高玉祥，韩 峰，任 洁，陈国栋，牛进德

(兰州交通大学土木工程学院， 兰州 730070)

铁路是国民经济发展的大动脉，对区域发展具有引导、支撑和保障能力，对沿线经济发展也有积极的带动作用。区域经济的快速增长和对外联系的不断增强，对铁路运输的需求会逐渐增大，而地区铁路网的不断完善，能够进一步激发该地区的经济活力，引导社会经济更好地向前发展。张文尝提出了“交通经济带”理论，研究了交通运输对区域经济发展、社会空间结构的作用[1]。齐喆等构建综合交通承载力模型，对京津冀城市群的各种交通运输方式及综合交通承载力的变化趋势进行向量回归的定量分析[2]，主要研究了铁路对社会发展的带动作用和发达地区交通的承载力情况，没有在定量的层面上研究问题。罗鹏飞和关颖分别探讨了高速铁路对区域经济发展的影响和安徽省县域交通可达性与区域经济的空间耦合及关联类型[3-4]，并将可达性引入到铁路的带动作用分析中。白永平等利用统计分析和GIS结合的方法，探讨了兰新铁路沿线经济带区域经济差异的时空格局及空间作用类型，薛静分析了青海省公路网时空演化与区域经济的耦合关系[5-6]。戢晓峰等运用Arc GIS空间分析、交通优势度模型和耦合协调度模型等方法，对云南省县域城镇化与交通优势度的时空演化特征进行系统分析[7]。这些都是针对某一具体指标进行研究，未将有关的指标综合到一起，系统分析铁路网建设与区域发展的关系。

目前很多学者对不同时间和尺度下的公路网空间格局及演化规律进行研究，分析公路网对区域发展的促进作用[8-9]。也有学者研究了一定区域范围内铁路网的扩张规律，但对铁路网与区域发展的耦合协调关系的研究则较少[10-13]。以甘肃省14个市(州)为研究对象，运用地学统计方法、熵值法、Arc GIS软件等对甘肃省铁路网与区域发展的耦合关系进行研究，为甘肃省今后的铁路建设规划提供决策支持。

1 研究区域概况

1.1 路网交通现状

甘肃省位于中国西部、黄河上游，周边与陕西、宁夏、新疆、四川等省区接壤，是通往新疆、中亚、西亚的战略要道，同时也是西南、西北联系的枢纽，地理位置十分重要。甘肃铁路网主要以陇海线、宝兰高铁、兰新线、兰新高铁为主轴串联省内大部分城市，兰青线、宝中线、西平线和干武线等为支撑形成了连接省内市州和周围省份“鱼刺状”分布的铁路运输网。截止2017年末，甘肃省铁路通车总里程已达到5 000 km以上，其中高速铁路1 200 km左右[14]，铁路发展现状如图1所示。但甘肃省铁路网覆盖面不足，个别市州依然没有铁路通达，发展不平衡现象依然存在，严重限制了铁路对这些地区社会经济发展的带动作用。

图1 2017年甘肃省铁路网发展现状

1.2 区域经济现状

2017年全省GDP依旧保持较快增长，兰州市GDP超越2000亿元，位于全省第一，总量和紧随其后的庆阳、天水、酒泉三市总和相当，位于经济的第一梯队。甘南州GDP为136亿元，排名全省最后。工业城市金昌、嘉峪关经济增长较为缓慢，发展力明显不足。其余各城市GDP总量和发展速度相差不大，以7%左右的平均增长速度向前发展，在“一带一路”发展倡议实施下甘肃迎来了新的经济增长点。

1.3 数据来源

铁路网各项指标数据来源甘肃省“十三五”铁路发展规划，甘肃省旅游交通示意图2018版(湖南地图出版社)，区域经济数据取自《2011年甘肃省统计年鉴》、《2016年甘肃省统计年鉴》、甘肃省各市(州)2011年、2016年国民经济和社会发展统计公报[15-16]。

2 研究方法

2.1 耦合作用原理

耦合是指两个或多个系统通过内部要素之间的各种相互作用而彼此影响的现象，反映的是各个系统之间相互依赖、相互影响的协同关系。

交通运输可以实现劳动力及生产资料的空间转移，通过提高区域的交通可达性提升运输效率、区位优势来促进经济发展。反过来区域发展过程中经济要素在空间上的转移需要各种交通运输工具来完成，促使运输能力的增强和交通格局的优化，其相互作用机制如图2所示。

图2 铁路网与区域经济耦合作用机制

2.2 指标体系选择

指标体系的建立主要遵循以下原则。

(1)科学性，以科学合理的原则建立指标体系来客观、真实反映各指标间的关系。

(2)可行性，应选择易获取、有代表性的数据。

(3)完备性，指标体系要覆盖足够的内容，可反映铁路网与区域经济的耦合关系。

(4)动态性，选取的指标体系可以对不同时间的铁路网与区域经济的空间耦合进行描述，并预测未来的发展趋势。

根据以上原则，把铁路网与区域经济耦合系统分解为两个子系统，指标体系如图3所示。

图3 指标体系结构

通过以上分析，铁路网的发展会促进沿线区位优势的提高、提升区域可达性，带动沿线经济快速发展。区域经济快速发展又需要完善的交通网来为其服务，实现人员和物资的快速转移。从这个耦合机制出发，选取C1～C6作为铁路网指标体系，由于当地人口、游客数量是潜在客运量大小的重要表征，在车站设置、线路平面位置选择中有重要作用，故本文把其作为铁路网系统指标来衡量。C7～C12是区域发展指标，GDP、人均GDP都代表对交通的需求强度，GDP越高越需要修建铁路来带动经济，三大产业的总值及旅游收入从社会发展方面反映区域发展水平。

利用Arc GIS软件，将甘肃行政区划数据和铁路网数据导入，计算出2016年的各市州铁路网密度，并用Spatial Analysis中的IDW(反距离权重插值法)对路网密度空间化[17]，结果见图4。

图4 2016甘肃省铁路网密度示意

2.3 指标权重计算

以图3中指标及其相应数据为样本，利用熵值法可分别计算出2011年、2016年、2021年三年铁路网与区域经济系统各指标的权重[18]，过程如下。

求第j个属性下第i个方案Ai的贡献度

(1)

求出所有方案对属性Xj的贡献总量

(2)

熵值逆向化

(3)

各指标权重aj计算

(4)

计算得到的2016年各指标权重见表1。

表1 2016年评价指标权重

3 耦合关系动态分析

3.1 耦合度和耦合协调指数计算

设变量Ui(i=1，2，…，n)，Uj(j=1，2，…，n)表示系统，多个系统相互作用时耦合度用Cn=n{(U1U2…Un)/π(Ui+Uj)}1/n来表示，本研究只有铁路网、区域经济两个对象，即只有两个系统，所以简化为

(5)

式中，C为两个系统的耦合度；F(x)和G(x)分别为铁路网与区域经济的综合评价值，由下式计算

(6)

式中，aj、bj分别为两个子系统中各指标占子系统的指标权重；xj、yj分别为用极差标准化方法得到的评价指标的标准化值。

标准化值由下式计算

(7)

式中，cij表示样本i的j个指标数值；cjmax、cjmin分别表示为第j项指标最大值与最小值。

在研究各市(州)的铁路网与区域经济的耦合关系时，用耦合度反映两个系统关系会出现与实际不符情况，不能够真实反映出铁路网与区域经济的协同发展情况[19]，故引入耦合协调度模型

D(xy)=(CT)1/2

(8)

式中，D为耦合协调度；C为耦合度；T为铁路网与区域经济的综合协调指数，反映铁路网与区域经济相互促进、协同发展对协调度的影响。

综合协调指数

T=αF(x)+βG(y)

(9)

式中，α、β为待定系数，由于铁路路网系统与区域经济系统对甘肃省的经济社会整体发展有同等重要的贡献作用，故α和β均设为0.5。

3.2 各市耦合度的类型划分

借鉴前人的研究成果[20]，对铁路网和区域经济的耦合协调度等级划分如表2所示。

表2 耦合协调度等级划分

铁路网与区域经济失调有两种类型，一种是区域经济快速发展而铁路路网建设没有跟上，交通制约经济发展导致两者不协调，如庆阳市和金昌市；另一种是高速铁路建设速度超前，区域经济发展缓慢导致两系统不协调。

将甘肃省各市(州)2011年铁路路网系统和区域经济系统的各项指标值代入以上公式，计算得到各市(州)的铁路网与区域经济的耦合协调度类型，并在Arc GIS中进行空间化得到图5。

图5 2011年耦合协调类型分布示意

兰州是优质耦合协调类城市，说明铁路网系统与区域经济系统进入良性循环阶段，二者相互促进。酒泉、天水是甘肃省经济发展比较好的城市，区域内有被誉为“亚欧大陆桥”的陇海—兰新铁路大通道，促进了当地经济迅速发展。

白银、定西、平凉、武威和张掖是勉强耦合协调类城市，铁路网建设基本可以满足经济发展的需要，这些地区应该以改善交通条件为契机，加快交通运输对经济的带动作用。

庆阳是甘肃能源产业基地，近年来经济发展迅速，但由于没有铁路，交通运输对经济发展的带动作用明显不足。甘南、临夏是甘肃主要的少数民族集聚区，交通不便使区域内丰富的旅游资源没有很好利用，减弱了旅游业作为支柱产业带动当地发展的作用。陇南市大部分为山区，由于地形地质条件复杂，铁路建设迟滞不前，区域内有众多的国家森林公园，且与世界知名旅游胜地“九寨沟”接壤，可达性限制了旅游产业发展。

嘉峪关和金昌都处于失调的边缘，市内已经形成覆盖全市、畅通高效的铁路运输网，由于两者都是工业城市，经济发展处在转型阶段，需要合理调整产业布局来拓宽经济发展空间。

2011年—2016年是铁路建设快速发展的六年，尤其是2013年、2014年甘肃省铁路项目完成投资居全国第一，与全国平均发展差距进一步缩小，2016年的铁路建设量包括后期运营的宝兰高铁和兰渝铁路，耦合协调类型空间分布如图6所示。

图6 2016年耦合协调类型空间分布示意

兰州市依旧是优质耦合协调类型城市，且正在建设地铁项目，届时将会实现城市铁路网与区域铁路路网的一体化，促进兰州成为我国在“一带一路”建设中的重要交通枢纽。

兰新高铁和宝兰高铁打通了内地连接新疆的铁路客运大通道，对促进新疆地区与内地之间的经济往来和文化交流具有重要意义，串联了省内的天水、定西、兰州、张掖、嘉峪关和酒泉六大城市。兰渝铁路缩短西南、西北的列车可达时间，是陆上丝绸之路和海上丝绸之路的联系纽带，开通后陇南市由濒临失调型转变为了勉强耦合协调型，对促进甘肃东南部地区的旅游产业有很大的推动作用。

通过“十三五”铁路项目建设规划和预测得到的各项经济指标数据，对2021年甘肃省的铁路路网与区域经济的协调类型进行模拟分析，为当下的甘肃省的铁路建设提供一些具有参考性的建议，发现路网发展比较薄弱的一些地区铁路路网和区域经济的耦合类型都逐步由失调型向协调型转变，耦合协调类型空间分布如图7所示。

图7 2021年耦合协调类型空间分布示意

兰合铁路、银西高铁和格敦铁路建成以后，能源大市庆阳的协调类型由濒临失调转变为勉强耦合失调，高速铁路会给庆阳市经济增长带来新的活力。兰合铁路连通了兰州、临夏和甘南，缩短了两大自治州与省会间的可达时间，对推动少数民族地区的经济发展、文化交流具有重要的意义。

对比分析各市州不同时间节点的耦合协调度，如图8所示。

图8 各市(州)耦合协调度变化

从图8可以看出，甘肃省各市州铁路网与区域经济的耦合协调度在不断变化，兰州在不同的时间断面都是耦合协调度最高的城市，甘南州由于路网建设不足，耦合协调度始终是最低的。随着铁路的不断建设完善，在建设资源有限的情况下优先发展濒临失调地区的铁路网，使该地区的路网建设进一步优化完善。各市州铁路网与区域经济的耦合协调度呈现一个动态变化的过程，当某地区经济发展较好时，通过修建铁路来提升耦合协调度，使两者的发展相互协调。路网建设优于经济发展时，该地区会由于铁路交通来带动经济向前发展。

3.3 甘肃省铁路网发展的建议

“十二五”期间甘肃省的铁路建设取得了显著的成绩，但由于国土面积较大，主要城市分布较为分散，铁路网密度依然比较低，路网发展与周边省区比较如表3所示。

表3 甘肃省铁路营运里程与周边省区比较

甘肃省铁路网密度仅占到全国平均水平的70%，路网覆盖面与周边省区相比较依然不足，“鱼刺状”的路网形态功能较为单一，对外运输通道不完善，对内各市(州)之间没有直达的便捷通道。民族地区、革命老区由于受经济条件制约，大铁路项目经济评价结果弱，路网发展依然缓慢。

兰州作为省会是未来城市化和工业化重点发展的区域，需要建设规模合理、效率更高的铁路网运输体系，提高铁路的承载能力，保障兰州—西宁城市群一体化发展。

临夏、甘南是甘肃省主要的民族地区，今后应该重点推动铁路网建设，以适度超前的铁路网建设来带动民族地区经济发展和促进文化交流，通过发展优质旅游业来打造新的经济增长点。

平凉、庆阳是能源大市，有丰富的石油、煤炭资源，应该进一步加大铁路网建设力度，将平凉、庆阳地区与陇海运输通道连接，构建能源外运通道实现经济跨越式发展。

4 结论

(1)甘肃省大部分地区的铁路网与区域经济呈勉强耦合或低度耦合关系，铁路网与区域经济相互促进、协调发展的作用不强。

(2)部分市州之间没有直达的铁路通道，铁路网的社会化参与度较低，限制了铁路网对区域经济的带动作用和线网整体运输能力的有效发挥。

(3)甘肃省应针对各个城市的铁路网和区域经济发展情况，指定差别化的铁路网建设方案，优化省内路网布局，实现“铁路带动区域经济发展、区域经济推动铁路建设”的协调发展模式。