基于系統動力學的海洋功能區利用效能評估方法研究＊

高延銘 周 玲 曲 鵬 王 波 張 超

(國家海洋局北海分局山東省海洋生態環境與防災減災重點實驗室,山東 青島 266100)

一、引言

海洋功能區是指根據海域及相鄰陸域的自然資源條件、環境狀況和地理區位,并考慮到海洋開發利用現狀和經濟社會發展的需要,而劃定的具有特定主導功能、有利于資源的合理開發利用、能夠發揮最佳效益的區域。[1]海洋功能區劃對海洋管理、海洋經濟可持續發展起取了重要的作用,其劃分得是否科學合理,直接關系到海域的合理開發和可持續利用。因此,對已有海洋功能區的效能評估是非常重要的。但目前而言,就如何科學地對海洋功能區的應用效能進行評價卻罕見報道。這是因為對功能區的利用效能評估是困難的,首先海洋功能區的效能評估是一個開放的系統,因素眾多,并互相影響和制約。無法用一個或幾個簡單的評價指標解決。

我國是最早開始海洋功能區劃研究的國家之一,伴隨著國家海洋功能區劃的發布與實施,沿海各省也紛紛出臺了各自的海洋功能區劃。海洋功能區規劃是否合理,體系是否科學不僅僅需要前期的規劃,還應該在后期的海域使用過程中加以驗證,這就需要對海洋功能區利用效能加以分析和比較。可持續發展和構建和諧海洋的理念的提出,把對海洋功能區的利用效能的分析的重要性提升到了一個新的高度。

青島市海洋資源豐富,有著良好的海水養殖產業基礎。2004年發布的《青島市海洋功能區劃》劃定了9個大類191個功能區,其中漁業資源利用和養護區,包括漁港和漁業設施基地建設區、養殖區、增殖區和捕撈區,共33個,區劃面積385.1585平方公里,占總面積的29.2％。2009年青島市漁業總產值占海洋經濟的22.3％,海水養殖產量占水產品總產量73％。但是,隨著海洋經濟的熱潮和旅游、港航業務的高速發展,港口、旅游和修造船業都對海水養殖業形成了擠壓之勢,全市海水養殖面積不斷縮小。[2]因此,以青島海洋養殖區為例分析青島海洋功能區劃的利用效能具有重要意義,也對其他功能區劃的效能評估提供重要依據。

目前,國內對海洋功能區的研究多集中在海洋功能區劃的原則、方法、流程上。劃分方法多集中于指標法、疊加法和協調法等,[3-5]例如徐偉等利用研究了項目用海與海洋功能區劃符合性判定標準,從理論方面研究了項目用海與所在海域主導功能符合性分析的基本步驟和方法并給出相關建議。[6]其中一些相關文獻采用了層次分析法給出了海洋功能區開發潛力評價指標體系的定性分析結果。[4,6]在上述分析結果中,沒有明確引入社會經濟因素的影響。而且,這些工作都是在功能區使用之前進行的規劃性工作,對于功能區劃對海域使用的效果及影響均未涉足。國外海域使用的空間規劃措施及指導思想與我國功能區劃相似,一些國家主要實行資源區劃,不同的區域實行不同的管理對策,如美國夏威夷和阿拉斯加州。應該說,這些都只是具有海洋功能區劃的某些屬性。[7-8][9](P201-261)目前還沒有一個國家跟我國一樣,開展如此大范圍的系統化、業務化的海洋功能區劃工作,亦未見國外有研究建立海洋功能區決策支持或評價模型的報道。

系統動力學方法是由美國麻省理工學院教授Fo rrester創立的,擅長處理長周期、具有非線性和時變現象的系統問題。海洋功能區劃可以看作是一個結構有序、功能獨特、對外部激勵產生響應、有一定自我調節能力和自組織能力的復雜系統。因此采用SD系統動力學理論在解決其評價問題具有明顯優勢。

綜上所述,本文綜合考慮經濟效益及在經濟發展過程中影響這些海洋功能區利用效能的相關指標,包括該海洋功能區對其他區域(包括濱海陸地、海岸帶、近岸海域和海島)的影響因素,建立SD模型及其評價體系,從整體海洋經濟和海洋產業的角度進行分析和比較青島海洋漁業養殖區的利用效能問題,并進行仿真和試驗模擬,進而對系統的結構、功能、反饋機制和動態行為做出深入的研究。為海洋功能區劃提供有效的技術分析手段及依據,為海域使用的科學化和可持續發展打開新的思路。

二、海洋功能區利用效能評價體系

系統動力學的方法廣泛應用于綜合評估系統。將系統動力學方法推廣至海洋功能區的效能評估存在以下幾個難點：首先,需要建立比較系統的功能區劃系統動力學模型很難實現；其次,建立評價體系的參數的選擇及系統間相互影響關系的確定也是非常困難的；此外還要考慮到眾多的社會因素、環境因素等對海洋功能區效能的影響。

(一)評價指標考慮因素分析

水產品的價格是影響養殖量的最主要因素,[10]影響水產品價格的因素除了產量、養殖和捕撈成本外,還包括社會經濟情況、人均可支配消費支出,以及居民消費習慣,但它的影響要在水產品價格上升或下降之后一到兩年才能體現出來(視養殖品的成長周期而定)。而同樣的水產品,中低端的食用魚類受社會經濟狀況的影響遠小于海珍品受經濟狀況影響。許多海洋經濟領域(如養殖、旅游等)受地區海洋環境狀況、海洋氣候狀況等大環境影響也較大,在分析海洋功能區的利用效能時也應該加以一并考慮。[11]

此外,各類海洋功能區之間又在互相產生著影響。盡管人類活動區域在向深遠海不斷發展,但對近期海洋經濟可產生影響,可以供人類使用的區域卻還是主要集中在近海,而近海的海域面積是一定的,海洋功能區劃就是根據各類海域的不同條件而劃定的相應的區域,各類區域的劃定與該地區的經濟發展情況、重點產業有著密切的關系。港口和航行區產生的廢水和污染對鄰近的養殖區一定會產生影響,而養殖區導致的海水的區域富營養化、沉積和水動力的改變也會對附近的旅游區產生一定的影響。這樣一來,各類功能區之間又產生了千絲萬縷的聯系,要解決這種既存在各子系統間相互影響,又存在外部大系統的影響的效能分析問題,必須利用大系統理論,采用系統化的分析方法加以分析和解決,系統動力學正是解決這一類問題最合適的工具。

(二)系統狀態變量確定

系統選擇的狀態變量包括(歷史數據自2000年起計算)：城鎮人口初值,水產品價格初值,能源成本初值,生產資料成本初值,飼料成本初值,人力資源成本初值,期望消費量初值,海水捕撈產量初值,淡水養殖產量初值,航運吞吐量初值,旅游收入初值,海水養殖面積初值,海水養殖產量初值,海水養殖產值初值。決策變量包括城市人口增長率、城鎮人口增長率,第一、第二、第三產業增長率,水產品價格增長率,養殖成本增長率,人均消費增長率,期望消費量增長率,海水捕撈、淡水養殖/捕撈增長率。

三、建立漁業養殖區利用效能SD模型

通過SD模型的建立,研究影響青島市海洋功能區利用效能的主導因素及相關因素,并掌握這些因素對海洋功能區利用效能的影響程度及反饋關系,通過模型的運行模擬各種條件下青島市海洋漁業功能區的利用效能的變化趨勢及與相關區域的相互作用情況。

根據導致水產品價格的主要因素為人口、污染、政策、收入、產量、養殖面積、水產品種類及分布、養殖成本、航運吞吐量等構成等進行,分析,建立如圖1所示的海水養殖區利用效能分析系統動力學反饋回路圖,由該反饋圖可以觀測出SD模型中影響因素的定性關系。

SD模型不是簡單地給出各市各類海域的產值比較、產值上限或經濟指標承載力,而是通過各種決策在模型上的模擬,清晰地反映人口、資源、環境和發展之間的關系,以現在存在為前提,通過調整系統參數和結構,尋求改善系統行為的機會和途徑,為定量化描述海洋功能區的利用效能和建立持續發展模式提供參考依據,為青島市海洋合理開發利用提供科學的依據。

漁業養殖區SD模型的具體建立步驟如下：

水介質旋流器又稱自生介質旋流器，其結構如圖2所示，由一段圓柱體和一段圓錐體及切向給料口組成。它的錐體夾角為鈍角，達到80°～140°，錐體粗短，旋渦溢流管粗長，幾乎穿過整個圓柱體。

首先將與水產品價格相關的主要因素分為以下6大類,然后對每類因素進行細化,分析出每類因素的支路描述。畫出各支路描述的影響圖,最后參考大系統理論,分析綜合各因素之間的相互影響和作用關系,形成整個大系統的SD模型。(1)城市GDP構成(支路描述：人口-＞總產值)。(2)人均水產品消費額構成(支路描述：GDP-＞人均 GDP-＞人均收入-＞人均水產品消費額)。(3)水產品生產成本構成(支路描述：水產品成本由人力資源成本、能源燃料成本和生產資料成本構成)。(4)水產品平均價格構成(支路描述：水產品價格由水產品生產成本、人均水產品消費量、期望量與產量差決定)。(5)水產品期望消費總量(支路描述：由人均水產品消費額和水產品價格計算水產品期望消費總量)。(6)海水養殖期望產量(支路描述：由水產品期望消費總量中減去淡水產量、海水捕撈產量,獲得海水養殖期望量)。

綜合上述支路分析與描述,可以得到完整的海水養殖區利用效能分析系統動力學模型圖,如圖2所示,通過各回路參數調整,通過歷史數據可以模擬仿真該漁業養殖區的經濟效益和預測未來走向。

圖1 海水養殖區利用效能分析系統動力學反饋回路圖

四、青島漁業養殖區SD模型的仿真及驗證

模型的調試與改進在整個模型建立過程中居于十分重要的位置,通過模型的優化與改進,可以洞察系統內部原本看似無關系或無直接關系的因素之間的聯系,從而進一步研究結構與行為的關系。本節通過歷史數據檢驗和靈敏度分析方法兩大方面檢驗并驗證所建立的青島漁業養殖區的SD模型的有效性。

圖2 海水養殖區利用效能分析系統動力學模型圖

(一)歷史檢驗

歷史檢驗就是選擇歷史某時刻為初始點,從這個初始點開始進行仿真,然后用歷史數據與仿真結果數據進行誤差、關聯度等分析,以檢驗模型的歷史數據貼合度。

本文以2000-2009年歷史數據為依據,通過5個子系統數據對3個狀態變量數據進行模擬,并進行貼合度分析。除了系統正常的3個狀態變量外,其主要影響因素城鎮人口、生產總值、水產品價格和人均水產品消費額也進行了檢驗。檢驗的主要數據參見表1和表2。表1描述了從2000-2009年海水養殖面積及海水養殖產量之間的誤差關系,由表1可以看出,不同年度主要影響因素會有所改變,因此采用每年都相同的單一影響參數矩陣計算出來的模擬值與實際的誤差也比較明顯。例如,所建立的評價體系參數都是參照2003年和2004年的數據進行的擬合與分析,因此2003年的數據誤差最小。表2描述的是從2000-2009年海水養殖產值及水產品價格關系模擬之間的誤差關系表。同樣,2003年和2004年的擬合及預測誤差較小,最為接近現實值。觀察表1和表2可以看出,即使對每年的主要參數及評價指標矩陣的值不做改變,該SD模型的預測準確率也可以保證在91％以上,因此,通過歷史數據驗證,可以看出,通過所建立的SD模型進行評估和預測,準確率是具有重要的參考價值的,為定性分析漁業養殖海洋功能區及推廣到其他海洋功能區的劃定,提供了有力的依據。

如果能夠對每年的主要影響因素的值做對應調整,本系統將獲得更為滿意的結果。

表1 青島市海洋功能區SD模型模擬對比統計誤差表

表2 青島市海洋功能區SD模型模擬對比統計誤差表

靈敏度分析較為復雜,它是通過改變模型中的參數、結構,運行模型和比較模型的輸出,確定其影響程度,通過本分析,可以比較客觀地確定不同影響因素的改變對整個系統會帶來什么樣的改變,對政策的調整和傾向具有重要的參考意義。

從不同角度看模型的靈敏度可分為3種：數值靈敏度、行為靈敏度和政策靈敏度。靈敏度分析能定量地測定模型對變動參數、結構的行為靈敏度與政策靈敏度的高低,進而判斷出模型強壯性的優劣。

影響水產品成本的主要因素有三個,即人力資源成本、能源成本和生產資料成本。其中人力資源成本和生產資料成本較有規律,而能源燃料的成本盡管具有明顯的上升曲線,但其變化過程卻是基本上沒有規律的。所以在模型中人力資源成本和生產資料成本采用的是變化率方法計算,而能源燃料成本則采用了查表法。

參考國內其他資料,生產資料成本可能會在2010年以后越來越呈現明顯的上升趨勢。滑動模型中的生產資料成本增加率,使之變為10％,則可以看到水產品價格的明顯上揚,隨之而來的是期望消費量的降低。

圖3 靈敏度分析示意圖

圖4 青島水產品價格對比及預測圖

圖5 水產品期望消費量對比圖

由上面的分析我們可以看到,影響水產品產量的不僅僅是科技進步和水產品的價格。科技進步是一個長期過程,但水產品的價格、消費水平(消費習慣和消費人口)則是一個連續的波動過程。同時由于水產品的養殖周期、漁民的信息延遲等影響,其價格呈現4-5年為周期的波動。為了進一步驗證這一點,我們在模型上加了一項比率因素“水產品購買欲望”,初始值為1,當出現類似“大菱鲆”事件時,其比率降為0-1之間的值,視其影響而定,當出現其他同類產品(肉蛋)質量影響較大的問題時,其比率上升為1-2,同樣視影響而定。該因素是表函數,在發生事件當年比率變動最高,第二年、第三年視處理情況而定。圖6是模擬2003年和2008年出現兩次海水養殖質量事故后的海洋養殖產量圖,可以看到明顯的產量變化的滯后效應。

圖6 青島海水養殖產品總量影響圖

五、結論

利用SD理論、GIS技術和統計數據,建立了青島市海洋漁業養殖功能區利用效能評價模型,從社會、經濟、投入、產出、影響波動等方面對青島市海洋功能區(漁業增養殖區)效能進行了定量分析研究,具體結論如下：

1、青島市水產業近年來發展十分迅速,但受整體海域使用規劃影響和經濟發展影響,近10年來養殖面積縮小了33％左右,養殖產量基本保持不變,產值實現了每年的遞增。但是如果沒有水產品加工和出口的后續保證,市場期望產量在未來5年不會出現大的變動,漁民生產積極性不足,影響青島市海水養殖產業的發展。

2、受水產品價格等因素影響,海水養殖存在5 -6年的波動期和滯后期。由于轉產困難,如果青島市貝類養殖發生類似2007年大菱鲆事件不能得到有效處理的話,會對青島市的海水養殖產生毀滅性打擊。相關管理部門要做好質量體系建設,最好能夠建立青島市養殖品的品牌效應,提高問題處理的集中度,并利用應急預案等方式減少后期影響,出現事件后盡快恢復社會對青島水產品的信心。

3、隨著生產資料、燃料能源等價格的進一步攀升,盡管青島市水產品產量和產值在不斷提升,但其主要受價格因素和生產成本的影響,并不是真正意義上的效能提升。隨著青島市經濟的發展和城市的外延,青島市的海水養殖還會被進一步邊緣化。因此適時引導深水養殖、工廠化養殖,引導漁民轉產,將是青島市未來養殖水產發展的必經之路。

綜上所述,通過歷史數據驗證和靈敏度分析,可以看出在使用靜態的評價指標體系時,該SD模型的評估及預測準確性在91％以上,如果能夠采用年度動態評價指標體系,能有效提高SD模型的準確率。本模型為海洋功能區劃的定量分析為海洋功能區劃提供一種有效的技術分析手段及依據,為海域使用的科學化和可持續發展打開新的思路。

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