人口作为生产力和消费力的统一体，对区域发展具有加速或延缓发展的作用。影响人口发展变化的因素包含区域政治、经济、自然条件、气候、交通条件等，其中交通条件是一个非常重要的因素，区域或城市交通基础设施的改善有利于促进人口或劳动力要素的自由流动和优化配置。而可达性是利用特定的交通系统，从某一给定区位到达活动地点的便利程度，是对通过最小活动量而获得最大接触机会这一规律的测度；它与交通成本、端点区位吸引力和端点的选择有关^[1]。自Hansen提出可达性概念以来，国内外不少学者采用可达性来衡量区域交通联系的便捷性。从已有实证研究来看，研究区域涉及到全球、洲际、国家、城市群或都市圈、省域等不同尺度的交通可达性及空间格局演变^[2-11]；交通方式包含公路、铁路、高速铁路及航空网络等的可达性水平评价^[12-16]。可达性测度方法主要包括距离法、累积机会法、等值线法、重力模型法等。其中，距离法由于具有概念清晰、简洁直观的优点而适合于宏观层面的可达性评价^[17]。距离计算包括空间距离、时间距离等不同类型，而考虑交通网络及通行成本的成本距离能较好反映可达性实际特征，在区域综合可达性评价领域得到了广泛应用。相关研究案例的评价单元多以市、县级行政单元为主，鲜有关于乡镇评价单元的研究案例；所采用的交通网络也以干线公路为主，综合考虑土地利用、地形条件及乡村道对区域可达性的影响的案例较少。

交通基础设施对人口影响的研究起步比较晚，研究内容主要是集中在交通基础设施的修建以及改善对人口的影响及影响的区域差异等方面。人口作为经济发展、城市发展的内在因素，区域通达性提高将会有利于城市或者区域人口的合理流动，尤其公路交通对人口变化的影响更为显著^[18]。1990年以后，随着铁路网络的扩展，以及铁路运输服务水平的提高，其对人口变化的影响逐步增强^[19]。对于不同的城市和区域，可达性对人口变化的影响表现出空间差异性。Chi的研究发现，高速公路扩建是影响人口变化的重要因素，而且其影响存在空间差异^[20]。Asher等的研究表明，铁路发展对大都市区域内部的人口和经济增长亦有差异性影响，即有利于促进中心区的人口和经济增长，而对于边缘区的影响不明显^[21]。覃成林等指出铁路提速对沿线城市人口增长有着明显的正向影响，且影响表现出明显的区域差异^[22]。王振波等测度了中国县域可达性与人口集聚的关系，通过县域可达性与人口密度的相关性检验，发现交通对经济落后地区的人口集聚作用大于发达地区^[23]。总体上，基于交通条件改善对人口影响的区域差异研究较为丰富，但是对区域内人口与可达性协调发展的差异研究相对较为欠缺。

河南省作为全国人口大省和中部崛起战略实施的重点区域，人口、交通与经济分布仍表现出较明显的不均衡性，如何调整和优化人口空间布局，是实现河南省经济持续、协调发展的关键之一。本文以河南省主导交通方式—陆路交通网络为研究对象，应用改进的成本距离方法，以河南省乡镇为分析单元，结合2010年河南省乡镇人口普查数据，揭示省域内部乡镇可达性与人口分布的空间耦合特征，试图为区域人口政策制定、区域人口布局优化及河南省交通规划提供科学依据。

1 研究方法 1.1 区域可达性计算模型

本文将区域可达性定义为以区域内特定位置为出发点，区域内其他位置为目的地，在给定时间段t内的平均出行距离。这里的出发点设定为区域政府驻地，目的地设定为研究区域内的每一栅格单元。采用以通行时间为权的成本距离，计算覆盖研究区域的全部栅格单元到出发点的通行距离，并转换为通达时间值。然后按照“3小时都市圈”目标，以0.5h为间隔，对每个区域的通达时间图层划分为6个圈层，统计每一圈层栅格单元个数，计算可达面积并转化为距离，以此作为区域可达性值。这里的“3小时都市圈”是以城镇间人员交流一日往返为特征的“一日交流圈”^{[24, 25]}。随着我国公共交通体系的不断完善，城乡居民长距离出行大多数仍以公共交通方式为主；同时，乡镇交通可达性主要是为了凸显县域内部交通可达性的空间差异；这里仍采用王振波计算县级可达性的“3小时都市圈”目标。其公式为：

${d_{ij}} = \sqrt {{S_{ij}}/{\rm{ \mathsf{ π} }}} $

(1)

式中：d_ij为i区域j时间圈层的可达性值，S_ij为对应的可达面积。

1.2 成本距离计算及改进

成本距离是相对于欧氏距离的一种累计距离，通过计算从每个栅格单元到目标单元沿途经过的所有单元的最小累计通行成本距离来实现。相对于欧氏距离，累计通行成本既要考虑栅格单元之间的距离，也要考虑每个单元的通行成本阻抗。计算公式为^[26]：

$c{{d}_{b}}=c{{d}_{a}}+\left( \left( {{c}_{a}}+{{c}_{b}} \right)/2 \right)\times d$

(2)

式中，cd_b为计算单元b的成本距离，cd_a为上一个相邻单元a的成本距离，c_a、c_b分别为单元a、b的通行成本阻抗，b为相邻单元a、b之间的欧氏距离，按其中心点计算。其计算过程是从“源”出发的推移过程，某一单元如有多个上一级相邻单元，则选择其中成本距离最小者。

现有的GIS平台如ArcGIS等都提供了成本距离的计算工具。由于铁路、高速公路的通行必须借助车站或者出入口，因此需改进其计算方法。现有的改进方法主要有缓冲区方法^[27]、通行判断法等，但存在易形成孤立区域、计算较复杂等问题。本文在计算开放路网条件下成本距离的基础上，以火车站和高速公路出入口为通行点进行成本距离累计与最小成本距离判断，分别计算交通网络中加入(高速)铁路与高速公路的成本距离，而每一栅格的成本距离取其最小值。这一方法计算较为简洁，能够保持通行连续性，并且反映更为真实的出行方式。例如，在距离较近的情况下，由于高速或者铁路的封闭性，个体出行方式常选择成本距离较小的普通公路。为了获得更为平滑的距离计算结果，在选择邻域单元时采用KNIGHT邻域(16个方向)进行搜索^[28]。

2 研究区域与数据处理 2.1 研究区域概况

河南省地处中原，位于北纬31°23'—36°22'，东经110°21'—116°39'之间，地势西高东低，下辖18个地级市、159个县(区)，全省土地总面积16.7万km²，总人口10662万人。河南交通区位优势明显，是全国承东启西、连南贯北的重要交通枢纽，拥有铁路、公路、航空、水运、管道等相结合的综合交通运输体系。京广、京九、陇海等9条铁路干线经过河南，郑西、京广客运专线已开通运行，郑徐客运专线建设进展顺利，郑州即将成为全国铁路网中的“双十字”中心。截至2014年底，全省公路通车总里程24.99万公里，公路密度达到149.62公里/百平方公里；高速公路通车总里程达到5859公里；干线公路总里程达到23827公里；农村公路通车里程达到22.46万公里^[29]。考虑省内通行方式以陆路交通为主，本文以河南省陆路交通网络为研究对象，分析乡镇尺度下的可达性空间格局，揭示其与人口布局的空间耦合特征。

2.2 数据来源

为更精确反映可达性格局，以2014年末陆路交通网络数据为基础，基于百度地图补充采集了乡村道数据，生成交通网络数据集，包括从高速铁路、铁路到高速公路、国道、省道、县道及乡村道的所有级别(图 1)。同时，考虑研究区内部分区域没有任何道路覆盖，其通行速度基于地形坡度与土地利用状况数据进行计算与修正。地形数据采用SRTM数据^[30]，土地利用数据采用全球30米地表覆盖数据(GlobeLand30) ^[31]。河南省各级行政区及政府驻地数据来源于地球系统科学数据共享网黄河下游数据分中心。各行政区人口数据来源于2010年河南省人口普查数据^[32]。

2.3 数据处理

(1) 确定通行成本。将整个研究区划分为100m×100m的栅格单元，确定每一栅格单元的通行时间成本(Cross Cell Time，CCT)，如式(3) 所示：

$cct=\frac{c\times 60}{v\times 1000}$

(3)

其中，c为栅格单元边长(100m)，v为通行速度。根据铁路实际时速及中华人民共和国行业标准《公路工程技术标准》(JTGB01-2014)，设定不同等级道路行车速度，并计算CCT值(表 1)。

若栅格单元内无道路通过，对地形与土地利用数据进行重采样后，根据其坡度值与土地利用类型，应用下式计算其通行速度^[33]，并计算其CCT值：

$v<31=\left\{ \begin{array}{*{35}{l}} 6i{{e}^{-{{3.5}^{*}}\left| \tan \left( \frac{S}{57.29578}+0.05 \right) \right|}}&S<{{31}^{\circ }} \\ 0&S\ge {{31}^{\circ }} \\ \end{array} \right.$

(4)

式中，S为栅格单元坡度，参考相关研究^[34]，将坡度超过31°设定为不可通过区域；i为栅格单元速度折减系数，若栅格单元为水域，其为不可通过区域；其余土地利用类型速度折减系数为：建设用地1.0、耕地或草地0.8、林地0.7、灌木林地0.75、湿地或裸地分别为0.2。

(2) 可达性计算与分析。首先分别计算每一栅格单元与所有乡镇政府驻地的成本距离，生成2096个乡镇可达性图层，并将成本距离值转换为时间值；应用式(1) 计算各行政区6个时间圈层的可达性值，并与乡镇人口密度进行空间叠加，以分析乡镇人口与可达性空间耦合特征。

3 河南省乡镇可达性空间格局

应用上述方法分别计算了每个乡镇0.5h、1.0h、1.5h、2.0h、2.5h、3.0h共6个时间段(时长均为0.5h)内的平均出行距离，从而得到从每个行政区政府驻地出发，以0.5h为时间段，从内到外6个时间圈的可达性值。各时段可达性平均值分别为10.9km、27.0km、43.0km、57.8km、70.3km及79.0km。采用Natural Breaks (Jenks)分类法，分别将各乡镇6个时间圈层分为低、中、高三级(图 2)。

3.1 总体格局呈现明显的圈层分布，且时段越长圈层分布越明显

可达性值总体呈现由内向外逐渐降低的圈层分布。低值区乡镇主要环绕在河南省的周边，尤其以西南部、东南部和东部分布最为集中，主要包括三门峡、洛阳南部、南阳西北部、信阳东南部和商丘的东部。可达性高值区主要集中在中原城市群地区，其中以黄河以南的郑州、许昌、漯河、开封最为集中，其次为驻马店、新乡与鹤壁的京广高铁两侧区域。时段越长圈层分布越明显，1.5h、2.0h、2.5h、3.0h的可达性中值区分布在可达性高值区和低值区的中间。0.5h、1.0h时段的可达性高值区和中值区的圈层分布特征不显著，高值区呈现明显的沿交通线分布，如纵向京港澳高速、横向连霍高速沿线、宁洛高速、沪陕高速、大广高速以及济广高速沿线等，而中值区则环绕在高值区的外围。

3.2 可达性高值区主要集中在河南省的核心增长极及主要交通轴线沿线地区，且时段越短交通指向性越明显

从不同时段中原城市群高值区占高值区总数的比重来看，0.5h、1.0h、1.5h、2.0h、2.5h、3.0h分别为62.97%、69.08%、87.44%、89.45%、83.13%、76.21%，均在60%以上，尤其在1.5h、2.0h、2.5h时段内达到80%以上；不同时段的可达性最高值分别在管城区圃田乡(20.4km、49.3km、80.8km)、许昌县邓庄乡(98.9km)、源汇区干河陈乡(107.4km)及舞阳县章化乡(108.7km)均集中在中原城市群内部。中原城市群作为河南省的核心增长极，也是河南省综合实力较为强劲的地区，社会经济发展水平空间格局与交通可达性空间格局的相对一致性，一定程度上也体现了河南省的交通基础设施和经济发展水平呈现良好的互动关系；此外，在纵向京港澳高速及横向连霍高速交通轴线沿线地区也呈现较明显的高值集聚区，尤其在2.0h、2.5h、3.0h时段内沿该交通线集中大片布局。但在0.5h、1.0h时段内呈现更清晰明确的交通指向性，高可达值除了在纵向京港澳高速及横向连霍高速沿线高度集聚外，沿宁洛高速、沪陕高速、大广高速以及济广高速等也呈现明显的集中分布区。

3.3 时段越短，可达性内部差异越明显

2.5 h、3.0h时段内空间格局呈现较明显的由内向外可达值逐渐降低的圈层式分布。高可达性主要集中在以京港澳高速与连霍高速交点为核心的中部地区，向外集中连片布局。中可达值环绕在高可达值的外围，低可达值主要集中在河南省周边区域，尤其以河南省西南部、东南部和东部地区分布更为集中。不同时段可达性最低值除了0.5h时段分布在渑池县南村乡外，其余均集中在河南省西南部的邓州市杏山办事处。但在0.5h、1.0h时段内存在明显的内部差异性，高可达值集聚的中原城市群内部既有中可达值区，亦存在低可达值区。

4 河南省人口分布与乡镇可达性的空间耦合特征 4.1 河南省乡镇人口空间分布特征

根据2010年全国第六次人口普查数据，采用等量分类(Quantile)方法，把河南省各乡镇人口密度分为高、中、低三类(图 3)。从图中可看出，人口的空间集聚呈现明显的区域差异。人口高密度区主要集中分布在河南省中东部的中原城市群内和南阳盆地的城市地区，其中以京港澳高速、连霍高速、宁洛高速沿线的城市地区，包括郑州市、洛阳市、安阳市、开封市、平顶山市最为集中，其人口密度均在10000人/km²以上。围绕在中心城市的周边地区由于人口向中心城市集聚，呈现分布相对较稀疏。而豫西山区由于耕地资源不足，是河南省人口分布最稀疏的集中区。

4.2 可达性与人口分布的空间耦合特征

将各乡镇人口密度与各时间圈可达性进行相关分析，计算Pearson相关系数并进行显著性检验，结果见表 2。乡镇可达性与人口密度在各时间圈呈现正相关关系。其中以0.5h时段的相关系数为最大(0.328)。随着时间的延长，到2h—3h时间段，各乡镇可达性与人口分布的相关性逐步减弱。而从累计的相关系数来看，乡镇可达性与人口分布集聚产生作用的最大时间距离为1.5h。因此，为了有效分析可达性与人口分布的空间耦合特征，将乡镇人口密度与累计1.5h的可达性进行空间叠加，依据人口与可达性的分类进行组合，划分为9种类型区：HH (人口密度高、可达性高值区)、HM (人口密度高、可达性中值区)、HL (人口密度高、可达性低值区)、LH (人口密度低、可达性高值区)、LM (人口密度低、可达性中值区)、LL (人口密度低、可达性低值区)、MH (人口密度中、可达性高值区)、MM(人口密度中、可达性中值区)、ML (人口密度中、可达性低值区)，具体结果见图 4。

(1) 人口与交通可达性的空间分布存在总体一致性

人口分布与交通可达性的空间格局存在明显的相关性，人口密度高、可达性高值区的乡镇个数为265个，占总乡镇个数的12.64%；人口密度中、可达性中值区的乡镇个数为408个，占总乡镇个数的19.47%；人口密度低、可达性低值区的乡镇个数为361个，占总乡镇个数的17.22%，三者占全部类型的49.33%。而人口密度高、可达性低的乡镇有80个，人口密度低、可达性高的乡镇有59个，二者仅占全部类型的6.63%。

(2) 空间耦合呈现较明显的半环状分布特征，社会经济指向性明显

河南省人口密集且可达性高值区主要集中在中原城市群的中心城市地区。人口迁移的推拉力理论认为，一个地区人口集聚的根本原因在于相关要素对人口产生强大“拉力”作用的结果，这些要素包括充足的就业机会、较高的工资收入和良好的教育与生活条件等。中原城市群作为中原经济区的中心，是河南省城镇化战略中“强化核心、沿轴发展、梯度推进”的关键与核心区域，中心城区的经济实力较强，交通区位优势突出，该区域尤其在京港澳高速、连霍高速沿线的中心城市地区是河南省人口高度集中的地区。最外环尤其在豫西山地区，受地形和资源环境的约束是人口密度和可达性均最低的高度集中区，主要包括西南山地区的灵宝、卢氏、洛宁、栾川、西峡、淅川、内乡、陕县、嵩县、南召，西北的林州、辉县，南部的罗山、新县、商城、固始等。中间环是人口密度低、可达性中值的集中分布区。

(3) 人口密集但可达性低的区域主要集中在河南省东部和北部边缘地区

仅少数区域呈现人口密集但可达性低的特征，这些区域主要集中在东部豫东黄淮海平原地区的沈丘和东北的台前、范县、南乐等，另外在北部的林州、安阳的部分乡镇也存在零星分布。较低的交通可达性制约了这些地区经济的发展，如沈丘、台前、范县均属国家级贫困县，因此要促进这些地区的内外部交通条件，进一步促进区域的经济发展。

(4) 高可达、人口稀疏区主要集中在相邻的高可达、人口高度密集区的中间及周边

交通条件对人口要素的影响存在时间阶段性，城镇化初期发达的交通条件便于人口流入，对人口集聚是正向影响，但随着城镇化水平的进一步发展，城市问题日益突出，居民的住房/汽车消费以及城乡观念的改变，便捷的交通会成为人口从中心城区向边缘迁移的推力。

中原城市群内京港澳高速、连霍高速沿线是可达性高值高度集中的地区，在相同的可达性范围内，人口分布存在明显的区域差异。中心城区是人口高度集中的地区，在相邻的城区中间及周边人口分布相对稀疏，表明目前河南省中心城区仍处于集聚城市化时期，集聚效应明显，交通条件对其人口集聚呈现正的影响。与之相对，由于中心城区的强力拉动，相邻城区中间及周边形成高值中间的塌陷区，便捷的交通条件进一步促进了人口向中心城区的迁移。因此，为了促进塌陷区人口的集中，推进中原城市群一体化发展，一方面要进一步强化郑州市中心城市地位，增强中心城区的辐射带动力，同时促进塌陷区经济实力的提高，提升中原城市群的综合实力，进而吸纳更多的外来人口和劳动力。

(5) 低可达且人口稀疏区主要集中分布在豫西山地丘陵区

自然地理环境是人口空间分布的基础。河南省地势西高东低，北、西、南三面分别为太行山余脉、秦岭余脉和大别山，由于受到地形条件和资源条件的制约，该区交通条件相对落后，经济发展水平低，同时也是河南省人口分布最稀疏的地区。

5 结论与讨论

应用包含乡村道的交通网络数据集，以河南省乡镇行政区为评价单元，结合不同等级道路通行速度确定有道路覆盖栅格单元的通行时间成本，根据地形坡度及不同土地利用类型估算无道路覆盖栅格单元通行速度及时间成本；基于高速出入口及火车站为通行点对成本距离计算方法进行改进，并以乡镇政府驻地为出发点，计算各栅格单元成本距离并转化为时间；然后统计3h时间范围内，以0.5h为间隔的分时间圈可达性；分析各乡镇各时间圈可达性空间分布特征；并应用乡镇人口密度分析可达性与人口分布的相关性及空间耦合特征。可以得出如下结论：

第一，乡镇可达性总体格局呈现明显的圈层分布，可达性值由内向外逐渐降低，可达性高值区主要集中在河南省中部的核心增长极—中原城市群以及纵向京港澳高速及横向连霍高速交通轴线沿线地区，且时段越短内部差异性越大，交通指向性越明显。低可达值主要集中在河南省周边区域，尤其以河南省西南部的山地区更为集中，交通可达性受地形的影响依然明显。

第二，乡镇可达性与人口密度在各时间圈呈现正相关关系。其中以0.5h时段的相关系数为最大。随着时间的延长，到2h—3h时间段，各乡镇可达性与人口分布的相关性逐步减弱。从累计相关系数来看，乡镇可达性与人口分布集聚产生作用的最大时间距离为1.5h。

第三，从人口与可达性叠加的空间格局上来看，人口与交通可达性的空间耦合总体存在一致性且呈现较明显的半环状分布，社会经济指向性明显。人口密集且可达性高值区主要集中在经济实力较强的中原城市群中心城市地区，最外环尤其在豫西山地区，受地形和资源环境的约束，经济实力较弱，同时也是人口密度和可达性均最低的高度集中区。

第四，交通条件对人口分布的影响存在时间阶段性和区域差异性。目前河南省人口密集且可达性高值区仍主要集中在中原城市群的中心城市地区，在相邻的城区中间及周边存在较多人口分布相对稀疏的地区，表明河南省中心城区存在明显的集聚效应，仍处于集聚城市化时期。同等交通条件对不同地区的影响存在区域差异性，对人口空间分布具有强大“拉力”的中心城区，交通条件对其人口集聚呈现正向影响。而相邻的周边区域，便捷的交通条件进一步促进了人口向中心城区的迁移，形成高值中间的塌陷区，制约了中原城市群整体实力的发挥。目前非均衡发展依然是河南省区域空间结构演进的主旋律，因此在强化郑州市中心城市地位、增强中心城区辐射带动力的同时，要充分利用有利的交通条件，促进塌陷区经济实力的提高，提升中原城市群的综合实力，进而吸纳更多的外来人口和劳动力。

第五，人口高度集中但可达性低值区主要集中在豫东黄淮海平原及河南省北部的部分边缘乡镇，一方面可能受到边界效应的影响，同时这些地区也多是粮食核心发展区，经济发展水平相对较低，因此对该类地区一方面要加快发展农业现代化，释放劳动力，同时改善该类地区的内外部交通条件，引导剩余劳动力的合理转移，促进区域的经济发展。可达性低、人口分布稀疏的豫西山地丘陵区，在保障发展生态优先特色经济的前提条件下，优化交通环境，促进资源环境可承载产业的进一步发展，引导人口的合理迁移。

本文从乡镇行政区入手，一方面分析乡镇尺度的可达性空间分布格局，揭示了河南省乡镇可达性的分布规律；另一方面通过乡镇人口数据与可达性的空间叠加，揭示可达性与人口分布的空间耦合特征。但需进一步考虑土地利用、通勤方式等因素对通行速度的影响，优化通行成本计算方法；并从发展角度分析不同区域交通条件改善对人口增长的影响。