交通區位演化的經濟發展時空協同與彈性識別
——以重慶市為例

劉志海,楊 丹，汪 洋，2，3,祁鵬衛，2，3,高 鑫，2，3,王力力

(1.重慶師范大學 地理與旅游學院,重慶 401331;2.GIS應用研究重慶市高校重點實驗室,重慶 401331; 3.三峽庫區地表過程與環境遙感重慶市重點實驗室,重慶401331)

交通區位條件的改善是驅動區域發展的重要動力,在區域經濟發展過程中扮演著重要角色,它對區域發展具有的引導、支撐和保障作用顯著且可量化描述[1]。自工業化、規模城鎮化以來,交通基建投資劇增和經濟高速發展導致世界地表景觀變化各異,引發了眾多學者聚焦于兩者關系的研究[2-5]。自20世紀80年代以來,我國進入快速發展軌道。重慶市作為我國的縮影和范例,在近10年的工業化、城鎮化和交通基礎設施建設方面取得了重要進展,如何針對典型區域、重要時段,捕捉在“兩化”關鍵期交通區位演化和區域發展之間的定量關系成為值得深入探討,并富有啟發意義的重要學術問題。

源于交通網絡的自身發展和分析手段的進步,現狀研究成果相對豐富,主要集中在以下幾個方面:①交通基建投資與經濟增長、產業和城鎮化等方面的相互關系,公路、高速公路、高鐵的網絡布局等對區域經濟發展的影響等[6]。Aschauer等[7]使用美國1945—1985年時間序列和橫截面數據研究發現,生產率的提高與政府用于公共設施的投資高度相關。有學者探討了歐洲公路網[8,9]、高鐵網[10,11]對區域通達性的影響[12]。國內學者對公路[13]、鐵路[14]、高鐵[15]和航空等不同交通方式的通達性水平進行了定量評價[23]。②交通區位演化的定量評價研究，如交通網絡可達性概念與測評[16]、交通流空間建模[17]等。其間,為量化描述區域的通達性水平,金鳳君等[1]提出交通優勢度的概念。交通優勢度是評價區域交通的一個集成性指標,主要指某地區交通條件優劣和通達性水平的高低,并采用多因素綜合集成法從“質”、“量”和“勢”3個方面構建交通優勢度評價的數理模型[23]。該理論模型隨后被相關學者在多個區域進行了驗證研究,如海南省[18]、湖南省[19]、廣東省[20]、河南省[21]、江西省[22]、西北地區[23]、成渝地區[24]等。以上學者從多角度分析了不同地區的交通區位條件和區域經濟間的關系,交通區位演化對區域經濟發展的影響,但關于交通區位演化和區域經濟發展的協同性研究較少。2005—2015年是重慶直轄后的關鍵發展期,是經濟增長、交通建設和城鎮化快速并進的10年,在我國具有相當的典型性。本文以重慶市為例,以GIS技術為平臺,通過交通區位指數模型的建立,分析2005—2015年重慶市交通區位演化與區域經濟發展之間的定量協同關系,識別交通區位演化對區域經濟發展的彈性響應,以期為相關研究和決策提供參照。

1 數據和方法

1.1 區域概況與數據

2005年末,重慶市總人口為2798萬人，城鎮化率為45.2%，GDP為3070.49億元。截止2015年,重慶市總人口3371萬人、城鎮化率60.9%、GDP為1.57萬億元,同比增長率分別為20.5%、34.7%和411.3%。2005年重慶高速公路通車里程為748km、鐵路1117km、水路總里程4222km，到2015年底，重慶高速公路通車里程超過2800km、鐵路1929km、水路總里程4451km,增長率分別為274.3%、72.7%和5.4%。本文所用交通空間數據來源于OpenStreetMap數據庫、中國科學院數據中心、重慶市1∶10萬交通圖等。社會經濟數據來源于2006—2016年的《重慶市統計年鑒》。運用ArcGIS10.3軟件,對獲取的原始數據進行配準、校正等預處理,建立基礎空間數據庫。

1.2 交通區位指數

基于交通優勢度模型[1],建立區域交通區位指數(RTLI),以表征區域在特定時段交通區位的優劣程度。由內部交通優勢度(ITDI)、外部交通優勢度(ETDI)加權求和得到,計算方法見式(1)。式中,f1和f2分別表示內部交通優勢度(ITDI)和外部交通優勢度(ETDI)兩種集成要素,wi表示對應要素的權重。在集成之前,先將ITDI和ETDI的數值分別進行0—1標準化處理。

(1)

內部交通優勢度(ITDI)表示區域內部通達能力,由區域內部的一般性交通網絡要素派生,其本質為道路密度,以區縣為單元,計算方法見式(2)。式中,Di表示評價單元內某一類型道路的里程,D1表示研究區的軌道交通里程,因其客運效率一般為公路運輸3倍以上,故其里程核算為實際里程的3倍。D2—D5分別表示快速路、國道、省道和縣道里程,D6為城市主次干道里程,S表示研究區的國土面積。

(2)

外部交通優勢度(ETDI)表征區域間的交通可達性水平。一般而言,跨區域交通通達能力由高速公路、鐵路、機場、港口等因素決定。參考《省級主體功能區劃分技術規程》,不同類型的交通線路設置不同的緩沖區。計算方法見式(3)。式中,ETDIi表示第i區域外部交通優勢度；Si表示第i區域總面積；TR1為距離鐵路5km面積；TR2表示距離高速公路10km面積；TR3為距離國道5km面積；TR4為距離省道2km面積；TR5為距離主樞紐港10km面積；TR6為距離一般港口5km面積；TA7為距離干線機場30km面積；TR8為距離支線機場10km面積。考慮不同技術等級交通網絡的影響范圍不同,故不再賦權重。通過熵值法計算得到內部交通優勢度、外部交通優勢度的權重分別為0.3983和0.6017。

(3)

1.3 經濟發展水平指數

采用綜合指標法[18]選取指標,用主成分分析法測算重慶各區縣的經濟發展水平指數(EDI)。從經濟實力、經濟結構、人民生活水平3個方面選取18個經濟指標,包括:X1(GDP)、X2(人均GDP)、X3(一般公共預算收入)、X4(一般公共預算支出)、X5(固定資產投資總額)、X6(社會消費品零售總額)、X7(金融機構存款余額)、X8(城鎮非私營單位就業人員平均工資)、X9(城鎮非私營單位在崗職工人數)、X10(貨物進出口總額)、X11(實際利用內資總額)、X12(居民人均可支配收入)、X13(居民人均消費支出)、X14(第二產業生產總值)、X15(第三產業生產總值)、X16(建筑業總產值)、X17(衛生技術人員數)、X18(衛生機構床位數)。

采用巴特利特球形法和KMO法檢驗經標準化處理后的數據的因子分析可行性,在因子分析可行基礎上,按特征值大于1和累積貢獻率大于85%的準則選取主成分分析法提取公因子。通過正交旋轉得到18項指標的荷載矩陣,并命名解釋;同時,以各因子的方差貢獻率占總方差貢獻率的百分比為權重,加權求和得各縣市經濟發展的綜合指數[18]。

1.4 彈性系數

彈性系數(EI)是一定時期內相互聯系的兩個觀測指標增長的比率,即一個變量變化相對另一個變量變化的敏感度。計算公式為:

(4)

(5)

(6)

式中,EIRTLI、EIITDI、EIETDI分別表示經濟發展水平相對于綜合交通、內部交通和外部交通的彈性系數,EDI和RTLI(ITDI、ETDI)分別表示基準年經濟發展水平和交通區位指數(內部和外部),ΔEDI和ΔRTLI(ΔITDI、ΔETDI)分別表示兩個變量的變化率。

2 時空演化與協同關系識別

2.1 交通區位時空演化

從數量特征來看,2005年重慶市內部交通優勢度的均值為0.5939,有兩個區縣大于1,最大值渝中為6.9449,最小值巫溪為0.1063;2015年內部交通優勢度的均值為0.8688,大于1的區縣增至8個,最大值渝中為7.2909,最小值城口為0.1307,進步顯著。2005年,重慶市外部交通優勢度的均值為0.6023,渝中和沙坪壩為最大值1,最小值城口為0.1449;2015年外部交通優勢度的均值為0.7708,渝中、沙坪壩、江北、南岸、九龍坡和大渡口等6個區縣為最大值1,最小值城口為0.2516,整體水平明顯提高。2005年,重慶市交通區位指數的均值為0.3491,最大值渝中為0.9810,最小值彭水為0.0010;2015年交通區位指數的均值為0.4828,最大值渝中為1,最小值彭水為0.0760,整體水平穩步提升(圖1)。

從空間格局演變特征來看,2005—2015年重慶市區域交通區位指數RTLI顯著提高,增長值為0.1338,年均增長率為3.31%;內部交通優勢度ITDI增長值為0.2749,年均增長率為3.9%;外部交通優勢度ETDI增長值為0.1685,年均增長率為2.5%。ITDI的高值區分布在主城9區和周邊區縣,低值區主要在渝東北和渝東南地區;ETDI的高值區在主城區和交通干線周邊、河流干流沿線區縣,低值區主要在渝東北和渝東南地區,交通設施相對落后;RTLI的高值區分布與ETDI類似,在主城9區和交通干線、河流干流周邊區縣,低值區位于渝東北和渝東南地區(圖2)。總體上,重慶市區域交通區位指數的高值區呈“圈層—軸線”狀對外擴張,低值區呈“點—塊”狀減少,高值區和低值區集聚分布,具有明顯的空間異質性。

圖1 重慶市2005年交通區位指數

圖2 重慶市2015年交通區位指數

2.2 經濟發展水平時空演化

經計算,本文所選取指標的KMO值為0.859,且經球形檢驗法得到相伴概率為0.0001,拒絕零假設(<0.05),故所選指標滿足因子分析條件。利用SPSS統計軟件進行主成分分析,按照特征根>1的主因子選擇原則,選入兩個主因子,累計方差貢獻率達到82.665%,對重慶市各區縣經濟發展水平的解釋力較強,見表1。

表1 正交旋轉主成分矩陣

計算主要主成分得分,再以各因子的方差貢獻率占各因子總方差貢獻率的百分比為權重,加權求和,得出各區縣經濟發展水平的指數并進行標準化(圖3)。該指數越高,該地區經濟發展越好,反之則越差。10年間,重慶市交通基礎設施建設的質量、數量和類型均有很大提升。重慶市各區縣經濟發展水平指數的均值由2005年的0.0659增至2015年的0.4310,年均增長率為20.66%,呈高速增長狀態。增長率最高的城口為103.86%,最低的渝中為14.36%;增長值最高的渝北為0.8234,最低的城口為0.1239。其原因是經濟發達的主城9區經濟增長值大,但因起點高,年均增長率就相對低;而經濟落后的渝東北山區,經濟增長值小,但起點低,年均增長率就很高。2005年和2015年均有15個區縣的經濟發展水平值高于重慶市平均水平。

圖3 重慶市經濟發展水平格局演變

從空間格局看,2005—2015年重慶市各區縣經濟發展水平整體上有了巨大提高,空間上呈現出兩極分化格局特征。主城9區(渝中、渝北、江北、九龍坡、沙坪壩、大渡口、巴南、南岸和北碚)整體經濟發展水平高,增長穩健,是全市經濟發展水平的高地,引領全市經濟向好發展;渝西地區整體經濟發展水平良好,分布相對平衡,增長率高,;渝東北、渝東南地區整體經濟發展水平較低,,但增長率高,發展潛力巨大。高值區集中于主城九區和萬州區,呈“中心—圈層”狀遞減趨勢;低值區以“點—片”狀鑲嵌分布在渝東北、渝東南地區,為部分外部交通條件欠發達的區縣。

圖4 交通區位與經濟發展的定量關聯

2.3 時空協同關系

基于前述數據,應用SPSS軟件建立交通區位指數與經濟發展水平指數間的定量回歸模型，結果見圖4。從圖4可見,3種交通區位指數與經濟發展水平的關系呈不同的趨勢。經數據檢驗,對ITDI、ETDI、RTLI分別采取冪函數、指數函數、線性函數的回歸擬合可達最優效果,所有擬合相關性均達到顯著水平。2005年,經濟發展水平指數與ITDI、ETDI、RTLI擬合優度R2分別為0.6182、0.4764和0.7293；2015年,經濟發展水平與ITDI、ETDI和RTLI的擬合優度R2分別為0.722、0.7148和0.7456,通過顯著性檢驗,均達到了0.001的顯著性水平。與2005年相比,2015年的相關性水平更高。

模型表明,經濟發展水平與交通區位指數之間存在顯著的協同相關性,對不同的指標呈現不同的特征。基本規律為:①ITDI與經濟發展水平顯著相關,冪函數擬合效果最好,表明路網密度的增加對不同的區縣有不同的驅動效應。在路網密度起點較高的區縣,其值的增加對經濟增長的促進力度相對較小,反之亦然。②ETDI與經濟發展水平顯著相關,指數函數擬合效果最好,說明高等級交通網絡建設水平起點較高的區域,其發展對經濟成長的促進力度相對更強,反之亦然。③RTLI與經濟發展水平顯著相關,線性擬合效果最好,表明兩種交通網絡對區域經濟的成長具有互補相應,如果兩者均同步提升,則會促進區域經濟大致保持同步增長。④在快速城鎮化時期,兩種指數的相關性水平總體呈上升趨勢,即交通區位的改善水平與經濟成長的聯系會越來越緊密。但從ETDI和ITDI的語義內涵和演化趨勢來看,交通區位指數的增長存在一個極限值。當到達次極限值后,對區域經濟成長的拉動能力也會趨于極限。從目前態勢看,重慶市的極限還未達到。

3 空間彈性識別

綜上所述,重慶市交通網絡與經濟發展之間存在顯著相關性。為揭示兩者間的時空響應特征,采用彈性系數(表2)來識別兩者之間的敏感性關聯。從數量特征看,重慶市39個區縣的ITDI彈性系數大于1;36個區縣的ETDI彈性系數大于1,占所有區縣的92.3%;38個縣的RTLI彈性系數超過1,占所有區縣的97.4%,表明交通建設對經濟發展的總體彈性較強。從空間格局看,彈性系數的分布有顯著的空間異質性。其中,ITDI彈性系數呈現出“點—片”狀分類聚集特征,高值區主要“點狀”集中于都市區(部分)、梁平、墊江、城口，低值區主要“片狀”聚集于渝東北和渝東南區縣;ETDI彈性系數呈現出“片—軸”狀,高值區域集中于“片狀”的都市區和“軸狀”高等級交通輻射充分的部分區縣(如長壽—墊江—梁平—萬州軸線),低值區呈“點—軸”狀分布(如三峽庫區軸線);RTLI彈性的格局特征由上述兩種因子疊加而成,明顯繼承了ETDI的基本格局機理,表現出明顯的“片—軸”狀格局特征。

表2 交通區位演化對經濟發展的彈性系數

注:為了消除異常數據,將小于0.01的因素數值設置為0.01,大于20的因素數值設置為20。

從空間格局看,3種彈性綜合表現出“點—軸—片”的組合鑲嵌特征:①對“點”,主要指ITDI彈性的高值區域。可分兩種情況討論,一是以都市區為代表的高值點。形成高值的原因是:以兩江新區為核心的國家新區近年來高速發展,從而引導投資聚集,相對于路網建設速度,其經濟要素聚集的速度更快。二是以墊江、梁平和城口為代表的孤峰區。原因是：其經濟要素具有一定程度的聚集,但相對于較慢的路網建設速度(如城口縣ITDI僅增加1.6%),從而形成“相對”高峰。②對“軸”,主要指ETDI彈性的高值區和低值區。高值區聚集于主要高速公路和鐵路沿線(如G65、G50、G69高速,渝黔線、襄渝線等),低值區則分布于三峽庫區沿線。究其原因,可解釋為:高等級交通網絡的形態目前還未形成互通性網絡,多以同走向的軸狀形態存在(同走向疊加),派生出“軸狀”輻射能力,從而導致ETDI數值較低。同時,該區域的經濟要素的聚集速度相對較快,兩者相較,形成較高的彈性。對庫區而言,得益于近年來高等級交通網絡建設,其輻射能力的增加相對較快(ETDI較高),在經濟成長速度大致同速情況下,兩者相較,導致彈性相對較低。③對于“片”,主要指ITDI彈性的相對低值區。

4 結論與探討

本文以重慶為研究區,以區縣單元為樣本,通過建立交通區位指數模型,運用GIS空間分析技術、主成分分析、相關分析和彈性系數法,多指標、多角度地分析了2005—2015年的重慶市交通區位演變與區域經濟發展的時空響應與彈性關系,得出以下結論:①自2005年以來,重慶市的交通網絡條件不斷發展,ITDI、ETDI和RTLI均值分別從2005年的0.5939、0.6023、0.3491增至2015年的0.8688、0.7708、0.4828。整體格局呈現空間異質化同向增長趨勢,高值區域呈“圈層—軸線”狀擴展態勢,高值區主要集中在主城區及周邊、交通干線沿線和河流干流沿岸地區,低值區主要位于渝東北和渝東南山區,增長速度很快。②重慶市經濟發展水平指數的均值由2005年的0.0659增至2015年的0.4310,年均增長率為20.66%,呈高速增長狀態。空間增長呈自相關性,高值區分布于主城9區周邊和萬州區,呈“中心—圈層”狀向外遞減態勢;低值區以“點—片”狀鑲嵌分布在渝東北、渝東南地區,主要是一些外部交通條件欠發達的區縣。③重慶市交通區位演變與區域經濟發展水平的同向正相關關聯顯著,ITDI、ETDI和RTLI的擬合優度R2分布分別由2005年的0.6182、0.4764和0.7293提升至2015年的0.722、0.7148和0.7456。對ITDI而言,冪函數回歸模型最優,意味著路網密度起點高的區縣,其值增加對經濟增長的促進力度小,反之亦然;對ETDI,指數回歸模型最好,證明高等級交通網絡建設水平高的區縣,其發展對經濟增長的促進力度更強;對RTLI而言,線性擬合效果最好,意味著兩種交通網絡條件對區域經濟增長具有“互補效應”,如兩者同步提升,則會促進區域經濟的同步增長。④不同發展起點的區域,其交通區位對經濟發展影響的彈性差異較大,3種彈性綜合表現出“點—軸—片”的組合鑲嵌特征。ITDI彈性的高值區域呈點狀分布,原因是區域內經濟要素的迅速集聚;ETDI、RTLI的彈性高值區與低值區呈軸狀分布,高值區聚集于主要高速公路和鐵路沿線;低值區則分布于三峽庫區沿線;ITDI彈性的相對低值區呈片狀分布。

圖5 彈性系數的空間格局

本文的技術方法雖然可有效地揭示區域交通區位的相對優勢和劣勢,但是交通區位指數仍是一個不統一的學術概念,其理論內涵、表達結構和評價方法值得修訂和完善。為了更準確地分析區域交通演化,需要繼續建立更長的時間序列評價模型。同時,本文沒有考慮研究區外交通網絡的影響。因此,后續研究還將關注研究區外的交通網絡對區域經濟發展的影響,交通區位條件對區域城鎮化、人類活動等方面的影響,以期待更全面系統地分析交通區位條件對區域內各要素的協同性作用機理。