长三角港口体系的空间结构与演变趋势

蒋自然, 傅海威, 曹有挥

(1.中国科学院 南京地理与湖泊研究所， 南京 210008； 2.中国科学院大学， 北京 100049；3.宁波工程学院， 浙江 宁波 315211)

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

长三角港口体系的空间结构与演变趋势

蒋自然1,2, 傅海威1,3, 曹有挥1

(1.中国科学院 南京地理与湖泊研究所， 南京 210008； 2.中国科学院大学， 北京 100049；3.宁波工程学院， 浙江 宁波 315211)

运用分形方法对长三角港口体系2000年以来的空间规模结构维数和关联结构维数进行测算，并预测其未来演化趋势。通过研究发现：长三角港口体系的空间结构具有较强的垄断性，但总体上趋于优化和稳定；主要港口集中分布于线性空间的形态有利于港口间的相互作用，但对港口集疏运水平提出较高的要求；未来长三角港口体系的空间结构将处于稳定的状态。外部环境变化与内部竞合机制的交互作用是长三角港口体系空间结构形成和演变的基本动力机制。最后，提出长三角港口体系进一步发展的政策建议。

水路运输； 长三角；港口体系；分形方法；R/S分析；空间结构

JIANGZiran1,2，FUHaiwei1,3，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

港口体系的概念发轫于港口地理学与系统论的有机结合，指的是一定地域内一系列规模不等、职能各异、腹地交叉、相互联系的港口空间组合。[1]长三角港口体系是我国与外界连接的一个重要门户，在“一带一路”和长江经济带战略深入推进的背景下，其区域开放开发加速器的作用将愈发凸显。

(1)长三角地区是我国区域发展的重要增长极、长江经济带的引领区域，其港口体系的发展和演化对推动国家经济发展具有广泛而深远的现实意义。

(2)随着亚洲,尤其是我国港口的逐渐崛起，对长三角港口体系进行研究能进一步充实全球港口体系的科学研究内容，具有十分重要的理论价值。

目前已有较多对长三角港口体系的研究。曹有挥[2]将基尼系数方法引入到港口体系的空间结构研究中，认为长江沿岸港口体系空间结构变动整体上趋向集中；俞海宏等[3]运用系统动力学模型对长三角港口体系进行仿真研究，认为各港口的稳态效率尚未达到最优；吴桥等[4]通过对长三角港口体系主要货种结构的时空演变进行分析，发现不同货种吞吐量的空间集散格局也各异；VEENSTRA等[5]运用多种方法测度长江集装箱港口体系的空间结构，认为上海港在整个港口体系中占据着重要的地位。总体来看，已有的对港口体系空间结构的定量分析多采用基尼系数和赫芬达尔-赫希曼指数(Herfindahl-Hirschman Index,HHI)等方法，这些方法对样本的要求较高，容易导致结构性信息丢失[6]。因此，尝试将分形思想引入到港口体系研究中，以期完整呈现2000年以来长三角港口体系的空间结构及其演变特征。

1 分形方法在港口体系研究中的应用

1.1规模结构维数测算

选取长三角地区主要港口的货物吞吐量作为港口规模的代表性指标，对港口的货物吞吐量进行大小排序；分别对港口的货物吞吐量的位序和大小数值取对数，并作散点图，观察其拟合态势。若二者存在线性回归函数关系，则说明港口的货物吞吐量的位序-规模分布符合齐夫法则(Zip’s Law)。具体计算式为

T(r)=T1r-q

(1)

式(1)中：r为港口的货物吞吐量的规模位序(r=1，2，…，14)；T(r)为位序为r的港口的货物吞吐量；T1为首位港口的货物吞吐量；q为Zipf参数。对式(1)两侧分别取对数，得到

lnT(r)=lnT1-qlnr

(2)

根据式(2)求得一系列数据对[lnr，lnT(r)]，将这些数据对标绘成散点图并进行拟合，若呈现线性回归关系，则港口的规模结构维数Df为

Df=R2/q

(3)

式(3)中：R2为拟合方程的可决系数；分维值Df具有有效的地理意义，反映港口规模结构的空间分布模式。

1)Df<1表示港口体系的等级规模结构较为分散，港口吞吐量呈帕累托不均衡态分布，首位港的垄断性较强，港口体系的整体发育还不够成熟。

2)Df=1表示首位港和最小港的规模之比恰好等于港口数目。

3)Df>1表示港口体系的规模分布较为集中，港口吞吐量分布相对均衡，中间位序港口的数量较多，港口体系整体发育相对成熟。

1.2关联结构维数测算

港口体系空间上的关联结构维数可解释港口间的空间相互作用规律，刻画港口体系中各港口的相对分布状态。考虑到港口体系的空间分布一般是二维的，可将其空间关联函数定义为

(4)

式(4)中:C(k)为空间关联函数;N为满足一定条件时的港口数目；k为步长；dij为港口i与港口j之间的欧氏距离；H为Heaviside阶跃函数，即

(5)

若港口体系的空间分布是分形的，则应满足C(k)∝kDg。这里Dg即为关联结构维数，其实际计算的方法与规模结构维数测算方法类似，即：首先在地图上计算出各港口间的欧氏距离，得到欧氏距离矩阵;然后计算出C(k)值，改变k值，得出一系列[k，C(k)]数据对的散点图；最后对数据对进行线性拟合，便可得到关联结构维数Dg的值。一般情况下，0≤Dg≤2；当Dg→0时，表示系统内港口分布集中于一个点；当Dg→2时，表示系统内港口分布较均匀；当Dg→1时，表示系统内港口分布集中于一条光滑的曲线上。总之，Dg越大,表明港口体系内各港口越均衡地分布于地理空间中;反之,则集中于较小的空间地带中。

1.3R/S趋势分析法

分形理论中的R/S分析法(Rescaled Range Analysis)是一种针对时间序列的分析法，可用来对时间序列的分形特征和长期记忆过程进行研究，找出演化规律，并预测其未来发展的趋势。运用R/S分析法分析的过程如下。

对于时间序列{B(t)}，t=1，2，…，n，若任意正整数τ≥1，则

5)R/S≡R(t)/S(t)。

若存在R/S∝τH，则表明时间序列{B(t)}存在Hurst现象，H即为Hurst指数。根据H值判断时间序列的趋势是具有持续性(Persistence)特征还是反持续性(Anti-Persistence)特征：若H=0.5，则时间序列是一个随机游走序列；若0.5

1.4数据来源

选取长三角地区的14个主要港口作为研究对象。这些港口中，既有上海港、宁波-舟山港等国际性大港口，又有扬州港、台州港等区域性中小港口，类型上涵盖沿海港口和内河港口，样本选择具有一定的覆盖度和代表性。指标数据来自于历年的《中国港口年鉴》、地方统计年鉴和统计公报及部分港口的实地调研资料。

2 长三角港口体系的空间结构实证分析

2.1等级结构分析

选择长三角地区2014年样本港的货物吞吐量作为基本数据，按照吞吐量的规模从大到小排序，得到港口吞吐量的位序-规模数据对。分别对位序数据和规模数据取对数并绘制成二维散点图进行拟合，根据拟合优度的大小判断分形特征是否存在。图1为长三角港口体系的位序-规模分布情况(双对数图)，大部分散点拟合在同一条直线上，可决系数R2=0.963，具有明显且较宽阔的无标度区间，分形特征明显。进一步根据式(2)和式(3)求出维数值Df=0.888<1，说明不同等级规模的港口分布较分散，首位港的垄断性较强。同理，对长三角港口体系2000年以来的规模结构进行分析，得到历年的Df值(见表1)。

图1 长三角港口体系位序-规模分布情况

表1 2000年以来长三角港口体系的R2和Df值

由表1可知，各年份的可决系数R2均≥0.9，即历年长三角港口体系的空间规模结构均具有明显的分形特点。所有年份的Df值均<1，说明长三角港口体系总体发展还不够成熟，货物吞吐量在各港口分配不均，首位港的垄断性较强。从时间序列上看，Df值呈现出“先增加、后稳定”的演化趋势，这与曹有挥[1]通过对1995年以前的长江港口体系空间结构演变进行研究得出的“集中化趋向”的结论明显不同，也与潘坤友等[7]提出的我国集装箱港口出现箱流分散化趋势的观点有所差别，这意味着2000年以来长三角港口体系空间结构出现新的发展格局。2000—2008年，Df值增加态势明显，即长三角港口体系在空间上的均衡程度逐渐上升，这样的空间结构演变趋势有利于中小型港口的发展和整个港口体系的功能协作；而2009年以后，Df值基本稳定在0.88左右，一方面说明中小型港口投资和建设出现过饱和状态，各地港口的吞吐量增速开始放缓；另一方面也意味着长三角港口体系在空间上出现“边缘港挑战”效应。

为进一步分析港口体系的空间格局演化，参考梁双波等[8]的方法，将长三角港口体系的主要港口划分成大型、中型和小型等3个类别，将吞吐量在3类港口间的分配比重绘制成图2。

图2 货物吞吐量在大、中、小3类港口中的分配比重

从整体上看，长三角港口体系的规模结构在各年份均具有明显的垄断特征，货物吞吐量排名前两位的上海港和宁波-舟山港的货物吞吐量占整个港口体系货物吞吐量的45%以上；从时序演化上看，货物逐渐由大型港口向中、小型港口转移，小型港口货物吞吐量的增长尤为明显，整个港口体系的空间结构趋于优化和稳定。2000—2007年，大型港口货物吞吐量的比重显著降低，同时小型港口货物吞吐量的比重明显增加；2007—2011年，伴随着大、小型港口货物吞吐量的比重持续消长，中型港口的货物吞吐量的比重开始变大，空间结构仍在优化；2011年以后，各类港口货物吞吐量的比重的变化趋势都在变小，小型港口货物吞吐量的比重甚至也出现微降，长三角港口体系的空间结构总体上趋于稳定。

2.2关联结构分析

借助地理信息系统(Geographic Information System,GIS)平台测算长三角地区样本港的主港区两两港口之间的欧氏距离(直线距离)，构造14×14矩阵。以步长k=30 km为标度，通过改变k的大小，得到一系列C(k)值(见表2)，进一步将[k，C(k)]绘制成点对系列的双对数坐标图(见图3)。对图3中无标度区间内的散点进行线性回归，得到关联结构维数Dg=1.082，可决系数R2=0.983，拟合优度良好。关联维数值接近于1，说明长三角港口体系中的港口比较集中分布于一个线性的空间内，空间关联性强，这与现实情况相符。该线性空间大致是“南京港—上海港”的沿江线路与“上海港—台州港”的沿海线路相连而成的航运通道，其结构形态有利于加强航运通道上各港口间的相互作用，但也表明长江支流水系的港口不够发达，由此对长三角地区内陆物流配送体系和综合运输网络的完善提出较高的要求。

表2 长三角港口体系的关联结构维数

2.3发展趋势研判

图3 长三角港口体系空间关联维数的双对数图

以2000年为基点，运用R/S分析法对长三角港口体系的Df维数值的时间序列演化趋势进行分析(见表3)。由表3可知，Hurst指数总体上呈下降趋势，说明Df值同向变化的持续性在不断减弱，但下降幅度逐渐变小。2011年以前，Hurst指数始终>0.5，Df值演化呈现出持续性发展态势，即继续保持增长；2011年以后，Hurst指数略<0.5，Df值演化呈现出反持续性态势，即由递增变成稍降。将2000年以来的时间序列分成3段，分别计算3个时期内的Hurst指数(H(2000—2004)=0.626,H(2005—2009)=0.585和H(2010—2014)=0.493)，由此也能得出Hurst指数呈“总体减小、趋向稳定”态势的结论。综上所述，由于2007年以来Hurst指数始终在0.5左右徘徊，因此可判定长三角港口体系的空间结构在未来一段时期将不会有太大变化。

表3 长三角港口体系空间演变的Hurst指数

3 长三角港口体系演化的动力机制

3.1外部环境变化

外部环境变化的影响主要表现在以下3个方面。

1)大型港口受到诸如岸线资源短缺、土地供给不足、环境污染及交通拥挤等一系列瓶颈因素的制约，发展速度减缓。

2)地方政府竞相加大对中小型港口的投入，港口的集疏运水平和服务水平明显提升，使得交叉腹地中原本流向枢纽港的货物纷纷流向边缘港，进而使得中小型港口货物吞吐量的增长速率超过了大型港口。

3)港口资本多元化促进了政企分离和运营效率的提升，进而吸引众多国际港航企业涌入长三角地区，这在缩小我国港口与国际先进港口的差距的同时，也缩小了枢纽港与边缘港之间的差距。[7]

以上3个方面的共同作用使长三角港口体系中大型港口货物吞吐量的增速减缓、中小型港口货物吞吐量的增速加快，且随着国际航运市场的饱和，货物吞吐量的变化最终趋于稳定。

3.2内部竞合机制

港口之间竞争与合作机制的交互作用有力推动着长三角港口体系的空间演化进程。

1)港口体系的内部竞争是形成“边缘港挑战”的直接原因。[9]随着自身各项条件不断改善和提升，中小型港口采取价格竞争、政策支持和财政补贴等一系列措施来吸引船公司开辟新航线、争夺交叉腹地内的固定货源，在提升自身港口生产能力的同时，势必因“此消彼长”而影响大型港口的货源量，使二者差距缩小。

2)在港口业竞争日趋激烈的背景下，港口经营者通过各种合作方式增强港口的竞争力和市场支配力，尤其是由各级港口组成的战略联盟的出现促使大型港口的货物吞吐量与中小型港口共同增长，这种增长往往表现出很高的同步性，且没有时滞，致使港口体系的空间结构趋于稳定。

4 结束语

基于分形理论对长三角港口体系的空间结构及其演变趋势进行研究,结果表明：

(1)长三角港口体系的空间结构既具有垄断性特征，又显现出“边缘港挑战”的空间效应，总体上趋于优化和稳定；

(2)长三角主要港口分布在一个线性的空间范畴内，主要港口间的相互作用较强；

(3)长三角港口体系空间结构变动的持续性下降，并最终趋于稳定；

(4)上述空间结构及其演变的动力机制既与港口外围经济环境和政策环境的变化有关，又与港口体系内部竞合机制的交互作用密不可分。

根据研究结果，提出以下发展建议：

(1)大力发挥上海港的龙头带动作用，围绕上海国际航运中心建设，适度释放港口的中转和装卸等相对低端的功能，关注中高端港航后勤要素的配置，加速推进上海港向第四代港口转型，带动整个长三角港口体系功能的提升;

(2)加强港口间的深层次合作，尤其是在后危机时期和港航业激烈竞争的背景下，通过港口间区域上的横向协同和供应链上的纵向整合，合理配置港航资源，减少港口体系内部的重复建设和恶性竞争，促进长三角港口体系整体转型升级;

(3)进一步完善港口体系的集疏运水平，特别是注重内陆疏港通道和综合物流网络建设，充分发挥港口在长三角地区开发开放中的重要门户作用和要素集聚功能。

[1] 曹有挥. 安徽省长江沿岸港口体系的初步研究[J]. 地理科学, 1995, 15(2): 154-162.

[2] 曹有挥. 长江沿岸港口体系空间结构研究[J]. 地理学报, 1999, 54(3): 233-240.

[3] 俞海宏, 刘南. 基于系统动力学的长三角港口群效率模型研究[J]. 中国航海, 2012, 35(1):98-104.

[4] 吴桥, 陈琼. 长三角港口体系主要货类结构时空演变分析[J]. 经济地理, 2015, 35(3): 108-114.

[5] VEENSTRA A, NOTTEBOOM T. The Development of the Yangtze River Container Port System[J]. Journal of Transport Geography, 2011(19): 772-781.

[6] 赵建群.论赫芬达尔指数对市场集中状况的计量偏误[J]. 数量经济技术经济研究, 2011(12): 132-145.

[7] 潘坤友, 曹有挥, 梁双波, 等. 中国集装箱多门户港口区域空间结构的形成与机理[J]. 地理科学进展, 2013, 32(2): 214-222.

[8] 梁双波, 曹有挥, 曹卫东, 等. 长三角港口物流经济空间差异及演化分析[J]. 经济地理, 2009, 29(7): 1081-1086.

[9] 王成金. 集装箱港口网络形成演化与发展机制[M]. 北京:科学出版社, 2012:252-258.

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

国家自然科学基金(41271136;41501142);浙江省自然科学基金(LY15D010003);浙江省社科规划“之江青年课题”(14JDLG04YB);江苏省博士后基金(1402116C);宁波市哲学社会科学学科带头人培育项目(G15XK10)

蒋自然(1983—),男,安徽全椒人,博士生,从事区域发展与交通地理研究。E-mail:jzr729@163.com

曹有挥(1959—),男,江苏扬州人,研究员,博士生导师,从事交通地理和港口物流研究。E-mail:yhcao@niglac.ac.cn

1000-4653(2016)02-0106-05