天津港口与城市转型发展的仿真模拟和策略研究

张娟娟

摘 要：以天津港为例，将港口、产业与城市作为一个整体的动态复杂系统，构建港产城耦合SD模型，解剖港口物流与城市经济发展的多重反馈机理和各系统相互作用过程。模型运用历史数据揭示港口与产业、城市经济之间相互影响的数量关系，并在此基础上模拟未来10年的发展，通过参数变换进行策略调控，提出转型发展背景下天津港产城联动系统的优化路径。

关键词：港城关系 系统动力学 港口物流 天津

一、引言

“建港兴城，以港兴城，港为城用，港以城兴，港城相长，衰荣共济”，这是世界港口城市发展演变的普遍规律，揭示了港城关系相互作用的机理。国外对港城关系的研究起步较早，学者们从港口与城市空间关系、港口经济社会效益研究、可持续发展能力评价等方面进行了探索。我国港城关系研究起步于20世纪50年代，研究内容包括港口对城市经济的影响机理、港口城市规划问题、港口城市成长模式等，研究方法上，DEA评价模型、计量回归、系统动力学、灰色关联度等为港城关系的研究奠定了基础。但目前研究中鲜有考虑城市和港口转型发展的阶段特征，对港口城市动态演化趋势的研究较少。

近年来，我国经济由高速增长转向高质量发展阶段，各个港口城市正面临着转型升级的时代命题。因此，探求港城关系顺利转型意义重大。天津港是中国北方最大的综合性港口与重要的对外贸易口岸，在港口货物运输优势及临港产业的带动下，资金流、人才流以及信息流逐渐在天津集聚，一度促进天津经济快速增长，但天津经济增速自2017年出现断崖式下滑，过去依托港口发展起来的冶金、石化等传统工业对经济的拉动作用减弱。因此，研究天津港口与城市如何协同互动、实现转型发展，在具有一定的代表性。

港口城市作为一个复杂的大系统，系统内部结构及各要素间的作用机理是港城关系协调发展的关键。本研究以系统动力学为指导，考虑港口与产业、外贸、经济增长等城市各个系统要素之间的多元复合关系。通过调整主要投入要素，模拟不同模式下港城关系的发展趋势，为港口城市处理转型期的港城关系提供决策参考依据。

二、港产城联动系统构建

（一）系统结构及因果反馈关系

系统动力学模型能反映系统间各要素间的相互联系及动态变化，不仅有助于从总体上研究港城联动机理，也有助于进行多方案比较，研究系统的未来趋势。港城互动系统包括港口、产业、城市三个子系统。

1.港口系统。港口投入带来港口基础设施的改善，带动港口吞吐量的增加，增加港口的营业收入。模型中设定了港口基础设施投资额和研发支出的增长率，同时，港口基础设施投资额还受到港口收入的影响。

2.产业系统。产业投资、研发投入、消费刺激，带动临港产业产值增加。伴随经济转型升级，与港口关联度强的装备制造、信息技术、金融、物流等现代产业是港口与城市转型的重要契合点。

3.城市系统。城市系统为港口和产业发展提供各种资源要素，包括固定资产投资、消费支出、研发投入，并进一步作用于港口系统与产业系统。

通过反馈环能够清楚表达系统中各个要素之间的定性关系，是系统动力学研究中的关键环节。本研究中各个系统相互影响的主要反馈关系包括：（1）港口货物吞吐量与GDP形成正反馈环。（2）港口货物吞吐量与对外贸易形成正反馈环。（3）港口货物吞吐量与产业增加值形成反馈环。（4）GDP与产业形成正反馈环。

综上，基于港口、产业、城市子系统的结构、功能与反馈关系，构建港城互动仿真模型（見图1），包括37个微分方程，7个状态变量、12个速率变量、23个辅助变量，9个参数及7个初始常量组成。模型参数以2010-2016年的历史数据，采用线性回归、非线性回归、主成分分析、算术平均等方法确定。

（二）模型检验

整个模型借助vensim软件完成结构和量纲的一致性检验，数据拟合误差在±6%，具有良好的行为复制能力，能较为真实的反映天津市港产城联动的相互关系。模型灵敏度测验发现，当参数变化1%时，关键变量的变化幅度均小于1%，模型具有较强的稳定性。

三、主要变量对投入要素的敏感度分析

从三个系统中选取GDP、人均GDP、产业结构变动、对外贸易、港口货物吞吐量等指标来观察系统内投入产出之间的关系（见表1）。

（一）港口产出对投入要素的敏感性分析

港口货物吞吐量依次对港口直接投资、消费支出、港口外贸货物比重敏感，港口收入依次对港口投资、港口研发、消费支出敏感。表明增加港口直接投资是天津港口发展的主要路径，港口创新对港口收入具有显著影响。二产投资的增加也会带来港口货物吞吐量和港口收入增速加快，并且超过三产投资的影响，表明临港工业优势突出，临港服务业发展不足。提高港口外贸货物比重，可以提高外向型经济开放水平，但提高本

地外贸量会拉低港口营业收入，是因为目前的发展格局中，天津以外腹地的外贸经济对于天津港的收入影响更大。

（二）产业结构对投入要素的敏感度分析

第二产业发展的主导因素是投资，第三产业的主导因素是消费，且二产投资影响大于三产投资，表明天津尚未形成创新驱动的发展模式，且第三产业的发展主要以生产性服务业为主。投资对产业结构优化的影响是负向的，究其原因，一方面，房地产开发投资挤压了投资实体经济的效率，导致扩大投资的方式拉动经济日益困难，另一方面，投资边际效应递减规律，投资拉动模式不可持续。二产和三产投资比重的变动会带来产业结构优化，未来需要将投资重点转到调整产业结构，使固定资产投资效果达到新的增长点，实现“二次增长”。

新兴产业对港口投资、消费支出、港口外贸货物比重、二产投资比重等较为敏感，表明港口发展是新兴产业发展的重要因素，其中，新兴服务业对港口外贸货物结构更为敏感，新兴工业对港口研发投入更为敏感。消费支出对金融业和物流业，以及新兴工业的发展具有重要的刺激作用，且二产投资相比三产投资对新兴产业刺激作用突出，表明新兴产业的发展主要基于需求导向。

（三）对外贸易对投入要素的敏感度分析

港口投资增加1%，带动外贸增速提高0.1416个百分点，消费支出增加1%，带动对外贸易增速提高0.0444个百分点。优化港口内外贸结构比重，带动外贸增速提高0.0327个百分点。港口投资、港口外贸货物比重分别增加1%后，分别带动外贸依存度提高0.1137、0.0262个百分点，进一步表明港口发展对天津提升外向型经济发展水平意义重大。

（四）经济发展对投入要素的敏感度分析

GDP增长最敏感的因素是最终消费支出，表明提高居民收入，刺激消费，是提高GDP的重要途径。其次是固定资产投资，投资增速提高1%，GDP增速加快0.2709个百分点。其中，在投资结构中，投资二产对GDP的增长提高更有效率。从人均GDP对投入要素的敏感度分析发现，消费和研发投入分别提高1%，分别提高人均GDP增速0.8837、0.0379个百分点，而投资增加1%，对人均GDP的拉动作用是负向的。表明，投资拉动的模式虽然有助于改善GDP，但不利于社会平均水平的改善。港口投资增速提高1%，带动GDP增速提高0.0173个百分点，说明了港口对于经济发展的重要作用。

四、动态模拟及不同模式发展预测

敏感度分析表明，各个产出指标对投入要素的敏感度不相一致，需要根据经济发展战略优化资源配置，调整投入要素配比。本文通过调整固定投资增长率、固定投资产出结构、消费增长率、R&D研发增长率、港口货物吞吐量增长率、港口研发投入、港口基建投资等变量，设计以下5种发展模式，以2016年为基期，利用vensim软件预测2016-2025年，不同发展模式下不同方案的发展趋势（见表2）。

（一）自然演变模式

自然演变模式，按照现有的发展趋势进行模拟。各个参数不变，采用2011-2016年平均水平，结果表明：

（1）港口方面：港口货物吞吐量呈现稳步增长，2016-2025年平均增速5.95%。（2）外贸方面：对外贸易额年均增速7.00%，外贸依存度从2016年的44.77%下降到2025年36.07%。（3）产业方面：2016-2025年，第二产业、第三产业平均增速分别达到7.33%、12.15%，产业结构优化比达到1.65。其中金融业产值增速达到13.44%，物流业产值增速达到4.37%，可见按照目前发展趋势，物流业对于产业结构优化的制约将在未来十年进一步显化，对经济贡献率由2011年的6%下降到2025年的1.43%。新兴工业年均增速远远高于工业，成为驱动工业结构优化的主导力量，对工业总产值的贡献率由23.28%达到2025年的36.79%。（4）经济方面：GDP、人均GDP年均增速分别达到9.60%、8.56%。投资消费结构进一步优化，消费贡献率从2016年的44.8%上升到62.64%，投资贡献率从2016年的59.2%降到44.7%。

（二）投资调整模式

投资驱动发展模式分为调整全社会投资、调整产业投资结构两种方案。

1.投资降速方案。考虑2017年以来天津全社会固定资产投资增速下滑，调整全社会固定资产投资增速至5%，则GDP增速下降；第二产业和第三产业增加值增速分别下降到5.53%、10.97%，但产业结构优化比速度可以提高0.58个百分点。对外贸易增速提高，对外贸易依存度从原来的36.07%提高到40.79%，外向型经济改善，港口货物吞吐量增速提高到6.02%。表明投资增速的下降，可以为改善经济质量预留空间。

2.投资结构调整方案。假设第一产业投资比重稳定在1%，稳步提高第三产业投资比重，保持年均增速1%，到2025年，三产投资比重占到全部产业投资的65.17%，二产投资比重降到33.38%。结果如下：港口货物吞吐量、对外贸易额的平均增速与自然发展模式基本保持不变，但在延长模拟终点时间时，会发现港口货物吞吐量和对外贸易额的增长速度要低于自然发展模式，表明产业投资结构的调整在短期内对两个变量影响不明显，但长期有拉低的趋势。第二产业增速下降，第三产业增速提升，但产业结构优化比改善明显，到2025年达到1.72。GDP年均增速比自然发展模式下降0.2个百分点；但是对人均GDP增速影响较小，仅仅下滑0.03个百分点。表明在产业投资结构优化的发展模式下，虽然经济发展总量有所降低，但是能够在保持人均产出水平不显著降低的情况下，有效改善产业结构水平，是經济质量改善的有效策略。

（三）创新驱动模式

加大研发投入，调整全社会R&D研发投入年均增长率至13.68%，结果如下：城市GDP和人均GDP年均增速提高，第二产业、第三产业增速提高到7.53%、12.19%，但产业结构优化比有所下降，说明在目前的变量关系中，研发投入对于第二产业增加值的提高更为显著。对外贸易额年均增速提高0.05个百分点，外贸依存度从自然发展模式下的36.06%下降到35.76%。表明在创新驱动的发展模式下，可以促进国内产出的增加，增加出口。对港口货物吞吐量和集装箱吞吐量增速影响不显著，但延长模拟终点时间，发现能够带动港口货物吞吐量和集装箱吞吐量的增加，表明创新驱动模式是有利于港口发展的，但是作用时间比较长，未来发展的关键是加快港口转型升级的步伐，缩短创新投入的滞后效应。

（四）消费驱动模式

最终消费支出对经济总量、人均产出、结构优化、外向型经济的发展作用均有显著促进作用。当最终消费支出增速在原有水平上增长1%，达到12.68%，城市GDP、人均GDP年均增速提高幅度最大。第二产业、第三产业显著提高，产业结构优化比提高到1.73。对外贸易额年均增速提高到7.05%。外贸依存度下降到35.07%，低于消费增长前外贸依存度，究其原因，主要是伴随消费支出的增加，国内消费需求将大幅度增加，经济增长逐渐由外需拉动转向内需拉动，出口在国民经济发展中的地位下降，导致外贸依存度下降，这与全国的发展趋势一致。

（五）港口驱动模式

港口驱动发展模式分为调整港口货物吞吐量增速、港口研发投入、港口基础设施投资三种模式。

假定港口货物吞吐量增长1%，年均增速6.97%。GDP平均增速提高到9.78%，表明港口发展对经济发展的提升效果显著。从产业结构看，港口能够带动第二产业和第三产业增速的提高，但对于产业结构优化的影响不显著，说明目前发展模式下，港口发展对于二产的带动作用更强，临港服务业对于整个第三产业的带动较弱，但港口发展能够刺激物流、金融和新兴工业发展。对外贸易额增速提高到8.21%，外贸依存度降到39.31%，港口发展将对外向型经济的发展起到进一步促进作用。

在港口投资驱动模式下，港口投资增长1%后，港口货物吞吐量年均增速达到6.10%，集装箱吞吐量年均增速提高到7.30%。在港口创新驱动模式下，港口研发投入增长1%，提高到年均增速28.83%，港口货物吞吐量年均增速达到5.96%，集装箱吞吐量年均增速提高到7.24%。表明，按照目前的港口发展模式，增加港口投资对于港口货物吞吐量的增长的拉动作用更强，创新投入与产出之间仍存在较多制约因素。

五、主要结论及建议

本文通过构建港城联动模型，分析投入产出要素间的互动关系，探讨经济发展阶段转换下的港产城联动趋势，基于不同驱动模式进行策略比较。综合以上分析发现：

（1）港产城联动发展在消费驱动模式下能够进入稳定发展阶段，各个指标均明显改善，以增加投资增量的投资驱动模式不可持续，未来发展策略选择中，需要根据转型发展需要及时调低全社会固定资产投资增速，为消费拉动和创新驱动腾出空间，并调整产业投资结构，促进产业结构的优化，但是要注意二产和三产投资结构要保持在一个适度比例，以保持产业结构继续优化的同时生产总值保持稳定增长。

（2）按照现有变量关系，创新驱动模式对于总量指标的改善有限，对于人均产出的改善较为显著，且与消费模式相比，創新驱动模式可以使得人均GDP的回升转折点到的更早。创新驱动对于产业结构总体优化的改善有限，但对新兴产业的改善显著，一方面原因是高新技术产业在整体经济中的比重还较低，不足以对整个产业结构产生颠覆性影响，另一方面原因是科技创新将在很长一段时间处于投入阶段，产出效率的提高需要经过一段时间的沉淀。这就要求在政府决策时候不能一味的以增加科技创新投入作为创新驱动的策略，更要关注创新链中的各个环节，打通创新投入与产出之间的各种体制机制障碍，提高创新产出效率。

（3）港口驱动模式下，港口对整个天津外向型经济的带动作用极为显著，同时也能够带动经济总量和质量等各项指标的改善，特别是对金融、物流和新兴工业的影响明显，是天津未来转变经济发展模式的重要撬动点。

总体而言，天津未来的发展要以增加居民消费支出、激活社会消费潜力，提高整个社会消费率为主要策略，以保持经济社会发展的总体稳定持续发展，同时加大研发投入、促进创新效率提升，推动经济质量等各项指标总体改善，尽快达到经济发展新的供需平衡点，实现“二次增长”，在这个过程中，要尽快降低房地产开发投资在整个固定资产投资中的比重，以减少无效投资，并相机调控产业投资结构，在保持二产稳定增长的基础上，促进产业结构优化，激进的结构调整和增速降低容易造成经济发展失速，进入停滞阶段。港口对于整个经济发展的贡献不容忽视，特别是在我国对外开放加快的背景下，实施港口驱动战略，对于提高天津经济整体水平具有重要的促进作用。但目前港口的发展模式仍是投资驱动为主，未来要在保持港口投资稳定增长的基础上，加快港口创新投入，以实现对经济增长和经济转型的双重激发作用。

参考文献：

[1]乔文怡，管卫华，王晓歌，王馨.基于绿色理念的港口城市耦合系统动力学研究——以连云港市为例[J].南京师大学报（自然科学版），2018（1）.

[2]郭建科，杜小飞，孙才志，王泽宇.环渤海湾地区港口与城市关系的动态测度及驱动模式研究[J].地理研究，2015，34（4）：740-750.

[3]陈洪波等著.港口与产业互动关系实证研究[M].浙江大学出版社，2013.

[4]陈洪波.港城关系理论研究[M].浙江大学出版社，2011.

[5]杨山.港城耦合发展动态模拟与调控策略——以连云港为例[J].地理研究，2011，30（6）：1021-1031.

[6]刘维林.区域物流系统与经济增长的动态耦合机理与实证仿真[J].经济地理，2011，31（9）：1493-1498.

[7]陈航，栾维新.港口与城市互动的理论与实证研究[M].经济科学出版社，2010.

[8]傅明明，吕靖.基于系统动力学的港口——区域经济关系研究[J].大连海事大学学报，2009，35（4）：43-46.

[9]刘丽娜，郭子坚，宋向群.基于系统动力学的港口经济分析[J].水运工程，2006，（5）：23-26.]

[10]宋炳良.有关港口城市创建与发展的理论研究[J].上海海事大学学报，2002，23（3）：44-49