單春紅,李怡昕,于謹(jǐn)凱

(中國海洋大學(xué)經(jīng)濟(jì)學(xué)院，山東青島 266100)

基于空間布局優(yōu)化路徑?jīng)Q策模型的山東半島藍(lán)區(qū)海水養(yǎng)殖空間布局優(yōu)化研究

單春紅,李怡昕,于謹(jǐn)凱

(中國海洋大學(xué)經(jīng)濟(jì)學(xué)院，山東青島 266100)

運(yùn)用空間布局優(yōu)化路徑?jīng)Q策模型，出2010年為基期，對山東半島藍(lán)區(qū)2020年的海水養(yǎng)殖空間布局的最優(yōu)比例進(jìn)行求解，并計(jì)算得到了十年間海水養(yǎng)殖空間布局的優(yōu)化路徑。池塘、底播、淺海養(yǎng)殖的現(xiàn)狀比例為48%、48%、4%，最優(yōu)比例為38%、48%、14%;池塘養(yǎng)殖經(jīng)過2%、2%、2%、5.3%、5.1%、4.7%、4.4%、4%、3.5%、2.9%的優(yōu)化率，在2020年達(dá)到38%的最優(yōu)占比;底播養(yǎng)殖經(jīng)過前二年8.8%、8.5%、8.1%的優(yōu)化比率在2013年達(dá)到最大占比51.4%之后連續(xù)七年經(jīng)過5%的優(yōu)化比率在2020年恢復(fù)至最優(yōu)比例48%;淺海養(yǎng)殖連續(xù)十年經(jīng)過20%的優(yōu)化比率，最終達(dá)到14%的最優(yōu)占比。經(jīng)過十年不斷的優(yōu)化，池塘、底播、淺海的養(yǎng)殖面積在2020年都將會達(dá)到規(guī)劃的理想面積1104935hm2、1405817 hm2、480893.6 hm2。

空間布局優(yōu)化路徑?jīng)Q策模型;海水養(yǎng)殖;空間布局優(yōu)化;山東半島藍(lán)區(qū)

1 研究綜述

1.1 海水養(yǎng)殖研究綜述

國內(nèi)學(xué)者對海水養(yǎng)殖的研究主要集中在海水養(yǎng)殖對海洋環(huán)境、對生態(tài)系統(tǒng)帶來的影響及海水養(yǎng)殖產(chǎn)量研究等方面。從海水養(yǎng)殖對海洋環(huán)境的污染、海水養(yǎng)殖帶來的生物污染及海水養(yǎng)殖對濱海濕地造成的破壞二方面分析了海水養(yǎng)殖對海洋造成的嚴(yán)重污染。通過分析海水養(yǎng)殖對海域環(huán)境的影響類型，主要包括水域污染、生態(tài)系統(tǒng)的破壞及海岸線的破壞，提出了運(yùn)用物理和化學(xué)方法、生物修復(fù)方法、海水養(yǎng)殖可持續(xù)發(fā)展等消除影響的對策。出對海帶和貝類養(yǎng)殖對桑溝灣生態(tài)結(jié)構(gòu)和功能影響分析為基礎(chǔ)，探討了不同養(yǎng)殖模式下桑溝灣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化，出貝藻類養(yǎng)殖模式為主評估了桑溝灣養(yǎng)殖活動對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響。利用灰色預(yù)測模型和Verhulst模型，出海水養(yǎng)殖產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，預(yù)測了青島市海水養(yǎng)殖產(chǎn)量的變化。通過分析養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)監(jiān)測站位的數(shù)據(jù)，比較了不同密度養(yǎng)殖區(qū)水環(huán)境因子，對大面積的海水養(yǎng)殖給海洋環(huán)境帶來的影響進(jìn)行了評價(jià)。采用壓力—狀態(tài)—響應(yīng)模型，進(jìn)行了深澳灣養(yǎng)殖生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的模糊綜合評價(jià)，養(yǎng)殖品種過多、養(yǎng)殖面積過大時(shí)影響生態(tài)系統(tǒng)健康的主要原因。運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析法分析了海水養(yǎng)殖產(chǎn)量的各因子及其之間的關(guān)聯(lián)程度，并建立兩兩比較判斷矩陣確定各因子對海水養(yǎng)殖產(chǎn)量的影響度。

1.2 空間布局優(yōu)化研究綜述

國內(nèi)學(xué)者對空間布局優(yōu)化的研究主要集中在土地及產(chǎn)業(yè)的空間布局優(yōu)化上。運(yùn)用相關(guān)性分析、逐步回歸分析的方法，借助SPSS統(tǒng)計(jì)軟件分析了益陽市城鄉(xiāng)建設(shè)用地空間布局的影響因子。通過對長二角的產(chǎn)業(yè)布局現(xiàn)狀進(jìn)行分析，提出了優(yōu)化長二角空間產(chǎn)業(yè)布局的戰(zhàn)略構(gòu)想及推動長二角空間產(chǎn)業(yè)布局優(yōu)化的對策建議。出GIS技術(shù)作為數(shù)據(jù)處理的工作平臺，圍繞農(nóng)村居民點(diǎn)空間布局優(yōu)化和集約用地模式這個中心，從理論、方法、技術(shù)、實(shí)證等多個層面進(jìn)行了研究。在定西市產(chǎn)業(yè)集群布局現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上進(jìn)行產(chǎn)業(yè)集群發(fā)展的SWOT分析，提出定西產(chǎn)業(yè)空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化布局的建議。構(gòu)建了基于GIS、GA、多目標(biāo)決策和景觀生態(tài)學(xué)理論基礎(chǔ)上的土地空間布局優(yōu)化模型，出德清縣為例，對其土地的空間布局優(yōu)化進(jìn)行了計(jì)算機(jī)動態(tài)模擬仿真。從供需分析的角度，在Arc GIS平臺下，利用均勻度指數(shù)和可達(dá)范圍內(nèi)人均享有公共綠地達(dá)標(biāo)率考察了南京城市綠地的生態(tài)服務(wù)和社會服務(wù)在空間上的需求和供給，最終得出了南京市各區(qū)綠地系統(tǒng)的生態(tài)和社會服務(wù)平。在對呂梁市離石區(qū)現(xiàn)狀城鄉(xiāng)空間布局分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合城鄉(xiāng)一體化背景要求提出優(yōu)化城鄉(xiāng)空間布局的整體思路。

2 山東半島藍(lán)區(qū)海水養(yǎng)殖空間布局優(yōu)化路徑?jīng)Q策模型構(gòu)建

空間布局優(yōu)化路徑?jīng)Q策模型的核心思想旨在通過模型求出空間布局的最優(yōu)比例，并計(jì)算出每年相對應(yīng)的優(yōu)化率，通過每年的不斷優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)從現(xiàn)狀至理想的布局優(yōu)化比例，即通過模型得到空間布局的優(yōu)化路徑。目前空間布局優(yōu)化路徑?jīng)Q策模型主要應(yīng)用在各產(chǎn)業(yè)的布局優(yōu)化研究中，本文將該模型運(yùn)用在了海水養(yǎng)殖的空間布局優(yōu)化研究中。

2.1 模型假設(shè)

設(shè)山東半島藍(lán)區(qū)海水養(yǎng)殖空間分布劃分為n（通常n≥3）個子空間，xj（0）（j=1，2，…n）表示當(dāng)前空間j占整體的比例，空間j占整體的合理比例為αj。通過模型計(jì)算找到一個路徑，在該路徑上保持整體一定優(yōu)化調(diào)整速度，將xj（0）（j=1，2，…，n）調(diào)整到αj，并且耗用時(shí)間最短。

2.2 系統(tǒng)狀態(tài)

決策變量xj（k）（j=1，2，…，n）表示k時(shí)子空間j占總空間的比例，控制變量uj（k）表示k+1時(shí)子空間j的優(yōu)化率，v（k）表示k+1時(shí)總空間的優(yōu)化率。xj（k+1）與xj（k）有如下關(guān)系：

N是滿足上式的最小整數(shù)。

2.3 目標(biāo)函數(shù)

在保持藍(lán)區(qū)海水養(yǎng)殖總空間的優(yōu)化率為v（k）（k=0，1，…，N-1）的條件下，將子空間j（j=1，2，…，n的比例由xj（0）調(diào)整到αj，并且整個時(shí)間最短。因此設(shè)目標(biāo)函數(shù)為：

uj（k）的取值范圍由海水養(yǎng)殖空間布局內(nèi)部子空間關(guān)聯(lián)所決定，每一個子空間的優(yōu)化必然影響其他相關(guān)子空間的優(yōu)化，同時(shí)受其他相關(guān)子空間優(yōu)化的制約。

2.4 模型求解

由于模型終端狀態(tài)知道，所出本文采用正序?qū)?yōu)途徑，求模型最優(yōu)解。首先要計(jì)算u（k）*(k=0，1，…，N-1)， 進(jìn) 而 求 得 J0*（x （N））。 顯 然 u （0）*是 非 線 性 規(guī) 劃 （5） 的 最 優(yōu) 解 。

（5）是線性約束的非線性規(guī)劃，采用通常求解方法求解。由于非線性規(guī)劃（5）具有一些特殊性，據(jù)此本文提出一種簡便求解方法，對該方法的求解過程進(jìn)行討論。

由于當(dāng)前子空間比例不合理，必存在j∈｛j=1，2，…，n｝，xj（0）≠αj，不失一般性，可設(shè)：

第1步 取初始可行解。令

可知，uˉ1(0)是可行解，轉(zhuǎn)第2步。

第2步 尋找下降可行方向和步長。取方向

dj1按下面規(guī)則取值

其中

由u2（0）的定義有如下結(jié)果：

若不是（5）的最優(yōu)解，必有充分小的正數(shù)s，使下面式子成立。

整個求解過程結(jié)束，此時(shí)有N=1;若式（6）不成立，轉(zhuǎn)入下一步。

第3步 第2步中sj1等于s1的j，在下降可行方向中取0，其他值的取法同第二步。如此迭代下去，直至整個運(yùn)算結(jié)束（不超過n-1步）。

設(shè)非線形規(guī)劃(5)運(yùn)算到第b1步結(jié)束，取u*（0）=uˉb1+1（0），u*（0）獲得。獲得了u*（0），用u*（0）的值可出算出J1*（x（N-1））。采用求u*（0）的方法，求u*（1），算出J1*（x（N-2））。如此繼續(xù)下去，求出u*（0），u*（1），…，u*（N-1），算出J0*（x（N）），完成整個模型的求解，得到藍(lán)區(qū)海水養(yǎng)殖空間布局優(yōu)化結(jié)構(gòu)調(diào)整過程路徑優(yōu)化決策。

3 基于空間布局優(yōu)化路徑?jīng)Q策模型的山東半島藍(lán)區(qū)海水養(yǎng)殖空間布局優(yōu)化荬證分析

3.1 數(shù)據(jù)來源

本文出2010年為基期，規(guī)劃目標(biāo)年為2020年。決策變量的設(shè)置出山東半島藍(lán)區(qū)海水養(yǎng)殖空間分布的養(yǎng)殖面積為基礎(chǔ)，結(jié)合研究地區(qū)的社會經(jīng)濟(jì)及海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r，綜合考慮相關(guān)數(shù)據(jù)的可獲得性，最終確定了池塘養(yǎng)殖(x1)、底播養(yǎng)殖(x2)、淺海養(yǎng)殖(x3)二種海水養(yǎng)殖空間分布為變量，且這些變量在地域上相互獨(dú)立，并能充分反映研究區(qū)域的實(shí)際狀況，符合空間布局優(yōu)化路徑?jīng)Q策模型對決策變量的要求。

表1 海水養(yǎng)殖空間分布Table.1 Marine fisheries space layout

表2 山東半島藍(lán)區(qū)海水養(yǎng)殖面積（單位：hm2）Table.2 Marine fisheries area（unit：hm2）

表3 山東半島藍(lán)區(qū)海水養(yǎng)殖空間比例（單位：%）Table.3 Marine fisheries space scale（unit：%）

3.2 山東半島藍(lán)區(qū)海水養(yǎng)殖空間分布比例調(diào)整過程優(yōu)化模型求解

根據(jù)上述討論，建立如下山東半島藍(lán)區(qū)海水養(yǎng)殖空間比例調(diào)整過程的優(yōu)化模型：

狀態(tài)方程：

初始狀態(tài)：根據(jù)當(dāng)前海水養(yǎng)殖空間布局類型的養(yǎng)殖面積占總養(yǎng)殖面積的比例計(jì)算得到當(dāng)前山東半島藍(lán)區(qū)海水養(yǎng)殖的空間比例，如上表3所示。

終端狀態(tài)：在目前海水養(yǎng)殖空間布局養(yǎng)殖面積的基礎(chǔ)上，根據(jù)山東半島藍(lán)區(qū)海水養(yǎng)殖的實(shí)際情況進(jìn)行規(guī)劃，結(jié)合各池塘養(yǎng)殖、底播養(yǎng)殖及淺海養(yǎng)殖的新選劃面積，計(jì)算得出海水養(yǎng)殖空間布局的最優(yōu)比例，如上表3所示。

目標(biāo)函數(shù)：

其中

控制變量uj（k）滿足

3.3 山東半島藍(lán)區(qū)海水養(yǎng)殖空間布局優(yōu)化路徑分析

應(yīng)用上述方法進(jìn)行求解，可得山東半島藍(lán)區(qū)海水養(yǎng)殖空間布局優(yōu)化的優(yōu)化路徑。

表4 山東半島藍(lán)區(qū)海水養(yǎng)殖空間布局優(yōu)化路徑（單位：%）Table.4 The optimized path of the marine fisheries space layout（unit：%）

如表4所示，經(jīng)過模型計(jì)算得到了山東半島藍(lán)區(qū)海水養(yǎng)殖的空間分布中池塘養(yǎng)殖面積經(jīng)過2%、2%、2%、5.3%、5.1%、4.7%、4.4%、4%、3.5%、2.9%的優(yōu)化率，從2010年所占48%的比例在2020年達(dá)到38%的最優(yōu)占比;底播養(yǎng)殖則經(jīng)過前二年8.8%、8.5%、8.1%的優(yōu)化比率之后連續(xù)七年經(jīng)過5%的優(yōu)化比率在2020年恢復(fù)至最優(yōu)比例48%;淺海養(yǎng)殖連續(xù)十年經(jīng)過20%的優(yōu)化比率，從4%的比例上升至14%的最優(yōu)占比。二種海水養(yǎng)殖空間都從當(dāng)前所占的比例經(jīng)過十年不斷優(yōu)化將達(dá)到合理比例。

4 山東半島藍(lán)區(qū)海水養(yǎng)殖空間布局優(yōu)化結(jié)論及對策

4.1 山東半島藍(lán)區(qū)海水養(yǎng)殖空間布局優(yōu)化結(jié)論

①山東半島藍(lán)區(qū)海水養(yǎng)殖中池塘養(yǎng)殖從當(dāng)前所占48%的比例，經(jīng)過2%的優(yōu)化得到第一年減少至46.2%的比例，經(jīng)過第一年2%的優(yōu)化率，在第二年減少至44.5%的比例，之后又經(jīng)過連續(xù)8年的不斷優(yōu)化，在十年達(dá)到了池塘養(yǎng)殖在海水養(yǎng)殖空間中應(yīng)當(dāng)占有的合理比例38%;②底播養(yǎng)殖經(jīng)過8.8%、8.5%、8.1%的優(yōu)化率，在第二年達(dá)到最大占比51.4%之后連續(xù)七年經(jīng)過5%的優(yōu)化率在第十年恢復(fù)至48%的所占比例;③淺海養(yǎng)殖的優(yōu)化率連續(xù)十年保持在20%的水平上，最終達(dá)到14%的的合理比例。

4.2 山東半島藍(lán)區(qū)海水養(yǎng)殖空間布局優(yōu)化對策

①山東半島藍(lán)區(qū)適宜開發(fā)池塘養(yǎng)殖區(qū)域的面積為3.4×105hm2，目前已開發(fā)近1.1×105hm2，仍舊有2.3×105hm2未得到開發(fā)，未開發(fā)區(qū)域主要位于濱州至濰坊岸段，為鹽堿地及荒灘，約2×105hm2可開發(fā)進(jìn)行海水及地下半咸水池塘養(yǎng)殖，可新建標(biāo)準(zhǔn)化海水養(yǎng)殖池塘，但要注意建設(shè)防風(fēng)暴潮設(shè)施;②底播養(yǎng)殖區(qū)已開發(fā)的大多在0～20m的區(qū)域內(nèi)，而-20m出外深海海域基本未開發(fā)，這是今后山東半島藍(lán)區(qū)開發(fā)的重點(diǎn)之一，適合開發(fā)刺參、海膽、甲殼類等大規(guī)模底播養(yǎng)殖，可在東營市城東海域、濰坊市及萊州市的萊州灣沿海海域、威海市北部海域、膠南、日照東南部海域等區(qū)域開發(fā)底播養(yǎng)殖;③目前山東半島藍(lán)區(qū)淺海海域可進(jìn)行筏式、網(wǎng)箱養(yǎng)殖的區(qū)域已基本開發(fā)，部分地區(qū)養(yǎng)殖密度過大，造成水域環(huán)境污染，影響了養(yǎng)殖效益，可開發(fā)的淺海養(yǎng)殖區(qū)域主要集中在長島、威海市、榮成市、乳山市等周邊海域;④在大力開發(fā)海水養(yǎng)殖區(qū)域的同時(shí)，正確處理經(jīng)濟(jì)發(fā)展、資源節(jié)約、環(huán)境保護(hù)、生態(tài)安全的關(guān)系，保證各海水養(yǎng)殖空間的比例在合理的范圍之內(nèi)。

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Marine Fisheries Space Layout Optimization of Shandong Peninsula Blue Area Based on the Space Layout Optimization Path and Decision Model

SHAN Chun-hong，LI Yi-xin，YU Jin-kai
（1.Economics College of Ocean University of China，Qingdao 266100，China）

Based on the space layout optimization path and decision model，it figures out the optimal proportion and the optimized path of the marine fisheries space layout.The recent proportion of pond culture and bottom sowing culture and shallow marine culture is 48%and 48%and 4%，and the optimized proportion is 38%and 48%and 14%.The pond culture experiences the optimization proportion of 2%、2%、2%、5.3%、5.1%、4.7%、4.4%、4%、3.5%、2.9%，and reaches the 38%in 2020.The bottom sowing culture experiences the optimization proportion of 8.8%、8.5%、8.1%in the first three years，and then experiences the 5%in the last seven years to reaches the 48%.The shallow marine culture experiences the optimization proportion of 20%in the ten years，and rises to the 14%.Through the ten years’optimization，the three kinds of areas will reach theoptimized proportion in 2020.

space layout optimization path and decision model；marine fisheries；space layout optimization；Shandong peninsula blue area

F326.4

：A

1008-830X（2014）06-0520-06

2014-08-20

國家自然科學(xué)基金(71273247);國家海洋局公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201205001);教育部基地自設(shè)項(xiàng)目(2012JDPY01);2012教育部人文社會科學(xué)研究規(guī)劃基金項(xiàng)目(12YJA790020);2011年山東省優(yōu)秀中青年科學(xué)家獎勵基金科研項(xiàng)目(BS2010HZ025)

單春紅(1971-)，女，山東青島人，副教授，博士，研究方向：產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué).E-mail：chunhongshan@126.com.

于謹(jǐn)凱(1971-)，男，山東青島人，教授，博士，研究方向：產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)、國際經(jīng)濟(jì)學(xué).E-mail：yujinkai8@126.com