基于AHP-CVI技術的黃河三角洲海岸帶環境脆弱性評價

李連偉，劉展，白永良，盛潔

中國石油大學（華東）地球科學與技術學院，山東 青島 266580

海岸帶是海岸動力與沿岸陸地相互作用、具有海陸過渡特點的獨立環境體系（孫才志等，2011），其對人類社會和經濟發展至關重要，全世界60%以上的人口生活在沿海60 km范圍內（王騰等，2015；李恒鵬等，2006），全球經濟財富大部分產生于海岸區域（儲金龍等，2005；Turner et al.，1995），國際上非常重視海岸帶環境脆弱性及其災害的調查研究（李連偉等，2013）。海岸帶脆弱性是指在自然因素影響下，海岸帶環境響應人類對海岸帶開發利用和自然環境相互作用過程中表現出的一種易于受到損害的性質，表征為海岸帶對破壞和傷害的敏感性（孫才志等，2011）。

近年來國內外學者對海岸帶環境脆弱性進行了相關研究。Gornitz（1991）首次提出了CVI（Coastal Vulnerability Index，海岸帶脆弱性指數）概念并廣泛應用到海岸帶環境脆弱性評價中；Abuodha et al.（2010）采用CSI（Coastal Sensitivity Index，海岸帶敏感性指數）模型對澳大利亞東南部海岸帶環境脆弱性進行了評價研究；Diez et al.（2007）基于CVI6模型進行了布宜諾斯艾利斯海岸帶環境脆弱性評價研究；Mahapatra et al.（2015）于2015年對印度南部的古吉拉特邦海岸的環境脆弱性進行了研究，構建了 ICVI（Integrated Coastal Vulnerability Index，綜合沿海脆弱性指數）模型，該模型由PVI（Physical Vulnerability Index，物理脆弱性指數）子模型和SVI（Social Vulnerability Index，社會脆弱性指數）子模型組成。國內學者對海岸帶環境脆弱性的評價研究起步較晚，但也取得了一系列成果。孫才志等（2011）運用 RS（Remote Sensing，遙感）和 GIS（Geographical Information System，地理信息系統）技術采用投影尋蹤和動態層次分析模型對遼寧省海岸帶環境脆弱性進行研究；王騰等（2015）進行了多驅動因素下海岸帶環境脆弱性研究；劉宏偉等（2013）研究了基于CVI方法選取6個指標對曹妃甸海岸帶環境脆弱性進行研究；戴雅南等（2009）基于構建的“壓力-狀態-響應”評價模型對江蘇海岸帶生態環境脆弱性進行相關研究；王寧等（2012）進行氣候變化影響下海岸帶環境脆弱性評價研究；劉曦等（2010）基于建立的模糊方法的海岸侵蝕脆弱性評價模型對長江三角洲具有代表性的海岸線岸段進行了CVI評價。雖然國內外學者在海岸帶環境脆弱性評價模型與評價指標體系構建方面已取得了一定成果，但已有研究成果未體現人類活動和生態系統生產力（植被NPP和植被覆蓋度）因素在環境脆弱性評價過程中的重要作用；針對不同的研究區域，環境脆弱性評價模型也有待改進與完善。

本研究從自然因素和人類活動出發，選擇關鍵評價指標構建海岸帶環境脆弱性評價指標體系，確定評價指標量化方法，以AHP（Analytic Hierarchy Process，層次分析法）方法確定評價指標權值，以CVI作為評價模型，利用RS技術和GIS軟件平臺，對研究區域的海岸帶環境脆弱性進行定量化評價和空間分布格局分析。

1 研究區域概況

現代黃河三角洲位于山東省東北部，是在1855年以后發育形成的（高茂生等，2010），該區域擁有極為豐富的油氣、土地、水沙、地下鹽鹵、鹽礦和海洋漁業以及旅游資源，是中國東部沿海資源最富集和發展潛力最大的地區，是國家重點發展區域，是黃河三角洲高效生態經濟區和山東半島藍色經濟區建設的重要依托部分。然而，近年來在全球氣候變化背景下，隨著工業化和城市化進程的加速，黃河三角洲海岸帶出現一系列問題，如海平面上升、入海水沙銳減、環境污染、地下水位大幅度下降、水土流失、海岸侵蝕和海底侵蝕等（肖篤等，2003；Wang et al.，2007；芮玉奎等，2008），其環境表現出一定的脆弱性。黃河三角洲天然不穩定性和人類活動等因素共同作用直接導致了現代黃河三角洲海岸帶不斷蝕退、大部分濕地退化、環境的污染和三角洲沉積體不穩定性的加?。ɡ顝V雪等，2000）。

世界各國采用的海岸帶標準并不統一，現今有3種海岸帶劃分標準：以海拔劃分、以距離劃分、以行政區域劃分。中國將海岸帶的陸上范圍界定為平均高潮位以上10 km，海水范圍界定為水下15 m等深線。本研究區域范圍為 37.324°～38.450°N、118.217°～119.500°E之間，具體如圖1所示。

2 脆弱性評價方法研究

通過對黃河三角洲海岸帶環境脆弱性的系統調查研究，分析自然過程與人類活動對黃河三角洲海岸帶環境脆弱性的影響，篩選出影響黃河三角洲海岸帶環境脆弱性的關鍵評價指標，構建黃河三角洲海岸帶區域環境脆弱性評價指標體系；建立黃河三角洲海岸帶環境脆弱性評價指標量化方法，并采用層次分析法計算評價指標權值；構建黃河三角洲海岸帶環境脆弱性評價模型。

圖1 研究區域Fig.1 Research Area

2.1 評價指標體系構建

參考國內外海岸帶環境脆弱性評價指標體系，結合黃河三角洲地區獨特因素，確定了黃河三角洲海岸帶環境脆弱性評價指標體系，該評價指標體系由自然固有脆弱性評價指標和人類特殊脆弱性評價指標構成。自然固有脆弱性評價指標由4大指標、11個子指標構成；人類特殊脆弱性由3大指標、11個子指標構成。指標層指標與子指標層指標具體如表1所示。

2.2 評價指標量化方法

由于不同的評價指標數據具有不同量綱，首先運用歸一化方法將其轉換為無量綱的純量，然后進行等級量化。本研究等級量化時分為 5個等級，分別為微度脆弱、輕度脆弱、中度脆弱、重度脆弱和極度脆弱，每個等級通過專家意見賦予不同的量化值。

各評價指標具體等級量化采用3種方法進行，分別是依據國家標準或參考文獻資料評定、專家評定和觀測計算數據評定。依據國家標準或參考文獻資料評定是指量化評價指標時，有國家標準時嚴格按照已有國家標準進行指標等級量化，如礦化度、氯離子濃度等，無國家標準但有相關參考文獻時采用已有的參考文獻進行等級量化，如海底侵蝕；專家評定是指有相關的數據，但是沒有具體指標，對此按照專家建議進行等級量化，如土壤類型；觀測計算數據是指根據實際觀測或遙感解譯的數據，結合專家意見進行等級量化，如植被NPP、植被覆蓋度、海岸侵蝕等。表2列舉出部分評價指標的具體量化分級。

2.3 評價指標權值計算

采用層次分析法計算權值，這種方法的特點是將定量分析與定性分析結合起來（鄧立斌等，2010），該方法常被運用于多目標、多準則、多要素和多層次的非結構化的復雜決策問題（李濱勇等，2010）。在對復雜決策問題的本質、影響因素及其內在關系等進行深入分析的基礎上，利用較少的定量信息使決策的思維過程數學化，從而為多目標、多準則或無結構特性的復雜決策問題提供簡便的決策方法。該方法應用范圍很廣，計算過程相對容易，評價結果有較高的可信性。

根據層次分析法確定黃河三角洲海岸帶環境脆弱性評價模型的步驟，首先建立層次結構模型，如圖2所示；然后分層次構造判斷矩陣并進行層次排序及一致性檢驗；通過一致性檢驗后確定各層次評價指標的權重。子指標層指標的最終權重如表 1所示。

表1 黃河三角洲海岸帶環境脆弱性評價指標權重Table1 Weight of environmental vulnerability evaluation index in Yellow River Delta coastal

表2 黃河三角洲海岸帶環境脆弱性評價指標的具體量化分級Table2 Special classification of environmental vulnerability evaluation index in Yellow River Delta coastal

圖2 黃河三角洲海岸帶環境脆弱性評價指標體系層次分析模型Fig.2 Analytic hierarchy process model of environmental vulnerability evaluation index system in Yellow River Delta coastal

2.4 評價模型構建

最簡單的海岸帶環境脆弱性評價模型是海岸帶環境脆弱性指數（CVI）模型，該模型為海岸帶環境脆弱性分級提供了數據依據，能夠為管理者識別高風險地帶提供可靠信息。其評價結果也可以在地圖上突出顯示，進而識別出對海岸帶環境脆弱性影響較大的指標。

CVI的數學表達式包括“積”與“和”兩種，研究表明“和”的評價效果較“積”的評價效果更好（劉宏偉等，2013），所以本研究采用CVI“和”的方式，其計算公式為：

式中，CVI表示環境脆弱性指數；Pi和Ci分別表示各評價指標的量化分級值和權值。

本研究根據子指標數據確定指標層指標量化分級值，基于選擇的CVI“和”模型最終實現研究區域海岸帶環境脆弱性評價。

3 脆弱性評價與結果分析

并處理黃河三角洲海岸帶環境脆弱性評價指標數據，按照上述評價指標量化方法進行量化處理，采用 AHP方法確定評價指標權值，基于CVI模型進行黃河三角洲海岸帶環境脆弱性評價，并對評價結果進行分析，為黃河三角洲海岸帶建設提供支持。

3.1 評價指標數據來源與處理

評價指標的數據來源分 4個方面：實際觀測數據來源于2009—2011年期間的實際監測數據；地圖數據來源于收集到的最新資料；統計數據來源于2016年統計年鑒；遙感數據來源于2017年TM影像（美國陸地衛星4～5號專題制圖儀所獲取的多波段掃描影像）。評價指標的數據處理分4步進行：

（1）數據的空間矢量化。實際觀測數據由于有x和y坐標，運用ArcGIS軟件可以實現數據的空間矢量化；地圖數據，先進行配準，然后在 ArcGIS軟件下實現數據的空間矢量化；統計數據（如人口密度、GDP、企業數量），由于沒有坐標，將其與對應的研究區域的行政區劃（區縣級）對應，實現平均化；遙感影像數據，進行遙感解譯，得到空間化的數據，主要針對生態系統生產力指標（即植被NPP和植被覆蓋度子指標）。

（2）屬性數據錄入。在所得到的空間矢量化圖層中，錄入對應評價指標的量化等級值。

（3）圖層裁剪與聯合處理。為了使數據疊加分析時范圍保持一致，要將空間矢量化后的數據與黃河三角洲海岸帶范圍邊界矢量數據進行聯合處理。

（4）柵格數據集提取。將聯合處理后的矢量圖數據，按量化等級值字段進行矢量數據向柵格數據的轉換得到對應的柵格數據集。矢量數據柵格化采用WGS 84坐標系，設定柵格單元大小為50 m×50 m，部分評價指標單元值如圖3所示。

3.2 脆弱性評價

基于層次分析法確定的各評價指標權重，結合環境脆弱性指數法，在 ArcGIS軟件平臺下進行脆弱性評價分析，可得出運算后的各柵格單元的數值，該數值在0.12～0.635之間。由于黃河三角洲海岸帶環境脆弱性等級近似服從正態分布，即脆弱性等級大部分都在中等脆弱附近浮動，運用分位數法將中間等級細化，盡量體現出每個指標對脆弱性的影響與作用。如表3所示，不同等級對應不同的量化值范圍，其最終結果如圖4所示。

表3 黃河三角洲海岸帶環境脆弱性空間分布與面積比Table3 Distribution region and area ratio of environmental vulnerability in Yellow River Delat coastal

3.3 評價結果分析

由圖4所示的黃河三角洲海岸帶環境脆弱性空間分布格局可知，黃河三角洲海岸帶環境脆弱性空間分布格局表現為陸地部分脆弱性高，海洋部分脆弱性低，海岸線一帶脆弱性最高。陸地部分，因內側受植被影響，由內陸向海岸線環境脆弱性呈現升高趨勢；陸地部分外側由于植被覆蓋度低、海岸侵蝕嚴重，脆弱性最高，表現為極度脆弱。海洋部分環境脆弱性總體較低，在黃河入?？谔?，由于受人類活動、含沙量和海水入侵的影響，脆弱性高。

圖3 評價指標單元值Fig.3 Characteristics of Assessment factor

圖4 黃河三角洲海岸帶環境脆弱性空間分布格局Fig.4 Spatial distribution map of environmental vulnerability in Yellow River Delta coastal

由表3可知，黃河三角洲海岸帶環境脆弱性重度脆弱和極度脆弱占41.2%，微度脆弱和輕度脆弱占39.1%，中度脆弱占19.7%。根據黃河三角洲海岸帶環境脆弱性空間分布格局，微度脆弱和輕度脆弱主要集中于河口區和東營區的外海區域，陸地部分脆弱性主要表現為重度和極度脆弱，表明黃河三角洲海岸帶絕大部分區域的脆弱性極強。

4 結論與討論

4.1 結論

本研究在實際調查觀測的基礎上，結合大量黃河三角洲海岸帶數據資料，在自然固有脆弱性指標和人類特殊脆弱性指標的共同影響下對黃河三角洲海岸帶區域進行環境脆弱性評價。評價結果表明，黃河三角洲海岸帶環境脆弱性主要表現為重度脆弱和極度脆弱（41.2%）、中度（19.7%）和微度脆弱和輕度脆弱（39.1%）。海岸帶內陸部分較海洋部分脆弱性高，海岸線一帶脆弱性極高。

黃河三角洲海岸帶環境脆弱性受自然固有因素和人類特殊因素的綜合影響，自然固有因素是脆弱性形成的內因，而人類特殊因素是其外因。導致黃河三角洲海岸帶環境脆弱性的主要自然固有因素包括：生態系統生產力低、海水入侵、海平面變化、海岸侵蝕明顯；人類特殊因素表現為圍墾養殖面積增大、人類污染加劇，主要是人類活動加劇。為保持黃河三角洲海岸帶環境可持續發展，在充分保護已有自然固有因素的基礎上，提高植被覆蓋度，控制人類活動對環境的破壞。

4.2 討論

由于黃河三角洲海岸帶環境脆弱性涉及的影響因素較多，影響機制復雜，現有的評價方法和結果仍然具有一定的局限性和不確定性，表現為以下方面：（1）評價指標選取具有一定的片面性，影響脆弱性評價結果的科學性，評價指標體系有待進一步完善；（2）評價指標數據的獲取跨年度，且由于缺少空間坐標，難以統一到黃河三角洲各區縣范圍內，影響脆弱性評價結果的精確性。

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