基于空间交互模型和GIS 技术的几内亚湾港口群腹地空间结构研究

2023-03-13黄光宇王广生封学军鱼童蒋柳鹏

中国港湾建设 2023年2期

黄光宇，王广生，封学军*，鱼童，蒋柳鹏

（1.河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏南京 210098；2.河海大学港航物流与绿色发展研究所，江苏南京 210098；3.中国港湾工程有限责任公司，北京 100027）

0 引言

港口腹地是指港口销售其服务并与之互动的内陆地区[1-2]。它是港口工程建设的重要前置条件，也是港口兴衰的重要基础[2-4]。随着港口系统演化进入区域化发展阶段，港口腹地的空间形态趋于不连续，腹地空间结构趋于复杂[5-6]。对港口群而言，由激烈竞争引起的腹地交叉是其普遍存在的特征[7-8]。

几内亚湾港口群位于非洲西海岸，它是非洲中西部国家海运进出口贸易的重要门户，也是中资企业港口投资和运营关注的热点。由于港口功能的同质化和集疏运设施的低效率，各港口之间的腹地竞争关系相对复杂，港口群对区域经济发展的推动作用和世界其他主要港口群相比并不显著[9-10]。在此背景下，清晰港口群腹地竞争的空间结构现状将为相关决策者优化腹地发展战略提供重要参考。

由于腹地对港口经济发展的重要作用，港口-腹地的空间关系一直是学界研究的热点问题。其中以重力模型和Huff 模型为代表的空间交互模型一直是研究港口-腹地关系的经典理论，并被国内外学者广泛证明了其理论和实用价值[11-12]。杨家其[13]基于重力模型提出港口腹地划分的引力-模糊综合评判法。董晓菲等[14]基于Huff 模型研究了东北沿海港口群腹地空间格局及驱动机理。李振福等[3]将环境科学研究中的高斯烟团扩散理论类比到港口腹地研究中，提出港口腹地划分的烟羽模型。

近年来，地理信息系统（GIS）的发展为腹地的精细模拟和可视化创造了技术条件，学界开始关注交叉腹地的划分问题。王杰等[15]开发了基于栅格分析技术实现的Huff 模型，并基于概率腹地研究了中国东北大连港和营口港的腹地空间竞争格局。Kronbak 等[16]基于公路运输网络模拟了欧洲西北部港口腹地的可达性，并参考Langen 等[17]的划分方法将腹地划分为专属腹地和可竞争腹地。基于“渗透力”（Penetration Power）概念，他们提出可竞争腹地的空间形态应呈现“漏斗效应”（Funnel Effect），即可竞争腹地的空间范围从沿海地区向内陆扩大，如图1 所示[16]。Wan 等[7]综合了Huff 模型、投影寻踪模型和GIS 网络分析技术，将中国国际枢纽港的腹地划分为专属腹地、可竞争腹地和潜在腹地。

图1 港口腹地空间结构示意图Fig.1 Schematic diagram of spatial structure of port hinterland

然而，目前针对港口腹地层次性、竞争性和交叉性的研究依然相对较少，港口群在复杂竞争环境下的腹地结构仍不清晰[18]。此外，大多数研究主要聚焦集疏运系统相对完善的欧洲或东北亚地区港口群，对于基础设施发展潜力较大的非洲地区则缺乏实证分析。在此背景下，本文将基于Huff 模型和渗透力理论构建港口-腹地空间交互模型，并在GIS 栅格分析技术的支持下精细模拟港口群在复杂竞争环境下的腹地层次结构，划分各门户港口的专属腹地、可竞争腹地和潜在腹地范围。相关研究将拓展空间交互模型的应用范围，并为港口投资和运营者的腹地发展决策提供理论支撑。

1 研究方法

1.1 基于Huff 模型和渗透力理论的港口-腹地空间交互模型

首先基于Huff 模型计算任意港口在任意位置的腹地竞争力，并将其作为腹地划分的主要依据。该模型于1963 年由Huff 首先提出并应用于商业中心的市场划分研究，后来被扩展到港口-腹地关系的研究领域[12，19-20]。该模型的本质是基于理性托运人视角的离散选择模型，具体包括3 个基本假设：1）港口在腹地的竞争力取决于腹地托运人选择该港口的概率；2）托运人选择港口的意愿与货物运输的效用成正比；3）托运人基于效用最大原则选择与特定港口之间的货物运输的路径。

基于上述假设，该模型可以具体表述为：

式中：i（I）、j（J）分别为托运人和港口的位置（集合）；Aj为港口j 的吸引力；Dij为位置i 和港口j之间的空间分离；β 为距离衰减系数；Uij、Pij分别为位置i 的托运人选择港口j 进行货物运输的效用和概率。

由式（1）可知，港口与腹地之间的运输效用由二者之间的空间分离和港口吸引力决定。其中，空间分离指标Dij由港口-腹地的可达性反映，在早期文献中通常采用欧氏距离（即两点之间的直线距离）的表达方式[12]。为更真实地反映当地交通基础设施发展水平对腹地空间结构的影响，本研究参考了文献[21]的方法基于最小累积运输时间计算了港口-腹地的广义距离。吸引力指标Aj反映由港口自身规模水平引起的腹地货源吸引力，通常用吞吐量表示[21]。

根据式（2），托运人的港口选择概率Pij由目标港口和其他备选港口的效用共同决定。该指标的空间分布反映了港口腹地竞争力的空间格局，但难以直观表现港口群的腹地竞争格局。因此，本研究借鉴Kronbak 等[16]学者提出的“渗透力”概念划分了港口群腹地竞争的层次结构。该过程可具体表达为：

基于式（4）和式（5）的计算结果，港口的腹地空间结构可划分如下：

式中：CAPj、CONj、POTj为群内港口的专属腹地、可竞争腹地和潜在腹地集合。

1.2 基于GIS 栅格分析技术的模型实现

为提高空间分析的精度，本研究基于GIS 栅格分析技术实现了空间交互模型。由于对低质量交通网络进行建模的便利性，该技术被证明比网络分析技术更适用于分析欠发达地区的交通可达性[22]。模型实现过程主要基于以下3 个步骤：

第一步：数据预处理

首先基于地理信息数据库搜集矢量格式的交通网络地理空间数据，具体包括分等级的交通网络（多段线）、港口（点）和行政区划（多边形）。然后将矢量数据在潜在腹地范围内栅格化，并根据栅格内的通行条件对栅格重新赋值，具体规则如式（9）所示：

式中：tk为货物在栅格k 内沿栅格边长运输的时间；d 为栅格像元大小（边长）；vk为货物在栅格k内的运输速度，由栅格内包含的交通基础设施等级决定。

第二步：港口-腹地可达性计算

根据1.1 节有关内容，空间分离指标Dij通过最小累积运输时间表达。在栅格模型框架下，本文将基于相邻栅格运输时间的计算规则计算栅格累积运输时间，其具体规则如下：

式中：t(k,k+1)为栅格k 与其相邻栅格k+1 之间的运输时间，其计算规则考虑了相邻栅格的2 种邻接类型（如图2 所示）；s 为栅格路径；Ks为路径s 包括的栅格集合；Sij为位置i 和港口j 之间的所有栅格路径集合。

图2 相邻栅格运输时间计算规则Fig.2 Calculation rules for transportation time of adjacent raster

第三步：空间交互模型计算

将式（9）—式（12）的计算结果和港口吞吐量数据代入式（1）和式（2），即可通过空间交互模型模拟任意港口在任意栅格的腹地竞争力。再根据式（3）—式（8）即可模拟港口群及群内港口的腹地空间结构。

2 实证分析

2.1 研究范围

本文研究的空间范围聚焦几内亚湾地区的主要港口及其腹地国家。其中港口研究范围包括阿比让港、特马港、洛美港、科托努港、拉各斯港和克里比港等6 个门户港口，腹地研究范围包括马里等15 个沿海国和陆锁国（如图3 所示）。

图3 研究范围示意图Fig.3 Scope of research

2.2 数据准备

研究所需的地理空间数据包括分等级交通网络和港口，数据来源为开源数据网站Natural Earth（http：//www.naturalearthdata.com，10 m 分辨率，4.1.0 版本）。因当地铁路和内河航运份额极小，案例分析时仅考虑公路运输网络。其中，公路的原始数据分为3 类：Major Highway，Road 和Unknown。结合当地交通基础设施现状，将Major Highway 和Road 划分为一级公路，Unknown 划分为二级道路进行研究（如图4 所示）。

图4 地理空间数据示意图Fig.4 Geospatial data

参数设置方面，栅格像元大小d 设为10 km，所研究的腹地被划分为约11 万个栅格。栅格内的运输速度根据栅格内包含的交通基础设施等级进行取值。根据实地调研，具体取值分别为一级公路50 km/h，二级公路30 km/h，其他5 km/h。距离衰减系数β 参考文献[15]取值为2。渗透力f 综合文献[16]和文献[23]取值为0.2。港口吞吐量数据参考文献[6]进行取值。

2.3 腹地模拟结果

根据第1 节的研究方法，在ArcGIS 平台的支持下模拟了港口群及群内港口的腹地空间结构（如图5，表1 和图6 所示）。其中，基于Dijkstra 算法的成本距离工具用于最短路径的搜索。由于涉及复杂工作流的处理，在Python 语言的支持下基于第三方包Arcpy 实现了栅格分析模拟和空间交互模型的具体计算。

图5 几内亚湾港口群腹地竞争的空间结构Fig.5 Spatial structure of hinterland competition among port groups in the Gulf of Guinea

表1 港口-腹地隶属关系Table 1 Port-hinterland subordination

图6 几内亚湾港口群门户港口的腹地空间结构Fig.6 Spatial structure of gateway ports'hinterland in the Gulf of Guinea

3 分析与讨论

图5 和表1 的模拟结果表明，几内亚湾港口群存在复杂的腹地空间竞争现象。总体而言，交叉腹地占据主导地位，腹地竞争强度在空间上显著不平衡。一方面，非洲西部陆锁国（马里、尼日尔和布基纳法索）存在激烈的腹地竞争，该结论与日本国际协力机构（JICA）的实地调研结果一致[9]。此外，该地区腹地竞争的强度从沿海到内陆不断增加，并呈现显著的层次结构。竞争强度最高的位置是马里东部和尼日尔北部（图5 中的区域16—18），该地的货源由5 个以上的港口参与竞争。另一方面，中部非洲的腹地竞争并不明显。由于缺乏邻近的门户港口与之竞争，克里比港捕获了相对广阔的专属腹地范围。模拟结果表明，门户港口的无序扩张是造成几内亚湾港口群腹地混乱的重要原因。对港口群的投资和运营者而言，明确港口定位并构建多层次的腹地集疏运系统不仅有助于避免群内港口的恶性竞争，也更能充分发挥港口群对于腹地经济的推动作用。

图6 的模拟结果表明，港口专属腹地和可竞争腹地的空间形态存在显著差异。一方面，专属腹地的范围由沿海向内陆收缩，体现出距离衰减对港口腹地范围的约束作用；另一方面，可竞争腹地的空间形态与文献[16]的研究成果一致，呈现显著的“漏斗效应”。这一结果表明，沿海地区的腹地归属相对固定，而遥远的内陆地区存在较高的不确定性，港口的腹地扩张应重点关注距离较远的内陆地区。在此背景下，积极开发高效的多式联运走廊（如铁路和内河航道）和内陆转运枢纽（如陆港和内河港）将有助于港口在多港口竞争区域获得腹地竞争优势[6]。