作者简介:石伟 (1983-), 男, 博士研究生。研究方向为海洋地理信息系统。E-mail: shiw.11b@igsnrr.ac.cn
中国的南沙群岛位于南海南部,岛礁星罗棋布,但受到岛礁自身面积及其他自然条件的限制,自持力和承载能力都较差,需要外界的持续补给才能维持大量人口的活动。南沙岛礁远离大陆,分布于被称为“危险地带”的珊瑚礁丛中,补给受到很大影响。目前,南沙群岛的岛礁部分被菲律宾、越南和马来西亚等国非法侵占,这些被其他国家非法控制的岛屿和沙洲的控制态势对其周边的海域产生一定的控制,并且将对通过的船舶产生较大的影响。针对南沙岛礁补给困难和控制态势复杂的现状,本文从南沙岛礁的自然条件和控制态势入手,提出了一种基于最小累积成本距离和加权Voronoi图的综合可达性指数,通过建立水深与航行成本的分级对应关系,构建了南沙岛礁及周边港口可达性评价模型,计算了南沙23个岛礁和周边国家9个重要港口之间的综合可达性指数,通过分析南沙主要岛礁和周边国家重要港口之间的综合可达性的优劣,可以为中国在南沙建设补给和中转基地选址提供决策参考。可以为中国开发和管理南沙群岛、制定海洋发展战略提供依据。
Nansha Islands are located in the south of South China Sea. The islands and coral reefs are scattered in the sea area. Area and other natural conditions of these islands are not the factors limiting intensive human activities, only if there are continued supplies from the mainland. But the supplies shipping to Nansha islands dotted in "Dangerous Area" are not easy jobs. At present, many islands, cays and reefs of Nansha Islands have been invaded and occupied by Vietnam, Philippines and Malaysia. The control states generated by these islands and reefs will affect the ships passing by. Considering the complex situation of Nansha, an accessibility index based on the least accumulative cost distance is proposed. The accessibility model of Nansha Islands and surrounding seaports is established based on the index. Two scenes of natural situation and control states are simulated to calculate the average access times between 23 islands or cays of Nansha and 9 surrounding seaports belong to the 4 countries. The result shows that the control states of islands have a great impact on the accessibility; as the main island of Nansha, Taiping Island gets the optimal accessibility to other islands or cays, which is very suitable to be built as the supply base; Seaports of Vietnam, Malaysia and Philippines get the optimal accessibility to the islands or cays in Nansha, therefore their control abilities to Nansha Islands are very strong and cannot be ignored. However, our seaports get the worst accessibility, so it is our top priority to set frontier supply bases on suitable islands, cays or reefs in Nansha so as to loosen the stress from surrounding countries. In current situation, Zhubi Jiao and Yongshu Jiao are the suitable options to be built as supply and transit bases for China. This research can be a reference for the development and management of Nansha Islands or decision-making of marine development.
南沙群岛位于南海的南部, 是中国南海诸岛中位置最南的群岛。20世纪60年代以来, 随着南沙群岛海域油气资源的勘探和开发, 周边国家纷纷以各种手段非法窃取和强占了许多岛礁, 特别是岛屿和沙洲。目前, 中国 (包括台湾省) 驻守的有8个岛礁, 菲律宾、越南和马来西亚非法侵占了40多个岛礁; 其中, 越南非法侵占29个岛礁, 菲律宾非法侵占8个岛礁, 马来西亚非法侵占5个岛礁[1]。
这些岛礁面积小、自然条件差, 导致自持力和承载能力都较差, 需要外界的持续补给才能维持大量人口的活动。它们远离大陆, 且分布于被称为“ 危险地带” 的珊瑚礁丛中, 船舶的运输补给受到很大影响。此外, 被其他国家非法控制的岛屿和沙洲的控制态势对其周边的海域产生一定的控制, 并且也将对通过的船舶产生较大的影响, 尤其是过往的货轮及在岛礁附近作业的渔船。面对南沙岛礁的复杂情况, 需要一种描述周边国家港口对南沙岛礁的补给能力以及南沙岛礁的接受补给的能力的有效模型或方法。
可达性指从一个地方达到另一个地方的容易程度, 可以用于表述一个地方的地理区位, 特别是交通区位, 在很大程度上代表该地方的开发潜力[2]。有关可达性的研究最早出现于20世纪50年代末[3], 经过近60年的发展, 可达性研究的理论和方法都有了很大的扩展。主要集中于区域经济和城市发展及交通网络等方面。Gutierrez和Gonzalez对跨欧洲高速铁路网可能引起的欧洲各城市可达性值的变化进行了研究[4], 结果表明, 2010年可达性较低的区域面积相比1993年将会大幅度减少, 可达性最高的前两个等级的区域面积有巨大提升。Bowen通过对东南亚航空中心1979-1997年国际航空可达性的研究[5], 评价了不同的国家航空政策对航空节点城市可达性的影响。曹小曙等基于多种模型对339个中国国家干线公路网络联结的城市通达性进行了分析[6]。金凤君等研究了中国铁路网的扩展与可达性的变化[7]。在港口可达性方面, 曹有挥和吴威等从运输成本的视角, 对以港口为中心的区域综合交通可达性及空间格局进行了一系列研究[8, 9, 10, 11], 并提出了综合运输成本时空演化的基本模式; Francesco和Albert针对全球化航运提出了一种基于全球港口网络的船舶配置与通达的定量评价模型; Pierre和Martijn从交易成本资源配置的角度借助可达性分析[12], 认为港口的竞争的关键是整合海运和腹地运输链[13]; Jean-Claude和Hyunwoo借助引力模型, 研究了美国货物联运到达东西海岸及墨西哥湾的各大港口的可达性[14]。
与以往针对港口可达性的研究不同, 本文将港口与岛礁间的可达性作为研究对象, 以水深对船舶航行安全的影响的作为成本权重, 对不同势力控制下岛礁的控制范围及强度进行了分级量化, 从南沙岛礁的自然条件和控制态势入手, 以后勤补给和物资中转的视角, 提出了基于最小累积成本距离 (LACD) 和乘法加权Voronoi图 (MWVD) 的综合可达性指数, 通过构建南沙岛礁及周边港口可达性评价模型, 分析了南沙群岛主要岛礁的综合可达性, 对港口的补给能力和岛礁的受补给能力进行评价, 并对南沙补给和中转基地的选址提出了建议。该研究可为中国进一步开发和管理南沙群岛、制定海洋发展战略提供参考依据。
南沙群岛位于南海南部, 地处12° 10′ ~3° 25′ N, 108° 15′ ~119° 00′ E, 南北宽约970 km, 东西长约1200 km, 海域面积82万km2。南沙群岛海区海底地形复杂, 主要分布在巽他大陆架至南海中央海盆的大陆坡, 其间交错分布着南沙台阶, 其上隆起的海山顶部发育了星罗棋布的礁滩, 形成了南沙群岛的主体。其中干出礁55座, 常年出露水面的单体35座[15]。干出礁上发育的23个灰沙岛 (包括岛屿和沙洲) 面积都很小, 最大的太平岛也仅有0.4 km2。南沙大部分海域水深都在1000 m以上, 适宜船舶航行, 但在岛礁分布区, 水深变化剧烈, 可在礁体边缘的数海里内从数千米深的海盆上升为几米深的礁坪[16]。南沙群岛除西南海区为全日潮外, 其余部分为不正规日潮。整个海区平均潮差较小为0.5~1 m, 但岛礁区受浅水地形影响, 其潮差远大于深水区, 通常大其1倍以上[17]。
南沙群岛有人常驻的岛屿、沙洲中 (弹丸礁通过人工改造面积扩展较大, 将其列为人工岛) (图1), 除面积最大的太平岛由我国控制外, 其他18个, 均被菲律宾、越南和马来西亚非法侵占瓜分 (表1)。
![]() | 表1 南沙主要岛礁基本信息 Tab. 1 Islands and reefs in Nansha |
本文选取了南沙周边国家和地区对南沙群岛有补给能力和控制能力的主要民用和军用港口, 分别属于中国、菲律宾、越南和马来西亚 (图2和表2)。
![]() | 表2 南沙周边国家和地区主要港口 Tab. 2 Seaports around Nansha |
将港口和岛屿抽象为点目标, 假定航行的单位成本为w, 定义任两点之间的成本距离如下:
(1)
式中:D为点A(xa, ya) 到点B (xb, yb) 的成本距离, w为两点间的航行成本权重。
若任意一点至目标点间由不同权重的n段路程组成, 则其最小累积成本距离Dsum可表达为:
假定航行速度为船舶航行的速度v, 基于公式 (3) 则可以得到两点间的最小累积成本时间T, 用于描述两点间的可达性; 然后计算一点至其他各点的最小累积成本时间的平均值, 作为该点的综合可达性指数Acc, 得公式 (4)。
在海上自然航行时, 航行安全是通达的第一保障, 本文排除了台风、巨浪等特殊情况的影响, 仅考虑一般情况下的航行问题。海上船舶航行安全主要受水深影响, 因此, 在自然条件下, 岛礁— 港口可达性评价模型以水深为成本权重。
当海区的水深较深时, 船舶可以安全的高速通行, 但当通过岛礁分布区或靠岸航行时, 由于水深逐渐变浅, 船舶需要降低航行速度, 或者绕开浅水区域航行。船舶在浅水区域航行, 需要预留出足够的富裕水深, 防止触礁或搁浅。因此, 需要考虑船舶自身的吨位、吃水、潮汐、波浪等因素的影响。为最大程度保证航行安全, 参考船舶吨位、吃水以及富裕水深的相关资料[18], 将船舶的安全水深Hsafe定义为:
式中:α 为安全系数, Hdrft为船舶标准吃水, Htide为潮差, Hwave为一般海况下波浪平均起伏高度。
由于外海的潮汐、波浪等都有较大变化, 海底地形及底质复杂, 且海图不如近岸海域详细, 在此将安全系数α 定为1.2, 在南沙海域, 潮差一般在1 m左右, 珊瑚礁区受地形影响潮差略大约为2 m, 南海多为2~3级海况, 即波浪起伏在3 m左右。因此, 排水量5万t船舶的吃水约为10 m, 在南沙海域的安全水深为15 m以上; 排水量10万t船舶的吃水约为15 m, 在南沙海域的安全水深为25 m以上; 排水量20万t船舶的吃水约为25 m, 在南沙海域的安全水深为50 m以上。如20万t船只在50 m以上水深海域可安全的自由航行; 而当其在25~50 m水深海域航行时, 处于安全考虑, 需降低航行速度, 但10万t的船舶在此水深则不受影响, 因此若不降低航速, 1条20万t的船舶分为2条10万t船舶, 航行成本变为前者的2倍; 以此类推, 在10~25 m水深海域航行的成本为4倍; 在0~10 m水深航行时的成本为8倍。综合考虑以上因素, 将水深按0~15 m, 15~25 m, 25~50 m和50 m以上划分为4个级别, 分别赋予成本权重分别为8, 4, 2, 1, 代表通过该水深级别区域耗费成本的倍率。
岛屿对周边海域的控制态势受到两个因素的制约:一为距离, 二为周边岛屿。参照《联合国海洋法公约》中关于岛屿制度及领海的相关规定, 12 n mile表示领海能力、24 n mile表示毗邻区能力、36 n mile表示内预警区、48 n mile表示外预警区。岛屿对周边海域的影响强度会随距离的增加而衰减。
Voronoi图是描述空间配置关系的常用方法之一[19], 多用于空间剖分, 势力范围划分等[20, 21, 22]。本文采用乘法加权Voronoi图, 用于划分岛屿之间的控制范围。
综合岛屿距离和权重两个因素, 首先生成控制态势下的岛屿控制范围, 然后计算得到航行的成本权重, 计算综合可达性指数, 进行港口和岛礁的可达性评价。
(1) 岛屿控制范围的生成
岛屿控制范围的生成主要包括多级影响区域的生成和控制范围分割两个步骤。
第一, 在模型中, 以各个岛屿为中心, 分别以12 n mile、24 n mile、36 n mile、48 n mile作为影响半径, 生成的影响缓冲区分别代表各个岛屿的1、2、3、4级区域(图3)。
第二, 岛屿与其周边的岛屿对海域的控制为竞争关系, 在模型中, 岛屿受自身能力的限制, 其影响海域的能力与其自身能力成正比。因此, 岛屿对周边海域的分割可表示为:
式中:Di和Dj为海域中任一点到岛屿i和岛屿j的距离, Wri和Wrj为岛屿i和岛屿j的权重。本文中采用岛屿的等面积圆的半径表示该岛屿权重, 见公式 (7)。
(7)
根据上述定义, 本文利用岛屿自身的位置和权重, 生成乘法加权Voronoi图 (Multiplicatively Weighted Voronoi Diagrams, MWVD), 表示各个岛屿对海域的影响区域划分(图3)。
(2) 成本权重的计算
当己方船舶通过岛屿的有效控制区域时, 船舶通行不受岛屿控制的影响。但当非己方船舶通过岛屿的有效控制区域时, 在1~4级控制区域内受到的影响分别为5, 4, 3, 2倍迟缓效应, 即船舶的航行速度降低的倍率。
当考虑控制态势时, 可达性模型中关于通行成本权重的部分进行了相关的调整,
式中:w为综合权重; wn为受水深等级影响权重; wc为控制态势影响权重。
4.1.1 岛礁可达性评价 在自然条件, 仅考虑水深影响, 基于综合可达性指数的公式, 分别计算23个南沙岛屿的最小累积成本距离分布及综合可达性, 结果如表3所示; 并对我国进驻的岛礁之间的可达性进行了统计, 结果如表4所示。实验中, 以正常海况下货轮平均航速为例, 取值为20节。
在表3中, 第一列表示岛礁的综合可达性排名, 第二列和第三列为各岛礁的名称及控制方, 第四列为岛礁到其他岛礁的平均最小累积成本距离, 第五列为岛礁到其他岛礁的综合可达性指数。由表可以看出:太平岛的综合可达性排名为第一, 这是因为太平岛位于南沙群岛的中心, 至其他各个岛礁的平均可达时间最短, 综合可达性最强。因此太平岛最为适合作为补给中转基地。但可达性最好的岛礁, 基本被越南和菲律宾侵占。相比较而言, 南威岛和弹丸礁, 由于地处南沙群岛西南部和东南部的边缘, 其到达其他各个岛礁的平均可达时间最长, 综合可达性最差, 排名倒数后两位。
![]() | 表3 南沙主要岛礁间平均最小累积成本距离及综合可达性指数 Tab. 3 Average LACD and accessibility of main islands in Nansha |
中国进驻的岛礁, 由于地处水深较深且开阔的南沙各大水道附近, 岛礁的综合可达性较好, 除太平岛外, 综合可达性最优的渚碧礁到其他岛礁的综合可达时间在5小时以内, 适合作为潜在的补给或中转基地进行建设。
在表4中, 第一列表示岛礁的综合可达性排名, 第二列为各岛礁的名称, 第三列和第四列分别为岛礁到其他岛礁的平均最小累积成本距离和岛礁到其他岛礁的综合可达性指数。可以看出:在我国进驻的岛礁中, 太平岛的综合可达性最强, 至其他各个岛礁的平均可达时间最短。虽然太平岛是中转补给基地最优选择, 但由于历史诸多原因, 暂时无法直接进行开发利用。渚碧礁和永暑礁的综合可达性略逊于太平岛, 可作为南沙补给基地的首选。
![]() | 表4 中国进驻的南沙主要岛礁间平均最小累积成本距离及综合可达性指数 Tab. 4 Average LACD and accessibility of main islands under control by China in Nansha |
4.1.2 港口可达性评价 在表5中, 第一行为起点港口的名字, 第一列为终点岛礁的名字, 表中值分别表示各港口至各岛屿相互之间的最小累积成本距离, 表的最后两行分别表示各港口至各岛礁的综合可达性指数及其排名。由表可以看出:作为距离南沙群岛最近的港口, 马来西亚的哥打基纳巴卢港的优势突出, 综合可达性最好, 其至南沙各主要岛礁的综合可达时间最短, 平均约15.7小时, 其次是越南的金兰湾港约17.3小时, 位于菲律宾巴拉望岛的普林塞萨港需不到21小时, 越南的胡志明港和菲律宾的马尼拉港需不到30小时, 而我国距离南沙群岛最近的三亚港则需超过31小时, 高雄港需47小时, 而从广州港出发则需要约47小时, 是排名前三港口的三倍。可见, 马来西亚、越南和菲律宾等国的港口到达南沙诸岛礁有着非常便利的条件, 而我国的港口则距离较远, 基本没有优势。
![]() | 表5 南沙主要岛礁与周边重要港口的最小累积成本距离及综合可达性指数 Tab. 5 LACD and accessibility of seaports around Nansha |
对于中国而言, 从港口出发向南沙岛礁运送补给或集中渔获产品时间很长且成本很高, 因此, 在南沙选择适合的岛礁建设补给基地和中转基地是十分必要的。结合岛礁间的综合可达性分析, 除太平岛外, 渚碧礁是个不错的选择。
在计算受控制态势影响的岛礁可达性时, 首先要计算各个岛屿控制范围, 利用3.3节中的模型生成基于乘法加权Voronoi图的南沙23个岛屿控制范围(图4)。然后, 与以12 n mile、24 n mile、36 n mile、48 n mile作为半径, 生成的缓冲区分别代表岛屿的1、2、3、4级影响区域进行叠加, 生成23个岛礁的1~4等级控制区域, 在图5中1, 2, 3, 4级的控制区域分别用红色、橙色、黄色和蓝色标示。
在考虑控制态势的情景下, 平均航速按20节计算, 计算岛屿之间、岛屿与港口之间的综合可达性指数(表6-8)。
![]() | 表6 南沙主要岛礁起点平均最小累积成本距离及综合可达性指数 Tab. 6 Average LACD and accessibility of main islands as origin in Nansha |
![]() | 表7 南沙主要岛礁终点平均最小累积成本距离及综合可达性指数 Tab. 7 Average LACD and accessibility of main islands as destinations in Nansha |
![]() | 表8 南沙主要岛礁与周边重要港口的最小累积成本距离及综合可达性指数 Tab. 8 LACD and accessibility of seaports around Nansha |
4.2.1 岛礁可达性评价 表6和表7分别表示南沙主要岛礁作为起点和终点时与其他岛礁的综合可达性, 其中, 第一列表示岛礁的综合可达性排名, 第二列和第三列为各岛屿的名称及控制方, 第四列为岛礁到其他岛礁的平均最小累积成本距离, 第五列为岛礁到其他岛礁的综合可达性指数。从结果可以看出, 受岛礁控制态势的影响, 岛礁作为起点和终点, 其综合可达性有较大差别。
当岛礁作为起点时, 太平岛综合可达性最好, 从此出发到达其他岛礁平均仅需7.3小时, 比较适宜作为补给基地进行开发。双黄沙洲、南钥岛、中业岛、西月岛等菲律宾非法侵占的岛礁综合可达性均较好, 越南非法侵占的岛礁综合可达性相对较差, 中国进驻的永暑礁至其他岛礁的综合可达时间约8.8小时, 可作为建设补给基地的重要参考。
当岛礁作为终点时, 太平岛虽然略逊于染青沙洲和敦谦沙洲, 但仍然有较好的综合可达性, 也比较适宜作为物资中转基地, 方便从各个岛礁集中渔业等产品进行加工或中转运出。越南非法侵占的岛礁的综合可达性较好, 菲律宾非法侵占的岛礁则相对较差, 中国进驻的渚碧礁和美济礁也较为适合作为物资中转的备选基地进行建设。
对比自然条件下的可达性指数 (表3), 分析可得:在南沙岛礁复杂的控制态势的影响下, 岛礁至岛礁间的综合可达时间大为增长, 平均增长3.4小时。并且位于稀疏分布区域的岛礁较分布密集区域的岛礁的综合可达性受岛礁控制态势的影响较更大, 如位于南沙西北部北子岛、南子岛, 位于西南部的南威岛以及位于东南部的弹丸礁等岛礁的综合可达时间增长非常显著。
4.2.2 港口可达性评价 在表8中, 第一行表示港口的名字, 第一列表示岛屿的名字, 表中值分别表示各港口至各岛屿相互之间的最小累积成本距离, 表的最后两行分别表示各港口的综合可达性指数及其排名。对比自然条件下的可达性指数 (表5), 分析可得:在南沙周边的各个港口至各个岛礁的平均可达时间均有所增长, 平均约3小时; 越南的金兰湾港综合可达时间最短, 平均约20小时, 其次是马来西亚的哥打基纳巴卢港20.2小时, 菲律宾的普林塞萨港约23小时, 菲律宾的马尼拉港和越南的胡志明港需约30小时, 我国的三亚港需约35小时和37小时, 马来西亚的古晋港需约36小时, 高雄港增至50.6小时, 从广州港出发则需要约50.8小时, 仍是金兰湾的约2.5倍, 对岛礁的补给效率不及后者的一半。可见, 岛礁控制态势对港口到岛礁的可达性的影响比较有限, 不能对其格局产生颠覆性的改变。
对于中国而言, 三亚港对南沙岛礁的综合可达性最好, 可作为南沙方向的重点补给港口。结合岛礁间的综合可达性, 除太平岛外, 永暑礁可作为南沙的补给基地, 渚碧礁可作为南沙的中转基地。
针对南沙岛礁补给困难和控制态势复杂的现状, 本文从南沙岛礁的自然条件和控制态势入手, 提出了一种基于最小累积成本距离和加权Voronoi图的综合可达性指数, 通过建立水深与航行成本的分级对应关系, 构建了南沙岛礁及周边港口可达性评价模型, 通过分析南沙主要岛礁和周边国家重要港口之间的综合可达性, 为中国在南沙建设补给和中转基地选址提供了决策支持。模型在自然条件和控制态势影响两个情景下, 计算了南沙23个主要岛礁的平均可达时间, 获得了这些岛礁的综合可达性; 以及计算了南沙周边4个国家和地区的9个主要港口至南沙23个岛礁的平均可达时间, 获得了这些港口的综合可达性。通过分析发现, 南沙岛礁对周边海域的控制态势对其可达性有较大影响; 太平岛与其他南沙岛礁间的综合可达性较优, 适宜作为补给基地进行建设; 越南、马来西亚及菲律宾等的港口至南沙主要岛礁的可达性较优, 其对南沙各个岛礁的潜在控制能力不容小觑, 而我国的港口则相对不足。因此急需在南沙选择合适岛礁, 建设前沿补给基地, 以应对周边其他国家的压力。对于现状而言, 渚碧礁和永暑礁应优先作为补给基地和中转基地进行开发, 为我国在南沙群岛进行后勤补给、中转渔获、维护渔权、宣示主权等活动服务。但模型中成本权重的确定仅是理想状态下的情况, 未将复杂海况如潮汐变化、海流、风场、恶劣天气以及岛礁建设等因素考虑在内, 随着研究的深入, 我们将对模型进行进一步修正, 以期获得更优的结果。
The authors have declared that no competing interests exist.
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