基于SD的集裝箱港口經濟綠色增長投資決策

鄭紅星，賀國燕，隋延清

（大連海事大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連 116026）

1 引言

“十三五”期間，港口發展面臨著新的機遇與挑戰，要求港口應該在經濟、能源和環境三者協調下實現可持續發展。而目前集裝箱港口高能耗、高排放、低效率的傳統發展方式已經成為制約集裝箱港口經濟綠色增長的枷鎖，為促進集裝箱港口經濟、能源和環境的協調發展，提出合理的綠色增長投資決策方案是成功打開枷鎖的重要一步，因此研究集裝箱港口綠色增長投資決策問題，對實現集裝箱港口經濟綠色增長具有重要意義。

國內外學者關于港口經濟綠色增長投資決策的研究成果較為豐富，根據投資決策的側重點不同，可以分為港口核心設備作業能力投資決策和環境污染治理能力投資決策兩個方面。

在港口核心設備作業能力投資決策方面，Villa[1]以墨西哥港口為研究對象，認為加大陸地基礎設備投資可作為港口改革的重點。Hernandez G D 等[2]指出新技術的應用可以推動港口設備以及運營能力的提升。Akhavan M[3]指出增加港口基礎設備投資可有效提升港口的通過能力，為港口貨物吞吐量的增長創造硬性條件。劉沛[4]等指出港口陸路集疏運基礎設備投資應向鐵路基礎設備投資傾斜，形成鐵路與公路良好競爭的合作局面。

在港口環境污染治理能力投資決策方面，楊秀妍[5]以天津港為例建立了港口大氣污染物排放清單，指出港口需加大環保力度，減少大氣污染物隨著吞吐量增加而逐漸加重的趨勢。郭子堅等[6]引入生態承載力供需平衡指數，構建港口生態承載力系統動力學模型，指出增加環保投資可減少港口生態壓力。趙黎明等[7]利用系統動力學建立了港口經濟貢獻模型，指出實施節能減排比單方面加大環保設施投資效果更好。郭振峰等[8]、喬文怡等[9]指出加大對環保措施投入下的節能減排效果并不理想，應以城市產業結構調整為主，以節能減排措施為輔。范小莉等[10]、彭宜薔等[11]建立了港口機械排放清單，指出進一步提高清潔能源的使用比例，是港口實現節能減排的重要措施。

綜上，從研究內容上，已有研究大多以港口可持續發展結構及能力評價、港城結構及經濟互動作用機理、港口基礎設施投資政策分析等為主；從研究方法上，主要采用層次分析法、系統動力學、動態分析、定性分析等。但是缺少綜合考慮集裝箱港口核心設備作業能力和環境污染治理能力兩個方面，研究如何投資才能有效實現集裝箱港口經濟的綠色增長。

系統動力學作為一門以研究信息反饋為基礎的學科，適合于非線性因素作用下高階次復雜時變系統的動態行為模擬，能夠清晰表達系統的過程機制，并進行時間尺度的推演[12],但目前在集裝箱港口經濟綠色增長的投資決策研究中鮮有應用。本文采用系統動力學理論與方法，在綜合考慮集裝箱港口經濟、核心設備作業能力和資源環境等因素的基礎上，構建集裝箱港口經濟綠色增長仿真模型，研究集裝箱港口核心設備作業能力與環境污染治理能力的內在機理，為解決集裝箱港口經濟綠色增長投資提供決策依據。

2 集裝箱港口經濟綠色增長系統分析與模型構建

2.1 因果關系圖和反饋回路分析

因果關系圖是直接反映系統內部各個要素之間相互影響關系的有效方式。港口通過能力、航次數是影響吞吐量的重要因素，而吞吐量是港口收益的主要來源，伴隨著吞吐量的變化，環境污染狀況、港口損失成本及環保投資也隨之發生改變，結合集裝箱港口的經濟特性，選取港口收益、核心設備投資額、環境污染治理能力投資額、環境污染經濟損失、港口通過能力、港口航次數、到港船舶數量、港口吞吐量作為集裝箱港口經濟子系統指標；集裝箱專用機械和水平運輸機械是港口環境污染物排放的主要貢獻機械類型[10]，其中集裝箱港口機械設備主要有堆高機、集卡、岸橋、泊位、集裝箱龍門起重機（場橋）、正面吊等[11]，選取集卡、港鐵、岸橋、泊位作為集裝箱港口核心設備子系統指標進行研究；由于港口的生產活動會導致能源、水、土地、岸線等資源消耗以及“三廢”的大量排放[6]，選取能源、COD、固體廢棄物、SO2作為港口資源環境子系統指標。根據港口內部各子系統之間相互聯系、相互作用和相互影響的機制，構建因果關系圖如圖1所示。

圖1 集裝箱港口經濟綠色增長因果關系圖

反饋環1 反映了通過港口核心設備作業能力投資增加使港口通過能力提高，港口吞吐量增加，港口收益增加，促進了港口經濟的發展；反饋環2、3 反映了港口能源消耗與污染排放主要來源于港口生產作業活動，港口吞吐量越大，港口機械作業設備運作越頻繁，能源消耗量越大，污染物排放量越大，環境污染經濟損失增加；反饋環4反映了環境污染治理能力投資增加，環境污染存量減少，由環境污染帶來的經濟損失減少。

2.2 集裝箱港口經濟綠色增長系統流圖和動力學方程

在分析系統因果反饋回路的基礎上，建立集裝箱港口經濟綠色增長系統動力學模型，如圖2所示，從集裝箱港口經濟子系統、核心設備子系統以及資源環境子系統構建變量體系，共涉及55個變量，其中6 個水平變量，9 個速率變量，其余為輔助變量及常量。

3 實證分析

3.1 模型參數估計與模型有效性檢驗

以大連某集裝箱港區為例，運用系統動力學模型對港區基本情況進行模擬分析。仿真系統是以2007年為基礎年，以2030年為終點，仿真時間間隔DT=1年，模擬步長取0.625。模擬參數采用回歸分析、取平均值、斜坡函數、階躍函數、表函數等方法確定，數據來源于大連統計局網站、《中國港口年鑒》、《大連統計年鑒》及《大連市環境狀況公報》等。

利用vensim軟件完成模型的結構和量綱一致性檢驗，選取2007-2016年的仿真結果與實際數據進行對比，結果見表1，仿真結果與實際值偏差率小于5%，說明模型擬合精確度較高，適用性較強，能較為準確的反映集裝箱港口內部各要素之間的互動機制，可以作為模擬與預測的依據。

表1 主要變量仿真結果與實際數據對比

3.2 仿真結果分析

圖2 集裝箱港口經濟綠色增長系統動力學模型

為研究集裝箱港口經濟綠色增長的不同投資方案對港口發展的變化趨勢，選取核心設備投資系數、環境污染治理能力投資系數、單位吞吐量固體廢棄物產量、單位吞吐量COD 產量、單位吞吐量SO2產量作為控制變量，設定時間邊界為2018-2030年，2018年為模擬基準年，進行仿真模擬，通過對控制變量取不同的值來展現不同的發展模式。各種發展模式的控制變量取值具體見表2。

通過仿真模擬研究四種方案的實施效果，仿真結果如圖3所示。

自然增長模式下，集裝箱港口經濟雖然呈現增長狀態，但是經濟發展帶來的資源環境問題日益嚴峻；與自然增長模式相比，核心設備綠色投資模式下，港口通過能力提升，吞吐量得到小幅度上升的同時，環境污染量相對減少；對比核心設備綠色投資模式與環境污染治理能力投資模式，環境污染治理能力投資模式未對集裝箱港口吞吐量產生影響，由于港口收益增長緩慢帶來的環境污染治理能力投資相對減少，則出現了圖3所示的COD 存量呈現先增后降的發展趨勢，以及SO2存量仍略大于核心設備綠色投資模式下的SO2存量的現象；對比協調發展模式與核心設備綠色投資模式，協調發展模式下集裝箱港口吞吐量與港口收益增長的同時，污染物排放與能源消耗得到大幅度下降，實現了集裝箱港口經濟的綠色增長。因此，協調發展模式下，將環境污染治理能力投資中部分額度轉投到核心設備的綠色化上，盡可能實現作業流程零排放；提高集裝箱港口設備作業能力，減少作業單耗，是實現集裝箱港口經濟綠色增長的最優模式。

表2 仿真方案表

3.3 投資建議

根據以上仿真結果分析，得出了實現系統整體最優化的最佳方案，結合集裝箱港口核心設備作業能力與環境污染治理能力投資決策的實際情況，本文提出以下投資建議：

（1）適當增加集裝箱港口核心設備綠色投資，推行清潔生產作業工藝。繼續推進以天然氣等清潔能源為燃料的集裝箱港口作業設備的應用，大力推進集裝箱港口機械設備“油改電”、“油改氣”工作，引導輕型、高效、電能驅動和變頻控制的集裝箱港口作業設備的發展；提升靠港船舶使用岸電技術，以降低船舶在港停靠期間污染氣體的排放；優化運輸結構，提高集裝箱港口設備的作業效率，降低裝卸單耗。

（2）加大環境污染治理能力投入，集約利用集裝箱港口自然資源。實施固體廢棄物分類處理，提高集裝箱港口固體廢棄物“減量化、再利用、資源化”水平；注重污水的有效處理和回收利用，完成對已有污水處理設備工藝技術進行改造；充分利用集裝箱港口地區風能、太陽能、地熱能、海洋能等可再生能源豐富的優勢，提高可再生能源使用比例。

4 結論

在經濟新常態下，如何實現集裝箱港口經濟綠色增長是目前集裝箱港口發展的關注焦點，而集裝箱港口核心設備的污染物排放和能耗已經成為集裝箱港口經濟增長中需要考慮的關鍵因素。本文以此為背景，在綜合考慮集裝箱港口經濟子系統、核心設備子系統和資源環境子系統的基礎上，建立了集裝箱港口經濟綠色增長系統動力學模型，揭示了系統內部各要素之間的互動機理。以大連某港區為例驗證了模型的實用性，并借助系統動力學仿真模型進行發展模式模擬。研究結果表明：在提高集裝箱港口核心設備作業能力投資的同時，將部分環境污染治理能力投資以適當的比例轉投到集裝箱港口核心設備綠色化上，從源頭減少污染物的產生，可有效實現集裝箱港口經濟的綠色增長。

本文在考慮集裝箱港口經濟綠色增長背景下，對集裝箱港口核心設備作業能力以及環境污染治理能力的投資效應進行了深入研究，有助于豐富和拓展集裝箱港口經濟綠色增長的理論研究。但并未得到兩者確切的投資比例，還有待進一步的深入研究。

圖3 四種方案的系統變量對比曲線