基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和狀態(tài)空間法的港口資源承載力評(píng)價(jià)研究

陳 豪

近年來(lái)，我國(guó)港口貨物的吞吐量快速增長(zhǎng)，極大地推動(dòng)了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。全國(guó)港口貨物吞吐量由新中國(guó)成立初期的1 000萬(wàn)噸增長(zhǎng)到2020年的145.5億噸。港口貨物吞吐量和集裝箱吞吐量均居世界第一位。伴隨著吞吐量的快速增長(zhǎng)，港口擁堵造成的船舶壓港、貨物壓庫(kù)以及港口生產(chǎn)作業(yè)過(guò)程中對(duì)能源的過(guò)度消耗等現(xiàn)象屢屢出現(xiàn)，港口對(duì)資源的占用越來(lái)越顯著。資源是人類社會(huì)生存和發(fā)展的保障。人們生產(chǎn)、生活的一切都離不開(kāi)資源。隨著時(shí)代的發(fā)展，人們對(duì)資源的需求不斷增加，對(duì)資源的開(kāi)發(fā)與利用也在日益增強(qiáng)。然而，一個(gè)特定系統(tǒng)的資源在一定時(shí)期內(nèi)是有限的。因此，資源承載人類社會(huì)的能力也是有限的。那么，對(duì)于港口來(lái)說(shuō)，其資源的承載能力在一定時(shí)期內(nèi)將面臨一個(gè)閾值，人們必須在該閾值范圍內(nèi)合理開(kāi)發(fā)和利用資源，才能有效地開(kāi)展港口生產(chǎn)活動(dòng)，使港口得以持續(xù)發(fā)展。

目前，承載力的研究主要應(yīng)用于城市生態(tài)系統(tǒng)和水環(huán)境系統(tǒng)，在港口方面的研究還較少，主要集中于研究生態(tài)環(huán)境對(duì)港口的影響，對(duì)港口資源承載力的研究還鮮有所見(jiàn)，如：張亞冬等［1］學(xué)者分析了承載力的概念及其影響因素，從“能力”的角度出發(fā)，首次提出了港口環(huán)境承載力的概念。他們認(rèn)為：港口環(huán)境承載力指的是在一定時(shí)期和一定范圍內(nèi)，港口生態(tài)系統(tǒng)維系其自身健康、穩(wěn)定發(fā)展的潛在能力及所能承受的人類各種社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的能力；張祺等［2-4］學(xué)者以大氣環(huán)境指標(biāo)NOX、SO2值和水環(huán)境COD值作為量化指標(biāo)，利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究環(huán)境要素對(duì)港口的影響，進(jìn)而評(píng)價(jià)港口的生態(tài)環(huán)境承載能力。

本文研究港口資源承載力的目的是實(shí)現(xiàn)港口資源的合理配置與有效利用，同時(shí)保障港口資源系統(tǒng)未來(lái)持續(xù)健康的發(fā)展。建立一套合適的港口資源評(píng)價(jià)體系，研究港口的資源承載力，將有助于港口長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展以及港口資源的合理開(kāi)發(fā)。

一、港口資源承載力的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

港口是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，其承載力的大小取決于多個(gè)影響因素的共同作用，各因素之間存在線性或非線性的關(guān)系。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)較適合于多變量、高階非線性復(fù)雜系統(tǒng)的研究。因此，利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)能較好地模擬港口系統(tǒng)。本文利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的研究方法，繪制港口系統(tǒng)的因果回路圖、系統(tǒng)流圖，分析影響港口資源承載力的關(guān)鍵指標(biāo)，為后續(xù)港口資源承載力評(píng)價(jià)體系的建立奠定基礎(chǔ)。

根據(jù)港口資源系統(tǒng)內(nèi)各要素的相互影響關(guān)系，確定因果關(guān)系圖，如圖1所示。

圖1 港口資源系統(tǒng)因果關(guān)系圖

其中主要包含以下反饋回路：

1.港口資源與港口貨物吞吐量的關(guān)系

吞吐量增加，港口收入相應(yīng)增加，使港口企業(yè)有更多充足的資金擴(kuò)充自身軟硬件實(shí)力，促進(jìn)了對(duì)港口資源的開(kāi)發(fā)與利用，使港口通過(guò)能力增強(qiáng)，最終又促使港口貨物的吞吐量增加；同時(shí)，大量對(duì)港口資源的開(kāi)發(fā)，又造成港口資源供給水平下降，可利用資源減少。

2.資源消耗與港口貨物吞吐量的關(guān)系

貨物吞吐量的增加，提高了港口資源的消耗量；而資源的大量消耗降低了港口收入水平，從而減少了港口自身投資，最終減少了港口貨物吞吐量，為負(fù)反饋回路。

3.港口貨物吞吐量與區(qū)域經(jīng)濟(jì)的關(guān)系

區(qū)域經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，促進(jìn)了各產(chǎn)業(yè)對(duì)貨物運(yùn)輸?shù)男枨螅岣吡素浳锿掏铝?；同時(shí)，經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)能促使政府部門投入更多的資金用于港口投資，對(duì)港口資源進(jìn)行進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)，從而提升港口的通過(guò)能力，最終促進(jìn)貨物吞吐量的增長(zhǎng)；而伴隨著貨物吞吐量的增長(zhǎng)，港口企業(yè)獲得的營(yíng)業(yè)利潤(rùn)、應(yīng)上交的營(yíng)業(yè)稅費(fèi)增加，又推動(dòng)了區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

因果回路圖只能描述反饋回路的基本方面，不能表達(dá)系統(tǒng)內(nèi)變量的性質(zhì)。在建立港口資源系統(tǒng)因果關(guān)系圖之后，通過(guò)對(duì)各變量進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，結(jié)合現(xiàn)實(shí)可獲取的數(shù)據(jù)，來(lái)構(gòu)建港口資源系統(tǒng)流圖，如圖2所示，其相應(yīng)參數(shù)設(shè)定及方程式見(jiàn)表1。

圖2 港口資源系統(tǒng)流圖

表1 港口資源系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)設(shè)置

二、港口資源承載力模型構(gòu)建

（一）狀態(tài)空間法概述

狀態(tài)空間法，又稱向量模法，是歐幾里得幾何空間用來(lái)定量描述系統(tǒng)狀態(tài)的一種方法；通常情況下，由表示系統(tǒng)各要素狀態(tài)向量的三維狀態(tài)空間軸組成［5］。應(yīng)用狀態(tài)空間法，可定量地描述和測(cè)量港口資源承載力與承載狀態(tài)。影響港口資源狀況的影響因素主要包括對(duì)港口資源承載力產(chǎn)生正向作用的承壓因素、保持港口資源承載力水平的狀態(tài)因素和對(duì)港口資源承載力產(chǎn)生負(fù)面影響的壓力因素，各因素之間存在著相互聯(lián)系與相互影響的關(guān)系?；谝陨希瑯?gòu)建一個(gè)由這三個(gè)因素組成的三維狀態(tài)空間，如圖3所示。

圖3 狀態(tài)空間圖

在三維狀態(tài)空間中，每個(gè)點(diǎn)都代表一定時(shí)間內(nèi)各因素的空間組合，通過(guò)點(diǎn)的位置可以判斷不同情況下港口資源系統(tǒng)的承載狀態(tài)。

三維狀態(tài)空間中，曲面XmaxZmaxYmax上任意一點(diǎn)表示各因素的組合達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，即理想狀態(tài)，如圖中C、D、E點(diǎn)所示。任何在該曲面以外的點(diǎn)（如B點(diǎn)）則表示人類的社會(huì)活動(dòng)強(qiáng)度過(guò)大，超出了港口系統(tǒng)的承載限度，屬于超載狀態(tài)。任何在該曲面以內(nèi)的點(diǎn)（如A點(diǎn)）則表示人類的社會(huì)活動(dòng)尚未對(duì)港口系統(tǒng)造成影響，屬于可載狀態(tài)。

狀態(tài)空間法的計(jì)算步驟：

（1）選取n個(gè)能較好描述港口資源系統(tǒng)的指標(biāo)；

（2）通過(guò)層次分析法、德?tīng)柗品ǖ戎饔^評(píng)價(jià)方法來(lái)確定n個(gè)指標(biāo)的權(quán)重；

（3）計(jì)算承載力大小，并與理想值比較。

（二）港口資源承載力的定量描述

通過(guò)比較不同狀態(tài)下，三維狀態(tài)空間中坐標(biāo)原點(diǎn)同系統(tǒng)狀態(tài)點(diǎn)（如OA、OB、OC）所構(gòu)成的矢量模，來(lái)判斷港口系統(tǒng)的承載狀態(tài)。由此，港口資源承載力（Port Carrying Capacity）的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

其中i表示第i個(gè)指標(biāo)，w i表示第i個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，x ir為港口各指標(biāo)在空間中的坐標(biāo)值。

為了便于對(duì)港口資源承載狀況進(jìn)行定量判斷以及簡(jiǎn)化計(jì)算，本文對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行無(wú)量綱化處理，并假定經(jīng)過(guò)處理后各指標(biāo)的理想值為1，1，…，1（共n個(gè)），即狀態(tài)空間中曲面XmaxOYmax上任意一點(diǎn)（如圖中C、D、E點(diǎn)）與空間原點(diǎn)的向量模長(zhǎng)均為1。則理想狀態(tài)下港口資源承載力的大小為：

但現(xiàn)實(shí)情況下，港口資源的承載狀況與理想狀態(tài)下的承載力存在差異，故現(xiàn)實(shí)情況下港口資源承載力的計(jì)算公式為：

其中i表示第i個(gè)指標(biāo)，w i表示第i個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，y ir為現(xiàn)實(shí)狀況下港口各指標(biāo)經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理后在空間中的坐標(biāo)值。y ir的計(jì)算公式為：

其中，xir為港口各指標(biāo)的實(shí)際值，x′ir為港口各指標(biāo)的理想值。

根據(jù)以上分析，港口的資源承載狀況可由以下標(biāo)準(zhǔn)判斷：

（1）當(dāng)PCC＞1時(shí)，港口資源系統(tǒng)處于超載狀態(tài)；

（2）當(dāng)PCC=1時(shí)，港口資源系統(tǒng)處于滿載狀態(tài)；

（3）當(dāng)PCC＜1時(shí)，港口資源系統(tǒng)處于可載狀態(tài)。

（三）評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

根據(jù)港口資源承載力的影響因素分析，結(jié)合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的研究，選取對(duì)港口承壓狀態(tài)、未來(lái)承載潛力等方面有主要影響的因素，綜合評(píng)價(jià)港口資源的承載力，指標(biāo)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 港口資源承載力評(píng)價(jià)體系

三、實(shí)例研究

以上海港為案例，運(yùn)用本文所構(gòu)建模型，對(duì)上海港港口資源承載力進(jìn)行研究，其歷年?duì)I運(yùn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 上海港歷年數(shù)據(jù)匯總

（一）模型參數(shù)確定

模型中的參數(shù)是基于上海市區(qū)域經(jīng)濟(jì)、港口生產(chǎn)實(shí)際情況確定的，或查閱現(xiàn)有公開(kāi)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)刊物，如《上海市統(tǒng)計(jì)年鑒》《上港集團(tuán)可持續(xù)發(fā)展報(bào)告》等，或根據(jù)業(yè)內(nèi)人士經(jīng)驗(yàn)所寫的文獻(xiàn)、刊物，或通過(guò)歷史實(shí)際數(shù)據(jù)經(jīng)趨勢(shì)分析和驗(yàn)算總結(jié)而得出。

具體確定方法主要有以下3種方式：

（1）通過(guò)SPSS軟件，對(duì)參數(shù)進(jìn)行曲線估計(jì)，如港口貨物吞吐量等。

（2）對(duì)于變量之間關(guān)系呈非線性的，采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的表函數(shù)進(jìn)行定義，如水資源消耗速率、化石能源消耗速率等。

（3）對(duì)于變量之間關(guān)系難以確定的，采用趨勢(shì)估計(jì)、添加邏輯判斷語(yǔ)句等方式加以確定，如岸線年使用增量、港口堆場(chǎng)面積等。具體參數(shù)取值方法見(jiàn)表3。

表3 主要參數(shù)取值表

（二）模型仿真及有效性分析

根據(jù)模擬的結(jié)果判斷系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的有效性，即求出主要參數(shù)的模擬值與實(shí)際值的誤差，以及兩者的變化趨勢(shì)是否保持一致。選取的指標(biāo)包括：港口吞吐量、港口收入、水資源消耗量和化石資源消耗量，其實(shí)際值與模擬值的對(duì)比情況見(jiàn)圖5～圖8。

圖5 港口吞吐量模擬圖

圖7 水資源消耗量模擬圖

圖8 化石能源消耗量模擬圖

從以上圖表可知，系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果與實(shí)際情況較吻合，模型擬合度良好，可以作為模擬和預(yù)測(cè)的依據(jù)。

（三）狀態(tài)空間法評(píng)價(jià)

1.理想值確定

（1）根據(jù)上海市區(qū)域經(jīng)濟(jì)的實(shí)際情況，結(jié)合城市最新的規(guī)劃目標(biāo)和發(fā)展方案、行業(yè)規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)作為本文的理想值。如《根據(jù)上海市“十四五”規(guī)劃》報(bào)告［6］：到2025年底，生產(chǎn)總值增長(zhǎng)速度應(yīng)控制在5%，港口集裝箱吞吐量應(yīng)達(dá)到4 700萬(wàn)標(biāo)箱；2019年11月，浙滬合作開(kāi)發(fā)小洋山北側(cè)項(xiàng)目，預(yù)計(jì)新增1 216萬(wàn)平方米港區(qū)土地；根據(jù)《上海市節(jié)水行動(dòng)實(shí)施方案》和《上海市“十三五”節(jié)能減排和控制溫室氣體排放綜合性工作方案》［7-8］：到2022年，萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量較2015年降低30%，能耗下降4%。

（2）以階段內(nèi)的最大值、最小值作為理想值。由于資源的稀缺性，港口對(duì)能源的消耗越少越好。根據(jù)本次采集的2010—2019年階段內(nèi)的相關(guān)數(shù)據(jù)，以階段內(nèi)的最小值作為理想值，如：水資源消耗量、化石能源消耗量；以階段內(nèi)的最大值作為理想值，如根據(jù)中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院的文獻(xiàn)記載：上海港可供開(kāi)發(fā)的港口岸線總長(zhǎng)度為22.9萬(wàn)公里等等。最后，根據(jù)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的預(yù)測(cè)結(jié)果，對(duì)階段內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，見(jiàn)表4。

表4 港口資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)及理想值

2.指標(biāo)權(quán)重的確定

針對(duì)上海港實(shí)際情況，為確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，向航運(yùn)相關(guān)老師、港口從業(yè)人員發(fā)放調(diào)查問(wèn)卷，得到各指標(biāo)的綜合排序，再利用層次分析法來(lái)確定各指標(biāo)的權(quán)重。經(jīng)處理后，得到特征向量W=（0.16，0.33，0.11，0.22，0.04，0.05，0.02，0.07）^T。特征向量W對(duì)應(yīng)的最大特征值λmax=8.67，CI=0.095。再查表得知：當(dāng)n=8，RI=1.41，故CR=0.068＜0.1，通過(guò)一致性檢驗(yàn)，可以接受此次結(jié)果。故本文評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重即為特征向量W中的對(duì)應(yīng)數(shù)值。

3.評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)公式（3）、公式（4），對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到相應(yīng)的承載力值，并根據(jù)結(jié)果畫出相應(yīng)的變化趨勢(shì)圖，如圖9所示：

圖9 承載力值趨勢(shì)預(yù)測(cè)

從結(jié)果上看，上海港港口資源承載力值處于0.89～0.96之間，至2025年均處于可載狀態(tài)。從總體的趨勢(shì)上看，上海港的港口資源承載力呈逐漸上升趨勢(shì)，逐步靠近理想值。另外，從曲線的變化情況可以看出，港口資源承壓指標(biāo)所對(duì)應(yīng)承載力值的變化趨勢(shì)與港口綜合承載力值的變化趨勢(shì)基本一致，說(shuō)明上海港港口資源承壓指標(biāo)的變化是導(dǎo)致總體承載力變化的主要原因。

四、結(jié)論

目前，人們對(duì)承載力的研究主要集中于城市系統(tǒng)、水資源系統(tǒng)等領(lǐng)域，但在港口方面的研究還十分欠缺。通過(guò)相關(guān)文獻(xiàn)的閱讀，本文嘗試將承載力引入港口資源系統(tǒng)。針對(duì)資源承載力的內(nèi)涵，從保持港口資源系統(tǒng)承載能力水平的狀態(tài)因素、對(duì)港口資源承載力產(chǎn)生正向作用的承壓因素和對(duì)港口資源承載力產(chǎn)生負(fù)面影響的壓力因素三個(gè)方面分析港口資源系統(tǒng)，構(gòu)建以港口資源承載力為評(píng)價(jià)目標(biāo)的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。結(jié)合狀態(tài)空間評(píng)價(jià)方法，構(gòu)建了以港口資源承載力為核心的評(píng)價(jià)體系，為港口資源承載力研究提供了具體的技術(shù)手段。

本文以上海港為例，對(duì)其港口資源承載力進(jìn)行了評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)結(jié)果表明，上海港港口資源承載力值處于0.89～0.96之間，并呈逐年上升趨勢(shì)。未來(lái)幾年，上海港的港口資源系統(tǒng)仍將處于可載狀態(tài)，說(shuō)明上海港的港口資源系統(tǒng)建設(shè)具有前瞻性，能在一定程度上適應(yīng)未來(lái)的發(fā)展。隨著時(shí)間的推移，按照現(xiàn)有的發(fā)展方式，港口總體的承載力終將逐漸與理想狀態(tài)偏離，其主要原因是資源承壓因素的變化導(dǎo)致了總體承載力的變化。因此，很有必要采取相應(yīng)的措施來(lái)緩解上海港港口資源系統(tǒng)的緊張狀態(tài)。針對(duì)上海港的實(shí)際情況，本文認(rèn)為可采取加大對(duì)港口基礎(chǔ)設(shè)施的投資、加快轉(zhuǎn)變港口發(fā)展模式、開(kāi)發(fā)節(jié)能降耗新技術(shù)等措施，來(lái)改善上海港港口資源承載狀況，逐步增強(qiáng)港口資源的承載能力。

港口是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)變化系統(tǒng)。由于復(fù)雜系統(tǒng)不可避免地存在風(fēng)險(xiǎn)和不確定性，仿真結(jié)果和實(shí)際情況一定存在著誤差。又由于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型需要大量的參數(shù)設(shè)置，因此參數(shù)的準(zhǔn)確性直接影響到模型仿真質(zhì)量。這就需要學(xué)者們長(zhǎng)期跟蹤研究，提高參數(shù)精度，完善系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，使最終的仿真模型更加貼近于實(shí)際情況。