長三角港口體系的空間結(jié)構(gòu)與演變趨勢

蔣自然, 傅海威, 曹有揮

(1.中國科學院 南京地理與湖泊研究所， 南京 210008； 2.中國科學院大學， 北京 100049；3.寧波工程學院， 浙江 寧波 315211)

JIANG Ziran1,2， FU Haiwei1,3， CAO Youhui1

長三角港口體系的空間結(jié)構(gòu)與演變趨勢

蔣自然1,2, 傅海威1,3, 曹有揮1

(1.中國科學院 南京地理與湖泊研究所， 南京 210008； 2.中國科學院大學， 北京 100049；3.寧波工程學院， 浙江 寧波 315211)

運用分形方法對長三角港口體系2000年以來的空間規(guī)模結(jié)構(gòu)維數(shù)和關聯(lián)結(jié)構(gòu)維數(shù)進行測算，并預測其未來演化趨勢。通過研究發(fā)現(xiàn)：長三角港口體系的空間結(jié)構(gòu)具有較強的壟斷性，但總體上趨于優(yōu)化和穩(wěn)定；主要港口集中分布于線性空間的形態(tài)有利于港口間的相互作用，但對港口集疏運水平提出較高的要求；未來長三角港口體系的空間結(jié)構(gòu)將處于穩(wěn)定的狀態(tài)。外部環(huán)境變化與內(nèi)部競合機制的交互作用是長三角港口體系空間結(jié)構(gòu)形成和演變的基本動力機制。最后，提出長三角港口體系進一步發(fā)展的政策建議。

水路運輸； 長三角；港口體系；分形方法；R/S分析；空間結(jié)構(gòu)

JIANGZiran1,2，F(xiàn)UHaiwei1,3，CAOYouhui1

Abstract: Using fractal method, the dimensions of the spatial structure and the correlation structure of the port system in Yangtze River Delta care measured with the data from year 2000 on, and its evolution trends in the future are forecasted. The study reveals: the port system of Yangtze River Delta possesses some monopoly in terms of spatial structure which is generally optimized and steady; the fact that the ports scattered in stripe space is good for interaction between ports, but it requires a collection and distribution system of higher standard; the spatial form of the port system in Yangtze River Delta will keep stable in the future; the interactions between external environment and internal mechanism of competition/cooperation are the main causes of forming and evolution of the port system structure. Suggestions concerning the policies for further development of the port system are also put forword.

Keywords: waterway transportation; Yangtze River Delta； port system； fractal method； R/S analysis； spatial structure

港口體系的概念發(fā)軔于港口地理學與系統(tǒng)論的有機結(jié)合，指的是一定地域內(nèi)一系列規(guī)模不等、職能各異、腹地交叉、相互聯(lián)系的港口空間組合。[1]長三角港口體系是我國與外界連接的一個重要門戶，在“一帶一路”和長江經(jīng)濟帶戰(zhàn)略深入推進的背景下，其區(qū)域開放開發(fā)加速器的作用將愈發(fā)凸顯。

(1)長三角地區(qū)是我國區(qū)域發(fā)展的重要增長極、長江經(jīng)濟帶的引領區(qū)域，其港口體系的發(fā)展和演化對推動國家經(jīng)濟發(fā)展具有廣泛而深遠的現(xiàn)實意義。

(2)隨著亞洲,尤其是我國港口的逐漸崛起，對長三角港口體系進行研究能進一步充實全球港口體系的科學研究內(nèi)容，具有十分重要的理論價值。

目前已有較多對長三角港口體系的研究。曹有揮[2]將基尼系數(shù)方法引入到港口體系的空間結(jié)構(gòu)研究中，認為長江沿岸港口體系空間結(jié)構(gòu)變動整體上趨向集中；俞海宏等[3]運用系統(tǒng)動力學模型對長三角港口體系進行仿真研究，認為各港口的穩(wěn)態(tài)效率尚未達到最優(yōu)；吳橋等[4]通過對長三角港口體系主要貨種結(jié)構(gòu)的時空演變進行分析，發(fā)現(xiàn)不同貨種吞吐量的空間集散格局也各異；VEENSTRA等[5]運用多種方法測度長江集裝箱港口體系的空間結(jié)構(gòu)，認為上海港在整個港口體系中占據(jù)著重要的地位?？傮w來看，已有的對港口體系空間結(jié)構(gòu)的定量分析多采用基尼系數(shù)和赫芬達爾-赫希曼指數(shù)(Herfindahl-Hirschman Index,HHI)等方法，這些方法對樣本的要求較高，容易導致結(jié)構(gòu)性信息丟失[6]。因此，嘗試將分形思想引入到港口體系研究中，以期完整呈現(xiàn)2000年以來長三角港口體系的空間結(jié)構(gòu)及其演變特征。

1 分形方法在港口體系研究中的應用

1.1規(guī)模結(jié)構(gòu)維數(shù)測算

選取長三角地區(qū)主要港口的貨物吞吐量作為港口規(guī)模的代表性指標，對港口的貨物吞吐量進行大小排序；分別對港口的貨物吞吐量的位序和大小數(shù)值取對數(shù)，并作散點圖，觀察其擬合態(tài)勢。若二者存在線性回歸函數(shù)關系，則說明港口的貨物吞吐量的位序-規(guī)模分布符合齊夫法則(Zip’s Law)。具體計算式為

T(r)=T1r-q

(1)

式(1)中：r為港口的貨物吞吐量的規(guī)模位序(r=1，2，…，14)；T(r)為位序為r的港口的貨物吞吐量；T1為首位港口的貨物吞吐量；q為Zipf參數(shù)。對式(1)兩側(cè)分別取對數(shù)，得到

lnT(r)=lnT1-qlnr

(2)

根據(jù)式(2)求得一系列數(shù)據(jù)對[lnr，lnT(r)]，將這些數(shù)據(jù)對標繪成散點圖并進行擬合，若呈現(xiàn)線性回歸關系，則港口的規(guī)模結(jié)構(gòu)維數(shù)Df為

Df=R2/q

(3)

式(3)中：R2為擬合方程的可決系數(shù)；分維值Df具有有效的地理意義，反映港口規(guī)模結(jié)構(gòu)的空間分布模式。

1)Df<1表示港口體系的等級規(guī)模結(jié)構(gòu)較為分散，港口吞吐量呈帕累托不均衡態(tài)分布，首位港的壟斷性較強，港口體系的整體發(fā)育還不夠成熟。

2)Df=1表示首位港和最小港的規(guī)模之比恰好等于港口數(shù)目。

3)Df>1表示港口體系的規(guī)模分布較為集中，港口吞吐量分布相對均衡，中間位序港口的數(shù)量較多，港口體系整體發(fā)育相對成熟。

1.2關聯(lián)結(jié)構(gòu)維數(shù)測算

港口體系空間上的關聯(lián)結(jié)構(gòu)維數(shù)可解釋港口間的空間相互作用規(guī)律，刻畫港口體系中各港口的相對分布狀態(tài)?？紤]到港口體系的空間分布一般是二維的，可將其空間關聯(lián)函數(shù)定義為

(4)

式(4)中:C(k)為空間關聯(lián)函數(shù);N為滿足一定條件時的港口數(shù)目；k為步長；dij為港口i與港口j之間的歐氏距離；H為Heaviside階躍函數(shù)，即

(5)

若港口體系的空間分布是分形的，則應滿足C(k)∝kDg。這里Dg即為關聯(lián)結(jié)構(gòu)維數(shù)，其實際計算的方法與規(guī)模結(jié)構(gòu)維數(shù)測算方法類似，即：首先在地圖上計算出各港口間的歐氏距離，得到歐氏距離矩陣;然后計算出C(k)值，改變k值，得出一系列[k，C(k)]數(shù)據(jù)對的散點圖；最后對數(shù)據(jù)對進行線性擬合，便可得到關聯(lián)結(jié)構(gòu)維數(shù)Dg的值。一般情況下，0≤Dg≤2；當Dg→0時，表示系統(tǒng)內(nèi)港口分布集中于一個點；當Dg→2時，表示系統(tǒng)內(nèi)港口分布較均勻；當Dg→1時，表示系統(tǒng)內(nèi)港口分布集中于一條光滑的曲線上。總之，Dg越大,表明港口體系內(nèi)各港口越均衡地分布于地理空間中;反之,則集中于較小的空間地帶中。

1.3R/S趨勢分析法

分形理論中的R/S分析法(Rescaled Range Analysis)是一種針對時間序列的分析法，可用來對時間序列的分形特征和長期記憶過程進行研究，找出演化規(guī)律，并預測其未來發(fā)展的趨勢。運用R/S分析法分析的過程如下。

對于時間序列{B(t)}，t=1，2，…，n，若任意正整數(shù)τ≥1，則

5)R/S≡R(t)/S(t)。

若存在R/S∝τH，則表明時間序列{B(t)}存在Hurst現(xiàn)象，H即為Hurst指數(shù)。根據(jù)H值判斷時間序列的趨勢是具有持續(xù)性(Persistence)特征還是反持續(xù)性(Anti-Persistence)特征：若H=0.5，則時間序列是一個隨機游走序列；若0.5

1.4數(shù)據(jù)來源

選取長三角地區(qū)的14個主要港口作為研究對象。這些港口中，既有上海港、寧波-舟山港等國際性大港口，又有揚州港、臺州港等區(qū)域性中小港口，類型上涵蓋沿海港口和內(nèi)河港口，樣本選擇具有一定的覆蓋度和代表性。指標數(shù)據(jù)來自于歷年的《中國港口年鑒》、地方統(tǒng)計年鑒和統(tǒng)計公報及部分港口的實地調(diào)研資料。

2 長三角港口體系的空間結(jié)構(gòu)實證分析

2.1等級結(jié)構(gòu)分析

選擇長三角地區(qū)2014年樣本港的貨物吞吐量作為基本數(shù)據(jù)，按照吞吐量的規(guī)模從大到小排序，得到港口吞吐量的位序-規(guī)模數(shù)據(jù)對。分別對位序數(shù)據(jù)和規(guī)模數(shù)據(jù)取對數(shù)并繪制成二維散點圖進行擬合，根據(jù)擬合優(yōu)度的大小判斷分形特征是否存在。圖1為長三角港口體系的位序-規(guī)模分布情況(雙對數(shù)圖)，大部分散點擬合在同一條直線上，可決系數(shù)R2=0.963，具有明顯且較寬闊的無標度區(qū)間，分形特征明顯。進一步根據(jù)式(2)和式(3)求出維數(shù)值Df=0.888<1，說明不同等級規(guī)模的港口分布較分散，首位港的壟斷性較強。同理，對長三角港口體系2000年以來的規(guī)模結(jié)構(gòu)進行分析，得到歷年的Df值(見表1)。

圖1 長三角港口體系位序-規(guī)模分布情況

表1 2000年以來長三角港口體系的R2和Df值

由表1可知，各年份的可決系數(shù)R2均≥0.9，即歷年長三角港口體系的空間規(guī)模結(jié)構(gòu)均具有明顯的分形特點。所有年份的Df值均<1，說明長三角港口體系總體發(fā)展還不夠成熟，貨物吞吐量在各港口分配不均，首位港的壟斷性較強。從時間序列上看，Df值呈現(xiàn)出“先增加、后穩(wěn)定”的演化趨勢，這與曹有揮[1]通過對1995年以前的長江港口體系空間結(jié)構(gòu)演變進行研究得出的“集中化趨向”的結(jié)論明顯不同，也與潘坤友等[7]提出的我國集裝箱港口出現(xiàn)箱流分散化趨勢的觀點有所差別，這意味著2000年以來長三角港口體系空間結(jié)構(gòu)出現(xiàn)新的發(fā)展格局。2000—2008年，Df值增加態(tài)勢明顯，即長三角港口體系在空間上的均衡程度逐漸上升，這樣的空間結(jié)構(gòu)演變趨勢有利于中小型港口的發(fā)展和整個港口體系的功能協(xié)作；而2009年以后，Df值基本穩(wěn)定在0.88左右，一方面說明中小型港口投資和建設出現(xiàn)過飽和狀態(tài)，各地港口的吞吐量增速開始放緩；另一方面也意味著長三角港口體系在空間上出現(xiàn)“邊緣港挑戰(zhàn)”效應。

為進一步分析港口體系的空間格局演化，參考梁雙波等[8]的方法，將長三角港口體系的主要港口劃分成大型、中型和小型等3個類別，將吞吐量在3類港口間的分配比重繪制成圖2。

圖2 貨物吞吐量在大、中、小3類港口中的分配比重

從整體上看，長三角港口體系的規(guī)模結(jié)構(gòu)在各年份均具有明顯的壟斷特征，貨物吞吐量排名前兩位的上海港和寧波-舟山港的貨物吞吐量占整個港口體系貨物吞吐量的45%以上；從時序演化上看，貨物逐漸由大型港口向中、小型港口轉(zhuǎn)移，小型港口貨物吞吐量的增長尤為明顯，整個港口體系的空間結(jié)構(gòu)趨于優(yōu)化和穩(wěn)定。2000—2007年，大型港口貨物吞吐量的比重顯著降低，同時小型港口貨物吞吐量的比重明顯增加；2007—2011年，伴隨著大、小型港口貨物吞吐量的比重持續(xù)消長，中型港口的貨物吞吐量的比重開始變大，空間結(jié)構(gòu)仍在優(yōu)化；2011年以后，各類港口貨物吞吐量的比重的變化趨勢都在變小，小型港口貨物吞吐量的比重甚至也出現(xiàn)微降，長三角港口體系的空間結(jié)構(gòu)總體上趨于穩(wěn)定。

2.2關聯(lián)結(jié)構(gòu)分析

借助地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System,GIS)平臺測算長三角地區(qū)樣本港的主港區(qū)兩兩港口之間的歐氏距離(直線距離)，構(gòu)造14×14矩陣。以步長k=30 km為標度，通過改變k的大小，得到一系列C(k)值(見表2)，進一步將[k，C(k)]繪制成點對系列的雙對數(shù)坐標圖(見圖3)。對圖3中無標度區(qū)間內(nèi)的散點進行線性回歸，得到關聯(lián)結(jié)構(gòu)維數(shù)Dg=1.082，可決系數(shù)R2=0.983，擬合優(yōu)度良好。關聯(lián)維數(shù)值接近于1，說明長三角港口體系中的港口比較集中分布于一個線性的空間內(nèi)，空間關聯(lián)性強，這與現(xiàn)實情況相符。該線性空間大致是“南京港—上海港”的沿江線路與“上海港—臺州港”的沿海線路相連而成的航運通道，其結(jié)構(gòu)形態(tài)有利于加強航運通道上各港口間的相互作用，但也表明長江支流水系的港口不夠發(fā)達，由此對長三角地區(qū)內(nèi)陸物流配送體系和綜合運輸網(wǎng)絡的完善提出較高的要求。

表2 長三角港口體系的關聯(lián)結(jié)構(gòu)維數(shù)

2.3發(fā)展趨勢研判

圖3 長三角港口體系空間關聯(lián)維數(shù)的雙對數(shù)圖

以2000年為基點，運用R/S分析法對長三角港口體系的Df維數(shù)值的時間序列演化趨勢進行分析(見表3)。由表3可知，Hurst指數(shù)總體上呈下降趨勢，說明Df值同向變化的持續(xù)性在不斷減弱，但下降幅度逐漸變小。2011年以前，Hurst指數(shù)始終>0.5，Df值演化呈現(xiàn)出持續(xù)性發(fā)展態(tài)勢，即繼續(xù)保持增長；2011年以后，Hurst指數(shù)略<0.5，Df值演化呈現(xiàn)出反持續(xù)性態(tài)勢，即由遞增變成稍降。將2000年以來的時間序列分成3段，分別計算3個時期內(nèi)的Hurst指數(shù)(H(2000—2004)=0.626,H(2005—2009)=0.585和H(2010—2014)=0.493)，由此也能得出Hurst指數(shù)呈“總體減小、趨向穩(wěn)定”態(tài)勢的結(jié)論。綜上所述，由于2007年以來Hurst指數(shù)始終在0.5左右徘徊，因此可判定長三角港口體系的空間結(jié)構(gòu)在未來一段時期將不會有太大變化。

表3 長三角港口體系空間演變的Hurst指數(shù)

3 長三角港口體系演化的動力機制

3.1外部環(huán)境變化

外部環(huán)境變化的影響主要表現(xiàn)在以下3個方面。

1)大型港口受到諸如岸線資源短缺、土地供給不足、環(huán)境污染及交通擁擠等一系列瓶頸因素的制約，發(fā)展速度減緩。

2)地方政府競相加大對中小型港口的投入，港口的集疏運水平和服務水平明顯提升，使得交叉腹地中原本流向樞紐港的貨物紛紛流向邊緣港，進而使得中小型港口貨物吞吐量的增長速率超過了大型港口。

3)港口資本多元化促進了政企分離和運營效率的提升，進而吸引眾多國際港航企業(yè)涌入長三角地區(qū)，這在縮小我國港口與國際先進港口的差距的同時，也縮小了樞紐港與邊緣港之間的差距。[7]

以上3個方面的共同作用使長三角港口體系中大型港口貨物吞吐量的增速減緩、中小型港口貨物吞吐量的增速加快，且隨著國際航運市場的飽和，貨物吞吐量的變化最終趨于穩(wěn)定。

3.2內(nèi)部競合機制

港口之間競爭與合作機制的交互作用有力推動著長三角港口體系的空間演化進程。

1)港口體系的內(nèi)部競爭是形成“邊緣港挑戰(zhàn)”的直接原因。[9]隨著自身各項條件不斷改善和提升，中小型港口采取價格競爭、政策支持和財政補貼等一系列措施來吸引船公司開辟新航線、爭奪交叉腹地內(nèi)的固定貨源，在提升自身港口生產(chǎn)能力的同時，勢必因“此消彼長”而影響大型港口的貨源量，使二者差距縮小。

2)在港口業(yè)競爭日趨激烈的背景下，港口經(jīng)營者通過各種合作方式增強港口的競爭力和市場支配力，尤其是由各級港口組成的戰(zhàn)略聯(lián)盟的出現(xiàn)促使大型港口的貨物吞吐量與中小型港口共同增長，這種增長往往表現(xiàn)出很高的同步性，且沒有時滯，致使港口體系的空間結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)束語

基于分形理論對長三角港口體系的空間結(jié)構(gòu)及其演變趨勢進行研究,結(jié)果表明：

(1)長三角港口體系的空間結(jié)構(gòu)既具有壟斷性特征，又顯現(xiàn)出“邊緣港挑戰(zhàn)”的空間效應，總體上趨于優(yōu)化和穩(wěn)定；

(2)長三角主要港口分布在一個線性的空間范疇內(nèi)，主要港口間的相互作用較強；

(3)長三角港口體系空間結(jié)構(gòu)變動的持續(xù)性下降，并最終趨于穩(wěn)定；

(4)上述空間結(jié)構(gòu)及其演變的動力機制既與港口外圍經(jīng)濟環(huán)境和政策環(huán)境的變化有關，又與港口體系內(nèi)部競合機制的交互作用密不可分。

根據(jù)研究結(jié)果，提出以下發(fā)展建議：

(1)大力發(fā)揮上海港的龍頭帶動作用，圍繞上海國際航運中心建設，適度釋放港口的中轉(zhuǎn)和裝卸等相對低端的功能，關注中高端港航后勤要素的配置，加速推進上海港向第四代港口轉(zhuǎn)型，帶動整個長三角港口體系功能的提升;

(2)加強港口間的深層次合作，尤其是在后危機時期和港航業(yè)激烈競爭的背景下，通過港口間區(qū)域上的橫向協(xié)同和供應鏈上的縱向整合，合理配置港航資源，減少港口體系內(nèi)部的重復建設和惡性競爭，促進長三角港口體系整體轉(zhuǎn)型升級;

(3)進一步完善港口體系的集疏運水平，特別是注重內(nèi)陸疏港通道和綜合物流網(wǎng)絡建設，充分發(fā)揮港口在長三角地區(qū)開發(fā)開放中的重要門戶作用和要素集聚功能。

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SpatialStructureandEvolutionTrendsofPortSysteminYangtzeRiverDelta

(1. Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. Ningbo University of Technology, Ningbo 315211, China)

U691； F552.7

A

2016-02-25

國家自然科學基金(41271136;41501142);浙江省自然科學基金(LY15D010003);浙江省社科規(guī)劃“之江青年課題”(14JDLG04YB);江蘇省博士后基金(1402116C);寧波市哲學社會科學學科帶頭人培育項目(G15XK10)

蔣自然(1983—),男,安徽全椒人,博士生,從事區(qū)域發(fā)展與交通地理研究。E-mail:jzr729@163.com

曹有揮(1959—),男,江蘇揚州人,研究員,博士生導師,從事交通地理和港口物流研究。E-mail:yhcao@niglac.ac.cn

1000-4653(2016)02-0106-05