由流域水沙模型至内河航运经济模型
李文杰，寇伟航，杨胜发，韩宝宁
(重庆交通大学国家内河航道整治工程技术研究中心，重庆 400074)
【摘 要】 航运是经济发展的重要载体，目前航运经济基础理论研究较少，尚无成熟的系统模型。本文在流域水沙模型的基础上进行引申，提出了内河航运经济模型，探讨了内河航运经济的核心物理过程和关键科学问题。内河航运经济模型可概化为货物产出经济驱动模型、公铁水运输方式竞争模型、水运货物运输动力模型三个模块，并提出了各个模型构建所需的数据和构建思路。内河航运经济模型可预测规划经济水平下的航运需求、总体航运能力，据此可分析航运与经济发展水平的适应性，提出规划经济水平下的航运建设方案，包括航道等级提升方案、港口布局及吞吐能力建设方案、通航建筑物扩能方案，为解决新经济条件下的内河航运问题提供了支撑。
【关键词】 内河航运经济；经济驱动模型；公铁水竞争模型；水路货物运输模型
基金项目：国家重点研发计划课题(2016YFC0402103)；国家自然科学基金(51679019)。
作者简介：李文杰(1984— )，男，河北人，副教授，博士，主要从事航道水沙运动基础理论及航运经济研究。
E-mail：li_wj1984@163.com
1 引言
航运是经济发展的重要载体，河流海洋流经之地都建有密集的城市群和发达的经济带。我国内河航运建设为经济社会发展提供了重要的依托，如古代很多王朝建都于黄河之滨、长江流域有灌溉和舟楫之利而成为历史上的繁荣富庶之地。长江拥有适宜的水文地质条件、贯穿东中西地区的地理位置优势，极适于发展航运：春秋战国及秦汉时期的水运主要为军事服务，如战争物资的运输；唐宋时期的航运主要为王朝的经济服务，如唐代赋税中江南占90%、宋代漕粮年运量达800万石；明清时期，长江航运开始为商品经济服务、如棉布、丝绸、茶叶、瓷器、粮食等贸易；近代以来，长江航运经济非常繁荣，航道、港口、船舶等要素长足发展，航运跨越海洋至亚太、欧美、非洲各地，已成为国际知名的黄金水道[1]。长江作为沟通我国东中西部地区的运输大动脉，在航运方面仍有巨大的潜力待挖掘，尤其我国推进实施“长江经济带”和“一带一路”国家战略，新的经济形势对长江航运的建设发展提出了新的要求。
长江沿线呈现经济发展水平东高西低、自然资源东贫西丰的差异性和互补性，中上游与下游存在巨大的物资交换需求。随着长江中上游地区工业化、城镇化以及承接东部地区产业转移进程加快，中上游地区逐步由原材料、初级产品的输出地演变为吸纳地，长江航运货物运输量上下行比例由多年的下水70%、上水30%逐步演变为目前的上水55%、下水45%。在航运建设方面，长江航道等级如何规划、港口如何布局、三峡如何扩能等一系列问题尚未完全解决，虽然目前正在按照国家规划实施一些具体工程，但严格来看，这些工程仍然缺乏经济发展的数据支撑，长江航运与经济发展水平的适应性如何尚需深入研究。
本文拟根据流域水沙模型的构建模式，初步提出内河航运经济模型的基本框架，探讨内河航运经济的关键科学问题及研究思路，为解决新经济条件下的内河航运问题提供支撑。
2 内河航运经济物理过程及模型框架
流域水沙模型[2]是流域水利规划建设的基本工具之一，而航运的规划建设尚没有成熟的模型。对比目前比较成熟的流域水沙模型，本文提出航运经济模型可参考流域水沙模型构建，二者的对比见表1。
表1 流域水沙模型与航运经济模型对比
基于上述对比可以看出，流域水沙模型的构建思路可以借鉴至航运经济模型，前者为流域水利规划调度提供支撑，而后者可为不同经济发展水平下的航运规划建设提供支撑。据此，本文对航运经济物理过程进行解析，然后提出航运经济模型的基本框架。
2.1 航运经济物理过程解析
航运与经济通过产品(货物或旅客)的流动相互作用，经济发展驱动产品流动形成货物运输需求，航运则为货物运输需求提供运输基础条件。本文主体研究对象为航运，以货物运输为核心，将整个航运经济的物理过程概括为如下三个方面：
(1)货物产生的经济驱动过程。产品在经济腹地中形成，其产量取决于经济腹地的自然资源、人口数量、科技水平和管理政策等；经济腹地的产品可用于满足本地或外地的经济发展需求，其流量和流向取决于经济驱动力，流向外地的产品数量则形成了待运输的货物。
(2)货物运输模式的选择过程。运输模式包括公路、铁路、水路、航空、管道以及各种方式联运等，前三者为主要的货物运输模式；供货方依据需求方的要求，考虑运输成本和时间效率，进而选择运输模式和具体运输路径；随着国家对生态环境重视程度的提高，各种运输模式的能源消耗、污染排放以及化学类货物的泄露风险等也逐渐成为运输模式选择的因素。通常达到足够的运输距离情况下，水路是运输成本最低的运输方式，因此大宗且长距离的运输一般会选择水路。
(3)货物的水路汇聚和运输过程。货物一旦选择水路运输，则必须通过公路或铁路中转至港口，然后选择不同的船型装船而进入航道，船舶则在航道限定的通航条件下完成运输，特定区域必须要通过通航建筑物。
上述航运经济物理过程可概括为图1，需要注意的是图中货物流动反向亦然。
图1 航运经济核心物理过程
2.2 模型框架概化
基于上述航运经济物理过程，航运经济模型框架如下：
(1)货物产出经济驱动模型。一个区域既是货物的产出地，又是货物的消耗地，某区域的经济发展需要很多其他区域的资源支撑。如果本地的某资源产出不能满足经济发展需求，则产生了对外界该资源的需求；其他区域若存在该种资源的余量，则会在这种需求的驱动下向该区域流动。类比降雨入渗后产生的径流在重力作用下从高至低流动，货物产出经本地消耗后在经济驱动力的作用下流动。
(2)公铁水运输方式竞争模型。运输方式目前只考虑公路、铁路和水路，根据货物产出经济驱动模型确定的货物运输量、出发地和目的地，基于运输成本和时间效率建立公铁水路运输方式的竞争模式。公路主要考虑运输能力、速度、基本费用和跨省费用，铁路主要考虑运输速度和基本费用，水路运输主要考虑航道通过能力、港口装卸效率和费用、通航建筑物通过能力、不同船型运输能力和费用等。
(3)水运货物运输动力模型。根据经济驱动作用下的运输路径，针对最终选择水运的货物，推导货物在水路中的运输方程，可类比水流和泥沙的运动方程。货物运输动力模型主要包括如下模块：公铁路运输转运至港口模块，需考虑港口吞吐量、装卸效率、可停靠的船型；水路运输模块，根据长江水文地形条件对不同时间的航道尺度(水深、宽度、弯曲半径)采用水流模型模拟、货物装载至船舶后的运动过程采用粒子追踪法模拟、通航建筑物作为局部通行限制条件。
综合以上，构建航运经济动力模型，可模拟如下结果：航道的总体运输能力，断面的通过量，港口的装卸量，船舶航迹等；预测规划经济水平下的航运需求，确定航道提升等级方案、港口布局及吞吐能力建设方案、通航建筑物扩能方案等；可分析航运与经济发展现状的适应性以及航道、港口、通航建筑物效益分析、航运综合效益评估等。
3 内河航运经济关键科学问题
为构建内河航运经济模型，需要解决如下关键科学问题。
(1)区域经济对货运需求的驱动机理。货运需求产生的本质是货物贸易，其原因是生产和消费活动的时空不均匀性，其驱动力包括人口增长、生产能力进步、消费水平提高等经济条件，其阻力包括政府贸易政策、贸易运输费用、生态环境保护需求等。比较有代表性的是克鲁格曼2008年获诺贝尔经济学奖的“新经济地理学理论(new economic geography，NEG)”，该理论解释了各类生产-消费活动地理格局背后的聚集力和分散力，为货物贸易需求模型研究奠定了基础[3,4]。基于经济理论基础，首先分析可代表货物生产和消费的经济指标，然后根据生产和消费的空间分布研究区域间贸易量的形成机理和模型[5]。
(2)公铁水路运输竞争原理。国外对竞争理论研究较早，最具代表性的是获得诺贝尔经济学奖的最大效用理论[6-8]，其提出的理论及计算方法，为各种竞争模型奠定了理论基础。针对水路竞争力，部分学者详细研究了港口装卸效率和费用的影响[9,10]。基于最大效用理论，首先分析公铁水竞争的关键因素，然后建立航运竞争得到的货运量模型。
(3)水运货物运输动力学机理。货物运输过程可给出各运输路径上的货流量运动过程，为交通基础设施的设计提供依据，并可分析现状条件下的交通拥堵情况等。针对运输过程中可能存在的拥堵现象，国外对货物运输的研究主要集中在公路和铁路，而国外水路中海运比重较大、且内河航道渠化较好，一般很少考虑拥堵问题。比较经典的理论为存储论[11,12]以及相应的运输分配模型[13]。我国内河航道等级差别迥异，环境保护区和水坝等对通航的影响较大，需要研究水路货物输运的动力过程，针对水路建立货物运输模型。
4 内河航运经济模型构建思路
内河航运经济模型的构建，首先研究各个模块的力学物理机制，据此建立数学模型求解而建立前述三个模块。三个模块的关系依次递进，货物产出经济驱动模型为公铁水运输方式竞争模型提供边界条件、公铁水运输方式竞争模型为水运货物运输模型提供边界条件，综合构成内河航运经济模型，其具体实现过程见图2。
图2 航运经济模型构建思路示意图
以长江流域航运经济系统为例，需要广泛搜集各经济腹地的经济数据、公铁水路网数据、航道港口数据等，见表2。
表2 航运经济基础数据形式及来源
基于以上数据，内河航运经济模型构建思路如下：
(1)区域经济对货运需求的驱动模型构建。需研究区域不同类型货物贸易量大小与经济体量、区域距离等的关系，基于NEG理论，研究重力理论、投入产出理论和一般均衡理论的适用性；据此建立不同类型货物系列年的贸易O-D(贸易量的出发地—目的地)生成模型，需实现规划经济水平年的货物贸易O-D矩阵表模拟。
(2)公铁水路运输竞争模型构建。根据模拟的货物贸易O-D矩阵表，包括货物运输量、出发地和目的地，基于运输成本和时间效率建立公铁水路运输方式的竞争模型。运输费用模块：公路主要考虑单位货物运输基本费用和跨省费用，铁路主要考虑单位货物运输基本费用，水路运输主要考虑单位货物运输基本费用和港口转运费用。时间效率模块：公路和铁路主要考虑单次运输能力和公铁路速度，水路主要考虑不同船型运输能力和速度、港口装卸时间效率、通航建筑物通行时间效率等。运输竞争过程见图3。
图3 公铁水路竞争示意图
(3)水运货物运输动力模型构建。针对最终选择水运的货物，类比水流和泥沙运动方程推导货物在水路中的运输方程。公铁路运输转运至港口模块：考虑港口吞吐量、装卸效率、可停靠的船型，根据连接港口的公路和铁路情况，建立港口货物转运量模型。水路运输模块主要包括水流运动和货物运动模拟：根据长江水文地形资料对不同时间的航道尺度(水深、宽度、弯曲半径)采用水动力模型模拟；以港口货物转运量作为水路输入条件、通航建筑物作为水路通行限制条件，装载货物船舶在水流中的运动过程采用粒子追踪法模拟，见图4。
图4 船舶粒子追踪示意图
基于长江流域经济数据、公铁水路网数据、航道港口数据等，构建长江航运经济动力学模型，可模拟规划经济水平下的货物运输需求、航运总体运输能力，据此分析长江航运与区域经济发展水平的适应性，为长江航道等级提升方案、港口布局方案、通航建筑物扩能方案等提供支撑。
5 结论
基于对流域水沙模型的思考，本文引申出一种航运研究的新模式——内河航运经济动力模型，分析其核心物理过程，提出如下研究方向及重点：
(1)揭示经济对货运的驱动机理并建立货运需求预测模型。分析货运量与经济指标(包括自然资源、GDP、人口等)的相关关系，建立各类货物产量的数学表达式；考虑地区经济差异，构建不同类型货物运输需求的O-D(货运量的起点—终点)矩阵预测模型。
(2)提出公铁水路运输方式竞争模式。根据货物贸易O-D表，分析得到各类运输方式费用和时间与影响因素(包括各类方式的运输量和效率、港口吞吐能力和装卸效率、通航建筑物通行效率等)的关系，构建以运输费用和时间为指标的公铁水路运输方式竞争模式，综合竞争力指标对费用和时间采取不同的权重。
(3)建立水运货物运输动力学方程及计算模型。类比水流和泥沙运动方程推导货物水路运输的动力学方程。模型包括港口转运、航道通航条件、船舶运动、通航建筑物通行，其中港口货物转运为水路输入条件、航道通航条件根据长江水文地形资料采用水动力模型模拟、装载货物船舶的运动过程采用粒子追踪法模拟、通航建筑物作为水路通行限制条件。
综上构建的内河航运经济动力模型，可模拟规划经济水平下的货运需求，航运与经济发展水平的适应性，为航道等级提升方案、港口布局方案、通航建筑物扩能方案等提供支撑。
参考文献：
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A Model Framework of Shipping Economy Imagined From Basin Flow-sediment Model
LI Wenjie,KOU Weihang,YANG Shengfa,HAN Baoning
(National Inland Waterway Regulation Engineering Research Center,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074)
Abstract:Shipping is an important carrier of economic development.At present,there is little research on the basic theory of shipping economy and no mature system model.Based on the model of water and sediment transportation in the river basin,this paper puts forward an economic model of inland waterway transportation,and probes into the core physical process and key scientific problems of inland waterway economy.Inland waterway economic model can be generalized as goods economy-driven model,competition model of road,railway and waterway transportation,waterway freight transport dynamic model.This paper presents the data requirements and construction ideas for each model.The inland waterway economic model can predict the economic planning of the overall shipping demand,shipping capacity,which can analyze the adaptability of shipping with economic development,the planning of waterway construction,including channel upgrading scheme,port layout and throughput capacity construction,navigation capacity expansion,which provides support for solving the problem of inland waterway transportation under the new economic conditions.
Key words:Inland Waterway Economy;Economic Driving Model;Competition Model of Road,Railway and Waterway Transportation;Waterway Freight Transport Model