基于系统动力学的港城耦合系统可持续发展研究——以青岛港为例

文/陈艳 吕云翔 谢亚雯

1.引言

“21世纪海上丝绸之路”战略构想提出以来，随着国际贸易交易量的增长，港口作为水陆运输的关键枢纽也再次蓬勃发展起来。港口的迅猛发展也为港口城市带来了资源开发无序、资源消耗产生的环境污染等一系列港口建设问题[1]。港口与其所在城市是相互依存的耦合体[2]，对港城耦合系统可持续性发展的探索有助于推动我国港口与城市之间的良性互动，实现港口与城市全面协调、可持续性发展。

对港城耦合系统可持续性发展问题的研究大致分为三个方向：第一个方向是港口与城市在经济层面的互动发展研究，包括港口发展带动城市GDP提高、城市经济对港口发展的促进作用以及二者之间的互动关系研究，对此类问题的研究主要运用Huff模型[3]、耦合度协调模型[4]、DEA和偏相关分析[5]、系统动力学模型[6]、变参数状态空间模型[7]。第二个方向是从社会层面，探讨港口企业及港口相关服务企业的活动对就业的直接影响，港口对劳动人口就业和社会净产值的贡献[8～10]。第三个方向为港城的环境绩效与管理问题，从系统动力学模型[11～12]、复合系统[13]，到目前结合最优控制模型和增长协同机制混合算法[14]，研究港口与城市绿色低碳增长发展机制，使实现港口城市经济最大化的绿色增长。

当前国内外相关研究存在两个方面的问题：一是将经济系统、社会系统、环境系统孤立开来，仅就其中一个系统进行单独研究，忽略了三个系统之间的内在联系和相互影响。在可持续发展中应考虑并找到经济因素、社会因素、环境因素的平衡点[15]。考虑经济利益的同时，还考虑在可持续发展过程中获得的社会效益和环境效益[16]。二是忽略了政策对港口和城市发展的导向性作用。政策是促进经济系统、环境系统、社会系统发展和平衡的重要保障[17]。自“21世纪海上丝绸之路”战略构想提出以来，各方学者对“21世纪海上丝绸之路”战略与港口城市发展之间的联系进行探讨，但大部分研究仍处于理论阶段，实证研究比较少见。

港城耦合系统的本质特点是动态性，包含多个子系统，而这些子系统内部所产生的自校正、自增强效果均影响着港口城市的可持续性发展效果。港口不仅和社会、经济、政策相关，而且也与生态环境和资源紧密相连[18]，所以本文运用系统动力学的方法，将经济系统、社会系统、环境系统作为三个子系统构成港城耦合综合系统，并将促进港城可持续性发展的政策因子融入模型，全面、客观地分析港城耦合系统可持续性发展的可行性措施。本文的结构安排如下：第二部分根据港城耦合系统特性分析经济子系统、环境子系统、社会子系统的反馈回路及各个子系统之间的相互影响；第三部分构建港城耦合系统动力学模型；第四部分是对港城耦合系统可持续发展模型进行仿真；最后是根据仿真结果给出相应的建议。

2.港城耦合系统的模型构建

2.1 港城耦合系统边界的确定

系统动力学研究问题的第一步是确定系统边界，也就是确定系统的结构。港城耦合系统包括经济子系统、环境子系统、社会子系统三部分。经济子系统是指以港口经济为主体（包括港口吞吐量、GDP、港口投资、港口基础设施建设等）。社会子系统是指与港口发展相关的因素（包括外来务工人口、就业机会、临港产业等）。环境子系统主要包括港口运营活动对城市环境影响和基础设施建设对自然资源消耗影响两部分。

2.2 港城耦合系统总体框架

系统动力学（system dynamics，SD）是将系统科学理论与计算机仿真技术结合的一门科学，是用来研究系统结构与反馈变化的一种方法。本文建立港城耦合系统可持续性发展的系统动力学模型，通过调控模型中各参数变化，仿真未来港口城市的发展趋势，实现经济效益、社会效益及环境效益最大化[19]。

港口发展对一个城市的经济发展和对投资吸引都是有利的，港口发展影响经济效益（通常是积极的）、环境效益（如果不采取措施缓解，通常是消极的）和社会效益（积极和消极的情况均有）。与港口建设相关的活动、运输、运营以及扩建基础设施也利用自然资源，但港口基础设施建设可能会对生态系统产生负面影响，从而造成不利的社会和环境影响。此外，维护疏浚对许多小型和大型港口来说都是一个问题，疏浚是港口经济可持续性发展的关键因素[20]。港口日常运营活动所产生的空气污染对港口所在城市的环境也会产生不利影响。探究一个港口对社会效益的影响，可以通过确定哪些影响需要被减弱或增强进行分析[21]。比如大量人口为了更多的就业机会和更好的生活质量涌入港口城市，然而城市环境问题（空气污染、水污染与短缺）影响了生活质量，从而会导致一定的社会问题。

在港城耦合系统中，经济子系统是推动港口城市发展和进步的动力，经济活动创造的物质财富，能提高人们生活质量和生活水平，进一步吸引更多人口到港口城市发展，从而影响社会子系统的运行。经济活动创造的经济价值也可带动和促进临港产业和领域的发展。环境子系统是进行港口城市经济活动的基础，自然资源的承载力直接影响港城经济发展水平。社会子系统包含的宜居性、环境质量、社会福利等因素又以环境子系统为依托。港城耦合系统中还应包括与港口发展相关的反馈回路，例如港口基础设施建设与港口通过能力之间的发展联系，港口基础设施建设提高港口通过能力，以符合日益增长的港口吞吐量需求；港口吞吐量和港口基础设施建设也对自然资源消耗量产生影响。港城耦合系统的各子系统、各因素彼此联系、相互影响，具有明显的动态性、复杂性、多重反馈的特征。

2.3 界港城耦合系统反馈图分析

港城耦合系统所包含的经济子系统、社会子系统、环境子系统都有各自的结构和功能，子系统之间通过影子变量相互联系。影子变量既是一个子系统的输出，同时又是其他子系统的输入。

2.3.1 经济子系统

经济子系统包含2条正反馈回路：（1）港口吞吐量→+GDP→+港口需求→+港口吞吐量（2）港口吞吐量→+GDP→+固定资产投资→+港口投资→+港口基础设施投资→+港口吞吐量。港口吞吐量的增加可以带动GDP增长，从而提高腹地GDP总量。加大港口的固定资产投资额度，提高港口通过能力，从而增加港口吞吐量；GDP总量的增长可以带动对外贸易发展，从而促进港口吞吐量的增加。腹地GDP总量的增长使港口的固定资产投资额提高，港口基础设施规模扩大，从而增加港口吞吐量，如图1所示。

2.3.2 社会子系统

图1 经济子系统

社会子系统包含2条正反馈回路：（1）GDP→+固定资产投资→+临港产业投资→+临港产业产值→+GDP；（2）GDP→+就业机会→+人口增加→+消费→+GDP。GDP的增加拉动能够固定资产投资的增加，提高临港产业投资。以此提高临港产业产值，带动GDP增长。同时，GDP的增加会提供更多的就业机会，因此会吸引大批人口涌入城市，消费总量的增加也会带动GDP增长，如图2所示。

2.3.3 环境子系统

环境子系统包含1条负反馈回路：（1）港口基础设施建设→+自然环境消耗→+环境治理费用→-港口收入→+港口自身投资→+港口基础设施建设。港口吞吐量的增长将消耗更多的自然资源，港口自然环境消耗增加，势必增加环境治理费用，导致港口收入减少，使港口自身投资额减少，导致港口基础设施建设规模减小，限制港口通过能力的增长，限制自然环境消耗日益增多的趋势，形成一条负反馈回路，如图3所示。

图2 社会子系统

3.港城耦合系统的流图分析和方程建立

图3 环境子系统

根据以上对经济子系统、社会子系统、环境子系统的因果关系分析用系统动力学专用软件Vensim建立港城耦合系统的存量流量图，如图4所示。本研究将一些典型的促进港口城市可持续性发展的措施如“一带一路自贸驿站”政策、专项建设资金支持政策、建立智慧化港口等放入原有的系统动力学模型得到了改进后的模型，即可持续性发展的港城耦合系统的系统动力学模型。在模型的基础上，输入模型初始参数、方程和表函数，从而对模型进行仿真。模型的重要变量如表1所示，及参数方程如表2所示。

4.模型仿真和实证分析——以青岛港为例

图4 港城耦合系统模型

表1 港城耦合系统模型参数描述表

表2 治港城耦合系统动力学模型部分方程表

表3 2017年预测值和实际值对比

青岛港位于山东半岛南岸的胶州湾内，始建于1892年，具有125年历史。是我国重点国有企业，中国第二个外贸亿吨吞吐大港。同时拥有全国最大的集装箱码头、原油码头、铁矿码头和国际一流的煤炭码头、散粮接卸码头。作为新亚欧大陆桥经济走廊主要节点和国家重要的现代海洋产业发展先行区，青岛对港口城市可持续性发展的政策会成为其他港口城市的仿效和借鉴的榜样。研究青岛市港城耦合系统可持续性发展的政策意义重大。这一部分对青岛市的港城耦合系统动力学模型仿真，以得出不同促进港城耦合系统可持续发展政策的实施效果对港口城市可持续性发展的影响，从而为港口城市可持续发展提出合理的目标和可行的政策建议。

图5 “一带一路自贸驿站”政策实施对比

图6 专项建设资金支持政策实施对比

图7 港口智慧化建设水平提高对比

4.1 基于青岛数据的模型检验

以2014年至2016年的统计数据为基础对青岛港运行状态进行仿真模拟，选取2017年部分变量的仿真结果和历史统计年鉴数据进行比较，如表3所示。

由表3可知，模型预测值的误差均在3%以内，因此可以认为模型描述的系统行为和港口城市实际状态基本相符，可以使用该模型对港口城市未来状态进行预测和分析。

4.2 模型仿真运行：政策优化

本部分利用系统动力学政策优化的功能来分析模型中政策变量的改变对青岛港城耦合系统及港城可持性发展的作用。其中港口智慧化建设水平是指，闸口、码头装卸、堆场仓储管理等方面的智能化[22]。“一带一路自贸驿站”政策是指，2017年青岛市按照国家“一带一路”倡议，集合境内“一带一路”的区位优势，打通中国与俄罗斯及欧洲、中亚及中东欧、西亚及北非、东南亚等国家及我国港澳台地区的口岸经济通道。由青岛保税港区发起并先后与全国近30个省、自治区（建设兵团）、直辖市和计划单列市，近70个国家自贸试验区、海关特殊监管区、国家高新区及开发区等签署了《“一带一路自贸驿站”合作协议》；专项建设资金支持政策是指，2011年底推出的免征客滚运输港口建设费政策。

4.2.1 “一带一路自贸驿站”政策

随着“21世纪海上丝绸之路”战略构想提出，合作、和平、和谐的发展理念深入人心。因此，青岛市按照国家“一带一路”倡议，提出并实施“一带一路自贸驿站”政策。为更好地计量“一带一路自贸驿站”政策的实施对港港口城市的影响效果，特对模型中的吞吐量增长量加一个斜坡函数RAMP（0.27，2014，2023），表示在2014～2023年期间吞吐量增长量逐渐增为原来的2倍。以此来分析该政策实施后对港口吞吐量量增长量的影响。

该政策对提高港口吞吐量的作用明显，带动了港口城市的经济发展，但是这一政策也间接导致了环境治理费用的提升。随着经济水平和生活品质的提高，人们对居住环境的要求日益提高，使得港口环境压力不断提升，导致环境治理费用增多，如图5所示。

4.2.2 专项建设资金支持政策

在专项建设资金政策的支持下，加强港口基础设施建设，使港口通过能力符合日益增长的国际贸易交易量。为探究专项建设资金支持政策对港口通过能力的影响，假设该政策可将港口基础设施规模增大50%。该政策实施后，在未来数年内港口通过能力有明显提升。但是随着港口基础设施的数量和规模逐渐提高，自然资源消耗的呈先减小后增加的趋势。这一政策会使自然资源的消耗也大幅增加，如图6所示。

4.2.3 港口智慧化建设水平

港口智慧化是未来港口的发展方向，也是港口产业转型升级的必经之路。通过智慧化推动港口吞吐量增长，对港口资源进行更合理的配置，促进信息流、资金流、物流循环，提高港口综合竞争力和效益，进一步提高港城耦合系统可持续性发展水平。

当港口智慧化建设水平提高50%时仿真结果如下图所示。在港口通过能力有显著提高的情况下，对自然资源消耗的小幅增加。相比于专项建设资金支持政策（通过增加港口基础设施以提高港口通过能力），该政策消耗更少的自然资源，是更为合适的港口耦合系统可持续发展方法，如图7所示。

5.结语

仿真结果反映了港城耦合系统的动态性、复杂性和多重反馈的特征。本文运用系统动力学方法，弥补已有研究忽视港城耦合系统各个子系统之间内在联系和相互作用的不足，通过构建港城耦合系统模型，基于港城良性互动、可持续发展的要求就青岛市促进港口及城市发展的相关政策进行了仿真分析，得出了如下结论：

（1）加强与其他国家、地区的交流与合作，可增加腹地GDP总量和港口吞吐量，并促进港口城市的经济发展。但也会带来一定环境污染问题。为此在发展过程中应采取与青岛港功能定位（特大型综合性码头）相符的配套环保政策和措施，例如，尽早出台专门的港口环境治理及港口岸线资源开发利用的行政法规、生活污水处理措施，集装箱洗箱废水、港区卫生清洗废水、机修废水等收集与处理措施，污油收集与危害消除措施等[23]。尽量减少环境污染物排放量，降低经济贡献带来的自然资源消耗。

（2）大力发展港口基础设施可快速提高港口通过能力，但从长期来看加重了对自然资源消耗。港口城市在制定发展计划时，应考虑港口基础建设与城市环境之间的关系，适度发展港口基础设施建设规模。可以通过青岛保税港区在土地、财政、税收等方面的优惠政策，吸引第三产业相关的企业进入港口城市。既能带动港口城市经济发展，又能减少对自然资源的消耗，从而保证港口城市的“绿色”可持续发展。

（3）通过发展智慧化港口来增强港城可持续性发展，既能提高港口通过能力，又能将自然资源消耗降到最低。它是港口与城市协调发展的新纽带，是港城耦合系统可持续发展的有效途径。

本文将港城耦合系统和系统动力学理论相结合，对港口城市的未来发展进行定量分析预测，弥补了现有港城耦合系统研究领域的空白，为港城耦合系统理论的进一步研究提供了理论方向。但本文的模型是在社会正常发展情况下的运作，并未考虑国际贸易环境形势、自然环境变化等因素对港城耦合系统发展的影响，将不确定性因素引入港城耦合系统是未来的研究方向。