城市轨道交通网络与城市空间结构的耦合关系研究

第1章 绪论 1.1 时代背景及研究意义 1.1.1 研究的背景 1. 快速城镇化带来了一系列的城市问题 在全球经济一体化的大环境下，中国经济保持着快速的增长态势。2010年中国国内生产总值（gross domestic product，GDP）首次超越日本，成为仅次于美国的世界第二大经济实体 。2018年中国GDP已达到90.03万亿元 。社会经济的发展推动了城镇化的发展。1980~2018 年，中国城镇化率从19.39%快速上升到59.58% ，年均增长约1.06个百分点。尤其是2000年以来，随着城镇化进程的加快，中国私人汽车拥有量和能源消费总量迅猛增长（图1.1）。2018年私人汽车拥有量首次突破了2亿辆，Cervero（2013）预测，2050年中国私人汽车拥有量将达到8亿辆。能源消费总量则从1980年的60 275万吨标准煤增长到2018年的464 000万吨标准煤，增长了近670%。 城市发展能够增加就业机会、提高居住水平、改善教育质量，同时也会给城市公共资源、社会服务和基础设施带来巨大的压力（姚士谋等，2012）。快速的城镇化也带来了城市中心区过度拥挤、交通拥堵和环境污染等城市问题（刘成玉，2012；Feng et al.，2014；Cervero，2013）。我国众多城市呈现出“单中心”发展、“摊大饼”的模式（刘仁忠等，2018）。在这种发展模式下，城市公共资源过于集中在城市中心区，使得中心区过度拥挤，引发交通拥堵。以北京为 （a） （b） 图1.1 中国改革开放以来城镇化率、能源消费总量和私人汽车拥有量变动 资料来源：《中国统计年鉴》（2019年） 例，2018年路网高峰平均车速为23.35千米/小时，平均每天通勤拥堵时长为44.97分钟 。交通拥堵带来巨大的外部成本，2011年北京道路交通拥堵总外部成本达到1 171亿元（佟琼等，2014）。另外，快速的城镇化发展也带来了环境污染严重、基础设施不堪重负、自然资源承载超负荷等问题（陆大道和陈明星，2015）。针对快速的城镇化发展带来的问题和挑战，2014年3月16日，《中共中央 国务院印发〈国家新型城镇化规划（2014—2020年）〉》（2014年第9号）的出台标志着中国城镇化的发展从“人口城镇化”向“人的城镇化”的新型城镇化方向转变（陈明星等，2019）。如何实现高质量的新型城镇化发展、实现人的城镇化是新时代迫切需要解决的问题（陆大道等，2019）。 2. 城市轨道交通规划过度超前、建设规模过于集中 快速的城镇化发展致使私人汽车拥有量大幅度增长，同时也带来了交通拥堵、环境污染等问题（潘海啸，2010）。城市轨道交通具有速度快、容量大、运营时间长、安全性能高、绿色环保等特点，能够较好地平衡城市人口、资源和环境等要素，被认为是缓解这些城市问题的有效措施（Diao，2015；Kanwar et al.，2019）。1863年1月，世界上**条地铁线路在伦敦开通，迄今已经有150多年的历史。相比于发达国家，中国城市轨道交通建设起步较晚。1953年9月，北京开始筹备修建地铁工作；1965年7月，北京地铁一期工程开工；1969年10月，北京地铁一号线正式通车。随后，天津、上海、广州等城市陆续开通城市轨道交通。2000年后，中国城市轨道交通迅速发展（图1.2）。“十五”期间（2001~2005年），建设投运城市轨道交通399千米，平均每年新增80千米；“十一五”期间（2006~2010年），建设投运城市轨道交通885千米，平均每年新增177千米；“十二五”期间（2011~2015年），建设投运城市轨道交通2 188千米，平均每年新增约438千米 ；“十三五”期间（2016~2020年），建设投运城市轨道交通4 360千米，平均每年新增里程达到872千米。 图1.2 中国城市轨道交通建设运营现状及规划 资料来源：中国城市轨道交通协会2013~2019年《中国城市轨道交通年度统计分析报告》 截至2018年12月31日，中国开通城市轨道交通的城市共有35个，运营线路长度达到5 761.4千米，在建线路长度7 611千米（不含已开通运营线路）①。全国城市轨道交通2018年的平均旅行速度为37.3千米/小时，是其他公共交通方式出行速度的2~3倍。城市轨道交通相比于其他公共交通，具有运营速度快、舒适安全等特点，渐渐成为人们公共交通出行方式的首选。2018年城市轨道交通累计完成客运量210.7亿人次，其中北京、上海和广州等城市的轨道交通全年完成的客运量占公共交通客运总量的比重均超过了50%①。城市轨道交通在现代城市公共交通系统中占据了重要地位。城市轨道交通提升了城市公共交通的供给质量，带来了巨大的外部效应，许多国家和地区都愿意大力发展城市轨道交通（Suzuki et al.，2013）。然而，部分城市的城市轨道交通规划与城市发展水平不相符，规划过度超前、建设规模过于集中，致使城市轨道交通难以有效地发挥其全部作用。此外，部分城市轨道交通规划超出地方政府的财力和建设运营管理能力，大大加重了地方政府的债务负担。事实上，作为一种地方公共品，城市轨道交通的建设资金除了来源于贷款等融资渠道，大部分依赖于政府财政支出（Smith and Gihring，2006），城市轨道交通建设都存在入不敷出的状况。随着城市轨道交通的大规模快速发展，资金问题日益突出，成为制约城市轨道交通发展的关键因素。 3. 城市空间结构亟须优化 随着城市人口的迅速增长，原有的城市交通系统已难以满足持续增长的交通需求，从而引发交通拥堵。城市交通拥堵问题不仅是交通系统自身供给不足引起的，其根源在于交通网络布局与土地利用空间格局的不协调（郑思齐等，2015）。人类社会活动促成城市交通系统和城市土地利用的相互作用，这种相互作用的过程在人为干扰下就是城市空间布局优化的过程（谭琦川和黄贤金，2018）。在城市扩张过程中，城市空间布局需不断优化，城市发展过程同时也是城市空间布局的优化过程（刘仁忠等，2018）。城镇化的快速发展必然带来城市空间发展模式的转型（郭文，2019）。我国经济已由高速增长向高质量发展转变，新时代的发展必须贯彻“创新、协调、绿色、开放、共享”的新发展理念。 城市轨道交通网络的建设大大提高了可达性，引导着城市空间结构的演变，同时带来了土地价值增值和土地开发强度提高等巨大的外部效益（谷一桢和郑思齐，2010）。然而，中国已开通运营城市轨道交通的城市中，有不少未达到预先设定的客流量，站点周边的空间布局并没有很好地与城市轨道交通站点衔接（潘海啸和任春洋，2005），不能有效地发挥城市轨道交通对城市空间发展的支撑和引导作用。《全国国土规划纲要（2016—2030年）》提出我国的国土空间开发格局亟须优化。因此，有必要深入研究城市轨道交通与城市空间结构的耦合关系及其互动机制，为城市空间结构的优化和管理提供理论支持和决策参考，达到高质量的新型城镇化发展的要求，实现城市空间的有序协调发展。 4. 城市轨道交通网络具有复杂性特征 城市轨道交通网络不仅具有投资巨大、建设周期长、影响范围广、公益性明显等特征，更具如下特征：①复杂性。城市轨道交通网络由众多站点和线路构成，城市轨道交通网络的结构既不是完全规则的，也不是完全随机的。城市轨道交通网络具有结构的复杂性，是典型的复杂网络，具有复杂网络的特性（Kanwar et al.，2019）。②增长性。随着城市轨道交通网络的发展，新的站点不断进入城市轨道交通网络中，城市轨道交通网络的发展是动态增长的。③网络性。城市轨道交通网络新线路的设置、原有线路的延长、新站点的设置、新站点与原有站点之间的连接将改变城市轨道交通网络的结构，需要基于整体动态的视角，从网络层面去分析城市轨道交通的网络特性。 城市轨道交通网络包括网络节点和网络连边。网络节点是指城市轨道交通网络的站点，网络连边反映了网络站点之间的连接情况。伴随城市轨道交通网络的发展，新站点的增加改变了网络节点，新站点与原有站点之间的连接情况改变了网络连边。网络节点和网络连边的变化将引发城市轨道交通网络特性的动态演化。因此，把握城市轨道交通网络的复杂性等特征，运用新的理论与方法展开针对性研究，更能有效地揭示城市轨道交通网络的演变过程及其动态规律，对提升城市轨道交通网络的发展质量具有重要意义。 5. 复杂网络视角下城市轨道交通与城市空间结构的耦合协调发展问题 城市轨道交通网络主要服务于城市中心城区和城市总体规划确定的重点地区。网络节点数和网络连边数反映了城市轨道交通网络的规模。如果城市轨道交通网络的规模过大、规划过度超前，将使得城市轨道交通沿线部分土地、空间的开发利用不能很好地与城市轨道交通站点相衔接，难以全面发挥城市轨道交通对城市空间结构的引导作用。网络节点数和网络连边数也是决定城市轨道交通网络的建设和运营管理成本的重要因素（纽曼，2014）。我国城市轨道交通网络的投资主要依赖于地方政府，地方政府需要综合权衡资源的分配与协调。如果城市轨道交通网络的建设规模过大、过于集中，与地方政府的财力不匹配，将加大地方政府的债务负担，不利于提升投资效益。 城市轨道交通与城市空间结构是相互影响、相互作用、相互促进、相互协调的关系。城市轨道交通与城市空间结构之间呈现反馈性、非线性和涌现性等特征。城市轨道交通能够引导城市空间结构的演变，优化城市空间结构；城市空间结构能够促进城市轨道交通的发展。城市轨道交通与城市空间结构的耦合协调发展有利于城市的可持续发展。现有研究主要从微观层面关注城市轨道交通单条线路的增加对城市空间结构的影响。本书基于复杂网络理论，从网络整体动态视角来探讨城市轨道交通与城市空间结构的耦合关系，更能揭示城市轨道交通与城市空间结构的耦合机理。 在上述研究背景的基础上，为了研究城市轨道交通与城市空间结构的深层次关系，本书基于复杂网络理论，构建城市轨道交通网络模型，分析城市轨道交通网络的网络特性及其演变规律；探讨城市空间结构的时空演变规律；通过构建理论模型，研究城市轨道交通与城市空间结构的耦合机理；以北京、上海、广州、深圳、南京、武汉、天津和重庆为案例，实证检验城市轨道交通与城市空间结构的耦合关系；识别主导城市轨道交通与城市空间结构耦合协调发展的关键因素，提出促进城市轨道交通与城市空间结构耦合协调发展的策略（图1.3）。 图1.3 本书的逻辑示意图 1.1.2 研究的意义 本书属于应用基础研究，具有重要的理论意义和实践价值。 1. 理论意义 现有文献主要从微观层面探讨城市轨道交通与城市空间结构之间的相互作用，较少从宏观视角研究整个城市轨道交通网络与城市空间结构之间的相互影响。本书将城市轨道交通系统抽象成一个复杂网络，从网络整体动态层面探讨城市轨道交通网络的网络全局特性的演变规律及其与城市空间结构的耦合关系，弥补了现有研究的不足，丰富和完善了城市轨道交通与城市空间结构关系的研究。 城市轨道交通网络的网络特性对城市空间结构的影响，具有非线性、涌现性等复杂性特征，本书引入复杂网络理论剖析城市轨道交通网络的网络特性及其演变规律，揭示城市轨道交通网络与城市空间结构的耦合机理，拓展了城市管理的研究深度，丰富和完善了城市轨道交通和城市空间结构的理论和方法体系，为实现城市轨道交通与城市空间结构耦合协调发展提供了理论参考与决策支持。