基于场强模型的辽宁沿海港口腹地划分

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(辽宁师范大学 a.城市与环境学院;b.政府管理学院,辽宁 大连 116029)

1 引言

经济全球化推动了港口规模扩大和港口功能提升,加快了港口腹地经济整合,通过要素市场的资源优化配置促进了区域经济发展。同时,航运业的快速发展,导致港口竞争日趋激烈,腹地范围将不断扩大,并呈现出多样化的趋势[1,2]。港口作为一类地理空间,更是一种经济系统[3]。港口扮演着区域门户的重要作用[4],促进了区域统一大市场的形成。因此，明确港口的腹地范围、认清港口与腹地之间的隶属关系,对港口功能定位和区域协调发展具有十分重要的意义。

港口腹地范围划分研究肇始于海港最优区位研究,主要借鉴了城市腹地范围研究。德国学者Kautz E A于1934年发表的《海港区位论》基于海港与腹地的关系,以“总体最小费用”为原则,追求海港的最优区位[5];1963年,Taaffe、Morrill、Gould提出海港空间结构演化的六阶段模型,认为港口和腹地交通网络的不断发展,腹地的货流将逐步趋于集中[6];1990年,Slack在此基础上提出第七阶段,即多式联运发展,交通走廊的运量继续集聚,而多余节点则被淘汰[7]。陆玉麒提出双核结构理论,研究了区域中心城市与港口门户城市的组合关系[8],为港口腹地划分提供了一定的理论基础。由于缺乏城市和区域空间单位与港口有关活动的详细数据[9],对港口和腹地空间关系的准确定量分析比较困难,粮食、能源等专业性港口的服务范围划分研究多依托于码头区位最优选择研究。其中,片峰等划分了环渤海地区主要铁矿石中转港的腹地范围[10];程佳佳等阐述了我国港口原油码头的发展现状和布局特征,分析得出我国原油码头的空间分布“极不均衡”[11]。港口腹地划分多基于空间相互作用的理论视角,以及港口和港口城市发挥的综合性中心职能、港口和腹地之间的距离、中间干扰机会的研究框架。在研究方法上,一般从内陆空间的通达性和经济性角度来确定港口腹地的地理范围[12]。目前的研究方法主要包括区位商法[13]、隶属度法[14]、圈层结构法和点轴结构法[15]、O-D流结合图论法[16]、烟羽模型[17]、Huff模型[12,18,19]、场强模型[20-22]等。

通过回顾文献发现,港口腹地划分从定性方法为主转向定量方法为主,由概念性的理论模型转向半参数模型和参数模型,参数设置不断优化,运输成本多通过测算距离近似表示。腹地划分模型的模拟程度逐渐提高,但与现实世界还存在一定差距,如腹地的基本研究单元多为省域或市域,基于县域尺度的研究比较少;研究对象多侧重对某一个或两个港口腹地范围的划分,对港口—腹地型城市地域系统的空间联系刻画不深刻[23];在距离成本测算上,虽然运输时间成本的影响逐渐受到学者们的重视,但地形坡度的影响程度尚难以度量,运输速度难以精确测算,对现实的拟合效果不佳。因此,本文以辽宁沿海港口及其东北地区腹地为研究对象,建立港口的综合实力评价指标体系,确定港口综合“质量”;借助百度地图导航服务,测度各城市到各港口的时间成本;运用场强模型对辽宁沿海港口的陆向腹地范围进行划分,以期对我国港口—腹地系统发展研究、港口布局规划提供一定的参考。

2 研究区、数据获取与方法选择

2.1 研究区概况和数据来源

辽宁省的沿海岸线资源丰富,大陆岸线长达2178km,岛屿岸线624km,已形成以大连港、营口港为主要港口,锦州港、丹东港为地区性重要港口,盘锦港、葫芦岛港为一般性港口的分层次发展格局。2016年,辽宁省完成港口货物吞吐量10.9亿t,集装箱吞吐量1879.8万TEU。东北地区是我国较早形成的结构相对完整的大经济区,包括东三省和内蒙古东四盟[24],是辽宁沿海港口主要的陆向经济腹地[25]。县城是联系广大乡村地区的纽带,也是工农业物资的集散地[26],因此基于县域尺度的腹地划分更加精细。

为了便于数据采集和处理,本文将辽宁省大兴安岭地区新林区、呼中区和呼玛县合并,加格达奇区、松岭区与鄂伦春自治县合并,呼伦贝尔市扎赉诺尔区与满洲里市合并,并将除沈阳市辽中区、大连市普兰店区、辽阳市弓长岭区、营口市鲅鱼圈区、盘锦市大洼区、长春市双阳区以外的各地市的市辖区分别合并,最后确定了220个研究单元。

本文的社会经济属性数据来源于2017年的《中国港口统计年鉴》[27]、《黑龙江统计年鉴》[28]、《吉林统计年鉴》[29]、《辽宁统计年鉴》[30]、《内蒙古统计年鉴》[31];研究区行政边界来源于国家地理信息中心提供的1∶100万矢量数据;乡镇街道名录来源于2016年的《中华人民共和国乡镇行政区划简册》[32];研究涉及的13个港区、220个县区、3642个乡镇街道的地理位置通过Google Earth查找获取;交通出行数据于2018年8月向百度地图服务商批量请求获得。

2.2 基于能级指数的港口综合实力评价方法

城市能级是指城市功能对其他地区的辐射影响程度。一般而言,能级指数越大,城市功能对外辐射的范围也越大。港口是港口城市的重要特殊功能,也是港口城市的有机组成部分。港口能级不仅受到港口自身的资源禀赋和经营管理水平的影响,还受到所在城市发展水平的支持或制约。一般来说,港口能级越大,腹地范围也就越大。

表1 港口能级评价指标体系

依据中心地理论,中心地提供的服务和所具有的功能具有等级性。能级指数是绝对大小的反映,主要以总量指标为主,个别采用均量指标辅助[33]。为了全面反映港口的综合实力,本文构建了港口能级的指标体系，见表1。在多指标综合评价研究中,主成分分析方法不仅解决了指标赋权和相关性问题,还实现了指标降维以简化评价的作用[34]。从表1可见，X1—X4反映港口规模,X5-1—X5-4反映港城经济发展水平,X5-5反映港城社会服务水平,X5-6反映港城人口规模。

本研究首先对原始数据进行标准差标准化，以实现无量纲化处理。由于标准化后的数据通过KMO和Bartlett球形检验,通过SPSS19.0中的因子分析工具设置参数提取公因子,并通过计算主成分得分得出港口能级指数,最后采用对数Logistic模式对所得数据进行非负标准化处理,计算公式为:

(1)

2.3 基于互联网地图服务的时间距离测算法

港口的时间可达性测度反映了各港口腹地交通设施对其支撑能力的大小。传统的可达性分析所确定的时间距离主要是借助GIS软件模拟交通时速建模的方式。实现手段主要有以下两种:一种是基于矢量数据，可通过O-D矩阵确定每个节点的可达性的网络分析,不足的是路网的拓扑关系复杂以致于工作量较大；同时，对地形起伏、交通方式接驳等因素难以处理。另一种是基于栅格数据，通过成本加权距离来实现的空间分析。该方法的缺点是不同类型栅格设定的通过成本的主观性较强,并未充分考虑水域、山体、农田等运输阻隔要素的特殊性,因此栅格单元大小的设定需要仔细考虑。当前时刻表查询服务、导航地图提供的位置和路线检索已深入大众生活,很大程度上反映了人们的出行决策,符合大众出行的行为逻辑,相比传统的交通建模,利用导航地图开发平台的测度方法更加准确和可靠[35]。

乡镇是具有一定生产和生活功能,并以乡村作为腹地支持的聚落。本文总共选择3642个乡镇街道作为起始点,既避免了由于220个县区或45490个村庄社区作为起始点所导致的数据量过小或过大问题,也避免了格网点或随机点造成的与实际人类活动集聚情况不符的缺陷,能在现有统计数据支持条件下近似地反映出县域单元港口运输需求活动产生的地点。

为了充分利用岸线资源,使港口吞吐能力和影响范围最大化,全国主要港口业务港区已由单一的港区发展成为多个港区,参照韩增林等[25]对交通可达性的研究,把辽宁省沿海港口划分为13个主要港区,将每个港口至腹地城市的时间距离定义为每个港口的各个港区到腹地城市各个乡镇街道的时间距离均值,避免了把6个港口作为目标终点导致的精度过粗问题,化解了数百个码头资料收集所面临的现实困难。在本研究中,借助百度地图API批量获取各起始点到各目标点的导航数据,将得到的O-D矩阵数据导入Geodatabase。

2.4 基于场强模型的港口—腹地空间联系评价法

港口(城市)作为区域对外开放的门户,港口(城市)功能的辐射效应可表示为场强,腹地(城市)受到多个港口城市场强的叠加作用可通过场能表示。对区域发展来说,场能高不但意味着受区域中心城市的影响力强,区域联系“通道”快捷高效,而且意味着未来发展潜力较大;反之则相反[33]。场强和场能的计算公式为[36]:

(2)

式中,Fij表示港口i对点j的场强;Fj表示多个港口对点j的场能;Zi表示港口i的能级指数;Dij表示点j到港口i的距离,采用时间距离代替空间距离;a表示距离摩擦系数。本文参照顾朝林、黄金川等人的研究说明，a值分别取1.0和2.0时可近似反映国家尺度和省区尺度的城市辐射作用[37,38]。由于本文研究范围为东北地区,与省区尺度最接近,因此a应以2.0为标准值。由于场强量纲难以确定,本研究采用胡佛的概率模型对场强模型去量纲化，计算公式为:

(3)

3 研究结果

3.1 港口能级综合评价

2016年,辽宁省大连港和营口港货物吞吐量分别达到4.38亿t和3.52亿t,共占辽宁沿海港口体系货物吞吐量的72.29%,外贸吞吐量和集装箱吞吐量的占有率分别达89.52%和83.37%。辽宁省丹东港和锦州港货物吞吐量计占22.64%,而盘锦港和葫芦岛港货物吞吐量仅占5.07%(表2)。从港口提供的三类服务的集中程度来看,货物吞吐量集中程度最低而外贸吞吐量和集装箱吞吐量的集中程度比较高。运用主成分分析计算得出的港口能级指数见表2。

表2 2016年辽宁沿海港口综合实力

从表2可见,大连港能级指数达到86.28居于首位,营口港为61.15居于次席,丹东港以42.07位列第三,锦州港、盘锦港、葫芦岛港分别居于第四位、第五位和第六位。辽宁沿海港口群形成了以大连港和营口港为主要港口、丹东港和锦州港为地区性重要港口、盘锦港和葫芦岛港为一般港口的港口体系。

3.2 港口—腹地时间可达性

从表3可见,辽宁省丹东港、盘锦港和营口港的平均到达时间均小于11h,大连港和葫芦岛港的平均可达时间均大于11.5h,锦州港的可达性居中。需要注意的是,近些年港口对货源的争夺十分激烈,为降低货主的运输成本,港区选址通常更加靠近竞争性港区。如辽宁省太平湾港区分别离仙人岛港区和鲅鱼圈港区仅0.15h和0.3h,比大连湾港区分别缩短了0.85h和1.15h,比大窑湾港区分别缩短了0.75h和1.06h。可见,大连港和营口港之间的竞争将会更加激烈。值得注意的是,辽宁省长兴岛港区的平均到达时间达12.3h,可见长兴岛港区的基础设施尚未完善;太平湾港区加剧了大连各港区之间的内部竞争,容易造成港口资源浪费[39]。类似地,辽宁省盘锦市主要位于辽河三角洲,盘锦港区紧邻营口市西市区,盘锦港区的平均到达时间仅比鲅鱼圈港区缩短0.02h;锦州港区则紧靠葫芦岛港区,时间成本优势仅为0.26h。

表3 辽宁沿海港口及主要港区平均到达时间

3.3 基于场强模型的港口腹地划分

从表4可见,辽宁省沿海的6个港口对220个县域单元的平均总能级为48.66,平均总时间为2432.37,平均总场强为456.37。以每个港口的能级、时间距离、场强与6个港口总的平均值相比较,分别得出3个优势度指数。从表4可见,各港口之间在时间成本上的差距并不突出,营口港的总场强虽然要高于大连港,但营口港的时间成本优势并不突出,大连港的能级优势非常明显,受到距离衰减规律的影响,大连港对营口港仍具有综合场强优势。虽然丹东港和盘锦港具有时间成本优势,但受到港口吞吐能力和港口城市支撑强度的限制,没有取得场强优势地位。虽然锦州港对盘锦港具有能级优势,但锦州港的时间优势不如盘锦港明显,两港场强优势程度相当。葫芦岛港不但能级低,而且耗时长,在各港口中最缺乏竞争力。

表4 辽宁沿海港口区位优势度

根据式(2)和式(3),分别计算辽宁省各县域单元内所属港口的场强,根据“场强最大”原则划分出各港口的腹地范围,见图1。

图1 辽宁沿海港口腹地试划分结果及 腹地所属港口的场强辐射总量

从图1可见，辽宁沿海港口腹地空间格局具有以下特征:①各港口的腹地范围差异巨大。大连港的腹地范围最为辽阔,包括大连市和东北地区北部广大地区,共计139个县域单元;营口港为33个县域单元,主要位于沈阳经济区和吉林省中部;锦州港为20个县域单元,集中在辽西地区和内蒙古赤峰市;丹东港为16个县域单元,集中在辽东地区和吉林省东南部;盘锦港为10个县域单元;葫芦岛港仅为2个县域单元,分别是建昌县和绥中县。②腹地形态与港口所处的地理位置具有一定的关联性。港口腹地自港口所在地向毗邻的内陆地区不断延伸,直至该港口的场强辐射量不能维持优势地位。③港口所在县域单元与港口的腹地范围具有交叉性。由于本文采用了港口而不是各港区的数据,导致葫芦岛港区所在的葫芦岛市辖区隶属于锦州港而不是葫芦岛港。④港口出现非连续性的“飞地型”腹地,印证了Notteboom、Rodrigue[40]所描述的港口区域化发展阶段腹地发展的一般特征。某一港口向内陆地区投放影响力的同时,必然受到邻近港口的干扰,导致各港口腹地相互嵌套,港口向内陆腹地交错布局、交互关联。辽宁省大连港以大连市为直接腹地,位于东北地区北部的腹地被营口港和丹东港所分割;营口港向内陆地区拓展腹地方向受盘锦港阻碍,营口港所在县区与沈阳经济区并没有直接毗连;敦化市被大连港腹地所分割,成为丹东港的“飞地型”腹地。

从图1还可见,腹地所属港口在腹地的场强辐射强度由沿海地带向内陆地区加速减弱,强度最大的3个县区分别是鲅鱼圈区、营口市辖区和大洼区,强度最低的3个县区分别是根河市、漠河县和额尔古纳市。

图2 辽宁沿海港口腹地所受港口场强辐射总量及 所属港口场强的比重

从图2可见,辽宁省6个港口场强辐射总量在空间分布上也具有类似的规律性,总量最大的3个县区仍分别是鲅鱼圈区、营口市辖区和大洼区；总量最小的3个县区分别是彰武县、奈曼旗和阿鲁科尔沁旗。计算每个县域单元所属港口场强辐射量与总的港口场强辐射量之比见图2。从图2可见，所属港口场强比重具有由沿海地区向内陆地区先急剧递减后缓慢递增的规律性。总体来说,虽然大连港腹地受到其他港口尤其是营口港的“蚕食”,但大连港凭借能级优势仍维持着竞争优势,大连港依然是东北地区的首位港;营口港受到大连港、丹东港和盘锦港的空间限制,主要的拓展方向仍集中在吉林省。

3.4 港口腹地综合划分

基于改进场强模型的辽宁沿海港口腹地划分结果,没有考虑到行政边界效应、港口腹地交叠相错的实际情况。因此,将各地级市下辖的区县认定为港口的直接腹地;将港口在县区场强的算数平均值与其1个标准差之和作为划入港口直接腹地的准入条件;将港口在县区场强的算数平均值与其1个标准差之差作为划入港口腹地的准入条件;各县域单元隶属的港口不超过2个。由于没有港口在彰武县和弓长岭区的场强满足以上条件,故将彰武县和弓长岭区划定为场强前两位港口的交叉腹地。综合分析得到的辽宁沿海港口腹地划分结果见图3。

图3 辽宁沿海港口腹地划分结果

从图3可见,辽宁省大连港的直接腹地除大连市之外,主要位于东北地区北部远离黄渤海岸的内陆地区;营口港的直接腹地主要位于营口市、沈阳市、抚顺市、鞍山市、辽阳市;丹东港的直接腹地主要位于丹东市、本溪市和通化市;锦州港的腹地主要位于锦州市、朝阳市和赤峰市,盘锦港的腹地主要位于盘锦市和阜新市,葫芦岛港主要依托葫芦岛市,在行政边界的约束下并不存在明显的竞争。辽宁省大连港受到营口港的强势挤压,从铁岭市到齐齐哈尔市的东北中部地区为大连港和营口港的交叉腹地,而从白山市到鸡西市一线为大连港和丹东港的交叉腹地,大连港在东北地区中部和东部的腹地分别面临营口港和丹东港的“蚕食”,大连港与营口港、大连港与丹东港成为主要的竞争方。本研究识别的港口腹地空间格局与董晓菲[19]、徐维祥[12]等研究的结果大体一致,但对交叉腹地的空间刻画更加深刻精细,突出了大连港与营口港和丹东港在腹地争夺中体现出的复杂的空间关系。

3.5 港口竞争结构

市场份额的多少与港口在竞争中所处的地位密切相关。辽宁省大连港由于在相当长的一段时期内是东北地区最主要的出海门户,通过锁定用户占据了主要市场份额,通过特殊的垄断地位限制了竞争。根据兰切斯特竞争策略[41],通过港口在腹地占有的市场份额划分为四种竞争者类型,低于26.1%称之为“不稳定的竞争者”,介于26.1%和41.7%之间的称为“竞争者”,在41.7%和73.9%之间的称为“领导者”,高于73.9%称为“垄断者”,结果见表5。辽宁省大连港在大多数县域单元具有一定的竞争力,但与其他港口有较多的腹地重叠;各个港口的竞争优势地位并不明显,在某一腹地单元中处于垄断者或领导者地位的港口比较少;除大连港外,其他港口均主要扮演不稳定的竞争者角色;在48个腹地单元,所有港口均为不稳定的竞争者。

辽宁省大连港与营口港在11个县域单元形成了激烈竞争,大连港与丹东港为7个县域单元,锦州港与葫芦岛港为4个县域单元,营口港与盘锦港为2个县域单元。大连港腹地在东北地区中部和东部分别受到营口港和丹东港的挤压,构成了主要竞争方。大连港位于辽东半岛最南端,凭借着雄厚的城市基础、高效的组织能力,一定程度上弥补了地理空间距离的劣势。加之腹地演变的历史延续性,随着营口港和丹东港的基础设施不断完善,受到中介机会的干扰作用,大连港的腹地处于逐渐被“袭夺”的状态。1984年和1989年相继设立地级盘锦市和锦西市(1993年改称葫芦岛市),地方政府谋求港口建设以促进经济发展,没有考虑港区邻近的现实,造成港口的重复建设。2017年12月,大连港集团和营口港集团的股权实现划转,实际控制人由地方国资委变为辽宁省国资委,意味着辽宁省港口资源的整合取得了重大进展。从长远来看,构建合理的辽宁沿海港口体系,不仅需要经营管理层面的改革,还需要加快行政管理体制的调整。

4 结论与讨论

4.1 结论

港口对腹地的影响强度和辐射范围受到港口转运能力和货运交通成本的制约,本研究为港口腹地范围的识别提供了一条较可靠的方法路径。港口能级指数能反映港口对腹地运输需求的海陆转运能力。根据互联网导航服务能反映出实际的陆路交通可达性条件,在改进的港口场强模型识别出腹地范围的基础上,充分考虑到港口城市边界效应的实际情况,通过设定合理简单的腹地空间范围识别标准,能较好地识别出辽宁沿海6个港口的直接腹地和交叉腹地。

实证研究表明,辽宁沿海港口场强的空间分布形态与核心港区的区位和交通网络的布局具有高度的耦合关系。辽宁沿海各港口的腹地范围存在较显著的差异,大连港腹地范围最大,营口港次之。与腹地所属港口场强辐射总量和所受港口场强辐射总量不同,腹地所属港口场强比重具有从沿海港区向内陆地区先降后升的规律性。港口的直接腹地除了依托港口城市之外,大连港的直接腹地还包括东北地区的北部内陆地区,营口港的直接腹地主要位于沈阳经济区,丹东港的直接腹地包括本溪市和通化市,锦州港的直接腹地包括朝阳市和赤峰市。大连港与营口港和丹东港之间具有大量的交叉腹地单元,辽宁沿海港口腹地范围体现出复杂的空间关系。东北地区中部是大连港和营口港的交叉腹地,而东北地区东部为大连港和丹东港的交叉腹地。港口区域化是提升港口集群竞争力的重要手段。辽宁沿海港口群存在过度竞争趋势,需要统一规划、统筹发展,适时整合港口资源,提升港口群竞争力。辽宁省大连港和营口港之间、大连港和丹东港之间、营口港和盘锦港之间、锦州港和葫芦岛港之间更需要注重协作,减少行政区经济下的港口资源消耗,也可以为行政区划改革减轻阻力。

4.2 讨论

本研究尚存在一些不足之处需要弥补,如辽宁沿海港口腹地不是封闭的空间而是开放的区域,如何考虑到区外港口和区外腹地的影响有待研究;港口腹地包括陆向腹地和海向腹地,基于港口能级和陆路可达性的港口场强模型有待改进;港口与腹地之间存在多种形式的关系,如何充分挖掘出“关系足迹”背后隐藏的现实关系,值得未来继续加深研究;港口与腹地之间的关系具有“流量、流向、网络”等多维属性,大数据挖掘、复杂网络分析和可视化等技术方法有待突破。