基于海洋功能区的海域使用结构优化模型初探

张潇娴，王江涛

（国家海洋信息中心，天津 300171）

基于海洋功能区的海域使用结构优化模型初探

张潇娴，王江涛

（国家海洋信息中心，天津 300171）

探讨了海域使用结构形成机制，海域使用结构是受海洋资源结构约束，受消费结构引导，通过海洋产业落实到海域空间；分析了海域使用结构现状和变化趋势，结果显示渔业用海呈下降趋势，工业用海呈上升趋势；并以各类海洋功能区为基础，构建了海域使用结构优化模型，为海域使用结构调整提供定量化技术依据。

海域使用；结构；优化模型；海洋功能区

海域由海面、水体、海床和底土构成，是发展海洋经济的载体，海洋开发利用的空间基础和资源保障[1]，因此，不仅在各海洋产业之间存在着的海洋产业结构和比例关系，而且在各类海洋开发利用活动之间也存在着海域使用结构和比例关系。根据系统论的观点，结构决定功能，只有结构的合理，才能保持系统的良性循环，才能取得最大利用效率[2]。因此，海域使用结构是否健康、优化，直接影响着海域使用的效益。目前，中国海洋发展中的许多问题，都对海域使用结构优化提出了要求，主要体现在以下三个方面：

（1）随着各类海洋开发利用活动的规模和程度不断加大，各涉海行业对海域资源的需求大幅增加，而可供开发利用的海域资源逐渐稀少，海域资源的稀缺性日益凸显，特别是海岸线和近岸海域资源供需矛盾尤为突出。针对不同时期的形势和发展需求，科学合理地优化海域使用结构，可以在最大满足各类用海需求的同时调解、缓和这些矛盾，提高海域使用效益。

（2）当前，中国近岸海洋生态系统面临着环境污染、生境丧失、生物入侵和生物多样性低等各种问题，近岸海洋生态系统健康状况恶化的趋势仍未得到有效缓解。2009年，国家海洋局对18个海洋生态监控区 （涉及21个海洋生态系统）的监测显示，处于健康、亚健康和不健康状态的海洋生态系统分别占24%，52%和24%[3]。不健康和多数亚健康的海洋生态系统仍然承受着巨大的污染压力，滨海湿地生境和生态功能因大规模围填海活动而大量永久性丧失，海洋生物群落结构趋于简单化，生物多样性低，处于不稳定状态，严重影响了海洋的可持续发展。这些问题都与对海洋资源的过度开发密不可分，改善这种状况，需要调整海域使用结构。

（3）中国的海洋经济正处于发展方式转型的关键时期。据《中国海洋经济统计公报》统计，2009年，全国海洋生产总值31 964亿元，海洋生产总值占国内生产总值的9.53%，占沿海地区生产总值的15.5%，全国涉海就业人员3 270万人，其中新增就业52万人[4]。但是，传统海洋产业仍处于粗放型发展阶段，主要海洋产业中高能耗产业增长速度处于前列，面对这些深层次结构问题，海域作为海洋经济发展的生产要素，其使用结构的优化可以成为促进海洋经济增长方式转变的着力点之一，促进海域资源由粗放式利用主体向着集约节约利用主体流动，促进海域资源的使用由高能耗、低效益的产业向着低能耗、高效益的流动，从而以较少海域资源的投入和最低的生态环境损害来换取最大的经济产出，达到经济效益、社会效益和经济效益的最大化。

1 海域使用结构的含义与形成机制

海域使用结构是海域使用系统内部，各用海类型之间的比例和构成关系，体现了海洋资源在各海洋产业中的分配形式，反映了海域使用系统内部海域资源配置的合理性和各海洋行业用海的有序性，因此，海域使用结构的形成，是由海洋资源结构和所有海洋行业用海结构共同作用，并主要通过海洋产业落实到海域空间（图1）。

图1 海域使用结构形成关系图

1.1 海洋资源结构

中国现今工业化程度较低，今后相当长时期内自然资源型产业仍是产业经济发展的主导趋势，自然资源结构仍然在产业结构演进中发挥着重要的作用，但是，随着产业结构层次的升级，地区自然资源结构对产业结构制约作用的程度将逐渐减弱，水、土地、光热等能被多数产业部门可利用资源是共用自然资源，在产业结构演进初期和后期作用的主要资源[5]。因此，海洋资源是海洋经济发展的客观基础，海洋资源的数量、质量以及空间分布结构是海域使用结构的决定因素，有什么样的海洋资源结构就会形成什么样的海洋产业结构，进而形成相对应的海域使用结构。

1.2 消费需求结构

社会需求是经济发展的原动力[6]，一定水平的消费结构，通过经济体制、产业组织和生产技术，影响并形成一定的产业结构，海洋产业以一定的海域资源利用能力和利用水平进行产业活动，影响着海域使用结构组成。

2 海域使用结构现状分析

2.1 海域使用结构变化趋势

中国海域使用总量快速增长，已确权海域使用面积从2002年62万 hm2增长到了 2008年的 147万 hm2[7](表 1)，增长了2倍多，平均每年增长近27%，中国海岸线和近岸海域资源供需矛盾更加突出；与此同时，海域使用结构也不断变化（图2-3），2002-2008年，渔业用海从89.6%下降到84.2%，交通运输用海从2.3%上升到5.23%，工矿用海从2.39%上升到2.49%，海底工程用海从0.49%上升到1.51%，围海造地用海从2.5%上升到4.37%，从总体趋势来看，中国海域使用结构变化呈现出一定的规律性：渔业用海呈下降趋势，工业用海呈上升趋势，但海域使用结构是否向着最优海域使用结构方向变化还有待研究。

中国海域使用结构中最突出问题是围海造地用海比重逐年增加，这主要是由于我国重化工业沿海布局和人口趋海聚集带来的对海域资源的合理需求，但是也存在着由于经济利益驱动而带来的对海域资源开发利用过度和无序，在我国二等海域，经填海造地后带来的直接经济效益平均可达10多万元/亩，因此，优化海域使用结构和布局时，围填海应予以重点关注。

表1 各类海域使用现状和比重[7]

2.2海域使用结构相似性和变化度分析

采用结构相似系数和结构变化度[8]（公式1，2）来衡量海域使用结构定量变化，以及海域使用结构相似程度，现根据2002-2008年海域使用统计数据（表1），分析海域使用结构相似系数和变化度，结果计算为表2，海域使用结构相似程度很大，总体变化程度较小，海域使用结构相似性和变化度随着时间序列增长而变小。

结构相似系数：

式中：Sij是两种结构（i与j）的变化系数；Xik是 k种海域使用类型在i种结构中所占的比重；Xjk是k种海域使用类型在j种结构中所占比重。

结构变化度：

式中：Q是结构变化度；Xik是k种海域使用类型在i种结构中所占的比重；Xjk是k种海域使用类型在j种结构中所占比重。

图2 海域使用结构变化

表2 海域使用结构相似性和变化度

3 基于海洋功能区划的海域使用结构优化模型构建

中国海域使用结构优化研究处于探索阶段，尚未形成研究成果，但是在海洋产业结构优化研究方面已经取得了一些研究进展，徐质斌[9]等提出了海洋产业结构合理性评估的标准，并阐述了优化的原则和问题及其措施。张静[10]等研究了海洋产业结构的演进规律，张红智[11]等研究了中国海洋产业结构现状、存在问题、优化目标、原则和措施；刘曙光、张月锐、刘洪滨做了实践研究，评价了环渤海、青岛市、东营市海洋产业结构[12-14]，等等。

海洋功能区划目的在于揭示各个具体海域的客观自然属性和社会功能价值，以及适合的开发利用方向，其基本含义是根据海域 （在海岸带区域有时还应包括必要的陆域）的地理区位、地理条件、自然资源与环境等自然属性，并适当兼顾海洋开发利用现状和区域经济、社会发展需要，划分为具有特定主导（或优势）功能，为充分发挥海域的最佳效能，科学、合理地开发与保护海域及其资源提供客观的标准和依据。近年来，我国海洋功能区划实施成效显著，为海洋经济快速发展和项目用海提供了保障，成为海域使用管理、宏观指导海域开发活动的科学基础和依据，但是在符合区划条件下，无法调控各类海域使用活动之间比例关系，缺乏对综合效益高的海域使用活动的引导，这正是海域使用结构的不合理反映，并成为海域使用管理深层次发展的重点，因此，基于海洋功能区划，采用合理科学的数学模型，对海域使用结构进行优化，非常具有实际指导意义和应用价值。

优化设计从马克斯威尔理论 （Maxwell 1980）和米歇儿（Michell 1905）开始算起已经有百年，从史密斯（Schimit）用数学规划来解决结构优化设计起算，亦有40余a的历史[15-17]。近年来，线性规划方法开始广泛应用于优化设计，而且大量采用数学模型优化方法也成为现代科学规划的趋势之一，通过借助数学模型这一严密的逻辑方法，能有效地保证结构优化思维的逻辑过程，从而增强规划方案的科学性，具体的规划问题，由于内容不同，系统各要素之间的联系方式不同，目标函数与约束条件也有不同的性质和形式，常用的规划方法有线性规划、灰色线性规划、模糊线性规划、非线性规划、动态规划等[18-19]。建立数学模型优化结构在经济结构优化和土地利用结构优化里已经得到很好的利用[20]，也发挥了其定量优化的优势，而海域使用结构与经济结构优化、土地利用结构优化有着一定的相似性，因此，通过建立目标函数和约束条件，进而建立数学模型优化海域使用结构的方法具有实际可操作性。

3.1 决策变量

在该模型中，用Xij表示某区域某类型海域使用面积，其中，i表示某种海域使用类型，j表示某个海域使用区域。则根据现行国家标准HY/T 123-2009《海域使用分类》，共设10个决策变量：X1j为渔业用海，X2j为交通运输用海，X3j为工矿用海，X4j为旅游娱乐用海，X5j为海底工程用海，X6j为排污倾倒用海，X7j为围海造地用海，X8j为特殊用海，X9j为其它用海，X10j为未利用面积。

3.2 目标函数

海域使用的目的是通过对海洋资源的开发利用，来满足人类社会的物质文化生活需求，因此，海域使用结构优化的目标是实现海洋经济效益、社会效益和生态效益最大化，促进海洋可持续发展。即海域使用结构优化应实现经济产出最大化、就业最大化、公众亲海等需求满足最大化，海洋生态系统损害最小化。则目标函数为：

式中：α代表区域某类型单位海域使用面积的经济效益；β代表区域某类型单位海域使用面积的环境损失；γ代表区域某类型单位海域使用面积的社会效益。

3.3 约束条件

3.3.1 海域使用总面积约束

中国有大陆岸线1.8万km，内水和领海面积38万km2，而截止到2008年中国海域使用总面积为1 473 756.76 hm2，占我国0～10 m水深以内的海域资源和滩涂资源的17.66%，但是根据海洋环境质量公报的评价岸线人工化指数达到0.38，上海、天津、浙江、江苏和广东的沿海地区已经处于高强度开发状态[21]。所以应根据海域使用合理开发强度和程度，确定适宜开发利用的海域使用总面积。海洋主体功能区划划分优化开发区、重点开发区、限制开发区和禁止开发区，最优海域使用总面积可以确定为优化开发区和重点开发区的面积总和。

式中：S为区域最优海域使用总面积。

3.3.2 最优功能区约束

海洋功能区划是海域使用的基础，是引导海域使用秩序，因此海域使用受到了海洋功能区划空间资源的约束，各类海域使用面积都不应大于最优功能区面积总量。

F1j为某区域海洋功能区划中渔业资源利用养护区面积，F2j为某区域海洋功能区划中港口航运区面积，F3j为某区域海洋功能区划中矿产资源利用区面积，F4j为某区域海洋功能区划中旅游区面积，F5j为某区域海洋功能区划中工程用海区面积，F6j为某区域海洋功能区划中海水资源利用区面积，F7j为某区域海洋功能区划中特殊利用区面积，F8j为某区域海洋功能区划中海洋保护区面积，F9j为某区域海洋功能区划中保留区面积，则：

3.3.3 非负约束

3.3.4 渔业用海最低保有量和最大适宜量约束

3.3.5 保护区最低保有量约束

3.3.6 围填海计划指标约束和现状不可改变约束

式中：X''7j为区域围填海造地工程用海控制指标；X'7j为区域围填海造地工程用海现状。

4结论

海洋功能区划是海域使用管理的科学依据，为海域使用活动提供了主导（优势）功能引导，同时也对海域使用活动提供了用海类型和用海空间布局约束，但是，在符合区划条件下，对海域使用活动效益高低和海域使用活动比例关系的引导却显得力度不够；数学模型是规划的重要工具，为海域使用结构优化提供技术方法，因此，通过建立经济、社会和环境综合效益最大化的目标函数和海洋功能区等约束条件，建立基于海洋功能区的海域使用结构优化模型，以分析和优化海域使用各类型数量比例结构，对加强海域使用管理和调整海域使用结构具有很强的现实意义。

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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

国家海洋局青年海洋科学基金资助项目（2009706）