天津港與石家莊無水港共生關(guān)系探究

高琴

摘要：為了探究京津冀一體化背景下港口發(fā)展戰(zhàn)略的制定策略，研究了天津港與石家莊無水港之間是依托型互利共生關(guān)系，基于種群生態(tài)學(xué)的基本理論和方法，對(duì)一般的種群生態(tài)模型進(jìn)行了適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，在此基礎(chǔ)上建立了能夠反映天津港與石家莊無水港集裝箱吞吐量之間關(guān)系的動(dòng)力學(xué)模型。利用非線性系統(tǒng)穩(wěn)定性的理論方法，分析了系統(tǒng)正平衡點(diǎn)存在的條件，以及正平衡點(diǎn)保持穩(wěn)定的條件，得到了天津港與石家莊無水港能夠長期穩(wěn)定發(fā)展的條件。結(jié)合天津港與石家莊無水港的實(shí)際進(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了解釋，模擬結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性。研究結(jié)果同樣適用于其他港口與其無水港之間長期穩(wěn)定發(fā)展的研究，是政府和相關(guān)部門制定決策的理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：決策分析；種群生態(tài)學(xué)；無水港；互利共生；穩(wěn)定性

中圖分類號(hào)：Q154；U691文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi： 10.7535/hbgykj.2018yx03001

隨著中國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，以及環(huán)渤海港口群的發(fā)展壯大，天津港作為北方第1個(gè)億噸級(jí)大港，在發(fā)展的同時(shí)也面臨著巨大的挑戰(zhàn)。大連港、青島港，以及近年來發(fā)展壯大的曹妃甸港、黃驊港等港口與天津港搶奪腹地，爭奪貨源，使得天津港的發(fā)展速度逐步放緩。為進(jìn)一步提高天津港的競爭力，使其在擁有貨源方面更具競爭優(yōu)勢，建設(shè)無水港已經(jīng)成為天津港新的發(fā)展方向和新的動(dòng)力。

無水港是建立在內(nèi)陸地區(qū)的物流中心，是港口功能向內(nèi)陸地區(qū)的擴(kuò)展，具有與港口相似的服務(wù)功能，它不僅可以幫助港口獲得內(nèi)陸地區(qū)的貨源，還可以將港口的服務(wù)帶入內(nèi)陸地區(qū)，這既能增強(qiáng)港口對(duì)內(nèi)陸地區(qū)的吸引力和競爭力，又能帶動(dòng)內(nèi)陸地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[1]。有學(xué)者從宏觀層面研究了天津港無水港建設(shè)的現(xiàn)狀、存在的問題和對(duì)將來發(fā)展的對(duì)策建議[2-8]，指出無水港的建立和發(fā)展是海運(yùn)發(fā)展的必然。目前，天津港已經(jīng)在內(nèi)陸地區(qū)建立了25個(gè)無水港[9]，一般都分布在貨源集中的地區(qū)和重要的交通樞紐點(diǎn)。石家莊作為距離天津港最近的貨源地和交通樞紐，其無水港的建設(shè)無疑具備相當(dāng)大的優(yōu)勢。同時(shí)，為了順應(yīng)“一帶一路”、京津冀一體化協(xié)同發(fā)展、濱海新區(qū)以及雄安新區(qū)建設(shè)等重大國家戰(zhàn)略的實(shí)施，政府各部門推出了一系列的利好政策，也為天津港和石家莊無水港的協(xié)同發(fā)展創(chuàng)造了絕好的發(fā)展契機(jī)。通過石家莊無水港的建設(shè)，天津港對(duì)周邊區(qū)域的服務(wù)能力得到了不斷的提升，同時(shí)也大力推進(jìn)了京津冀地區(qū)的協(xié)同發(fā)展。

在這樣的背景下，本文研究天津港與石家莊無水港之間的依托型互利共生關(guān)系，分析這種關(guān)系下兩港口合作策略的穩(wěn)定性，為港口的長期發(fā)展戰(zhàn)略提供理論支撐，種群生態(tài)學(xué)的基本理論和模型是本文的研究基礎(chǔ)。馬歇爾曾經(jīng)強(qiáng)調(diào)，經(jīng)濟(jì)學(xué)其實(shí)更接近生物學(xué)而非力學(xué)[10]。利用種群生態(tài)學(xué)理論研究港口群的內(nèi)部復(fù)雜性已經(jīng)取得了一定的研究成果。黃永燊等[11]利用生態(tài)位理論研究了港口的競合關(guān)系。周志翔[12]研究了基于Lotka-Volterra模型的集裝箱港口競合關(guān)系。高艷玲[13]從共生的視角研究了港口物流產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)的組成部分及共生關(guān)系。劉松先[14]研究了港口群、產(chǎn)業(yè)群和城市群協(xié)同發(fā)展的內(nèi)在和外在機(jī)制，及其共生系統(tǒng)的培育。金嘉晨等[15]利用生態(tài)位理論研究了航運(yùn)產(chǎn)業(yè)集群中的競爭關(guān)系。

本文在前人研究工作的基礎(chǔ)上，基于種群生態(tài)學(xué)的理論研究港口內(nèi)部的復(fù)雜關(guān)系，對(duì)一般的種群模型進(jìn)行了適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，研究天津港和石家莊無水港之間的依托型互利共生關(guān)系，分析其穩(wěn)定的條件，并給出了經(jīng)濟(jì)上的解釋，為兩港口今后的發(fā)展提供值得借鑒的理論依據(jù)。

1模型的建立

筆者選取集裝箱運(yùn)輸這一主要的港口作業(yè)形式來研究，以期能對(duì)兩港的建設(shè)和發(fā)展提供理論支持。筆者在種群生態(tài)學(xué)理論和模型的基礎(chǔ)上，建立了一個(gè)能夠體現(xiàn)天津港與石家莊無水港之間關(guān)系的模型。關(guān)于模型，做如下說明。

1） 本文僅研究天津港與石家莊無水港集裝箱吞吐量之間的關(guān)系。以x（t）和y（t）分別表示天津港和石家莊無水港的集裝箱吞吐量。一方面，天津港和石家莊無水港的集裝箱吞吐量是互相促進(jìn)，互相制約的。天津港的發(fā)展壯大必然能夠?yàn)槭仪f無水港吸引更多的貨源，而石家莊無水港的集裝箱吞吐量的增加也直接增加了天津港的集裝箱吞吐量。另一方面，石家莊無水港基本上是完全依托于天津港而存在的，而天津港卻不依賴于石家莊無水港而生存。因此，天津港與石家莊無水港之間可看作是依托型互利共生關(guān)系。

2） 將兩港口集裝箱吞吐量的自然增長率分別記為r1和r2，在本模型中當(dāng)作常數(shù)，且r1>0，r2>0。同時(shí)，假定在一段時(shí)間內(nèi)，兩港口的集裝箱吞吐能力是不變的，分別記為N1和N2，也都視為常數(shù)，顯然，N1>0，N2>0。

3） 用α>0，β>0，分別表示石家莊無水港對(duì)天津港和天津港對(duì)石家莊無水港集裝箱吞吐量增長的貢獻(xiàn)率。

4） 用參數(shù)p和q，分別表示港口自身的能動(dòng)性對(duì)其集裝箱吞吐量增長率的貢獻(xiàn)。在此不妨假設(shè)0基于以上說明和假設(shè)，天津港集裝箱吞吐量的變化可描述為=r1x1-xN1+αyN2+p。（1）另一方面，把石家莊無水港集裝箱吞吐量的變化描述為=r2y-1-yN2+βxN1+q。（2）描述天津港與石家莊無水港之間的依托型互利共生關(guān)系模型：=r1x1-xN1+αyN2+p，=r2y-1-yN2+βxN1+q。（3）

2模型的平衡點(diǎn)及穩(wěn)定性分析

當(dāng)天津港與石家莊無水港的發(fā)展達(dá)到均衡狀態(tài)時(shí)，應(yīng)有=0，且=0，此時(shí)可得如下方程組：r1x1-xN1+αyN2+p=0，r2y-1-yN2+βxN1+q=0。（4）解此方程組，可得系統(tǒng)4個(gè)平衡點(diǎn)：

E1=（0，0）， E2=（N1（1+p），0），

E3=（0，（N2（q-1）））， E4=（x*，y*），

其中：

x*=N1[（1+p）+α（q-1）]/（1-αβ），

y*=N2[（q-1）+β（1+p）]/（1-αβ]。

考慮到實(shí)際問題的需要，只有系統(tǒng)的正平衡點(diǎn)才是有研究意義的。經(jīng)過計(jì)算可知，E4為系統(tǒng)正平衡點(diǎn)的條件為

C1） αβ<1且α<1+p1-q，β>1-q1+p，

或

C2） αβ>1且α>1+p1-q，β<1-q1+p。

對(duì)于所研究的天津港與石家莊無水港來說，天津港可以為石家莊無水港帶來貨源，石家莊無水港為天津港提供服務(wù)并依賴于天津港，主要靠天津港提供或消耗貨源來維持自身的生存與發(fā)展；天津港為石家莊無水港提供全方位的技術(shù)支持、管理指導(dǎo)甚至可以直接投資，因此，天津港對(duì)石家莊無水港集裝箱吞吐量增長的貢獻(xiàn)相對(duì)較大。而由于天津港擁有多個(gè)無水港，因而每個(gè)無水港對(duì)天津港的貢獻(xiàn)就相對(duì)較小，所有無水港對(duì)天津港集裝箱吞吐量的貢獻(xiàn)也僅占天津港集裝箱吞吐總量的一小部分。因此，該系統(tǒng)的實(shí)際情況應(yīng)該是α<β。由上面的假設(shè)和分析可知：

1+p1-q>1-q1+p，

顯然，條件（C2）不滿足，此時(shí)E4為正平衡點(diǎn)的條件就只有條件（C1）。由于01。

通過對(duì)上述模型平衡點(diǎn)的分析，可以看出，系統(tǒng)要達(dá)到穩(wěn)定的平衡態(tài)，要滿足3個(gè)必要條件。

1） α<1表示石家莊無水港對(duì)天津港集裝箱吞吐量增長貢獻(xiàn)的比例有限，這在經(jīng)濟(jì)上可以直觀解釋，石家莊無水港向天津港提供的集裝箱對(duì)于天津港來說只是其集裝箱吞吐量中的一小部分，而且天津港的無水港不止一個(gè)，每一個(gè)無水港對(duì)天津港集裝箱吞吐量的增長都有貢獻(xiàn)，從總體上來看，石家莊無水港對(duì)天津港集裝箱吞吐量增長的貢獻(xiàn)占天津港集裝箱吞吐量總增長的比例不大。從另一個(gè)方面也可以理解為，天津港集裝箱吞吐量的增長，不能僅僅依靠無水港提供的貨源，而主要還是靠其自身實(shí)力的增強(qiáng)去吸引更多的貨源。

2） β>1表示天津港對(duì)石家莊無水港集裝箱作業(yè)量增長的貢獻(xiàn)比較大，這在經(jīng)濟(jì)上可以直觀地解釋，天津港為石家莊無水港帶來的集裝箱作業(yè)量占石家莊無水港集裝箱作業(yè)量的全部或很大比例，在石家莊無水港作業(yè)的集裝箱，絕大多數(shù)都是要通過天津港出港的，而且有時(shí)天津港會(huì)對(duì)石家莊無水港進(jìn)行直接投資或者提供人才、技術(shù)等方面的支持，服務(wù)上的便利，甚至政策上的優(yōu)惠，幫助無水港提高運(yùn)營質(zhì)量水平，完善服務(wù)功能，這無疑會(huì)推動(dòng)石家莊無水港集裝箱作業(yè)量的增加，因此，天津港對(duì)石家莊無水港集裝箱作業(yè)量增長的貢獻(xiàn)比較大。

3） αβ<1說明，在依托型互利共生模式下，兩港口若要達(dá)到共生的均衡狀態(tài)，長期穩(wěn)定發(fā)展下去，就要求α值較小而β值較大，這其實(shí)就是要求天津港首先要保證自身的規(guī)模比較大，集裝箱吞吐量較大，同時(shí)，為了吸引更多的貨源，其下屬的無水港就會(huì)越來越多，這時(shí)，天津港也不能主要依賴無水港提供的貨源，而忽視自身的發(fā)展，否則，這種依托型的互利共生關(guān)系就會(huì)被破壞。

從對(duì)系統(tǒng)達(dá)到均衡的穩(wěn)定狀態(tài)的分析以及E4為系統(tǒng)正平衡點(diǎn)的條件來看，有：

x*=N1[（1+p）+α（q-1）]/（1-αβ）>N1 ， （5）

經(jīng)過化簡，可知，當(dāng)參數(shù)滿足條件：

2-q1+p+α<β（6）

時(shí)，就有：

y*=N2[（q-1）+β（1+p）]/（1-αβ）>N2 ， （7）

也就是說，在這種依托型互利共生模式下，當(dāng)系統(tǒng)的參數(shù)滿足一定的條件時(shí)，兩港口的集裝箱吞吐量在達(dá)到均衡態(tài)時(shí)都比它們本身的吞吐能力要高。而這一條件也是要求β值較大，這恰好印證了前面的分析，天津港必須具有很強(qiáng)的自身實(shí)力，才能帶動(dòng)著這些無水港共同發(fā)展。這也說明這種依托型互利共生的模式充分利用甚至是提高了港口的吞吐能力，因此可以說，這種依托型的互利共生模式對(duì)于兩港口來說都是一種較優(yōu)的生存模式。

以下研究系統(tǒng)的均衡態(tài)是否穩(wěn)定，依托型互利共生模式能否長期存在。

考慮系統(tǒng)在正平衡點(diǎn)E4處的Jacobi矩陣：

r1-2r1N1x*+αr1N2y*+r1pαr1N2x*βr2N1y*-r2-2r2N2y*+βr2N1x*+r2q，（8）

其特征方程為

λ2-（A+D）λ+AD-BC=0 ， （9）

其中：A=（1+p）r1-2r1N1x*+αr1N2y*，B=αr1N2x*，C=βr2N1y*，D=（q-1）r2+βr2N1x*-2r1N2y*，顯然，其特征根均具負(fù)實(shí)部的充要條件為

-（A+D）>0且AD-BC>0 。 （10）

分析可知，對(duì)于本系統(tǒng)，有：

-（A+D）={r1[（1+p）+α（q-1）]+

r2[（q-1）+β（1+p）]}/（1-αβ）>0，

AD-BC={r1r2[（1+p）+α（q-1）]×

[（q-1）+β（1+p）]}/（1-αβ）>0，

因而，本系統(tǒng)的正平衡點(diǎn)E4是穩(wěn)定的。根據(jù)前面的分析，只要滿足條件αβ<1且α<1，β>1，系統(tǒng)就存在穩(wěn)定的正平衡點(diǎn)，即天津港和石家莊無水港在這種依托型的互利共生模式下，其集裝箱吞吐量最終能達(dá)到一種穩(wěn)定的均衡態(tài)。這就需要政府及相關(guān)部門制定長遠(yuǎn)規(guī)劃，在政策上大力支持，吸引更多的資金投入，保證天津港及其眾多無水港的協(xié)調(diào)穩(wěn)定發(fā)展，完善無水港的功能和服務(wù)，為區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

以上研究結(jié)果表明，天津港若要達(dá)到與其無水港的和諧穩(wěn)定發(fā)展，首先，在無水港的選址上要綜合考慮各方面的因素，如地理位置、交通條件、經(jīng)濟(jì)水平、建設(shè)成本、地區(qū)產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r以及政策因素等，避免出現(xiàn)跟風(fēng)現(xiàn)象，導(dǎo)致資源浪費(fèi)。對(duì)無水港的建設(shè)要有統(tǒng)一的長期規(guī)劃，明確定位與發(fā)展方向，避免出現(xiàn)重復(fù)建設(shè)和盲目競爭，保證無水港建成后能夠長期穩(wěn)定的發(fā)展。其次，天津港要保證自身的長期良性發(fā)展，增強(qiáng)自身的競爭力，離不開無水港的支持，因此天津港必須加大對(duì)其無水港資金和技術(shù)支持，提供便利條件，幫助無水港發(fā)展，無水港發(fā)展好了，才能為天津港自身的發(fā)展注入無窮的動(dòng)力。對(duì)于天津港和石家莊無水港來說，一定要抓住京津冀協(xié)同發(fā)展這一重大發(fā)展契機(jī)，連同雄安新區(qū)建設(shè)這一重要?dú)v史機(jī)遇，積極促進(jìn)自身的發(fā)展，爭取做大做強(qiáng)，為整個(gè)環(huán)渤海地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，甚至“一帶一路”偉大戰(zhàn)略的實(shí)施貢獻(xiàn)應(yīng)有的力量。最后，天津港的發(fā)展不能依賴無水港，要積極提高自身的綜合實(shí)力，增強(qiáng)競爭力，才能與無水港一起長期穩(wěn)定發(fā)展。

3數(shù)值模擬

為了直觀演示本系統(tǒng)的演化狀態(tài)，驗(yàn)證前面的分析結(jié)果，本節(jié)進(jìn)行了數(shù)值模擬。根據(jù)分析得到的系統(tǒng)存在穩(wěn)定的正平衡點(diǎn)的條件，演示α與β取不同值時(shí)系統(tǒng)的演化過程。根據(jù)中國港口網(wǎng)對(duì)兩港口近年的集裝箱吞吐量統(tǒng)計(jì)及其增長率的分析，取參數(shù)r1=03，r2=0.1，N1=2 500，N2=40，p=0.03，q=0.02，x（t）與y（t）的時(shí)程圖分別如圖1和圖2所示。

圖1x（t）的時(shí)程圖

Fig.1Time chart of x（t）

圖2y（t）的時(shí)程圖

Fig.2Time chart of y（t）

可以看到，當(dāng)參數(shù)滿足上文分析的條件時(shí)，系統(tǒng)最終會(huì)達(dá)到一種穩(wěn)定的平衡態(tài)，而且此時(shí)兩港口的集裝箱吞吐量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其各自目前的吞吐能力，這說明兩港口還有很大的發(fā)展空間。另外，從α與β的不同取值來看，α與β的值越大，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)兩港口的集裝箱吞吐量越大，這充分說明了兩港口之間的互利關(guān)系。

如果β值減小到β<1，系統(tǒng)將不存在正平衡點(diǎn)，如圖3和圖4所示，取α=0.05，β=0.8，其他參數(shù)不變，可以看到，由于石家莊無水港的存在，在初期快速促進(jìn)了天津港集裝箱吞吐量的增長，使其集裝箱吞吐量很快就達(dá)到并超過其吞吐能力，但之后很快就不再繼續(xù)增長，一直保持穩(wěn)定。而石家莊無水港的集裝箱作業(yè)量一直在減少，最終變?yōu)榱?。這說明如果天津港對(duì)石家莊無水港的資金、技術(shù)、政策等扶持減少到一定程度，或者天津港接收石家莊無水港的集裝箱量過少的話，石家莊無水港將無法繼續(xù)發(fā)展，最終只能關(guān)停，而沒有了無水港提供的貨源，天津港雖然還能穩(wěn)定存在，但其集裝箱吞吐量今后將不會(huì)有大的增長，這充分說明了石家莊無水港對(duì)天津港的依托性，同時(shí)也說明天津港將來若想做大做強(qiáng)，必須依賴無水港。

圖3α=0.05，β=0.8時(shí)x（t）的時(shí)程圖

Fig.3Time chart of x（t） when α=0.05，β=0.8圖4α=0.05，β=0.8時(shí)y（t）的時(shí)程圖

Fig.4Time chart of y（t） when α=0.05，β=0.8

4結(jié)論

本文從種群生態(tài)學(xué)的角度研究了天津港與石家莊無水港之間的關(guān)系，研究結(jié)果表明，天津港與石家莊無水港之間是依托型互利共生關(guān)系，天津港要為石家莊無水港的發(fā)展提供資金、技術(shù)和政策上的支持，以保證石家莊無水港能為天津港帶來穩(wěn)定貨源，沒有天津港的支持，石家莊無水港將難以生存；同時(shí)，天津港不能過于依賴無水港提供貨源，只有自身發(fā)展壯大了，才能帶動(dòng)與無水港的共贏。另外，由于港口間的相互作用存在一定的時(shí)間延遲，本文研究了簡化的無延遲系統(tǒng)，對(duì)延遲系統(tǒng)的內(nèi)部復(fù)雜性分析將進(jìn)一步研究。

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