島群開發(fā)時(shí)序優(yōu)化模型構(gòu)建及方法研究

劉大海， 紀(jì)瑞雪，仲崇峻， 王 晶， 劉 洋，陳 燁

（1.中國海洋大學(xué)，山東 青島 266100；2.國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061）

引 言

2009年《中華人民共和國海島保護(hù)法》頒布實(shí)施，提出在海島開發(fā)過程中應(yīng)遵循“科學(xué)規(guī)劃、保護(hù)優(yōu)先、合理開發(fā)、永續(xù)利用”四項(xiàng)原則，防止盲目無序開發(fā)。海島開發(fā)作為保衛(wèi)國土安全、拓展發(fā)展空間的重要舉措，對(duì)于統(tǒng)籌海陸發(fā)展，構(gòu)建“第二海洋經(jīng)濟(jì)帶”具有重要意義。海島與海岸帶及陸域地區(qū)相比，自然條件特殊，群聚分布特征明顯，單個(gè)島嶼的開發(fā)往往會(huì)與臨近島嶼及陸地產(chǎn)生顯著的關(guān)聯(lián)效應(yīng)。因此，在海島開發(fā)過程中，合理確定海島開發(fā)時(shí)序，明確海島功能定位，優(yōu)化要素空間布局，對(duì)于科學(xué)開發(fā)海島資源，大力發(fā)展海島經(jīng)濟(jì)，充分調(diào)動(dòng)海島在海陸一體化建設(shè)中的帶動(dòng)作用具有重要的指導(dǎo)意義。

目前，世界各國都對(duì)海島開發(fā)表現(xiàn)出較高的關(guān)注[1-3]。海島開發(fā)涉及經(jīng)濟(jì)學(xué)、地理學(xué)、生態(tài)學(xué)、環(huán)境學(xué)和國土安全學(xué)等眾多領(lǐng)域（楊義菊，孫麗等，2011）[4]。海島自身受自然、交通和政策等外部因素制約（畢遠(yuǎn)溥，劉明，2012）[5]，生態(tài)環(huán)境脆弱，生境條件復(fù)雜（Paul M.Gilliland，Dan Laffoley，2008）[6]。因此，加強(qiáng)海島政策引導(dǎo)（Christopher House，Michael R.Phillips，2012）[7]，協(xié)調(diào)海島開發(fā)與保護(hù)，積極開展海島功能區(qū)劃（劉大海，吳桑云 等，2011）[8]，為科學(xué)開發(fā)海島資源提供切實(shí)可行的實(shí)現(xiàn)途徑及制度保障（姜秉國，韓立民，2011）[9]，成為實(shí)現(xiàn)海島經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的必然要求。本文基于經(jīng)濟(jì)地理學(xué)中的增長極理論，通過基礎(chǔ)模型構(gòu)建和假設(shè)條件約束，對(duì)海陸空間布局優(yōu)化問題中的島群開發(fā)時(shí)序優(yōu)化問題加以系統(tǒng)研究。

1 島群開發(fā)時(shí)序優(yōu)化的理論基礎(chǔ)

當(dāng)前，中國對(duì)海島資源的開發(fā)利用程度較低，絕大多數(shù)海島處于尚未開發(fā)的原始狀態(tài)，這一方面是由于海島自身交通不便、淡水資源匱乏，不利于開展生產(chǎn)活動(dòng)，另一方面與當(dāng)前海島開發(fā)需要的要素資源相對(duì)稀缺[10]密切相關(guān)。海島地理位置特殊，分布特征顯著，除少數(shù)孤島外，絕大多數(shù)島嶼呈現(xiàn)鏈狀或環(huán)狀的島群式分布。島群內(nèi)部各島嶼之間雖有海域間隔，但部分島嶼的開發(fā)活動(dòng)會(huì)輻射帶動(dòng)周圍島嶼的發(fā)展，繼而實(shí)現(xiàn)整個(gè)島群的經(jīng)濟(jì)效益。因此，從一定程度上可以說，島群開發(fā)是提高海島資源利用效率，發(fā)揮島群內(nèi)部規(guī)模經(jīng)濟(jì)，實(shí)現(xiàn)海島組團(tuán)發(fā)展的有效途徑。經(jīng)濟(jì)地理學(xué)中的增長極理論作為協(xié)調(diào)區(qū)域發(fā)展的經(jīng)典理論，能夠在海島開發(fā)過程中指導(dǎo)人們科學(xué)選擇島群內(nèi)部增長極，合理優(yōu)化島群內(nèi)部開發(fā)時(shí)序，早日實(shí)現(xiàn)各島嶼以點(diǎn)帶面、互利共贏的發(fā)展格局。

區(qū)域增長極理論最早由法國經(jīng)濟(jì)學(xué)家佛郎索瓦.佩魯提出。所謂增長極，就是具有空間聚集特點(diǎn)的推動(dòng)性經(jīng)濟(jì)單位的集合體。經(jīng)濟(jì)增長率先發(fā)生在增長極上，然后通過各種方式向外擴(kuò)散，對(duì)整個(gè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生影響[11]。增長極的形成受資源稟賦、區(qū)位條件、外部環(huán)境等眾多因素影響。島群的開發(fā)與聚集經(jīng)濟(jì)體具有極大的相似之處，島嶼開發(fā)過程中彼此之間的相互作用以及島群整體綜合效益的實(shí)現(xiàn)與區(qū)域增長極理論所論述的現(xiàn)象極為相似。在島群開發(fā)過程中，通過科學(xué)論證，明確島嶼功能定位，合理選擇開發(fā)時(shí)序，率先開發(fā)島群中投入產(chǎn)出系數(shù)小、乘數(shù)作用大、對(duì)外擴(kuò)散作用較強(qiáng)、拉動(dòng)作用顯著的島嶼，能夠有效克服島群自身區(qū)位、資源劣勢，突破要素投入相對(duì)稀缺的瓶頸，以有限的要素投入在最短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)島群整體的最大效益。

2 島群開發(fā)時(shí)序優(yōu)化的基礎(chǔ)模型構(gòu)建及方法研究

2.1 島群開發(fā)時(shí)序優(yōu)化研究的總體思路

島群開發(fā)時(shí)序優(yōu)化的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)其整體效益的最大化。根據(jù)經(jīng)濟(jì)地理學(xué)中的增長極理論，在島群開發(fā)過程中，率先被開發(fā)的島嶼往往會(huì)成為增長極對(duì)島群中的其他島嶼產(chǎn)生影響，因而不同的開發(fā)時(shí)序會(huì)使島群的整體效益產(chǎn)生顯著差別?，F(xiàn)實(shí)中的島群多呈現(xiàn)不規(guī)則分布，為理論研究和模型構(gòu)建帶來了一定困難。在此，將研究對(duì)象假定為均質(zhì)均勻分布的若干島嶼（以九個(gè)島嶼為例，分布如圖1），并將每個(gè)島嶼抽象為點(diǎn)，基于經(jīng)濟(jì)地理學(xué)中的增長極理論，以島嶼開發(fā)過程中彼此間存在的輻射擴(kuò)散作用為前提，通過島群開發(fā)時(shí)序優(yōu)化模型的建立，科學(xué)模擬島群開發(fā)過程，并對(duì)其開發(fā)過程中存在的時(shí)空優(yōu)化問題進(jìn)行了系統(tǒng)的理論探索和方法研究；在此基礎(chǔ)上，增加海島異質(zhì)性假設(shè)條件，以島嶼生態(tài)環(huán)境脆弱性為例對(duì)基礎(chǔ)模型加以擴(kuò)展，最后，根據(jù)社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中普遍存在的循環(huán)積累因果原理，將時(shí)間變量引入其中，構(gòu)建島群開發(fā)時(shí)序優(yōu)化的綜合模型。

圖1 “九島模型”示意圖Fig.1 Distribution of the islands in the“Nine-island Model”

2.2 島群開發(fā)時(shí)序優(yōu)化的基礎(chǔ)模型構(gòu)建

假設(shè)1：存在封閉島群R，內(nèi)部存在九個(gè)均質(zhì)島嶼，分布如圖1。

假設(shè)2：當(dāng)前，島群開發(fā)需要的初始要素投入有限，只能滿足其中一個(gè)島嶼的要素需求，并使其成長為島群內(nèi)部的增長極。存在虛擬社會(huì)主體C，其初始要素投入為T。在一個(gè)研究周期內(nèi)，增長極僅對(duì)距其最近的臨近島嶼產(chǎn)生輻射擴(kuò)散作用，且被輻射島嶼在該周期內(nèi)產(chǎn)生的效益為原島嶼效益的D倍，即作用系數(shù)為D。

圖2 島群開發(fā)時(shí)序優(yōu)化研究的整體思路Fig.2 The overall idea of the study on the time sequence optimization of the island group development

基于以上假設(shè)，建立島群開發(fā)時(shí)序優(yōu)化的基礎(chǔ)模型（以下簡稱ITO-0模型）如下：

式中：v為初始投資開發(fā)點(diǎn)標(biāo)號(hào)，r為年收益率。

此模型反映了島群開發(fā)過程中初始增長極對(duì)臨近島嶼的輻射擴(kuò)散作用，并將實(shí)現(xiàn)島群的整體效益最大化作為最終目標(biāo)。其中，作用系數(shù)D作為反映島群內(nèi)部島嶼間相互作用的重要指標(biāo)，其大小較為直觀地反映了島嶼間的相互作用程度，且滿足0＜D＜1。D的大小由包括島嶼空間距離、要素稟賦、生態(tài)環(huán)境脆弱性、國家相關(guān)政策等在內(nèi)的諸多因素綜合決定，且各因素可以作為自變量，通過與作用系數(shù)D建立函數(shù)關(guān)系，引入基礎(chǔ)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)基礎(chǔ)模型的拓展。上式中的l、c、e便分別代表島嶼空間距離、要素稟賦、生態(tài)環(huán)境脆弱性等影響因素。鑒于圖1中的九島均質(zhì)，且其分布呈現(xiàn)高度的對(duì)稱性特征，在此，分別選取九島中的O、A1、B1三個(gè)島嶼作為初始要素投入點(diǎn)（即初始增長極），對(duì)島群開發(fā)的整體效益加以對(duì)比研究，結(jié)果如表1。

表1 選取不同島嶼作為初始增長極的島群整體效益比較Tab.1 Comparison of the overall effectiveness of the island group with different initial growth poles

由表1中的總效益比較可得，率先開發(fā)位于九島中心的O點(diǎn)所產(chǎn)生的輻射擴(kuò)散效應(yīng)最大，島群開發(fā)的整體效益最高，B1點(diǎn)次之。因此，在假設(shè)1、假設(shè)2成立的條件下，可按照O、B、A的順序?qū)u群R加以開發(fā)。

2.3 基于生態(tài)環(huán)境異質(zhì)性假設(shè)的島群開發(fā)時(shí)序優(yōu)化方法示例研究

ITO-0模型從理論角度提出了島群開發(fā)時(shí)序優(yōu)化的基本方法，并對(duì)模型中具有關(guān)鍵作用的作用系數(shù)D的決定方法進(jìn)行了簡單闡述?，F(xiàn)實(shí)中，影響系數(shù)D的最終確定可能需要復(fù)雜的實(shí)地考察及模擬實(shí)驗(yàn)，這為模型方法的應(yīng)用增加了一定的難度。鑒于生態(tài)環(huán)境保護(hù)在島嶼開發(fā)過程中的重要性，在此，以島群內(nèi)部島嶼生態(tài)環(huán)境脆弱性因素為例，對(duì)基礎(chǔ)模型加以拓展，并對(duì)島群開發(fā)時(shí)序優(yōu)化的具體方法進(jìn)行示范研究。

式中：v為初始投資開發(fā)點(diǎn)標(biāo)號(hào)，r為年收益率。

此時(shí)，以O(shè)、A1、B1三點(diǎn)作為初始要素投入點(diǎn)的島群總體效益如表2所示。

表2 不同開發(fā)時(shí)序下的島群總體效益比較Tab.2 Comparison of the overall effectiveness of the island group with different time sequences of development

比較可得，在引入島嶼生態(tài)環(huán)境脆弱性因素的ITO-1模型中，島群開發(fā)時(shí)序優(yōu)化問題變得更加復(fù)雜，不同島嶼生態(tài)環(huán)境脆弱性水平的差異會(huì)對(duì)島群開發(fā)時(shí)序優(yōu)化結(jié)果產(chǎn)生顯著影響，如表3。

表3 不同生態(tài)環(huán)境脆弱性水平下的島群開發(fā)時(shí)序優(yōu)化Tab.3 The time sequence optimization of the island group development with different ecological vulnerability

以上研究通過構(gòu)建以島嶼生態(tài)環(huán)境脆弱性為自變量的影響系數(shù)函數(shù)，對(duì)島群開發(fā)時(shí)序優(yōu)化問題進(jìn)行了模型拓展和方法研究。同理，可將其他因素引入ITO-0模型，從不同角度對(duì)基礎(chǔ)模型加以拓展。

3 引入時(shí)間變量的島群開發(fā)時(shí)序優(yōu)化模型完善

經(jīng)濟(jì)學(xué)家岡納.繆爾達(dá)爾曾提出，社會(huì)經(jīng)濟(jì)制度是一個(gè)不斷演進(jìn)的過程，遵循循環(huán)積累因果原理[12]。島群內(nèi)部島嶼之間的輻射擴(kuò)散作用并非單向，其開發(fā)過程中的循環(huán)積累效果同樣顯著。一個(gè)島嶼的率先發(fā)展會(huì)輻射帶動(dòng)周圍島嶼，而被帶動(dòng)發(fā)展起來的島嶼又會(huì)作用于其他島嶼，并反作用于最初產(chǎn)生輻射作用的增長極，如此循環(huán)往復(fù)，島群的整體效益可得到不斷積累，并呈現(xiàn)螺旋式上升。該作用規(guī)律的存在，充分說明優(yōu)化島群開發(fā)時(shí)序?qū)u群長遠(yuǎn)發(fā)展的重要性和必要性。為簡化研究，在暫且不考慮作用系數(shù)D的影響因素的前提下，將時(shí)間因素引入ITO-0基礎(chǔ)模型可得如下拓展模型（以下簡稱ITO-2模型）：

引入時(shí)間因素后，島群開發(fā)的整體效益計(jì)算變得尤為復(fù)雜，在此，僅考慮第二個(gè)研究周期末島群的整體效益，計(jì)算結(jié)果如下：

表4 引入時(shí)間因素的不同開發(fā)時(shí)序島群整體效益比較Tab.4 Comparison of the overall effectiveness of the island group with different development sequences after the introduction of the time factor

可見，隨著研究時(shí)間和作用周期的增加，島群的整體效益表達(dá)式也趨于復(fù)雜，但通過數(shù)學(xué)分析比較可以得出，率先開發(fā)O點(diǎn)的島群整體效益最優(yōu)，而A點(diǎn)最低。由此推測，在預(yù)測周期內(nèi)，優(yōu)先開發(fā)位于九島中心的O點(diǎn)的整體效益與選取其他島嶼優(yōu)先開發(fā)的整體效益相比，其差距有逐步增大的趨勢，見圖3。

綜上，科學(xué)合理的開發(fā)時(shí)序，能夠?qū)崿F(xiàn)有限要素投入的收益最大化，并且這種開發(fā)時(shí)序優(yōu)化所形成的發(fā)展優(yōu)勢會(huì)隨時(shí)間增長日益凸顯。

圖3 不同開發(fā)時(shí)序下的島群長期整體效益比較Fig.3 Comparison of the overall effectiveness of the island group with different development sequences in the long-term

4 結(jié)語

本文借鑒經(jīng)濟(jì)地理學(xué)中的增長極理論，對(duì)島群開發(fā)過程中的時(shí)序優(yōu)化問題進(jìn)行了模型構(gòu)建和方法研究。繼ITO-0基礎(chǔ)模型將島嶼的空間距離、資源稟賦、生態(tài)環(huán)境脆弱性等異質(zhì)性因素通過函數(shù)構(gòu)建引入模型后，ITO-2模型又通過時(shí)間因素的引入使模型愈加完善。在充分考慮現(xiàn)實(shí)中島嶼的非均質(zhì)性及時(shí)間因素的基礎(chǔ)上，建立島群開發(fā)時(shí)序優(yōu)化的綜合模型（簡稱ITO-3模型）如下：

現(xiàn)實(shí)中，通過對(duì)目標(biāo)函數(shù)的結(jié)果比較，便可依照島群整體效益由大到小的次序確定島群中島嶼的開發(fā)時(shí)序。因是首次建立島群開發(fā)時(shí)序優(yōu)化模型，模型拓展有限，未對(duì)島群開發(fā)過程中各種復(fù)雜的隨機(jī)因素一一探討，且作用系數(shù)D的確定方法、各影響因素的權(quán)重等問題有待深入研究。這些不足之處將在今后的研究中加以體現(xiàn)。

通過以上研究可知，海島資源不能盲目隨機(jī)開發(fā)，也不能僅考慮島群中某個(gè)潛力較大的島嶼，必須以追求島群整體的長遠(yuǎn)效益最大化為目標(biāo)，系統(tǒng)控制，科學(xué)規(guī)劃；在開發(fā)過程中，應(yīng)注意各種影響因素對(duì)島群開發(fā)時(shí)序的影響，充分考慮包括島群自身生態(tài)環(huán)境脆弱性因素在內(nèi)的眾多因素，在保護(hù)中開發(fā)，在開發(fā)中保護(hù)，注重發(fā)揮島嶼集聚分布所產(chǎn)生的規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益，努力優(yōu)化島嶼開發(fā)時(shí)序。通過合理的統(tǒng)籌規(guī)劃和空間布局，早日實(shí)現(xiàn)海島開發(fā)過程中多島聯(lián)動(dòng)、共同發(fā)展的理想格局。

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