一个三维分层模型，用于描述海域在空间、功能要素和时间维度上的使用情况

《Ocean & Coastal Management》：A three-dimensional layered model for sea area usage across dimensions of space, functional elements, and time

三维海区立体利用的垂直兼容性评估方法研究

　　
随着全球海洋资源需求的持续增长，三维分层利用海区空间的重要性日益凸显。这一研究领域的核心矛盾在于如何平衡不同海洋活动间的垂直空间冲突，同时支撑蓝色经济的高效发展。当前学术研究多聚焦于理论探讨和政策分析，缺乏系统化的垂直兼容性评估方法。针对这一痛点，本研究通过整合三维空间理论框架与专家评估体系，构建了具有实操价值的垂直兼容性分析模型。

在理论建构层面，研究团队突破传统二维平面管理的局限，创新性地将海洋空间划分为四个垂直层级：水面层、水体层、海底层和海底基底层。通过分析各类海洋活动在空间维度的依赖性差异，发现不同活动对垂直空间的占用存在主次之分。例如，近海风电场对水体层的依赖程度显著高于海底基底层，而海底管道工程则对海底基底层的需求更为迫切。这种空间依赖度的差异直接影响了不同活动间的垂直兼容性。

要素维度分析揭示了功能组件的刚性特征与兼容性的负相关关系。研究发现，具有高刚性结构特征的海洋活动（如海底管道、跨海桥梁）因其空间排他性较强，与其他活动的兼容可能性较低。而柔性结构为主的作业（如近海养殖、水下光伏）则展现出更好的兼容潜力。这种差异在三维空间中形成独特的拓扑关系，要求评估体系必须同时考量物理结构特性和功能需求匹配度。

时间维度的研究突破传统静态评估模式，建立了全周期动态监测模型。通过模拟不同作业阶段（建设期、运营期、维护期）的空间占用特征，发现即使是短期工程（如三个月的桩基施工）也可能对周边海域造成长期生态影响。特别值得注意的是，水下声呐系统与海洋观测浮标在时间维度上的相位错位，容易引发不可逆的生态干扰。

环境调节机制的创新性体现在将生态阈值纳入兼容性评估。研究发现，当不同活动产生的污染扩散半径总和超过环境自净能力时，即便在物理空间上不相交，仍会存在生态兼容性冲突。这种跨层级的系统性影响，要求评估模型必须整合海洋环境承载力的动态数据。

兼容性矩阵的构建过程中，研究团队通过德尔菲法对32位海洋管理专家进行三轮咨询，最终形成包含空间依赖系数、功能组件刚性指数、时间相位差值和环境扰动指数的四维评估模型。该模型将垂直兼容性划分为完全兼容、条件兼容和绝对 incompatible三类，并建立了对应的数值阈值体系。

在实践应用方面，研究提出"空间-功能-时间"三位一体的管理框架。该框架包含五个核心模块：空间分层编码系统、功能组件匹配算法、时间窗口协调机制、环境风险预警模块和动态兼容性评估中心。其中创新性的三维坐标编码系统，通过将海区空间划分为100米×100米×50米的网格单元，实现了微观层面的空间管理。

政策建议部分强调需要建立分级分类的权益交易市场。对于完全兼容的活动（如水面航运与水下光伏），建议推行市场化配额交易；条件兼容的活动（如海底电缆与养殖区）则需建立环境补偿机制；而对于绝对不兼容的活动（如军事设施与民用港口），则要严格划定禁入区。这种分类管理策略既保障了国家战略安全，又释放了市场活力。

国际比较研究显示，中国的三维海区利用模式与欧洲海洋多用途管理存在显著差异。中国侧重刚性结构分层，而欧洲更注重柔性活动的空间整合。这种差异源于不同地区海洋经济结构的侧重点：中国正在建设世界最大海洋牧场集群，需要稳定的分层管理；而欧洲则更多发展海上可再生能源，强调动态空间协调。

研究还发现传统二维平面管理存在三个维度缺陷：在垂直空间利用率上不足15%，活动冲突解决周期长达3-5年，环境风险预警滞后超过6个月。通过引入三维评估模型，预期可使海区空间利用率提升至42%，冲突调解周期缩短至8个月，环境风险预警提前量达到12个月。

典型案例分析表明，在黄海某海区实施三维分层管理后，成功将原本冲突严重的跨海大桥、海底电缆和海洋牧场整合为立体复合系统。具体实施中，水面层保留15%空间用于应急通道，水体层通过潮汐调节实现电缆敷设与养殖区的时空错位，海底层采用模块化设计兼容多个功能层。这种立体化管理使该区域单位面积产值提升270%，同时降低生态扰动风险58%。

未来研究方向聚焦于智能决策系统的开发。通过集成卫星遥感、水下声呐和无人监测设备，构建实时三维空间数据库。计划引入数字孪生技术，建立包含2000+种海洋活动的动态兼容性评估模型，并开发相应的政策模拟沙盘系统。该系统预计可在24小时内完成百万级海洋活动的兼容性评估，为管理部门提供决策支持。

研究团队与自然资源部海洋局合作开发的"海盾"管理系统，已在东海和南海的五个试点海域部署应用。系统运行数据显示，三维分层管理使海区综合利用率从31%提升至67%，跨层活动冲突下降82%，环境投诉减少75%。特别是对近海风电与养殖业的协调，成功将单海域年产值从2.3亿元提升至4.8亿元。

该研究成果已被纳入《国家海洋经济创新发展示范城市》建设指南，相关技术标准正在制定中。预计到2025年，全国主要沿海省份将实现三维海区管理平台全覆盖，为全球海洋空间治理贡献中国方案。研究证实，科学的三维空间管理可使海洋资源开发强度提升3-5倍，同时将生态修复成本降低40%-60%，为全球海洋可持续发展提供了可复制的实践模板。