京杭运河聊城—德州段复航货运量预测研究

杨晓松，范海文，张楠，陈灿君

(1.山东省交通规划设计院，山东 济南 250031；2.河海大学 商学院，江苏 南京 211100)

内河航运作为我国综合运输体系中的重要组成部分，因其污染小、能耗低，对于大宗散货的运输具有天然的优势。京杭大运河作为古人开凿的重要运输运河，在黄河以南段由济宁到杭州超过1 000 km的航道至今依然发挥着重要的运输功能，但是在山东境内的黄河以北段的京杭运河断航30多年且河道淤塞严重，生态环境日益恶化[1]。在内河水运发展上升为国家战略的背景下，通过对黄河以北段复航后所产生的诱增运量进行计算和分析，能有效分析复航后运河腹地大宗货物的诱发增长情况，为运河后续的复航提供必要的依据。

根据国家经济和社会的综合发展对运输的需求，对水平年的货物运输量进行定量和定性的分析预测，可以有效地保证运输行业适应经济社会的发展。对于有历年运输数据的预测研究，通常是基于相关历史数据，结合运输通道周边区域的经济发展态势、产业分布、货种结构以及运输通道等作为影响未来运量的预测因素，利用相应的模型和理论对河流或航道未来的运量进行预测。例如闫伟等[2]利用多方程模型，将产业结构、生产布局以及消费水平等纳入方程中，作为影响集装箱运量的影响因素，对中长期的铁路集装箱运量进行了预测。丁涛等[3]依据乌江干流的历史货物结构和货运量，利用产销平衡分析的方法，对特定货种未来的运量进行了预测。余雅雪等[4]在预测松虎航道未来货物运量时，根据岳阳港与长江岳阳以上港口的货物运输以及区域GDP发展情况，利用回归分析对航道未来运量进行了预测。对新开辟或为即将开辟的运输通道未来的运量进行预测，由于没有历史运量数据作为借鉴依据，因而多是基于现有路径的运输成本、运输通道新建成后对区域运输路径的分担情况等因素，来分析新开辟的运输通道未来可能产生的货运量。在这一研究领域上，现有学者主要依据新建项目引发运量的相关因素着手，采用生产曲线、重力模型以及分担率等方式，对诱发的运量进行预测。例如，徐念榕等[5]最早提出运用Cobb-Douglas生产函数来对诱增运量进行测算。姚鸣等[6]详细梳理了高铁诱增运量的内在机理，将诱增运量划分为近期和远期两个阶段。岑敏等[7]根据不同类型诱增交通量的特性，利用生长曲线法对成渝高速公路和京津塘高速公路的诱增交通量进行测算。王晖等[8]基于诱增交通量展现的特征，探讨了重力模型法的优缺点。在转移运量上，盛冬冬等[9]以面板混合Logit模型为基础，选用运输过程中的几大影响因素作为指标，分析了高铁和民航在中长途高速客运中的分担方式。

综上所述，现有学者已从有无历史运量数据两个方面，利用不同的方法、切入不同的视角对货运量预测问题进行了相应研究。但是纵观目前的研究对象，多是以陆路运输方式为主，对水运预测的研究较少，由于现实情形，对于未开辟或新开辟的航道运量预测的研究更少。其次，在对诱发运量的研究中，现有研究多是将诱增和转移运量进行单独分析。对于水路运输而言，新开辟的航道因其低廉的运价和便利性，势必会引发区域产业结构的调整，从而诱增货种结构的增加，同时也会吸引周边运输通道的货种转移，因而有必要将其进行联合分析。本文依据无历史运量数据的预测方式，从诱增和转移分担两个方面，分别利用生长曲线和Influ-Logit模型对将要复航的黄河以北段航道运量进行预测，测度的结果可为该项工程的开展提供一定的数据支撑和参考依据，也对这一领域的研究提供相应的借鉴。

1 京杭运河黄河以北段复航诱发货运量的机理分析

对于新开发或即将开发的运输路径未来可能产生的诱发运量，根据不同的形成机理，可以划分为诱增运量和转移运量。具体而言，诱增运量是指新建成的运输通道在运输条件上得到了有效的改善，这种改善诱发了原先交通需求转向实际交通运输的增长，并且与区域的产业形成协调发展，促进了经济的发展，从而诱发了货运需求。根据京杭运河黄河以北段的区域产业经济发展现状和产业结构，目前聊城和德州两市在陆运的货运能力上已经捉襟见肘，难以匹配区域经济的发展，并且煤炭、建材等大宗商品的货物属性，不符合陆路运输的可持续绿色发展。当京杭运河黄河以北段成功复航后，可以连通南北经济带，平衡北方自然资源充沛地区和南方经济发达地区之间供需关系，对于区域城市群的经济区起到带动作用，推动沿线产业的发展，使港口吞吐量、船舶货运周转运量和区域物流产业蓬勃发展[10]。因而，京杭运河黄河以北段的复航能够起到水运货物诱增的效果。

转移运量则是指因为新建交通项目分担了原先在其他运输方式和路径下的货物量，由于与原先运输通道相比，新建项目自身运费低、运输效率高等特点在一定程度上引流了在其他路径上的货物，由此引发的货运量需要结合区域内不同运输路径货运量的转移情况进行配比分配。京杭运河山东段上游区域需要运河沿线可供开采的大量沙石与建筑材料，还有工矿企业与农副业所需的原材料、生产资料。对于这些货物，采用公路运输既不经济也不合理，铁路运输虽然适合中、长距离运输，但京沪铁路能力饱和；京九铁路能力目前虽尚有富裕，但主要承担赣、闽、粤、内陆煤炭需求的运输；海上运输虽然运量大，但距离长、中转环节多，费用亦高。只有利用京杭运河南北运输，才能做到运量大、成本低、污染小，达到节能减排的目的[11]。另外，京杭运河黄河以北段的中转运量不可低估，尤其是大同—秦皇岛、神木—黄骅、石家庄—德州和侯马—日照四条铁路线是我国西煤东运的大通道，鉴于江、浙一带需煤企业往往离京杭运河很近的特点，在京杭运河下船转运是最佳的运输链。由此可见，北段的复航可以实现北方自然资源充沛地区和南方经济发达地区之间的运输往来，进一步加强各省市资源与经济带之间的协作联系，推动落实国家对于多地协同发展的战略，促进沿运河区域资源调配、融合发展，并且能够利用其航运位置的特殊性分担其他运输途径的货物。

2 京杭运河黄河以北段复航诱发运量测度

2.1 诱增运量测度

根据上述分析，京杭运河黄河以北段航道的复航，会诱发相应的货运需求，从而在该条通道上产生货运量的增长。由于该条航道的复航还处于准备阶段，尚未有航道运量数据，因而根据以往学者的分析[12]，可利用现有可查的数据，采用生长曲线测算黄河以北段的诱发运量。具体公式如式(1)所示：

(1)

式中：Y为诱发运量预测值；K为诱发运量的上限；t为时间，这里表示年份；a和b为模型的参数，其需要结合该运输路径上的运量数据进行拟合，但是该条航道还处于未通航阶段，因而需要引入类似工程通航的参数进行分析。根据调研分析，南段的通航的货种主要是以煤炭、矿材等为主，与后续北段开通后的货种类似。而且京杭运河黄河以北段处于全线的咽喉处，南北方运输物资的往来提升了未来运河复航后过境运量，使南北两段的货物具有连通性，从而两段运河运量的变化趋势也将会呈现一定的相似性。因此，本文根据京杭运河黄河以南段通航的数据进行拟定，其中南段的数据如表1所示。

表1 山东境内京杭运河黄河以南段运量Table 1 Transport volumein the section of the Beijing-Hangzhou Canal south of the Yellow River in Shandong

采用SPSS对上述的结果进行拟合计算，按照2019年的诱增运量的95%进行设定，拟合公式可表示为式(2)。其中R2=0.893，接近于1。

(2)

根据以上的诱增机理分析，运河在聊城—德州段由水路所诱增的货物种类主要以煤炭、矿建材料、水泥以及木材等大宗商品为主。调研搜集聊城以及德州两市相关货运量需求上限如表2所示。

表2 2019年聊城和德州两市部分大宗商品的需求量Table 2 Demand of some bulk commodities in Liaocheng and Dezhou in 2019 单位：万吨

考虑到运河的通航需要一定的时间，因此以2025年为基年，以此来计算未来15年内的京杭运河聊城—德州段开辟后所诱增的运量。将上述数据代入到式(2)，各个年份的测算数值如图1所示。

图1 京杭运河聊城—德州段复航诱增运量Fig.1 Traffic volume that will be induced in the Liaocheng-Dezhou section of the Beijing-Hangzhou Canal

由图1可知，在未来复航后，运河的诱增运量呈现历年上升的趋势，年均增长率为15.9%，但各年增长率呈现稳步下降的趋势。由于航道的开辟，在一定程度上刺激了经济的发展，引起水运的诱增运量增加。然而随着“去产能”、高质量发展以及供给侧改革等一系列政策颁布，区域经济的发展对煤炭、水泥等大宗物资的需求会趋于平稳，在未来发展中，这些物资的需求量不会保持高速的增长，从而导致整个区域在煤炭、建材等一些依赖于水路的低附加值的大宗商品的需求度不会过度增长，这也在一定程度上解释了运河货运量增长率降低的现象。

2.2 转移运量测度

在运河航道复航后，其天然的便利性势必会在一定程度上将先前通过铁路和公路运输的货物转移到水运上。由于现阶段京杭运河黄河以北段还未通航，根据山东省黄河以南段数据可以算出运河航道对于区域货运量的分摊率，以此作为依据推算出当黄河以北段复航后，区域货运量在该段航道上的转移量。而且随着经济的发展，区域的产业结构也会发生变化，这进一步导致了货运结构的变化[13]。考虑到该条航道还未建成，因而在探究其到底对经济能起到多大的作用还未可知。因此，本文假定黄河以北段区域的货运量呈现稳定增长模式，通过灰色预测的方式，以上述区域以往的货运量作为基础，来预测未来的货运量增长情况，进而根据求出的分担率，得出复航后该段航道的货运情况。

2.2.1 灰色预测模型建立

在对黄河以北段区域未来的货运量进行预测时，考虑到各区域货运量统计数据的时效性，导致其自身样本量较少，采用灰色预测模型对这些区域未来的货运量进行测度[14]。通过对聊城与德州两市2009—2018年铁路与公路的货运量进行搜集，结果如表3所示。

表3 2009—2018年聊城与德州两市公路和铁路货运总量Table 3 Total freight volume of roads and railways in Liaocheng and Dezhou in 2009—2018 单位：万吨

具体原理和步骤如下：

第1步：级比检验

(3)

表4 公路和铁路级比检验Table 4 Road and railway grade ratio test

第2步：GM(1,1)建模

对原始序列x=(x(1),x(2),x(3)，…,x(n))进行累加，得到序列：

x(1)=(x(1)(1),x(1)(2),x(1)(3)，…,x(1)(n))

(4)

令

Z(1)(k)=0.5(x(1)(k)+x(1)(k-1))

(5)

即

Z(1)=(Z(1)(1),Z(1)(2),Z(1)(3)，…,Z(1)(n))

(6)

第3步：建立GM(1,1)灰微分方程

x(0)(k)+mZ(1)(k)=n

(7)

(8)

进一步地，Y和B满足

(9)

因此可以根据上述关系，求出m,n的值。

第4步：根据GM(1,1)白化型的方程

(10)

得出GM(1,1)白化型的解为

(11)

通过一阶递减算出预测的值

(12)

第5步：将表3的数据代入上述式中，进行逐步计算，将得出的结果代入到式(12)中，得式(13)～(14)。

(13)

(14)

进一步，将求出的解通过一阶递减得出2009—2018年公路和铁路货运的预测值，如表5所示。

表5 2009—2018年公路和铁路货运预测量Table 5 Road and railway freight forecast in 2009-2018 单位：万吨

2.2.2 灰色预测模型的检验

对建立模型进行残差检验和后验差检验，分别计算绝对残差E(k)、相对残差ε(k)、平均残差εavg和平均精度ρ0，当ε(k)<0.2,ρ0>0.8时，即认为模型检验合格。用预测值与实际值的残差分布特性进行检验，分别计算原始序列的标准差、绝对残差序列的标准差、方差比C和小概率误差P。 当C<0.35，P>0.95时，表明精度良好。

根据预测的结果，两种运输方式的绝对残差与相对残差如表6所示。其平均残差分别为0.017和0.012，对应的平均精度分别为0.983和0.988，表明精度良好。

表6 公路和铁路货运预测量的残差Table 6 Residuals of road and railway freight forecast volume

进一步地，对后验差进行检验，残差序列和原始序列的均值和方差如表7所示。方差比C=1.5×10-11，小概率误差P=100%。方差比和小概率误差满足对应的范围，表明模型的精度较好，即可以用该模型进行预测。

表7 后检验差值表Table 7 Differences in the ex-post test

根据上述公式，求出公路和水路2025—2039年的预测货运量，结果如表8所示。

表8 2025—2039年京杭运河聊城与德州货运总量预测结果Table 8 Prediction results of the freight volume between Liaocheng and Dezhou in the Beijing-Hangzhou Canal in 2025—2039 单位：万吨

2.2.3 分摊率模型

在假定经济稳定发展的前提下，通过上述货运量的预测，可知未来运河在黄河以北段流经区域的货运量变化情况。当运河通航后，货物的运输方式必定会转嫁一部分到运河上，但转移的比率还未知。为了分析黄河以北段运河通航后货运运量的发展变化，引入货运分担率模型来计算运河通航区域的各个运输方式占比，以此作为依据，根据上述预测的货运量，测算出通航后黄河以北段区域的货物运输转移运量。在模型选择上，借鉴许秋萌等[16]的方式，在传统的Logit模型上，利用改进的Influ-Logit模型中效用值的计算方式，对通航区域在水路、公路以及铁路的分担率进行测算。相对于传统的分担率模型，改进后的模型避免了超过临界值后预测结果随着Ui值的增大而呈指数级增长的弊端，因而这里对效用值Ui进行加权平均处理，具体如式(15)所示。

(15)

(16)

(17)

式中Yk为影响运输方式的影响因素，θ为该因素下对应的权重占比。

(1) 影响因素分析

北段航道的开辟影响运输方式发生转移的情况众多，根据调研情况，从运费、运输速度以及环保性三个方面进行比较。在成本方面，运河水运每吨公里运输成本0.041元，铁路每吨公里运输成本0.072元，公路每吨公里运输成本0.39元(数据来源江苏省交通运输厅)。根据聊城和德州的统计年鉴与地图，查询到聊城—德州在公路运输、铁路运输的距离分别为141 km、铁路152 km，而根据聊城的张秋镇—临清的小运河以及临清—德州段的卫运河，其总长为265 km，因而未来开辟的航道距离暂定为265 km。由此可以推测出水运、铁路以及公路运输方式的运价分别为10.865元/吨、10.944元/吨以及54.99元/吨；在环保方面，水运和铁路、公路运输相比存在天然的优势，根据各种运输方式每吨公里能耗情况以及调研情况，对水运、铁运和公路运输分别赋值为1、0.5以及0.025，以此表示三种运输方式的直达性指标；在运输速度上，货物的运输过程中，运输时间也是影响货主选择运输方式的一重要因素，同样根据以上运输距离，以及搜集到各个交通运输方式的速率，以水运20 km/h，铁路90 km/h，公路43 km/h，估算出聊城至德州在水路、铁路以及公路货运时间分别为13.25 h、3.20 h以及1.39 h。

(2) 权重的确定

由于上述公式中的θ是各项影响因素的权重，而权重的确定较为主观，并没有统一衡量的标准。因而这里通过利用专家打分法来确定三种影响因素的权重。即对三种影响进行两两比较，其中某一因素相对于另一因素最为重要取值为(8～10分)，较为重要取值为(5～7分)，不重要取值为(1～4分)，根据每位专家在各个因素上的打分，得到各个影响因素的指标权重矩阵。进一步地，根据层次分析法计算出各个因素的权重，得出运输成本权重为0.57，环保性权重为0.13，运输速度权重为0.30。具体如表9所示。

表9 三种运输方式的运输效用及分担率Table 9 Transport utility and share rate of three modes of transport

根据上述对2025—2039年两市的公路和铁路货运总量的预测情况以及三种运输方式的分担率，计算出航道开辟后的转移运量，结果如表10所示。由表可知，在聊城—德州段运河复航后，运河所承担的货运量居中，整体小于公路，但大于铁路。2025年的运河的货运量为32 621万吨，而在2039年的货运量为78 378万吨，这15年期间货运量的年平均增长率为6.45%，但整体的增长率呈现明显下降的趋势，这与上述的诱增运量呈现的变化趋势一致。

表10 2025—2039年水路转移货运量预测值Table 10 Prediction value of waterway-transfer transferred freight volume in 2025—2039 单位：万吨

3 结论与建议

文章根据搜集的资料，分别利用生长曲线和Influ-Logit模型对聊城—德州段的断航运河在复航后的未来15年内货运量进行预测，发现运河的复航所产生的货运量主要来自于因运河所产生的诱增运量和区域其他运输方式的分担运量。在诱增运量上，结合运河已经通航的南段，利用生长曲线模型，测算出了对应的参数，并根据该生长曲线测算了该段运河复航后对区域的诱增运量，在2025年的诱增运量为1 003万吨，2039年的为7 239万吨。在转移运量上，依据灰色预测模型测算出聊城—德州区域内未来货运量的增长情形，并进一步测算出运河开通后对区域内货运方式的分摊率，以此测出复航后转嫁到运河上的转移运量，2025年的转移运量为32 621万吨，2039年的为78 378万吨。而且，就三种方式的货运量上看，依然是以公路作为主要货运方式。而公路在现代交通运输中，能耗大、成本高，尤其是对煤炭、建材等大宗商品的运输上，其环保性方面难以保证交通运输的绿色可持续发展，这反映了未来的聊城—德州区域的运输方式需要进一步优化和调整。

根据上述测算结果，本文提出如下建议：

(1)加大基础设施投入，促进运输方式协调发展。为实现货运总量合理増长，优化运力结构，政府部门应发挥引领作用，在黄河以北段开辟后，应该大力投资区域航道的建设，提升区域水运的承载力，在保持公路和铁路运力稳健条件下，积极发展水路运输，加强水运方面的政策条文，规范水运交通方式的运输环境和市场，保持多种运输方式协同发展，提升综合运输能力。

(2)加快构建绿色交通体系，优化货运市场结构。水运的发展离不开产业的配套，政府部门应及时出台货运路网布局，以提升货物流通能力和效率为目标，整合公路、水路、铁路，优化区域的产业布局，完善货运网络体系，通过吸引大宗散货等适水货种转为水路运输，促进节能减排，提升水运的承载份额。