我国煤炭运输通道优化布局研究＊

刘金平 杨 贺 何高文 严 慧

（中国矿业大学管理学院，江苏省徐州市，221116）

我国煤炭运输通道优化布局研究＊

刘金平 杨 贺 何高文 严 慧

（中国矿业大学管理学院，江苏省徐州市，221116）

利用ArcGIS平台，建立中国煤炭供需数据库，构建基于主要煤炭运输铁路、高速公路、国道和基础公路的煤炭运输通道网络，测算省域、县域交通通达度；运用山体水重力模型，以煤炭净存量作为高程值进行分析，得出煤炭供需三维模型的山谷线和山脊线，并结合县域交通通达度和各省域煤炭调动情况，给出我国新建煤炭储备库的煤炭运输通道选址的具体建议。

煤炭运输通道 交通通达度 SOA分析 煤炭储备库

1 引言

由于我国煤炭资源地域分布，产煤区和用煤区地域跨度大，煤炭需经过长距离运输，运能严重不足，制约煤炭产、运、需的平衡。煤炭运输通道的优化布局旨在根据煤炭生产和煤炭消费区域进行三维模拟，生成三维图形后，再将其比拟为山体模型，根据山体水重力模型，进行SOA分析，得出山脊线和山谷线。通过建立煤炭运输通行评价指标体系，得到对交通通达度的度量。结合煤炭调动区，山脊线对应于水流分流区，与交通通达度低值重合区域新建煤炭运输通道；山谷线对应于水流汇流区，与交通通达度低值重合区域新建煤炭运输通道或煤炭储备库，最终结合煤炭净调动量，给出煤炭运输通道的具体优化布局。具体的煤炭运输通道优化布局技术路线见图1。

图1 煤炭运输通道优化布局技术路线

2 地区GDP与耗煤量关系

煤炭是中国的主要能源，发展国民经济与煤炭消费关系十分密切。由于县市级耗煤量数据可得性，采集全国1998-2008年的GDP数据和煤炭消耗量数据，进行相关性研究，得到GDP和煤炭消耗量关系，再根据2008年县域GDP数据，反推其煤炭消耗量数据。

总体上，中国的煤炭消费量和实际GDP总体上均呈现逐年上升的趋势。为了进一步研究二者之间的弹性系数，本文选取对数线性模型，分析两者的变化趋势。根据对数线性回归后得到回归分析结果：

式中：CC——煤炭消费量；

GDP——国内生产总值。

煤炭产量 （CP）减去煤炭消耗量 （CC）即可得到县市的煤炭净赋存量C。

3 三维分析

基于高程信息的三维分析主要包括三维几何参数计算、地形因子提取、地表类型分析、通视性分析、地形剖面图绘制、地形三维可视化等。通过ArcGIS的3D Analyst模块，来创建动态三维模型和交互式地图，从而更好地实现地理数据的可视化和分析处理。

三维分析采用两种表面模型：栅格和TIN。创造表面模型主要有两个方法：数据内插和三角测量。内插方法包括反距离权重、样条函数、克利金和自然领域内插。栅格用样本值或内插值把表面表达成规则格网。TIN用不规则三角网表达表面，三角形的网点存储Z值。通过创建TIN或添加要素到TIN中的方法可以建立三角表面。还可以实现TIN和栅格表面模型的互换。

3.1 DEM提取分析

本文选取煤炭生产消费主要城市点共78个，根据其产煤量和煤炭消耗量，测度其净煤量 （其煤炭纯赋存或者煤炭纯消耗量），并将其净煤量设置为Z值高程属性，以用来创建栅格表面。通过反推、计算得到部分县市煤炭净赋存量，再运用IDW空间插值方法，生成栅格IDW＿产煤点图层，并设置等值线间隔后，生成等值线。再通过三维分析，由等值线生成TIN图形，并转换为栅格数据，得到部分县市点的煤炭净赋存属性的DEM数据，见图2。

图2 研究区域的DEM数据

3.2 坡向变率 （SOA）分析

山脊线和山谷线的提取实质上也是分水线与汇水线的提取。因此，可以利用水文分析的方法，根据区域DEM数据，提取山脊线、山谷线栅格数据。

对于山脊线而言，由于它同时也是分水线，而分水线的性质即为水流的起源点。所以，通过地表径流模拟计算之后，这些栅格的水流方向都应该只具有流出方向而不存在流入方向，即栅格的汇流累积量为零。因此，通过对零值的提取，就可得到分水线，即山脊线。

对于山谷线而言，可以利用反地形计算，即利用一个较大的数值减去原始DEM数据，得到与原始DEM地形相反的地形数据，使得原始的DEM中的山脊变成反地形的山谷，而原始DEM中的山谷在反地形中就变成了山脊。再利用山脊线的提取方法就可以实现山脊线的提取，并利用正、负地形纠正偏差。

4 交通通达度的度量

4.1 交通通达度

通达度概念由汉森 （Hansen W.G.）于1959年提出，他将其定义为相互作用机会的潜力值。交通通达度则是指从一个地方到另一个地方的难易程度。一个地区的物流和交通网络的密度和可达性影响到这个地区的经济发展。公路和铁路网络的发展使得中国的基础设施建设有了新的发展，也将区域间的空间运输紧密联系起来。地区的交通设施越便利，其可达性越高；反之交通状况越差，其偏远性就越强。

目前已有的交通通达度研究集中于单一的交通方式，全面反映区域的交通运输能力比较困难；多数学者采用距离度量法、重力度量法、拓扑度量法或相关模型等方法，其计算方法和过程繁杂，某种程度上限制了其应用范围。本文采用权重归一法，把不同级别的因素赋予权重，在同一级别程度上进行归一化处理。

4.2 建立煤炭运输通行评价指标体系

我国煤炭运输状况是公路占7.5%，铁路占70.0%，水运和漕运占22.5%，因为水运涉及港口位置、吞吐量，由于数据获取和定点运输问题，本文构建交通通达度影响因素以铁路和公路为主。为遵循科学、系统等原则，从交通运输线路网络密度方面提出4项指标来构建各研究区域交通通达评价体系。具体如下：T1国道密度、T2高速公路密度、T 3基础公路密度、T 4铁路密度。

为计算中国分省和分县通达度，消除量纲影响，各个指标进行归一化处理。根据2008年各省和各县中各个指标中的最小值和最大值确定归一化中的极值。因为中国分省和分县指标差异大，为了缩小各区域间的差异，将各个指标进行对数变换，再进行归一化处理，见公式 （2）：

式中：Gij——第i区域第j个指标的归一化值；

Tij——i区域第j个指标的实际值；

Maxj、Minj——分别为全国各区域第j个指标的最大值和最小值。

对各种道路通行能力权重设置，结合煤炭铁路运输量状况 （铁路煤炭运输量约占整个煤炭运输总量的70%），在煤炭运输通行能力指标体系中，铁路、高速公路、国道、基础公路所占权重分别为0.70，0.15，0.10，0.05。

在ArcGIS9中，通过提取分省 （县）域内煤炭运输通道的总长度，运算求出煤炭运输通道的密度，加权归一化处理后，得到分省 （县）域的煤炭运输综合交通通达度。省域、县域煤炭运输交通通达度见图3，交通通达度高的区域基本分布在京津冀环渤海地区、长三角地区、珠三角地区，以及中部部分地区。

5 新建通道和煤炭储备库选址

山脊线急速分流、山谷线急速汇流，流量都很大，在交通通达度低的下垫面会阻滞。所以对应山脊线在土地利用交通通达度低的地方应该新建煤炭运输通道，以确保煤炭运输的顺利分流外运；而对应山谷线在交通通达度低的地方，因为大量煤炭流汇流，所以需要新建煤炭储备库以缓解运输通道的阻滞，或者新建煤炭运输通道以防止煤炭在此大量滞留。

本文中根据所获取的数据资料，新建通道或煤炭储备库的选址取决于交通通达度，山脊山谷线，铁路、国道、高速公路、基础公路的位置，以此来决定是否新建煤炭运输通道和煤炭储备库。

将路网汇总线图层和煤炭储量山谷线、山脊线线图层，以及县级交通通达度面图层汇总，见图4。

5.1 煤炭运输通道优化布局目标和原则

煤炭运输通道布局优化目标在于缓解基于煤炭运输铁路、公路网为基础的煤炭运输通道网络的运输瓶颈问题，以及缓解煤炭消费区域的时空性运煤紧缺。煤炭运输通道的优化布局原则基于以下几点：

（1）对于煤炭调动量较小地区，其煤炭供需基本能够自给 （如贵州地区），则不进行煤炭运输通道或煤炭储备库的新建；

（2）对于煤炭调动量较大，但煤炭运输交通通达度较高地区，对已有路网不进行有关煤炭运输通道和煤炭储备库的新建工作；

（3）对于煤炭调动量较大的煤炭调出区域，在煤炭运输交通通达度低的区域新建煤炭运输通道，以缓解煤炭外运压力；

（4）对于煤炭调动量较大的煤炭调入区域，在煤炭运输交通通达度低的区域新建煤炭运输通道以缓解煤炭调进压力；或新建煤炭储备库，缓解在煤炭运输能力不足的情况下的煤炭时空性短缺。

5.2 叠置分析

通过对多个数据层要素所具有的属性叠置，按一定的数字模型逻辑运算，进行图层擦除、识别叠加、交集操作、对称区别、图层合并和修正更新等操作。本文选择县级交通通达度面状图层综合交通通达度属性值不大于0.0016的区域，得到县级土地利用交通通达度较低区域，再将山脊线和山谷线与地交通通达度县级区域做剪切操作，得出县域交通通达度低的山脊线和山谷线。在此基础上还要考虑避让已有的路网状况，将剪切后的山谷、山脊线与煤炭运输铁路、高速、国道、基础公路综合而成的汇总路网进行擦除运算，得到交通通达度较低区域内避让已有路网的山脊、山谷线。结合煤炭净调动区域，保留煤炭净调动值较高区域内的山脊、山谷线作为最终选址决策支持方案。得到最终煤炭运输通道和煤炭储备库选址位置。

图3 我国省级、县级面域交通通达度

图4 新建通道和煤炭储备库选址数据预处理

山脊线在交通通达度低、煤炭调动量大的区域，为了分散煤炭流量，可以根据下垫面的实际情况，结合当地的地质、地理状况，新建煤炭运输通道，缓解煤炭生产后快速外输的压力；山谷线在交通通达度低、煤炭调动量大的区域，为了避免汇流至此的大量煤炭，根据下垫面的实际情况，结合当地的地质、地理状况，新建煤炭运输通道或者新建煤炭储备库煤炭快速流动中的滞留问题。

5.3 最终分析结果

分析得出，在内蒙古自治区中部、西北部以及东北部，山西省大幅地区、陕西省东北部、河南省中部、安徽省中南部、辽宁省中部及东北部、吉林省西南部、山东省中东部、江苏省东北部和东南部、上海崇明岛地区、福建省北部地区需新建煤炭运输通道或在蓝色山谷线处建立煤炭储备库。具体结果和有关新建设施建议如下：

（1）山西、内蒙古、陕西作为煤炭调出大省，对应于煤炭运输交通通达度较低区域的山谷山脊线，都作为新建煤炭运输通道的位置。山西省以中北部为核心向四周各省份辐射，总长度为1514.84 km；内蒙古地区主要集中在和山西、陕西、河北交界的中部地区，和东北地区接壤的内蒙古东部地区，以及和宁夏地区交界的内蒙古西部地区，新建煤炭运输通道总长度为6886.86 km；陕西省则主要分布在和山西、内蒙古地区接壤的陕西西北部，新建煤炭运输通道总长度为536.83 km。

（2）吉林省分布在和内蒙古、辽宁接壤地区，新建煤炭运输通道长332.78 km，保障本省煤炭供应及自给。

（3）安徽和河南两省属于煤炭调出地区，其对应的煤炭运输交通通达度较低地区的山谷山脊线均作为煤炭运输通道新建位置。安徽主要分布在其东南部、西南部以及和河南东南部接壤地区，保障安徽及周边河南地区煤炭产出的相互调动以及东南部省份的煤炭供应，新建煤炭运输通道379.26 km。河南省主要分布在其东南部、西北部，以及其和山西、河北、山东接壤地区，新建煤炭运输通道508.97 km，以保障河南和周边的煤炭产出调度，并保障其周边河北、江苏等地的煤炭消耗。

（4）上海作为煤炭调入量较大区域，对应于煤炭运输交通通达度较低的区域，山脊线分布在上海市区外围煤炭供应外围区域，山谷线分布在崇明岛交通水陆隔绝区域，由于上海煤炭港口，或新建相应辐射能力的煤炭储备库。

（5）河北、江苏、山东、辽宁这几个煤炭调入量较大区域，对应的煤炭运输交通通达度较低的地区的山谷山脊线，作为新建煤炭运输通道位置，其地理隔绝区域则新建相应辐射能力的煤炭储备库。河北主要集中在北京和天津市外围，以及其和河南、山东接壤地区，新建煤炭运输通道长767.15 km，保障北京、天津等地的高密度的煤炭消耗。江苏主要分布在其东北部的连云港，徐州等地以及东南部的南通地区，从徐州往外运煤辐射至连云港及周边城市，南通地区新建煤炭运输通道以保障苏南以及江苏和上海接壤地区的用煤，新建煤炭运输通道长为155.89 km。山东省主要分布在其中部和东北部，以及其与河北、河南交界处，新建煤炭运输通道长201.41 km。辽宁省主要分布在其中部和东北部，中部为山脊线，则新建煤炭运输通道，长395.24 km；东北部为山谷线，则新建煤炭运输通道，长323.53 km，或新建相应辐射能力的煤炭储备库，从内蒙古东北部运煤进行存储，以缓解辽宁、吉林两省份的用煤紧缺。

（6）湖北作为煤炭调入的我国中部地区，其对应的煤炭运输交通通达度较低地区的山谷线分布在其西南部，新建煤炭储备库，从贵州经重庆运煤进行储备以保障湖北以及湖南等中部地区的煤炭消耗时空性紧缺问题。

（7）福建作为煤炭调入区域，其对应煤炭运输交通通达度较低区域的山脊线分布在其东北部，新建煤炭运输通道46.66 km，以保障其煤炭消耗。

（8）其他地区由于煤炭调动量太小、煤炭供需自给自足、煤炭运输交通通达度较高等原因建议暂不予以修建煤炭运输通道和煤炭储备库。

各省、自治区、直辖市内新建煤炭运输通道长度见表2。分县级的新建煤炭运输通道情况亦可得出，再次就不多做描述。

表2 省域范围内山脊线、山谷线分析结果

6 展望

由于数据的可得性和水路运输的码头、港口的吞吐量的数据的复杂性，对于占煤炭运输一定比例的水路并没有考虑，这对于模拟实际煤炭运输情况以及测度煤炭运输交通通达度有一定的影响。实际应用中应对水路运输，煤炭装卸港口位置、路线、运量进行实地考察或者有效数据查询，将水路运输路网加入。另外，煤炭运输通道和煤炭储备库的选址要结合实际地质、地理等工程属性数据的决策支持。这也是对于中国煤炭运输通道优化布局研究的更深一步地和实际结合，更有效地为煤炭生产、运输、消费的整体流程上进行决策支持的一个发展方向。

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Study on optimization of coal transport corridors lay-out in China

Liu Jinping，Yang He，He Gaowen，Yan Hui
（School of Management，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China）

Applying Arc GIS platform，we made a best route analysis in the coal transportation network of China which was constructed by the main coal transportation railway，highway，national highway and foundational road.Then we also measured the communication availability of all provinces and counties in China.The author got the ridges and valley axes by using the mountain gravity model.Combining the communication availability at county level，we got the finally identified site selections of newly-built coal transportation corridors and coal storehouse.

coal transportation corridors，communication availability，SOA analysis，coal storehouse

TD-9

A

国家社科基金重大项目 “矿产资源有效供给与高效利用机制研究”（09ZD046）

刘金平 （1962-），男，陕西凤翔人，教授，博士，博士生导师，中国矿业大学国土资源规划与评价研究所所长。研究方向：资源经济与管理。

（责任编辑 张大鹏）