基于海洋功能區(qū)的海域使用結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型初探

張瀟嫻，王江濤

（國家海洋信息中心，天津 300171）

基于海洋功能區(qū)的海域使用結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型初探

張瀟嫻，王江濤

（國家海洋信息中心，天津 300171）

探討了海域使用結(jié)構(gòu)形成機(jī)制，海域使用結(jié)構(gòu)是受海洋資源結(jié)構(gòu)約束，受消費(fèi)結(jié)構(gòu)引導(dǎo)，通過海洋產(chǎn)業(yè)落實到海域空間；分析了海域使用結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀和變化趨勢，結(jié)果顯示漁業(yè)用海呈下降趨勢，工業(yè)用海呈上升趨勢；并以各類海洋功能區(qū)為基礎(chǔ)，構(gòu)建了海域使用結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，為海域使用結(jié)構(gòu)調(diào)整提供定量化技術(shù)依據(jù)。

海域使用；結(jié)構(gòu)；優(yōu)化模型；海洋功能區(qū)

海域由海面、水體、海床和底土構(gòu)成，是發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)的載體，海洋開發(fā)利用的空間基礎(chǔ)和資源保障[1]，因此，不僅在各海洋產(chǎn)業(yè)之間存在著的海洋產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和比例關(guān)系，而且在各類海洋開發(fā)利用活動之間也存在著海域使用結(jié)構(gòu)和比例關(guān)系。根據(jù)系統(tǒng)論的觀點(diǎn)，結(jié)構(gòu)決定功能，只有結(jié)構(gòu)的合理，才能保持系統(tǒng)的良性循環(huán)，才能取得最大利用效率[2]。因此，海域使用結(jié)構(gòu)是否健康、優(yōu)化，直接影響著海域使用的效益。目前，中國海洋發(fā)展中的許多問題，都對海域使用結(jié)構(gòu)優(yōu)化提出了要求，主要體現(xiàn)在以下三個方面：

（1）隨著各類海洋開發(fā)利用活動的規(guī)模和程度不斷加大，各涉海行業(yè)對海域資源的需求大幅增加，而可供開發(fā)利用的海域資源逐漸稀少，海域資源的稀缺性日益凸顯，特別是海岸線和近岸海域資源供需矛盾尤為突出。針對不同時期的形勢和發(fā)展需求，科學(xué)合理地優(yōu)化海域使用結(jié)構(gòu)，可以在最大滿足各類用海需求的同時調(diào)解、緩和這些矛盾，提高海域使用效益。

（2）當(dāng)前，中國近岸海洋生態(tài)系統(tǒng)面臨著環(huán)境污染、生境喪失、生物入侵和生物多樣性低等各種問題，近岸海洋生態(tài)系統(tǒng)健康狀況惡化的趨勢仍未得到有效緩解。2009年，國家海洋局對18個海洋生態(tài)監(jiān)控區(qū) （涉及21個海洋生態(tài)系統(tǒng)）的監(jiān)測顯示，處于健康、亞健康和不健康狀態(tài)的海洋生態(tài)系統(tǒng)分別占24%，52%和24%[3]。不健康和多數(shù)亞健康的海洋生態(tài)系統(tǒng)仍然承受著巨大的污染壓力，濱海濕地生境和生態(tài)功能因大規(guī)模圍填?；顒佣罅坑谰眯詥适?，海洋生物群落結(jié)構(gòu)趨于簡單化，生物多樣性低，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，嚴(yán)重影響了海洋的可持續(xù)發(fā)展。這些問題都與對海洋資源的過度開發(fā)密不可分，改善這種狀況，需要調(diào)整海域使用結(jié)構(gòu)。

（3）中國的海洋經(jīng)濟(jì)正處于發(fā)展方式轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時期。據(jù)《中國海洋經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計公報》統(tǒng)計，2009年，全國海洋生產(chǎn)總值31 964億元，海洋生產(chǎn)總值占國內(nèi)生產(chǎn)總值的9.53%，占沿海地區(qū)生產(chǎn)總值的15.5%，全國涉海就業(yè)人員3 270萬人，其中新增就業(yè)52萬人[4]。但是，傳統(tǒng)海洋產(chǎn)業(yè)仍處于粗放型發(fā)展階段，主要海洋產(chǎn)業(yè)中高能耗產(chǎn)業(yè)增長速度處于前列，面對這些深層次結(jié)構(gòu)問題，海域作為海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展的生產(chǎn)要素，其使用結(jié)構(gòu)的優(yōu)化可以成為促進(jìn)海洋經(jīng)濟(jì)增長方式轉(zhuǎn)變的著力點(diǎn)之一，促進(jìn)海域資源由粗放式利用主體向著集約節(jié)約利用主體流動，促進(jìn)海域資源的使用由高能耗、低效益的產(chǎn)業(yè)向著低能耗、高效益的流動，從而以較少海域資源的投入和最低的生態(tài)環(huán)境損害來換取最大的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出，達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和經(jīng)濟(jì)效益的最大化。

1 海域使用結(jié)構(gòu)的含義與形成機(jī)制

海域使用結(jié)構(gòu)是海域使用系統(tǒng)內(nèi)部，各用海類型之間的比例和構(gòu)成關(guān)系，體現(xiàn)了海洋資源在各海洋產(chǎn)業(yè)中的分配形式，反映了海域使用系統(tǒng)內(nèi)部海域資源配置的合理性和各海洋行業(yè)用海的有序性，因此，海域使用結(jié)構(gòu)的形成，是由海洋資源結(jié)構(gòu)和所有海洋行業(yè)用海結(jié)構(gòu)共同作用，并主要通過海洋產(chǎn)業(yè)落實到海域空間（圖1）。

圖1 海域使用結(jié)構(gòu)形成關(guān)系圖

1.1 海洋資源結(jié)構(gòu)

中國現(xiàn)今工業(yè)化程度較低，今后相當(dāng)長時期內(nèi)自然資源型產(chǎn)業(yè)仍是產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主導(dǎo)趨勢，自然資源結(jié)構(gòu)仍然在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)演進(jìn)中發(fā)揮著重要的作用，但是，隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)層次的升級，地區(qū)自然資源結(jié)構(gòu)對產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)制約作用的程度將逐漸減弱，水、土地、光熱等能被多數(shù)產(chǎn)業(yè)部門可利用資源是共用自然資源，在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)演進(jìn)初期和后期作用的主要資源[5]。因此，海洋資源是海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展的客觀基礎(chǔ)，海洋資源的數(shù)量、質(zhì)量以及空間分布結(jié)構(gòu)是海域使用結(jié)構(gòu)的決定因素，有什么樣的海洋資源結(jié)構(gòu)就會形成什么樣的海洋產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而形成相對應(yīng)的海域使用結(jié)構(gòu)。

1.2 消費(fèi)需求結(jié)構(gòu)

社會需求是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的原動力[6]，一定水平的消費(fèi)結(jié)構(gòu)，通過經(jīng)濟(jì)體制、產(chǎn)業(yè)組織和生產(chǎn)技術(shù)，影響并形成一定的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，海洋產(chǎn)業(yè)以一定的海域資源利用能力和利用水平進(jìn)行產(chǎn)業(yè)活動，影響著海域使用結(jié)構(gòu)組成。

2 海域使用結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀分析

2.1 海域使用結(jié)構(gòu)變化趨勢

中國海域使用總量快速增長，已確權(quán)海域使用面積從2002年62萬 hm2增長到了 2008年的 147萬 hm2[7](表 1)，增長了2倍多，平均每年增長近27%，中國海岸線和近岸海域資源供需矛盾更加突出；與此同時，海域使用結(jié)構(gòu)也不斷變化（圖2-3），2002-2008年，漁業(yè)用海從89.6%下降到84.2%，交通運(yùn)輸用海從2.3%上升到5.23%，工礦用海從2.39%上升到2.49%，海底工程用海從0.49%上升到1.51%，圍海造地用海從2.5%上升到4.37%，從總體趨勢來看，中國海域使用結(jié)構(gòu)變化呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性：漁業(yè)用海呈下降趨勢，工業(yè)用海呈上升趨勢，但海域使用結(jié)構(gòu)是否向著最優(yōu)海域使用結(jié)構(gòu)方向變化還有待研究。

中國海域使用結(jié)構(gòu)中最突出問題是圍海造地用海比重逐年增加，這主要是由于我國重化工業(yè)沿海布局和人口趨海聚集帶來的對海域資源的合理需求，但是也存在著由于經(jīng)濟(jì)利益驅(qū)動而帶來的對海域資源開發(fā)利用過度和無序，在我國二等海域，經(jīng)填海造地后帶來的直接經(jīng)濟(jì)效益平均可達(dá)10多萬元/畝，因此，優(yōu)化海域使用結(jié)構(gòu)和布局時，圍填海應(yīng)予以重點(diǎn)關(guān)注。

表1 各類海域使用現(xiàn)狀和比重[7]

2.2海域使用結(jié)構(gòu)相似性和變化度分析

采用結(jié)構(gòu)相似系數(shù)和結(jié)構(gòu)變化度[8]（公式1，2）來衡量海域使用結(jié)構(gòu)定量變化，以及海域使用結(jié)構(gòu)相似程度，現(xiàn)根據(jù)2002-2008年海域使用統(tǒng)計數(shù)據(jù)（表1），分析海域使用結(jié)構(gòu)相似系數(shù)和變化度，結(jié)果計算為表2，海域使用結(jié)構(gòu)相似程度很大，總體變化程度較小，海域使用結(jié)構(gòu)相似性和變化度隨著時間序列增長而變小。

結(jié)構(gòu)相似系數(shù)：

式中：Sij是兩種結(jié)構(gòu)（i與j）的變化系數(shù)；Xik是 k種海域使用類型在i種結(jié)構(gòu)中所占的比重；Xjk是k種海域使用類型在j種結(jié)構(gòu)中所占比重。

結(jié)構(gòu)變化度：

式中：Q是結(jié)構(gòu)變化度；Xik是k種海域使用類型在i種結(jié)構(gòu)中所占的比重；Xjk是k種海域使用類型在j種結(jié)構(gòu)中所占比重。

圖2 海域使用結(jié)構(gòu)變化

表2 海域使用結(jié)構(gòu)相似性和變化度

3 基于海洋功能區(qū)劃的海域使用結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型構(gòu)建

中國海域使用結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究處于探索階段，尚未形成研究成果，但是在海洋產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究方面已經(jīng)取得了一些研究進(jìn)展，徐質(zhì)斌[9]等提出了海洋產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)合理性評估的標(biāo)準(zhǔn)，并闡述了優(yōu)化的原則和問題及其措施。張靜[10]等研究了海洋產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的演進(jìn)規(guī)律，張紅智[11]等研究了中國海洋產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀、存在問題、優(yōu)化目標(biāo)、原則和措施；劉曙光、張月銳、劉洪濱做了實踐研究，評價了環(huán)渤海、青島市、東營市海洋產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)[12-14]，等等。

海洋功能區(qū)劃目的在于揭示各個具體海域的客觀自然屬性和社會功能價值，以及適合的開發(fā)利用方向，其基本含義是根據(jù)海域 （在海岸帶區(qū)域有時還應(yīng)包括必要的陸域）的地理區(qū)位、地理條件、自然資源與環(huán)境等自然屬性，并適當(dāng)兼顧海洋開發(fā)利用現(xiàn)狀和區(qū)域經(jīng)濟(jì)、社會發(fā)展需要，劃分為具有特定主導(dǎo)（或優(yōu)勢）功能，為充分發(fā)揮海域的最佳效能，科學(xué)、合理地開發(fā)與保護(hù)海域及其資源提供客觀的標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)。近年來，我國海洋功能區(qū)劃實施成效顯著，為海洋經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和項目用海提供了保障，成為海域使用管理、宏觀指導(dǎo)海域開發(fā)活動的科學(xué)基礎(chǔ)和依據(jù)，但是在符合區(qū)劃條件下，無法調(diào)控各類海域使用活動之間比例關(guān)系，缺乏對綜合效益高的海域使用活動的引導(dǎo)，這正是海域使用結(jié)構(gòu)的不合理反映，并成為海域使用管理深層次發(fā)展的重點(diǎn)，因此，基于海洋功能區(qū)劃，采用合理科學(xué)的數(shù)學(xué)模型，對海域使用結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，非常具有實際指導(dǎo)意義和應(yīng)用價值。

優(yōu)化設(shè)計從馬克斯威爾理論 （Maxwell 1980）和米歇兒（Michell 1905）開始算起已經(jīng)有百年，從史密斯（Schimit）用數(shù)學(xué)規(guī)劃來解決結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計起算，亦有40余a的歷史[15-17]。近年來，線性規(guī)劃方法開始廣泛應(yīng)用于優(yōu)化設(shè)計，而且大量采用數(shù)學(xué)模型優(yōu)化方法也成為現(xiàn)代科學(xué)規(guī)劃的趨勢之一，通過借助數(shù)學(xué)模型這一嚴(yán)密的邏輯方法，能有效地保證結(jié)構(gòu)優(yōu)化思維的邏輯過程，從而增強(qiáng)規(guī)劃方案的科學(xué)性，具體的規(guī)劃問題，由于內(nèi)容不同，系統(tǒng)各要素之間的聯(lián)系方式不同，目標(biāo)函數(shù)與約束條件也有不同的性質(zhì)和形式，常用的規(guī)劃方法有線性規(guī)劃、灰色線性規(guī)劃、模糊線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃、動態(tài)規(guī)劃等[18-19]。建立數(shù)學(xué)模型優(yōu)化結(jié)構(gòu)在經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化里已經(jīng)得到很好的利用[20]，也發(fā)揮了其定量優(yōu)化的優(yōu)勢，而海域使用結(jié)構(gòu)與經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化有著一定的相似性，因此，通過建立目標(biāo)函數(shù)和約束條件，進(jìn)而建立數(shù)學(xué)模型優(yōu)化海域使用結(jié)構(gòu)的方法具有實際可操作性。

3.1 決策變量

在該模型中，用Xij表示某區(qū)域某類型海域使用面積，其中，i表示某種海域使用類型，j表示某個海域使用區(qū)域。則根據(jù)現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)HY/T 123-2009《海域使用分類》，共設(shè)10個決策變量：X1j為漁業(yè)用海，X2j為交通運(yùn)輸用海，X3j為工礦用海，X4j為旅游娛樂用海，X5j為海底工程用海，X6j為排污傾倒用海，X7j為圍海造地用海，X8j為特殊用海，X9j為其它用海，X10j為未利用面積。

3.2 目標(biāo)函數(shù)

海域使用的目的是通過對海洋資源的開發(fā)利用，來滿足人類社會的物質(zhì)文化生活需求，因此，海域使用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目標(biāo)是實現(xiàn)海洋經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和生態(tài)效益最大化，促進(jìn)海洋可持續(xù)發(fā)展。即海域使用結(jié)構(gòu)優(yōu)化應(yīng)實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出最大化、就業(yè)最大化、公眾親海等需求滿足最大化，海洋生態(tài)系統(tǒng)損害最小化。則目標(biāo)函數(shù)為：

式中：α代表區(qū)域某類型單位海域使用面積的經(jīng)濟(jì)效益；β代表區(qū)域某類型單位海域使用面積的環(huán)境損失；γ代表區(qū)域某類型單位海域使用面積的社會效益。

3.3 約束條件

3.3.1 海域使用總面積約束

中國有大陸岸線1.8萬km，內(nèi)水和領(lǐng)海面積38萬km2，而截止到2008年中國海域使用總面積為1 473 756.76 hm2，占我國0～10 m水深以內(nèi)的海域資源和灘涂資源的17.66%，但是根據(jù)海洋環(huán)境質(zhì)量公報的評價岸線人工化指數(shù)達(dá)到0.38，上海、天津、浙江、江蘇和廣東的沿海地區(qū)已經(jīng)處于高強(qiáng)度開發(fā)狀態(tài)[21]。所以應(yīng)根據(jù)海域使用合理開發(fā)強(qiáng)度和程度，確定適宜開發(fā)利用的海域使用總面積。海洋主體功能區(qū)劃劃分優(yōu)化開發(fā)區(qū)、重點(diǎn)開發(fā)區(qū)、限制開發(fā)區(qū)和禁止開發(fā)區(qū)，最優(yōu)海域使用總面積可以確定為優(yōu)化開發(fā)區(qū)和重點(diǎn)開發(fā)區(qū)的面積總和。

式中：S為區(qū)域最優(yōu)海域使用總面積。

3.3.2 最優(yōu)功能區(qū)約束

海洋功能區(qū)劃是海域使用的基礎(chǔ)，是引導(dǎo)海域使用秩序，因此海域使用受到了海洋功能區(qū)劃空間資源的約束，各類海域使用面積都不應(yīng)大于最優(yōu)功能區(qū)面積總量。

F1j為某區(qū)域海洋功能區(qū)劃中漁業(yè)資源利用養(yǎng)護(hù)區(qū)面積，F(xiàn)2j為某區(qū)域海洋功能區(qū)劃中港口航運(yùn)區(qū)面積，F(xiàn)3j為某區(qū)域海洋功能區(qū)劃中礦產(chǎn)資源利用區(qū)面積，F(xiàn)4j為某區(qū)域海洋功能區(qū)劃中旅游區(qū)面積，F(xiàn)5j為某區(qū)域海洋功能區(qū)劃中工程用海區(qū)面積，F(xiàn)6j為某區(qū)域海洋功能區(qū)劃中海水資源利用區(qū)面積，F(xiàn)7j為某區(qū)域海洋功能區(qū)劃中特殊利用區(qū)面積，F(xiàn)8j為某區(qū)域海洋功能區(qū)劃中海洋保護(hù)區(qū)面積，F(xiàn)9j為某區(qū)域海洋功能區(qū)劃中保留區(qū)面積，則：

3.3.3 非負(fù)約束

3.3.4 漁業(yè)用海最低保有量和最大適宜量約束

3.3.5 保護(hù)區(qū)最低保有量約束

3.3.6 圍填海計劃指標(biāo)約束和現(xiàn)狀不可改變約束

式中：X''7j為區(qū)域圍填海造地工程用?？刂浦笜?biāo)；X'7j為區(qū)域圍填海造地工程用海現(xiàn)狀。

4結(jié)論

海洋功能區(qū)劃是海域使用管理的科學(xué)依據(jù)，為海域使用活動提供了主導(dǎo)（優(yōu)勢）功能引導(dǎo)，同時也對海域使用活動提供了用海類型和用海空間布局約束，但是，在符合區(qū)劃條件下，對海域使用活動效益高低和海域使用活動比例關(guān)系的引導(dǎo)卻顯得力度不夠；數(shù)學(xué)模型是規(guī)劃的重要工具，為海域使用結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供技術(shù)方法，因此，通過建立經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境綜合效益最大化的目標(biāo)函數(shù)和海洋功能區(qū)等約束條件，建立基于海洋功能區(qū)的海域使用結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，以分析和優(yōu)化海域使用各類型數(shù)量比例結(jié)構(gòu)，對加強(qiáng)海域使用管理和調(diào)整海域使用結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的現(xiàn)實意義。

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Abstract：The formation mechanism of the structure of sea areas use is discussed,which is constrained by the structure of marine resources and led by the consumption structure.The structure of sea areas use is realized through the implementation of marine industries.The status and trends of the structure is analyzed then.The results showed that fisheries uses decrease and industrial uses increase.Based on marine functional zones,the structural optimization model of sea area use is constructed,providing a quantitative technical basis for its adjustment.

Key words：sea area use;structure;optimization model;marine functional zone

Preliminary Study on the Structural Optimization Model of Sea Area Use Based on the Marine Functional Zones

ZHANG Xiao-xian,WANG Jiang-tao
（National Marine Data and Information Service,Tianjin 300171,China）

P74

A

1003-2029（2011）01-0109-05

2010-09-20

國家海洋局青年海洋科學(xué)基金資助項目（2009706）