小尺度海域空間評價單元劃分技術研究
——以福建省東山灣為例

黃毅熠,吝 濤,胡燈進,薛雄志,張國欽

1 中國科學院城市環境研究所,城市環境與健康重點實驗室,廈門 361021 2 廈門大學海洋與海岸帶發展研究院,廈門 361102 3 福建海洋研究所 福建省海島與海岸帶管理技術研究重點實驗室,廈門 361013

為了合理有序地開發海洋資源,維護海洋生態系統健康,各沿海國家相繼實施了海洋空間規劃[1- 6]。海洋空間規劃起源于20世紀70年代的澳大利亞海洋保護區管理,已被廣泛應用于澳洲和歐美等國的海域[1- 7]。在國外的海洋空間規劃實踐中,通常會針對不同的海域進行分區管理并結合生態環境保護目標制定細化的管理措施。如澳大利亞將大堡礁保護區劃分為8個不同類型的管理區[8]。我國也同步探索和建立了一系列海洋空間規劃[7,9],包括海洋功能區劃[10- 12]、海洋主體功能區劃[13-14]、海洋生態紅線[15-16]和圍填海計劃管理[17- 19]等。

海洋空間規劃的基本技術路線主要包括：確定研究區域；空間評價單元劃分；現狀評價；確定區劃方案[2,20]。空間評價單元是對海洋進行定量評價的基本單元,海洋空間評價單元的劃分是各類海洋空間監測、評價和規劃重要且關鍵的步驟[21],劃分的合理與否直接關系到區劃結果的可信度。陸域主體功能區劃中,國家一級和省一級的主體功能區劃均以縣級單位 (市、縣、區) 為主體功能區劃的評價單元[13]。然而,相較于陸地而言,海洋缺乏明確的地貌、植被等地理邊界,海域水體的垂直分層結構以及高連通性、流動性導致的單位空間內多屬性復合特征,此外,不同規劃目的選取的評價指標不同,也會影響空間評價單元的設置,導致海洋空間評價單元的劃分更為復雜,若單純將小尺度海域(縣級)作為大尺度海洋空間規劃中的一個同質單元,則忽略了小尺度海域內部由于具備不同的物理、化學及生物生態學特征所導致的結構和功能差異。此外,現有國家級海洋空間規劃屬于大尺度、粗顆粒性劃分[21- 23],而地方管轄海域面積較小,通常缺乏國家規范中所涉及相關指標的專項調查,代之以常規性海域生態環境調查為主,包括化學、物理、生物性評價指標,這些常規指標更為精細,但往往在國家級海洋空間規劃中作用不明顯。迄今,如何針對地方性保護需求,在小尺度海域進行空間評價單元劃分仍缺乏技術方法指導與實踐,急需開展小尺度海域空間評價單元劃分的技術方法研究。

從尺度上看,若空間評價單元劃分的越小,則方案精度越高,難度越大,評價也更為復雜[13]。從類型上看,目前各類海洋空間規劃的空間評價單元劃分方法主要有三種：(1)以行政單元 (市、縣) 邊界作為空間評價單元。目前的海洋主體功能區劃多以地級、縣級行政管轄海域為基本單元[24-25],但生態系統的管理邊界應是其自然邊界而非行政邊界[26],基于行政邊界的單元劃分雖簡單且便于管理,但忽略了研究區域內自然稟賦的差異,缺乏科學依據。(2)采用網格法劃分空間評價單元,如Day在南澳大利亞的斯賓塞灣開展海洋空間規劃時,將研究區域劃分為5 km×5 km的空間評價單元[3]；許妍等以2.5 km×2.5 km的網格作為劃定渤海灣生態紅線的空間評價單元[16]。網格劃分技術對海域進行幾何切割,對空間評價單元內的生態系統完整性考慮不足。(3)根據生態屬性劃分空間評價單元。Douvere在比利時北海海域空間規劃研究中根據水深這一物理屬性要素劃分空間評價單元[27]；陳甘霖利用等深線和底質類型邊界等物理屬性要素對東山灣進行海洋生態紅線空間評價單元分區[15]；王佩兒在浙江省寧波市象山港的海洋功能區劃的空間評價單元中不僅考慮到潮流遷移、擴散等物理屬性要素,還兼顧了水產資源等生物學屬性要素[28]。這些劃分方法各有側重,僅考慮了單一的生態屬性,若要實現對不同海域的環境質量管控與干擾性的修復,還需全面考慮生態系統的物理屬性、化學屬性和生物學屬性的空間評價單元劃分技術。

本研究采用福建省東山灣的常規海域海岸生態環境和沿海岸線、地形(質)、海水動力等調查數據,考慮當地對東山灣不同海域空間的環境質量管控和人為干擾區域修復的需求,在我國最小的海域管理行政單元(縣級)管轄空間內,以生態屬性劃分為主,綜合網格劃分相關技術,構建了全面考慮生態系統的物理屬性、化學屬性和生物學屬性的空間評價單元空間評價單元劃分指標體系,運用空間插值和疊加等分析手段,探究適合小尺度海域空間評價單元劃分技術方案,該研究成果不僅能為東山灣海洋空間規劃提供技術支持,同時能為當前海洋空間監測、評價、規劃和管理單元劃分方法提供補充和完善依據。

1 研究區概況

東山灣介于東經117°22′21.05″—117°36′55.60″,北緯23°43′14.11至23°58′27.87″之間,位于福建省漳州市,沿岸分屬漳浦、云霄和東山縣。海域總面積約為240 km2,屬窄口型半封閉海灣,灣口內還有馬鞍嶼、虎嶼、大坪嶼等小島,并有漳江口紅樹林國家級自然保護區和東山珊瑚省級自然保護區,是福建省三大優良港灣之一(圖1)。近年來隨著沿岸海水養殖業的發展和人口的增加,養殖污水、生活廢水的排放,威脅著灣內的漁業資源及珊瑚保護區[29]。急需開展針對地方需求的海洋空間規劃,以協調用海秩序,緩解人類活動與海洋環境保護之間的矛盾,改善沿岸居民的生存環境,為當地海洋資源可持續利用提供保障。

圖1 福建省東山灣位置圖Fig.1 Location of Dongshan Bay,Fujian Province

2 研究方法

本研究的海域空間評價單元劃分技術方案將從指標體系構建、指標計算方法和在GIS平臺上的操作實現步驟三個層次詳細闡述。

2.1 空間評價單元劃分依據及其指標體系

海洋的流動性和邊界模糊性增加了海洋空間規劃的難度,劃分海域空間評價單元時須充分考慮地形地貌、流場、資源、生物、生態環境現狀等海洋自然屬性,以充分了解海洋生態環境現狀為前提[30-31],因此本研究將研究海域的自然生態環境要素作為對海域空間評價單元劃分的主要依據。此外,海域內關鍵物種的棲息生境,如紅樹林,珊瑚礁,白海豚等本身就可以作為單獨一類的空間評價單元先行設定,本文不作具體分析。本文主要考慮常見的三類海洋生態環境調查數據類型,從生物屬性、物理屬性、化學屬性三個方面構建海域空間評價單元劃分的指標體系,采用層次分析法確定指標權重(表1)。一級指標中：化學屬性指標用于表征研究區域的化學屬性環境狀況；物理屬性指標表征研究區域的海水物理環境狀況；生物學屬性指標表征研究區域的生物數量和豐富度。二級、三級指標根據一級指標的評價目的,篩選易于監測并能反映海洋生態環境特征關鍵表征指標和環境要素。受案例區實地調查數據獲取限制,本文僅選擇了生物學屬性、物理屬性、化學屬性三類指標中常見并且可獲得的指標進行案例分析研究。

表1 海域空間評價單元劃分的指標及權重

本研究所需數據來源于《改革與優化用海項目立項環評工作——十三個海灣及海壇島海域環境與資源現狀調查》,由福建省海洋研究所提供,包括：2016年35個水質調查站位、22個表層沉積物質量調查站位、22個葉綠素a調查站位、22個淺海大型底棲生物調查站位、8條潮間帶底棲生物調查斷面和15個漁業資源調查站位春秋兩季的生態環境數據,以及水深、漲落潮流速、海岸線、海島等矢量數據(表2)。

表2 研究數據

2.2 指標計算

2.2.1化學屬性指標計算方法

海洋化學指標由水質和沉積物數據計算,對水質綜合指標與沉積物綜合指標賦予相等權重。其中,水質綜合指標用于表征研究區域水質狀況；沉積物綜合指標表征沉積物質量。計算公式如下：

[水質綜合指標]=max([鹽度],[溶解氧],[化學需氧量],[活性磷酸鹽],[氨氮])

[沉積物綜合指標]=max([石油類],[鎘],[有機碳])

[化學屬性指標]=mean([水質綜合指標],[沉積物綜合指標])

2.2.2物理屬性指標計算方法

物理屬性指標由水深和流速數據計算,對二者賦予相等權重。計算公式如下：

[物理屬性指標]=mean([水深],[流速])

2.2.3生物學屬性指標計算方法

生物學屬性指標由浮游動植物和底棲生物綜合指標、魚卵和漁獲物綜合指標、葉綠素a濃度數據計算,其中,浮游動植物和底棲生物綜合指標用于表征研究區的生物富集程度；魚卵和漁獲物綜合指標用于表征研究區的漁業生物富集程度。計算公式如下：

[浮游動植物和底棲生物量指標]=sum([浮游動物生物量],[浮游植物量],[底棲生物生物量])

[浮游動植物和底棲生物種類指標]=sum([浮游動物種類],[浮游植物種類],[底棲生物種類])

[浮游動植物和底棲生物綜合指標]=mean([浮游動植物和底棲生物量指標],[浮游動植物和底棲生物種類指標])

[魚卵密度和漁獲量重量指標]=sum([魚卵密度],[漁獲物重量])

[魚卵和漁獲物種類指標]=sum([魚卵種類],[漁獲物種類])

[魚卵和漁獲物綜合指標]=mean([魚卵漁獲量指標],[魚卵漁獲物種類指標])

[生物學屬性指標]=mean([葉綠素a濃度],[浮游動植物和底棲生物綜合指標],[魚卵漁獲物綜合指標])

權重用在不同目的的海洋規劃和不同海洋區域可能會產生不同,本文重點是探索空間評價單元劃分,因此僅選用最簡單的均等權重,對各等級的分指標賦予相等權重。

2.3 基于GIS的空間評價單元劃分實現過程

2.3.1基于GIS的化學屬性指標空間柵格化實現

①評價指標的矢量化。將春秋兩季的水質監測數據和表層沉積物監測數據分別空間化為矢量點圖層。②評價指標的柵格化。采用反距離加權插值將矢量點圖層轉化為50m×50m的柵格圖層(本研究均采用50m×50m的網格),并將各指標春秋兩季的柵格圖層進行平均。③評價指標分級。將平均后的各指標柵格圖分為四級,水質數據參照《海水水質標準(GB 3097—1997)》中的四類水質標準,針對沒有標準的水質指標和表層沉積物指標,采用自然斷點法按照污染程度從低到高分為1到4級。④多指標空間疊置分析。分別將各水質(沉積物)評價指標的分級柵格圖層進行疊加,取疊加后像元的最大值,得到水質(沉積物)綜合指標。將水質綜合指標與沉積物綜合指標的柵格圖層進行平均,并使用自然間斷點法按照值的大小,從小到大分為1至4級,得到研究區化學屬性指標的柵格圖層。

2.3.2基于GIS的物理屬性指標空間柵格化實現

①評價指標的柵格化。采用反距離加權插值法將水深、流速的矢量圖層轉化柵格圖層。②評價指標分級,主要從海水自凈、稀釋、降解能力的改變考慮,采用自然間斷點法將水深按照由淺到深分為1至4級,將流速柵格圖層按照由低到高分為1到4級。③空間疊置分析。將水深和流速柵格圖層進行疊加,取疊加后像元的均值,并使用自然間斷點法按照均值的大小,從小到大分為1到4級,得到物理屬性指標的柵格圖層。

2.3.3基于GIS的生物學屬性指標空間柵格化實現

①評價指標的矢量化。將春秋兩季的浮游動植物生物量、種類；潮間帶底棲生物的生物量、種類；魚卵種類、密度；漁獲物種類、重量等監測數據分別空間化為矢量點圖層。②評價指標的柵格化。采用反距離加權插值法將各指標的矢量圖層轉化為柵格圖層,并將各指標春秋兩季的柵格圖層進行平均。由于量綱不同,為便于計算,將平均后的浮游動植物生物量、底棲生物生物量、魚卵密度、漁獲物重量柵格圖層通過極值標準化方法,歸一化至[0,1]。④多指標空間疊置分析。基于各評價指標的柵格圖層和權重進行空間疊置計算,并使用自然間斷點法按照值的大小,從小到大分為1到4級,得到生物學屬性指標的柵格圖層。

2.3.4基于GIS的空間評價單元劃分

將化學屬性指標、物理屬性指標、生物學屬性指標的柵格圖層轉化為矢量圖層,運用圖層相交分析工具,得到研究區海域空間評價的初始基本單元。為了減少評價單元的破碎程度,按就近原則,進一步將初始基本單元中面積小于1 km2的單元合并到有鄰接關系的大單元。若有多個大單元有鄰接關系,則將小單元合并至周邊面積最大的鄰接單元,由此得到海域空間基本評價單元。

圖2 東山灣化學屬性指標分級圖Fig.2 Classification of chemical indicator in Dongshan Bay

3 結果分析

3.1 空間評價單元劃分依據及其指標體系

化學屬性指標共分四級,1到4級代表研究區內的海水化學污染狀況由輕到重。評價結果顯示(圖2,表3),不存在1級區；3級區面積最大,達257.35 km2,占研究區的66.86%；其次是4級區域,占比為29.99%,主要出現在漳浦縣、云霄縣和東山縣沿岸,這是由于沿岸區域受人類活動影響較大,化學污染相對嚴重；2級區域最少,僅有12.12 km2,占東山灣面積的3.15%,主要出現在遠離海岸的中心部分,受人類活動的干擾較少,化學污染相對較輕。

3.2 東山灣物理屬性指標

物理屬性指標1到4級代表水深由淺到深,流速由慢到快,表示水動力和自凈能力的逐漸提升。表4和圖3顯示,1級區為東山灣主要區域,面積達150.89km2,占比為32.57%,主要分布在沿岸區域,說明這些區域水深較淺,流速較慢；其次是4級區域,占研究區面積的24.91%,主要出現在灣區南部,與灣外海水交換的位置,這些區域流速快,海水深；再其次為3級區,面積比例為23.03%；面積最小的是2級區,占比僅為19.49%。3級和2級區域主要分布在海灣中心部分,說明該區域水流較快,海水較深。

表3 東山灣海域化學屬性指標分級統計

表4 東山灣海域物理屬性指標分級統計

3.3 東山灣生物屬性指標

生物學屬性指標分為四級,1,2,3,4級代表生物量由少到多,種類由單一到豐富,生物生態狀況由壞到好。從表5和圖4可見,2級區面積最大,為137.18km2,占比達35.64%；其次是3級區,占比為24%；再其次為4級區,占研究區面積的21.97%。3級和4級區均主要分布于沿岸或者向內陸延伸的區域,說明這些地方的生物數量多且種類豐富。面積最小的是1級區域,占比僅為18.38%,主要出現在東山灣的中心區域,說明東山灣中心的生物富集程度較低。

圖3 東山灣物理屬性指標分級圖Fig.3 Classification of physical indicator in Dongshan Bay

圖4 東山灣生物學屬性指標分級圖 Fig.4 Classification of biological ecological indicator in Dongshan Bay

3.4 東山灣海域空間評價單元劃分

通過前文所述方法步驟,最終將東山灣海域空間劃分為67個生態單元(圖5)。按照化學屬性要素、物理屬性要素、生物學屬性要素的分級評價結果,東山灣的海域空間評價單元可分為屬性相同的28個聚類(表6)。各生態要素分級評價結果為相對參考值,海洋空間相關監測、評估、規劃和管理可在此基礎上進行。

表5 東山灣海域生物學屬性指標分級統計

4 討論與結論

本研究收集了大量的地方性海域的生態環境監測站點數據,以全面且詳實的生態環境現狀數據為支撐,提出了一種適用于小尺度海域的空間評價單元劃分技術方案,并在東山灣進行了案例研究。該方案構建了基于物理、生物、化學屬性要素的海域空間評價單元劃分指標體系,通過分類評價,空間疊加分析等方法實現了更加準確、科學的空間評價單元劃分。在此基礎上,可開展相關海域生態系統監測、評估、規劃和管理,對不同生態環境稟賦的海域因地制宜地制定海洋環境保護策略、開發政策,以實現保護海洋生態環境,海洋資源可持續開發利用的目的。我國的海洋空間規劃多集中在國家、省、市級的大尺度海域,而在縣級行政單元管轄的小尺度海域較少。小尺度海域往往作為大尺度海洋空間規劃中的一個同質單元,缺乏針對地方性需求的規劃。隨著海洋空間規劃的進一步推進,精細化且有針對性的空間規劃工作勢在必行。相對于大尺度海域,在小尺度海域更易收集到詳細且完整的海域生態環境數據,用于準確判斷海洋生態環境的變化規律,并以此作為小尺度海域的空間評價單元劃分依據,同時支撐更大尺度海域空間的研究與開發利用。雖然本研究提出的海域空間評價單元劃分技術方案主要針對小尺度海域,但在能取得完整、詳實數據的大中尺度同樣適用。

表6 東山灣海域空間評價單元分類

該方案的技術路線可以為各類海洋空間監測、評價、規劃和管理涉及的空間評價單元劃分提供科學參考借鑒,具有廣泛的應用前景。在應用時需要注意以下幾點：(1)本研究中的各項指標根據數據的可獲得性,適宜性和科學性選擇,鑒于各海域生態環境監測站點的差異,可根據數據的可獲得性、地方性需求和區劃目的,靈活調整各生態要素的表征指標。(2)本文的研究重點是探索空間評價單元劃分,因此僅簡單的對各等級的分指標賦予相等權重,不同目的的海洋規劃和不同海洋區域可以相應調整指標權重。(3)本文的研究結果是理論上準確、科學的空間評價單元劃分,單元數量較多,在實際應用中,為便利規劃的落地,可兼顧空間評價單元面積、形狀、邊界等要素進一步合并空間評價單元,進行現狀評級,確定區劃方案,形成符合實際要求的空間規劃圖。(4)海洋空間規劃需要考慮陸海交互作用(如圍填海)和區域關鍵物種(如紅樹林、珊瑚礁等),在劃定空間評價單元時可將其作為單獨的一種單元類型處理。