xiàn)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(yè)崗位、用地規(guī)模等；軌道交通的量化因素包括線網規(guī)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(guī)劃概述

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

為能充分體現(xiàn)城市人口變化、軌道交通發(fā)展過程的相關性，選取具有代表性的時間節(jié)點進行分析。一方面，選取的不同時間節(jié)點需要體現(xiàn)差異并有明顯不同；另一方面，選取的時間節(jié)點人口規(guī)模能有較為準確的依據，保證各時間節(jié)點與城市群、都市區(qū)、城市不同層面的總體規(guī)劃保持一致。因此，根據西安市現(xiàn)狀及規(guī)劃特征，并結合軌道交通現(xiàn)狀、建設規(guī)劃、線網規(guī)劃各階段的擬建線路規(guī)模，確定本研究由3個時間節(jié)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(guī)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(guī)劃中其余線路。在確定軌道線網研究節(jié)點的同時，人口規(guī)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(guī)劃線路

圖5 線網規(guī)劃全部線路

圖6 現(xiàn)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(guī)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(fā)展，而在外圍區(qū)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(guī)劃各個組團的特征與組成要素，將大西安都市區(qū)依據城市總體規(guī)劃、各組團分區(qū)規(guī)劃劃分為組團規(guī)模，各個組團作為一個單元統(tǒng)計其中的人口、線路規(guī)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(qū)劃分，將圖3～圖5的線路長度按照功能區(qū)邊界進行分隔并丈量其規(guī)模，計算各個功能區(qū)分時間節(jié)點的線路總規(guī)模；將圖6～圖8的小區(qū)人口規(guī)模組合成功能區(qū)進行加和，得出各個功能區(qū)的人口規(guī)模。以上述功能區(qū)劃分為基礎，軌道線網方案在不同時間節(jié)點的站點分布熱力圖如圖10～圖12所示。

圖9 大西安功能區(qū)劃分

圖10 已批復線路站點密度

圖11 第三期建設規(guī)劃站點密度

圖12 遠景線網規(guī)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(xiàn)出如下特征。

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

(2)第三期建設規(guī)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(qū)外圍組團的支撐，通過環(huán)線形成內通外聯(lián)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(guī)劃所有線路。線路、站點均覆蓋了都市區(qū)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(qū)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(xiàn)的發(fā)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(qū)軌道里程與人口規(guī)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(guī)劃方案與里程、人口密度分布與總規(guī)模、站點分布等方面分析了城市發(fā)展與軌道交通發(fā)展的相關性。從定性角度來說，兩者基本呈現(xiàn)相互影響、共同發(fā)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(guī)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(jié)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(xiàn)狀線路規(guī)模自相關分布

圖15 近期線路規(guī)模自相關分布

圖16 遠期線路規(guī)模自相關分布

圖17 現(xiàn)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(xiàn)如下特征。

(1)Moran’s I指數、z值、p值均呈現(xiàn)出逐漸分散的趨勢，即大西安都市區(qū)城市空間發(fā)展由中心城區(qū)連片發(fā)展轉變?yōu)橹行某菂^(qū)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(qū)發(fā)展與外圍區(qū)域發(fā)展趨于不相關，由于中心城區(qū)人口飽和，人口開始向外疏散；同時，至第三期建設規(guī)劃完成，中心城區(qū)基本網已完成建設，市區(qū)線網結構穩(wěn)定，至遠期時，市域線、快線延伸至周邊區(qū)域，都市區(qū)外圍組團線網規(guī)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(tài)。由于本研究對象為城市軌道交通，市區(qū)線、市域線也僅僅集中在以西安—咸陽為中心的都市區(qū)范圍，沒有體現(xiàn)出城市群范圍的分散狀態(tài)特征。

上述分析僅對各個功能區(qū)的線網規(guī)模、人口分布做了自相關分析，體現(xiàn)了各自指標在不同時間節(jié)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(guī)模與人口規(guī)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(qū)的人口規(guī)模與線網規(guī)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(guī)?？臻g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(qū)軌道交通線網發(fā)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(fā)展、線網結構發(fā)展呈現(xiàn)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(guī)劃、建設時序首先考慮中心城區(qū)，之后逐漸向外拓展延伸。

(2)城市發(fā)展、軌道交通發(fā)展的自相關性的相關性顯著，說明人口集聚、城市發(fā)展、軌道交通線網結構首先從中心城區(qū)開始，之后外圍地區(qū)逐漸發(fā)展，而中心城區(qū)發(fā)展緩慢并趨向穩(wěn)定。外圍地區(qū)雖然有軌道交通銜接，但線網密度低于中心區(qū)，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(guī)劃、建設時序規(guī)劃的參考，通過軌道交通市區(qū)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(fā)展，構成新的城市空間形態(tài)[19]。

(3)西安市為歷史文化名城，都市區(qū)范圍內有眾多文物遺址保護區(qū)，保護區(qū)內不允許任何建設開發(fā)，特別在漢長安城遺址區(qū)、秦漢新城，線網密度較少；同時，受到第4次西安市城市規(guī)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(guī)劃的基礎上，以明城墻區(qū)為中心，1 h可達范圍僅為西安—咸陽范圍的部分區(qū)域，外圍地區(qū)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(qū)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(qū)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(qū)與中心城區(qū)之間的通勤需求，以適應其長距離出行[20]。

(5)都市區(qū)核心區(qū)、周邊地區(qū)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(xié)調發(fā)展已成為趨勢。西安市中心城區(qū)、西咸新區(qū)、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(tǒng)多元發(fā)展的需求，從市情、域情出發(fā)，因地制宜選擇符合城市及都市區(qū)空間發(fā)展的大、中、低運量的軌道交通制式。發(fā)展多制式軌道交通，對城市空間有序發(fā)展、空間結構合理化、功能布局優(yōu)化、多組團協(xié)調發(fā)展、推進新型城鎮(zhèn)化建設、發(fā)揮TOD效應將起到積極作用。