基于系统动力学的航道工程与区域经济互动关系研究
曹莹 龚国祥 陈旭 刘涛
【摘 要】 为研究航道工程与区域经济的互动关系，在分析二者因果反馈关系的基础上，建立社会经济、城镇化、综合交通运输及绿色环境等4个子系统，构建航道工程与区域经济的互动模型;通过对荆汉新水道工程分析，航道工程建设使得航运服务业获得持续发展动力，缓冲区域人口的就业压力，加快城市化进程;但区域经济的发展在较大程度上依赖于港口功能的扩展，项目建成后，区域社会经济呈现迅速增加状态，环境污染治理总成本增速逐年放缓。
【关键词】 航道工程;区域经济;荆汉新水道工程;系统动力学
0 引 言
我国内河水运资源丰富，特别是长江流域城市化水平较高，沿江产业基础雄厚，具有巨大的开发潜力。分析航道工程的实施对区域经济社会发展的影响，特别是航道工程建成后对区域产业布局、城镇化建设、综合交通、生态环境等方面的影响，提升水运对区域经济的支撑作用和促进“双循环”发展等具有重要意义。
近年来，水运与经济互动问题已引起学者广泛关注。熊煜等[1]运用优劣解距离法模型评价了长江经济带综合交通与区域经济发展适应程度;匡海波[2]研究了港口与城市经济指标的关联度，探寻港口对城市发展的拉动作用;胡仲达等[3]利用在险价值模型，分析了水运量、经济及运输结构间的定量关系;杨东利等[4]运用系统动力学模型，分析长江南京深水航道建设后经济发展趋势。
国内外开展的相关研究多集中于生产性港口、水运量与区域经济两两之间的定性分析，而对航道工程与经济发展两者统一在一个系统中的定量分析研究不多。此外，现有研究多偏向于对已有项目实际产生的经济社会效益进行分析，属于后评价;而对于拟建项目经济社会效益进行定量分析的研究较少，且暂无成熟的方法体系。因此，以荆汉新水道工程为例，通过建立以深水航道为轴，以重庆、湖北、湖南为经济发展中心的点轴系统，研究航道建设与区域经济发展的互动机理，将为研究内河航运工程对经济发展的影响提供重要依据。
1 系统构成与分析
航道是水运经济发展的重要依托，航道发展与水运经济相互依存、相互促进。从运输成本角度看，水运的规模经济决定了水运成本远低于其他运输方式。通过航道基础设施的投入，吸引大量劳动力，提高物流贸易和服务业的集聚效益，带动区域经济发展。不同的航道等级决定不同的水运规模，经济蓬勃发展与交流便捷的区域，能为区域水运发展提供天然富余的货源，促进水运经济增长。航道网络的建设完善，有利于提高区域通达性，引起区域产品成本下降、产品市场扩大、区域经济比较优势增强。同时，水上运输的快速增长，反过来又可促进水路周边地区的经济发展。这种互补关系，成为区域经济发展的充分条件、航运基础设施工程建设的必要条件。航道工程与区域经济发展的互动机理见图1。
2 航道工程与区域经济互动模型构建
2.1 互动模型构建
航道工程与区域经济互动系统内部联系复杂、紧密，存在正负两种反馈环。航道工程与区域经济互动系统因果关系见图2。
航道工程的新建势必会增加航道的通过能力，且随着船舶大型化，单位货物的物流运输成本下降，带来水运需求、港口吞吐量的增长，部分经由铁路、公路运输的货物转由水路运输。水路运输具有占地少、能耗低的特点，对绿色交通的发展具有重要意义，且推动绿色GDP的增长，引导沿江产业布局优化与完善，推动区域城镇化发展，增加就业机会，促进固定资产的投资建设，增加港航投资额，推动水运需求进一步增长，形成正反馈循环。
2.2 系统流图及变量方程建立
根据航道工程与区域经济互动因果关系反馈回路，从社会经济、城镇化、综合交通和绿色环境等4个方面，建立各子系统变量因果关系和系统流图，量化各子系统间的反馈与控制。
（1）区域社会经济子系统。航道工程建设对区域社会经济主要贡献体现在促进GDP增长、带动就业和优化产业布局等方面，其中：经济增量反映在一定时间内区域的全部生产成果，数值的大小能够直接反映对区域经济的贡献程度;就业机会对提高人民生活水平、改善民生、维护社会安定至关重要，其伴生于经济、产业发展过程中;产业结构可较为直观反映经济社会的发达程度，随着社会主义现代化发展进程凸显出第三产业占比较大的阶段性特征。研究显示，1美元的基础设施投资可以通过提高生产率拉动20美分的GDP增长。区域社会经济子系统流图见图3。
（2）城镇化子系统。航道工程的建设和运营对区域生产力发展起着重要作用，在一定程度上刺激着我国社会向工业和服务业等非农产业为主的现代型社会转变。衡量这一转变最为直观的指标即城镇人口数量和乡村人口数量，研究主要选用城镇人口数量、乡村人口数量、人口容载力等数据来衡量城镇化指标。城镇化子系统流图见图4。
（3）综合交通运输子系统。航道工程的建设对总额和交通运输影响主要体现在航道条件改善后的航运效益、港口效益、物流业效益等。具体体现在航道深水化后，运输船型将会增大，船舶的单次载质量变大，货物的单位运输成本将会相应下降。在完成同样运量的条件下，更大型的船舶将承运更多的货物，大大节省运输费用。在与其他运输方式的竞争中，水运优势更为突出，原本由铁路或公路运输的部分货物将改由水路运输，使得整个沿江物流行业的运输成本下降。综合交通运输子系统流图见图5。
（4）绿色环境子系统。从航运业对城市经济贡献的大量研究文献来看，现行的港航经济贡献核算体系只重视经济产值及其增长速度，忽视了资源消耗和环境污染。为全面体现航道工程建设对区域发展产生的作用，在计算航道工程对区域经济贡献的同时，将航道工程对区域的资源消耗和环境污染形成的总损失成本纳入核算体系，即从航道工程对区域GDP的拉动量中扣除总损失成本，然后得出航道工程的绿色经济贡献。绿色发展子系统流图见图6。
综合4个子系统流图，构建航道工程与区域经济互动关系模型总流图（见图7），模型包括4个状态变量和4个速率变量，共71个指标，其中GDP总量、区域人口总量、社会就业人口和货运需求量为存量，GDP增长、區域人口增长、就业人口增长、货运量增加为流入量（即存量变化量）。当存量变化量为正时，存量增加。
3 实例分析
荆汉新水道初步拟定航道尺度为8？0？ 000（水深椎卓韤淄淝刖叮琺），线路以枝城、荆州、簰洲湾为控制节点，分上下两段，在荆州观音寺附近跨越长江，线路全长约230 km，较长江干线缩短里程约260 km。上段枝城至荆州位于长江以南，长约65 km，其中31 km利用松滋河及采穴河现有河道，枯期运行最大航运需水流量约60 m3/s;下段荆州至簰洲湾位于长江以北，长约165 km，其中95 km利用现有东荆河河道，枯期运行最大航运需水流量约120 m3/s。新水道建成后将形成与现有长江干线航道并存的双水道运行态势，并与江汉平原、洞庭湖水系河流连接成网。
工程主要影响范围包括长江干线及与其相连的江汉平原、洞庭湖水网区域，直接影响区域主要为川江航道、江汉平原、环洞庭湖区域，包括嘉陵江、汉江、湘江、沅水、澧水等主要支流中下游地区;间接影响区域主要是长江干线宜昌以上和武汉以下地区。因此文章选取重庆、湖北和湖南三省为研究对象。
3.1 模型参数设计
荆汉新水道与区域经济系统动力学模型的结构确定了系统信息反馈的重要性，仿真模型的结构尽可能综合考虑荆汉新水道建设对经济社会发展系统各方面的影响，力求在尽可能长的时间跨度进行更贴合实际的仿真模拟;因此，仿真模型以2011年为基础年，进行动态仿真。考虑到荆汉新水道项目的建设周期，预测水平年选取2035年、2050年，时间间隔DT=1年。模型参数采用回归分析、取平均值、表函数、收入法等方法确定，数据来源为湖北、湖南和重庆三省市统计年鉴和实际调研数据等。模型中的固定资产投资系数，吞吐量需求决定系数及第一、二、三产业与就业的关联系数等主要由线性回归得到;GDP增长率及客、货运生成系数等随时间而变动;各产业发展的相关参数参考行业实际运营情况取值。具体参数取值见表1。
3.2 模型有效性检验
选用湖北省2011―2019年的经济数据完成模型结构和量纲一致性检验，验证模型的精确性，计算结果见表2。每一组预测的结果与真实值进行比较，将偏差率设在10%以内。经检验发现，此时的p值均小于0.05。利用此模型预测的数据，至少有95%的概率确保与真实数据的误差在10%以内，表明该系统能够较好地反映系统各要素的互动关系，精确性较高。
3.3 测算结果
3.3.1 湖北省测算结果
根据Vensim软件仿真结果，2035年、2050年荆汉新水道带动形成的经济增加值至少分别将达到亿元、亿元，分别占到湖北省预期GDP总量的5.29%和4.90%。可见，荆汉新水道对区域经济社会发展的拉动是比较可观的，远远超过荆汉新水道初步估算总投资的675亿元。湖北省荆汉新水道港城互动各项指标预测值見表3。
3.3.2 湖南省测算结果
荆汉新水道建设以松西――澧资航线为骨干，沟通了长江、洞庭湖的区域高等级航道，将形成江湖便捷联系的第二通道，完善湘西北地区以水运为支撑的大能力物流运输通道，推动湖南省域范围内物流资源的合理分配，从城陵矶和松滋口两个入江口优化运输航线，实现湖南省域物流格局再造，并由此带来区域产业布局调整，促进产业基础高级化和产业链现代化。总体而言，航道工程建设对湖南省的影响有利有弊，有利的一面主要是将更好促进湘西北地区水运发展，改善经济发展基础条件;不利的一面主要是水运对岳阳港的分流方面。以湖南省GDP为衡量指标，通过模型测算，对湖南的影响幅度为 1.1%～0.91%。根据湖南近年来GDP情况，预测得到湖南省2035年、2050年的GDP及荆汉新水道 1.1%～0.91%影响幅度下的GDP变化区间，见表4。
3.3.3 重庆市测算结果
重庆市总的地势是中部和西部低，东部高。荆汉新水道对重庆市的影响范围包括由南北向长江河谷地段，西北部和中部长江河流经过的丘陵、低山地段。新水道工程促进了长江干线航道区段标准的统一，更好地发挥长江水运比较优势，使上游与中下游的经济联系更加紧密，促进区域协调发展;同时，可防止重庆市因其地势原因造成的洪涝灾害，起到供水灌溉与水生态环境保护的功能。通过模型测算，新水道对重庆市的影响幅度为2.3%～3.1%，具有比较明显的正向带动作用，这也符合工程建设的社会普遍认知，也进一步证明了模型的有效性。根据重庆市近年来GDP情况，预测得到重庆市2035年、2050年的GDP及荆汉新水道0.99%～1.3%的影响幅度下的GDP变化区间，见表5。
3.4 综合影响分析
从区域经济发展、新型城镇化建设、综合交通运输体系建设、绿色生态发展等方面，分析了荆汉新水道对区域经济的影响。
（1）区域经济发展。荆汉新水道建设将直接降低沿线货物运输成本，提升大宗原材料及产品市场竞争力，有利于改善区域投资环境、促进资源开发、优化产业布局、壮大产业规模，促进区域经济效率提高，带来区域产业聚集的“点轴效应”和区域经济发展的“乘数效应”，形成水运与区域经济发展相生相依的关系，对长江经济带发展也将产生一定的带动作用。根据测算，2035年、2050年荆汉新水道带动形成的经济增加值至少将达到亿元、亿元，远远超过工程建设初步估算总投资的675亿元。
（2）新型城镇化建设。以荆汉新水道为主体的航道建设，通过提高区域城镇间人流、物流、信息流的相互作用和运转速度，整合资源链、产业链、物流链，实行中心带动、多极协同、一体发展，以城市综合承载能力促进港产城融合发展、中游城市群发展、区域小城镇发展和城乡协调发展，加速区域新型城镇化进程，有利于构建具有世界影响的特大城市群。根据测算，2035年、2050年新水道区域城市的人口容载力可达到372.09万人/万km2、410.46万人/万km2。
（3）综合交通运输体系完善。荆汉新水道工程实施船舶大型化效益明显，可进一步发挥水运在国家战略实施中的主通道作用，强化水运在综合立体交通走廊建设中的主骨架作用，优化区域综合交通运输网络，更好体现内河水运相对铁路、公路等运输方式的比较优势，引导交通运输行业转型升级。
（4）绿色环境建设。荆汉新水道将重塑影响区域江河湖库的水网格局，可以有效稳定河势，推进中下游湖泊、湿地等生态系统多样性恢复，推动区域综合性防洪防汛体系建设，有利于加快推进水污染治理、水生态修复和水资源保护“三水共治”，形成河畅、水清、岸绿、景美的生态图景。根据测算，2035年、2050年区域绿色GDP将达到亿元、亿元;环境污染成本为208.68亿元、254.38亿元，增速明显放缓。
4 结 语
（1）构建航道工程与区域经济互动关系的系统动力学模型，在分析二者因果反馈关系的基础上，构建航道工程与区域经济的互动模型，可为经济开发、流域开发提供理论基础。
（2）航道工程对区域经济影响的系统动力学模型主要由社会经济、城镇化、综合交通运输及绿色环境等4个子系统构成。
（3）以荆汉新水道工程为例，进行了动态仿真模拟，模型计算误差在？0%检验以内的概率达到95%以上，具有较高的精确性，能够较好反映系统各要素的互动关系。
（4）根据实例分析，航道工程功能所带来的辐射效应，使得与相关的航运服务业获得持续发展动力，缓冲了区域人口的就业压力，加快了区域城市化进程。但航道工程经济的发展在较大程度上依赖港口功能的扩展，对区域经济效益带来推动的同时，还会产生副作用;项目建成后，区域绿色GDP总值呈现迅速增加状态，但环境污染成本增速放缓。
参考文献：
[1] 熊煜，陈沿伊，曹莹，等.长江经济带综合立体交通系统与经济社会适应性评价[J].水运管理，2019（6）：14-18.
[2] 匡海波.基于关联度模型的港口经济与城市经济关系研究[J].中国软科学，2007（8）：110-115.
[3] 胡仲达，张培林，卢文昌，等.长江中游水路货运量与GDP及运输结构动态关系分析[J].物流技术，2019（8）：64-67，78.
[4] 杨东利，林志奇.长江深水航道经济效用预测的系统动力学模型构建与优化[J].水运工程，2017（5）：528：1-6.
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