海堤生態化建設適宜性評價研究及應用

徐 偉，陳 淳，劉建輝，陶愛峰，陳 勇，張珍瑤

(1.自然資源部海島研究中心，福建 平潭 350400；2.自然資源部第三海洋研究所，福建 廈門 361005；3.河海大學海岸災害及防護教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098；4.河海大學 港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京 210098)

我國自北向南擁有18 000多公里的大陸岸線，截至2015年底，全國已建成海堤總長度1.45萬公里[1]。總體來看，已建海堤主要采取硬防護工程，對周邊的生態環境造成了一定影響。隨著我國生態文明建設不斷推進，《全國海堤建設方案》[1]和《圍填海工程生態建設技術指南(試行)》[2]提出將“海堤建設”和“綠色發展、生態化”理念相結合，國家對生態海堤建設愈加重視。為進一步提升抵御臺風、風暴潮等海洋災害的能力，有關部門正逐步開展海岸帶保護修復工程，建設生態海堤。

國外對海岸帶的生態環境問題關注較早，美國、荷蘭等一些發達國家已開展了著名的“活力岸線”工程。近年來提及較多的“Building with Nature”理念是一種水基礎設施的新型設計理念，旨在尋求與沿海可持續發展相關的新思維和行動方式[3]。同時越來越多的學者們對海岸生態防護展開研究，例如Nandasena等(2012)運用一種改進的二維深度積分淺水模型分析了人工、自然結構對海嘯減災的有效性[4]，結果表明沙丘型植被是減輕海嘯危害的主要原因。Sella等(2015)證明了沿海、海洋基礎設施通過采用生態設計的專有混凝土可以增加結構的生態服務功能，而不會影響其結構性能[5]。Bugnot等(2018)通過模仿位于潮間帶的巖石池的保水特征，觀察其表面結構與物種豐富度的關系，發現物種豐富度受結構的影響明顯，隨著表面結構接近自然狀態，物種豐富度呈上升趨勢[6]。Aguilera(2017)通過對比智利北部人工構筑物和自然棲息地中物種豐富度的差異，提出基于智利棲息地恢復和沿海規劃的生態工程[7]。這些研究主要通過比較自然結構和人工結構對防護功能和物種豐富度的影響，為進一步開展海岸生態防護提供了研究支撐。

相比國外海岸生態防護研究，我國生態海堤的研究尚處于起步階段，但在其功能、組成和應用探索方面已有相關研究。在生態海堤的功能方面，范航清等(2017)提出生態海堤至少要滿足物理、生態和文化三大功能[8]；在生態海堤的組成部分方面，《2017年中國海平面公報》中提到，生態海堤一般由離岸堤、岸灘植被和海堤三部分組成[9]；趙鵬等(2019)認為生態海堤主要包括離岸防護、海向淺灘、海堤堤身三個系統[10]；在生態海堤的應用探索方面，張月峰(2018)從設計要點、質量控制和技術管理三個方面對生態海堤進行研究[11]；李鳳麗等(2019)通過分析濕地公園中海堤與紅樹林的關系，對生態海堤建設模式展開探索[12]；徐偉等(2019)借鑒國際上海岸帶生態防護的理念和案例，結合國內已開展的生態海堤實踐，提出不同岸線的生態防護組合模式[13]。對生態海堤的內涵而言，《圍填海工程海堤生態化建設標準》中明確提出，“海堤生態化建設”是保證海堤防潮御災能力，優化海堤空間布局，采用生態材料，恢復生物群落，在堤前、堤身、堤后實施生態保護修復的活動[14]。對生態海堤適宜性而言，相關研究較少，但適宜性評價在陸地開發[15-16]、海岸帶開發[17-18]、海島開發[19-20]等領域已有大量研究。

本研究針對生態海堤適宜性評價研究較少的問題，采用層次分析法[21]，在分析海堤災害防御能力和海堤周邊生態環境的基礎上，構建一套海堤生態化建設適宜性評價指標體系與方法，并以平潭島裕藩海堤為例，對裕藩海堤生態化建設適宜性進行評價。

1 數據資料和研究方法

1.1 數據資料

平潭綜合實驗區位于福建省東部沿海，是大陸距臺灣最近的地區，由大小126個島嶼、167個巖礁組成，總面積370.9 km2，海域面積6 064 km2，其主島海壇島為福建省第一大島、全國第五大島。裕藩海堤位于海壇島東北部，流水鎮東南方(圖1)，全長1.65 km，呈半弧形，海堤走向為西南向，保護8個行政村，保護面積0.34萬畝、耕地面積0.23萬畝，保護人口1.4萬人。該海堤建成于1973年，前后經過1990、2011年兩次較大規模的加固，現設計高潮位4.19 m，堤頂高程6.6 m，堤頂寬度4.0 m，最大堤高4.9 m，堤基為粉砂層，防潮標準為20年一遇，海堤斷面示意圖見圖2。經過多年運行，臨海側被淘刷十分嚴重，每當風暴潮來臨之際需采取搶險措施，堤后緊鄰魚蝦養殖區，堤身存在較高的風險，已不能對風暴潮進行有效防御，且缺乏景觀性(圖3)。研究所用的生態數據來源于廈門大學對海壇灣環境與資源的監測調查數據；部分數據來源于歷史統計資料，例如風暴潮危險性、海岸侵蝕強度等；潮間帶寬度、護面塊體完整性相關數據通過實地勘測獲取等。

圖1 裕藩海堤位置示意圖

圖2 裕藩海堤斷面示意圖

圖3 裕藩海堤現場照片

1.2 研究方法

1.2.1 評價指標體系的建立 海堤生態化建設適宜性評價指標選擇遵循以下原則：①系統性原則。選取的指標既要從不同的側面反映出海堤自身及周邊生態環境的主要特征和狀況，又能體現系統間的內在聯系。②代表性原則。指標應具有某個方面的典型性和代表性，避免選擇意義相近或重復的指標，指標必須含義簡明且易于計算。③可度量性原則。選取的指標盡量以生態環境常規監測和社會統計中普遍選用的指標為基礎，以便于對指標進行量化。海堤生態化應滿足“保障防災能力、提升生態功能”的基本要求，因此從海堤災害防御能力和海堤周邊生態環境兩個角度分別構建指標體系(表1)。海堤災害防御能力目標層包括海洋災害、海堤現狀和孕災環境3個準則層的6個評價指標；海堤周邊生態環境目標層包括生境質量和生態服務性2個準則層的5個評價指標。

表1 海堤生態化建設適宜性評價指標體系

1.2.2 指標權重的確定 在對海堤生態化建設適宜性進行評價時，為最大程度地降低評價過程中的主觀性和片面性，將層次分析法和德爾菲法相結合，共同確定指標權重。首先建立遞階層次結構模型，形成判斷矩陣，通過咨詢了兩輪專家的意見并對結果進行統計分析，最后進行一致性檢驗，確定出指標權重。當一致性指數CR值小于0.1時，表示判斷矩陣一致性可以接受。海堤災害防御能力評價指標權重結果見表2，海堤周邊生態環境評價指標權重結果見表3。

表2 海堤災害防御能力評價指標權重

表3 海堤周邊生態環境評價指標權重

1.2.3 指標量化處理標準 評價體系中各指標的類型復雜，且量綱不統一，缺乏可比性。因此，在運用上述指標時，需要對指標因子進行量化處理，對不同的等級劃分賦予不同分值。本研究參考《中國海島生態系統評價》的研究內容[22]，將海堤災害防御能力和海堤周邊生態環境劃分為3個等級：[70, 100]區間內為好、[40, 70)區間內為一般、[0, 40)區間內為差。其中部分指標可根據已頒布實施的國家、行業及地方標準進行量化處理，例如風暴潮危險性[23-24]、海岸侵蝕強度[25]、海水水質[26]、沉積物質量[27]、底棲生物多樣性[22，28]、護面塊體結構粗糙度[29]；部分指標目前尚為形成統一標準，需借鑒前人的研究成果并進一步處理，例如平均潮差[30-31]，堤身整體穩定性等級劃分主要基于謝婕等(2016)在海堤安全評價方面的研究成果，安全系數評價值越高表征海堤整體穩定性越好[32]；潮間帶寬度根據我國海岸帶實際情況劃分，砂質岸線潮間帶寬度一般為數百米，淤泥質岸線潮間帶寬度在渤海、黃海、東海一般為3～18 km[33-34]，因此潮間帶寬度在此范圍內劃分等級；景觀自然性考慮堤后200 m緩沖區域的景觀自然構成比例[35]，并將其按照3個等級進行劃分，景觀自然構成比越高，表明當地的生態環境越好，具體量化標準見表4。

表4 海堤生態化建設適宜性評價指標量化處理標準

1.2.4 賦值方法 根據各評價指標的評價標準和評價范圍，采用隸屬度賦值法，具體計算見下式：

(1)

(遞增型，參考標準與對應分值呈正向變化)

(2)

(遞減型，參考標準與對應分值呈反向變化)

式(1、2)中：Y為評價指標的賦值；X為評價指標的量值；Bmax和Bmin分別為評價指標參考標準的最大值和最小值；Fmax和Fmin分別為參考標準對應分值的最大值和最小值。

1.2.5 防御能力和生態環境等級劃分 為了更加直觀地評價海堤災害防御能力和海堤周邊生態環境狀況，引入海堤災害防御能力指數(Index of Disaster prevention capability of Seawall,SDI)和海堤周邊生態環境指數(Index of Ecological environment around Seawall,SEI)，輔助表征海堤災害防御能力和海堤周邊生態環境狀況。

(3)

(4)

式(3、4)中：SDIi表示海堤災害防御能力評價體系下各因素的分值，SEIi表示海堤周邊生態環境評價體系下各因素的分值，Wi表示相應指數的權重。

同時，將SDI指數和SEI指數限定在0～100的連續尺度內，并按照指數從高到低排序，反映海堤災害防御能力由高到低的變化，以及海堤周邊生態環境由好到壞的變化。當SDI指數值為0時，表示該海堤災害防御能力極差，不能滿足安全需求；當SDI指數值為100時，表示該海堤災害防御能力很好，可以滿足安全需求。同樣的，當SEI指數值為0時，表示該海堤周邊生態環境極差；當SEI指數值為100時，表示該海堤周邊生態環境狀況很好。根據SDI指數和SEI指數劃分，將海堤災害防御能力、海堤周邊生態環境分為好[70，100]、一般[40，70)和差[0，40)3個等級(表5)。

表5 海堤生態化建設適宜性評價引導

1.2.6 適宜類型的確定 建立防御-生態互斥矩陣，根據海堤災害防御能力和海堤周邊生態環境等級共同確定海堤生態化建設適宜性。

“優先建設”的海堤包括兩類，一種為災害防御能力差的海堤；另一種為生態環境狀況差的海堤。第一種海堤已不能滿足防潮減災的基本功能，無論其周邊生態環境如何，必須重新構建海岸帶防護系統；第二種海堤雖然仍有災害防御能力，但其生態環境狀況差，亟需改善生態環境質量。

“適度建設”的海堤包括兩類，一種為災害防御能力一般，但周邊生態環境好或一般的海堤；另一種為災害防御能力好，但周邊生態環境狀況一般的海堤。這兩類海堤的防潮減災能力均已滿足要求，但周邊生態環境狀況需要進一步改善和提升，在進行海堤生態化建設過程中，這兩類海堤可作為適度建設對象，建設力度依具體情況而定。

“維持現狀”的海堤指災害防御能力好且周邊生態環境好的海堤。這類海堤的防御能力完全滿足安全需求，周邊的生態環境狀況好，無需耗費財力、人力、物力對其進行建設，因此在海堤生態化建設過程中，屬于“維持現狀”。

2 結果與討論

2.1 結果分析

根據海堤災害防御能力和海堤周邊生態環境指標量化處理標準，結合裕藩海堤歷史資料和現狀調查資料，經整理分析，得出裕藩海堤評價指標數據的表達結果(表6)。

表6 裕藩海堤生態化建設適宜性評價指標數值

指標權重與對應分值相乘，得出各指標的最終得分；再將各指標的得分相加，得出目標層的綜合分值，具體見表7和表8。

表7 裕藩海堤災害防御能力指數

表8 裕藩海堤周邊生態環境指數

裕藩海堤災害防御能力指數綜合分值為27.52，屬于差的范疇；周邊生態環境指數綜合分值為41.36，屬于一般范疇，但與較差水平相接近。結合防御-生態互斥矩陣，裕藩海堤生態化建設適宜性屬于優先建設范疇。從各指標綜合權重可以看出，風暴潮危險性對海堤災害防御能力影響最大，在海堤災害防御能力評價過程中占據了較大比重，潮間帶寬度次之；對于海堤周邊生態環境而言，海水水質所占比重最大，護面塊體結構粗糙度次之。從各準則層排序結果還可以看出，在海堤災害防御能力評價方面，海洋災害所占分值最大；在海堤周邊生態環境評價方面，生境質量所占分值遠大于生態服務性。

2.2 討論

海堤生態化建設適宜性評價是一項交叉融合生態學、地理學、管理學、社會學等學科門類的復雜工作，影響因素眾多。本研究通過將適宜性理論分析應用于海堤生態化建設，拓展了適宜性理論分析的內涵，同時豐富了生態海堤理論體系，是對生態海堤研究領域新的嘗試和探索。

本研究在指標體系構建過程中，將海堤災害防御能力和海堤周邊生態環境分開考慮并進行評價，有利于更加直觀地對海堤生態化建設適宜性進行分析；通過對各準則層的綜合得分進行排序，比較各因素對目標層的相對重要性，有利于分清主次，判斷主要影響因素。在分類方法方面，采用三級分類法，引入海堤災害防御能力指數和海堤周邊生態環境指數對其進行賦值分別確定等級，采用列聯表互斥矩陣的分類方法，綜合分析海堤的防御-生態狀況，確定海堤生態化建設的類型，最后以平潭島裕藩海堤為例證實了評價體系的可操作性，該研究成果可為各地區已建海堤開展生態化建設適宜性評價提供參考依據。

3 結論

本研究基于“保障防災能力、提升生態功能”的原則，從海堤災害防御能力和海堤周邊生態環境角度入手，構建了海堤生態化建設適宜性評價指標體系，并討論了評價指標的權重計算和量化方法，通過建立防御-生態互斥矩陣確定海堤生態化建設適宜性程度，將建立的評價指標體系應用于平潭島裕藩海堤，對該海堤的災害防御能力和周邊生態環境狀況作出分析。應用表明，構建的評價方法既考慮了海堤防護能力的基本需求，又滿足了生態環境方面的更高要求，評價結果與裕藩灣海岸帶綜合整治與生態保護修復規劃內容基本吻合，具有良好的科學性和可操作性，可為我國開展海堤生態化建設適宜性評價工作提供理論支撐。

本研究建立的海堤生態化建設適宜性評價指標體系存在不完善之處，例如在指標選取方面，關于海堤自身的生態性僅選取了護面塊體結構粗糙度；在指標量化方面，堤身整體穩定性、護面塊體完整性的量化標準等有待進一步討論探究。因此，未來將收集更多的資料，結合更多實際案例，通過優化指標體系和量化標準，進一步完善海堤生態化建設適宜性評價方法。