天津港與石家莊無水港共生關系探究

高琴

摘要：為了探究京津冀一體化背景下港口發展戰略的制定策略，研究了天津港與石家莊無水港之間是依托型互利共生關系，基于種群生態學的基本理論和方法，對一般的種群生態模型進行了適當的改進，在此基礎上建立了能夠反映天津港與石家莊無水港集裝箱吞吐量之間關系的動力學模型。利用非線性系統穩定性的理論方法，分析了系統正平衡點存在的條件，以及正平衡點保持穩定的條件，得到了天津港與石家莊無水港能夠長期穩定發展的條件。結合天津港與石家莊無水港的實際進行了數值模擬，對模擬結果進行了解釋，模擬結果驗證了理論分析的正確性。研究結果同樣適用于其他港口與其無水港之間長期穩定發展的研究，是政府和相關部門制定決策的理論基礎。

關鍵詞：決策分析；種群生態學；無水港；互利共生；穩定性

中圖分類號：Q154；U691文獻標志碼：Adoi： 10.7535/hbgykj.2018yx03001

隨著中國經濟的高速發展，以及環渤海港口群的發展壯大，天津港作為北方第1個億噸級大港，在發展的同時也面臨著巨大的挑戰。大連港、青島港，以及近年來發展壯大的曹妃甸港、黃驊港等港口與天津港搶奪腹地，爭奪貨源，使得天津港的發展速度逐步放緩。為進一步提高天津港的競爭力，使其在擁有貨源方面更具競爭優勢，建設無水港已經成為天津港新的發展方向和新的動力。

無水港是建立在內陸地區的物流中心，是港口功能向內陸地區的擴展，具有與港口相似的服務功能，它不僅可以幫助港口獲得內陸地區的貨源，還可以將港口的服務帶入內陸地區，這既能增強港口對內陸地區的吸引力和競爭力，又能帶動內陸地區經濟的發展[1]。有學者從宏觀層面研究了天津港無水港建設的現狀、存在的問題和對將來發展的對策建議[2-8]，指出無水港的建立和發展是海運發展的必然。目前，天津港已經在內陸地區建立了25個無水港[9]，一般都分布在貨源集中的地區和重要的交通樞紐點。石家莊作為距離天津港最近的貨源地和交通樞紐，其無水港的建設無疑具備相當大的優勢。同時，為了順應“一帶一路”、京津冀一體化協同發展、濱海新區以及雄安新區建設等重大國家戰略的實施，政府各部門推出了一系列的利好政策，也為天津港和石家莊無水港的協同發展創造了絕好的發展契機。通過石家莊無水港的建設，天津港對周邊區域的服務能力得到了不斷的提升，同時也大力推進了京津冀地區的協同發展。

在這樣的背景下，本文研究天津港與石家莊無水港之間的依托型互利共生關系，分析這種關系下兩港口合作策略的穩定性，為港口的長期發展戰略提供理論支撐，種群生態學的基本理論和模型是本文的研究基礎。馬歇爾曾經強調，經濟學其實更接近生物學而非力學[10]。利用種群生態學理論研究港口群的內部復雜性已經取得了一定的研究成果。黃永燊等[11]利用生態位理論研究了港口的競合關系。周志翔[12]研究了基于Lotka-Volterra模型的集裝箱港口競合關系。高艷玲[13]從共生的視角研究了港口物流產業系統的組成部分及共生關系。劉松先[14]研究了港口群、產業群和城市群協同發展的內在和外在機制，及其共生系統的培育。金嘉晨等[15]利用生態位理論研究了航運產業集群中的競爭關系。

本文在前人研究工作的基礎上，基于種群生態學的理論研究港口內部的復雜關系，對一般的種群模型進行了適當的改進，研究天津港和石家莊無水港之間的依托型互利共生關系，分析其穩定的條件，并給出了經濟上的解釋，為兩港口今后的發展提供值得借鑒的理論依據。

1模型的建立

筆者選取集裝箱運輸這一主要的港口作業形式來研究，以期能對兩港的建設和發展提供理論支持。筆者在種群生態學理論和模型的基礎上，建立了一個能夠體現天津港與石家莊無水港之間關系的模型。關于模型，做如下說明。

1） 本文僅研究天津港與石家莊無水港集裝箱吞吐量之間的關系。以x（t）和y（t）分別表示天津港和石家莊無水港的集裝箱吞吐量。一方面，天津港和石家莊無水港的集裝箱吞吐量是互相促進，互相制約的。天津港的發展壯大必然能夠為石家莊無水港吸引更多的貨源，而石家莊無水港的集裝箱吞吐量的增加也直接增加了天津港的集裝箱吞吐量。另一方面，石家莊無水港基本上是完全依托于天津港而存在的，而天津港卻不依賴于石家莊無水港而生存。因此，天津港與石家莊無水港之間可看作是依托型互利共生關系。

2） 將兩港口集裝箱吞吐量的自然增長率分別記為r1和r2，在本模型中當作常數，且r1>0，r2>0。同時，假定在一段時間內，兩港口的集裝箱吞吐能力是不變的，分別記為N1和N2，也都視為常數，顯然，N1>0，N2>0。

3） 用α>0，β>0，分別表示石家莊無水港對天津港和天津港對石家莊無水港集裝箱吞吐量增長的貢獻率。

4） 用參數p和q，分別表示港口自身的能動性對其集裝箱吞吐量增長率的貢獻。在此不妨假設0基于以上說明和假設，天津港集裝箱吞吐量的變化可描述為=r1x1-xN1+αyN2+p。（1）另一方面，把石家莊無水港集裝箱吞吐量的變化描述為=r2y-1-yN2+βxN1+q。（2）描述天津港與石家莊無水港之間的依托型互利共生關系模型：=r1x1-xN1+αyN2+p，=r2y-1-yN2+βxN1+q。（3）

2模型的平衡點及穩定性分析

當天津港與石家莊無水港的發展達到均衡狀態時，應有=0，且=0，此時可得如下方程組：r1x1-xN1+αyN2+p=0，r2y-1-yN2+βxN1+q=0。（4）解此方程組，可得系統4個平衡點：

E1=（0，0）， E2=（N1（1+p），0），

E3=（0，（N2（q-1）））， E4=（x*，y*），

其中：

x*=N1[（1+p）+α（q-1）]/（1-αβ），

y*=N2[（q-1）+β（1+p）]/（1-αβ]。

考慮到實際問題的需要，只有系統的正平衡點才是有研究意義的。經過計算可知，E4為系統正平衡點的條件為

C1） αβ<1且α<1+p1-q，β>1-q1+p，

或

C2） αβ>1且α>1+p1-q，β<1-q1+p。

對于所研究的天津港與石家莊無水港來說，天津港可以為石家莊無水港帶來貨源，石家莊無水港為天津港提供服務并依賴于天津港，主要靠天津港提供或消耗貨源來維持自身的生存與發展；天津港為石家莊無水港提供全方位的技術支持、管理指導甚至可以直接投資，因此，天津港對石家莊無水港集裝箱吞吐量增長的貢獻相對較大。而由于天津港擁有多個無水港，因而每個無水港對天津港的貢獻就相對較小，所有無水港對天津港集裝箱吞吐量的貢獻也僅占天津港集裝箱吞吐總量的一小部分。因此，該系統的實際情況應該是α<β。由上面的假設和分析可知：

1+p1-q>1-q1+p，

顯然，條件（C2）不滿足，此時E4為正平衡點的條件就只有條件（C1）。由于01。

通過對上述模型平衡點的分析，可以看出，系統要達到穩定的平衡態，要滿足3個必要條件。

1） α<1表示石家莊無水港對天津港集裝箱吞吐量增長貢獻的比例有限，這在經濟上可以直觀解釋，石家莊無水港向天津港提供的集裝箱對于天津港來說只是其集裝箱吞吐量中的一小部分，而且天津港的無水港不止一個，每一個無水港對天津港集裝箱吞吐量的增長都有貢獻，從總體上來看，石家莊無水港對天津港集裝箱吞吐量增長的貢獻占天津港集裝箱吞吐量總增長的比例不大。從另一個方面也可以理解為，天津港集裝箱吞吐量的增長，不能僅僅依靠無水港提供的貨源，而主要還是靠其自身實力的增強去吸引更多的貨源。

2） β>1表示天津港對石家莊無水港集裝箱作業量增長的貢獻比較大，這在經濟上可以直觀地解釋，天津港為石家莊無水港帶來的集裝箱作業量占石家莊無水港集裝箱作業量的全部或很大比例，在石家莊無水港作業的集裝箱，絕大多數都是要通過天津港出港的，而且有時天津港會對石家莊無水港進行直接投資或者提供人才、技術等方面的支持，服務上的便利，甚至政策上的優惠，幫助無水港提高運營質量水平，完善服務功能，這無疑會推動石家莊無水港集裝箱作業量的增加，因此，天津港對石家莊無水港集裝箱作業量增長的貢獻比較大。

3） αβ<1說明，在依托型互利共生模式下，兩港口若要達到共生的均衡狀態，長期穩定發展下去，就要求α值較小而β值較大，這其實就是要求天津港首先要保證自身的規模比較大，集裝箱吞吐量較大，同時，為了吸引更多的貨源，其下屬的無水港就會越來越多，這時，天津港也不能主要依賴無水港提供的貨源，而忽視自身的發展，否則，這種依托型的互利共生關系就會被破壞。

從對系統達到均衡的穩定狀態的分析以及E4為系統正平衡點的條件來看，有：

x*=N1[（1+p）+α（q-1）]/（1-αβ）>N1 ， （5）

經過化簡，可知，當參數滿足條件：

2-q1+p+α<β（6）

時，就有：

y*=N2[（q-1）+β（1+p）]/（1-αβ）>N2 ， （7）

也就是說，在這種依托型互利共生模式下，當系統的參數滿足一定的條件時，兩港口的集裝箱吞吐量在達到均衡態時都比它們本身的吞吐能力要高。而這一條件也是要求β值較大，這恰好印證了前面的分析，天津港必須具有很強的自身實力，才能帶動著這些無水港共同發展。這也說明這種依托型互利共生的模式充分利用甚至是提高了港口的吞吐能力，因此可以說，這種依托型的互利共生模式對于兩港口來說都是一種較優的生存模式。

以下研究系統的均衡態是否穩定，依托型互利共生模式能否長期存在。

考慮系統在正平衡點E4處的Jacobi矩陣：

r1-2r1N1x*+αr1N2y*+r1pαr1N2x*βr2N1y*-r2-2r2N2y*+βr2N1x*+r2q，（8）

其特征方程為

λ2-（A+D）λ+AD-BC=0 ， （9）

其中：A=（1+p）r1-2r1N1x*+αr1N2y*，B=αr1N2x*，C=βr2N1y*，D=（q-1）r2+βr2N1x*-2r1N2y*，顯然，其特征根均具負實部的充要條件為

-（A+D）>0且AD-BC>0 。 （10）

分析可知，對于本系統，有：

-（A+D）={r1[（1+p）+α（q-1）]+

r2[（q-1）+β（1+p）]}/（1-αβ）>0，

AD-BC={r1r2[（1+p）+α（q-1）]×

[（q-1）+β（1+p）]}/（1-αβ）>0，

因而，本系統的正平衡點E4是穩定的。根據前面的分析，只要滿足條件αβ<1且α<1，β>1，系統就存在穩定的正平衡點，即天津港和石家莊無水港在這種依托型的互利共生模式下，其集裝箱吞吐量最終能達到一種穩定的均衡態。這就需要政府及相關部門制定長遠規劃，在政策上大力支持，吸引更多的資金投入，保證天津港及其眾多無水港的協調穩定發展，完善無水港的功能和服務，為區域經濟的發展做出貢獻。

以上研究結果表明，天津港若要達到與其無水港的和諧穩定發展，首先，在無水港的選址上要綜合考慮各方面的因素，如地理位置、交通條件、經濟水平、建設成本、地區產業發展狀況以及政策因素等，避免出現跟風現象，導致資源浪費。對無水港的建設要有統一的長期規劃，明確定位與發展方向，避免出現重復建設和盲目競爭，保證無水港建成后能夠長期穩定的發展。其次，天津港要保證自身的長期良性發展，增強自身的競爭力，離不開無水港的支持，因此天津港必須加大對其無水港資金和技術支持，提供便利條件，幫助無水港發展，無水港發展好了，才能為天津港自身的發展注入無窮的動力。對于天津港和石家莊無水港來說，一定要抓住京津冀協同發展這一重大發展契機，連同雄安新區建設這一重要歷史機遇，積極促進自身的發展，爭取做大做強，為整個環渤海地區的經濟發展，甚至“一帶一路”偉大戰略的實施貢獻應有的力量。最后，天津港的發展不能依賴無水港，要積極提高自身的綜合實力，增強競爭力，才能與無水港一起長期穩定發展。

3數值模擬

為了直觀演示本系統的演化狀態，驗證前面的分析結果，本節進行了數值模擬。根據分析得到的系統存在穩定的正平衡點的條件，演示α與β取不同值時系統的演化過程。根據中國港口網對兩港口近年的集裝箱吞吐量統計及其增長率的分析，取參數r1=03，r2=0.1，N1=2 500，N2=40，p=0.03，q=0.02，x（t）與y（t）的時程圖分別如圖1和圖2所示。

圖1x（t）的時程圖

Fig.1Time chart of x（t）

圖2y（t）的時程圖

Fig.2Time chart of y（t）

可以看到，當參數滿足上文分析的條件時，系統最終會達到一種穩定的平衡態，而且此時兩港口的集裝箱吞吐量都遠遠超過其各自目前的吞吐能力，這說明兩港口還有很大的發展空間。另外，從α與β的不同取值來看，α與β的值越大，系統達到穩定時兩港口的集裝箱吞吐量越大，這充分說明了兩港口之間的互利關系。

如果β值減小到β<1，系統將不存在正平衡點，如圖3和圖4所示，取α=0.05，β=0.8，其他參數不變，可以看到，由于石家莊無水港的存在，在初期快速促進了天津港集裝箱吞吐量的增長，使其集裝箱吞吐量很快就達到并超過其吞吐能力，但之后很快就不再繼續增長，一直保持穩定。而石家莊無水港的集裝箱作業量一直在減少，最終變為零。這說明如果天津港對石家莊無水港的資金、技術、政策等扶持減少到一定程度，或者天津港接收石家莊無水港的集裝箱量過少的話，石家莊無水港將無法繼續發展，最終只能關停，而沒有了無水港提供的貨源，天津港雖然還能穩定存在，但其集裝箱吞吐量今后將不會有大的增長，這充分說明了石家莊無水港對天津港的依托性，同時也說明天津港將來若想做大做強，必須依賴無水港。

圖3α=0.05，β=0.8時x（t）的時程圖

Fig.3Time chart of x（t） when α=0.05，β=0.8圖4α=0.05，β=0.8時y（t）的時程圖

Fig.4Time chart of y（t） when α=0.05，β=0.8

4結論

本文從種群生態學的角度研究了天津港與石家莊無水港之間的關系，研究結果表明，天津港與石家莊無水港之間是依托型互利共生關系，天津港要為石家莊無水港的發展提供資金、技術和政策上的支持，以保證石家莊無水港能為天津港帶來穩定貨源，沒有天津港的支持，石家莊無水港將難以生存；同時，天津港不能過于依賴無水港提供貨源，只有自身發展壯大了，才能帶動與無水港的共贏。另外，由于港口間的相互作用存在一定的時間延遲，本文研究了簡化的無延遲系統，對延遲系統的內部復雜性分析將進一步研究。

參考文獻/References：

[1]任偉.天津港內陸無水港規劃及建設模式研究[D].天津：天津大學，2012.

REN Wei. Planning and Construction Mode Study on Inland Dry Port of Tianjin Port[D]. Tianjin： Tianjin University， 2012.

[2]魏麗華.津冀港口群一體化在京津冀協同發展中的定位、困境與路徑選擇[J].中國流通經濟，2016，30（4）：72-77.

WEI Lihua. The positioning，dilemma and route choice of the integration of harbors in Tianjin and Hebei in the coordinated developmentin Beijing-Tianjin-Hebei region[J].China Business and Market， 2016，30（4）：72-77.

[3]劉巍.天津港與內陸港協同發展研究[D].大連：大連海事大學，2015.

LIU Wei. Research on Interact Development Between Tianjin Port and Land Port [D]. Dalian： Dalian Maritime University，2015.

[4]陳飛超.天津港無水港發展現狀及對策研究[J]. 物流工程與管理， 2016，38（12）：30-31.

CHEN Feichao. Study on the present situation and countermeasures of the development of anhydrous port in Tianjin port[J]. Logistics Engineering and Management， 2016，38（12）：30-31.

[5]李瑰莉.河北省無水港發展問題研究[D]. 蚌埠：安徽財經大學，2017.

LI Guili. The Dry Port Development Research in Hebei Province[D]. Bengbu： Anhui Finance and Economics University，2017.

[6]劉濤.天津港發展內陸無水港策略及其實證研究[D].大連：大連海事大學， 2013.

LIU Tao. The Development Strategy and Empirical Research of Tianjin Dry Port[D]. Dalian： Dalian Maritime University， 2013.

[7]王明朗.天津港內陸無水港建設問題研究[D]. 呼和浩特：內蒙古農業大學，2014.

WANG Minglang. Study on the Problem of Inland Dry Port Construction of Tianjin Port[D]. Hohhot： Inner Mongolia Agricultural University， 2014.

[8]陸紅玉.基于類軸輻式網絡的天津港無水港布局研究[D]. 大連：大連海事大學，2014.

LU Hongyu. Network Layout Optimization on Inland Dry Port of Tianjin Port Based on Hub-And-Spoke Network[D]. Dalian： Dalian Maritime University，2014.

[9]萬紅. 25 個無水港搭建內陸物流網[N].天津日報，2017-09-17（1）.

[10]馬歇爾.經濟學原理[M]. 北京：商務印書館，1964.

[11]黃永燊，蔣恵園. 港口生態位及其競合關系[J].水運工程，2015 （10）：67-71，78.

HUANG Yongshen， JIANG Huiyuan. Competition and cooperation relationship of port with Niche theory[J]. Port & Waterway Engineering，2015 （10）：67-71，78.

[12]周志翔. 基于Lotka-Volterra模型的集裝箱港口競合關系研究[D]. 西安：長安大學，2015.

ZHOU Zhixiang. Study on the Coopetition Relationship Between Container Ports Based on the Lotka-Volterra Model[D]. Xian：Changan University，2015.

[13]高艷玲.港口物流產業集群的共生性研究[J]. 物流技術，2013，32（10）：15-17.

GAO Yanling. Study on symbiosis of port logistics industrial clusters[J]. Logistics Technology， 2013，32（10）：15-17.

[14]劉松先.港口群、產業群與城市群共生系統演化與培育[J].廈門理工學院學報，2014，22（2）：18-23.

LIU Songxian.Cultivating the symbiosis system of the port clusters， industrial clusters and urban agglomeration[J].Journal of Xiamen University of Technology， 2014， 22（2）：18-23.

[15]金嘉晨，真虹. 基于生態位理論的航運產業集群競爭研究[J].交通運輸系統工程與信息，2013，13（6）：32-36，51.

JIN Jiachen， ZHEN Hong. Research on the maritime cluster competition based on ecological niche theory[J]. Journal of Transportation Systems Engineering and Information Technology， 2013，13（6）：32-36，51. 第35卷第3期河北工業科技Vol.35，No.3