京杭運河聊城—德州段復航貨運量預測研究

楊曉松，范海文，張楠，陳燦君

(1.山東省交通規劃設計院，山東 濟南 250031；2.河海大學 商學院，江蘇 南京 211100)

內河航運作為我國綜合運輸體系中的重要組成部分，因其污染小、能耗低，對于大宗散貨的運輸具有天然的優勢。京杭大運河作為古人開鑿的重要運輸運河，在黃河以南段由濟寧到杭州超過1 000 km的航道至今依然發揮著重要的運輸功能，但是在山東境內的黃河以北段的京杭運河斷航30多年且河道淤塞嚴重，生態環境日益惡化[1]。在內河水運發展上升為國家戰略的背景下，通過對黃河以北段復航后所產生的誘增運量進行計算和分析，能有效分析復航后運河腹地大宗貨物的誘發增長情況，為運河后續的復航提供必要的依據。

根據國家經濟和社會的綜合發展對運輸的需求，對水平年的貨物運輸量進行定量和定性的分析預測，可以有效地保證運輸行業適應經濟社會的發展。對于有歷年運輸數據的預測研究，通常是基于相關歷史數據，結合運輸通道周邊區域的經濟發展態勢、產業分布、貨種結構以及運輸通道等作為影響未來運量的預測因素，利用相應的模型和理論對河流或航道未來的運量進行預測。例如閆偉等[2]利用多方程模型，將產業結構、生產布局以及消費水平等納入方程中，作為影響集裝箱運量的影響因素，對中長期的鐵路集裝箱運量進行了預測。丁濤等[3]依據烏江干流的歷史貨物結構和貨運量，利用產銷平衡分析的方法，對特定貨種未來的運量進行了預測。余雅雪等[4]在預測松虎航道未來貨物運量時，根據岳陽港與長江岳陽以上港口的貨物運輸以及區域GDP發展情況，利用回歸分析對航道未來運量進行了預測。對新開辟或為即將開辟的運輸通道未來的運量進行預測，由于沒有歷史運量數據作為借鑒依據，因而多是基于現有路徑的運輸成本、運輸通道新建成后對區域運輸路徑的分擔情況等因素，來分析新開辟的運輸通道未來可能產生的貨運量。在這一研究領域上，現有學者主要依據新建項目引發運量的相關因素著手，采用生產曲線、重力模型以及分擔率等方式，對誘發的運量進行預測。例如，徐念榕等[5]最早提出運用Cobb-Douglas生產函數來對誘增運量進行測算。姚鳴等[6]詳細梳理了高鐵誘增運量的內在機理，將誘增運量劃分為近期和遠期兩個階段。岑敏等[7]根據不同類型誘增交通量的特性，利用生長曲線法對成渝高速公路和京津塘高速公路的誘增交通量進行測算。王暉等[8]基于誘增交通量展現的特征，探討了重力模型法的優缺點。在轉移運量上，盛冬冬等[9]以面板混合Logit模型為基礎，選用運輸過程中的幾大影響因素作為指標，分析了高鐵和民航在中長途高速客運中的分擔方式。

綜上所述，現有學者已從有無歷史運量數據兩個方面，利用不同的方法、切入不同的視角對貨運量預測問題進行了相應研究。但是縱觀目前的研究對象，多是以陸路運輸方式為主，對水運預測的研究較少，由于現實情形，對于未開辟或新開辟的航道運量預測的研究更少。其次，在對誘發運量的研究中，現有研究多是將誘增和轉移運量進行單獨分析。對于水路運輸而言，新開辟的航道因其低廉的運價和便利性，勢必會引發區域產業結構的調整，從而誘增貨種結構的增加，同時也會吸引周邊運輸通道的貨種轉移，因而有必要將其進行聯合分析。本文依據無歷史運量數據的預測方式，從誘增和轉移分擔兩個方面，分別利用生長曲線和Influ-Logit模型對將要復航的黃河以北段航道運量進行預測，測度的結果可為該項工程的開展提供一定的數據支撐和參考依據，也對這一領域的研究提供相應的借鑒。

1 京杭運河黃河以北段復航誘發貨運量的機理分析

對于新開發或即將開發的運輸路徑未來可能產生的誘發運量，根據不同的形成機理，可以劃分為誘增運量和轉移運量。具體而言，誘增運量是指新建成的運輸通道在運輸條件上得到了有效的改善，這種改善誘發了原先交通需求轉向實際交通運輸的增長，并且與區域的產業形成協調發展，促進了經濟的發展，從而誘發了貨運需求。根據京杭運河黃河以北段的區域產業經濟發展現狀和產業結構，目前聊城和德州兩市在陸運的貨運能力上已經捉襟見肘，難以匹配區域經濟的發展，并且煤炭、建材等大宗商品的貨物屬性，不符合陸路運輸的可持續綠色發展。當京杭運河黃河以北段成功復航后，可以連通南北經濟帶，平衡北方自然資源充沛地區和南方經濟發達地區之間供需關系，對于區域城市群的經濟區起到帶動作用，推動沿線產業的發展，使港口吞吐量、船舶貨運周轉運量和區域物流產業蓬勃發展[10]。因而，京杭運河黃河以北段的復航能夠起到水運貨物誘增的效果。

轉移運量則是指因為新建交通項目分擔了原先在其他運輸方式和路徑下的貨物量，由于與原先運輸通道相比，新建項目自身運費低、運輸效率高等特點在一定程度上引流了在其他路徑上的貨物，由此引發的貨運量需要結合區域內不同運輸路徑貨運量的轉移情況進行配比分配。京杭運河山東段上游區域需要運河沿線可供開采的大量沙石與建筑材料，還有工礦企業與農副業所需的原材料、生產資料。對于這些貨物，采用公路運輸既不經濟也不合理，鐵路運輸雖然適合中、長距離運輸，但京滬鐵路能力飽和；京九鐵路能力目前雖尚有富裕，但主要承擔贛、閩、粵、內陸煤炭需求的運輸；海上運輸雖然運量大，但距離長、中轉環節多，費用亦高。只有利用京杭運河南北運輸，才能做到運量大、成本低、污染小，達到節能減排的目的[11]。另外，京杭運河黃河以北段的中轉運量不可低估，尤其是大同—秦皇島、神木—黃驊、石家莊—德州和侯馬—日照四條鐵路線是我國西煤東運的大通道，鑒于江、浙一帶需煤企業往往離京杭運河很近的特點，在京杭運河下船轉運是最佳的運輸鏈。由此可見，北段的復航可以實現北方自然資源充沛地區和南方經濟發達地區之間的運輸往來，進一步加強各省市資源與經濟帶之間的協作聯系，推動落實國家對于多地協同發展的戰略，促進沿運河區域資源調配、融合發展，并且能夠利用其航運位置的特殊性分擔其他運輸途徑的貨物。

2 京杭運河黃河以北段復航誘發運量測度

2.1 誘增運量測度

根據上述分析，京杭運河黃河以北段航道的復航，會誘發相應的貨運需求，從而在該條通道上產生貨運量的增長。由于該條航道的復航還處于準備階段，尚未有航道運量數據，因而根據以往學者的分析[12]，可利用現有可查的數據，采用生長曲線測算黃河以北段的誘發運量。具體公式如式(1)所示：

(1)

式中：Y為誘發運量預測值；K為誘發運量的上限；t為時間，這里表示年份；a和b為模型的參數，其需要結合該運輸路徑上的運量數據進行擬合，但是該條航道還處于未通航階段，因而需要引入類似工程通航的參數進行分析。根據調研分析，南段的通航的貨種主要是以煤炭、礦材等為主，與后續北段開通后的貨種類似。而且京杭運河黃河以北段處于全線的咽喉處，南北方運輸物資的往來提升了未來運河復航后過境運量，使南北兩段的貨物具有連通性，從而兩段運河運量的變化趨勢也將會呈現一定的相似性。因此，本文根據京杭運河黃河以南段通航的數據進行擬定，其中南段的數據如表1所示。

表1 山東境內京杭運河黃河以南段運量Table 1 Transport volumein the section of the Beijing-Hangzhou Canal south of the Yellow River in Shandong

采用SPSS對上述的結果進行擬合計算，按照2019年的誘增運量的95%進行設定，擬合公式可表示為式(2)。其中R2=0.893，接近于1。

(2)

根據以上的誘增機理分析，運河在聊城—德州段由水路所誘增的貨物種類主要以煤炭、礦建材料、水泥以及木材等大宗商品為主。調研搜集聊城以及德州兩市相關貨運量需求上限如表2所示。

表2 2019年聊城和德州兩市部分大宗商品的需求量Table 2 Demand of some bulk commodities in Liaocheng and Dezhou in 2019 單位：萬噸

考慮到運河的通航需要一定的時間，因此以2025年為基年，以此來計算未來15年內的京杭運河聊城—德州段開辟后所誘增的運量。將上述數據代入到式(2)，各個年份的測算數值如圖1所示。

圖1 京杭運河聊城—德州段復航誘增運量Fig.1 Traffic volume that will be induced in the Liaocheng-Dezhou section of the Beijing-Hangzhou Canal

由圖1可知，在未來復航后，運河的誘增運量呈現歷年上升的趨勢，年均增長率為15.9%，但各年增長率呈現穩步下降的趨勢。由于航道的開辟，在一定程度上刺激了經濟的發展，引起水運的誘增運量增加。然而隨著“去產能”、高質量發展以及供給側改革等一系列政策頒布，區域經濟的發展對煤炭、水泥等大宗物資的需求會趨于平穩，在未來發展中，這些物資的需求量不會保持高速的增長，從而導致整個區域在煤炭、建材等一些依賴于水路的低附加值的大宗商品的需求度不會過度增長，這也在一定程度上解釋了運河貨運量增長率降低的現象。

2.2 轉移運量測度

在運河航道復航后，其天然的便利性勢必會在一定程度上將先前通過鐵路和公路運輸的貨物轉移到水運上。由于現階段京杭運河黃河以北段還未通航，根據山東省黃河以南段數據可以算出運河航道對于區域貨運量的分攤率，以此作為依據推算出當黃河以北段復航后，區域貨運量在該段航道上的轉移量。而且隨著經濟的發展，區域的產業結構也會發生變化，這進一步導致了貨運結構的變化[13]。考慮到該條航道還未建成，因而在探究其到底對經濟能起到多大的作用還未可知。因此，本文假定黃河以北段區域的貨運量呈現穩定增長模式，通過灰色預測的方式，以上述區域以往的貨運量作為基礎，來預測未來的貨運量增長情況，進而根據求出的分擔率，得出復航后該段航道的貨運情況。

2.2.1 灰色預測模型建立

在對黃河以北段區域未來的貨運量進行預測時，考慮到各區域貨運量統計數據的時效性，導致其自身樣本量較少，采用灰色預測模型對這些區域未來的貨運量進行測度[14]。通過對聊城與德州兩市2009—2018年鐵路與公路的貨運量進行搜集，結果如表3所示。

表3 2009—2018年聊城與德州兩市公路和鐵路貨運總量Table 3 Total freight volume of roads and railways in Liaocheng and Dezhou in 2009—2018 單位：萬噸

具體原理和步驟如下：

第1步：級比檢驗

(3)

表4 公路和鐵路級比檢驗Table 4 Road and railway grade ratio test

第2步：GM(1,1)建模

對原始序列x=(x(1),x(2),x(3)，…,x(n))進行累加，得到序列：

x(1)=(x(1)(1),x(1)(2),x(1)(3)，…,x(1)(n))

(4)

令

Z(1)(k)=0.5(x(1)(k)+x(1)(k-1))

(5)

即

Z(1)=(Z(1)(1),Z(1)(2),Z(1)(3)，…,Z(1)(n))

(6)

第3步：建立GM(1,1)灰微分方程

x(0)(k)+mZ(1)(k)=n

(7)

(8)

進一步地，Y和B滿足

(9)

因此可以根據上述關系，求出m,n的值。

第4步：根據GM(1,1)白化型的方程

(10)

得出GM(1,1)白化型的解為

(11)

通過一階遞減算出預測的值

(12)

第5步：將表3的數據代入上述式中，進行逐步計算，將得出的結果代入到式(12)中，得式(13)～(14)。

(13)

(14)

進一步，將求出的解通過一階遞減得出2009—2018年公路和鐵路貨運的預測值，如表5所示。

表5 2009—2018年公路和鐵路貨運預測量Table 5 Road and railway freight forecast in 2009-2018 單位：萬噸

2.2.2 灰色預測模型的檢驗

對建立模型進行殘差檢驗和后驗差檢驗，分別計算絕對殘差E(k)、相對殘差ε(k)、平均殘差εavg和平均精度ρ0，當ε(k)<0.2,ρ0>0.8時，即認為模型檢驗合格。用預測值與實際值的殘差分布特性進行檢驗，分別計算原始序列的標準差、絕對殘差序列的標準差、方差比C和小概率誤差P。 當C<0.35，P>0.95時，表明精度良好。

根據預測的結果，兩種運輸方式的絕對殘差與相對殘差如表6所示。其平均殘差分別為0.017和0.012，對應的平均精度分別為0.983和0.988，表明精度良好。

表6 公路和鐵路貨運預測量的殘差Table 6 Residuals of road and railway freight forecast volume

進一步地，對后驗差進行檢驗，殘差序列和原始序列的均值和方差如表7所示。方差比C=1.5×10-11，小概率誤差P=100%。方差比和小概率誤差滿足對應的范圍，表明模型的精度較好，即可以用該模型進行預測。

表7 后檢驗差值表Table 7 Differences in the ex-post test

根據上述公式，求出公路和水路2025—2039年的預測貨運量，結果如表8所示。

表8 2025—2039年京杭運河聊城與德州貨運總量預測結果Table 8 Prediction results of the freight volume between Liaocheng and Dezhou in the Beijing-Hangzhou Canal in 2025—2039 單位：萬噸

2.2.3 分攤率模型

在假定經濟穩定發展的前提下，通過上述貨運量的預測，可知未來運河在黃河以北段流經區域的貨運量變化情況。當運河通航后，貨物的運輸方式必定會轉嫁一部分到運河上，但轉移的比率還未知。為了分析黃河以北段運河通航后貨運運量的發展變化，引入貨運分擔率模型來計算運河通航區域的各個運輸方式占比，以此作為依據，根據上述預測的貨運量，測算出通航后黃河以北段區域的貨物運輸轉移運量。在模型選擇上，借鑒許秋萌等[16]的方式，在傳統的Logit模型上，利用改進的Influ-Logit模型中效用值的計算方式，對通航區域在水路、公路以及鐵路的分擔率進行測算。相對于傳統的分擔率模型，改進后的模型避免了超過臨界值后預測結果隨著Ui值的增大而呈指數級增長的弊端，因而這里對效用值Ui進行加權平均處理，具體如式(15)所示。

(15)

(16)

(17)

式中Yk為影響運輸方式的影響因素，θ為該因素下對應的權重占比。

(1) 影響因素分析

北段航道的開辟影響運輸方式發生轉移的情況眾多，根據調研情況，從運費、運輸速度以及環保性三個方面進行比較。在成本方面，運河水運每噸公里運輸成本0.041元，鐵路每噸公里運輸成本0.072元，公路每噸公里運輸成本0.39元(數據來源江蘇省交通運輸廳)。根據聊城和德州的統計年鑒與地圖，查詢到聊城—德州在公路運輸、鐵路運輸的距離分別為141 km、鐵路152 km，而根據聊城的張秋鎮—臨清的小運河以及臨清—德州段的衛運河，其總長為265 km，因而未來開辟的航道距離暫定為265 km。由此可以推測出水運、鐵路以及公路運輸方式的運價分別為10.865元/噸、10.944元/噸以及54.99元/噸；在環保方面，水運和鐵路、公路運輸相比存在天然的優勢，根據各種運輸方式每噸公里能耗情況以及調研情況，對水運、鐵運和公路運輸分別賦值為1、0.5以及0.025，以此表示三種運輸方式的直達性指標；在運輸速度上，貨物的運輸過程中，運輸時間也是影響貨主選擇運輸方式的一重要因素，同樣根據以上運輸距離，以及搜集到各個交通運輸方式的速率，以水運20 km/h，鐵路90 km/h，公路43 km/h，估算出聊城至德州在水路、鐵路以及公路貨運時間分別為13.25 h、3.20 h以及1.39 h。

(2) 權重的確定

由于上述公式中的θ是各項影響因素的權重，而權重的確定較為主觀，并沒有統一衡量的標準。因而這里通過利用專家打分法來確定三種影響因素的權重。即對三種影響進行兩兩比較，其中某一因素相對于另一因素最為重要取值為(8～10分)，較為重要取值為(5～7分)，不重要取值為(1～4分)，根據每位專家在各個因素上的打分，得到各個影響因素的指標權重矩陣。進一步地，根據層次分析法計算出各個因素的權重，得出運輸成本權重為0.57，環保性權重為0.13，運輸速度權重為0.30。具體如表9所示。

表9 三種運輸方式的運輸效用及分擔率Table 9 Transport utility and share rate of three modes of transport

根據上述對2025—2039年兩市的公路和鐵路貨運總量的預測情況以及三種運輸方式的分擔率，計算出航道開辟后的轉移運量，結果如表10所示。由表可知，在聊城—德州段運河復航后，運河所承擔的貨運量居中，整體小于公路，但大于鐵路。2025年的運河的貨運量為32 621萬噸，而在2039年的貨運量為78 378萬噸，這15年期間貨運量的年平均增長率為6.45%，但整體的增長率呈現明顯下降的趨勢，這與上述的誘增運量呈現的變化趨勢一致。

表10 2025—2039年水路轉移貨運量預測值Table 10 Prediction value of waterway-transfer transferred freight volume in 2025—2039 單位：萬噸

3 結論與建議

文章根據搜集的資料，分別利用生長曲線和Influ-Logit模型對聊城—德州段的斷航運河在復航后的未來15年內貨運量進行預測，發現運河的復航所產生的貨運量主要來自于因運河所產生的誘增運量和區域其他運輸方式的分擔運量。在誘增運量上，結合運河已經通航的南段，利用生長曲線模型，測算出了對應的參數，并根據該生長曲線測算了該段運河復航后對區域的誘增運量，在2025年的誘增運量為1 003萬噸，2039年的為7 239萬噸。在轉移運量上，依據灰色預測模型測算出聊城—德州區域內未來貨運量的增長情形，并進一步測算出運河開通后對區域內貨運方式的分攤率，以此測出復航后轉嫁到運河上的轉移運量，2025年的轉移運量為32 621萬噸，2039年的為78 378萬噸。而且，就三種方式的貨運量上看，依然是以公路作為主要貨運方式。而公路在現代交通運輸中，能耗大、成本高，尤其是對煤炭、建材等大宗商品的運輸上，其環保性方面難以保證交通運輸的綠色可持續發展，這反映了未來的聊城—德州區域的運輸方式需要進一步優化和調整。

根據上述測算結果，本文提出如下建議：

(1)加大基礎設施投入，促進運輸方式協調發展。為實現貨運總量合理増長，優化運力結構，政府部門應發揮引領作用，在黃河以北段開辟后，應該大力投資區域航道的建設，提升區域水運的承載力，在保持公路和鐵路運力穩健條件下，積極發展水路運輸，加強水運方面的政策條文，規范水運交通方式的運輸環境和市場，保持多種運輸方式協同發展，提升綜合運輸能力。

(2)加快構建綠色交通體系，優化貨運市場結構。水運的發展離不開產業的配套，政府部門應及時出臺貨運路網布局，以提升貨物流通能力和效率為目標，整合公路、水路、鐵路，優化區域的產業布局，完善貨運網絡體系，通過吸引大宗散貨等適水貨種轉為水路運輸，促進節能減排，提升水運的承載份額。