基于系統(tǒng)動力學的港城耦合系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展研究
——以青島港為例

文/陳艷 呂云翔 謝亞雯

1.引言

“21世紀海上絲綢之路”戰(zhàn)略構(gòu)想提出以來，隨著國際貿(mào)易交易量的增長，港口作為水陸運輸?shù)年P(guān)鍵樞紐也再次蓬勃發(fā)展起來。港口的迅猛發(fā)展也為港口城市帶來了資源開發(fā)無序、資源消耗產(chǎn)生的環(huán)境污染等一系列港口建設(shè)問題[1]。港口與其所在城市是相互依存的耦合體[2]，對港城耦合系統(tǒng)可持續(xù)性發(fā)展的探索有助于推動我國港口與城市之間的良性互動，實現(xiàn)港口與城市全面協(xié)調(diào)、可持續(xù)性發(fā)展。

對港城耦合系統(tǒng)可持續(xù)性發(fā)展問題的研究大致分為三個方向：第一個方向是港口與城市在經(jīng)濟層面的互動發(fā)展研究，包括港口發(fā)展帶動城市GDP提高、城市經(jīng)濟對港口發(fā)展的促進作用以及二者之間的互動關(guān)系研究，對此類問題的研究主要運用Huff模型[3]、耦合度協(xié)調(diào)模型[4]、DEA和偏相關(guān)分析[5]、系統(tǒng)動力學模型[6]、變參數(shù)狀態(tài)空間模型[7]。第二個方向是從社會層面，探討港口企業(yè)及港口相關(guān)服務(wù)企業(yè)的活動對就業(yè)的直接影響，港口對勞動人口就業(yè)和社會凈產(chǎn)值的貢獻[8～10]。第三個方向為港城的環(huán)境績效與管理問題，從系統(tǒng)動力學模型[11～12]、復(fù)合系統(tǒng)[13]，到目前結(jié)合最優(yōu)控制模型和增長協(xié)同機制混合算法[14]，研究港口與城市綠色低碳增長發(fā)展機制，使實現(xiàn)港口城市經(jīng)濟最大化的綠色增長。

當前國內(nèi)外相關(guān)研究存在兩個方面的問題：一是將經(jīng)濟系統(tǒng)、社會系統(tǒng)、環(huán)境系統(tǒng)孤立開來，僅就其中一個系統(tǒng)進行單獨研究，忽略了三個系統(tǒng)之間的內(nèi)在聯(lián)系和相互影響。在可持續(xù)發(fā)展中應(yīng)考慮并找到經(jīng)濟因素、社會因素、環(huán)境因素的平衡點[15]?？紤]經(jīng)濟利益的同時，還考慮在可持續(xù)發(fā)展過程中獲得的社會效益和環(huán)境效益[16]。二是忽略了政策對港口和城市發(fā)展的導(dǎo)向性作用。政策是促進經(jīng)濟系統(tǒng)、環(huán)境系統(tǒng)、社會系統(tǒng)發(fā)展和平衡的重要保障[17]。自“21世紀海上絲綢之路”戰(zhàn)略構(gòu)想提出以來，各方學者對“21世紀海上絲綢之路”戰(zhàn)略與港口城市發(fā)展之間的聯(lián)系進行探討，但大部分研究仍處于理論階段，實證研究比較少見。

港城耦合系統(tǒng)的本質(zhì)特點是動態(tài)性，包含多個子系統(tǒng)，而這些子系統(tǒng)內(nèi)部所產(chǎn)生的自校正、自增強效果均影響著港口城市的可持續(xù)性發(fā)展效果。港口不僅和社會、經(jīng)濟、政策相關(guān)，而且也與生態(tài)環(huán)境和資源緊密相連[18]，所以本文運用系統(tǒng)動力學的方法，將經(jīng)濟系統(tǒng)、社會系統(tǒng)、環(huán)境系統(tǒng)作為三個子系統(tǒng)構(gòu)成港城耦合綜合系統(tǒng)，并將促進港城可持續(xù)性發(fā)展的政策因子融入模型，全面、客觀地分析港城耦合系統(tǒng)可持續(xù)性發(fā)展的可行性措施。本文的結(jié)構(gòu)安排如下：第二部分根據(jù)港城耦合系統(tǒng)特性分析經(jīng)濟子系統(tǒng)、環(huán)境子系統(tǒng)、社會子系統(tǒng)的反饋回路及各個子系統(tǒng)之間的相互影響；第三部分構(gòu)建港城耦合系統(tǒng)動力學模型；第四部分是對港城耦合系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展模型進行仿真；最后是根據(jù)仿真結(jié)果給出相應(yīng)的建議。

2.港城耦合系統(tǒng)的模型構(gòu)建

2.1 港城耦合系統(tǒng)邊界的確定

系統(tǒng)動力學研究問題的第一步是確定系統(tǒng)邊界，也就是確定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。港城耦合系統(tǒng)包括經(jīng)濟子系統(tǒng)、環(huán)境子系統(tǒng)、社會子系統(tǒng)三部分。經(jīng)濟子系統(tǒng)是指以港口經(jīng)濟為主體（包括港口吞吐量、GDP、港口投資、港口基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等）。社會子系統(tǒng)是指與港口發(fā)展相關(guān)的因素（包括外來務(wù)工人口、就業(yè)機會、臨港產(chǎn)業(yè)等）。環(huán)境子系統(tǒng)主要包括港口運營活動對城市環(huán)境影響和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)對自然資源消耗影響兩部分。

2.2 港城耦合系統(tǒng)總體框架

系統(tǒng)動力學（system dynamics，SD）是將系統(tǒng)科學理論與計算機仿真技術(shù)結(jié)合的一門科學，是用來研究系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與反饋變化的一種方法。本文建立港城耦合系統(tǒng)可持續(xù)性發(fā)展的系統(tǒng)動力學模型，通過調(diào)控模型中各參數(shù)變化，仿真未來港口城市的發(fā)展趨勢，實現(xiàn)經(jīng)濟效益、社會效益及環(huán)境效益最大化[19]。

港口發(fā)展對一個城市的經(jīng)濟發(fā)展和對投資吸引都是有利的，港口發(fā)展影響經(jīng)濟效益（通常是積極的）、環(huán)境效益（如果不采取措施緩解，通常是消極的）和社會效益（積極和消極的情況均有）。與港口建設(shè)相關(guān)的活動、運輸、運營以及擴建基礎(chǔ)設(shè)施也利用自然資源，但港口基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)可能會對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生負面影響，從而造成不利的社會和環(huán)境影響。此外，維護疏浚對許多小型和大型港口來說都是一個問題，疏浚是港口經(jīng)濟可持續(xù)性發(fā)展的關(guān)鍵因素[20]。港口日常運營活動所產(chǎn)生的空氣污染對港口所在城市的環(huán)境也會產(chǎn)生不利影響。探究一個港口對社會效益的影響，可以通過確定哪些影響需要被減弱或增強進行分析[21]。比如大量人口為了更多的就業(yè)機會和更好的生活質(zhì)量涌入港口城市，然而城市環(huán)境問題（空氣污染、水污染與短缺）影響了生活質(zhì)量，從而會導(dǎo)致一定的社會問題。

在港城耦合系統(tǒng)中，經(jīng)濟子系統(tǒng)是推動港口城市發(fā)展和進步的動力，經(jīng)濟活動創(chuàng)造的物質(zhì)財富，能提高人們生活質(zhì)量和生活水平，進一步吸引更多人口到港口城市發(fā)展，從而影響社會子系統(tǒng)的運行。經(jīng)濟活動創(chuàng)造的經(jīng)濟價值也可帶動和促進臨港產(chǎn)業(yè)和領(lǐng)域的發(fā)展。環(huán)境子系統(tǒng)是進行港口城市經(jīng)濟活動的基礎(chǔ)，自然資源的承載力直接影響港城經(jīng)濟發(fā)展水平。社會子系統(tǒng)包含的宜居性、環(huán)境質(zhì)量、社會福利等因素又以環(huán)境子系統(tǒng)為依托。港城耦合系統(tǒng)中還應(yīng)包括與港口發(fā)展相關(guān)的反饋回路，例如港口基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與港口通過能力之間的發(fā)展聯(lián)系，港口基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提高港口通過能力，以符合日益增長的港口吞吐量需求；港口吞吐量和港口基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也對自然資源消耗量產(chǎn)生影響。港城耦合系統(tǒng)的各子系統(tǒng)、各因素彼此聯(lián)系、相互影響，具有明顯的動態(tài)性、復(fù)雜性、多重反饋的特征。

2.3 界港城耦合系統(tǒng)反饋圖分析

港城耦合系統(tǒng)所包含的經(jīng)濟子系統(tǒng)、社會子系統(tǒng)、環(huán)境子系統(tǒng)都有各自的結(jié)構(gòu)和功能，子系統(tǒng)之間通過影子變量相互聯(lián)系。影子變量既是一個子系統(tǒng)的輸出，同時又是其他子系統(tǒng)的輸入。

2.3.1 經(jīng)濟子系統(tǒng)

經(jīng)濟子系統(tǒng)包含2條正反饋回路：（1）港口吞吐量→+GDP→+港口需求→+港口吞吐量（2）港口吞吐量→+GDP→+固定資產(chǎn)投資→+港口投資→+港口基礎(chǔ)設(shè)施投資→+港口吞吐量。港口吞吐量的增加可以帶動GDP增長，從而提高腹地GDP總量。加大港口的固定資產(chǎn)投資額度，提高港口通過能力，從而增加港口吞吐量；GDP總量的增長可以帶動對外貿(mào)易發(fā)展，從而促進港口吞吐量的增加。腹地GDP總量的增長使港口的固定資產(chǎn)投資額提高，港口基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)模擴大，從而增加港口吞吐量，如圖1所示。

2.3.2 社會子系統(tǒng)

圖1 經(jīng)濟子系統(tǒng)

社會子系統(tǒng)包含2條正反饋回路：（1）GDP→+固定資產(chǎn)投資→+臨港產(chǎn)業(yè)投資→+臨港產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值→+GDP；（2）GDP→+就業(yè)機會→+人口增加→+消費→+GDP。GDP的增加拉動能夠固定資產(chǎn)投資的增加，提高臨港產(chǎn)業(yè)投資。以此提高臨港產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值，帶動GDP增長。同時，GDP的增加會提供更多的就業(yè)機會，因此會吸引大批人口涌入城市，消費總量的增加也會帶動GDP增長，如圖2所示。

2.3.3 環(huán)境子系統(tǒng)

環(huán)境子系統(tǒng)包含1條負反饋回路：（1）港口基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)→+自然環(huán)境消耗→+環(huán)境治理費用→-港口收入→+港口自身投資→+港口基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。港口吞吐量的增長將消耗更多的自然資源，港口自然環(huán)境消耗增加，勢必增加環(huán)境治理費用，導(dǎo)致港口收入減少，使港口自身投資額減少，導(dǎo)致港口基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模減小，限制港口通過能力的增長，限制自然環(huán)境消耗日益增多的趨勢，形成一條負反饋回路，如圖3所示。

圖2 社會子系統(tǒng)

3.港城耦合系統(tǒng)的流圖分析和方程建立

圖3 環(huán)境子系統(tǒng)

根據(jù)以上對經(jīng)濟子系統(tǒng)、社會子系統(tǒng)、環(huán)境子系統(tǒng)的因果關(guān)系分析用系統(tǒng)動力學專用軟件Vensim建立港城耦合系統(tǒng)的存量流量圖，如圖4所示。本研究將一些典型的促進港口城市可持續(xù)性發(fā)展的措施如“一帶一路自貿(mào)驛站”政策、專項建設(shè)資金支持政策、建立智慧化港口等放入原有的系統(tǒng)動力學模型得到了改進后的模型，即可持續(xù)性發(fā)展的港城耦合系統(tǒng)的系統(tǒng)動力學模型。在模型的基礎(chǔ)上，輸入模型初始參數(shù)、方程和表函數(shù)，從而對模型進行仿真。模型的重要變量如表1所示，及參數(shù)方程如表2所示。

4.模型仿真和實證分析——以青島港為例

圖4 港城耦合系統(tǒng)模型

表1 港城耦合系統(tǒng)模型參數(shù)描述表

表2 治港城耦合系統(tǒng)動力學模型部分方程表

表3 2017年預(yù)測值和實際值對比

青島港位于山東半島南岸的膠州灣內(nèi)，始建于1892年，具有125年歷史。是我國重點國有企業(yè)，中國第二個外貿(mào)億噸吞吐大港。同時擁有全國最大的集裝箱碼頭、原油碼頭、鐵礦碼頭和國際一流的煤炭碼頭、散糧接卸碼頭。作為新亞歐大陸橋經(jīng)濟走廊主要節(jié)點和國家重要的現(xiàn)代海洋產(chǎn)業(yè)發(fā)展先行區(qū)，青島對港口城市可持續(xù)性發(fā)展的政策會成為其他港口城市的仿效和借鑒的榜樣。研究青島市港城耦合系統(tǒng)可持續(xù)性發(fā)展的政策意義重大。這一部分對青島市的港城耦合系統(tǒng)動力學模型仿真，以得出不同促進港城耦合系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展政策的實施效果對港口城市可持續(xù)性發(fā)展的影響，從而為港口城市可持續(xù)發(fā)展提出合理的目標和可行的政策建議。

圖5 “一帶一路自貿(mào)驛站”政策實施對比

圖6 專項建設(shè)資金支持政策實施對比

圖7 港口智慧化建設(shè)水平提高對比

4.1 基于青島數(shù)據(jù)的模型檢驗

以2014年至2016年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)對青島港運行狀態(tài)進行仿真模擬，選取2017年部分變量的仿真結(jié)果和歷史統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)進行比較，如表3所示。

由表3可知，模型預(yù)測值的誤差均在3%以內(nèi)，因此可以認為模型描述的系統(tǒng)行為和港口城市實際狀態(tài)基本相符，可以使用該模型對港口城市未來狀態(tài)進行預(yù)測和分析。

4.2 模型仿真運行：政策優(yōu)化

本部分利用系統(tǒng)動力學政策優(yōu)化的功能來分析模型中政策變量的改變對青島港城耦合系統(tǒng)及港城可持性發(fā)展的作用。其中港口智慧化建設(shè)水平是指，閘口、碼頭裝卸、堆場倉儲管理等方面的智能化[22]。“一帶一路自貿(mào)驛站”政策是指，2017年青島市按照國家“一帶一路”倡議，集合境內(nèi)“一帶一路”的區(qū)位優(yōu)勢，打通中國與俄羅斯及歐洲、中亞及中東歐、西亞及北非、東南亞等國家及我國港澳臺地區(qū)的口岸經(jīng)濟通道。由青島保稅港區(qū)發(fā)起并先后與全國近30個省、自治區(qū)（建設(shè)兵團）、直轄市和計劃單列市，近70個國家自貿(mào)試驗區(qū)、海關(guān)特殊監(jiān)管區(qū)、國家高新區(qū)及開發(fā)區(qū)等簽署了《“一帶一路自貿(mào)驛站”合作協(xié)議》；專項建設(shè)資金支持政策是指，2011年底推出的免征客滾運輸港口建設(shè)費政策。

4.2.1 “一帶一路自貿(mào)驛站”政策

隨著“21世紀海上絲綢之路”戰(zhàn)略構(gòu)想提出，合作、和平、和諧的發(fā)展理念深入人心。因此，青島市按照國家“一帶一路”倡議，提出并實施“一帶一路自貿(mào)驛站”政策。為更好地計量“一帶一路自貿(mào)驛站”政策的實施對港港口城市的影響效果，特對模型中的吞吐量增長量加一個斜坡函數(shù)RAMP（0.27，2014，2023），表示在2014～2023年期間吞吐量增長量逐漸增為原來的2倍。以此來分析該政策實施后對港口吞吐量量增長量的影響。

該政策對提高港口吞吐量的作用明顯，帶動了港口城市的經(jīng)濟發(fā)展，但是這一政策也間接導(dǎo)致了環(huán)境治理費用的提升。隨著經(jīng)濟水平和生活品質(zhì)的提高，人們對居住環(huán)境的要求日益提高，使得港口環(huán)境壓力不斷提升，導(dǎo)致環(huán)境治理費用增多，如圖5所示。

4.2.2 專項建設(shè)資金支持政策

在專項建設(shè)資金政策的支持下，加強港口基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，使港口通過能力符合日益增長的國際貿(mào)易交易量。為探究專項建設(shè)資金支持政策對港口通過能力的影響，假設(shè)該政策可將港口基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)模增大50%。該政策實施后，在未來數(shù)年內(nèi)港口通過能力有明顯提升。但是隨著港口基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)量和規(guī)模逐漸提高，自然資源消耗的呈先減小后增加的趨勢。這一政策會使自然資源的消耗也大幅增加，如圖6所示。

4.2.3 港口智慧化建設(shè)水平

港口智慧化是未來港口的發(fā)展方向，也是港口產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的必經(jīng)之路。通過智慧化推動港口吞吐量增長，對港口資源進行更合理的配置，促進信息流、資金流、物流循環(huán)，提高港口綜合競爭力和效益，進一步提高港城耦合系統(tǒng)可持續(xù)性發(fā)展水平。

當港口智慧化建設(shè)水平提高50%時仿真結(jié)果如下圖所示。在港口通過能力有顯著提高的情況下，對自然資源消耗的小幅增加。相比于專項建設(shè)資金支持政策（通過增加港口基礎(chǔ)設(shè)施以提高港口通過能力），該政策消耗更少的自然資源，是更為合適的港口耦合系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展方法，如圖7所示。

5.結(jié)語

仿真結(jié)果反映了港城耦合系統(tǒng)的動態(tài)性、復(fù)雜性和多重反饋的特征。本文運用系統(tǒng)動力學方法，彌補已有研究忽視港城耦合系統(tǒng)各個子系統(tǒng)之間內(nèi)在聯(lián)系和相互作用的不足，通過構(gòu)建港城耦合系統(tǒng)模型，基于港城良性互動、可持續(xù)發(fā)展的要求就青島市促進港口及城市發(fā)展的相關(guān)政策進行了仿真分析，得出了如下結(jié)論：

（1）加強與其他國家、地區(qū)的交流與合作，可增加腹地GDP總量和港口吞吐量，并促進港口城市的經(jīng)濟發(fā)展。但也會帶來一定環(huán)境污染問題。為此在發(fā)展過程中應(yīng)采取與青島港功能定位（特大型綜合性碼頭）相符的配套環(huán)保政策和措施，例如，盡早出臺專門的港口環(huán)境治理及港口岸線資源開發(fā)利用的行政法規(guī)、生活污水處理措施，集裝箱洗箱廢水、港區(qū)衛(wèi)生清洗廢水、機修廢水等收集與處理措施，污油收集與危害消除措施等[23]。盡量減少環(huán)境污染物排放量，降低經(jīng)濟貢獻帶來的自然資源消耗。

（2）大力發(fā)展港口基礎(chǔ)設(shè)施可快速提高港口通過能力，但從長期來看加重了對自然資源消耗。港口城市在制定發(fā)展計劃時，應(yīng)考慮港口基礎(chǔ)建設(shè)與城市環(huán)境之間的關(guān)系，適度發(fā)展港口基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模?？梢酝ㄟ^青島保稅港區(qū)在土地、財政、稅收等方面的優(yōu)惠政策，吸引第三產(chǎn)業(yè)相關(guān)的企業(yè)進入港口城市。既能帶動港口城市經(jīng)濟發(fā)展，又能減少對自然資源的消耗，從而保證港口城市的“綠色”可持續(xù)發(fā)展。

（3）通過發(fā)展智慧化港口來增強港城可持續(xù)性發(fā)展，既能提高港口通過能力，又能將自然資源消耗降到最低。它是港口與城市協(xié)調(diào)發(fā)展的新紐帶，是港城耦合系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。

本文將港城耦合系統(tǒng)和系統(tǒng)動力學理論相結(jié)合，對港口城市的未來發(fā)展進行定量分析預(yù)測，彌補了現(xiàn)有港城耦合系統(tǒng)研究領(lǐng)域的空白，為港城耦合系統(tǒng)理論的進一步研究提供了理論方向。但本文的模型是在社會正常發(fā)展情況下的運作，并未考慮國際貿(mào)易環(huán)境形勢、自然環(huán)境變化等因素對港城耦合系統(tǒng)發(fā)展的影響，將不確定性因素引入港城耦合系統(tǒng)是未來的研究方向。