長江口南槽航道治理工程生態健康模糊評價

楊 琳，劉 紅，封 學 軍，任 華 堂

(1.中央民族大學 生命與環境科學學院，北京 100081； 2.中交上海航道勘察設計研究院有限公司，上海 200120； 3.河海大學 港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京 210098)

0 引 言

長江口地處海陸交匯地帶，水文條件復雜，水生生物資源豐富[1]，在維護長江流域生態結構以及生物多樣性方面有十分重要的作用。尤其是近半個世紀以來，新生的九段沙濕地對整個長江口生態安全、資源與環境的可持續發展有重要影響[2]。在經濟全球化的背景下，航運作為國際貿易的主要方式，起著不可或缺的作用[3]，長江口航道作為長江發揮“黃金水道”功能的關鍵通航水道[4]，具有重要地位。長江口航道主要分為南槽和北槽航道，其中北槽的12.5 m深水航道是長江口主航道，南槽航道是輔航道。有關研究表明，航道建設可能會對海域的水生環境[5]、水生生態[6]以及陸域環境[7]造成影響。長江口南槽一期工程涉及航道疏浚、護灘、沉排等工作[8]，施工范圍內及附近海域的環境、生態可能會受到影響，生態敏感區九段沙濕地的生物多樣性和生態穩定性也有可能被影響。對長江口南槽一期治理工程進行生態健康評價具有重要的理論意義和現實意義。

航道生態健康評價，主要包括指標體系構建、指標權重確定以及航道健康評價。前人研究表明，指標體系的構建需要結合評價區域的具體情況確定。丁滿琪[9]在蘇南運河無錫段航道評價中，考慮到河段洪澇災害多發，設置防汛水平指標；李天宏等[10]在長江中游荊江河段航道評價中，考慮到荊江河段多自然保護區及飲用水水源，設置濕地保留率、飲用水安全保證率等指標。指標權重確定方面，王小峰等[11]利用層次分析法對長江航道評價指標賦權，賈明明[12]、郭秀娟[13]、匡舒雅[14]等分別利用主成分分析、熵權法、五元聯系數法對泥頭州、京杭運河蘇北段以及長江下游航道評價指標賦權。以層次分析法為代表的主觀賦權法系統性強、靈活性高，但易受主觀價值判斷的影響；而主成分分析、熵權法、五元聯系數等客觀賦權法所得結果雖具有較強的數學統計依據，但較難顧及評價指標之間的相對重要性，賦權容易缺乏專業性[15]。群決策層次分析法在層次分析法基礎上進行了改進，很大程度上降低了層次分析法的主觀性[16]。航道的健康評價方法常用綜合指數法[17]，綜合指數法可以直觀地計算出航道的健康指數，但航道的滿足程度由多個因素共同決定的，本身具有很大的模糊性和不確定性，綜合指數的計算結果并不能完全代表航道的健康程度。而模糊綜合評價法可以將這種模糊性的定性指標轉換為定量指標[18-20]，在航道評價中實現多個定量、定性指標綜合評價，并在評價結果中得出各指標對于航道整體生態滿足程度的影響，這一方法在中國荊江、漢江航道評價中應用效果良好[21-22]。

本文利用模糊綜合評價法對長江口南槽航道治理工程生態健康水平進行評價，評估一期工程對航道水域尤其是九段沙濕地生態敏感區的影響。

1 工程概況

如圖1所示，南槽航道一期治理工程擬通過整治和疏浚將航道航寬由原 250 m 擴寬至口內段 600 m、口外段 1 000 m，以滿足 5 000 t級船舶滿載雙向多線乘潮通航的要求，具體工程建設內容包括將南槽航道疏浚至6 m水深，同時沿江亞南沙南緣向下游建設1條16 km長的護灘堤。工程于2019年12月開工，并于2020年6月順利交工試運行。

2 評價指標

2.1 評價指標體系

針對南槽航道治理一期工程設立評價指標體系，分為目標層、準則層和指標層，詳細指標見表1。

由表1可知，為綜合評價航道的生態健康水平，指標體系針對航道的航運、生態、資源節約以及協調發展功能設置了若干準則，涵蓋了航道建設從設計理念到施工影響再到運維管理的全過程。具體指標在借鑒其他航道生態健康評價研究的基礎上，增加了“綠色施工技術”等體現航道生態健康水平的指標，指標體系完整且具有專業性。另外，各個指標具有明確的計算方法及評價細則，相互之間不存在包含及對立關系，具有相對獨立性。該指標體系適用于南槽航道工程的生態健康評價。

表1 南槽航道治理一期工程評價指標計算方法Tab.1 Calculation method of evaluation index of South Channel Phase Ⅰ waterway regulation engineering

2.2 數據獲取及標準

根據已有指標體系，通過收集長江口南槽河段相關資料數據，對其航道工程生態健康水平進行評價，相關數據源于如下資料：① 長江口南槽航道治理工程相關報告[23-25]；② 長江口南槽水域生態環境持續監測資料及九段沙濕地生態系統的實測資料；③ 國家水利局、國家統計局等相關網站；④ 同類研究文獻資料。

各單項指標的標準包括5個等級，具體的劃分標準采用定性和定量結合，定量指標主要依據行業標準以及相關文獻資料；定性指標主要采用專家打分的方式，具體的劃分標準見表2。

表2 南槽航道治理工程評價評分標準Tab.2 Evaluation and scoring standard of South Channel waterway regulation engineering

3 評價方法

采用群決策層次分析法確定指標權重，利用模糊綜合評價法對確定好的權重以及根據評價標準得出的指標得分進行計算，得到航道健康水平，最后利用敏感性分析法對評價結果的穩定性進行分析。

3.1 群決策層次分析法

層次分析法由于采用專家評分的方法，難免存在邏輯差，主觀性強的問題。在層次分析法中，體現評分邏輯性的指標是一致性比率CRi，CR值越小說明評分越嚴謹。而群決策層次分析法，在層次分析法的基礎上根據各專家評分的CR值對專家也進行權重計算。一致性比率CRi越大，對應的專家權重就越小，相應的，CRi小的也就是邏輯更嚴謹的專家話語權就更大。具體計算方法如下：

(1)

(2)

為保證層次分析法的準確性和權威性，應選取與評價指標行業密切相關的專家。對于該研究而言，需要邀請對于航道評價、航道建設等方面有經驗的專家，并盡量保證專家數量不小于10人來減少個人主觀性帶來的誤差。

3.2 模糊綜合評價方法

模糊綜合評價法是利用隸屬度的計算和模糊線性變換，將不確定的評價指標轉換為定量指標。隸屬度采用降半梯形分布法計算。正向和負向指標計算方法不同。采用5分制法，計算各指標對于航道評價的優、良、中、差、劣隸屬度。

對于正向指標：

當x>s1時，

r1=1，r2=r3=r4=r5=0

(3)

當si+1

(4)

當x

r5=1，r1=r2=r3=r4=0

(5)

對于負向指標：

當x

r1=1，r2=r3=r4=r5=0

(6)

當si

(7)

當x

r5=1，r1=r2=r3=r4=0

(8)

式中：x表示指標的實際值，si和si+1表示指標第i級和第i+1級的健康標準值，ri和ri+1表示指標對第i級和第i+1 級健康程度的隸屬度。

模糊線性變化過程中，需選擇模糊合成算子。本文選用體現權重作用較高，綜合程度較強的M(·，⊕)算子，計算方法為

(9)

當wj具有歸一化時，

(10)

3.3 敏感性分析方法

航道生態健康水平評價基于多指標決策，指標的權重大小對于評價結果影響較大。對權重進行敏感性分析是令權重在一定的取值范圍內變動，研究權重的變動對評價結果的影響，從而檢驗評價結果的穩定性[26 ]。

本文采用 OAT(the One-At-a-Time)法對群決策層次分析法得到的各準則權重進行敏感性分析，即每次只改變一個因子的權重值，從而反映單因子權重變化對結果的影響程度。本次研究將已確定的各準則的權值上下分別浮動 20%、90%，其他準則的權值依比例做相應改變，確保權重總和始終為 1，并計算新權重下航道工程健康水平。

具體計算方法如下(以浮動20%為例)：

(1)權值浮動的某一準則的權重原始值表示為wi，則其權值上下分別浮動20%后的變化值wi′為

(11)

(2)為確保所有準則的權值之和為1，其他權值未浮動的準則(原始權重為wj)依據wi′進行權重調整，調整后其他準則權重的變化值wj′為

(12)

4 結果與討論

4.1 群決策層次分析法結果

本次研究邀請了10位在航道工程評價、航道建設方面有豐富經驗的專家進行打分，計算得到各準則(B)及指標(C)占航道工程生態健康評價(A)權重結果，見表3。

表3 航道工程評價指標權重計算結果Tab.3 Calculation result of weight of waterway engineering evaluation index

4.2 模糊綜合評價結果

根據表4健康隸屬度矩陣，利用式(10)進行模糊變換，得到航道工程整體及各準則模糊綜合評價結果，見圖2～3。以航道整體“中等”程度計算為例，計算方法為找到含有“中等”隸屬度的5個指標，對這些指標隸屬度與對應指標權重逐個求積后相加：

表4 航道工程評價指標健康隸屬度矩陣Tab.4 Health membership matrix of waterway engineering evaluation index

0.1176+0.88×0.0380+1×0.0668+

0.26×0.0455≈0.1888

(13)

由圖2可知：南槽航道工程生態健康水平對優秀的隸屬度最高，對良好的健康隸屬度次之，對中等隸屬度比較低，較差、差劣隸屬度為0。優秀和良好的占比超過80%，說明經航道治理工程后，長江口南槽航道治理工程生態效果較好。從各準則層分別看(見圖3)：河勢條件、航道條件、設計建設全部隸屬于優秀狀態；運維管理對于優秀的隸屬度較大，良好較??；通航條件、涉水功能雖然優秀占比較大，但均未超過50%；生境準則近70%屬于良好，而生物準則有80%屬于中等，在各個準則中，生物生境健康水平最低。這說明南槽航道工程對于航道的通航河勢改善作用很大，在航道治理過程中設計、運維的體系建設也很完善，綠色技術的應用得到體現，但對于航道及九段沙濕地生物及生態環境的改善程度較低，在后續航道建設過程中應更加注意航道生態功能的提高。在航道建設完成后對航道生境進行及時修復，通過人工種草、生態護岸等方式促進濕地健康演變，打擊破壞濕地生態系統行為，保護航道及九段沙生物生長繁衍，處罰超標排放船只，鼓勵船舶清潔能源使用，改善水生生物生存環境。

4.3 敏感性分析

為進一步降低專家評分的主觀性影響，對各個權重進行敏感性分析，來檢驗評價結果的穩定性。利用3.3中敏感性分析方法將已經確定的各準則的權重上下分別調動20%和90%，其余準則的總權重依照原有比例進行相應的改變，重新計算權重改變后航道的健康水平，計算結果見表5～6。

表5 權重w浮動20%的航道工程健康水平變化Tab.5 Changes of health level of waterway engineering with weight w floating by 20%

由表5～6結果可以看出：各個準則權重浮動后，航道健康水平結果變化較小，優秀的隸屬度始終最大，航道工程生態健康水平均為較高水平，當準則權重浮動為90%時，優秀隸屬度波動在10%以內。結果表明評價結果對準則權重的20%～90%幅度波動敏感性不高，長江口南槽航道工程模糊綜合評價結果具有較高的穩定性和可靠性。

5 結 論

選取群決策層次分析法作為權重確定方法，在保證賦權專業性的同時降低了專家評分的主觀性。利用模糊綜合評價法，對長江口南槽航道治理工程生態健康作出評價，克服了航道評價的模糊性和不確定性，利用敏感度分析研究了評價結果的可靠性和穩定性。評價結果表明長江口南槽航道工程生態健康水平“優秀”隸屬度最高，即航道工程生態效果較好。總體上該航道治理工程沒有破壞航道及九段沙生態敏感區的各項功能，并且對于航道的通航功能有很大提高，但對于航道及九段沙濕地生物生境的改善作用較小，在后續航道建設中可通過人工種草、限制船舶污染物排放等方式改善航道生物生境功能。