«上一篇
文章快速检索     高级检索
下一篇»
  哈尔滨工程大学学报  2018, Vol. 39 Issue (9): 1498-1504  DOI: 10.11990/jheu.201712038
0

引用本文  

赵艺为, 张培林, 陈沿伊. 长江航道承载力影响因素体系构建[J]. 哈尔滨工程大学学报, 2018, 39(9), 1498-1504. DOI: 10.11990/jheu.201712038.
ZHAO Yiwei, ZHANG Peilin, CHEN Yanyi. Influencing factor system of the Yangtze waterway carrying capacity[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2018, 39(9), 1498-1504. DOI: 10.11990/jheu.201712038.

基金项目

国家重点研发计划专项项目(2016YFC0402103)

通信作者

赵艺为, E-mail:1215281688@qq.com

作者简介

赵艺为(1991-), 女, 博士研究生;
张培林(1955-), 男, 教授, 博士生导师

文章历史

收稿日期:2017-12-13
网络出版日期:2018-05-29
长江航道承载力影响因素体系构建
赵艺为, 张培林, 陈沿伊    
武汉理工大学 交通学院, 湖北 武汉 430063
摘要:为进一步深化长江航道承载力相关研究,本文采用系统动力学理论整体研判长江航道承载力影响因素结构,科学探究影响长江航道承载力的重要因素,构建影响因素之间的因果及复杂反馈关系。通过运用决策试验和评价实验法对上述影响因素进行筛选,最终确定29个重要影响因素及各因素的功能定位。结果表明:长江航道承载力影响因素体系是以生态效益因素(结果因素)为核心层,经济需求因素为驱动层,航道资源供给及社会压力因素为约束层的一核多层次影响因素体系,为下一步对长江航道承载力影响因素互适机理、评价、计算模型的研究奠定理论基础。
关键词水路运输    长江航道    系统动力学    决策试验和评价实验法    长江航道承载力    生态效益    水资源综合利用    影响因素体系    
Influencing factor system of the Yangtze waterway carrying capacity
ZHAO Yiwei, ZHANG Peilin, CHEN Yanyi    
School of Transportation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China
Abstract: To deepen the research on the Yangtze waterway carrying capacity, this study investigates the impact factors that could affect the carrying capacity of the Yangtze waterway based on the system dynamics theory. The important factors influencing the carrying capacity of the Yangtze waterway are explored scientifically, and then causal and complex feedback relationships between such factors are established. In addition, the decision-making test and evaluation (DEMATEL) method is employed to screen out all potential impact factors, and finally, 29 significant factors are confirmed according to their functions and relevancy degrees. The results show that the influencing factor system of the Yangtze waterway carrying capacity is a multi-level system, in which ecological benefit factors, i.e., result factors, are taken as the core factor level, economic demand as the driving factor level, and the channel resource supply and social pressure as the limiting factor level. The research result provides a theoretical foundation for further research on the interaction mechanism of the influencing factors of the Yangtze waterway carrying capacity and for related evaluations and calculation models.
Keywords: waterway transportation    Yangtze waterway    system dynamics theory    DEMATEL method    Yangtze waterway carrying capacity    ecological benefits    water resources comprehensive utilization    influencing factor system    

随着我国经济发展模式的转换,“高质量”的经济发展将成为我国下一阶段经济发展的核心战略。在此背景下,将生态效益纳入长江航道承载力的研究具有深刻的理论和现实意义。航运作为长江重要功能之一,航道建设的研究必须充分考虑生态、经济、社会、防洪、发电、供水、景观等河流多功能因素之间的矛盾及互动关系,同时分析众多影响因素之间或功能矛盾之间的反馈关系及重要程度。目前,国内外对航道承载力的概念内涵的研究甚少,多集中于对航道通过能力或相对单一条件下航道尺度的建设问题[1-3],忽略了航道尺度建设与多目标、多利益主体(生态利益、经济利益、航运效益、社会效益等)之间的博弈与均衡。近几年国内外学者对生态因素与航道建设之间进行研究[4-7], 并考虑航道建设与植被覆盖、生物多样性、自然保护区等因素的关系。长江航道合理尺度建设与众多影响因素具有关联性,且存在多利益主体之间的合作与竞争问题,因此亟待长江航道承载力的理论研究,分析其影响因素及机理,攻克长江航道综合承载生态、经济、航运、社会需求的理论性及应用性难题,以达到长江航道全方位可持续、高质量的发展。对承载力的文献研究发现任何一种资源承载力[8-9]的研究,共有特征是承载力有主客体之分,且其承载力客体具有多样性,同时具有有限性及可提升性。因此,长江航道承载力的资源主体或根本出发点是航道资源,客体为“生态-经济-航运-社会”的耦合,呈现客体的多样性。其概念为在一定时期内,一定社会经济条件及科技水平下,响应“生态-经济-航运-社会”复合系统的多目标发展需求,受到自然禀赋条件、防洪、供水、发电等多种约束因素的影响,同时通过整治和维护等技术手段,可预见能达到的最大航道尺度与最优通航能力[10]

影响长江航道承载力的因素体系具有系统动力学特征,是通过复杂的耦合形成的集非线性与不确定性为一体的复杂结构[3]。本文运用系统动力学原理分析影响长江航道承载力因素之间动态结构与互动机制[11],运用DEMATEL方法将SD构建的逻辑关系转化为直接影响矩阵,进而将影响因素之间的关系量化,深化长江航道承载力理论研究。

1 长江航道承载力影响系统结构划分

长江航道承载力研究是基于“经济-社会-航运-生态”的耦合影响,其影响因素系统结构划分为以下四个子系统:

1) 生态子系统-核心

生态子系统中的影响因素反映的是长江航道承载力发展过程中表现的结果性因素,一方面为造成生态负效应的因素,航道尺度加大使水生物多样性及护坡植被遭到破坏或船舶行驶过程中造成的污染排放等;另一方面,由于水运特有的能耗低,节能减排、成本低等优势,长江航道承载力的发展会促进水运经济性、生态性提高,吸引更多的转移货运量,宏观层面致使生态总效益提升。

2) 经济子系统-需求驱动

经济子系统主要反映长江航道承载力发展受到经济效益驱动影响,主要为经济发展对航运供给的需求,主要表现形式是GDP、工业总产值、产业结构、水运成本等因素对水运货运量与运输经济性的需求,进而影响长江航道承载力的发展方向或潜力[12]

3) 航运子系统-供给能力

航运虽然同样作为长江河道功能之一,但是承载力中反映长江航道作为一种发展资源对经济子系统的需求响应及支撑能力的供给型要素,其“船舶、航道、港口”内部耦合影响长江航道承载能力,主要表现形式:航道尺度、船型尺度、运输能力, 建设资金投入[7, 13]等。

4) 社会子系统-压力限制

长江河道本身具有多种功能,包括防洪、发电[14]、供水、景观等[5],且这些功能与“人”的高质量发展息息相关,因此这些因素对长江航道承载力具有约束性影响,包括:供水满足、发电满足、防洪限制水位等限制性因素对航道尺度的直接影响,以及对长江水资源的综合利用的影响。长江航道承载力影响因素系统结构见下图 1

Download:
图 1 影响因素系统结构图 Fig. 1 System structure of influence factors
2 长江航道承载力影响因素因果分析

长江航道承载力影响因素系统中四个子系统之间存在交叉影响因素,不仅单一子系统与长江航道承载力有影响关系,同时由于跨系统参与的因素众多,致使子系统因素之间存在重叠或交叉相互影响关系,形成众多复杂的反馈路径。主要因果反馈关系如图 2所示。

主要的反馈或因果关系:

1) GDP→+产业结构→+货种结构→+船舶尺度→+航道尺度→+航道通过能力→—水运成本→+转移货运量→+水运货运量→+航运产值→+工业总产值→+GDP[13, 15]

2) GDP→+人口总量→+人口结构→+消费结构→+产品结构→+货种结构→+产业结构→+GDP;

3) 船舶尺度→+泊位水平→+港口发展水平→+航道尺度→+航道通过能力(航道建设水平、船舶标准化建设、航运数字化服务能力等有着突出的贡献[13])→—水运成本→+转移货运量→+水运货运量→+船舶尺度;

4) 航运产值→+航运业投资额→+航道通过能力→—水运成本→+转移货运量→+水运货运量→+航运产值[16]

5) 航运产值→+航运业就业人数→+就业率/城镇化[17]→+人口总量→+科技发展水平→+污水处理率→—排污量→—水生物多样性→—航道尺度;

6) 科技发展水平→—用水总量→+长江水资源供水量需求→—航道可供水量→+航道基准面→+航道尺度[18]

7) 人口总量→+发电量→+社会用水量→+用水量。GDP→+经济用水量;

8) 排污量→—流域自净能力→+生态用水→+用水总量[11]

9) 航道尺度→—航道护坡覆盖率→+河道两岸自然保护区→+生态用水→—航道可供水量[5-6]

10) 航道尺度→—航道护坡覆盖率→+河道两岸自然保护区→+生态用水→—航道可供水量[5]

11) 防洪限制水位→—航道尺度;长江天然河道状态→+航道基准面;科技发展水平→+航道通过能力。

Download:
图 2 长江航道承载力影响因素因果关系反馈图 Fig. 2 Causal effect feedback of influence factors of Yangtze waterway carrying capacity

在因果反馈关系中,“+”代表前一个因素对后一个因素是正向关系,即变化方向相同;“-”代表前一个因素与后一个因素是负向影响,即前后两个因素的变化方向相反(此消彼长的关系)。

基于以上影响因素结构及因素的分析进行细化,提出影响长江航道承载力因素表,如表 1所示。

表 1 影响长江航道承载力的因素 Tab.1 Influence factors of Yangtze waterway carrying capacity
3 长江航道承载力一核多层次影响因素体系构建 3.1 基于DEMATEL方法构建长江航道承载力影响因素模型

影响长江航道承载力的因素多,且收集数据工作量大,因此运用DEMATEL方法能够有效的将复杂且数量较多的数据之间的逻辑关系转换成数学表达, 将复杂问题简化:

1) 构建长江航道承载力直接影响矩阵[7]

因素的直接影响关系的确定有以下几种方法:回归等统计方法收集因素的时间序列数据进行因素之间直接相关关系的界定;文献分析,通过前人的研究成果,确定因素之间是否存在影响关系;专家法,头脑风暴等对难以量化的因素进行定性分析,确定因素之间的直接关系。在前文各影响因素分析及因果反馈关系分析的基础上,结合回归等统计方法(单因素之间的统计分析),以及本项目研讨会中多名专家分析讨论统计结果构建长江航道承载力直接影响矩阵X

$ \mathit{\boldsymbol{X}} = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} 0&{{x_{12}}}& \cdots &{{x_{1n}}}\\ {{x_{21}}}&0& \cdots &{{x_{2n}}}\\ \vdots & \vdots & \vdots & \vdots \\ {{x_{n1}}}&{{x_{n2}}}& \cdots &0 \end{array}} \right] $ (1)

式中:影响因素xij(i, j=1, 2, …, n, ij)表示因素的直接影响程度,若有直接影响,则xij=1;若无直接影响关系则xij=0;当i=j时,则xij=0。应用Matlab软件,得到长江航道承载力影响因素的综合影响矩阵T

$ \mathit{\boldsymbol{T}} = \mathit{\boldsymbol{Y}}{\left( {\mathit{\boldsymbol{I}} - \mathit{\boldsymbol{Y}}} \right)^{ - 1}} $ (2)

式中:YX经标准化后得到的矩阵, I为标准矩阵。

2) 计算中心度和原因度

通过对每个因素的影响度ai和被影响度bi进行相加和相减,便可得出该因素所呈现的中心度mi和原因度ni水平,计算结果如表 2所示。

表 2 影响因素中心度和原因度计算结果 Tab.2 The results of the center degree and the cause degree of the influence fact
3.2 长江航道承载力影响因素结果分析 3.2.1 原因度分析

ni>0时,该因素为原因因素,表 2D2D7D8D10D11D17D19D21D23D24D25D30D31D32D33D39D40为原因因素。其中位于前六位的因素是GDP、水运货运量、科技专利数、水运科技投入、航运建设投资额、载重量,以上六个因素中前两个属于需求类影响因素,后4个属于供给类影响因素,也验证了上述系统层分析的正确性。长江航道承载力的大小受到经济需求的驱动,且受到供给能力的影响,是长江航道承载力影响因素体系的骨架,其中需求是明显的驱动因素,在某种意义上来说,航运本身的供给能力也限制了航道承载力的发展。

ni < 0时,该因素为结果因素,表 2D1D3D4D5D6D9D12D13D14D15D16D18D20D22D26D27D28D29D34D35D36D37D38为结果因素,容易受到外界影响而发生变化。其中最易受到影响的是航运产值、航道尺度、船型尺度、水运成本、就业率、生物多样性、新型城镇化率。

3.2.2 中心度分析

中心度mi越大说明该因素对于长江航道承载力提升的动力作用越明显,是影响长江航道承载力提升的重要因素。在长江航道承载力的影响因素分析中,各因素的中心度按照从大到小排序见表 2,位于前六位的是D12D18D10D17D29D13,反映当前提升长江航道承载力的关键因素,而排序中的后六位为D6D5D15D16D40D19,说明在影响长江航道承载力提升的因素中效果相对较弱,但是其中D40(防洪限制水位)其特定的社会效益,主要为限制约束因素应予以保留,另外D6D5反映的是长江航道承载力的沿岸生态效益水平,在不同具体航段中可能具有较高的影响水平,因此可以合并为一类影响因素,根据不同的航段进行具体的计算,其他的影响因素由于其中心度较弱可酌情筛除。

3.2.3 各因素定位分析

将各因素的中心度和原因度定位在坐标系中,以中心度为横轴、以原因度为纵轴,两轴交叉于[所有因素中心度的平均值, 0],可构建具有四个象限的坐标系,其原点为(2,0)。影响因素因果关系如图 3所示。

Download:
图 3 因果关系图 Fig. 3 Cause and effect graph

第一象限:D33D32D24D10D17,中心度与原因度都较高,因此这些因素成了解决长江航道承载力研究问题的关键因素,在管理决策上是应该首先被考虑并予以解决的因素。D33D32D24主要表现的是科技或资金投入对长江航道承载力供给能力的影响,可以将D33D32中保留一个反映航道承载力的科技投入因素。在实际工程建设中首要工作是分析预测经济发展目标对航道承载力发展的需求,同时满足并保证航运建设发展的供给能力以保证供需耦合。

第二象限:D2D11D23D8D19D40D7D21D31D30D39D25,原因度较高,但中心度较低,这些因素远离关键区域,但对其他因素有着不可忽视的重要作用,应该被次要考虑并给予解决。

第三象限:D22D20D26D34D6D9D27D1D5D16D15D28D14D3,原因度和中心度都比较低,原因度为负,说明对其他因素的驱动性作用较低,受其他因素影响,具有典型的结果因素特征。说明长江航道承载力研究受到内河水资源的优化配置的影响,因此满足生态用水量的需求,合理分配经济用水与航道可供给水量,以满足船型发展、生态效益、经济质量、人口发展质量等多种需求是可预见的必然结果,对长江航道承载力发展具有极重要的现实意义。生态效益因素作为长江航道承载力发展过程中造成的不可忽视的重要结果,符合当前的时代背景,应该作为考量长江航道承载力极限值设定是否合理的核心结果因素。

第四象限:D29D35D18D12D37D4D13D36D38,中心度高,但原因度较低属于被影响因素。这些说明在提升航道承载能力的过程中,发展经济、社会可持续发展质量固然重要,但是由于资源限制,要对其发展方式及需求满足有所调整,不能以牺牲生态效益为代价的发展,要充分注重,生态、经济、航运、社会发展目标需求的互适及均衡,促使长江航道承载力复杂系统的发展质量与能力得到提升,其中D35D36本身具有关联性,都是反映社会发展目标的因素,且其中与航道发展最直接相关的为D36,因此去掉D35D29与第三象限中的D28都能反映船舶尺度状态,因此归纳为一类为船舶尺度因素。

3.3 长江航道承载力影响因素体系

通过上述分析与筛选,长江航道承载力影响因素研究是以生态总效益为核心因素层,长江航道资源供需为骨架,航道资源需求(经济)为驱动因素,航运资源为供给(航运),兼顾社会子系统为限制因素的一核多层次影响因素体系,根据上述象限分析及专家意见对类似影响因素进行筛选,结果如表 3所示。

表 3 长江航道承载力一核多层次影响因素体系 Tab.3 A core multi-level system of influence factors
4 结论

1) 长江航道承载力影响因素体系是以生态子系统总效益为核心因素,以经济子系统影响需求因素(水运货运需求、运输经济型需求)驱动航运子系统供给的发展,并受到社会子系统中人口、防洪、供水、发电等压力约束因素影响,最终形成一核(生态)多层次(需求层、供给层、约束层)影响因素体系。

2) 在长江航道承载力的发展研究中,经济发展及满足固然是重要的,但必须充分考虑,在需求满足过程中所造成的生态负面结果。片面追求任何单一效益都是不满足长期利益的,因此长江航道承载力应该在可持续发展及生态优先的思想指导下,将生态效益与经济发展相结合,提高经济增长的“质”,而非片面追求“量”的增长,寻找各因素之间的互适性状态。

3) 长江航道承载力的发展是在长江水资源综合利用的基础上研究的,各个子系统发展过程中存在着用水量的矛盾,因此提高水资源利用效率及节水措施,加大科技投入具有调和长江航道承载力系统内部矛盾的作用,提高航运资源供给能力。

明晰长江航道承载力影响因素及其之间的互动关系,为下一步长江航道承载力影响因素互适机理、互适权重及计算模型研究奠定基础,指导“生态-经济-航运-社会”协同下航道工程建设中开发的合理航道尺度。在不同的典型河段进行分析时,由于不同河段的自然条件及经济腹地等条件的差异性,需要在上述一核多层次影响因素体系中有所删减与侧重。

参考文献
[1]
唐国磊, 王文渊, 郭子坚, 等. 航道尺度对集装箱码头泊位有效利用率的影响[J]. 哈尔滨工程大学学报, 2016, 37(1): 127-131.
TANG Guolei, WANG Wenyuan, GUO Zijian, et al. Impact analysis of channel dimensions on the effective utilization ratio of container terminal berths[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2016, 37(1): 127-131. (0)
[2]
PRŠIĆ M, CAREVIĆ D, BRĆIĆ D. Determining inland waterway parameters with application to the sava river[J]. Promet-traffic & transportation, 2011, 23(2): 147-154. (0)
[3]
DU Peng, OUAHSINE A, SERGENT P. Influences of the separation distance, ship speed and channel dimension on ship maneuverability in a confined waterway[J]. Comptes rendus mécanique, 2018, 346(5): 390-401. DOI:10.1016/j.crme.2018.01.005 (0)
[4]
JUGOVIĆ A, CUKROV M, JUGOVIĆ T P. Multi-criteria optimization of motorways of the sea in the function of the environment protection:case study of croatia[J]. Promet-traffic & transportation, 2017, 29(4): 463-468. (0)
[5]
李天宏, 丁瑶, 倪晋仁, 等. 长江中游荆江河段生态航道评价研究[J]. 应用基础与工程科学学报, 2017, 25(2): 221-234.
LI Tianhong, DING Yao, NI Jinren, et al. Ecological waterway assessment of the Jingjiang river reach[J]. Journal of basic science and engineering, 2017, 25(2): 221-234. (0)
[6]
RAPPORT D J, HILDÉN M. An evolving role for ecological indicators:from documenting ecological conditions to monitoring drivers and policy responses[J]. Ecological indicators, 2013, 28: 10-15. DOI:10.1016/j.ecolind.2012.05.015 (0)
[7]
秦晓楠, 卢小丽. 基于BP-DEMATEL模型的沿海城市生态安全系统影响因素研究[J]. 管理评论, 2015, 27(5): 48-58.
QIN Xiaonan, LU Xiaoli. A BP-DEMATEL-model-based research of the factors that affect coastal urban ecological security system[J]. Management review, 2015, 27(5): 48-58. (0)
[8]
KANG Peng, XU Linyu. The urban ecological regulation based on ecological carrying capacity[J]. Procedia environmental sciences, 2010, 2: 1692-1700. DOI:10.1016/j.proenv.2010.10.180 (0)
[9]
DING Lei, CHEN Kunlun, CHENG Shenggao, et al. Water ecological carrying capacity of urban lakes in the context of rapid urbanization:a case study of east lake in Wuhan[J]. Physics and chemistry of the earth, 2015, 89-90: 104-113. DOI:10.1016/j.pce.2015.08.004 (0)
[10]
赵艺为, 张培林. 长江航道承载力概念研究[J]. 水运工程, 2018(3): 124-127.
ZHAO Yiwei, ZHANG Peilin. Conception of the Yangtze river waterway carrying capacity[J]. Port & waterway engineering, 2018(3): 124-127. DOI:10.3969/j.issn.1002-4972.2018.03.021 (0)
[11]
DESQUESNES G, LOZENGUEZ G, DONIEC A, et al. Distributed MDP for water resources planning and management in inland waterways[J]. IFAC papersOnLine, 2017, 50(1). (0)
[12]
LIU Huan, MENG Zhihang, SHANG Yi, et al. Shipping emission forecasts and cost-benefit analysis of China ports and key regions' control[J]. Environmental pollution, 2018, 236: 49-59. DOI:10.1016/j.envpol.2018.01.018 (0)
[13]
苏凡.长江干线航运发展与流域经济适应性评价研究[D].武汉: 武汉理工大学, 2013.
SU Fan. Study on the adaptability evaluation of the yangtze river main channel's shipping development and basin economy[D]. Wuhan: Wuhan University of Technology, 2013. http://cdmd.cnki.com.cn/article/cdmd-10497-1014160026.htm (0)
[14]
淦学甄.基于系统动力学的长江航运政策研究[D].武汉: 武汉理工大学, 2009.
GAN Xuezhen. Yangtze river policy research based on systems dynamics[D]. Wuhan: Wuhan University of Technology, 2009. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=degree&id=Y1475778 (0)
[15]
游士兵, 任静儒, 彭东方. 长江航运与流域经济互动影响研究[J]. 区域经济评论, 2014(4): 64-70.
YOU Shibin, REN Jingru, PENG Dongfang. Study on the Interaction between yangtze river shipping and river basin economy[J]. Regional economic review, 2014(4): 64-70. (0)
[16]
TING Liu, PEI Linzhang, YING Xu. Research on water level trends of the middle yangtze river based on mann-kendall and ARIMA model[J]. Applied mechanics and materials, 2014, 2987(513). (0)
[17]
孙文凯. 中国近年来经济增长与就业增长间数量关系解释[J]. 经济理论与经济管理, 2014(1): 16-26.
SUN Wenkai. A quantitative analysis for the relationship between economic growth and employment growth in recent China[J]. Economic theory and business management, 2014(1): 16-26. DOI:10.3969/j.issn.1000-596X.2014.01.002 (0)
[18]
张伟, 蒋洪强, 王金南, 等. 科技创新在生态文明建设中的作用和贡献[J]. 中国环境管理, 2015, 7(3): 52-56.
ZHANG Wei, JIANG Hongqiang, WANG Jinnan, et al. The role and contribution of science and technology innovation on the ecological civilization construction[J]. Environmental conformity assessment, 2015, 7(3): 52-56. DOI:10.3969/j.issn.1674-6252.2015.03.010 (0)