河西走廊地区铁路网络空间布局研究

袁 锋

（中铁第一勘察设计院集团有限公司 线路运输设计院，陕西 西安 710043)

1 河西走廊铁路网布局研究

1.1 研究背景

铁路是区域经济发展的重要支撑，完善的铁路网能够为区域内部货物流动、人员往来提供良好的运输支持，促使经济社会更好地发展。很多学者对铁路网进行了研究，高玉祥等[1]以GDP 密度、人口密度和路网密度研究了新疆的铁路网扩张规律。张野等[2]对西北五省的铁路网与区域发展的耦合关系进行研究，指出了该地区今后路网建设的方向。关于路网的可达性研究，徐旳等[3]以江苏省高等级公路为研究对象，分析了公路网络建设对区域可达性的影响及各地市的可达性特征。李红昌等[4-5]通过构建DID 估计模型，以第三产业区位熵等指标作为集聚经济指数，定量分析了高速铁路对城市集聚经济产生的影响。

之前学者们的研究主要集中在路网扩张规律方面[6]，对于运用可达性指标对铁路网空间布局方面的研究则比较少。可达性是评价交通便利程度的重要指标，能够在一定层面较好地反映路网建设水平。以河西走廊为研究区域，以可达性为评价指标，运用地学统计、空间分析等方法研究2015 年和2020 年2 个时间节点的河西走廊铁路网可达性空间分布，并预测2025 年的路网可达性，给出今后铁路建设的决策建议。

1.2 河西走廊概况

2019 年国家发展和改革委员会印发《西部陆海新通道总体规划》[7]，明确指出提升通道对西北地区的辐射和联动作用，有力促进西部地区开发开放。河西走廊作为“一带一路”的重要节点区域，地理位置和区位优势明显，是联通新疆、中亚的铁路通道地区。研究该地区的铁路网空间布局，明晰该地区铁路建设的优势与不足及路网空间布局和经济社会的适应性，不断加快铁路建设来优化路网布局，对建设陆海新通道和加快河西地区经济发展有重要意义。河西走廊因位于黄河以西，为两山夹峙得名[8]，占地面积为24.57 万km2，约占甘肃省总面积的55.4%，地理位置重要，是内地通往新疆、西亚及中亚的重要通道，跨越甘肃省的武威市、金昌市、张掖市、酒泉市和嘉峪关市，走廊内兰新高速铁路(兰州—乌鲁木齐)、兰新铁路(兰州—乌鲁木齐)、干武铁路(干塘—武威)、敦煌铁路(柳沟—饮马峡)等构成了区域铁路网，河西地区人口约占到甘肃省总人口的1/5。人口、行政区和经济数据都取自河西地区5 市各县(区)2015年、2020 年国民经济和社会发展统计公报。由于铁路从开工建设到竣工通车的时间较长，且铁路网规划建设周期与国家的“国民经济五年计划”基本一致，因此时间节点选择了“十二五”末(2015 年)、“十三五”末(2020 年)，并对“十四五”末(2025 年)进行了预测，通过利用这3 个时间节点的路网数据进行研究。根据我国铁路、公路的设计速度目标值，并充分结合河西走廊地区的铁路、公路实际运营情况，给出各种类型的公路、铁路速度赋值。速度赋值如表1 所示。

表1 速度赋值 km/hTab.1 Velocity assignment

1.3 模型构建

1.3.1 可达性

可达性受到多种因素的约束，通常有加权平均旅行时间、日常可达性等指标，由于河西走廊地区的城市发展差异不大，所以选取平均可达性作为研究指标。平均可达性指的是研究区域内的一个点到其他点的通行时间的平均值，值越小则表明该点的通达程度越好、区位优势越强，其计算公式为[9-11]

式中：Ai为节点的可达性均值；Tij为i节点到研究区内j节点的最短铁路交通时间；n为研究区内除选中节点外的其他节点数总和。Ai的值越小表示该节点的可达性越好，反之则表示该节点的可达性越差。

1.3.2 网络分析

网络分析就是根据已经构建的网络中各元素的拓扑关系，利用元素的属性信息对网络的性能进行分析评价[12]。网络数据集适用于创建交通网络，使用GIS 网络分析时执行该操作，分析过程始终在网络数据集中进行。网络数据集由包含了简单要素 (线和点) 和转弯要素的源要素创建而成，线要素类、点要素类可分别作为边要素源、交汇点要素源，要素的基本属性有名称、使用类型、单位、数据类型和默认情况下是否使用[13-14]。通过GIS 地理数据库中的要素数据集来创建，地理数据库要素数据集中的所有要素均可作为网络源参与网络数据集。构建时将需要参与网络分析的要素类放到同一个要素数据集中，在网络数据集编辑完成后，必须对网络数据集进行构建后才可用于分析。根据矢量化的路网数据和行政区划数据空间关系，利用GIS软件建立河西走廊路网数据集。网络分析图层可以对网络分析的输入、属性和结果进行存储，包括网络分析类和网络分析对象，其中网络分析对象以合成图层的形式显示在GIS 的图层列中。通行成本可以利用网络分析中的OD 成本矩阵分析图层进行计算，由于网络分析的执行将始终针对特定的网络数据集，故在此之前需要将分析图层与网络数据集绑定。计算时如果阻抗为时间，则会求出耗时最短的路径；如果阻抗为距离，则会求出路程最短的路径。OD 矩阵将起点和终点分别按行为起点区、列为终点区排序，以任意两分区之间的居民交通出行量(OD 量)为元素的矩阵，如公式 ⑵ 所示。网络分析是GIS 重要的空间分析功能，通过GIS 网络分析和OD 矩阵原理可计算区域内节点间的通达时间，进而分析得到各节点的空间可达性。

2 铁路网络布局的时空变化

2.1 基于可达性分析的2015 年铁路网络空间布局

2015 年河西地区主要形成了以兰新高速铁路、兰新铁路为骨架的铁路网，基于路网数据和GIS 软件构建计算通达时间的网络分析模型，得到2015年河西地区各城市节点的相互间通达时间及铁路网可达性，其中，通达时间是指通过网络数据集计算得到的各县区间的最短通行时间，能较为直观地表示2 个节点之间的通行时间成本。2015 年、2020 年河西地区县(区)相互间的通达时间如表2所示。

由表2 可知，各县区相互通达时间最长的是天祝至肃北，时间为13.6 h；通达时间最短的是从嘉峪关至酒泉，时间为0.3 h。虽然兰新铁路串联了河西地区的5 个地级市及部分县，且兰新高速铁路连接了张掖、酒泉、嘉峪关三市，但由于高速铁路部分线路位于青海省境内，金昌市、武威市境内县区未被连接，与其他城市相互间的通达时间还是比较长。利用可达性模型计算了2015 年甘肃省河西地区主要县区的空间可达性。2015 年县(区)可达性如表3 所示。

表2 2015 年、2020 年河西地区县(区)相互间的通达时间 hTab.2 Travel time between counties (districts) in Hexi region in 2015 and 2020

表3 2015 年县(区)可达性 hTab.3 Accessibility of counties (districts) in 2015

由表3 可知，2015 年各县(区)的平均可达时间为4.32 h，可达性最好的甘州区为2.75 h，可达性最弱的肃北县为7.03h。可达性在5 h 以内的县区有15 个，6 h 以内的县区有18 个。地级市及其附近的城市可达性相对于其他地区较好，民勤县由于远离铁路干线，可达性为5.14 h。可达性主要呈现以张掖为中心向两端逐渐变差的趋势，被铁路串联及铁路沿线的城市节点的可达性都较好，主要为张掖市和酒泉市大部分区域，酒泉市的西南部可达性最差。可达性与区域发展、地理位置的联系较为紧密，张掖和酒泉市肃州区的经济较好，路网建设较为完善，且位于铁路主通道范围内，可达性显著优于其他区域。

2.2 基于可达性分析的2020 年铁路网络空间布局

2019 年12 月18 日历时7 年的敦格铁路(敦煌—格尔木)建成通车，形成了我国在西北地区的第一个环形铁路网，连接了甘肃省酒泉市和青海省格尔木市，西北路网布局得以进一步完善，酒泉市阿克塞县、肃北县从此有了铁路通达。同时连接包兰铁路(包头—兰州)和兰新铁路(兰州—乌鲁木齐)的干武铁路(干塘—武威)增建二线开通运营，列车运行速度和运输能力得到进一步提升。基于GIS 网络分析模型计算得到的县区间通达时间，肃北、阿克塞到其他地区的时间进一步缩短，便捷性也得到了较好的提升。

2020 年各县(区)可达性如表4 所示。2020年河西地区的县区可达性平均值为4.17，较上一时间节点提升了0.15 h，是由于兰新高速铁路的通车，被其串联的节点的可达性提升很大。可达性在5 h以内的县区为10 个，6 h 以内的县区数目未发生变化。可达性较弱的地区主要为酒泉市东南部、武威市北部，依然是河西走廊路网建设的薄弱地区，经济发展与铁路建设的耦合作用不强。

表4 2020 年县(区)可达性 hTab.4 Accessibility of counties (districts) in 2020

肃北县的可达性由原来的7.03 h 提升为6.46 h，甘州区的可达性提升了0.09 h。可达性提升最大的是阿克塞县，提升了0.51 h，由于之前没有铁路通达，所以在敦格铁路通车及柳敦铁路(柳园—敦煌)提速改造后可达性提升很明显，与区域内其他城市间的联系进一步增强，高速铁路的建设对沿线地区可达性的作用程度明显。

经过一段时期的铁路建设，河西地区铁路运输的能力不断增强，普速铁路的覆盖率已经达到100%，但高速铁路通达率不高，武威、金昌还没有高速铁路，铁路建设还有很大的空间。目前，由于兰新高速铁路只串联了张掖、酒泉、嘉峪关，未来应该尽快建设兰张城际铁路武威至张掖段，释放兰新铁路的货物运输能力，满足西部陆海新通道建设不断增长的货物运输需求。在进行主干道建设的同时，适度加快酒额铁路(酒泉—额济纳)、敦格铁路二线其他分支线路的建设，加大干线铁路在区域内的有效辐射面积，实现全地区经济的协调发展，同时加快建设兰州至张掖城际铁路，形成从兰州经河西五市到新疆的高速铁路大通道，为地区发展提供重要支撑。

2.3 基于可达性分析的2025 年铁路网络空间布局

根据《甘肃省“十四五”及中长期铁路网发展规划》及在建的铁路项目，到2025 年将有兰张城际铁路(兰州—张掖)、酒额铁路等建成通车。2020 年、2025 年河西地区县（区）相互间的通达时间如表5 所示。

表5 2020 年、2025 年河西地区县（区）相互间的通达时间 hTab.5 Travel time between counties (districts) in Hexi region in 2020 and 2025

2025 年所有县区的平均可达性提升为3.31 h，可达性在3 h 以内的县区有9 个，4 h 以内的有16个，各县(区)的通达性进一步提升。届时武威市、金昌市的可达性将有很大提升，改变幅度分别为1.63 h，1.44h，河西地区所有的地级市都进入高速铁路网，对地区经济的发展将有积极的带动作用。

为了更好研究和比较各县区的可达性时空变化差异，计算2015 年、2020 年和2025 年河西地区各县(区)的可达性变化趋势。各县(区)可达性变化如图1 所示。

图1 各县(区)可达性变化Fig.1 Accessibility changes of counties (districts)

由图1 可知，张掖市的高台、山丹、甘州、临泽，以及酒泉市肃州的可达性始终是河西地区最优的，这与其地理位置有密切的关系，其始终位于铁路干线大通道附近，铁路对其可达性的改善有很大的作用。而不在铁路作用范围内地区的可达性一直较差，社会经济发展受交通运输约束大。

经过10 年的铁路网建设，河西地区各县(区)的可达性都有了明显的提升，整体的平均可达性由2015 年的4.32 h 缩短为2020 年的4.17 h，至2025年可达到3.31 h，提升幅度为23.4%；但不同地区的可达性提升幅度不一样，由于敦格铁路建设，肃北县和阿克塞县有了铁路通达，再加上兰张城际铁路(兰州—张掖)的开通，可达性将分别提升1.67 h，1.87 h，是河西走廊可达性提升最大的区域，与其他城市的空间联系进一步增强。

由于铁路只有在站点才可以与地方产生相互作用，河西地区地域辽阔，故在加快铁路建设的同时，科学合理构建与铁路运输相配合的综合交通运输体系，进一步提升区域的整体可达性来提高铁路的运营效率和减少铁路建设的成本，以此实现可达性与经济社会相适应的协调发展。

3 结束语

铁路和高速铁路作为河西走廊地区内外联系的重要交通运输工具，有效提升了河西地区可达性，加快了城市之间人员和物资的流动，也引起了城市经济和空间集聚的变化。随着路网布局的不断完善，河西走廊县区平均可达性由2015 年的4.32 h缩短为2020 年的4.17 h，至2025 年预计为3.31 h，已成为区域内经济社会发展重要的运输支撑。在当前河西走廊地区普速铁路网相对完善的情况下，紧抓“一带一路”发展机遇，大力发展陆桥通道，加快区域内高速铁路、干线铁路建设，加快建设新的省际、区际运输通道，以及必要的联络线、城市与经济据点、矿山企业间的线路，构建高效快捷、布局合理的综合交通体系，进而进一步提升不同地区的可达性，缩短各个城市之间的旅途时间，更有效地带动河西走廊地区相关产业发展，为河西地区的发展服务助力。