基于熵權模糊物元法的人工魚礁生態效果綜合評價*

唐衍力， 于　晴

(中國海洋大學水產學院，山東 青島 266003)

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基于熵權模糊物元法的人工魚礁生態效果綜合評價*

唐衍力， 于晴

(中國海洋大學水產學院，山東 青島 266003)

摘要：根據2012年9月—2013年8月對海州灣前三島人工魚礁區生物資源和環境因子的調查，結合3個等級評價標準，構建了基于熵權的模糊物元的人工魚礁區生態效果綜合評價模型，并對海州灣前三島人工魚礁區的生態效果進行初步評價。研究表明，魚礁區的綜合生態效果優于對照區，且二者都高于Ⅰ級水平。其中，魚礁區水質與底質狀況高于對照區，且二者都遠好于Ⅰ級水平；魚礁區餌料生物水平稍好于對照區，均處于Ⅲ級水平；魚礁區魚類與大型無脊椎動物遠超過對照區，高于Ⅰ級水平，對照區處于Ⅱ級水平。結果表明，海州灣前三島海域人工魚礁的生態效果良好，用本文評價方法得到的數據可以作為評價魚礁生態效果的依據。

關鍵詞：人工魚礁； 生態效果評價； 模糊物元； 熵值法； 海州灣

人工魚礁投放后會引起周圍海域非生物環境和生物環境的變化，從而達到改善海域生態環境、構建人工棲息地的目的[1]。人工魚礁所產生的餌料效應、流場效應、庇護效應、陰影效應和音響效應等多種效應，在不同程度上有利于魚群的聚集，導致礁區周圍海域生物量增加[2]。因此,魚礁生態效果的綜合評價應包括魚礁投放對生態系統各組分的影響效果之和[3]，具體體現在流場、水質與底質、餌料生物水平和魚類與大型無脊椎動物群落結構等指標上。

本研究海域海州灣屬典型的開放性海灣，季風氣候，以淤泥底質為主[4-5]。其水質肥沃，生物資源豐富，歷史上曾是中國著名的八大漁場之一，但由于過度捕撈以及產卵場等棲息地的破壞，漁業資源衰退日益嚴重[6]。很多學者調查研究證實，海州灣部分海域(119°35′E以西)自2003年起投放人工魚礁以來，生態環境得到明顯改善，浮游生物群落結構發生了較大變化，生物量明顯增多，魚礁區大型底棲生物的生物量與棲息密度逐年增加，魚類與大型無脊椎動物增殖效果明顯[6-9]。但是以上研究主要對魚礁區某些生態效果指標的分析，對全面評價魚礁生態效果的指導意義并不顯著。

人工魚礁生態效果評價是一個多指標決策過程，其優劣又具有一定的模糊性，因此僅靠單項指標的比較很難全面、直觀的進行評價。模糊物元模型簡便、通用，經常應用于水質綜合評價[10]，其應用熵值法確定權重系數, 避免了權重系數確定的主觀性問題，計算結果較為客觀、穩定, 為本文魚礁生態效果綜合評價提供了新思路。本文運用歐氏貼近度的概念，將熵值法和模糊物元法相結合，建立了基于熵權的模糊物元人工魚礁區生態效果綜合評價模型，并對海州灣前三島人工魚礁區的生態效果進行初步評價，為該海域漁業資源養護提供實踐依據。

1基于熵權模糊物元評價模型的建立[11-17]

1.1 構建復合模糊物元

給定事物的名稱N,它關于特征c有模糊性量值為v, 以有序三元R= (N,c,v) 組作為描述事物的基本元, 簡稱模糊物元。如果m個事物的n維模糊物元組合在一起, 便構成m個事物的n維復合模糊物元Rmn，記作

式中: Mi為第i個事物( i = 1, 2,…, m) ; Ck為第k個特征( k= 1, 2,…, n) ; vik為第i個事物第k個特征對應的模糊量值。

1.2 構建從優隸屬度模糊物元

根據從優隸屬度原則，采用下面類型的指標:

越大越優型μik=Vik/maxVik；

越小越優型μik=minVik/Vik。

1.3 構建差平方復合模糊物元

1.4 熵值法確定權重系數

(1)構建m個事物的n個評價指標的判斷矩陣R=( vij)mn, ( i = 1, 2,…, n; j = 1, 2,…, m) 。

(2)將判斷矩陣歸一化處理, 得到歸一化判斷矩陣A:

(3)定義熵。在有n個評價指標,m個被評價對象的評估問題中,可以確定第i個評價指標的熵為:

其中，

(i=1,2,…,n;j=1,2,…,m),k=1/lnm。

(4)定義熵權w。定義了第i個評價指標的熵之后, 可得到第i個評價指標的熵權定義, 即權重:

1.5 綜合評價值的識別與排序

在模糊理論中, 歐式貼近度常用于描述2 個方案或樣本接近的程度,本方法目的在于對事物的綜合評價，采用M(·，+)算法，先乘后加運算歐氏貼近度ρHj：

式中:ρHj為第n個方案與標準方案之間的相互接近程度, 其值越大表示兩者越接近, 反之則相離較遠.以此來構造歐氏貼近度復合模糊物元RρH：

歐氏貼近度是表示各方案與標準方案(最優方案) 之間的貼近程度, 可以根據歐氏貼近度的大小對各方案進行優劣排序, 并可進行分類。

2海州灣前三島人工魚礁生態效果評價實例

2.1 研究海域與調查時間

研究海域是位于海州灣東北部的前三島海域，水深8～22m，地質平坦，由沙礫和細沙組成，底質中粉砂及黏土含量低，部分區域以細沙、巖礁為主。該海域人工魚礁始建于2005年，礁區面積達200hm2，累計投放大料石、混凝土構件、報廢漁船、拖駁船等各類礁體77萬m3。本研究于2012年9月—2013年8月分季度對魚礁區和對照區進行環境和資源調查。在人工魚礁區內選擇魚礁相對密集的海域設置8個調查站位，分別為站位1～8。對照區設置在與魚礁區環境因素相似的海域，且距離魚礁區邊緣800m以上，海域內無網具作業，按照實際海域由于魚礁設置所產生的流場影響范圍在水平尺度上一般不超過魚礁規模的50倍[6]，對照區基本不受魚礁區影響，在此海域內設置6個站位，分別為站位9～14(見圖1)。

圖1　調查區域及站位設置圖

2.2 魚礁生態效果綜合評價體系的建立

2.2.1 評價指標的選取與調查方法魚礁的投放對流場、水質與底質、餌料生物水平和大型游泳動物等4類因子產生一定影響[6-8,18-27]。根據評價指標選取的獨立性、完備性與可操作性原則，結合研究海域的資源與環境調查數據，將魚礁效果的具體體現指標納入綜合評價體系，初步選取水質與底質、餌料生物水平、魚類與大型無脊椎動物3類因子作為評價準則。

水質與底質結合魚礁區特點，選擇以下評價指標：①水質：IN、IP、N∶P(原子比)、DO、COD、BOD5、pH(采用相對pH表示，即相對pH=|pH-7.75|)、重金屬(Cu、Pb、Zn、Cd、Hg和As)和硫化物、石油類；②底質：重金屬(Cu、Pb、Zn、Cd、Hg和As)和硫化物、石油類。此類評價指標均通過現場采樣、實驗室測定獲得。

餌料生物以浮游植物、浮游動物、底棲生物的生物量和物種多樣性為評價指標。其中浮游植物、浮游動物數據通過現場采樣、實驗室測定和計算獲得。底棲生物的生物量和物種多樣性數據采用查閱文獻的方法獲得。物種多樣性評價指標的測定值選擇生物多樣性閾值(Dv)[28]。

2.2.2 評價指標標準的確定將海域生態效果分為Ⅰ級、Ⅱ級和Ⅲ級3個等級，將其一同納入魚礁生態效果綜合評價體系，與礁區和對照區實測數據進行比較，以期直觀的表達魚礁生態效果的水平(見表1)。

表1　評價指標值及確定依據

續表1

指標Index魚礁區①對照區②Ⅰ級③Ⅱ級④Ⅲ級⑤確定依據⑥浮游植物生物多樣性(b2)0.9144±0.37000.8345±0.22002.51.50.6實測數據、文獻[28]的生物多樣性閾值分級標準浮游動物密度(b3)/mg·m-389.35±43.9266.31±18.451007550文獻[29]的餌料生物水平分級標準浮游動物生物多樣性(b4)0.2650±0.09000.2970±0.07002.51.50.6實測數據、文獻[28]的生物多樣性閾值分級標準底棲生物密度(b5)/g·m-20.9682±00.5603±025105文獻[8]的實測數據和文獻[29]的餌料生物水平分級標準底棲生物物生物多樣性(b6)1.9652±01.7612±02.51.50.6文獻[8]的實測數據和文獻[28]的生物多樣性閾值分級標準CPUE(c1)/g·net-1·d-12425.22±382.481403.99±610.373090.262113.561136.85實測數據中礁區與對照區各站位年平均最高CPUE平均數為Ⅰ級標準,最低年平均CPUE平均數為Ⅲ級標準魚類與大型無脊椎動物生物多樣性(c2)4.39±0.473.38±0.893.52.51.5文獻[28]的生物多樣性閾值分級標準個體肥滿度(c3)2.3994±0.49001.8495±0.32002.01.00.5根據實測魚類的體長體重數據,參照www.fishbase.org中魚類體長體重關系式,可得相對肥滿度;文獻[3]中的肥滿度變化范圍

2.2.3 綜合評價模型計算根據表1的數據，對魚礁區、對照區以及3個分級標準建立5個樣本20個指標的復合模糊物元。依據從優隸屬度原則，指標a1～a3和a5～a11以越小越優原則構建從優隸屬度模糊物元，指標a4、b1～b6和c1～c3以越大越優原則構建從優隸屬度模糊物元，進而獲得差平方模糊復合物元RΔ。通過熵值法計算各指標權重，得出綜合權重值與層次權重值，目的是為了同時對魚礁生態綜合效果及各層次水平做出評價(見表2)。

2.2.4 結果與分析由表1可知，模型中各評價指標的全年實際測量波動均在正常范圍內，其中波動較大的指標受季節影響變化顯著。為直觀地表現魚礁區全年生態效果的整體平均水平，采用各實際測量指標的年平均值進行計算。根據計算，可得到魚礁區、對照區以及3個等級的歐氏貼近度，即代表了各自的生態效果評價結果(見表3)。若以表3中各等級評價標準相對于標準樣本的貼近度作為對應的臨界值，如規定綜合評價中0.332 4≤ρHj<0.476 4為Ⅱ級，那么就可以根據待評價樣本的貼近度及其所在區間范圍對待評價樣本的生態效果進行識別和排序。

由水質與底質評價結果可知，魚礁區水質與底質狀況高于對照區，且二者都遠好于Ⅰ級水平。可見海州灣前三島海域的水質狀況尚佳，并未出現重度污染及富營養化狀況，雖然個別水質指標并未達到國家一類海水水質標準，但是總體評價結果良好。人工魚礁的投放對海州灣前三島海域的水質和底質起到了一定的改善作用。

魚礁區的餌料生物水平僅稍好于對照區，均屬于Ⅲ級水平。雖然魚礁的投放對周圍海域的餌料生物產生了一定影響，但是評價結果顯示魚礁區的餌料生物水平還未達到最佳。其原因一方面是因為礁區魚類與大型無脊椎動物生物量遠超過對照區，使得魚礁區的攝食壓力增加，一定程度上影響了礁區餌料生物的資源量；另一方面是因為調查海域水較深、流速大，難以采集到足夠的底棲生物樣本，所以借鑒了部分相關文獻中數據，對餌料生物的總體評價產生了一些影響。

由魚類與大型無脊椎動物評價結果可知，魚礁區遠遠超過對照區，高于Ⅰ級水平，對照區僅處于Ⅱ級水平。表明魚礁的投放對周圍海域資源量的增加以及魚類營養程度的提高起到了非常明顯的作用。

根據綜合評價結果，魚礁區的生態效果優于對照區，且二者都高于Ⅰ級水平。海州灣前三島海域人工魚礁的投放對當地水質與底質、餌料生物水平和魚類與大型無脊椎動物群落均產生了有利影響，總體來說魚礁區生態效果良好。

表2　評價指標及評價指標值的權重

Note：①Evaluating index；②Comprehensive weight；③Weight of levels.

表3　魚礁生態效果評價結果

3討論

(1)傳統的人工魚礁生態效果評價是在本底調查的基礎上，對2個區域生態系統各項指標在時間上的變化過程進行比較[6-9]。由于本文所研究的人工魚礁項目并無相應的本底調查資料，因此特別設定對照區作為人工魚礁生態效果的比照。對照區的設定遵循以下3個原則：①與魚礁區的生態環境條件相近；②選定區域未受到人工魚礁投放的影響；③資源調查不會受到捕撈作業的影響。研究結果表明，對照區站位的選取較為合理，有效避免了環境、人為因素產生的誤差，將其資源環境調查作為魚礁區生態效果的對比數據可行。

(2)模糊物元法經常被用于水質質量的綜合評價[10,15-17]，近年來還被廣泛應用于城市人居環境質量評價[31-32]以及區域生態環境評價[33]中。為了更加直觀的表現人工魚礁投放在一定時間內對海域帶來變化的程度，本研究根據水質綜合評價模型，初步研究和建立了基于熵權的模糊物元人工魚礁生態效果綜合評價模型，引用歐氏貼近度的概念，對人工魚礁區生態效果做出了直觀的評價。引用熵值法確定指標權重系數，有效的避免了專家賦權的主觀性，提高了綜合評價模型結果的精度，使評價結果更為準確合理。評價結果表明，該模型符合實際情況，適用于人工魚礁區生態效果的綜合評價，方法可行。

(3)本研究建立的人工魚礁生態效果綜合評價指標體系分為3個不同的方面，全部為魚礁生態效果的具體體現指標，數據皆由現場環境與生物資源調查獲得，與尹增強[3]存在一定差異。其中，污染物含量是評價海域水質與底質標準的重要指標，孫利元[34]在其對山東省5處人工魚礁區建設效果評價的研究中證實，人工魚礁的投放確實對水體中的重金屬含量產生了一定影響，且前三島人工魚礁項目除投放石料與混凝土構件外，還投放了報廢漁船、拖駁船等大型礁體，增加了石油類等物質污染的可能性；從調查結果來看，魚礁區與對照區周邊污染源狀況基本相同，但其水質底質中污染物的含量不同，所以將污染物指標加入評價指標體系具有一定的實際意義，但人工魚礁對周圍環境的作用是非常復雜的過程，要研究其對周圍水域水質和底質中污染物質的作用機理還需經過長期連續的觀測。在對魚礁區和對照區進行比較的同時，將3個不同等級的評價標準也納入了綜合評價體系，目的是使結果能更加具體的體現人工魚礁生態效果達到的水平。評價標準的確立主要遵循3個原則：①優先考慮相關指標的國家標準；②若無相關標準，則參考國內外相關科學研究成果；③若前兩者都欠缺，則參考調查海域的實際監測值確定標準。評價標準主要依據中國《海水水質標準》、《漁業水質標準》、《海洋沉積物質量》、海州灣人工魚礁區的調查數據以及近期出版的有關魚礁的文獻資料，因此評價體系中某些指標的評價標準只適用于本研究海域人工魚礁區的生態效果評價。其中，生物多樣性閾值并無國家標準，因此參考佟飛等[35]的研究，同樣選用陳清潮等[28]提出的南沙群島及其鄰近海區海洋生物多樣性閾值標準。在確定權重值時，本文選擇計算了綜合評價權重和層次評價權重，在綜合評價魚礁生態效果的基礎上，對礁區和對照區的水質與底質、餌料生物水平和魚類大型無脊椎動物群落分別做了比較，結果表明，魚礁生態效果各方面綜合評價值均高于對照區。但是人工魚礁的生態系統是不斷變化的，若要對該礁區的生態效果做出更加全面和深入的評價，還需要對其進行長期連續的調查和監測。

(4)本方法在用于人工魚礁生態效果評價時，可根據所評價的魚礁類型重新篩選評價指標，調整評價等級標準。在評價時可以將魚礁區和對照區的數據代入后進行計算比較，也可對同一魚礁項目不同時期(包括投礁前本底)的生態效果進行比較，還可以針對不同魚礁項目相同建設期限內的生態效果進行比對分析。今后若在模型中加入經濟效益、社會效益等方面的定量指標，將會得到人工魚礁建設綜合效果的評價。

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責任編輯朱寶象

An Integrative Evaluation of Ecological Effect of Artificial Reefs with Entropy-Weighted Fuzzy Matter-Element Method

TANG Yan-Li, YU Qing

(College of Fisheries, Ocean University of China, Qingdao 266003, China)

Abstract：The delivery of artificial reefs can improve the marine ecological environment and build artificial habitats. The comprehensive evaluation of ecological effect of artificial reefs should include the effects on the components of the ecosystem, embodied in the flow field, water quality and sediment, food organisms level，macroinvertebrate community structure and other indicators on. In order to fully evaluate the effect produced by artificial reefs, Haizhou Bay was selected as the study area. Since the delivery of artificial reefs in 2003, the ecological environment of Haizhou Bay has been significantly improved, with plankton community structure changed greatly, biomass increased significantly, large benthic biomass and habitat density increased year by year, and the proliferation of fish and macroinvertebrates became more and more. Based on data collected during the biological resource and environment survey in Haizhou Bay from Sept. 2012 to Aug. 2013, an integrative evaluation of the ecological effect of artificial reefs with entropy-weighted fuzzy matter-element method was constructed. We use the concept of Euclid approach degree, with the entropy method and fuzzy matter -element combination, to provide practical basis for the conservation of fishery resources in the waters. In the evaluation system, we combined three grades of evaluation standards with the survey data to evaluate the ecological effect of the artificial reef area. The results indicated that the comprehensive ecological effect of artificial reef area was superior to the control area, and both of them were higher than level Ⅰ. The water quality and bottom sediment condition of artificial reef area was higher than those of control area, and both were far better than level Ⅰ. The delivery of artificial reefs played a certain improvement on water quality and sediment in study area. The level of food organism in artificial reef area was slightly better than that of control area, and both were around level Ⅲ. The artificial reefs had a certain influence on food organisms, but the evaluation showed that the level of fish food organisms reef area has not yet reached the optimum. The level of fish and large invertebrates in artificial reef area was much higher than that of control area, and the former was higher than level Ⅰwhile the latter was at level Ⅱ. The results indicated that the ecological effect of artificial reef area in Haizhou Bay was obvious. The method was effective for the evaluation of ecological effect of artificial reefs. When this method is used to evaluate the ecological effect of artificial reefs, the index can be re-screened based on the reef types to adjust the evaluation grade standards. If we could add quantitative indicators of economic, social and other aspects to the model in the future, it will be the comprehensive evaluation of the effect of the artificial reef construction.

Key words：artificial reef; ecological effect evaluation; fuzzy matter-element; entropy value method; Haizhou Bay

中圖法分類號：S953.1

文獻標志碼：A

文章編號：1672-5174(2016)01-018-09

作者簡介：唐衍力(1965-)，男，教授，主要從事人工魚礁與海洋牧場、選擇性漁具漁法方面研究。E-mail:tangyanli@ouc.edu.cn

收稿日期：2015-02-05；

修訂日期：2015-05-07

*基金項目：海洋公益性行業專項(201305030)資助

DOI：10.16441/j.cnki.hdxb.20150011

引用格式：唐衍力， 于晴. 基于熵權模糊物元法的人工魚礁生態效果綜合評價[J]. 中國海洋大學學報(自然科學版)， 2016, 46(1)： 18-26.

TANG Yan-Li, YU Qing. An integrative evaluation of ecological effect of artificial reefs with entropy-weighted fuzzy matter-element method[J]. Periodical of Ocean University of China, 2016, 46(1): 18-26.

Supported by the Public Science and Technology Research Funds Projects of Ocean (201305030)