兰州市轨道交通对城市时空格局影响初探

张志斌，陈 龙，张亚丽，师 晶，郭倩倩

(西北师范大学 地理与环境科学学院，甘肃 兰州 730070)

0 引言

城市轨道交通具有运量大、速度快、单位能耗低、安全性高、节能环保、准点舒适等优点，可作为公共产品产生外部积极性效益，引导着城市人口与资本变得高度集中和有序，使生产要素得以合理组织.先进的技术设备(智能交通卡)可以迅速大规模使用，促使劳动生产率大幅度提高.当前，我国正处于快速城市化和工业化时期，城市空间形态转变趋势显现，各大城市致力于发展以轨道交通为主、多种交通类型并存的城市交通体系，以引导优化城市空间的发展.

地铁发展大约经历了150多年，已具有较高的应急能力和运营管理水平[1]，成为城市居民交通出行首选的重要交通工具.国外研究地铁对于影响城市地下空间开发利用的时间较长，侧重地铁的大容量、安全性和环保性.20世纪初，学者们采用不同模型和定量方法探讨轨道交通给土地带来的增值效应[2-4]，并基于级差地租和扇形结构等理论，对城市土地和城市空间的相互关系的研究积累了大量理论基础，包括轨道交通对土地造成的梯度性的空间效应特征等得到许多学者的认可.20世纪60年代初，西方发达国家的研究开始从地铁对地价梯度效应转向对城市时间效应，例如A.Z.Gutenberg指出城市交通运输的“可达性”，导致了城市空间结构的相对集中与扩散[5]，这就意味着学者们开始侧重研究地铁对城市空间结构的影响.日本作为亚洲轨道交通系统发达的国家，关于地铁的研究时间较早，学者Daluwatte(1994)通过对日本新干线的长期跟踪发现，地铁能够改变城市空间分布的主要原因是地铁能够通过减少通行时间来改变区位因素[6]，并且对于在城市中工作、游玩、就医等人群来说，时间是第一因素.因此，居住者更愿意在交通便利、环境优美的城郊生活；Francisco Calvo[7]的研究证实了这一结论.研究发现马德里外围地区的新地铁站附近的住宅开发和人口增长大于市中心和马德里的卫星城镇[8-10]，表明地铁对城市中心和近郊的均衡发展具有重要作用.

由于我国轨道交通建设起步较晚，在建设实践方面仍在寻找轨道交通引导城市空间结构调整的成功案例.与国外初期研究成果相似，近年来关于地铁与城市空间的研究多集中于地铁对土地与住宅价格、城市空间形态、土地利用方式的影响等方面，而地铁对城市空间结构方面的研究较少.陈淳(2007)等研究发现，广州市在轨道交通的影响下城市空间结构由“摊大饼”式向多中心城市格局演变[11]；陈高超等(2011)以长沙为研究对象,指出地铁的“廊道”与“可达性”等效应对城市空间变迁的诱导作用[12]。以上研究均说明轨道交通对于引导城市空间结构具有举足轻重的作用，有利于优化城市空间结构[14]、提高城市运行效率[13]、引导城市资源配置.而运用不同方法研究地铁对城市时空格局影响的文章有限，李晓贝等学者(2013)利用空间句法分析轨道交通时间影响下的北京市城市空间形态演变[15]、乐晓辉等(2016)基于地价和开发强度两个要素，从时空角度探讨轨道交通影响下的深圳市空间结构动态演变过程.研究发现，轨道交通对城市空间结构的影响在时间上是超前的[16]，这对于理解轨道交通对城市空间结构影响及政府财政效应评估等具有积极意义.

综上所述，轨道交通网络系统的不断完善有利于引导和促进城市空间结构的发展，最为显著的是引导多中心城市空间结构的形成[17].轨道交通对城市影响的研究内容主要包括空间可达性、城市空间形态、土地利用方式以及引导城市空间发展等，但鲜有文章基于出行时间结合地面公共交通和地下轨道交通的分析对城市时空格局变化进行研究.居民出行由地面公共交通和私家车变为“地铁+慢性”[18]的方式，极大地缩短了城市时空距离，改变了居民出行和城市空间结构.因此，本文以地铁为研究对象，以地面公共交通和地下公共交通的出行时间以及交通路网为基础数据，分析地铁的准时性和快速性相较于地面公共交通的时空压缩对兰州城市时空格局的影响.

1 研究区域、数据与方法

1.1 研究区域

兰州市作为西北地区重要的中心城市，是甘肃省省会和全省政治、经济、文化中心，也是“一带一路”上的节点城市，地处黄土、内蒙古、青藏三大高原交汇地带，具有引领和带动西北地区发展的重要作用.受河谷地形及南北两山的限制，兰州市主城区地域空间狭窄，形成特殊地貌条件的河谷型城市.轨道交通的建设对解决兰州市东西不畅的交通局面具有重要作用，对城市空间的拓展和功能布局的优化也有十分重要的意义.兰州市现辖城关、七里河、安宁、西固、红古五区及永登、皋兰、榆中三县.本文选取兰州市主城区即城关区、安宁区、七里河区、西固区作为研究区域.

兰州轨道交通规划将兰州地铁分三个阶段进行建设：第一阶段(2011—2020年) 主要修建1号线和2号线一期工程；第二阶段(2021—2030年) 主要修建1号线和2号线二期工程和3号线；第三阶段(2031―2050年) 主要修建中川线、榆中线和青什线.兰州地铁1号线一期工程于2014年3月28日正式开工建设，兰州成为甘肃省第一个建设地铁的城市.2018年12月，地铁1号线已建设完成，全长26 km(数据来源http://www.lzgdjt.com/)，正在试运营阶段，预计开放时间为2019年6月.本文以地铁一号线一期工程(图1)研究地铁对兰州城市时空格局的影响.

1.2 数据来源

兰州市轨道交通的设计运行速度40 km/h、轨道交通线、轨道交通站及其名称等数据均在兰州轨道交通网(http://www.lzgdjt.com/)获得，经过投影，矢量化在行政区划图上.轨道交通站点的经纬度则通过高德地图的坐标拾取器获得，通过百度地图进行坐标准确性校验；通过高德地图的测距工具得出轨道交通站点间的距离，创建空间坐标数据库，批量导入到ArcGIS.

通过实地调研、访问兰州市不同职业(上班、上学、游憩、购物)的市民在早晨(7:00～9:00)、中午(11:30～13:30)、下午(16:30～18:30)的出行方式、出行时间以及出行目的.调查对象均为14周岁及以上的兰州市常住居民，在访问中排除居住时间小于半年的停留人口，以使调查数据更加切合实际.

图1兰州市地铁1号线分布

1.3 研究方法

1.3.1 比较分析法

基于地面公共交通和轨道交通在相同距离下的不同耗时，对比分析轨道交通建成前与建成后兰州城市时空结构的演变，客观反映轨道交通对于城市结构的影响，并以此为基础通过城市交通路网数据以定量分析为主和定性分析为辅研究轨道交通对于城市空间发展带来的影响.

1.3.2 基于最小阻抗的可达性分析模型

Allen(1995)提出的基于最小阻抗的可达性分析方法，用中心点至所有目的地点的平均最小阻抗作为可达性评价指标，来分析研究区域内各轨道交通站点到其他任意站点的交通便捷程度.基于最小阻抗的可达性分析方法不考虑出行目的，可对路网作一般性评价[19]，公式如下：

(1)

(2)

式(1)中，Ai为网络上的节点i的可达性；A为dij整个网络的可达性，表示节点i、j间的最小阻抗，可为距离、时间或费用等.式(1)表明，节点i的可达性，为该节点到网络上其他所有节点的最小阻抗的平均值.最小阻抗可以为最短距离、最短时间、最少费用等.

式(2)中，A代表整个网络各节点可达性的平均值.分析区域内平均最短出行时间.出行时间越短，可达性越高；反之，可达性越低.

2 轨道交通对兰州城市空间结构的影响分析

2.1 理论基础

同心圆模式：美国芝加哥大学社会学家伯吉斯(E.W.Burgess)于1929年提出，认为由服务和设施的集聚力使得大量外来人口迁入城市中心及城市内部人口的向心化，导致了城市地域结构分化，城市以不同功能用地围绕某个单一核心而有规则地向外扩展，形成了中央商务区、居住区、通勤区三个层次的同心圆结构，反映了一元城市的特点.

扇形模式：美国土地经济学家霍依特(H.Hoyt)于1939年提出，认为城市的发展总是从市中心向外沿主要交通干线或沿阻碍最小的交通干线呈扇形向外扩展，城市社会经济结构主要依扇形形式变化，因地租的差异形成分布格局.城市的空间结构被描述为：中心区是中央商务区，沿交通线从市中心向外呈楔状延伸，属于批发和轻工业区，外围是不同收入群体的居住区.

多核心模式：美国地理学家哈里斯(C.D.Harris)和乌尔曼(E.L.Ullman)于1945年提出，认为城市是由若干不连续的地域所组成，这些地域分别围绕不同的核心形成，除CBD外的大城市的中心区域，还有支配一定地域的其他副中心的能力，形成的空间结构由中心向外围依次为：中央商务区、批发业和轻工业区、住宅区、重工业区、文化中心和公园、郊外住宅区以及郊外工业区.其中，区位、地价、集聚、扩散和历史因素是导致城市空间结构分异的主要因素.

2.2 兰州城市空间结构发展演变

根据兰州城市发展历程，并参考兰州城市第一、二、三、四版总体规划，以及鲜肖威(1984)、毛汉英(1993)、杨永春(2003)、孟彩虹(2005)、严巍(2016)等学者从不同角度对兰州城市空间发展的深入研究，具体介绍各个阶段不同的城市空间结构特征.

2.2.1 第一阶段(1954年之前)，单核心结构

兰州建城伊始至1954年大规模工业企业(兰炼、兰化)入驻西固区，城市空间始终为单核心结构发展.早在秦始皇时期，收复黄河以南区域，在黄河以南筑城防守，兰州“城”之雏形显现.据有关资料记载，古兰州城最早形成于今西固区西固城一带，名为金城县，后经战争而被摧毁，几经历史周折，西晋时期在五泉山一带筑城，城址延续至今.隋唐之后因古丝绸之路的开辟，兰州迅速成为了一座重镇和名镇，城镇规模发展进程加快，城市经济职能加强，但边防军事重镇的战略地位未曾改变，城市发展仍以老城区政治中心为核心.清朝末年至建国初，尽管兰州在甘肃省会城市的地位已经确立，并有了外商和企业入驻兰州，但是受到落后基础设施的制约和黄河阻隔，企业仍然在老城区内高度集聚，中心城区单中心集聚式发展格局未曾改变.

2.2.2 第二阶段(1954年—至今)，多核心结构

第一阶段兰州城市空间结构以“谷地内更迭，点状生长”为主，1954年之后，城市空间从单核心结构之间发展为“多核心”结构.这种演变虽有多种因素的影响，但主要还是受城市规划引导.第一版总体规划提出“在空间布局上采用田园式分散组团形式，进行明确功能分区，组团推进，跨越发展”，构筑了带状组团城市空间结构框架，是城市多核心结构的开端.第二版总体规划提出“带状组团分布、分区平衡发展”的城市用地布局和建设发展原则，是兰州城市多核心结构的进一步发展.第三版总体规划开创了以黄河为发展轴线的双中心格局，提出打造安宁新城区，以解决城市发展不平衡的问题，城市多核心结构属于半成熟阶段.第四版总体规划提出跳出盆地，实现区域多中心发展，构筑起“双城五带多片区”的发展模式，形成成熟的多核心城市空间结构.兰州城市空间结构由单中心向多中心转型，打破了受地形和黄河阻隔的制约，城市得到迅速发展.

2.3 兰州市居民出行特征分析

居民出行是指有目的性的人从某一地点(始发地)到另一地点(目的地)的空间移动行为.居民出行的特性包括出行方式、出行时间、出行目的、出发地点和到达地点等.本文运用实地调研方法，对兰州市居民具体出行情况汇总(见表1)，以对居民的出行特征进行分析.

表1兰州市居民出行行为分析

从表1可以看出，地面公共交通是兰州市目前主要的交通出行方式.

2.4 基于出行时间的时空格局分析

基于第六次人口普查数据，运用人口重心公式得出兰州市重心位于张掖路的西关什字.作为兰州市经济繁华、人口密集、商业发达地区之一的西关什字不仅是人口密度重心点，还浓缩了兰州的历史.在20世纪80年代之前，兰州人都认为进入西关什字便是到了兰州城，无论是古代喧闹的茶马互市、渡口酒肆，还是当前的亚欧商厦、张掖路步行街，西关什字繁荣的经济和浓厚的商业气息从未衰减.因此，参考居民出行特征分析得出：“地面公共交通是兰州市主要交通出行方式”，以西关什字站为起始点，对比研究地面公共交通主导下和地铁引导下的城市空间特征及其变化.

2.4.1 地面公共交通与轨道交通的出行时间演变

根据地面公共交通1 km耗时4 min、轨道交通设计速度、地铁站点之间的距离，地面公共交通的运行速度是根据实际距离与实际耗时的平均时间利用公式(距离=时间﹡速度)计算所得，再计算出以西关什字站为中心站到其他任意地铁站点的地面公交耗时和轨道交通耗时以及二者之间的时间差(表2).做出地面公交耗时和轨道交通耗时趋势分析(图2)，以检验计算所得地面公共交通耗时的合理性.从图2中可以发现,地面公共交通实际耗时围绕计算耗时线上下浮动，整体趋势走向相符，说明运用计算耗时分析地面公共交通和轨道交通对城市时空影响是合理且可行的.

表2出行时间统计

从距离上来看，西关什字站与省政府站相距最近，为0.78 km；与陈官营站相距最远，为15.99 km.在5 km以内的站点有8个，占比42.11%；在10 km以内的站点有15个，占78.94%.从公交消费时间来看，西关什字站与省政府站相距最近，出行消耗时间最短，为3.12 min；与陈官营站相距最远，出行消耗时间为63.96 min.在30 min以内的站点有12个，占比66.67%.从地铁消费时间来看，西关什字站与省政府站出行消耗时间最短，为1.17 min；到陈官营站出行消耗时间为23.98 min，30 min内可以到达的站点占比100%.

从地面公共交通和轨道交通相同距离出行时间差来看，最小值为1.95 min，最大值39.98 min.出行时间差中超过15 min的有7个站点，占比52.62%.在地面公共交通主导下，由东港站到陈官营站需100.68 min，轨道交通引导下耗时缩短为38.13 min.轨道交通相比地面公共交通工具出行效率提高了2.64倍，有效缩短了居民出行时间.轨道交通的建设将缩短市区外围居民到市中心商业区就医、购物、上学以及上班的时间.同样，也可缩短市区居民到市区外围公园地带的游憩时间，加强了城关区、安宁区、七里河区、西固区之间的空间联系.

图2 兰州市地面公共交通实际与计算耗时分析

2.4.2 地面公共交通与轨道交通的空间结构演变

计算地面公共交通和轨道交通出行时间差下轨道交通站到附近区域的可达距离(可达距离等于地面公共交通速度乘以地面公共交通和轨道交通出行的时间差)，并基于ArcGIS软件平台，运用点的缓冲工具对可达距离做空间分析(图3).

图3 兰州市轨道交通与地面公共交通时间差的可达距离

从空间分析图可知，西关什字站以东有8个地铁站，可达距离由省政府的0.48 km增至东岗站的5.89 km；西关什字站以西有11个地铁站，可达距离由文化宫站的0.61 km增至陈官营站的9.99 km.随着与西关十字站距离的增加，地铁站点的辐射范围也逐渐扩大.其中，东岗站、焦家湾站、拱星墩站和东部市场站基本覆盖了城关区的东方红广场以东区域，陈官营站和奥体中心站覆盖了整个西固区，世纪大道站和迎门滩站覆盖了整个安宁区.说明随着中心地铁站点距其他站点距离的增加，地铁优势明显强于地面公共交通,并且市区外围轨道交通站的辐射范围大于中心城区.轨道交通的建设对于市区外围居民来说更为有利，可有效扩大居民出行范围和提高出行效率.

为了进一步分析轨道交通对兰州城市时空特征的影响，基于距离和时间做出空间结构变化图(图4).图4中两幅图的横轴距离为陈官营站至东岗站的实际距离，纵轴为兰州碧桂园至兰山公园的实际距离.图4a是基于地面公共交通的城市空间结构，由东到西需耗时90 min，由北到南耗时40 min.因整个城市依黄河而建，呈东西向带状分布，所以在地面交通主导下城市空间呈东西向扁椭圆状特征.图4b是基于轨道交通引导下的城市空间结构，其中纵轴仍然是基于地面公共交通的，需耗时40 min，而横轴基于轨道交通需耗时38.13 min.城市空间结构在轨道交通和地面交通共同作用下近似圆状特征.综上所述，兰州城市空间结构由扁椭圆状变为近似圆状特征，说明轨道交通对于城市的时空压缩效应明显，改变了城市物理空间，缩短了东西两地之间的时间与空间距离，有助于减轻各行政区之间因交通不便带来的城市压力，可带动七里河区、安宁区、西固区作为城市副中心的发展，加强与城关区之间的城市联系.

图4 兰州市不同公共交通引导下的城市空间结构

2.5 基于交通网络的时空特征

图5 兰州市不同公共交通网络下的城市空间可达性

可达性一般指某一地点到其他地点的交通方便程度，也可指其他地点到这一地点的交通方便程度[20].在基于最小阻抗的可达性分析模型中，以车行时间作为最小阻抗.其中，地面公共交通车行时间参考《兰州市公共交通分布特征及其可达性研究》(达福文2013)中主干路平均车行速度16.54 km/h、次干路平均车行速度14.04 km/h、支路平均车行速度12.80 km/h数据.通过ArcGIS软件的网络分析功能 network analysis 扩展模块下的[新建OD成本矩阵]工具计算各路口到其他路口的平均最短交通时间，以此作为可达性评价指标，基于车行时间绘制地面公共交通和轨道交通引导下的城市交通路网的空间可达性(图5).

由图5a地面公共交通主导下的可达性可知，以东方红广场、南关什字、西关什字以及小西湖及延伸至安宁东路两侧和西固城等组成的区域为核心呈圈层递减格局，距离该区域越远可达性越差.这与兰州市路网密度分布格局一致.这些核心区域分布于城市中心地带，交通路网密集，分布着四条东西向主干道，即东岗路—庆阳路—西津路、敦煌路—安宁东路、南滨河路、北滨河路，还包括90%以上的南北向主干道.西固区与其他三区联系较弱，形成单核心圈层状.

图5b是轨道交通引导下基于出行时间的可达性空间图，可以发现中心城区可达性高的区域明显增加，在地面交通主导下的基础上向外扩张，城关区、安宁区、七里河区的可达性明显改善.其中，轨道交通站点周边可达性显著增高，形成可达性围绕轨道交通站点圈层状递减的特征，例如东港、马滩村、世纪大道、陈官营等区域，其可达性得到较快的提高[21].这与轨道交通对市区外围轨道交通站的辐射范围大于中心城区，轨道交通的建设对于市区外围居民更为有利的结论相一致.

整体来看，地面公共交通主导下的可达性高的中心区域变化不明显，轨道交通建设对其影响相对较小.相反，原本可达性差的城乡交错区域沿着轨道交通线提高，使得整个城区的可达性得到明显提高且分布相对更均衡.可达性的空间结构由地面交通主导下的“双核心”结构演变为轨道交通引导下的“串珠”状轴向式结构，符合兰州主城区以东西为主的轴带状城市空间特征，缩短城市东西向交通时间距离，提高运行效率，促进城市巨系统的有序运行.

4 结论与讨论

4.1 结论

通过兰州市地面公共交通和轨道交通的出行时间以及交通路网的基础数据，运用比较分析法和基于最小阻抗的可达性分析模型探讨了轨道交通对兰州时空格局的影响，可为加强轨道交通对城市内部空间结构影响的分析提供借鉴，同时有助于揭示西北河谷型城市轨道交通配置规律和促进城市结构的优化.研究得出以下结论：

①在居民出行特征中发现，地面公共交通是兰州市居民出行首选的交通工具；②地面公共交通从东港站到陈官营站需耗时100.68 min，轨道交通下则将消耗时间缩短为38.13 min，轨道交通相比地面公共交通出行效率提高了2.64倍，有效缩短了居民出行的时间；③随着与西关什字站距离的增加，相比地面公共交通同等耗时下，轨道交通站的出行辐射范围明显强于地面公共交通，并且市区外围轨道交通站的辐射范围大于中心城区；④基于距离和时间共同作用下分析城市空间结构变化，得出兰州城市空间结构由地面公共交通主导的扁椭圆状变为轨道交通引导的近似圆状特征；⑤轨道交通引导下，城关区、安宁区、七里河区、西固区之间的空间可达性明显改善.其中，轨道交通站点沿线周边可达性增长很显著，形成可达性围绕轨道交通站点圈层状递减的特征.城市空间结构由地面交通主导下的“双核心”空间特征演变为轨道交通引导下的“串珠”状轴向式空间特征.

4.2 论论

相比地面公共交通运输效率，地铁的快捷性和准时性可以大大提升城市中心与周边的运行效率，加速城市各个区域内的彼此沟通.本文仅利用地面公共交通和轨道交通在同等时间下不同的运行速度对城市时间特征进行了分析，其中轨道交通线为地铁一号线一期工程，研究内容较为宏观，未涉及到其他地铁线路与公共交通共同作用下的城市空间结构以及地铁站点与周围公交站点之间的“P+R+B”模式(汽车及自行车换乘轨道交通)对城市空间格局、城市运行效率的影响，在后续研究中可结合这些内容，综合考虑和深入调研轨道交通引导下的城市发展.