基于空間交互模型和GIS 技術(shù)的幾內(nèi)亞灣港口群腹地空間結(jié)構(gòu)研究

黃光宇，王廣生，封學(xué)軍*，魚童，蔣柳鵬

（1.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué)港航物流與綠色發(fā)展研究所，江蘇 南京 210098；3.中國港灣工程有限責(zé)任公司，北京 100027）

0 引言

港口腹地是指港口銷售其服務(wù)并與之互動的內(nèi)陸地區(qū)[1-2]。它是港口工程建設(shè)的重要前置條件，也是港口興衰的重要基礎(chǔ)[2-4]。隨著港口系統(tǒng)演化進(jìn)入?yún)^(qū)域化發(fā)展階段，港口腹地的空間形態(tài)趨于不連續(xù)，腹地空間結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜[5-6]。對港口群而言，由激烈競爭引起的腹地交叉是其普遍存在的特征[7-8]。

幾內(nèi)亞灣港口群位于非洲西海岸，它是非洲中西部國家海運(yùn)進(jìn)出口貿(mào)易的重要門戶，也是中資企業(yè)港口投資和運(yùn)營關(guān)注的熱點(diǎn)。由于港口功能的同質(zhì)化和集疏運(yùn)設(shè)施的低效率，各港口之間的腹地競爭關(guān)系相對復(fù)雜，港口群對區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的推動作用和世界其他主要港口群相比并不顯著[9-10]。在此背景下，清晰港口群腹地競爭的空間結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀將為相關(guān)決策者優(yōu)化腹地發(fā)展戰(zhàn)略提供重要參考。

由于腹地對港口經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要作用，港口-腹地的空間關(guān)系一直是學(xué)界研究的熱點(diǎn)問題。其中以重力模型和Huff 模型為代表的空間交互模型一直是研究港口-腹地關(guān)系的經(jīng)典理論，并被國內(nèi)外學(xué)者廣泛證明了其理論和實(shí)用價(jià)值[11-12]。楊家其[13]基于重力模型提出港口腹地劃分的引力-模糊綜合評判法。董曉菲等[14]基于Huff 模型研究了東北沿海港口群腹地空間格局及驅(qū)動機(jī)理。李振福等[3]將環(huán)境科學(xué)研究中的高斯煙團(tuán)擴(kuò)散理論類比到港口腹地研究中，提出港口腹地劃分的煙羽模型。

近年來，地理信息系統(tǒng)（GIS）的發(fā)展為腹地的精細(xì)模擬和可視化創(chuàng)造了技術(shù)條件，學(xué)界開始關(guān)注交叉腹地的劃分問題。王杰等[15]開發(fā)了基于柵格分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)的Huff 模型，并基于概率腹地研究了中國東北大連港和營口港的腹地空間競爭格局。Kronbak 等[16]基于公路運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)模擬了歐洲西北部港口腹地的可達(dá)性，并參考Langen 等[17]的劃分方法將腹地劃分為專屬腹地和可競爭腹地?；凇皾B透力”（Penetration Power）概念，他們提出可競爭腹地的空間形態(tài)應(yīng)呈現(xiàn)“漏斗效應(yīng)”（Funnel Effect），即可競爭腹地的空間范圍從沿海地區(qū)向內(nèi)陸擴(kuò)大，如圖1 所示[16]。Wan 等[7]綜合了Huff 模型、投影尋蹤模型和GIS 網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)，將中國國際樞紐港的腹地劃分為專屬腹地、可競爭腹地和潛在腹地。

圖1 港口腹地空間結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of spatial structure of port hinterland

然而，目前針對港口腹地層次性、競爭性和交叉性的研究依然相對較少，港口群在復(fù)雜競爭環(huán)境下的腹地結(jié)構(gòu)仍不清晰[18]。此外，大多數(shù)研究主要聚焦集疏運(yùn)系統(tǒng)相對完善的歐洲或東北亞地區(qū)港口群，對于基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展?jié)摿^大的非洲地區(qū)則缺乏實(shí)證分析。在此背景下，本文將基于Huff 模型和滲透力理論構(gòu)建港口-腹地空間交互模型，并在GIS 柵格分析技術(shù)的支持下精細(xì)模擬港口群在復(fù)雜競爭環(huán)境下的腹地層次結(jié)構(gòu)，劃分各門戶港口的專屬腹地、可競爭腹地和潛在腹地范圍。相關(guān)研究將拓展空間交互模型的應(yīng)用范圍，并為港口投資和運(yùn)營者的腹地發(fā)展決策提供理論支撐。

1 研究方法

1.1 基于Huff 模型和滲透力理論的港口-腹地空間交互模型

首先基于Huff 模型計(jì)算任意港口在任意位置的腹地競爭力，并將其作為腹地劃分的主要依據(jù)。該模型于1963 年由Huff 首先提出并應(yīng)用于商業(yè)中心的市場劃分研究，后來被擴(kuò)展到港口-腹地關(guān)系的研究領(lǐng)域[12，19-20]。該模型的本質(zhì)是基于理性托運(yùn)人視角的離散選擇模型，具體包括3 個基本假設(shè)：1）港口在腹地的競爭力取決于腹地托運(yùn)人選擇該港口的概率；2）托運(yùn)人選擇港口的意愿與貨物運(yùn)輸?shù)男в贸烧龋?）托運(yùn)人基于效用最大原則選擇與特定港口之間的貨物運(yùn)輸?shù)穆窂健?/p>

基于上述假設(shè)，該模型可以具體表述為：

式中：i（I）、j（J）分別為托運(yùn)人和港口的位置（集合）；Aj為港口j 的吸引力；Dij為位置i 和港口j之間的空間分離；β 為距離衰減系數(shù)；Uij、Pij分別為位置i 的托運(yùn)人選擇港口j 進(jìn)行貨物運(yùn)輸?shù)男в煤透怕省?/p>

由式（1）可知，港口與腹地之間的運(yùn)輸效用由二者之間的空間分離和港口吸引力決定。其中，空間分離指標(biāo)Dij由港口-腹地的可達(dá)性反映，在早期文獻(xiàn)中通常采用歐氏距離（即兩點(diǎn)之間的直線距離）的表達(dá)方式[12]。為更真實(shí)地反映當(dāng)?shù)亟煌ɑA(chǔ)設(shè)施發(fā)展水平對腹地空間結(jié)構(gòu)的影響，本研究參考了文獻(xiàn)[21]的方法基于最小累積運(yùn)輸時(shí)間計(jì)算了港口-腹地的廣義距離。吸引力指標(biāo)Aj反映由港口自身規(guī)模水平引起的腹地貨源吸引力，通常用吞吐量表示[21]。

根據(jù)式（2），托運(yùn)人的港口選擇概率Pij由目標(biāo)港口和其他備選港口的效用共同決定。該指標(biāo)的空間分布反映了港口腹地競爭力的空間格局，但難以直觀表現(xiàn)港口群的腹地競爭格局。因此，本研究借鑒Kronbak 等[16]學(xué)者提出的“滲透力”概念劃分了港口群腹地競爭的層次結(jié)構(gòu)。該過程可具體表達(dá)為：

基于式（4）和式（5）的計(jì)算結(jié)果，港口的腹地空間結(jié)構(gòu)可劃分如下：

式中：CAPj、CONj、POTj為群內(nèi)港口的專屬腹地、可競爭腹地和潛在腹地集合。

1.2 基于GIS 柵格分析技術(shù)的模型實(shí)現(xiàn)

為提高空間分析的精度，本研究基于GIS 柵格分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)了空間交互模型。由于對低質(zhì)量交通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模的便利性，該技術(shù)被證明比網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)更適用于分析欠發(fā)達(dá)地區(qū)的交通可達(dá)性[22]。模型實(shí)現(xiàn)過程主要基于以下3 個步驟：

第一步：數(shù)據(jù)預(yù)處理

首先基于地理信息數(shù)據(jù)庫搜集矢量格式的交通網(wǎng)絡(luò)地理空間數(shù)據(jù)，具體包括分等級的交通網(wǎng)絡(luò)（多段線）、港口（點(diǎn)）和行政區(qū)劃（多邊形）。然后將矢量數(shù)據(jù)在潛在腹地范圍內(nèi)柵格化，并根據(jù)柵格內(nèi)的通行條件對柵格重新賦值，具體規(guī)則如式（9）所示：

式中：tk為貨物在柵格k 內(nèi)沿柵格邊長運(yùn)輸?shù)臅r(shí)間；d 為柵格像元大?。ㄟ呴L）；vk為貨物在柵格k內(nèi)的運(yùn)輸速度，由柵格內(nèi)包含的交通基礎(chǔ)設(shè)施等級決定。

第二步：港口-腹地可達(dá)性計(jì)算

根據(jù)1.1 節(jié)有關(guān)內(nèi)容，空間分離指標(biāo)Dij通過最小累積運(yùn)輸時(shí)間表達(dá)。在柵格模型框架下，本文將基于相鄰柵格運(yùn)輸時(shí)間的計(jì)算規(guī)則計(jì)算柵格累積運(yùn)輸時(shí)間，其具體規(guī)則如下：

式中：t(k,k+1)為柵格k 與其相鄰柵格k+1 之間的運(yùn)輸時(shí)間，其計(jì)算規(guī)則考慮了相鄰柵格的2 種鄰接類型（如圖2 所示）；s 為柵格路徑；Ks為路徑s 包括的柵格集合；Sij為位置i 和港口j 之間的所有柵格路徑集合。

圖2 相鄰柵格運(yùn)輸時(shí)間計(jì)算規(guī)則Fig.2 Calculation rules for transportation time of adjacent raster

第三步：空間交互模型計(jì)算

將式（9）—式（12）的計(jì)算結(jié)果和港口吞吐量數(shù)據(jù)代入式（1）和式（2），即可通過空間交互模型模擬任意港口在任意柵格的腹地競爭力。再根據(jù)式（3）—式（8）即可模擬港口群及群內(nèi)港口的腹地空間結(jié)構(gòu)。

2 實(shí)證分析

2.1 研究范圍

本文研究的空間范圍聚焦幾內(nèi)亞灣地區(qū)的主要港口及其腹地國家。其中港口研究范圍包括阿比讓港、特馬港、洛美港、科托努港、拉各斯港和克里比港等6 個門戶港口，腹地研究范圍包括馬里等15 個沿海國和陸鎖國（如圖3 所示）。

圖3 研究范圍示意圖Fig.3 Scope of research

2.2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

研究所需的地理空間數(shù)據(jù)包括分等級交通網(wǎng)絡(luò)和港口，數(shù)據(jù)來源為開源數(shù)據(jù)網(wǎng)站Natural Earth（http：//www.naturalearthdata.com，10 m 分辨率，4.1.0 版本）。因當(dāng)?shù)罔F路和內(nèi)河航運(yùn)份額極小，案例分析時(shí)僅考慮公路運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)。其中，公路的原始數(shù)據(jù)分為3 類：Major Highway，Road 和Unknown。結(jié)合當(dāng)?shù)亟煌ɑA(chǔ)設(shè)施現(xiàn)狀，將Major Highway 和Road 劃分為一級公路，Unknown 劃分為二級道路進(jìn)行研究（如圖4 所示）。

圖4 地理空間數(shù)據(jù)示意圖Fig.4 Geospatial data

參數(shù)設(shè)置方面，柵格像元大小d 設(shè)為10 km，所研究的腹地被劃分為約11 萬個柵格。柵格內(nèi)的運(yùn)輸速度根據(jù)柵格內(nèi)包含的交通基礎(chǔ)設(shè)施等級進(jìn)行取值。根據(jù)實(shí)地調(diào)研，具體取值分別為一級公路50 km/h，二級公路30 km/h，其他5 km/h。距離衰減系數(shù)β 參考文獻(xiàn)[15]取值為2。滲透力f 綜合文獻(xiàn)[16]和文獻(xiàn)[23]取值為0.2。港口吞吐量數(shù)據(jù)參考文獻(xiàn)[6]進(jìn)行取值。

2.3 腹地模擬結(jié)果

根據(jù)第1 節(jié)的研究方法，在ArcGIS 平臺的支持下模擬了港口群及群內(nèi)港口的腹地空間結(jié)構(gòu)（如圖5，表1 和圖6 所示）。其中，基于Dijkstra 算法的成本距離工具用于最短路徑的搜索。由于涉及復(fù)雜工作流的處理，在Python 語言的支持下基于第三方包Arcpy 實(shí)現(xiàn)了柵格分析模擬和空間交互模型的具體計(jì)算。

圖5 幾內(nèi)亞灣港口群腹地競爭的空間結(jié)構(gòu)Fig.5 Spatial structure of hinterland competition among port groups in the Gulf of Guinea

表1 港口-腹地隸屬關(guān)系Table 1 Port-hinterland subordination

圖6 幾內(nèi)亞灣港口群門戶港口的腹地空間結(jié)構(gòu)Fig.6 Spatial structure of gateway ports'hinterland in the Gulf of Guinea

3 分析與討論

圖5 和表1 的模擬結(jié)果表明，幾內(nèi)亞灣港口群存在復(fù)雜的腹地空間競爭現(xiàn)象?？傮w而言，交叉腹地占據(jù)主導(dǎo)地位，腹地競爭強(qiáng)度在空間上顯著不平衡。一方面，非洲西部陸鎖國（馬里、尼日爾和布基納法索）存在激烈的腹地競爭，該結(jié)論與日本國際協(xié)力機(jī)構(gòu)（JICA）的實(shí)地調(diào)研結(jié)果一致[9]。此外，該地區(qū)腹地競爭的強(qiáng)度從沿海到內(nèi)陸不斷增加，并呈現(xiàn)顯著的層次結(jié)構(gòu)。競爭強(qiáng)度最高的位置是馬里東部和尼日爾北部（圖5 中的區(qū)域16—18），該地的貨源由5 個以上的港口參與競爭。另一方面，中部非洲的腹地競爭并不明顯。由于缺乏鄰近的門戶港口與之競爭，克里比港捕獲了相對廣闊的專屬腹地范圍。模擬結(jié)果表明，門戶港口的無序擴(kuò)張是造成幾內(nèi)亞灣港口群腹地混亂的重要原因。對港口群的投資和運(yùn)營者而言，明確港口定位并構(gòu)建多層次的腹地集疏運(yùn)系統(tǒng)不僅有助于避免群內(nèi)港口的惡性競爭，也更能充分發(fā)揮港口群對于腹地經(jīng)濟(jì)的推動作用。

圖6 的模擬結(jié)果表明，港口專屬腹地和可競爭腹地的空間形態(tài)存在顯著差異。一方面，專屬腹地的范圍由沿海向內(nèi)陸收縮，體現(xiàn)出距離衰減對港口腹地范圍的約束作用；另一方面，可競爭腹地的空間形態(tài)與文獻(xiàn)[16]的研究成果一致，呈現(xiàn)顯著的“漏斗效應(yīng)”。這一結(jié)果表明，沿海地區(qū)的腹地歸屬相對固定，而遙遠(yuǎn)的內(nèi)陸地區(qū)存在較高的不確定性，港口的腹地?cái)U(kuò)張應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注距離較遠(yuǎn)的內(nèi)陸地區(qū)。在此背景下，積極開發(fā)高效的多式聯(lián)運(yùn)走廊（如鐵路和內(nèi)河航道）和內(nèi)陸轉(zhuǎn)運(yùn)樞紐（如陸港和內(nèi)河港）將有助于港口在多港口競爭區(qū)域獲得腹地競爭優(yōu)勢[6]。

4 結(jié)語

為清晰幾內(nèi)亞灣港口群在復(fù)雜競爭環(huán)境下的腹地空間結(jié)構(gòu)，開發(fā)了基于Huff 模型和滲透力理論的空間交互模型，并通過GIS 柵格分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)了港口群多層次的腹地劃分。研究的主要結(jié)論如下：

1）對港口群而言，幾內(nèi)亞灣港口群在非洲西部地區(qū)存在激烈的腹地競爭，其強(qiáng)度從沿海向內(nèi)陸遞增。群內(nèi)港口對馬里、布基納法索和尼日爾等3 個西非陸鎖國的北部地區(qū)競爭最為激烈；

2）對港口而言，幾內(nèi)亞灣各門戶港口的專屬腹地范圍由沿海向內(nèi)陸收縮，可競爭腹地范圍由沿海向內(nèi)陸擴(kuò)張。遙遠(yuǎn)的內(nèi)陸地區(qū)具有較大的腹地?cái)U(kuò)張潛力；

3）門戶港口的無序擴(kuò)張是造成幾內(nèi)亞灣港口群腹地混亂的重要原因，相關(guān)決策者應(yīng)更加關(guān)注港口的分層規(guī)劃和協(xié)同發(fā)展，并通過開發(fā)多式聯(lián)運(yùn)通道等方式來提升港口對遙遠(yuǎn)內(nèi)陸的腹地捕獲能力。