开发非精确区域水产养殖系统规划模型以提供相应的最优可持续资源配置方案

《Sustainability》：Development of an Inexact Regional Aquaculture System Planning Model to Provide Corresponding Optimal Sustainable Resource Allocation Schemes

　　

《可持续水产养殖准则》(GSAs)强调，制定适当的区域发展规划对于实现水产养殖的可持续增长至关重要。传统研究在区域尺度上进行资源配置时存在局限性，且需受到社会、经济、环境及其他领域相关各种约束的限制。为填补这一研究空白，本研究提出了一种非精确区域水产养殖系统规划模型(IRAM)，用于在不确定性条件下，在多养殖场间针对多种水产养殖物种优化配置能源、水、面积、介质和劳动力等资源。该模型应用于中国福建省，规划期15年(2026–2040年，分为三个5年期)。基于特定假设下模型情景所得出的主要研究结果如下：(i)系统成本将从第1期到第3期增加[18.75, 20.00]%，而产品产量将大幅增长[41.57, 47.54]%；(ii)到第3期，可再生能源(风能和太阳能)将供应总电力的[60.32, 81.05]%；(iii)浅海养殖([48.6, 50.2]%)和池塘养殖([17.6, 18.8]%)将通过互联网平台获得最高的介质分配，以支持社区沟通；(iv)由于采用低碳饲料和可再生能源渗透，污染物和碳排放将下降。研究结果依赖于情景条件，其实际适用性取决于正文中讨论的敏感性分析和模型代码/数据可用性。该模型的一个局限性在于其处理现实规划问题中常见的随机和模糊信息的能力不足。

**非精确区域水产养殖系统规划模型：面向可持续资源优化配置的框架与应用**

**一、研究背景与问题提出**

水产养殖作为农业的重要子产业，为人类健康生活提供了营养丰富的水产品。2022年，全球水产养殖提供了51%的水产品，已超过捕捞渔业成为获取水产品的主要途径。然而，水产养殖系统在支撑物种生长（从苗种到成熟）过程中，面临多重可持续发展制约：营养物质污染物（如氮、磷）的排放、温室气体（如二氧化碳、甲烷）的排放、自然资源（水、土地、能源）的浪费、社会责任的缺失（如低工资和性别歧视）、以及社区接受度不足等问题。《可持续水产养殖准则》（GSAs）强调，制定适当的区域发展规划对于实现水产养殖可持续增长至关重要。

现有系统优化模型虽已应用于水产养殖管理，但存在明显局限。已有研究主要针对单个或几个养殖场进行规划，约束条件有限，缺乏涵盖大尺度区域、长期期和多类型限制的规划能力。尽管农业其他子产业（如作物种植和畜牧养殖）已发展了众多区域性系统优化模型，但由于水产养殖在生物生长模式、淡水和海水资源双重依赖、特定饲料转化率、药物使用及污染物排放，以及劳动力性别结构、社区接受度等社会因素方面的特殊性，这些模型难以直接适用。此外，决策过程中普遍存在的不确定性（源自自然、政治、社会和经济因素的变异）要求采用适当的处理方法，而区间方法因其将变量表达为区间值而非精确值的能力，已与多种区域资源配置模型整合。

为填补这一研究空白，本研究提出了非精确区域水产养殖系统规划模型（IRAM），在单一区域优化框架内同时整合产品（鱼、虾蟹、贝类、藻类）、能源（风、太阳能、柴油等）、水（地表水、地下水、海水）、劳动力（男性和女性）、空间（内陆和海域）、饲料（常规和低碳）、药物、排放和沟通约束。该模型应用于福建省，覆盖多种养殖场类型和物种，规划期为15年，提供最优苗种投入、产品产出、能源扩容、水资源配置、劳动力结构、饲料和药物消耗以及媒体节目分配等方案，为决策者制定水产养殖规划提供技术支持。

**二、研究内容与核心发现**

研究人员开发了IRAM并将其应用于中国福建省（2026–2040年，分为三个5年期），得出以下主要结论：(1)四种养殖物种的产品产出/苗种投入比率将明显上升，平均增长率Pe1→Pe2为3.76%，Pe2→Pe3为5.64%，表明苗种投入减少而收获产出增加；(2)浅海养殖（MRC）、潮间带养殖（MUC）和池塘养殖（POC）仍将是主要养殖场类型，占四种物种总产量的72.36%至91.23%；(3)大部分鱼类和虾蟹将采用集约化养殖模式（INM），鱼类占比从Pe1的58.99%升至Pe3的79.49%，虾蟹从92.76%升至96.53%；大部分贝类和藻类采用半集约化养殖模式（SIM），贝类占比从75.36%降至72.43%，藻类从90.27%降至74.38%，表明高价值物种正逐步向更集约化实践过渡。

**三、关键技术方法**

研究采用的核心技术方法包括：(1)区间线性规划方法：通过两步交互算法处理参数不确定性，所有参数以区间值表达，生成灵活的区间解而非单点估计，模型在LINGO 18.0中实现；(2)模型验证：通过与2024年福建省实际水产养殖产量（9.25×10⁶吨）进行历史基线对比（IRAM估算为[9.55, 9.63]×10⁶吨，偏差约[3.24, 4.11]%），以及确定性对应模型比较（在±15%不确定性情景下，确定性模型约10%情景违反约束，而IRAM在所有情景下保持可行性）；(3)敏感性分析：采用一次一变量方法，对产品需求、存活率、养殖密度、水资源可用性和单位成本五个关键参数进行±5%、±10%、±15%的区间宽度变化测试，结果表明最优系统成本变化在±[2.21, 3.12]%以内（个别参数±15%变化）和±[1.83, 3.22]%以内（组合±15%变化），其中产品需求和存活率是最敏感参数，分别占系统成本总变异的约32.45%和14.32%。

**四、研究结果**

**4.1 苗种投入与产品产出**
通过模型优化计算得出，苗种投入呈现递减趋势，平均总递减率Pe1→Pe2为[2.86, 3.12]%，Pe2→Pe3为[4.38, 4.87]%；产品产出呈递增趋势，平均总增长率Pe1→Pe2为[10.66, 11.78]%，Pe2→Pe3为[24.36, 27.87]%。贝类和藻类在总产品产出中的贡献率Pe1为[75.02, 77.32]%，Pe2为[74.58, 75.70]%，Pe3为[72.12, 73.45]%。MRC、MUC和POC主导鱼类和虾蟹养殖，分别贡献[74.92, 78.63]%和[80.11, 83.27]%；MRC、MUC和OSC是贝类和藻类的主要养殖场，分别占[98.43, 99.13]%和[99.31, 99.98]%。

**4.2 扩充电力和风电、光电容量**
研究结果显示，总电力消费呈上升趋势，风电（WIP）和太阳能（SOP）将逐步替代电网电力（GRP）成为主导供应来源，其占比从Pe1的[36.50, 48.50]%升至Pe3的[60.32, 81.05]%。到规划期末，WIP装机容量达[310, 550] MW（含[30, 110] MW电池），SOP达[1000, 1550] MW（含[65, 240] MW电池）。鱼类和虾蟹养殖占电力消费的最大份额（约[93.72, 94.85]%），主要因集约化模式的高电力需求。

**4.3 调节水流以支撑水资源消耗**
水资源配置分析表明，总用水量随时间增加，海水为主导水源，占[80.14, 80.45]%以上；地表水占约[18.65, 18.88]%；地下水极少且几乎仅由鱼类养殖消耗。地表水和地下水代表消耗性淡水取水量，而海水代表交换/循环量而非资源消耗。地表水分配在Pe3达[4.05, 5.15]×10⁹ m³，主要由池塘养殖扩张驱动。

**4.4 水产饲料和药物消耗**
模型优化结果显示，总水产饲料消耗量下界从约12.34×10⁶ t微升至14.28×10⁶ t，上界从27.35×10⁶ t大幅降至20.88×10⁶ t。低碳饲料占比从Pe1的[16.43, 22.55]%增至Pe3的[45.35, 50.33]%。总药物消耗量下界约5.65×10⁶ t微升，上界从15.35×10⁶ t降至8.37×10⁶ t。MRC、MUC和POC集中了80.72%以上的药物消耗。

**4.5 男性与女性劳动力结构**
模型结果揭示，MRC是两性最大的就业来源，女性就业达约[1.22, 1.81]×10⁶人，男性就业峰值达[2.12, 2.54]×10⁶人。男性就业在几乎所有养殖场类型中持续高于女性，但MRC中男性就业呈下降趋势，女性就业呈上升趋势，表明劳动力参与正逐步向更平衡方向发展。

**4.6 污染物和碳排放**
研究结果显示，TN和TP降幅最为显著，从Pe1到Pe3分别下降约[22.5, 28.8]%和[18.3, 24.6]%；SS和COD分别下降约[15.2, 20.7]%和[12.8, 18.5]%。所有排放水平均保持在福建省水产养殖污水排放标准设定的监管限值内。间接碳排放主要来自发电，随着风电和太阳能供应总电力的[60.32, 81.05]%，碳排放下降约[28.23, 35.12]%。藻类和贝类养殖提供显著的碳汇效益，到Pe3抵消了约[10.0, 15.03]%的能源消费排放。

**4.7 视频和图文字幕**
媒体节目分配结果显示，视频节目从[1016, 1100]增至[1251, 1301]，图文字幕从[846, 991]增至[1117, 1214]。MRC和POC获优先推广，分别占总节目数的[48.61, 50.22]%和[17.58, 18.82]%。互联网平台因其覆盖面广、互动性强、成本低和传播效率高而成为首选媒体渠道。

**五、讨论与结论**

模型验证与敏感性分析确认了IRAM的稳健性和区间公式化的附加价值。与以往研究的比较表明，IRAM不仅验证了先前部门研究中观察到的趋势，还提供了整体决策支持工具，使政策制定者能够系统评估竞争性可持续目标间的权衡。研究建议的资源配置政策包括：能源方面，风电和太阳能将逐步替代电网电力和柴油电力，到Pe3合计占比升至[60.32, 81.05]%；水资源方面，总配水量从Pe1的[18.29, 24.72]×10⁹ m³增至Pe3的[19.49, 24.05]×10⁹ m³，地表水占比[17.57, 21.09]%，地下水不足1%；饲料和药物方面，总饲料量Pe1为[13.01, 26.87]×10⁶ t，Pe2为[12.82, 18.17]×10⁶ t，Pe3为[13.66, 19.42]×10⁶ t，低碳饲料占比在Pe3升至52.25%；劳动力方面，总劳动力Pe1为[5.34, 8.58]×10⁶人，Pe2为[4.97, 7.17]×10⁶人，Pe3为[4.98, 7.61]×10⁶人，女性劳动力占比在Pe3升至约44.48%；媒体方面，视频和图文字幕分别从[1016, 1100]和[846, 991]增至[1251, 1301]和[1117, 1214]，MRC和POC获得最高分配。研究存在的局限性包括：区间参数估计的准确性依赖数据来源、探索性指标（媒体节目和女性劳动力比例）未经验证、区间规划未处理结构不确定性和随机变异、规划期假设稳定条件可能不成立，以及研究结果的适用性限于特定情景条件。