基于層次分析法和模糊數學的大連金石灘海岸整治修復工程效果評價

張明慧，張勁文，劉貞文，丁德文

（1.廣州航海學院土木與工程管理學院，廣東 廣州 510725；2.集美大學港口與海岸工程學院，福建 廈門 361021）

砂質海岸灘平沙細，水淺浪小，海岸景觀優美，是重要的濱海旅游休閑娛樂資源，許多岸段已被開發為重要的濱海旅游休閑娛樂景區。由于砂質海岸海灘表層沉積物以砂為主，結構松散，受水動力、風力及人類活動等外力驅動，流動性大，環境極其脆弱[1-2]。近幾十年來，受海砂開采、圍填海等人類活動影響，我國砂質海岸存在不同程度的資源損毀與生態環境破壞問題[3]。為此，沿海多個區域探索開展了海岸整治修復工程，以修復受損的海岸帶資源環境，提升砂質海岸資源環境質量。如何客觀地評價砂質海岸整治修復工程效果，是砂質海岸整治修復工作面臨的一個主要技術問題。

關于海灘養護效果評價，丹麥、英國、美國等國家已研究建立了多種海灘養護工程效果評價指標體系[4-5]。丹麥最早關注海灘養護效果評價，提出了包括補沙效率、使用壽命、自然侵蝕系數等海灘養護效果評價指標[6]。英國在海灘養護效果評價方面，主要關注實際有效使用壽命、成本/收益比、抵御洪災功能及環境影響因素[7-8]。美國海灘養護效果評價指標包括沙灘顏色變化、海灘底質粒徑變化、海灘剖面形態演變、海灘實際壽命及海灘生態適宜性改善[9-11]。在荷蘭，HILLEN R 等[12]提出從侵蝕防護、海灘壽命、沙灘寬度、沙丘穩定性、防洪功能5 個方面評價海灘養護效果，ROELSE P[13]采用以上5 個方面指標評價了荷蘭10 個海灘養護工程效果，評價結果認為8 個海灘養護工程是成功的。張明慧等[14]綜述我國海岸整治修復工程效果評價研究，發現目前我國還沒有形成可行的砂質海岸整治修復工程效果評價方法體系。可以看出，國內外海岸整治修復工程效果評價主要集中在砂質海灘養護效果評價方面，少有砂質海岸整治修復工程效果綜合評價報道。實際上，砂質海岸整治修復工程內容不僅僅是沙灘資源養護，還包括海岸生態景觀優化、海岸環境綜合整治等，因此，海岸整治修復工程效果評價應該從更大尺度構建砂質海岸整治修復工程效果綜合評價方法。

層次分析法是美國運籌學家薩蒂20 世紀70 年代提出的一種事件決策分析方法，它首先將決策事件分解成目標層、準則層、要素層、因子層等不同層級，在此基礎上根據各因子的層級關系和影響大小進行逐層分析計算，最后得到總目標的定量分析計算結果[15]。該方法廣泛應用于多要素構成的復雜事件決策分析工作[16-17]。模糊數學是將不確定、模糊性的事物轉化為以隸屬函數定量表達的數學分析方法，較好地克服了事物表達的模糊性，為受多種因素影響或制約的事物或對象的定量計算提供了可行方法，因此被廣泛采用[18-19]。砂質海岸整治修復工程效果評價涉及沙灘養護、生態保護、景觀美化、環境改善、社會經濟等多個方面，且很多評價對象描述復雜，難以量化，采用傳統的評價方法難以客觀地反映砂質海岸整治修復工程的真實效果。本文探索采用層次分析法和模糊數學方法，建立了砂質海岸整治修復工程效果評價方法，并對大連金石灘海岸整治修復工程效果進行綜合評價，希望能夠為我國砂質海岸整治修復工程效果綜合評價探索適用技術方法。

1 大連金石灘海岸整治修復工程概況

大連金石灘海灘位于北黃海遼東半島東南海岸，大連市金州區東部，南臨北黃海，北至金石灘輕軌線，由東西兩個半島岬角和岬角之間的開闊海灣組成，具體地理位置：39°0′N—39°6′N，121°55′E—122°05′E。大連金石灘砂質海岸帶是國家級風景名勝區、國家級旅游度假區、國家AAAA 級旅游景區、國家級地質公園。大連金石灘是典型的岬灣型砂質海岸，三面環海，東西兩個岬角之間為延綿約4.50 km 的砂質海灘——“黃金海岸”，由東、西兩個沙灘浴場組成，浴場沙灘寬度100～200 m。2010年7 月16 日，大連市金州區大連新港附近輸油管道爆炸，原油泄漏，造成大連金石灘海灘原油污染，嚴重影響了海灘的旅游休閑娛樂活動。同時海灘局部區域也存在岸灘侵蝕后退問題，影響了海灘旅游休閑娛樂質量。為此，從2011 年開始，大連金石灘管委會實施了大連金石灘海岸整治修復工程，具體包括海灘污損砂體置換、近岸海域水環境整治、海岸植被景觀綠化與美化、濱海旅游娛樂基礎設施改善等內容，2018 年海岸整治修復工程竣工驗收，大連金石灘海岸資源環境得到整體改善，濱海旅游休閑娛樂產業得到大幅提升。

2 海岸整治修復工程效果綜合評價方法

2.1 海岸整治修復工程效果綜合評價指標體系構建

根據大連金石灘海岸整治修復工程實施內容及其效果體現方面，采用層次分析法，將海岸整治修復工程綜合效果分為目標層、準則層、因素層、指標層。目標層為海岸整治修復工程總體效果A；準則層包括：自然環境效果B1、景觀生態效果B2、海灘資源效果B3和社會與經濟效果B44 個分目標；每一個分目標分解3～4 個因素，其中自然環境效果分解為4 個因素C1～C4、景觀生態效果分解為4 個因素C5～C8、海灘資源效果分解為3 個因素C9～C11、社會與經濟效果分解為3 個因素C12～C14，以上14個因素構成因素層；每個因素進一步分解為1～2個指標，共17 個指標D1～D17構成指標層[20]。這樣就形成了大連金石灘海岸整治修復工程效果綜合評價指標層次體系，詳見圖1。

圖1 海岸整治修復工程效果綜合評價指標體系

2.2 海岸整治修復工程效果綜合評價指標量化方法

對比海岸整治修復工程實施前后各評價指標變化情況，進行5 級量化。以評價指標變化的±0.10倍和±0.30 倍為閾值，評價指標變化處于±0.10 倍以內，說明海岸整治修復工程實施前后指標變化不明顯；評價指標變化處于±0.10 倍至±0.30 倍之間的，說明海岸整治修復工程實施前后指標有變化；評價指標變化處于±0.30 倍以外的，說明海岸整治修復工程實施前后指標有明顯變化；正值為變好，負值為變差，詳見表1。表中景觀自然度指數、景觀豐富度指數、景觀破碎化指數、景觀主體度指數計算方法見參考文獻[3]和[20]；沙灘面積指數、潮灘游樂指數、沙灘底質指數、沙灘侵淤指數見參考文獻[21]和[22]。

表1 海岸整治修復工程效果綜合評價指標量化標準

2.3 海岸整治修復工程效果綜合評價模型

根據海岸整治修復工程效果綜合評價指標層次體系，建立海岸整治修復工程效果綜合評價模型如式（1）所示。

式中，XA為海岸整治修復工程效果綜合評價值；Bi為準則層第i 個元素權重；Ci為因素層第j個因素權重；Dz為指標層第z 個指標的權重；uz為第z 個指標的量化得分（無量綱）。海岸整治修復工程效果評價準則層、因素層、指標層各評價指標的權重采用專家咨詢法，邀請15 名專家依據同層次各個指標相對重要性程度進行打分，統計計算同一層次同一隸屬關系的指標權重數值。計算結果見表2。

表2 海岸整治修復工程各級評價指標權重

為了滿足海岸整治修復工程效果綜合評價結果有效支撐工程管理工作需求，需要對綜合評價數值進行等級劃分。本文根據海岸整治修復工程總體效果狀況，將評價等級劃分為Ⅰ級（優秀）、Ⅱ級（良好）、Ⅲ級（合格）、Ⅳ級（較差）4 個等級。海岸整治修復工程效果評價等級劃分標準的確定采用情景假設評價結果總分頻率曲線法與專家咨詢校核法相結合，首先對不同假設情景的海岸整治修復工程效果評價值做頻率統計，繪制頻率直方圖，選擇頻率曲線分布突變處為分界，再通過專家咨詢法對閾值劃分的合理性進行微調，表3 為海岸整治修復工程效果等級劃分標準。

表3 海岸整治修復工程效果等級劃分標準

3 大連金石灘海岸整治修復工程效果監測

采用本文構建的海岸整治修復工程效果綜合評價指標量化方法，對大連金石灘海岸整治修復工程的自然環境效果、景觀生態效果、沙灘資源效果、社會經濟效果4 方面的指標層17 個評價指標進行監測分析與賦值。

3.1 自然環境效果監測分析與賦值

海岸地形坡度變化：海岸整治修復工程實施前，海岸區域已進行了旅游娛樂開發，海岸地形坡度相對一致，海岸坡度離散方差小于0.10；海岸整治修復工程實施對地形進行了平整改造，海岸地形坡度更為一致。海岸整治修復工程實施前和實施后海岸地形坡度變化在±10%以內，海岸地形坡度變化綜合賦值3.0。

落潮流速變化：海岸整治修復工程實施前，近岸海域表層大潮落潮平均流速7.48 cm/s。海岸整治修復工程實施后，灣內近岸海域表層大潮落潮平均流速在7.83 cm/s 以內，海洋落潮流速變化指數為0.047，小于±10%的明顯變化閾值，落潮流速變化指數綜合賦值3.0。

水體半交換周期變化：海岸整治修復工程實施前計算的海灣水體半交換周期為25.63 h；海岸整治修復工程實施過程中基本沒有改變海灣形狀，工程實施后海灣水體半交換周期為25.12 h。水體半交換周期變化率小于±10%，水體半交換周期變化率綜合賦值3.0。

海洋環境質量變化：海灘沉積物環境質量是海岸環境整治修復工程的重點內容。海岸整治修復工程實施前，海洋底質環境中石油類的污染指數最大，是大連金石灘海洋環境質量的“長板”，海洋底質沉積物環境質量指數平均值為1.27。海岸整治修復工程實施后，海洋底質環境質量有了較大改善，石油類的污染指數仍然最大，平均值為0.75。大連金石灘海岸整治修復工程實施前和實施后海洋底質環境質量指數明顯降低，海洋環境質量變化綜合賦值5.0。

3.2 景觀生態效果監測分析與賦值

景觀自然度指數變化：海岸整治修復工程實施前，大連金石灘海岸以森林、海域水面自然景觀為主，景觀自然度指數為0.78；海岸整治修復工程實施后，景觀自然度指數總體為0.81。海岸整治修復工程實施前后景觀自然度指數增加了3.84%，綜合賦值3.0。

景觀豐富度指數變化：海岸整治修復工程實施前，平均景觀豐富度指數為8.0；海岸整治修復工程實施后，景觀豐富度指數仍維持在8.0。景觀豐富度指數沒有變化，景觀豐富度指數變化綜合賦值3.0。

景觀破碎度指數變化：海岸整治修復工程實施前，總斑塊數量為107 個，景觀破碎度指數為484 500 m2/個；海岸整治修復工程實施后，景觀格局斑塊數量為128 個，景觀破碎度指數為405000m2/個。海岸整治修復工程實施前后，景觀破碎度指數減小16.41%，景觀破碎度指數變化綜合賦值4.0。

景觀主體度指數變化：大連金石灘海岸整治修復工程實施前，景觀主體度指數為0.84；海岸整治修復工程實施后，景觀主體度指數為0.94。海岸整治修復工程實施前后，景觀主體度指數增加11.91%，景觀主體度指數變化綜合賦值4.0。

3.3 沙灘資源效果監測分析與賦值

沙灘面積指數變化：海岸整治修復工程實施前，總沙灘面積為83 500 m2。海岸整治修復工程實施后，總沙灘面積為204 800 m2。海岸整治修復工程實施前后沙灘面積增加了33.92%，沙灘面積指數變化綜合賦值5.0。

潮灘游樂指數變化：海岸整治修復工程實施前，適宜游泳嬉水潮灘面積為425 900 m2，海岸整治修復工程實施后，適宜游泳嬉水潮灘面積增加為447 400 m2。海岸整治修復工程實施前后適宜游泳嬉水潮灘水域面積增加了5.05%，潮灘游樂指數變化綜合賦值3.0。

沙灘底質指數變化：海岸整治修復工程實施前，沙灘表層沉積物平均底質指數為0.55；海岸整治修復工程實施后，沙灘表層沉積物平均底質指數為0.65。海岸整治修復工程實施前后，沙灘表層沉積物底質指數增加了18.18%，沙灘底質指數變化綜合賦值4.0。

潮灘侵淤指數變化：海岸整治修復工程實施前，灘肩前緣存在明顯的海岸侵蝕，海岸整治修復工程實施過程中通過沙體置換，改善了潮灘剖面平衡形態，海岸整治修復工程實施后一年，潮灘平均侵淤指數為0.82，潮灘剖面保持了80%以上，綜合賦值4.0。

3.4 社會經濟效果分析

最大游客指數：2018 年現場調查，最大日游客量達到5.38 萬人次，最大游客指數0.90，海岸日最大游客數量達到承載力的90%以上，綜合賦值5.0。

年總游客指數：大連金石灘濱海旅游景區規劃年游客接待量1 000 萬人次，實際調查發現旅游高峰期主要集中在每年的7 月和8 月，日游客量可達到7 萬人次；6 月、9 月、10 月日游客量可達到4萬人，其他月份每月約10 萬人，年游客總量估算為610 萬人次，年游客指數0.61，綜合賦值4.0。

旅游收益指數：根據大連經濟技術開發區統計數據，大連經濟技術開發區2018 年旅游稅收收入總值為30.50 億元，占區財政收入的8.2%，旅游收入主要來自區域內的金石灘濱海旅游產業收入，綜合賦值3.0。

旅游貢獻指數：根據大連經濟技術開發區統計數據，大連經濟技術開發區2018 年旅游對區域經濟增長的貢獻率為12.63%，屬于該區的第4 大產業，旅游對區域經濟貢獻較大，綜合賦值4.0。

公眾滿意度：2018 年7 月，在大連金石灘海岸旅游區開展問卷調查，共向游客發放問卷調查80份，對海岸整治修復改善海岸環境滿意問卷75 份。94%以上公眾對海岸整治修復工程很滿意，屬于公眾十分滿意級別，綜合賦值5.0。

大連金石灘海岸整治修復工程效果各項評價指標標準賦值見表4。

表4 大連金石灘海岸整治修復工程效果評價指標量化值

4 大連金石灘海岸整治修復工程效果模糊綜合評價計算

采用前文研究建立的砂質海岸整治修復工程效果模糊綜合評價方法，計算大連金石灘海岸整治修復工程綜合效果。由每層次指標因子權重向量WR與其對應的模糊評價矩陣R，通過模糊矩陣合并運算，得到上一級評價指標綜合評價模糊向量。

評價具體過程如下。

（1）指標層計算過程

（2）因素層計算過程

（3）準則層計算過程

5 結果分析

大連金石灘海岸整治修復工程效果綜合評價各層級指標的綜合評價值見表5。大連金石灘海岸整治修復工程效果綜合評價值為0.775 5，按照海岸整治修復工程效果評價分級標準，0.775 5 ＞0.75，屬于Ⅰ級標準，大連金石灘海岸整治修復工程綜合效果為優秀。在大連金石灘海岸整治修復工程效果綜合評價值中，沙灘資源效果貢獻最大，貢獻率為30.73%；其次為社會經濟效果，貢獻率為30.59%；景觀生態效果和自然環境效果的貢獻率分別為20.86%、17.82%。

表5 大連金石灘海岸整治修復工程效果評價指標的評價值

準則層自然環境效果、景觀生態效果、沙灘資源效果和社會經濟效果的綜合評價值分別為0.708 2、0.713 7、0.804 7 和0.840 9。可以看出大連金石灘海岸整治修復工程準則層得分最高的是社會經濟效果，因為在社會經濟效果監測結果中，最大日游客指數、公眾滿意度都明顯改善，得到最高分5.0；年游客指數和旅游貢獻指數也有所改善，得分4.0；只有旅游收益指數沒有明顯變化。海灘資源效果得分僅次于社會經濟效果，4 個評價指標中，沙灘面積指數明顯改善，沙灘底質指數和潮灘侵淤指數有所改善。景觀生態效果中只有景觀破碎度指數和景觀主體度指數有所改善。自然環境效果中也只有海洋底質環境質量指數明顯改善，得到最高分5.0，其他3 個指標都沒有明顯變化。

大連金石灘海岸整治修復工程綜合評價值0.775 5 中，貢獻最大的是海灘資源效果，貢獻值為0.238 3；其次為社會經濟效果，貢獻值為0.237 2；再次為景觀生態效果，貢獻值為0.161 8；自然環境效果貢獻最小，貢獻值為0.138 2。這主要是因為大連金石灘海岸整治修復工程的核心是恢復優質沙灘資源，發展濱海旅游經濟，所以海灘資源養護效果最為明顯；依托金石灘海岸豐富多樣的濱海旅游資源、成功的規劃設計及產品推銷，也使旅游社會經濟發展達到前所未有的高度，所以社會經濟效果也極為顯著；景觀生態效果是依托金石灘濱海旅游休閑度假區區域發展規劃，分區分類保護與利用地表景觀類型及景觀資源的結果，總體效果也比較明顯；對于自然環境效果，由于大連金石灘海灘原本自然環境就比較優越，海岸整治修復工程沒有進一步改變海岸地形、水動力，只是改善了附近海域的海洋底質環境質量，所以自然環境效果評價值也相對較小。

6 結 論

本文針對大連金石灘海岸整治修復工程效果評價的技術方法需求，采用層次分析法與模糊數學法研究建立了砂質海岸整治修復工程效果綜合評價指標體系及評價方法，并進行了實證研究，為我國砂質海岸整治修復工程效果綜合評價探索了可行方法。大連金石灘海岸整治修復工程效果綜合評價結果表明，這種砂質海岸整治修復工程多層次模糊綜合評價方法，可以將砂質海岸整治修復工程效果分層次分類別呈現，便于工程實施者、管理者、決策者等不同群體全面詳細了解砂質海岸整治修復工程的實施效果。雖然大連金石灘海岸整治修復工程效果綜合評價結論為優秀，但各評價指標之間的差異還是比較明顯，社會經濟效果評價得分為0.840 9，沙灘資源效果評價得分為0.804 7，都在0.75 以上，屬于實施效果優秀等級；景觀生態效果評價得分為0.713 7，自然環境效果評價得分為0.654 1，都在0.50 以上，屬于實施效果良好等級。