江苏沿海建港自然条件及港址比选的模糊聚类分析

洪 军，张 鹰，李 欢

（南京师范大学地理科学学院，南京210046）

近年来随着海洋经济的深入发展，江苏沿海港口建设持续快速发展，连云港、盐城、南通三市港口建设海域使用的需求日益增加。2008年江苏省海域使用需求调查结果（表1）表明，沿海三市港口用海需求共有25宗。可是盲目的进行港口开发，势必会改变海洋环境，不利于可持续发展［1］，为了实现江苏省海洋环境、经济的可持续发展，必须加深对港口建设及港口选址的认识。

1 江苏省沿海建港条件及港口发展

回顾历史，当今世界发达国家和地区的经济发展大都经历了从大陆向海洋的深入，海洋经济的发展促进了经济的腾飞［2］，而海洋经济的发展离不开港口的建设和开发。港口对所在城市经济的促进是港口对腹地经济影响最直接的体现，港口对城市经济的发展有着直接的影响力。“以港兴市”是港口对所在城市经济促进作用的最直接表现。创造和发展港口经济，充分发挥港口优势，是促进港口城市经济发展的重要手段之一［2-3］，江苏省是海洋大省，南北经济发展的差异促使苏北地区加快港口建设的步伐。

表1 江苏省海域使用需求类型（2008年）Tab.1 Demand type of sea area use in Jiangsu Province

1.1 江苏沿海发展港口的潜力和条件

江苏省海域使用效率相对较低，这也在一定程度上决定了江苏省在海洋开发上仍有很大潜力。王江涛等［4］对各沿海省市指标值（海域使用率、海岸线使用、单位海岸线支持度、单位海域产值、单位海岸线产值、海域围填使用率、海域亲海需求满足度、海域公益服务程度、海域和谐持续利用度）作加权，计算出各评价因素层的评价值和综合评价值，结果表明，江苏省在全国11个沿海省市自治区中（台湾省数据缺失），海域使用程度位居第4，在海域使用效率、海域使用结构以及海域使用水平综合评价上位居第10，因此江苏省需要进一步提高海域使用效率、优化使用结构。

江苏省拥有潜在的建港自然条件优势。江苏北部沿海的海州湾和废黄河三角洲临海的5个县（市），-10 m等深线离岸都较近，可建万t级泊位的水深岸线共约130 km，除连云港港外，灌河口水深河宽，拦门沙治理后两岸都能停靠万t级以上海轮［5］；位于废黄河水下三角洲至长江水下三角洲的南北长200 km、东西宽90 km的辐射沙脊群，有着特殊的地貌地形、水动力条件，是一个非常特殊的区域。沙洲群海域脊、槽相间，水深变化较大，理论上这些地区建港、通航条件通常较差，但如果辐射状展布的格局稳定，沙脊之间的深大的潮汐水道（槽）就是良好的通航水道［6-7］，而有关科研成果表明，江苏沿海辐射沙洲群自形成以来整体上是稳定的［8］，说明在该区域建设大港是可行的。如位于如东县境内的洋口港就是利用这种特殊的条件发展起来的港口，现在已经颇具规模，与其条件类似的吕四港位于沙洲的南端，也即将开建。

1.2 对江苏发展港口的正确认识

沿海城市建港应满足以下条件，即吞吐量要足够大、足够的沿岸水深、深水线离岸近、风浪隐蔽条件好、尽量不建造防波堤、沿岸有宽广平地可作临海工业和仓储及其他港口设施用地等［9］。江苏沿海地区及其陆域状况能够满足建港的条件，但是部分海域风浪大，势必会加大建港投入；部分岸外辐射沙洲地区，深槽水深虽有10～20 m，但深水线离岸较远，往往达10 km以上，建港工程量及投资较大，沙槽内部的泥沙运动状况及趋势必定会对港口后期的发展造成重大影响。如大丰港（西洋深槽）、洋口港（蒋家沙与太阳沙之间）等在建或者规划建设的大型港口，其共同的限制都是深水线距岸较远且泥沙运动情况复杂。

江苏沿岸大部分为淤泥质海岸，部分沿岸淤进速度很快，考虑到辐射沙脊群的特殊情况，在这些地区建港之前必须考虑泥沙动态条件。前面已经提到辐射沙脊群处于基本稳定状态，但是这种稳定只是一种动态的平衡，局部地区的冲淤变化会对港口的后续发展产生重大影响，因此在建港之前必须对建港区域的泥沙冲淤状况做出正确的评估。如还处于建设期的大丰港，其位置紧靠西洋深槽（水深大于10 m），建设大港有一定的优势，但是西洋深槽左右两侧的冲淤状况对大丰港未来的发展有重要影响。近年来有学者应用遥感的方法研究表明，一直处于淤进状态下的射阳港——川水港段（西洋深槽地区）低潮带开始后退，与隔洋相望的东沙东移形成一种相斥的局面，表明西洋水道通过冲蚀在拓宽，水动力作用加强［10］，这说明将大丰港建设成江苏中部海域的大型港口是可行的。

2 江苏沿海港址选择模糊聚类分析

2.1 模糊聚类分析基本原理

在科学技术、经济管理中常常需要按照一定的标准（相似程度或亲疏关系）对样本进行分类，例如根据生物的某些性状，可对生物进行分类；根据土壤的性质，可对土壤进行分类等。对所研究的事物按照一定的标准进行分类的数学方法称为聚类分析，它是多元统计分析“物以类聚”的一种分析方法。而实际上很多分类都不是绝对确定的分类，边界界定都有一定的模糊性，因此对一些多要素、多指标的分类采用模糊分类更贴近现实，这种情况下，采用模糊数学的方法进行分类是比较适合。

1965年美国L.A.Zadeh教授著名的《模糊集合》一文的发表，标志着模糊数学的诞生并很快发展起来。应用模糊数学进行聚类分析的基本原理是：建立Pj×Qij的样本-指标矩阵（Pj代表实测样本，Qij代表样本所具有的指标），由于Qij所代表的指标值以及含义不同，为了能够相互比较，在考虑各项指标权重的情况下，采用一定的方法将其变换成γij（0≤γij≤1）标准化数值，根据γij建立起标准化的相似矩阵，再采取一定的标准将相似矩阵中的样本进行归类，即实现聚类的目的。模糊聚类分析的一般步骤包括：建立原始数据矩阵、数据标准化、建立模糊相似矩阵和聚类［11-12］。港口开发建设需要从经济、社会、环境等多方面进行综合考虑，许多评价因素的内涵和外延都有一定的模糊性，因此采用模糊聚类方法通常比较符合实际。

2.2 江苏沿海港址选择模糊聚类分析

2.2.1 样本-指标矩阵的建立

通过实地调查和论证，选取沿海三市中的7个县（市）的7个港口作为评价样本集，即论域（表2）

选取23个因子作为评价指标，指标因子选取的原则是：指标能反映研究区的区位交通条件、自然条件、腹地经济条件、项目条件、社会效益等，指标因子的获取方法包括实地调查、统计年鉴、网上专家系统评分等，不同指标的获取方法不同，如平均波高等关于自然条件的指标因子可以通过多年实测资料的平均计算求得；而腹地消费水平、经济实力等关于腹地经济条件的指标可以通过当地统计年鉴资料获取，而对地区经济发展的贡献、对环境影响的程度等关于社会效益的指标因子可以根据项目的规模、当地实际情况等通过网上专家系统评分获得。

样本与指标建立起的样本-指标矩阵（表2）

表2 样本-指标矩阵Tab.2 Sample-indicators matrix

2.2.2 数据标准化

根据模糊矩阵的要求，对样本-指标矩阵进行平移标准差变换以及平移极差变换，将其标准化，把上述的样本-指标矩阵压缩到［0，1］之间，从而消除数据纲量的影响。

2.2.3 利用数量积法建立模糊相似矩阵（定标）

经过标准化的指标数据γij（0≤γij≤1）没有单位，所以直接选用数量积法对压缩过的原始矩阵建立模糊相似矩阵R，无需变换，利用公式

2.2.4 聚类分析

模糊相似矩阵R不一定具有传递性，即R不一定是模糊等价矩阵，为了进行分类，需要将R改造成模糊等价矩阵R*，根据模糊等价矩阵的含义，利用平方法求 R 的传递闭包 t（R）：即 R—R2—R4—···—R2n，R2n·R2n=R2n，（·代表模糊矩阵的合成运算），经过编程运算可知n=2，即R的模糊等价矩阵t（R）=R4（表3）。

表3 模糊相似矩阵的传递闭包（迷糊等价矩阵）Tab.3 Transitive closure of fuzzy similar matrix

2.2.5 将λ从大到小进行聚类以及结果分析

λ值就是模糊等价矩阵中t（Rij）的大小。根据模糊聚类的原理和方法，将λ从大到小进行聚类，可知（1）当λ=1时，各样本自成一类，其中吕四港和洋口港聚为一类，可分为5类：{洋口港吕四港}，{大丰港}，{射阳港，陈家港}，{中山港}，{堆沟港}；（2）当 λ=0.999 时可分为 4 类：{洋口港 吕四港}，{大丰港}，{陈家港}，{射阳港，中山港，堆沟港}；（3）当 λ=0.995时可分为2类，{洋口港 吕四港 大丰港 陈家港 射阳港 堆沟港}，{中山港}；（4）当λ=0.992时可分为1类，{洋口港 吕四港大丰港陈家港 射阳港 堆沟港中山港}。

用F-统计量进行验证确定的最佳λ为0.999，即分4类为最佳。有学者曾对以上7个县（市）的港口进行模糊综合评价［13］，结果为：如东（洋口港 0.947）＞启东（吕四港 0.947）＞大丰（王港 0.933）＞响水（陈家港0.856）＞灌南（堆沟港0.779）＞滨海（中山港0.765）＞射阳（射阳港0.761）。该结论与本文的分类结果较吻合，由此可以得出，江苏沿海7个县（市）中，建港条件最佳的为洋口港和吕四港，其次为大丰港，一般的为陈家港，较差的为射阳港、中山港、堆沟港。

3 结论

为获得沿海地区建港优选顺序，本文采用了区位交通条件、自然条件、腹地经济条件、项目条件和社会效益等5类因素共23项因子作为港口评价指标，通过建立样本-指标矩阵，对列举的7个县（市）的7个港口进行简单的模糊聚类分析，通过编程计算可将其分为4类，建港条件最佳的为洋口港和吕四港，其次为大丰港，一般的为陈家港，较差的为射阳港、中山港、堆沟港。该评价结果能为江苏省沿海港口建设提供一定的参考。

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