許長新，范東君，陸永泉

(河海大學商學院,江蘇 南京 211100)

輸水工程與港航經濟系統(tǒng)的耦合[1],是指輸水工程與其所處的港航經濟系統(tǒng)間各自耦合元素之間相互作用彼此影響,并對區(qū)域經濟結構或者規(guī)模產生根本的擴散效應的現(xiàn)象。由于系統(tǒng)動力學可以解決復雜系統(tǒng)的多重反饋、非線性等問題,而且適宜解決具有長期性和周期性的問題,因此,筆者采用系統(tǒng)動力學方法和理論解決輸水工程與港航經濟耦合系統(tǒng)形成機制問題。

1 輸水工程與港航經濟系統(tǒng)耦合的分析

1.1 耦合系統(tǒng)的邊界確定

系統(tǒng)的邊界并不是地理的邊界,而是從建模的目的出發(fā),把重要關系的變量包括進系統(tǒng)。這時的系統(tǒng)仍然是開放的系統(tǒng),與外界的部分仍有信息和物質的輸入及輸出[2]。輸水工程與港航經濟耦合系統(tǒng)僅是復雜的社會經濟系統(tǒng)中的一個子系統(tǒng),除了系統(tǒng)內部的關聯(lián),還與其他外部系統(tǒng)發(fā)生聯(lián)系,因此系統(tǒng)的邊界很模糊,不易確定。

為了研究的方便,確定模型的研究對象為江蘇省連云港市。模型的模擬的時間為2003年至2012年,基準年為2003年,模擬時間間隔為1 a。

1.2 耦合系統(tǒng)的主因素確定

主因素在影響耦合系統(tǒng)及其子系統(tǒng)演化時起著關鍵性的作用,它決定了輸水工程及港航經濟系統(tǒng)演化過程及演化方向。序參量對系統(tǒng)演化起著支配的作用,因此在耦合系統(tǒng)動力學模型中,主因素應當包含序參量[3]。通過分析和歸納,輸水工程系統(tǒng)、港航經濟系統(tǒng)的序參量主要體現(xiàn)在以下方面。

輸水工程系統(tǒng),主要包括水運需求、產業(yè)生產總量、人均消費水平、總人口量、勞動力、其他運輸方式供給、其他運輸投資和輸水工程投資。

港航經濟系統(tǒng),主要包括港航運輸需求、港航供給、貨物積壓情況、區(qū)域經濟總量、人均GDP、技術進步和資源承載力。

1.3 子系統(tǒng)主因素的分析

1.3.1 輸水工程系統(tǒng)

從輸水工程的角度來看,水運需求、輸水工程投資等主要因素和區(qū)域經濟總量、其他運輸方式的投資和供給的關聯(lián)性較高,由此導致生產總量、人均GDP的增加。輸水工程主要與城市區(qū)域經濟水平、人口量有關。如果經濟水平提高(本文以GDP的增加顯示),則會產生很大的輸水工程需求,通過需求影響系數(shù)來表現(xiàn)(圖1)。具體分析如下:

① 區(qū)域經濟總量增加→(+凈遷移率提高)→(+總人口量增加)→(+勞動力增加)→(+其他運輸方式供給增加)。

② 區(qū)域經濟總量增加→(+產業(yè)生產總量增加)→(+水運需求提高)。

③ 區(qū)域經濟總量增加→(+其他運輸投資提高)→(+其他運輸方式供給增加)。

④ 區(qū)域經濟總量增加→(+人均GDP增加)→(+人均消費水平提高)→(+水運需求增加)。

圖1 輸水工程系統(tǒng)主因素

圖2 港航經濟系統(tǒng)主因素

1.3.2 港航經濟系統(tǒng)

港航經濟系統(tǒng)作為一個與社會經濟發(fā)展關聯(lián)度很大的系統(tǒng),效率主要體現(xiàn)為社會效益。因此,為了使經濟能夠全面發(fā)展,政府必須保證港航經濟的投入,才能增加港航供給。另外,還要考慮貨物積壓、投資短缺等會對港航經濟系統(tǒng)產生阻礙作用的因素,保證港航經濟系統(tǒng)合理有序的發(fā)展(圖2)。具體分析如下:

a.經濟水平提高→+運輸需求增加→+港航運輸需求增加→+港航運輸能力短缺增加→+貨物積壓→-經濟水平下降。

b.經濟水平提高→+輸水工程投資增加→+港航投資增加→+港航能力增強→一港航運輸短缺減少→+貨物積壓減少→-經濟水平提高。

c.港航供給增加→+港航運輸需求增加→+港航經濟收益增加→+港航供給增加。

d.港航運輸需求增加→+港航運輸短缺增加→+港航運輸需求增加。

e.港航收益增加→+港航投資增加→+港航運輸能力提高→+資源占用量增加→-資源承載力降低→+港航供給降低→+港航收益降低。

1.4 輸水工程與港航經濟系統(tǒng)耦合的系統(tǒng)因果關系

系統(tǒng)的構造產生了系統(tǒng)的行為是系統(tǒng)動力學的基本觀點,而因果關系環(huán)是系統(tǒng)構造的基礎[4]。因而系統(tǒng)動力學建模的關鍵是因果關系分析。因果關系能否準確、全面地分析,也是解決所研究的輸水工程與港航經濟系統(tǒng)的發(fā)展面臨問題的基礎[5]。通過分析輸水工程與港航經濟系統(tǒng)發(fā)展[6],可以看出輸水工程與港航經濟系統(tǒng)涉及到技術、經濟、資源、人才等方面的要素。根據輸水工程與港航經濟耦合系統(tǒng)的SD總體框架,給出整個系統(tǒng)的因果反饋圖,再對各個反饋環(huán)分別進行分析(圖3)。

圖3 基本因果關系

2 輸水工程與港航經濟系統(tǒng)耦合關系的系統(tǒng)動力模型

2.1 SD模型的運行程序

確定輸水工程與港航經濟系統(tǒng)耦合系統(tǒng)SD模型的參數(shù)。然后根據模型的運行目的,將系統(tǒng)動力學模型分為3個階段進行[7]。

a.運用模型運行2003—2012年的數(shù)據資料,檢驗SD模型的有效性和真實性。

b.通過對系統(tǒng)模型運行過程中耦合程度的分析和評價,確定制約和影響系統(tǒng)耦合發(fā)展的因素。

c.確定了影響輸水工程與港航經濟系統(tǒng)耦合發(fā)展的主要因素后,設計不同模式以改善耦合度。通過模擬運行不同的模式,預測2013—2020年耦合系統(tǒng)發(fā)展的情況。

變量的初始值以2003年為準,模擬步長為1年。

2.2 SD模型的運行程序中參數(shù)取值情況

系統(tǒng)動力學模型建立在大量數(shù)據的基礎上,模型數(shù)據的準確性、真實性和穩(wěn)定性是分析、解決問題的前提條件,將直接影響分析結果[8]。對數(shù)據的搜集、估計和加工是耦合模型運行的基礎,SD模型中的各種參數(shù)的搜集、估計和加工是建模的基礎[9]。SD模型中的各種數(shù)據,在輸水工程與港航經濟耦合系統(tǒng)中包括各種變化率、增加比等,有常數(shù)值、初始值等形式。為簡化模型參數(shù),隨時間變化不顯著的數(shù)據取常數(shù)值。采用如下估算方法[10]。

a.采用歷史統(tǒng)計資料的平均數(shù)[11]。如人口的出生率和死亡率、水運需求增長率、水運投資比轉換系數(shù)、非水運運輸方式投資比轉換系數(shù)等采用階段平均的方法得到。初始區(qū)域經濟總量受多種因素影響的指標,用表函數(shù)表示。

b.利用借鑒、類推、咨詢及修正方法[12]。采用類比推算、同性質系統(tǒng)參數(shù)的借鑒及專家咨詢。由于沒有準確的資料,運輸方式投資延遲時間、科技成果應用增長值、港航運輸需求阻礙率等數(shù)據,通過對全國同類型城市的資料,根據連云港市的特點進行適當?shù)男拚?/p>

由于我國尚無有航運功能的輸水系統(tǒng)統(tǒng)計數(shù)據,筆者只能根據連云港市的區(qū)域歷史值,用時間序列法、回歸分析法等方法來預測[13],并采用預測值的均值作為推薦值。

采用上述方法測算出輸水工程與港航經濟耦合系統(tǒng)的參數(shù)見表1。

表1 輸水工程與港航經濟耦合系統(tǒng)參數(shù)

上述一些指標說明如下:

①差異延遲:運輸方式的差異對經濟發(fā)展而造成的延遲

②港航供給=港航供給增長率-港航供給消耗率

③運輸方式投資量=區(qū)域經濟總產值×投資比率表

④運輸需求量=運輸需求增長率-運輸需求阻礙率

⑤需求系數(shù):GDP相對于運輸需求量的比例關系

⑥運輸投資效果=投資額×投資效果系數(shù)

⑦運輸能力消耗率=運輸供給×消耗系數(shù)

⑧運輸需求增長率=區(qū)域經濟總量×需求系數(shù)表(運輸供給能力,運輸需求量)

⑨運輸需求阻礙率=運輸需求增長率×運輸成本影響因子表(運輸成本)

⑩總運輸需求量=GDP×需求系數(shù)表

在實際社會經濟的運行中,表函數(shù)的確定存在許多延遲和滯后,因而引入延遲函數(shù)和平滑函數(shù)[14]。如投資和產出之間就存在時滯,所以引入DELAY函數(shù)。

2.3 耦合系統(tǒng)的SD模型的模擬及結果檢驗

應用模型之前,需要檢驗所建模型是否能夠客觀反映實際系統(tǒng)的狀況,對模型的有效性、真實性和可信度進行評估[15]。為保證檢驗的公正性和全面性,在兩個子系統(tǒng)中根據輸水工程與港航經濟系統(tǒng)的主要因素選取如下檢驗指標。

港航經濟系統(tǒng)子系統(tǒng):港航供需情況、經濟發(fā)展水平、技術進步。

輸水工程與港航經濟系統(tǒng)耦合的SD模擬結果見表2。

從表2中可以看出,大多數(shù)指標的誤差比不超過士5%,說明所建的輸水工程與港航經濟耦合系統(tǒng)的SD模型比較正確地反映了我國輸水工程與港航經濟系統(tǒng)的實際結構和功能。模型具有有效性、真實性和可信性[16]。

3 耦合系統(tǒng)的SD模型的輸出結果分析

運用調整系統(tǒng)參數(shù)的方法調整系統(tǒng)結構,對調整后的數(shù)據進行SD模擬分析[17],通過Vensim程序的運行結果,分析影響耦合系統(tǒng)發(fā)展的最主要因素。

表2 輸水工程與港航經濟耦合系統(tǒng)SD的運行結果與實際數(shù)據比較

3.1 運輸投資額對耦合系統(tǒng)的影響

運輸投資額對耦合系統(tǒng)的影響見圖4。

圖4 運輸投資額對耦合系統(tǒng)的影響

通過對港航運輸需求和港航供給量及運輸投資額之間的計算,運行系統(tǒng)后發(fā)現(xiàn),運輸投資額的增加會帶來港航供給量以及水運供給量的增加,由此影響連云港市的經濟總量。調整運輸投資額,即說將每年的運輸投資額增加50%,那么在不同年份的結果如圖4所示。運輸投資額對經濟具有刺激作用,主要體現(xiàn)在:運輸投資額增加引起了港航供給和水運供給的增加,促使有關部門擴大生產、提高效益,使得勞動者收入增加,收入增加后必然將自己的一部分增加收入用于消費,就使社會需求最終增加,其中也包括港航需求和水運需求的增加,這必然刺激各部門進一步擴大生產,由此增加連云港市的GDP。調整每年的運輸投資額后的模式,經濟增長最高時達到3.25%。對于調整后的參數(shù)低于原模式的值,是由于運輸投資額參數(shù)在未調整之前就已經低于其他年份,增加1倍的情況下也同樣低于原模式的值,因此調整后的參數(shù)對連云港市區(qū)域經濟總量的影響會有低于原模式的情況。

3.2 區(qū)域經濟總量對耦合系統(tǒng)的影響

一個地區(qū)的社會活動、經濟活動與地區(qū)經濟總量密切相關,同時也反映了其經濟發(fā)展水平,因此,一個地區(qū)經濟發(fā)展水平決定了輸水工程和港航經濟系統(tǒng)的發(fā)展,必然地與其經濟總量有密切的關系。連云港市的整個地區(qū)的發(fā)展階段可以分為兩個階段,2007年前和2007年后,2008—2012年市經濟總量的發(fā)展比較迅速,5年經濟增長率分別達到21.4%、25.5%、26.8%、18.2%以及27.7%。

由于連云港市地處中國沿海中部的海州灣西南岸、江蘇省的東北端,北倚長6 km的東西連島天然屏障,南靠巍峨的云臺山,為橫貫中國東西的鐵路大動脈——隴海、蘭新鐵路的東部終點港,被譽為新亞歐大陸橋東橋頭堡和新絲綢之路東端起點,是中國中西部地區(qū)最便捷、最經濟的出?？凇Ｌ貏e是隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的深入實施,中西部經濟發(fā)展和對外貿易運輸量會更加迅猛增長,而從運輸線路合理、運輸時間節(jié)約、運輸成本降低等因素綜合考慮,連云港是與西部開發(fā)相配套的最佳外貿運輸口岸。因此對水運需求以及港航供給的需求較高,將區(qū)域經濟總量做一下調整來說明其對港航供給的影響。

在保證其他參數(shù)不變的情況下,將區(qū)域經濟總量每年增加10%,然后通過SD程序運行得到圖5的結果。結果顯示,當連云港市區(qū)域經濟總量增加時,港航總額同比增加,貨運量也相應地上升。根據連云港市2012年統(tǒng)計年鑒,年港航供給量為82 187.2萬t。SD運行結果還表明,港航供給和水運供給的關聯(lián)系數(shù)較大,是由于港航運輸產品絕大多數(shù)采用水運。

圖5 區(qū)域經濟總量對耦合系統(tǒng)的影響

3.3 其他指標對耦合系統(tǒng)的影響

通過模型的運行發(fā)現(xiàn),勞動力數(shù)量以及人口總量對于輸水工程以及港航經濟系統(tǒng)的影響相對穩(wěn)定,根據系統(tǒng)動力學“模型結構決定行為”的理論,初步判斷出相對穩(wěn)定的區(qū)域經濟總量增長比等參數(shù)就是決定耦合系統(tǒng)行為的模型結構變量,如果對耦合系統(tǒng)作一些調整,改變這些參數(shù),就會很大程度上影響對系統(tǒng)的GDP、港航供給等決定耦合系統(tǒng)程度的評價結果的關鍵參數(shù),通過系統(tǒng)動力學的輔助關聯(lián)模型分析,運輸投資額影響因素關聯(lián)度較大的除區(qū)域經濟總量外還有運輸方式投資額。這是由于連云港市正處于經濟快速發(fā)展階段,社會固定資產投資總額占GDP的比重較大,投資額要轉化為現(xiàn)實的投資設備需要通過運輸,同時這些投資設備又轉化為下一期的現(xiàn)實生產能力,生產大量成品。其他各項經濟指標關聯(lián)系數(shù)不大,其原因是由于港航投資額受外界大環(huán)境影響干擾度小,這些不便于用數(shù)量表示的環(huán)境因素尚未考慮。

[1]張萍,嚴以新,許長新.區(qū)域港城系統(tǒng)演化的動力機制分析[J].水運工程,2006(2):48-51.

[2]劉耀彬,李仁東,宋學鋒.中國區(qū)域城市化與生態(tài)環(huán)境耦合的關聯(lián)分析[J].地理學報,2005(2):22-25.

[3]周勇.E-learning過程能力成熟度模型研究[D].上海:華東師范大學,2009:65-89.

[4]張福慶,胡海勝.區(qū)域產業(yè)生態(tài)化耦合度評價模型及其實證研究:以鄱陽湖生態(tài)經濟區(qū)為例[J].江西社會科學,2010(4):219-224.

[5]王曉鳴,汪洋,李朋，等.城市發(fā)展政策決策的系統(tǒng)動力學研究綜述[J].科技進步與對策，2009,26(22):197-200.

[6]STERMAN J D.Exploring the next great frontier: system dynamics at fifty[J].System Dynamics Review,2007,23(2):89-93.

[7]郁亞娟,郭懷成,劉永,等.城市生態(tài)系統(tǒng)的動力學演化模型研究進展[J].生態(tài)學報,2007,27(6):2603-2614.

[8]ANTHONY H.Developing a dynamic systems model for the sustainable development of the Canadian oil sands industry [J].Environmental Technology and Management,2008,8(l):3-22.

[9]馮海燕,張聽,李光永,等.北京市水資源承載力系統(tǒng)動力學模擬[J].中國農業(yè)大學學報,2006,11(6):106-110.

[10]胡睿,佘健,彭穎,等.北湖流域水質改善系統(tǒng)動力學研究[J].環(huán)境科學與技術,2012,35(5):194-197.

[11]王莉芳,陳春雪.濟南市水環(huán)境承載力評價研究[J].環(huán)境科學與技術,2011,34(5):199-202.

[12]DYSON J,CHANG N B.Forecasting municipal solid waste generation in a fast-growing urban region with system dynamics modeling[J].Waste Management,2005,25(7):669-679.

[13]陳書忠,周敬宣,李湘梅,等.城市環(huán)境影響模擬的系統(tǒng)動力學研究[J].生態(tài)環(huán)境學報,2010,19(8):1822-1827.

[14]GUAN D J.Modeling and dynamic assessment of urban economy-resource-environment system with a coupled system dynamics-geographic in formation system model [J].Ecological Indicators,2006,11(5):1333-1344.

[15]王麗瓊,王鐵驪,楚燕婷.煤炭資源型城市可持續(xù)發(fā)展的系統(tǒng)動力學模型及應用[J].工業(yè)技術經濟,2010,29(7):97-101.

[16]JORGE A,DURAN E,ALBERTO P C.System dynamics urban sustainability model for Puerto Aurain Puebla,Mexico[J].Systemic Practice and Action Research,2009,22(2):77-99

[17]趙妍,田強,尚金城.城市生態(tài)工業(yè)系統(tǒng)模擬、優(yōu)化調控方法研究[J].生態(tài)環(huán)境學報,2010,19(6):1416-1421.