武漢城市群交通運輸體系與城鎮空間擴展關聯分析

　　摘要：交通運輸體系與城鎮空間擴展的關聯分析是揭示交通運輸與經濟增長作用關系的重要切入點。采用等時線疊置法和指標分區法，分析了武漢城市群交通可達性及交通優勢度與城鎮空間擴展的時空格局、關聯特征及其作用機理。研究表明，交通運輸體系與城鎮空間擴展具有內在聯系，呈現出互動耦合、協同演進格局。從作用機理來看，交通運輸體系通過直接效應、外部效應和乘數效應對城鎮空間擴展起著重要的支撐和推動作用;城鎮空間擴展在“量”和“質”上對交通運輸提出了新要求，刺激并保障了交通運輸體系的發展，兩者相互反饋、相互依賴。從政策啟示來看，交通運輸體系的空間不均衡是造成區域經濟發展水平差異的重要因素，制定差別化的交通運輸發展戰略和完善一體化的交通運輸體系是加快區域經濟增長和縮小地區差距的重要途徑。

　　關鍵詞：城鎮空間擴展;交通可達性;交通優勢度;關聯特征;武漢城市群

　　關興良; 藺雪芹; 胡仕林; 魯莎莎 地理科學進展 2014-05-15

　　19世紀中葉，德、美兩國通過大規模建設交通運輸體系推動經濟發展取得巨大成功。自此之后，交通運輸與經濟增長的關系一直備受國內外學者的廣泛關注。針對這一問題，主要形成了3種認識 (Banister et al，2001)：①交通運輸對促進經濟增長具有重要作用，美國學者區域科學創始人Isard就持這種觀。(Isard，1956);②交通運輸是區域經濟發展的引致需求;③認為交通運輸與經濟增長之問存在一種“推拉效應”，交通運輸既是經濟增長的原因，也是經濟增長的結果(Wilson et al，1996)。其中，交通運輸條件是區域經濟發展支撐和保障體系的重要組成部分，是經濟增長的基本前提的觀點得到眾多學者的支持(Taaffe et al，1963;Rostow, 1971：Black，2001：榮朝和，1995)。然而，這些認識更多地建立在定性判斷和經驗總結的基礎上，如何從實證的角度揭示兩者的關聯性是新時期亟需解決的科學命題(Banerjee et al，2009;張文嘗等， 2002)。隨著工業化和城鎮化的快速推進，城鎮空間擴展是區域經濟發展的重要特征。因此，定量分析交通運輸體系與城鎮空間擴展的耦合關聯特征成為揭示交通運輸體系與區域經濟增長相互作用的重要切人點。

　　當前，交通運輸系統與土地利用的相互關系受到區域經濟學、交通地理學以及土地利用/覆被變化(LUCC)等學科的廣泛關注，并取得積極進展。已有研究認為，交通系統與土地利用關系密切，是一種循環反饋的關系(陳峰等，2001)。道路網布局、交通建設投資、交通運輸方式結構和出行方式結構對土地利用與城市結構形態產生重要影響(曹小曙等，2000)，道路等級和運營年限等道路特征參數還會影響土地利用強度和結構模式(汪自書等， 2009)。對于城市內部交通而言，大容量軌道交通有力地支持了組團式城市和衛星城鎮的發展，對優化城市空間結構和提升土地利用價值具有促進作用(Hess et al，2007)。隨著經濟的快速增長，城市規模膨脹和土地高密度開發成為普遍現象，城鎮空間蔓延和人13產業集聚導致人類經濟活動范圍擴大，出行需求呈指數增長，這在一定程度上決定了交通結構和形式，現代大城市通常構建快速公交、大運量軌道交通和私人交通的復合型交通網絡來適應空間拓展和高密度發展(曹小曙等，2000)。國外學者的實證研究表明，隨著快速公交系統(BRT)的開通，站點周邊居住用地、零售用地及其他非居住用地都將發生不同程度的溢價(Cervero et al，2011);城市人口密度和就業密度與街道中心程度高度相關，距離交叉路口越近的區域，土地利用強度越高 (Wang et al，201 1)。土地利用活動與交通運輸能力之間的互動平衡需建立在一體化發展之上，兩者的復合協調發展(如TOD開發模式)被認為是解決城市交通問題的重要途徑(毛蔣興等，2002)。

　　總體來看，已有研究主要集中于城市內部交通與土地利用的關系，對區域性交通與土地利用等宏觀尺度的研究關注不足(曹小曙等，2007);少數研究涉及到大尺度范圍交通系統與土地利用的關系，但僅限于道路交通兩側的土地利用變化和景觀格局變化特征的定量描述(張鐿鋰等，2002)，對兩者的耦合關系及相互作用機制剖析略顯不足(Tikka et al， 2001)。隨著計算機和地理信息技術的發展，定量分析交通運輸條件與城鎮空間擴展的耦合關聯特征，揭示兩者作用機理成為新時期地理學的重要研究命題。

　　本文以武漢城市群為例，在評價交通運輸體系建設水平與城鎮空間擴展強度的基礎上，采用等時線疊置法和指標分區法定量分析了交通運輸條件與城鎮空間擴展的時空關聯特征及作用機理，為交通運輸體系與經濟增長的作用關系研究提供實證案例，并為未來制定武漢城市群交通體系規劃和區域發展戰略提供參考。

　　2數據與方法

　　2.1研究區域

　　武漢城市群是以武漢市為中心，包括武漢及周邊100 km范圍內的黃石、鄂州、孝感、黃岡、咸寧、仙桃、潛江、天門9市，土地總面積5.8萬km2。武漢城市群具有得天獨厚的交通地理優勢，早在漢H開埠初期，滬川直航尚未開通，武漢成為內地“唯一出海口”;1906年，京漢鐵路溝通了華中與華北交通運輸，武漢的交通樞紐地位和商業勢力圈進一步加強和擴大，一躍為晚清洋務重鎮，社會經濟超過廣州，與天津爭勝，直追上海，成為享譽中外的“東方芝加哥”(涂文學，2008)。盡管隨著近代水運和鐵路技術的發展，武漢在中國近代經濟格局的中心地位逐漸邊緣化(魯莎莎等，2013)，但是新中國成立后，隨著“武”字號大型國營企業的興建以及 “三線”建設對武漢工業和交通樞紐地位的強化，武漢再次崛起，成為華中地區最有影響力的城市。改革開放以來，尤其是進入21世紀以來，武漢城市群因其地處長江經濟帶及由京廣鐵路與京珠高速公路組成的復合軸線構成的“十”字型一級發展軸線的交匯處，擁有“中部之中”的綜合區位優勢。“1+8武漢城市圈”的建設以及“兩型社會”綜合配套改革試驗區的獲批，加強了其戰略地位，成為實施“中部崛起”戰略的核心支撐點和中部地區城市化快速發展的地區之一。

　　2.2研究數據

　　(1)行政區劃數據

　　根據研究需要，將中心城市的內城區歸并為一個單元，外部的市轄區單獨考慮。具體包括：江岸區、江漢區、斫口區、漢陽區、武昌區、洪山區、青山區等7個市轄區歸并為武漢市主城區，黃石港區、西塞山區、下陸區、鐵山區等4個市轄區歸并為黃石市主城區，最終獲得39個區縣單元。

　　(2)城鎮用地數據

　　收集2000年和2010年的7景Landsat TM/ETM 遙感影像，空間分辨率為30 m，來源于美國地質勘探局(uscs)。根據研究定義的城鎮實體地域內涵 (關興良等，2012)，對國家資源環境數據庫提供的 2000年1：10萬土地利用矢量數據中城鎮用地類型進行調整糾正處理，在此基礎上，采用計算機屏幕人工目視判讀的方法，以2010年的影像數據為襯底，提取其城鎮用地分布信息(圖1)。

　　(3)道路交通數據

　　道路數據來源于山東省地圖出版社2011年出版的《河南陜西湖北公路交通旅游詳圖》，比例尺為 1：20萬。采用掃描數字化的方式獲取，經過地圖投影變換、幾何校正、道路分級等技術處理(圖2)，并考慮了2010年底已建成通車的武廣高速鐵路。

　　2.3技術路線

　　借助GIS技術，從時間可達性和交通優勢度兩方面定量刻畫交通運輸條件的便捷程度，采用統計與數理模型表征城鎮空間擴展的時空特征;運用等時線疊置法和指標分區法分析交通運輸條件與城鎮空間擴展的時空耦合特征。具體如下

　　(1)交通運輸條件評價從時間可達性和交通優勢度兩個方面來評價區域交通運輸條件。時間可達性是指個體從某一特定區位到達目標地所花費的時間成本，直觀反映了交通系統的便利程度(Kim et al，2003)。采用矢柵一體化測度法，借助ArcGIS的二次開發工具ArcEngine在C#2005 開發環境下編程實現。該方法集成了網絡分析法與柵格分析法的優點，既能精確計算全空間的綜合可達性，又顧及了鐵路線路(含高鐵)“跳躍式”運行方式的影響(蔣海兵等，2010;鄧羽等，2012)。計算過程中，鐵路部分(包括普通鐵路和高鐵)采用網絡分析法計算，公路部分(包括高速公路、國道、省道和縣鄉道)采用柵格分析法計算。根據道路質量與技術條件，分別設定各類交通方式的平均行車速度，其中高速公路100 km/h、國道80 km/h、省道60 km/h、縣鄉道40 klTffh;鐵路則通過統計城市群內多個站點之間的距離與時間來計算，武廣高鐵平均速度為250 km/h，武九、漢丹電氣化鐵路為120 km/h，長荊、京廣和京九鐵路為80 km/h。此外，沒有道路的連續陸地部分設定為10 km/h，即表示步行的速度，水域為1 km/h。交通優勢度作為評價區域交通運輸體系完善程度的集成性指標，是區域交通基礎設施網絡所反映的支持其經濟社會活動的水平與狀態Oin et al， 2010)。武漢城市群交通優勢度大致呈現由中心向外圍衰減的格局，高值區分布于武漢及其周邊地區，并沿長江黃金水道、武九鐵路向東南方向延伸;低值區分布在城市群外圍地區，尤其是桐柏.大別山脈與幕阜山脈地區(魯莎莎等，2013)。時間可達性指標直觀、易于理解;交通優勢度是集成性指標，能反映綜合交通運輸體系的方方面面。

　　(2)城鎮空間擴展的度量在刻畫城鎮用地的擴展特征時，引入城鎮擴展差異指數(Urban Expansion Differentiation Index， UEDl)，該指數是指某空間單元的城鎮擴展變化率與研究區內的城鎮擴展變化率的比值(Zhu et al， 2004)，其實質就是某空間單元城鎮用地動態度與區域城鎮用地動態度的比值。該指數使不同空間單元的城鎮用地擴展速度具有可比性。UEDI的計算公式為： IULA?一ULAI·1×ULA‘ 叫2商ULAiUL蒜A面 o) “一 1I×U以：1 一式中：UEDL為空間單元f的城鎮擴展差異指數; ULA12、ULAll分別為空間單元f在如及t。時期的城鎮用地面積;ULA‘、ULA‘分別為研究區域在如及tl時期的城鎮用地總面積。

　　(3)關聯特征的定量分析針對時間可達性與城鎮空間擴展的耦合關系，采用等時線疊置分析法;針對交通優勢度與城鎮空間擴展的關聯特征，引人指標分區法進行分析。具體為：假設區域f的交通優勢度為TSD，，對應的城鎮用地擴展差異指數為UEDL，依據兩組數值的自然 特性確定閾值，分別假定為硒D㈣、刪嘶，，以此為界兩兩組合，可分為4種類型：①嬲D≥愿D鰍， &Ⅵ泐脅【(巨!Dk、：交通優勢度高，城鎮用地擴展活 躍(象限I);②愿Df<啪㈣&明∞脅刪嘶)：交通基礎設施服務能力與保障水平低，城鎮擴展較為顯著(象限II);③z∞f

　　3結果與分析

　　3.1時間可達性與城鎮空間擴展的關聯性

　　為了反映研究區城鎮空間擴展與交通可達性的空間耦合格局，獲得了以9個中心城市為目的地的可達性格局圖，在此基礎上生成了以15 min為間隔的等時線(圖3)，將2000.2010年新增用地分布圖與等時線圖進行疊置分析。結果顯示，絕大部分的新增城鎮用地分布在45 min等時線空間范圍內， 30 min等時線內及60 min等時線內新增城鎮用地分別為316.05 km2和551.31 km2，占新增總量的 54.67%和95.37%。這表明，在區域層面上，城鎮用地擴展與可達性條件呈現顯著的空間耦合關系，臨近區域中心城市的地區，由于優越的地理區位和完備的基礎設施條件，城鎮用地擴展最為劇烈;可達性條件較差的地區，尤其是桐柏一大別山脈與幕阜萬方數據 706 地理科學進展 第33卷山脈等低山丘陵區，城鎮用地擴展極為緩慢。為了更準確地建立交通運輸體系與城市空間擴展的對應關系，對區域9個中心城市分別進行兩者關系的驗證，即以單個中心城市為目的地，生成以5 min為間隔的等時線，統計等時線內該城市的新增城鎮用地(表1)。結果顯示：①武漢、黃石、鄂州、仙桃、潛江和天門城鎮用地擴展與可達性條件的耦合關聯性顯著。以武漢為例，新增城鎮用地隨等時圈由內而外呈現先增加后減少的倒“u”型特征 (表l和圖4)，45 min等時線內的新增城鎮用地達 346.90 km2，占全市新增用地總量的91.65%，其中 25～35 min等時圈是新增城鎮用地的極大值點，在 10 min等時圈內新增面積達146.62 km2，占全市新增用地近40%;45～55 min等時圈的新增城鎮用地開始急劇減少，僅有23.65 km2;60 min等時線之外的地區，城鎮用地擴張基本處于停止狀態，這些地區一般為遠離中心城市的邊遠地區，大部分是山地和水域。②黃岡、咸寧和孝感城鎮用地擴展與可達性條件的耦合關聯性不顯著。這3個城市45 rain 等時線內新增用地占全市比重分別為40.0%、 65.5%和50.6%，而武漢市這一比重超過了90%。主要由于上述3個城市是典型的地級市架構，下轄多個區縣，且遠離中心城區，這些區縣與中心城區之間的可達性不夠便捷，但經濟和城鎮擴展卻異常活躍。統計顯示，2010年咸寧中心城區(咸安區)、孝感中心城區(孝南區)和黃岡市中心城區(黃州區) GDP分別僅占全市的25.3%、19.4%和11.1%，下轄的某些縣級市經濟實力遠超中心城區。

　　可以看出，一般地級市下轄的縣(市)是人口活動的中心地，經濟活躍程度甚至超過中心城區，在分析中小尺度(如市域層面)城鎮用地擴展與可達性條件的關系時，可達性條件的測度以所有縣(市、區) 為目的地更為合理。以咸寧市為例，將其下轄的6 個區(縣市)為目的地的可達性格局圖與城鎮用地進行疊置分析，結果顯示：35 min等時線內的新增城鎮用地達43.84 km2，占全市的比重高達95.98%。通過對區域層面及市域層面可達性條件與城鎮用地擴展的關聯性分析發現，兩者存在內在耦合協同關系，城鎮用地擴展主要集中于可達性條件優越 (距離中心城市較近)的區域。值得注意的是，武漢市0～15 min的等時圈內城鎮用地擴張面積8.07 km2，占全市新增用地比重僅為2.13%，武漢市城鎮用地增加的最大時間段位于 30 min等時線處(圖4)，而其他中心城市的快速擴展區大約位于10～15 min等時線處(表1)。究其原因，主要是武漢市城市規模不斷擴大，蔓延發展日益突出，新增城鎮用地主要位于臨近中心城區的城鄉結合部以及郊區縣的核心發展區。統計數據表明， 2010年武漢市集中了整個城市群32.4%的常住人口、45.7%的城鎮人口、57.8%的地區生產總值、 58.1%的工業總產值以及52.2%的城鎮用地，大量生產要素的集聚導致城市規模快速膨脹，城市蔓延導致武漢市正在規劃建設第11座長江大橋。數據顯示，武漢市內城區土地總面積922.20 km2，其中城鎮用地已達388.58 km2，土地城鎮化率達到 42.14%，已經趨于“飽和”狀態。當前，武漢市郊區已經成為城鎮擴展和蔓延發展的重點區與活躍區。2010年江夏區、蔡甸區、東西湖區、黃陂區和新洲區的城鎮用地面積分別達112.79、62.45、 58.92、48.61和31.96 km2，分別是2000年的9.2、 1.9、3.6、3.1和2.4倍。尤其是江夏區、蔡甸區、東西湖區，已經與武漢主城區連成一片。

　　3.2交通優勢度與城鎮空間擴展的關聯性

　　以交通優勢度(TSD)為橫坐標，城鎮擴展差異指數(UEDI)為縱坐標，生成兩者的關聯性散點圖 (圖5)。采用自然斷裂點方法，將交通優勢度以及城鎮擴展差異指數均劃分為兩類，獲取分類閾值分別為48.2l與0.3927，由此兩兩組合可將區縣劃分為4種類型：①第一類(TSD>，48.21&UEDI≥ 0.3927)，區內交通優勢顯著，城鎮用地擴展劇烈; ②第二類(TSD<48.21&UEDI>IO.3927)，區內交通優勢不明顯，城鎮用地擴展劇烈;③第三類(TSD< 48.21&UEDI農村人口比重高達65.83%。第四類型包括梁子湖區、陽新縣、漢川市、安陸市、云夢縣和團風縣，占區縣總數的15.38%(圖6)。該類型區交通優勢明顯，但城鎮擴展較為緩慢，己肛所僅為0.2056，遠遠低于區域平均水平(0.9594)。梁子湖區與武(漢)鄂(州)黃(石)重點產業帶為鄰，區位條件與交通優勢均較為明顯，但由于其獨特的生態價值和良好的生態環境，是城市群重要的生態功能區，開發建設受到諸多限制。漢川市、安陸市、云夢縣、團風縣和陽新縣盡管擁有鐵路、高速公路和國道等重要交通干線，交通條件較為優越，但這些區縣位于城市群邊緣地帶，接受中心城市的輻射帶動作用小，亦非城市群的重點開發建設區，社會經濟發展較為滯后，城鎮空間擴展動力不足。交通優勢度與城鎮空間擴展的關聯性分析表明，兩者具有顯著的互動耦合特征，總體上表現為正向的關聯性，即交通優勢突出的地區，社會經濟水平較高，城鎮用地擴展較為顯著;反之亦然。但應該看到，有些地區交通優勢并不突出，但城鎮擴展活躍(第二類型)，而有些地區交通優勢顯著，但城鎮擴展緩慢(第四類型)，究其原因主要是仙桃、潛江屬于省管市，經濟發展條件較為優越，相比其他縣 (市)社會經濟發展較快;但由于該地區缺乏重要交通干線(2010年底尚未修通干線鐵路)，遠離天河國際機場以及主要港口與航道，其交通優勢在城市群內處于“凹陷區”，成為交通優勢度與城鎮空間擴展強度不協調的典型代表。由此也折射出，該類型區的交通基礎設施已不能很好地支持其經濟社會的發展需求，亟需加快交通基礎設施建設，提高交通對經濟活動的服務水平與保障能力。通過上述分析發現，交通基礎設施是實現經濟增長的重要支撐條件，但區域經濟發展除受交通設施條件的影響外，還受到其他因素的綜合影響，如自然條件、產業、發展戰略和主體功能特性等。對于交通優勢顯著的地區，應營造積極的經濟發展條件，實現交通優勢與經濟發展水平的協調一致;對于交通條件滯后的地區，應加快交通基礎設施投資建設，發揮交通運輸對區域經濟的帶動作用。

　　4結論與建議

　　4.1結論

　　本文借助地理信息技術從時問可達性和交通優勢度兩方面來反映交通運輸條件，剖析了交通運輸體系與城鎮空間擴展的耦合狀態及關聯特征，是從地理學視角定量研究交通運輸體系與經濟增長作用關系的一次有益嘗試。通過對區域可達性條件與城鎮空間擴展的等時線疊置分析以及交通優勢度(TSD)與城鎮擴展差異指數(UEDI)的指標分區分析，從實證的角度揭示交通運輸體系與城鎮空間擴展具有內在聯系，呈現出互動耦合、協同演進格局，這與已有研究結論具有一致性(劉勇，2009;王煜坤等，2010)。一般而言，可達性好、交通優勢突出的地區，城鎮用地擴展劇烈，社會經濟發展水平較高;反之，城鎮用地擴展緩慢，社會經濟發展水平落后。交通運輸體系通過直接效應、外部效應和乘數效應對城鎮空間擴展起著重要的支撐和推進作用;城鎮空間擴展在“量”和 “質”上對交通運輸提出了新的、更高的要求，并為新的運輸方式和設施建設提供了資金、技術和勞動力支持，兩者相互反饋、相互依賴。地理學展示了在刻畫區域交通運輸水平發展及其與城鎮空間擴展時空關聯特征的優勢。運用地理學與經濟學計量模型開展交通運輸與經濟增長的相互作用強度研究是下一步探討的命題。

　　4.2建議

　　(1)制定差異化交通運輸發展戰略交通運輸規劃的制定應充分認識區域條件和發展階段的差異，分區規劃、分類指導，要實現交通運輸結構與區域經濟活動相適應、交通設施空間布局與區域空間結構和產業布局相適應，最大程度地提升區域交通設施在時間和空間上的最優配置水平，充分發揮交通運輸在經濟增長中的重要促進作用。例如，武漢城市群有15個區縣的交通優勢度相對較小，這類區域的空間范圍和總人口占城市群的比重達49%和32%，但GDP僅占14%。這些區縣或受地形地貌的影響，重大交通基礎設施布局較少，或遠離核心城市，區位條件較差，交通基礎設施對經濟發展的支撐保障能力有限。對這類地區，未來應重點布局重大基礎設施，提升交通設施的服務能力，加強與中心城市的人口經濟聯系。針對那些交通區位優勢明顯的地區，應以優化交通運輸結構和空間布局為主，提升各類交通設施伺服水平和服務效率，以滿足大規模客貨運輸需求。

　　(2)完善一體化交通體系建設依據“流”理論，交通干道是人流、物流、資金流和信息流的重要載體。加強一體化的交通體系建設不僅有助于完善中心城市功能，構筑區域經濟節點，而且也有助于促進中心城市外圍地區發展。未來應按照區域經濟發展的客觀規律，打破行政區域界限，統一規劃、統一管理，有步驟、有重點、分階段地推進區域交通一體化進程，將區域交通運輸規劃作為促進經濟一體化的戰略途徑。2009年9月，《武漢城市圈城際軌道交通網規劃(2009—2020年)》獲批，規劃建設7條武漢至其他次中心城市的城際鐵路，總里程將達557 km，這對提升區域基礎設施一體化水平，發揮武漢市在城市群地區的龍頭作用，實現區域經濟一體化發展具有重要促進作用。

　　(3)加強產業、土地和財稅扶持力度城鎮空間擴展除了受交通運輸條件的影響，還受自然條件、產業結構和區域政策等因素的綜合影響。有些交通設施體系與城鎮空間擴展強度不協調的地區，往往位于城市群邊緣，遠離中心城市，或是交通區位優勢較好但屬于水源涵養區或生態保護區。這類區域除加快交通運輸體系建設，提升交通設施服務水平外，還應打破行政邊界對經濟一體化發展的阻礙;通過產業、土地和財稅政策支持，建立人才流動和吸引機制，發揮經濟發展的后發優勢，提高在區際分工中的地位。