基于場強模型的遼寧沿海港口腹地劃分

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(遼寧師范大學 a.城市與環境學院;b.政府管理學院,遼寧 大連 116029)

1 引言

經濟全球化推動了港口規模擴大和港口功能提升,加快了港口腹地經濟整合,通過要素市場的資源優化配置促進了區域經濟發展。同時,航運業的快速發展,導致港口競爭日趨激烈,腹地范圍將不斷擴大,并呈現出多樣化的趨勢[1,2]。港口作為一類地理空間,更是一種經濟系統[3]。港口扮演著區域門戶的重要作用[4],促進了區域統一大市場的形成。因此，明確港口的腹地范圍、認清港口與腹地之間的隸屬關系,對港口功能定位和區域協調發展具有十分重要的意義。

港口腹地范圍劃分研究肇始于海港最優區位研究,主要借鑒了城市腹地范圍研究。德國學者Kautz E A于1934年發表的《海港區位論》基于海港與腹地的關系,以“總體最小費用”為原則,追求海港的最優區位[5];1963年,Taaffe、Morrill、Gould提出海港空間結構演化的六階段模型,認為港口和腹地交通網絡的不斷發展,腹地的貨流將逐步趨于集中[6];1990年,Slack在此基礎上提出第七階段,即多式聯運發展,交通走廊的運量繼續集聚,而多余節點則被淘汰[7]。陸玉麒提出雙核結構理論,研究了區域中心城市與港口門戶城市的組合關系[8],為港口腹地劃分提供了一定的理論基礎。由于缺乏城市和區域空間單位與港口有關活動的詳細數據[9],對港口和腹地空間關系的準確定量分析比較困難,糧食、能源等專業性港口的服務范圍劃分研究多依托于碼頭區位最優選擇研究。其中,片峰等劃分了環渤海地區主要鐵礦石中轉港的腹地范圍[10];程佳佳等闡述了我國港口原油碼頭的發展現狀和布局特征,分析得出我國原油碼頭的空間分布“極不均衡”[11]。港口腹地劃分多基于空間相互作用的理論視角,以及港口和港口城市發揮的綜合性中心職能、港口和腹地之間的距離、中間干擾機會的研究框架。在研究方法上,一般從內陸空間的通達性和經濟性角度來確定港口腹地的地理范圍[12]。目前的研究方法主要包括區位商法[13]、隸屬度法[14]、圈層結構法和點軸結構法[15]、O-D流結合圖論法[16]、煙羽模型[17]、Huff模型[12,18,19]、場強模型[20-22]等。

通過回顧文獻發現,港口腹地劃分從定性方法為主轉向定量方法為主,由概念性的理論模型轉向半參數模型和參數模型,參數設置不斷優化,運輸成本多通過測算距離近似表示。腹地劃分模型的模擬程度逐漸提高,但與現實世界還存在一定差距,如腹地的基本研究單元多為省域或市域,基于縣域尺度的研究比較少;研究對象多側重對某一個或兩個港口腹地范圍的劃分,對港口—腹地型城市地域系統的空間聯系刻畫不深刻[23];在距離成本測算上,雖然運輸時間成本的影響逐漸受到學者們的重視,但地形坡度的影響程度尚難以度量,運輸速度難以精確測算,對現實的擬合效果不佳。因此,本文以遼寧沿海港口及其東北地區腹地為研究對象,建立港口的綜合實力評價指標體系,確定港口綜合“質量”;借助百度地圖導航服務,測度各城市到各港口的時間成本;運用場強模型對遼寧沿海港口的陸向腹地范圍進行劃分,以期對我國港口—腹地系統發展研究、港口布局規劃提供一定的參考。

2 研究區、數據獲取與方法選擇

2.1 研究區概況和數據來源

遼寧省的沿海岸線資源豐富,大陸岸線長達2178km,島嶼岸線624km,已形成以大連港、營口港為主要港口,錦州港、丹東港為地區性重要港口,盤錦港、葫蘆島港為一般性港口的分層次發展格局。2016年,遼寧省完成港口貨物吞吐量10.9億t,集裝箱吞吐量1879.8萬TEU。東北地區是我國較早形成的結構相對完整的大經濟區,包括東三省和內蒙古東四盟[24],是遼寧沿海港口主要的陸向經濟腹地[25]。縣城是聯系廣大鄉村地區的紐帶,也是工農業物資的集散地[26],因此基于縣域尺度的腹地劃分更加精細。

為了便于數據采集和處理,本文將遼寧省大興安嶺地區新林區、呼中區和呼瑪縣合并,加格達奇區、松嶺區與鄂倫春自治縣合并,呼倫貝爾市扎賚諾爾區與滿洲里市合并,并將除沈陽市遼中區、大連市普蘭店區、遼陽市弓長嶺區、營口市鲅魚圈區、盤錦市大洼區、長春市雙陽區以外的各地市的市轄區分別合并,最后確定了220個研究單元。

本文的社會經濟屬性數據來源于2017年的《中國港口統計年鑒》[27]、《黑龍江統計年鑒》[28]、《吉林統計年鑒》[29]、《遼寧統計年鑒》[30]、《內蒙古統計年鑒》[31];研究區行政邊界來源于國家地理信息中心提供的1∶100萬矢量數據;鄉鎮街道名錄來源于2016年的《中華人民共和國鄉鎮行政區劃簡冊》[32];研究涉及的13個港區、220個縣區、3642個鄉鎮街道的地理位置通過Google Earth查找獲取;交通出行數據于2018年8月向百度地圖服務商批量請求獲得。

2.2 基于能級指數的港口綜合實力評價方法

城市能級是指城市功能對其他地區的輻射影響程度。一般而言,能級指數越大,城市功能對外輻射的范圍也越大。港口是港口城市的重要特殊功能,也是港口城市的有機組成部分。港口能級不僅受到港口自身的資源稟賦和經營管理水平的影響,還受到所在城市發展水平的支持或制約。一般來說,港口能級越大,腹地范圍也就越大。

表1 港口能級評價指標體系

依據中心地理論,中心地提供的服務和所具有的功能具有等級性。能級指數是絕對大小的反映,主要以總量指標為主,個別采用均量指標輔助[33]。為了全面反映港口的綜合實力,本文構建了港口能級的指標體系，見表1。在多指標綜合評價研究中,主成分分析方法不僅解決了指標賦權和相關性問題,還實現了指標降維以簡化評價的作用[34]。從表1可見，X1—X4反映港口規模,X5-1—X5-4反映港城經濟發展水平,X5-5反映港城社會服務水平,X5-6反映港城人口規模。

本研究首先對原始數據進行標準差標準化，以實現無量綱化處理。由于標準化后的數據通過KMO和Bartlett球形檢驗,通過SPSS19.0中的因子分析工具設置參數提取公因子,并通過計算主成分得分得出港口能級指數,最后采用對數Logistic模式對所得數據進行非負標準化處理,計算公式為:

(1)

2.3 基于互聯網地圖服務的時間距離測算法

港口的時間可達性測度反映了各港口腹地交通設施對其支撐能力的大小。傳統的可達性分析所確定的時間距離主要是借助GIS軟件模擬交通時速建模的方式。實現手段主要有以下兩種:一種是基于矢量數據，可通過O-D矩陣確定每個節點的可達性的網絡分析,不足的是路網的拓撲關系復雜以致于工作量較大；同時，對地形起伏、交通方式接駁等因素難以處理。另一種是基于柵格數據，通過成本加權距離來實現的空間分析。該方法的缺點是不同類型柵格設定的通過成本的主觀性較強,并未充分考慮水域、山體、農田等運輸阻隔要素的特殊性,因此柵格單元大小的設定需要仔細考慮。當前時刻表查詢服務、導航地圖提供的位置和路線檢索已深入大眾生活,很大程度上反映了人們的出行決策,符合大眾出行的行為邏輯,相比傳統的交通建模,利用導航地圖開發平臺的測度方法更加準確和可靠[35]。

鄉鎮是具有一定生產和生活功能,并以鄉村作為腹地支持的聚落。本文總共選擇3642個鄉鎮街道作為起始點,既避免了由于220個縣區或45490個村莊社區作為起始點所導致的數據量過小或過大問題,也避免了格網點或隨機點造成的與實際人類活動集聚情況不符的缺陷,能在現有統計數據支持條件下近似地反映出縣域單元港口運輸需求活動產生的地點。

為了充分利用岸線資源,使港口吞吐能力和影響范圍最大化,全國主要港口業務港區已由單一的港區發展成為多個港區,參照韓增林等[25]對交通可達性的研究,把遼寧省沿海港口劃分為13個主要港區,將每個港口至腹地城市的時間距離定義為每個港口的各個港區到腹地城市各個鄉鎮街道的時間距離均值,避免了把6個港口作為目標終點導致的精度過粗問題,化解了數百個碼頭資料收集所面臨的現實困難。在本研究中,借助百度地圖API批量獲取各起始點到各目標點的導航數據,將得到的O-D矩陣數據導入Geodatabase。

2.4 基于場強模型的港口—腹地空間聯系評價法

港口(城市)作為區域對外開放的門戶,港口(城市)功能的輻射效應可表示為場強,腹地(城市)受到多個港口城市場強的疊加作用可通過場能表示。對區域發展來說,場能高不但意味著受區域中心城市的影響力強,區域聯系“通道”快捷高效,而且意味著未來發展潛力較大;反之則相反[33]。場強和場能的計算公式為[36]:

(2)

式中,Fij表示港口i對點j的場強;Fj表示多個港口對點j的場能;Zi表示港口i的能級指數;Dij表示點j到港口i的距離,采用時間距離代替空間距離;a表示距離摩擦系數。本文參照顧朝林、黃金川等人的研究說明，a值分別取1.0和2.0時可近似反映國家尺度和省區尺度的城市輻射作用[37,38]。由于本文研究范圍為東北地區,與省區尺度最接近,因此a應以2.0為標準值。由于場強量綱難以確定,本研究采用胡佛的概率模型對場強模型去量綱化，計算公式為:

(3)

3 研究結果

3.1 港口能級綜合評價

2016年,遼寧省大連港和營口港貨物吞吐量分別達到4.38億t和3.52億t,共占遼寧沿海港口體系貨物吞吐量的72.29%,外貿吞吐量和集裝箱吞吐量的占有率分別達89.52%和83.37%。遼寧省丹東港和錦州港貨物吞吐量計占22.64%,而盤錦港和葫蘆島港貨物吞吐量僅占5.07%(表2)。從港口提供的三類服務的集中程度來看,貨物吞吐量集中程度最低而外貿吞吐量和集裝箱吞吐量的集中程度比較高。運用主成分分析計算得出的港口能級指數見表2。

表2 2016年遼寧沿海港口綜合實力

從表2可見,大連港能級指數達到86.28居于首位,營口港為61.15居于次席,丹東港以42.07位列第三,錦州港、盤錦港、葫蘆島港分別居于第四位、第五位和第六位。遼寧沿海港口群形成了以大連港和營口港為主要港口、丹東港和錦州港為地區性重要港口、盤錦港和葫蘆島港為一般港口的港口體系。

3.2 港口—腹地時間可達性

從表3可見,遼寧省丹東港、盤錦港和營口港的平均到達時間均小于11h,大連港和葫蘆島港的平均可達時間均大于11.5h,錦州港的可達性居中。需要注意的是,近些年港口對貨源的爭奪十分激烈,為降低貨主的運輸成本,港區選址通常更加靠近競爭性港區。如遼寧省太平灣港區分別離仙人島港區和鲅魚圈港區僅0.15h和0.3h,比大連灣港區分別縮短了0.85h和1.15h,比大窯灣港區分別縮短了0.75h和1.06h。可見,大連港和營口港之間的競爭將會更加激烈。值得注意的是,遼寧省長興島港區的平均到達時間達12.3h,可見長興島港區的基礎設施尚未完善;太平灣港區加劇了大連各港區之間的內部競爭,容易造成港口資源浪費[39]。類似地,遼寧省盤錦市主要位于遼河三角洲,盤錦港區緊鄰營口市西市區,盤錦港區的平均到達時間僅比鲅魚圈港區縮短0.02h;錦州港區則緊靠葫蘆島港區,時間成本優勢僅為0.26h。

表3 遼寧沿海港口及主要港區平均到達時間

3.3 基于場強模型的港口腹地劃分

從表4可見,遼寧省沿海的6個港口對220個縣域單元的平均總能級為48.66,平均總時間為2432.37,平均總場強為456.37。以每個港口的能級、時間距離、場強與6個港口總的平均值相比較,分別得出3個優勢度指數。從表4可見,各港口之間在時間成本上的差距并不突出,營口港的總場強雖然要高于大連港,但營口港的時間成本優勢并不突出,大連港的能級優勢非常明顯,受到距離衰減規律的影響,大連港對營口港仍具有綜合場強優勢。雖然丹東港和盤錦港具有時間成本優勢,但受到港口吞吐能力和港口城市支撐強度的限制,沒有取得場強優勢地位。雖然錦州港對盤錦港具有能級優勢,但錦州港的時間優勢不如盤錦港明顯,兩港場強優勢程度相當。葫蘆島港不但能級低,而且耗時長,在各港口中最缺乏競爭力。

表4 遼寧沿海港口區位優勢度

根據式(2)和式(3),分別計算遼寧省各縣域單元內所屬港口的場強,根據“場強最大”原則劃分出各港口的腹地范圍,見圖1。

圖1 遼寧沿海港口腹地試劃分結果及 腹地所屬港口的場強輻射總量

從圖1可見，遼寧沿海港口腹地空間格局具有以下特征:①各港口的腹地范圍差異巨大。大連港的腹地范圍最為遼闊,包括大連市和東北地區北部廣大地區,共計139個縣域單元;營口港為33個縣域單元,主要位于沈陽經濟區和吉林省中部;錦州港為20個縣域單元,集中在遼西地區和內蒙古赤峰市;丹東港為16個縣域單元,集中在遼東地區和吉林省東南部;盤錦港為10個縣域單元;葫蘆島港僅為2個縣域單元,分別是建昌縣和綏中縣。②腹地形態與港口所處的地理位置具有一定的關聯性。港口腹地自港口所在地向毗鄰的內陸地區不斷延伸,直至該港口的場強輻射量不能維持優勢地位。③港口所在縣域單元與港口的腹地范圍具有交叉性。由于本文采用了港口而不是各港區的數據,導致葫蘆島港區所在的葫蘆島市轄區隸屬于錦州港而不是葫蘆島港。④港口出現非連續性的“飛地型”腹地,印證了Notteboom、Rodrigue[40]所描述的港口區域化發展階段腹地發展的一般特征。某一港口向內陸地區投放影響力的同時,必然受到鄰近港口的干擾,導致各港口腹地相互嵌套,港口向內陸腹地交錯布局、交互關聯。遼寧省大連港以大連市為直接腹地,位于東北地區北部的腹地被營口港和丹東港所分割;營口港向內陸地區拓展腹地方向受盤錦港阻礙,營口港所在縣區與沈陽經濟區并沒有直接毗連;敦化市被大連港腹地所分割,成為丹東港的“飛地型”腹地。

從圖1還可見,腹地所屬港口在腹地的場強輻射強度由沿海地帶向內陸地區加速減弱,強度最大的3個縣區分別是鲅魚圈區、營口市轄區和大洼區,強度最低的3個縣區分別是根河市、漠河縣和額爾古納市。

圖2 遼寧沿海港口腹地所受港口場強輻射總量及 所屬港口場強的比重

從圖2可見,遼寧省6個港口場強輻射總量在空間分布上也具有類似的規律性,總量最大的3個縣區仍分別是鲅魚圈區、營口市轄區和大洼區；總量最小的3個縣區分別是彰武縣、奈曼旗和阿魯科爾沁旗。計算每個縣域單元所屬港口場強輻射量與總的港口場強輻射量之比見圖2。從圖2可見，所屬港口場強比重具有由沿海地區向內陸地區先急劇遞減后緩慢遞增的規律性。總體來說,雖然大連港腹地受到其他港口尤其是營口港的“蠶食”,但大連港憑借能級優勢仍維持著競爭優勢,大連港依然是東北地區的首位港;營口港受到大連港、丹東港和盤錦港的空間限制,主要的拓展方向仍集中在吉林省。

3.4 港口腹地綜合劃分

基于改進場強模型的遼寧沿海港口腹地劃分結果,沒有考慮到行政邊界效應、港口腹地交疊相錯的實際情況。因此,將各地級市下轄的區縣認定為港口的直接腹地;將港口在縣區場強的算數平均值與其1個標準差之和作為劃入港口直接腹地的準入條件;將港口在縣區場強的算數平均值與其1個標準差之差作為劃入港口腹地的準入條件;各縣域單元隸屬的港口不超過2個。由于沒有港口在彰武縣和弓長嶺區的場強滿足以上條件,故將彰武縣和弓長嶺區劃定為場強前兩位港口的交叉腹地。綜合分析得到的遼寧沿海港口腹地劃分結果見圖3。

圖3 遼寧沿海港口腹地劃分結果

從圖3可見,遼寧省大連港的直接腹地除大連市之外,主要位于東北地區北部遠離黃渤海岸的內陸地區;營口港的直接腹地主要位于營口市、沈陽市、撫順市、鞍山市、遼陽市;丹東港的直接腹地主要位于丹東市、本溪市和通化市;錦州港的腹地主要位于錦州市、朝陽市和赤峰市,盤錦港的腹地主要位于盤錦市和阜新市,葫蘆島港主要依托葫蘆島市,在行政邊界的約束下并不存在明顯的競爭。遼寧省大連港受到營口港的強勢擠壓,從鐵嶺市到齊齊哈爾市的東北中部地區為大連港和營口港的交叉腹地,而從白山市到雞西市一線為大連港和丹東港的交叉腹地,大連港在東北地區中部和東部的腹地分別面臨營口港和丹東港的“蠶食”,大連港與營口港、大連港與丹東港成為主要的競爭方。本研究識別的港口腹地空間格局與董曉菲[19]、徐維祥[12]等研究的結果大體一致,但對交叉腹地的空間刻畫更加深刻精細,突出了大連港與營口港和丹東港在腹地爭奪中體現出的復雜的空間關系。

3.5 港口競爭結構

市場份額的多少與港口在競爭中所處的地位密切相關。遼寧省大連港由于在相當長的一段時期內是東北地區最主要的出海門戶,通過鎖定用戶占據了主要市場份額,通過特殊的壟斷地位限制了競爭。根據蘭切斯特競爭策略[41],通過港口在腹地占有的市場份額劃分為四種競爭者類型,低于26.1%稱之為“不穩定的競爭者”,介于26.1%和41.7%之間的稱為“競爭者”,在41.7%和73.9%之間的稱為“領導者”,高于73.9%稱為“壟斷者”,結果見表5。遼寧省大連港在大多數縣域單元具有一定的競爭力,但與其他港口有較多的腹地重疊;各個港口的競爭優勢地位并不明顯,在某一腹地單元中處于壟斷者或領導者地位的港口比較少;除大連港外,其他港口均主要扮演不穩定的競爭者角色;在48個腹地單元,所有港口均為不穩定的競爭者。

遼寧省大連港與營口港在11個縣域單元形成了激烈競爭,大連港與丹東港為7個縣域單元,錦州港與葫蘆島港為4個縣域單元,營口港與盤錦港為2個縣域單元。大連港腹地在東北地區中部和東部分別受到營口港和丹東港的擠壓,構成了主要競爭方。大連港位于遼東半島最南端,憑借著雄厚的城市基礎、高效的組織能力,一定程度上彌補了地理空間距離的劣勢。加之腹地演變的歷史延續性,隨著營口港和丹東港的基礎設施不斷完善,受到中介機會的干擾作用,大連港的腹地處于逐漸被“襲奪”的狀態。1984年和1989年相繼設立地級盤錦市和錦西市(1993年改稱葫蘆島市),地方政府謀求港口建設以促進經濟發展,沒有考慮港區鄰近的現實,造成港口的重復建設。2017年12月,大連港集團和營口港集團的股權實現劃轉,實際控制人由地方國資委變為遼寧省國資委,意味著遼寧省港口資源的整合取得了重大進展。從長遠來看,構建合理的遼寧沿海港口體系,不僅需要經營管理層面的改革,還需要加快行政管理體制的調整。

4 結論與討論

4.1 結論

港口對腹地的影響強度和輻射范圍受到港口轉運能力和貨運交通成本的制約,本研究為港口腹地范圍的識別提供了一條較可靠的方法路徑。港口能級指數能反映港口對腹地運輸需求的海陸轉運能力。根據互聯網導航服務能反映出實際的陸路交通可達性條件,在改進的港口場強模型識別出腹地范圍的基礎上,充分考慮到港口城市邊界效應的實際情況,通過設定合理簡單的腹地空間范圍識別標準,能較好地識別出遼寧沿海6個港口的直接腹地和交叉腹地。

實證研究表明,遼寧沿海港口場強的空間分布形態與核心港區的區位和交通網絡的布局具有高度的耦合關系。遼寧沿海各港口的腹地范圍存在較顯著的差異,大連港腹地范圍最大,營口港次之。與腹地所屬港口場強輻射總量和所受港口場強輻射總量不同,腹地所屬港口場強比重具有從沿海港區向內陸地區先降后升的規律性。港口的直接腹地除了依托港口城市之外,大連港的直接腹地還包括東北地區的北部內陸地區,營口港的直接腹地主要位于沈陽經濟區,丹東港的直接腹地包括本溪市和通化市,錦州港的直接腹地包括朝陽市和赤峰市。大連港與營口港和丹東港之間具有大量的交叉腹地單元,遼寧沿海港口腹地范圍體現出復雜的空間關系。東北地區中部是大連港和營口港的交叉腹地,而東北地區東部為大連港和丹東港的交叉腹地。港口區域化是提升港口集群競爭力的重要手段。遼寧沿海港口群存在過度競爭趨勢,需要統一規劃、統籌發展,適時整合港口資源,提升港口群競爭力。遼寧省大連港和營口港之間、大連港和丹東港之間、營口港和盤錦港之間、錦州港和葫蘆島港之間更需要注重協作,減少行政區經濟下的港口資源消耗,也可以為行政區劃改革減輕阻力。

4.2 討論

本研究尚存在一些不足之處需要彌補,如遼寧沿海港口腹地不是封閉的空間而是開放的區域,如何考慮到區外港口和區外腹地的影響有待研究;港口腹地包括陸向腹地和海向腹地,基于港口能級和陸路可達性的港口場強模型有待改進;港口與腹地之間存在多種形式的關系,如何充分挖掘出“關系足跡”背后隱藏的現實關系,值得未來繼續加深研究;港口與腹地之間的關系具有“流量、流向、網絡”等多維屬性,大數據挖掘、復雜網絡分析和可視化等技術方法有待突破。