江蘇沿海建港自然條件及港址比選的模糊聚類分析

洪 軍，張 鷹，李 歡

（南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，南京210046）

近年來(lái)隨著海洋經(jīng)濟(jì)的深入發(fā)展，江蘇沿海港口建設(shè)持續(xù)快速發(fā)展，連云港、鹽城、南通三市港口建設(shè)海域使用的需求日益增加。2008年江蘇省海域使用需求調(diào)查結(jié)果（表1）表明，沿海三市港口用海需求共有25宗?？墒敲つ康倪M(jìn)行港口開(kāi)發(fā)，勢(shì)必會(huì)改變海洋環(huán)境，不利于可持續(xù)發(fā)展［1］，為了實(shí)現(xiàn)江蘇省海洋環(huán)境、經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，必須加深對(duì)港口建設(shè)及港口選址的認(rèn)識(shí)。

1 江蘇省沿海建港條件及港口發(fā)展

回顧歷史，當(dāng)今世界發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展大都經(jīng)歷了從大陸向海洋的深入，海洋經(jīng)濟(jì)的發(fā)展促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)的騰飛［2］，而海洋經(jīng)濟(jì)的發(fā)展離不開(kāi)港口的建設(shè)和開(kāi)發(fā)。港口對(duì)所在城市經(jīng)濟(jì)的促進(jìn)是港口對(duì)腹地經(jīng)濟(jì)影響最直接的體現(xiàn)，港口對(duì)城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有著直接的影響力。“以港興市”是港口對(duì)所在城市經(jīng)濟(jì)促進(jìn)作用的最直接表現(xiàn)。創(chuàng)造和發(fā)展港口經(jīng)濟(jì)，充分發(fā)揮港口優(yōu)勢(shì)，是促進(jìn)港口城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要手段之一［2-3］，江蘇省是海洋大省，南北經(jīng)濟(jì)發(fā)展的差異促使蘇北地區(qū)加快港口建設(shè)的步伐。

表1 江蘇省海域使用需求類型（2008年）Tab.1 Demand type of sea area use in Jiangsu Province

1.1 江蘇沿海發(fā)展港口的潛力和條件

江蘇省海域使用效率相對(duì)較低，這也在一定程度上決定了江蘇省在海洋開(kāi)發(fā)上仍有很大潛力。王江濤等［4］對(duì)各沿海省市指標(biāo)值（海域使用率、海岸線使用、單位海岸線支持度、單位海域產(chǎn)值、單位海岸線產(chǎn)值、海域圍填使用率、海域親海需求滿足度、海域公益服務(wù)程度、海域和諧持續(xù)利用度）作加權(quán)，計(jì)算出各評(píng)價(jià)因素層的評(píng)價(jià)值和綜合評(píng)價(jià)值，結(jié)果表明，江蘇省在全國(guó)11個(gè)沿海省市自治區(qū)中（臺(tái)灣省數(shù)據(jù)缺失），海域使用程度位居第4，在海域使用效率、海域使用結(jié)構(gòu)以及海域使用水平綜合評(píng)價(jià)上位居第10，因此江蘇省需要進(jìn)一步提高海域使用效率、優(yōu)化使用結(jié)構(gòu)。

江蘇省擁有潛在的建港自然條件優(yōu)勢(shì)。江蘇北部沿海的海州灣和廢黃河三角洲臨海的5個(gè)縣（市），-10 m等深線離岸都較近，可建萬(wàn)t級(jí)泊位的水深岸線共約130 km，除連云港港外，灌河口水深河寬，攔門沙治理后兩岸都能停靠萬(wàn)t級(jí)以上海輪［5］；位于廢黃河水下三角洲至長(zhǎng)江水下三角洲的南北長(zhǎng)200 km、東西寬90 km的輻射沙脊群，有著特殊的地貌地形、水動(dòng)力條件，是一個(gè)非常特殊的區(qū)域。沙洲群海域脊、槽相間，水深變化較大，理論上這些地區(qū)建港、通航條件通常較差，但如果輻射狀展布的格局穩(wěn)定，沙脊之間的深大的潮汐水道（槽）就是良好的通航水道［6-7］，而有關(guān)科研成果表明，江蘇沿海輻射沙洲群自形成以來(lái)整體上是穩(wěn)定的［8］，說(shuō)明在該區(qū)域建設(shè)大港是可行的。如位于如東縣境內(nèi)的洋口港就是利用這種特殊的條件發(fā)展起來(lái)的港口，現(xiàn)在已經(jīng)頗具規(guī)模，與其條件類似的呂四港位于沙洲的南端，也即將開(kāi)建。

1.2 對(duì)江蘇發(fā)展港口的正確認(rèn)識(shí)

沿海城市建港應(yīng)滿足以下條件，即吞吐量要足夠大、足夠的沿岸水深、深水線離岸近、風(fēng)浪隱蔽條件好、盡量不建造防波堤、沿岸有寬廣平地可作臨海工業(yè)和倉(cāng)儲(chǔ)及其他港口設(shè)施用地等［9］。江蘇沿海地區(qū)及其陸域狀況能夠滿足建港的條件，但是部分海域風(fēng)浪大，勢(shì)必會(huì)加大建港投入；部分岸外輻射沙洲地區(qū)，深槽水深雖有10～20 m，但深水線離岸較遠(yuǎn)，往往達(dá)10 km以上，建港工程量及投資較大，沙槽內(nèi)部的泥沙運(yùn)動(dòng)狀況及趨勢(shì)必定會(huì)對(duì)港口后期的發(fā)展造成重大影響。如大豐港（西洋深槽）、洋口港（蔣家沙與太陽(yáng)沙之間）等在建或者規(guī)劃建設(shè)的大型港口，其共同的限制都是深水線距岸較遠(yuǎn)且泥沙運(yùn)動(dòng)情況復(fù)雜。

江蘇沿岸大部分為淤泥質(zhì)海岸，部分沿岸淤進(jìn)速度很快，考慮到輻射沙脊群的特殊情況，在這些地區(qū)建港之前必須考慮泥沙動(dòng)態(tài)條件。前面已經(jīng)提到輻射沙脊群處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但是這種穩(wěn)定只是一種動(dòng)態(tài)的平衡，局部地區(qū)的沖淤變化會(huì)對(duì)港口的后續(xù)發(fā)展產(chǎn)生重大影響，因此在建港之前必須對(duì)建港區(qū)域的泥沙沖淤狀況做出正確的評(píng)估。如還處于建設(shè)期的大豐港，其位置緊靠西洋深槽（水深大于10 m），建設(shè)大港有一定的優(yōu)勢(shì)，但是西洋深槽左右兩側(cè)的沖淤狀況對(duì)大豐港未來(lái)的發(fā)展有重要影響。近年來(lái)有學(xué)者應(yīng)用遙感的方法研究表明，一直處于淤進(jìn)狀態(tài)下的射陽(yáng)港——川水港段（西洋深槽地區(qū)）低潮帶開(kāi)始后退，與隔洋相望的東沙東移形成一種相斥的局面，表明西洋水道通過(guò)沖蝕在拓寬，水動(dòng)力作用加強(qiáng)［10］，這說(shuō)明將大豐港建設(shè)成江蘇中部海域的大型港口是可行的。

2 江蘇沿海港址選擇模糊聚類分析

2.1 模糊聚類分析基本原理

在科學(xué)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)管理中常常需要按照一定的標(biāo)準(zhǔn)（相似程度或親疏關(guān)系）對(duì)樣本進(jìn)行分類，例如根據(jù)生物的某些性狀，可對(duì)生物進(jìn)行分類；根據(jù)土壤的性質(zhì)，可對(duì)土壤進(jìn)行分類等。對(duì)所研究的事物按照一定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類的數(shù)學(xué)方法稱為聚類分析，它是多元統(tǒng)計(jì)分析“物以類聚”的一種分析方法。而實(shí)際上很多分類都不是絕對(duì)確定的分類，邊界界定都有一定的模糊性，因此對(duì)一些多要素、多指標(biāo)的分類采用模糊分類更貼近現(xiàn)實(shí)，這種情況下，采用模糊數(shù)學(xué)的方法進(jìn)行分類是比較適合。

1965年美國(guó)L.A.Zadeh教授著名的《模糊集合》一文的發(fā)表，標(biāo)志著模糊數(shù)學(xué)的誕生并很快發(fā)展起來(lái)。應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)進(jìn)行聚類分析的基本原理是：建立Pj×Qij的樣本-指標(biāo)矩陣（Pj代表實(shí)測(cè)樣本，Qij代表樣本所具有的指標(biāo)），由于Qij所代表的指標(biāo)值以及含義不同，為了能夠相互比較，在考慮各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重的情況下，采用一定的方法將其變換成γij（0≤γij≤1）標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值，根據(jù)γij建立起標(biāo)準(zhǔn)化的相似矩陣，再采取一定的標(biāo)準(zhǔn)將相似矩陣中的樣本進(jìn)行歸類，即實(shí)現(xiàn)聚類的目的。模糊聚類分析的一般步驟包括：建立原始數(shù)據(jù)矩陣、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、建立模糊相似矩陣和聚類［11-12］。港口開(kāi)發(fā)建設(shè)需要從經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境等多方面進(jìn)行綜合考慮，許多評(píng)價(jià)因素的內(nèi)涵和外延都有一定的模糊性，因此采用模糊聚類方法通常比較符合實(shí)際。

2.2 江蘇沿海港址選擇模糊聚類分析

2.2.1 樣本-指標(biāo)矩陣的建立

通過(guò)實(shí)地調(diào)查和論證，選取沿海三市中的7個(gè)縣（市）的7個(gè)港口作為評(píng)價(jià)樣本集，即論域（表2）

選取23個(gè)因子作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，指標(biāo)因子選取的原則是：指標(biāo)能反映研究區(qū)的區(qū)位交通條件、自然條件、腹地經(jīng)濟(jì)條件、項(xiàng)目條件、社會(huì)效益等，指標(biāo)因子的獲取方法包括實(shí)地調(diào)查、統(tǒng)計(jì)年鑒、網(wǎng)上專家系統(tǒng)評(píng)分等，不同指標(biāo)的獲取方法不同，如平均波高等關(guān)于自然條件的指標(biāo)因子可以通過(guò)多年實(shí)測(cè)資料的平均計(jì)算求得；而腹地消費(fèi)水平、經(jīng)濟(jì)實(shí)力等關(guān)于腹地經(jīng)濟(jì)條件的指標(biāo)可以通過(guò)當(dāng)?shù)亟y(tǒng)計(jì)年鑒資料獲取，而對(duì)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的貢獻(xiàn)、對(duì)環(huán)境影響的程度等關(guān)于社會(huì)效益的指標(biāo)因子可以根據(jù)項(xiàng)目的規(guī)模、當(dāng)?shù)貙?shí)際情況等通過(guò)網(wǎng)上專家系統(tǒng)評(píng)分獲得。

樣本與指標(biāo)建立起的樣本-指標(biāo)矩陣（表2）

表2 樣本-指標(biāo)矩陣Tab.2 Sample-indicators matrix

2.2.2 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

根據(jù)模糊矩陣的要求，對(duì)樣本-指標(biāo)矩陣進(jìn)行平移標(biāo)準(zhǔn)差變換以及平移極差變換，將其標(biāo)準(zhǔn)化，把上述的樣本-指標(biāo)矩陣壓縮到［0，1］之間，從而消除數(shù)據(jù)綱量的影響。

2.2.3 利用數(shù)量積法建立模糊相似矩陣（定標(biāo)）

經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的指標(biāo)數(shù)據(jù)γij（0≤γij≤1）沒(méi)有單位，所以直接選用數(shù)量積法對(duì)壓縮過(guò)的原始矩陣建立模糊相似矩陣R，無(wú)需變換，利用公式

2.2.4 聚類分析

模糊相似矩陣R不一定具有傳遞性，即R不一定是模糊等價(jià)矩陣，為了進(jìn)行分類，需要將R改造成模糊等價(jià)矩陣R*，根據(jù)模糊等價(jià)矩陣的含義，利用平方法求 R 的傳遞閉包 t（R）：即 R—R2—R4—···—R2n，R2n·R2n=R2n，（·代表模糊矩陣的合成運(yùn)算），經(jīng)過(guò)編程運(yùn)算可知n=2，即R的模糊等價(jià)矩陣t（R）=R4（表3）。

表3 模糊相似矩陣的傳遞閉包（迷糊等價(jià)矩陣）Tab.3 Transitive closure of fuzzy similar matrix

2.2.5 將λ從大到小進(jìn)行聚類以及結(jié)果分析

λ值就是模糊等價(jià)矩陣中t（Rij）的大小。根據(jù)模糊聚類的原理和方法，將λ從大到小進(jìn)行聚類，可知（1）當(dāng)λ=1時(shí)，各樣本自成一類，其中呂四港和洋口港聚為一類，可分為5類：{洋口港呂四港}，{大豐港}，{射陽(yáng)港，陳家港}，{中山港}，{堆溝港}；（2）當(dāng) λ=0.999 時(shí)可分為 4 類：{洋口港 呂四港}，{大豐港}，{陳家港}，{射陽(yáng)港，中山港，堆溝港}；（3）當(dāng) λ=0.995時(shí)可分為2類，{洋口港 呂四港 大豐港 陳家港 射陽(yáng)港 堆溝港}，{中山港}；（4）當(dāng)λ=0.992時(shí)可分為1類，{洋口港 呂四港大豐港陳家港 射陽(yáng)港 堆溝港中山港}。

用F-統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行驗(yàn)證確定的最佳λ為0.999，即分4類為最佳。有學(xué)者曾對(duì)以上7個(gè)縣（市）的港口進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)［13］，結(jié)果為：如東（洋口港 0.947）＞啟東（呂四港 0.947）＞大豐（王港 0.933）＞響水（陳家港0.856）＞灌南（堆溝港0.779）＞濱海（中山港0.765）＞射陽(yáng)（射陽(yáng)港0.761）。該結(jié)論與本文的分類結(jié)果較吻合，由此可以得出，江蘇沿海7個(gè)縣（市）中，建港條件最佳的為洋口港和呂四港，其次為大豐港，一般的為陳家港，較差的為射陽(yáng)港、中山港、堆溝港。

3 結(jié)論

為獲得沿海地區(qū)建港優(yōu)選順序，本文采用了區(qū)位交通條件、自然條件、腹地經(jīng)濟(jì)條件、項(xiàng)目條件和社會(huì)效益等5類因素共23項(xiàng)因子作為港口評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)建立樣本-指標(biāo)矩陣，對(duì)列舉的7個(gè)縣（市）的7個(gè)港口進(jìn)行簡(jiǎn)單的模糊聚類分析，通過(guò)編程計(jì)算可將其分為4類，建港條件最佳的為洋口港和呂四港，其次為大豐港，一般的為陳家港，較差的為射陽(yáng)港、中山港、堆溝港。該評(píng)價(jià)結(jié)果能為江蘇省沿海港口建設(shè)提供一定的參考。

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