基于相互作用矩陣的象山港圍填海適宜性評價*

劉弢，張亦飛，祁琪，方欣，郝春玲，李曉燕，楊輝

(國家海洋局第二海洋研究所工程海洋學重點實驗室 杭州 310012)

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基于相互作用矩陣的象山港圍填海適宜性評價*

劉弢，張亦飛，祁琪，方欣，郝春玲，李曉燕，楊輝

(國家海洋局第二海洋研究所工程海洋學重點實驗室 杭州 310012)

圍填海活動受到社會經濟發展的驅動，其實施會對海洋生態環境產生較大的影響，多種因素之間的相互作用，構成了一類復雜系統。針對象山港海域4個工業與城鎮建設區的適宜性評價問題，文章引入巖石工程系統(rock engineering systems，RES)理論的相互作用矩陣計算圍填海驅動因素及生態環境影響因子的權重，采用加權模型計算評價對象的適宜性。結果表明，基于RES相互作用矩陣的權重確定方法具有合理性和可行性，適宜性評價結果與實際情況相符，可以為其他區域圍填海適宜性評價提供參考。

象山港；圍填海；相互作用矩陣；指標權重；適宜性評價

隨著我國沿海經濟的高速發展和人口壓力的不斷增大，土地資源的短缺成為制約沿海經濟發展的重要“瓶頸”，而填海造地是緩解沿海地區土地供求矛盾，拓展生存空間和生產空間的有效手段。但圍填海活動在帶來社會經濟效益的同時，也引起了一系列負面影響，例如：改變海域水動力條件，造成了港口海灣淤積；加速沿海灘涂濕地生態系統功能退化；導致生物棲息地喪失，生物多樣性降低；造成海水水質惡化等。另外，圍填海工程不同程度地影響了漁業、港航及旅游等資源效用的發揮， 使原本就存在的海灣資源利用矛盾和沖突更加激烈，加劇了資源的利用沖突和產業之間的矛盾[1-3]。因此，綜合考慮圍填海對海洋生態環境和社會經濟的影響，科學合理地進行圍海造地活動，對沿海區域社會、經濟和環境協調發展具有重要意義。

目前，國內相關專家對圍填海適宜性的評價已開展了一些研究工作。于永海等在海岸自然條件、海洋生態條件綜合分析的基礎上，綜合考慮開發利用現狀、災害地質、社會經濟等因素，建立了海岸圍填海適宜性定量評估的指標體系和相應的評價方法[4]。王初升等依據珊瑚礁和紅樹林生物海岸的資源和生態特點，通過分析識別近岸圍填海對珊瑚礁和紅樹林生態影響的主要因子和生態服務功能的影響，分別構建了珊瑚礁生物海岸和紅樹林生物海岸圍填海適宜性的評價指標體系[5-6]。劉大海等基于環境經濟學和統計學的基礎理論和評估方法，從海岸、動力、沖淤、生物和水質等 5個方面構建了適用于我國海灣的圍填海適宜性評價體系[7]。王靜等運用多目標決策理論與方法， 綜合考慮圍填海對動力泥沙環境、海洋生態環境、資源綜合開發和社會經濟影響， 建立了適宜的圍填海規模評價指標體系[8]。圍填海活動受到社會經濟發展的驅動，其施工和運營對海洋環境產生較大的影響，多種因素相互聯系、相互作用，構成一類復雜系統。而現有的研究成果在這方面考慮顯得相對不足，存在進一步探討和改進的空間。

本文引入巖石工程系統(Rock Engineering Systems，RES)理論，并利用RES理論的相互作用矩陣，分析各評價因子的相互作用關系及作用程度，計算各評價指標的權重，同時，以《浙江省海洋功能區劃(2011—2020)》確定的象山港海域4個工業與城鎮建設區作為評價對象，進行圍填海適宜性評估。

1 相互作用矩陣的基本原理

巖石工程系統(RES)理論由J.A. Hudson 教授于1992年提出，其基本思想是把巖石工程看做是完整系統，通過列舉與系統相關的變量構造相互作用矩陣，并通過對矩陣編碼定量評價各變量間的相互作用[9]。該方法不僅考慮了系統中每個參數對系統的影響，同時考慮了參數之間的相互作用對整個系統的貢獻，特別適合于解決多種因素之間的相互作用和相互耦合復雜問題的研究[10]。

以圖1所示的3×3矩陣為例，將所有與問題相關的主要因素列于方陣的主對角線上(A→C)，這些因素的狀態變量具有概念化屬性。矩陣非對角線上的空格被賦予一個數值以描述兩個參數間的相互影響程度，這些值可以通過數值分析、經驗判斷或試驗研究等方法獲得。相互作用矩陣具有非對稱性，如A對B的影響可以不同于B對A的影響。矩陣建立后嚴格按照順時針方向進行影響的分析與賦值。

圖1 相互作用矩陣的基本原理

相互作用矩陣建立和編碼后，將矩陣行和列的編碼值相加就可以確定每個變量在系統中的相互作用程度。每行的總和表示位于該行主對角線上的參數對系統產生的影響，每列的總和表示系統對位于該列主對角線上的參數的影響。相互作用程度越高，說明該參數在系統中的重要性越大，因此可以利用相互作用矩陣確定所研究系統中各相關參數的權重。參數的權重Wi按照式(1)至式(3)計算：

(1)

式(1)中：

(2)

(3)

式(2)和式(3)中：Vi，j表示參數i對參數j的作用程度。

目前，圍填海適宜性評價過程中指標權重的確定多使用層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)。AHP方法是建立在判斷矩陣為一致性矩陣基礎上的，實際操作中當判斷矩陣階數n>3時，往往難以滿足一致性的要求，此時應用AHP方法就顯得較困難。相互作用矩陣通過兩個之間的相互作用分析，既考慮了單一因素對所研究系統的影響，也考慮了參數之間的相互作用對整個系統的貢獻，同時能夠大大降低計算工作量，為復雜系統分析提供了一種更為快捷、便利的權重確定方法，與AHP方法相比具有一定的優越性。

2 研究區域和評價對象概況

象山港位于浙江北部沿海， 北鄰杭州灣， 南靠三門灣， 東側為舟山群島， 是一個NE-SW走向的狹長形半封閉海灣。沿灣分布有寧波市的象山、寧海、奉化、鄞州和北侖5個縣(區)，海域面積391.76 km2，海域大部分水深在10～20 m 之間，最深達到47 m，灘涂面積約171 km2。該海灣是浙江省重要的海灣之一，具有良好的區位優勢和資源優勢。隨著區域經濟社會的快速發展，多個涉海行業參與海灣資源的開發，開發強度不斷增大，用海活動之間的矛盾突出。同時由于象山港獨特的地形條件和水動力條件，海水水體交換能力較弱，環境容量有限，海域生態環境日趨惡化。選擇《浙江省海洋功能區劃(2011—2020)》確定的象山港海域4個工業與城鎮建設區作為對象，進行適宜性評價。評價對象基本情況見表1。

表1 象山港工業與城鎮建設區基本情況

3 評價指標選擇和模型構建

3.1 指標選取

遵循指標選取的科學性、系統性、綜合性、層次性、區域性、動態性原則，從社會經濟、生態、環境和對周邊海洋功能區的影響4個層面，結合象山港海域資源的環境特點，選擇影響圍填海適宜性的主要指標。

(1)區域經濟社會指標。按照資源經濟學的觀點，自然資源消耗的根本驅動因素是人口增加與經濟發展[11]，為此，選擇功能區所在縣(市、區)的經濟規模(GDP)、人口數量作為評價指標，采用2012年寧波市經濟社會發展統計數據作為資料來源。

(2)生態指標。眾所周知，圍填海是對海域生態環境影響最大的一種用海活動，對海洋生物產生嚴重影響，特別是潮間帶底棲生物。圍填海占用的海域，其底質環境被覆蓋，絕大部分底棲生物被掩埋、覆蓋而死亡，對潮間帶和底棲生物群落的破壞具有不可逆轉性[12]，為此選取城鎮與工業建設區所在海域的底棲生物生物量作為評價指標。

(3)環境指標。海灣圍填海活動直接影響周邊海域的環境容量和泥沙沖淤，并且研究區域地處狹長形半封閉港灣，水交換能力弱，環境容量有限，多年來氮、磷等指標嚴重超標，所以環境指標方面選取納潮量、無機氮含量、活性磷酸鹽含量以及沖淤速率的變化量。評價時，采用國家海洋公益性行業科研專項項目“東海狹長形海灣綜合整治集成技術及示范應用研究”現場補充調查得到的相關數據。

(4)對周邊功能區的影響。除了對直接覆蓋海域生態環境產生影響外，圍填海活動也會對周邊海域敏感區域及利益相關者產生影響，比如碼頭群、航道、海灣口門，濱海旅游資源、海洋保護區等。如果周邊海域越敏感、利益相關者越重要，越需要采用多種措施控制圍填海活動對它們產生的負面影響。評價時，根據象山港海域資源生態環境現狀、開發利用情況及相關區劃、規劃，分析圍填海活動對周邊功能區、利益相關者的影響，主要包括漁業、航運、旅游業和保護區等。

(5)圍填海工程規模。圍填海活動作為所研究問題系統的原始驅動因素，其規模(面積)大小、平面設計方案、所在海域水深條件等因素與可能造成的生態環境影響有著密切關系[13]。本研究中選取圍填海面積作為代表進入評價指標體系。

3.2 確定指標權重

評價指標體系選定后，構建圍填海適宜性的相互作用矩陣。將評價指標之間的影響程度分為5級，分別用無量綱數值0至4表示：0表示沒有影響；1表示微弱影響；2表示有較大影響；3表示有強烈的影響；4表示有極其強烈的影響。圍填海適宜性相互作用矩陣如表2所示。

表2中，各評價指標的意義如下：P1為功能區所在縣(市、區)的經濟規模(GDP)；P2為功能區所在縣(市、區)的人口數量；P3為底棲生物量；P4為海域海水中無機氮含量；P5為海域海水中活性磷酸鹽含量；P6為納潮量；P7為沖淤速率；P8為對漁業區的影響；P9為對航運區的影響；P10為對旅游區的影響；P11為對保護區的影響；P12為工業與城鎮建設區圍填海面積。

表2 圍填海適宜性相互作用矩陣

利用式(1)至式(3)計算得到各評價指標的權重值見表3。

表3 評價指標權重值計算結果

從表3中可以看出，圍填海活動作為系統的動因，與其他因素存在密切的聯系，其工程規模(面積)大小關系到影響程度的大小，所以權重值最高。保護區、漁業區和旅游區是對圍填海活動非常敏感的功能區，應特別注意圍填海活動對它們可能造成的不良影響，所以權重值次之。社會經濟指標和生態環境指標處于適中的位置，且權重值相差不大。經濟社會的發展是圍填海活動的第一驅動力，而在取得經濟社會發展的同時，盡量減小圍填海活動對生態環境的不良影響，保護生態環境的健康也至關重要。由此可見，通過相互作用矩陣的確定的指標權重向量與實際經驗判斷具有較好的一致性。

3.3 評價指標量化賦分

依據對評價目標圍填海適宜性的影響程度，將所有評價指標分為3個等級，分別取值為3、2、1。如果指標對適宜性為正影響，分別取值3(影響較大)、2(影響一般)、1(影響較小)。如果指標對適宜性為負影響，分別取3(影響較小)、2(影響一般)、1(影響較大)。評價指標賦分情況見表4，各評價指標的物理意義如上文所述。

表4 圍填海適宜性評價指標賦分表

3.4 評價結果及分析

適宜性評價綜合指標計算采用加權模型為

(4)

式中：S為圍填海適宜性綜合評價指數；Bi為第i種評價因素的得分(無量綱)；Wi為第i種評價因素的權重；n為參加評價的因素數量。

由式(4)計算得到的適宜性綜合指標為：西店工業與城鎮建設區得分1.55，排名第3；西滬港底部工業與城鎮建設區得分1.52，排名第4；大港口工業與城鎮建設區得分2.78，排名第1；鄞州工業與城鎮建設區得分2.51，排名第2。4個評價對象圍填海適宜性從大到小的排序結果依次為：大港口工業與城鎮建設區、鄞州工業與城鎮建設區、西店工業與城鎮建設區、西滬港底工業與城鎮建設區。

大港口工業與城鎮建設區位于象山港口門附近海域，該海域水體交換較快，環境質量狀況較好，周邊海域無其他重要利益相關者及新設置的海洋功能區劃，所以該功能區的適宜性得分較高。但該圍填海項目的實施可能對象山港航道外段的流場、沖淤條件產生一定影響。鄞州工業與城鎮建設區同樣位于象山港口門處，但該圍填海的實施除考慮對象山港航道影響外，還需考慮對鄰近梅山旅游娛樂區的影響，所以該區域的得分較大港口工業與城鎮建設區低。西店工業與城鎮建設區位于象山港次級海灣鐵港底部，該區域生態環境脆弱，圍填海的實施對該次級海灣納潮量、水動力、沖淤變化有較大的影響，所以該功能區適宜性得分靠后。西滬港底工業與城鎮建設區位于次級海灣西滬港內，該圍填海的實施同樣對次級海灣納潮量、局部海域水動力條件變化有較明顯的影響。同時，該次級海灣內生物多樣性指數較高，灣內還設置了象山港海岸濕地海洋保護區，可能引起的生態環境負效應較大，所以該功能區的適宜性得分最低。

4 結束語

(1)巖石工程系統(RES)理論中的相互作用矩陣方法，能夠同時考慮系統中每個參數對系統的影響及參數之間的相互作用，理論上比較嚴密，用以計算圍填海活動適宜性評價指標權重，具有一定的科學性和合理性。與層次分析法相比計算簡便，是復雜系統評價問題權重賦值的一種有效方法，可以在類似問題中推廣應用。

(2)圍填海活動受到社會經濟發展的驅動，其實施會對海洋生態環境產生較大的影響，多種因素之間的相互耦合，因此，在評價指標體系構建時，需要同時考慮驅動因素、影響因素以及它們之間的相互作用。案例分析結果表明，基于巖石工程系統(RES)理論的相互作用矩陣計算評價指標權重，采用加權模型計算評價對象的適宜性具有合理性和可行性，評價結果與實際情況相符，可為其他區域圍填海適宜性評價提供參考。

[1] 劉偉， 劉百橋. 我國圍填海現狀、問題及調控對策[J]. 廣州環境科學， 2008， 23(2): 26-30．

[2] 郭偉， 朱大奎. 深圳圍海造地對海洋環境影響的分析[J]. 南京大學學報: 自然科學版， 2005， 41(3): 286-296．

[3] 戴桂林， 蘭香. 基于海洋產業角度對圍填海開發影響的理論分析：以環渤海地區為例[J]. 海洋開發與管理， 2009， 26(7): 24-28．

[4] 于永海， 王延章， 張永華， 等. 圍填海適宜性評估方法研究[J]. 海洋通報， 2011， 30(1): 81-87．

[5] 王初升， 林榮澄， 黃發明. 珊瑚礁海岸圍填海適宜性的評估方法研究[J]. 海洋通報， 2012， 31(6): 695-699．

[6] 王初升， 黃發明， 于東升， 等. 紅樹林海岸圍填海適宜性的評估[J]. 亞熱帶資源與環境學報， 2010， 5(1): 62-67．

[7] 劉大海， 陳小英， 陳勇， 等. 海灣圍填海適宜性評估與示范研究[J]. 海岸工程， 2011， 30(3): 74-81．

[8] 王靜， 徐敏， 陳可鋒. 基于多目標決策模型的如東近岸淺灘適宜圍填規模研究[J]. 海洋工程， 2010， 28(1): 76-82．

[9] HUDSON J A.Rock mechanics principle in engineering practice. CIRIA Ground Engineering Report: Underground Construction， 1989．

[10] 吳紅剛， 馬惠民， 張紅利. 基于相互作用矩陣的山區公路展線路基穩定性評價[J]. 巖土工程學報， 2011， 33(Suppl 1): 202-206．

[11] 李京梅， 孫晨， 謝恩年. 圍填海造地經濟驅動因素的實證分析[J]. 中國漁業經濟， 2013， 30(6): 61-68．

[12] 劉述錫， 馬玉艷， 卞正和. 圍填海生態環境效應評價方法研究[J]. 海洋通報， 2011， 30(6): 707-711．

[13] 馬軍. 大連圍填海工程對周邊海洋環境影響研究[D].大連：大連海事大學， 2009．

海洋公益性行業科研專項“東海沿岸狹長型海灣綜合整治集成技術及示范應用研究”(201105009)；國家海洋局第二海洋研究所基本科研業務費專項“基巖淤泥質港灣灘槽沖淤演變及其對人類活動響應的研究”(JT1203).

X171.1;U656.2

A

1005-9857(2015)03-0058-05