基于海洋功能區的海域使用結構優化模型初探

張瀟嫻，王江濤

（國家海洋信息中心，天津 300171）

基于海洋功能區的海域使用結構優化模型初探

張瀟嫻，王江濤

（國家海洋信息中心，天津 300171）

探討了海域使用結構形成機制，海域使用結構是受海洋資源結構約束，受消費結構引導，通過海洋產業落實到海域空間；分析了海域使用結構現狀和變化趨勢，結果顯示漁業用海呈下降趨勢，工業用海呈上升趨勢；并以各類海洋功能區為基礎，構建了海域使用結構優化模型，為海域使用結構調整提供定量化技術依據。

海域使用；結構；優化模型；海洋功能區

海域由海面、水體、海床和底土構成，是發展海洋經濟的載體，海洋開發利用的空間基礎和資源保障[1]，因此，不僅在各海洋產業之間存在著的海洋產業結構和比例關系，而且在各類海洋開發利用活動之間也存在著海域使用結構和比例關系。根據系統論的觀點，結構決定功能，只有結構的合理，才能保持系統的良性循環，才能取得最大利用效率[2]。因此，海域使用結構是否健康、優化，直接影響著海域使用的效益。目前，中國海洋發展中的許多問題，都對海域使用結構優化提出了要求，主要體現在以下三個方面：

（1）隨著各類海洋開發利用活動的規模和程度不斷加大，各涉海行業對海域資源的需求大幅增加，而可供開發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展需求，科學合理地優化海域使用結構，可以在最大滿足各類用海需求的同時調解、緩和這些矛盾，提高海域使用效益。

（2）當前，中國近岸海洋生態系統面臨著環境污染、生境喪失、生物入侵和生物多樣性低等各種問題，近岸海洋生態系統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個海洋生態監控區 （涉及21個海洋生態系統）的監測顯示，處于健康、亞健康和不健康狀態的海洋生態系統分別占24%，52%和24%[3]。不健康和多數亞健康的海洋生態系統仍然承受著巨大的污染壓力，濱海濕地生境和生態功能因大規模圍填海活動而大量永久性喪失，海洋生物群落結構趨于簡單化，生物多樣性低，處于不穩定狀態，嚴重影響了海洋的可持續發展。這些問題都與對海洋資源的過度開發密不可分，改善這種狀況，需要調整海域使用結構。

（3）中國的海洋經濟正處于發展方式轉型的關鍵時期。據《中國海洋經濟統計公報》統計，2009年，全國海洋生產總值31 964億元，海洋生產總值占國內生產總值的9.53%，占沿海地區生產總值的15.5%，全國涉海就業人員3 270萬人，其中新增就業52萬人[4]。但是，傳統海洋產業仍處于粗放型發展階段，主要海洋產業中高能耗產業增長速度處于前列，面對這些深層次結構問題，海域作為海洋經濟發展的生產要素，其使用結構的優化可以成為促進海洋經濟增長方式轉變的著力點之一，促進海域資源由粗放式利用主體向著集約節約利用主體流動，促進海域資源的使用由高能耗、低效益的產業向著低能耗、高效益的流動，從而以較少海域資源的投入和最低的生態環境損害來換取最大的經濟產出，達到經濟效益、社會效益和經濟效益的最大化。

1 海域使用結構的含義與形成機制

海域使用結構是海域使用系統內部，各用海類型之間的比例和構成關系，體現了海洋資源在各海洋產業中的分配形式，反映了海域使用系統內部海域資源配置的合理性和各海洋行業用海的有序性，因此，海域使用結構的形成，是由海洋資源結構和所有海洋行業用海結構共同作用，并主要通過海洋產業落實到海域空間（圖1）。

圖1 海域使用結構形成關系圖

1.1 海洋資源結構

中國現今工業化程度較低，今后相當長時期內自然資源型產業仍是產業經濟發展的主導趨勢，自然資源結構仍然在產業結構演進中發揮著重要的作用，但是，隨著產業結構層次的升級，地區自然資源結構對產業結構制約作用的程度將逐漸減弱，水、土地、光熱等能被多數產業部門可利用資源是共用自然資源，在產業結構演進初期和后期作用的主要資源[5]。因此，海洋資源是海洋經濟發展的客觀基礎，海洋資源的數量、質量以及空間分布結構是海域使用結構的決定因素，有什么樣的海洋資源結構就會形成什么樣的海洋產業結構，進而形成相對應的海域使用結構。

1.2 消費需求結構

社會需求是經濟發展的原動力[6]，一定水平的消費結構，通過經濟體制、產業組織和生產技術，影響并形成一定的產業結構，海洋產業以一定的海域資源利用能力和利用水平進行產業活動，影響著海域使用結構組成。

2 海域使用結構現狀分析

2.1 海域使用結構變化趨勢

中國海域使用總量快速增長，已確權海域使用面積從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，海域使用結構也不斷變化（圖2-3），2002-2008年，漁業用海從89.6%下降到84.2%，交通運輸用海從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，中國海域使用結構變化呈現出一定的規律性：漁業用海呈下降趨勢，工業用海呈上升趨勢，但海域使用結構是否向著最優海域使用結構方向變化還有待研究。

中國海域使用結構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濟利益驅動而帶來的對海域資源開發利用過度和無序，在我國二等海域，經填海造地后帶來的直接經濟效益平均可達10多萬元/畝，因此，優化海域使用結構和布局時，圍填海應予以重點關注。

表1 各類海域使用現狀和比重[7]

2.2海域使用結構相似性和變化度分析

采用結構相似系數和結構變化度[8]（公式1，2）來衡量海域使用結構定量變化，以及海域使用結構相似程度，現根據2002-2008年海域使用統計數據（表1），分析海域使用結構相似系數和變化度，結果計算為表2，海域使用結構相似程度很大，總體變化程度較小，海域使用結構相似性和變化度隨著時間序列增長而變小。

結構相似系數：

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

結構變化度：

式中：Q是結構變化度；Xik是k種海域使用類型在i種結構中所占的比重；Xjk是k種海域使用類型在j種結構中所占比重。

圖2 海域使用結構變化

表2 海域使用結構相似性和變化度

3 基于海洋功能區劃的海域使用結構優化模型構建

中國海域使用結構優化研究處于探索階段，尚未形成研究成果，但是在海洋產業結構優化研究方面已經取得了一些研究進展，徐質斌[9]等提出了海洋產業結構合理性評估的標準，并闡述了優化的原則和問題及其措施。張靜[10]等研究了海洋產業結構的演進規律，張紅智[11]等研究了中國海洋產業結構現狀、存在問題、優化目標、原則和措施；劉曙光、張月銳、劉洪濱做了實踐研究，評價了環渤海、青島市、東營市海洋產業結構[12-14]，等等。

海洋功能區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，以及適合的開發利用方向，其基本含義是根據海域 （在海岸帶區域有時還應包括必要的陸域）的地理區位、地理條件、自然資源與環境等自然屬性，并適當兼顧海洋開發利用現狀和區域經濟、社會發展需要，劃分為具有特定主導（或優勢）功能，為充分發揮海域的最佳效能，科學、合理地開發與保護海域及其資源提供客觀的標準和依據。近年來，我國海洋功能區劃實施成效顯著，為海洋經濟快速發展和項目用海提供了保障，成為海域使用管理、宏觀指導海域開發活動的科學基礎和依據，但是在符合區劃條件下，無法調控各類海域使用活動之間比例關系，缺乏對綜合效益高的海域使用活動的引導，這正是海域使用結構的不合理反映，并成為海域使用管理深層次發展的重點，因此，基于海洋功能區劃，采用合理科學的數學模型，對海域使用結構進行優化，非常具有實際指導意義和應用價值。

優化設計從馬克斯威爾理論 （Maxwell 1980）和米歇兒（Michell 1905）開始算起已經有百年，從史密斯（Schimit）用數學規劃來解決結構優化設計起算，亦有40余a的歷史[15-17]。近年來，線性規劃方法開始廣泛應用于優化設計，而且大量采用數學模型優化方法也成為現代科學規劃的趨勢之一，通過借助數學模型這一嚴密的邏輯方法，能有效地保證結構優化思維的邏輯過程，從而增強規劃方案的科學性，具體的規劃問題，由于內容不同，系統各要素之間的聯系方式不同，目標函數與約束條件也有不同的性質和形式，常用的規劃方法有線性規劃、灰色線性規劃、模糊線性規劃、非線性規劃、動態規劃等[18-19]。建立數學模型優化結構在經濟結構優化和土地利用結構優化里已經得到很好的利用[20]，也發揮了其定量優化的優勢，而海域使用結構與經濟結構優化、土地利用結構優化有著一定的相似性，因此，通過建立目標函數和約束條件，進而建立數學模型優化海域使用結構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域。則根據現行國家標準HY/T 123-2009《海域使用分類》，共設10個決策變量：X1j為漁業用海，X2j為交通運輸用海，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 目標函數

海域使用的目的是通過對海洋資源的開發利用，來滿足人類社會的物質文化生活需求，因此，海域使用結構優化的目標是實現海洋經濟效益、社會效益和生態效益最大化，促進海洋可持續發展。即海域使用結構優化應實現經濟產出最大化、就業最大化、公眾親海等需求滿足最大化，海洋生態系統損害最小化。則目標函數為：

式中：α代表區域某類型單位海域使用面積的經濟效益；β代表區域某類型單位海域使用面積的環境損失；γ代表區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，內水和領海面積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水深以內的海域資源和灘涂資源的17.66%，但是根據海洋環境質量公報的評價岸線人工化指數達到0.38，上海、天津、浙江、江蘇和廣東的沿海地區已經處于高強度開發狀態[21]。所以應根據海域使用合理開發強度和程度，確定適宜開發利用的海域使用總面積。海洋主體功能區劃劃分優化開發區、重點開發區、限制開發區和禁止開發區，最優海域使用總面積可以確定為優化開發區和重點開發區的面積總和。

式中：S為區域最優海域使用總面積。

3.3.2 最優功能區約束

海洋功能區劃是海域使用的基礎，是引導海域使用秩序，因此海域使用受到了海洋功能區劃空間資源的約束，各類海域使用面積都不應大于最優功能區面積總量。

F1j為某區域海洋功能區劃中漁業資源利用養護區面積，F2j為某區域海洋功能區劃中港口航運區面積，F3j為某區域海洋功能區劃中礦產資源利用區面積，F4j為某區域海洋功能區劃中旅游區面積，F5j為某區域海洋功能區劃中工程用海區面積，F6j為某區域海洋功能區劃中海水資源利用區面積，F7j為某區域海洋功能區劃中特殊利用區面積，F8j為某區域海洋功能區劃中海洋保護區面積，F9j為某區域海洋功能區劃中保留區面積，則：

3.3.3 非負約束

3.3.4 漁業用海最低保有量和最大適宜量約束

3.3.5 保護區最低保有量約束

3.3.6 圍填海計劃指標約束和現狀不可改變約束

式中：X''7j為區域圍填海造地工程用海控制指標；X'7j為區域圍填海造地工程用海現狀。

4結論

海洋功能區劃是海域使用管理的科學依據，為海域使用活動提供了主導（優勢）功能引導，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系的引導卻顯得力度不夠；數學模型是規劃的重要工具，為海域使用結構優化提供技術方法，因此，通過建立經濟、社會和環境綜合效益最大化的目標函數和海洋功能區等約束條件，建立基于海洋功能區的海域使用結構優化模型，以分析和優化海域使用各類型數量比例結構，對加強海域使用管理和調整海域使用結構具有很強的現實意義。

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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基金資助項目（2009706）