基于系统动力学的海洋功能区利用效能评估方法研究＊

高延铭 周 玲 曲 鹏 王 波 张 超

(国家海洋局北海分局山东省海洋生态环境与防灾减灾重点实验室,山东 青岛 266100)

一、引言

海洋功能区是指根据海域及相邻陆域的自然资源条件、环境状况和地理区位,并考虑到海洋开发利用现状和经济社会发展的需要,而划定的具有特定主导功能、有利于资源的合理开发利用、能够发挥最佳效益的区域。[1]海洋功能区划对海洋管理、海洋经济可持续发展起取了重要的作用,其划分得是否科学合理,直接关系到海域的合理开发和可持续利用。因此,对已有海洋功能区的效能评估是非常重要的。但目前而言,就如何科学地对海洋功能区的应用效能进行评价却罕见报道。这是因为对功能区的利用效能评估是困难的,首先海洋功能区的效能评估是一个开放的系统,因素众多,并互相影响和制约。无法用一个或几个简单的评价指标解决。

我国是最早开始海洋功能区划研究的国家之一,伴随着国家海洋功能区划的发布与实施,沿海各省也纷纷出台了各自的海洋功能区划。海洋功能区规划是否合理,体系是否科学不仅仅需要前期的规划,还应该在后期的海域使用过程中加以验证,这就需要对海洋功能区利用效能加以分析和比较。可持续发展和构建和谐海洋的理念的提出,把对海洋功能区的利用效能的分析的重要性提升到了一个新的高度。

青岛市海洋资源丰富,有着良好的海水养殖产业基础。2004年发布的《青岛市海洋功能区划》划定了9个大类191个功能区,其中渔业资源利用和养护区,包括渔港和渔业设施基地建设区、养殖区、增殖区和捕捞区,共33个,区划面积385.1585平方公里,占总面积的29.2％。2009年青岛市渔业总产值占海洋经济的22.3％,海水养殖产量占水产品总产量73％。但是,随着海洋经济的热潮和旅游、港航业务的高速发展,港口、旅游和修造船业都对海水养殖业形成了挤压之势,全市海水养殖面积不断缩小。[2]因此,以青岛海洋养殖区为例分析青岛海洋功能区划的利用效能具有重要意义,也对其他功能区划的效能评估提供重要依据。

目前,国内对海洋功能区的研究多集中在海洋功能区划的原则、方法、流程上。划分方法多集中于指标法、叠加法和协调法等,[3-5]例如徐伟等利用研究了项目用海与海洋功能区划符合性判定标准,从理论方面研究了项目用海与所在海域主导功能符合性分析的基本步骤和方法并给出相关建议。[6]其中一些相关文献采用了层次分析法给出了海洋功能区开发潜力评价指标体系的定性分析结果。[4,6]在上述分析结果中,没有明确引入社会经济因素的影响。而且,这些工作都是在功能区使用之前进行的规划性工作,对于功能区划对海域使用的效果及影响均未涉足。国外海域使用的空间规划措施及指导思想与我国功能区划相似,一些国家主要实行资源区划,不同的区域实行不同的管理对策,如美国夏威夷和阿拉斯加州。应该说,这些都只是具有海洋功能区划的某些属性。[7-8][9](P201-261)目前还没有一个国家跟我国一样,开展如此大范围的系统化、业务化的海洋功能区划工作,亦未见国外有研究建立海洋功能区决策支持或评价模型的报道。

系统动力学方法是由美国麻省理工学院教授Fo rrester创立的,擅长处理长周期、具有非线性和时变现象的系统问题。海洋功能区划可以看作是一个结构有序、功能独特、对外部激励产生响应、有一定自我调节能力和自组织能力的复杂系统。因此采用SD系统动力学理论在解决其评价问题具有明显优势。

综上所述,本文综合考虑经济效益及在经济发展过程中影响这些海洋功能区利用效能的相关指标,包括该海洋功能区对其他区域(包括滨海陆地、海岸带、近岸海域和海岛)的影响因素,建立SD模型及其评价体系,从整体海洋经济和海洋产业的角度进行分析和比较青岛海洋渔业养殖区的利用效能问题,并进行仿真和试验模拟,进而对系统的结构、功能、反馈机制和动态行为做出深入的研究。为海洋功能区划提供有效的技术分析手段及依据,为海域使用的科学化和可持续发展打开新的思路。

二、海洋功能区利用效能评价体系

系统动力学的方法广泛应用于综合评估系统。将系统动力学方法推广至海洋功能区的效能评估存在以下几个难点：首先,需要建立比较系统的功能区划系统动力学模型很难实现；其次,建立评价体系的参数的选择及系统间相互影响关系的确定也是非常困难的；此外还要考虑到众多的社会因素、环境因素等对海洋功能区效能的影响。

(一)评价指标考虑因素分析

水产品的价格是影响养殖量的最主要因素,[10]影响水产品价格的因素除了产量、养殖和捕捞成本外,还包括社会经济情况、人均可支配消费支出,以及居民消费习惯,但它的影响要在水产品价格上升或下降之后一到两年才能体现出来(视养殖品的成长周期而定)。而同样的水产品,中低端的食用鱼类受社会经济状况的影响远小于海珍品受经济状况影响。许多海洋经济领域(如养殖、旅游等)受地区海洋环境状况、海洋气候状况等大环境影响也较大,在分析海洋功能区的利用效能时也应该加以一并考虑。[11]

此外,各类海洋功能区之间又在互相产生着影响。尽管人类活动区域在向深远海不断发展,但对近期海洋经济可产生影响,可以供人类使用的区域却还是主要集中在近海,而近海的海域面积是一定的,海洋功能区划就是根据各类海域的不同条件而划定的相应的区域,各类区域的划定与该地区的经济发展情况、重点产业有着密切的关系。港口和航行区产生的废水和污染对邻近的养殖区一定会产生影响,而养殖区导致的海水的区域富营养化、沉积和水动力的改变也会对附近的旅游区产生一定的影响。这样一来,各类功能区之间又产生了千丝万缕的联系,要解决这种既存在各子系统间相互影响,又存在外部大系统的影响的效能分析问题,必须利用大系统理论,采用系统化的分析方法加以分析和解决,系统动力学正是解决这一类问题最合适的工具。

(二)系统状态变量确定

系统选择的状态变量包括(历史数据自2000年起计算)：城镇人口初值,水产品价格初值,能源成本初值,生产资料成本初值,饲料成本初值,人力资源成本初值,期望消费量初值,海水捕捞产量初值,淡水养殖产量初值,航运吞吐量初值,旅游收入初值,海水养殖面积初值,海水养殖产量初值,海水养殖产值初值。决策变量包括城市人口增长率、城镇人口增长率,第一、第二、第三产业增长率,水产品价格增长率,养殖成本增长率,人均消费增长率,期望消费量增长率,海水捕捞、淡水养殖/捕捞增长率。

三、建立渔业养殖区利用效能SD模型

通过SD模型的建立,研究影响青岛市海洋功能区利用效能的主导因素及相关因素,并掌握这些因素对海洋功能区利用效能的影响程度及反馈关系,通过模型的运行模拟各种条件下青岛市海洋渔业功能区的利用效能的变化趋势及与相关区域的相互作用情况。

根据导致水产品价格的主要因素为人口、污染、政策、收入、产量、养殖面积、水产品种类及分布、养殖成本、航运吞吐量等构成等进行,分析,建立如图1所示的海水养殖区利用效能分析系统动力学反馈回路图,由该反馈图可以观测出SD模型中影响因素的定性关系。

SD模型不是简单地给出各市各类海域的产值比较、产值上限或经济指标承载力,而是通过各种决策在模型上的模拟,清晰地反映人口、资源、环境和发展之间的关系,以现在存在为前提,通过调整系统参数和结构,寻求改善系统行为的机会和途径,为定量化描述海洋功能区的利用效能和建立持续发展模式提供参考依据,为青岛市海洋合理开发利用提供科学的依据。

渔业养殖区SD模型的具体建立步骤如下：

水介质旋流器又称自生介质旋流器，其结构如图2所示，由一段圆柱体和一段圆锥体及切向给料口组成。它的锥体夹角为钝角，达到80°～140°，锥体粗短，旋涡溢流管粗长，几乎穿过整个圆柱体。

首先将与水产品价格相关的主要因素分为以下6大类,然后对每类因素进行细化,分析出每类因素的支路描述。画出各支路描述的影响图,最后参考大系统理论,分析综合各因素之间的相互影响和作用关系,形成整个大系统的SD模型。(1)城市GDP构成(支路描述：人口-＞总产值)。(2)人均水产品消费额构成(支路描述：GDP-＞人均 GDP-＞人均收入-＞人均水产品消费额)。(3)水产品生产成本构成(支路描述：水产品成本由人力资源成本、能源燃料成本和生产资料成本构成)。(4)水产品平均价格构成(支路描述：水产品价格由水产品生产成本、人均水产品消费量、期望量与产量差决定)。(5)水产品期望消费总量(支路描述：由人均水产品消费额和水产品价格计算水产品期望消费总量)。(6)海水养殖期望产量(支路描述：由水产品期望消费总量中减去淡水产量、海水捕捞产量,获得海水养殖期望量)。

综合上述支路分析与描述,可以得到完整的海水养殖区利用效能分析系统动力学模型图,如图2所示,通过各回路参数调整,通过历史数据可以模拟仿真该渔业养殖区的经济效益和预测未来走向。

图1 海水养殖区利用效能分析系统动力学反馈回路图

四、青岛渔业养殖区SD模型的仿真及验证

模型的调试与改进在整个模型建立过程中居于十分重要的位置,通过模型的优化与改进,可以洞察系统内部原本看似无关系或无直接关系的因素之间的联系,从而进一步研究结构与行为的关系。本节通过历史数据检验和灵敏度分析方法两大方面检验并验证所建立的青岛渔业养殖区的SD模型的有效性。

图2 海水养殖区利用效能分析系统动力学模型图

(一)历史检验

历史检验就是选择历史某时刻为初始点,从这个初始点开始进行仿真,然后用历史数据与仿真结果数据进行误差、关联度等分析,以检验模型的历史数据贴合度。

本文以2000-2009年历史数据为依据,通过5个子系统数据对3个状态变量数据进行模拟,并进行贴合度分析。除了系统正常的3个状态变量外,其主要影响因素城镇人口、生产总值、水产品价格和人均水产品消费额也进行了检验。检验的主要数据参见表1和表2。表1描述了从2000-2009年海水养殖面积及海水养殖产量之间的误差关系,由表1可以看出,不同年度主要影响因素会有所改变,因此采用每年都相同的单一影响参数矩阵计算出来的模拟值与实际的误差也比较明显。例如,所建立的评价体系参数都是参照2003年和2004年的数据进行的拟合与分析,因此2003年的数据误差最小。表2描述的是从2000-2009年海水养殖产值及水产品价格关系模拟之间的误差关系表。同样,2003年和2004年的拟合及预测误差较小,最为接近现实值。观察表1和表2可以看出,即使对每年的主要参数及评价指标矩阵的值不做改变,该SD模型的预测准确率也可以保证在91％以上,因此,通过历史数据验证,可以看出,通过所建立的SD模型进行评估和预测,准确率是具有重要的参考价值的,为定性分析渔业养殖海洋功能区及推广到其他海洋功能区的划定,提供了有力的依据。

如果能够对每年的主要影响因素的值做对应调整,本系统将获得更为满意的结果。

表1 青岛市海洋功能区SD模型模拟对比统计误差表

表2 青岛市海洋功能区SD模型模拟对比统计误差表

灵敏度分析较为复杂,它是通过改变模型中的参数、结构,运行模型和比较模型的输出,确定其影响程度,通过本分析,可以比较客观地确定不同影响因素的改变对整个系统会带来什么样的改变,对政策的调整和倾向具有重要的参考意义。

从不同角度看模型的灵敏度可分为3种：数值灵敏度、行为灵敏度和政策灵敏度。灵敏度分析能定量地测定模型对变动参数、结构的行为灵敏度与政策灵敏度的高低,进而判断出模型强壮性的优劣。

影响水产品成本的主要因素有三个,即人力资源成本、能源成本和生产资料成本。其中人力资源成本和生产资料成本较有规律,而能源燃料的成本尽管具有明显的上升曲线,但其变化过程却是基本上没有规律的。所以在模型中人力资源成本和生产资料成本采用的是变化率方法计算,而能源燃料成本则采用了查表法。

参考国内其他资料,生产资料成本可能会在2010年以后越来越呈现明显的上升趋势。滑动模型中的生产资料成本增加率,使之变为10％,则可以看到水产品价格的明显上扬,随之而来的是期望消费量的降低。

图3 灵敏度分析示意图

图4 青岛水产品价格对比及预测图

图5 水产品期望消费量对比图

由上面的分析我们可以看到,影响水产品产量的不仅仅是科技进步和水产品的价格。科技进步是一个长期过程,但水产品的价格、消费水平(消费习惯和消费人口)则是一个连续的波动过程。同时由于水产品的养殖周期、渔民的信息延迟等影响,其价格呈现4-5年为周期的波动。为了进一步验证这一点,我们在模型上加了一项比率因素“水产品购买欲望”,初始值为1,当出现类似“大菱鲆”事件时,其比率降为0-1之间的值,视其影响而定,当出现其他同类产品(肉蛋)质量影响较大的问题时,其比率上升为1-2,同样视影响而定。该因素是表函数,在发生事件当年比率变动最高,第二年、第三年视处理情况而定。图6是模拟2003年和2008年出现两次海水养殖质量事故后的海洋养殖产量图,可以看到明显的产量变化的滞后效应。

图6 青岛海水养殖产品总量影响图

五、结论

利用SD理论、GIS技术和统计数据,建立了青岛市海洋渔业养殖功能区利用效能评价模型,从社会、经济、投入、产出、影响波动等方面对青岛市海洋功能区(渔业增养殖区)效能进行了定量分析研究,具体结论如下：

1、青岛市水产业近年来发展十分迅速,但受整体海域使用规划影响和经济发展影响,近10年来养殖面积缩小了33％左右,养殖产量基本保持不变,产值实现了每年的递增。但是如果没有水产品加工和出口的后续保证,市场期望产量在未来5年不会出现大的变动,渔民生产积极性不足,影响青岛市海水养殖产业的发展。

2、受水产品价格等因素影响,海水养殖存在5 -6年的波动期和滞后期。由于转产困难,如果青岛市贝类养殖发生类似2007年大菱鲆事件不能得到有效处理的话,会对青岛市的海水养殖产生毁灭性打击。相关管理部门要做好质量体系建设,最好能够建立青岛市养殖品的品牌效应,提高问题处理的集中度,并利用应急预案等方式减少后期影响,出现事件后尽快恢复社会对青岛水产品的信心。

3、随着生产资料、燃料能源等价格的进一步攀升,尽管青岛市水产品产量和产值在不断提升,但其主要受价格因素和生产成本的影响,并不是真正意义上的效能提升。随着青岛市经济的发展和城市的外延,青岛市的海水养殖还会被进一步边缘化。因此适时引导深水养殖、工厂化养殖,引导渔民转产,将是青岛市未来养殖水产发展的必经之路。

综上所述,通过历史数据验证和灵敏度分析,可以看出在使用静态的评价指标体系时,该SD模型的评估及预测准确性在91％以上,如果能够采用年度动态评价指标体系,能有效提高SD模型的准确率。本模型为海洋功能区划的定量分析为海洋功能区划提供一种有效的技术分析手段及依据,为海域使用的科学化和可持续发展打开新的思路。

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