基于層次分析法的人工魚礁選址適宜性評價方法*

張子牛 王珍巖,3,4① 李桂花 趙美涵

(1.山東科技大學 地球科學與工程學院 山東青島 266590; 2.中國科學院海洋研究所 海洋地質與環境重點實驗室 山東青島 266071; 3.青島海洋科學與技術試點國家實驗室 海洋礦產資源評價與探測技術功能實驗室 山東青島 266237; 4.中國科學院大學 北京 100049)

人工魚礁最初被用于誘集各種魚類來增加漁獲量(楊吝等, 2005), 隨著人工魚礁建設目標的拓展以及建設規模的擴大, 其功能已由單純的魚類誘集和捕獲逐漸擴展到海域生態環境的修復和保護(陳丕茂等, 2019)。盡管人工魚礁建設在漁業資源增殖和海洋生態環境修復等方面已取得顯著成效(陳勇, 2020),但有研究顯示全球超過50%的人工魚礁項目最終都以失敗告終, 其中重要原因就是選址不當(Baine,2001)。礁區選址作為人工魚礁建設的基礎環節, 其決定建設結果能否成功。選址一旦出現問題, 投礁區域原有生態系統和生物群落結構的穩定性將遭到破壞, 礁體留存周期也會大幅減少(Chang, 1985;Tsenget al, 2001)。

人工魚礁選址評價最早以定性描述為主, 選取的參照標準較少, 科學性較差(Turneret al, 1969;Mathews, 1981), 因此建礁失敗情況較多(Chang,1985)。排除地圖方法(exclusion map, EM)的應用使選址評價開始趨于規范, 用來排除不適宜人工魚礁建設區域, 但該方法不能確定適宜人工魚礁建設的海區范圍(Barberet al, 2009)。而地理信息系統(geographic information system, GIS)的應用有效解決了這一問題,通過應用GIS 繪制海區對應的人工魚礁建設適宜性分布圖來確定適宜建設海區范圍(Tsenget al, 2001;Kimet al, 2015; 許妍等, 2016)。雖然GIS 的應用可以獲取海區建礁適宜性的可視化評價結果, 但該方法對于海區內的多個較小范圍區域的人工魚礁建設選址適宜性評價分析工作適用性不高。針對這種情況,有研究者通過應用層次分析法(analytic hierarchy process, AHP)綜合分析人工魚礁建設影響因素, 獲取海區方案的人工魚礁選址適宜性評價結果, 進行多個海區方案的優先級排序, 確定最佳方案(王飛等,2008; 許強等, 2013)。

但AHP 在人工魚礁建設選址適宜性評價中的應用還不成熟, 相關選址研究在指標選取、指標量化等方面還存在一些問題。首先, 部分研究由于建設目標的不同導致選址評價影響因素的選擇各有側重, 沒有形成通用的評價指標體系(徐漢祥等, 2006; 尹增強等, 2012; Xuet al, 2019; 單晨楓等, 2022), 所選環境因素也不全面, 評價指標體系有待規范。其次, 建設目標的不同也影響指標量化處理, 一方面限制了指標量化方法的應用(尹增強等, 2012; 佟飛等, 2016;Jhaet al, 2022); 另一方面所選擇的部分環境因素沒有通用的量化標準, 仍以定性指標形式參與評價(溫澤民, 2014)。再者, 部分研究在進行因素相對重要性分析時采用專家打分方法(Mousaviet al, 2015; 曾旭等, 2018), 盡管該方法可納入專家個人經驗, 但將其作為評價依據仍存在較大的主觀性和不確定性。針對這些問題, 本研究基于AHP 方法原理在評價指標體系構建、評價標準建立、評價結果計算等方面進行創新, 旨在構建更為客觀、定量的適用于人工魚礁選址適宜性分析的評價方法, 應用于具有不同建設目標的人工魚礁選址評價工作。

1 研究方法

研究主要內容包括基于層次分析法的人工魚礁選址評價方法的構建以及對所構建方法進行的實例驗證。本研究依據層次分析法原理建立人工魚礁選址評價層次結構模型, 包括對評價指標體系的構建, 并利用層次分析法中的判斷矩陣確定主要準則因素權重。然而層次分析法不能對評價指標對應參考數值進行歸一化處理, 因此本研究采用3 種指標量化方法實現這一過程。研究采用前人文獻研究中人工魚礁建設海區調查數據模擬不同海域環境條件的海區場景并設定針對性案例對方法進行驗證, 并使用Python 編程語言創建專門的評價系統快速獲取評價結果。

1.1 層次分析法

AHP 是美國運籌學家Saaty(1972)提出的一種結合定性和定量分析的系統工程方法, 方法分析步驟包括建立層次結構模型、構建判斷矩陣及一致性檢驗、權重分配及結果分析。建立層次結構模型是對目標問題定性分析的重要步驟, 能夠將復雜問題相關因素劃分層次進行分析(張吉軍, 2000)。而構建判斷矩陣是層次分析法定量分析的重要步驟, 用于確定層次因素權重, 構建過程需利用1～9 數字量表(表1)和兩兩比較法(Saaty, 1972)。

表1 1～9 數字量表Tab.1 The 1～9 numerical scale of the judgment matrix

判斷矩陣的一致性檢驗是必要的, 用于排除層次因素相對重要性優先級出現異常的情況。一致性檢驗是一致性比率RC與標準值(0.1)的比較分析過程,如式(2)所示。一致性比率RC涉及一致性指標IC和隨機指標IR(表2), 其中IR只與矩陣維數n有關,IC計算公式為式(1)。當RC＜0.1, 表明矩陣具有滿意的一致性, 否則需要重新構建判斷矩陣, 直到矩陣具有滿意的一致性為止。

表2 n 階矩陣的隨機指標IRTab.2 The random index IR of the nth-order matrix

式中,λmax(A)為判斷矩陣的最大特征值,n為矩陣維數。

具有滿意一致性的判斷矩陣能夠用于計算層次因素權重值, 具體通過尋找判斷矩陣A最大特征值λmax(A)對應的主特征向量w確定層次因素的權重值,其中主特征向量w中的元素就是對應層次因素的權重值(Saaty, 2000)。求解主特征向量w的公式為式(3)。

結合各層次因素權重值對目標問題的解決方案進行比較分析, 確定最優方案。然而每一次權重的變動都會影響方案的優先級順序(Ramanathan, 2001),因此確定因素權重對獲取解決目標問題的最優解具有重要意義。

1.2 指標量化方法

本研究采用二元化法、賦值法和隸屬度函數法對所有指標進行歸一化處理, 標準化范圍為0～1, 0 代表適宜性最低, 1 代表適宜性最高, 以此建立指標的定量評價標準。統一的標準化范圍不僅保證了各指標歸一化值的可加和性, 也保證了綜合計算評價結果的可操作性。二元化法根據指標“適宜”和“不適宜”兩種情況分別賦值1 和0, 零值代表不適宜, 對結果直接否定。賦值法根據指標適宜情況合理劃分等級區間并賦值; 隸屬度函數法則根據指標實測情況具有的連續變化特征選擇相應函數模型建立評價標準。本研究選用的隸屬度函數模型有三類(Mousaviet al, 2015),包括S 型、Z 型和通用型, 如圖1 所示。

圖1 隸屬度函數模型圖Fig.1 The membership function model diagram

2 人工魚礁選址適宜性評價方法構建

本研究依據相關選址評價研究成果(許強, 2012),基于層次分析法的人工魚礁選址適宜性評價方法的構建從評價指標體系的構建、評價指標對應評價標準的建立、主要準則因素權重的確定、評價結果的計算等步驟進行詳細闡述, 評價方法構建流程如圖2 所示。

圖2 人工魚礁選址適宜性評價流程圖Fig.2 Flow chart of site suitability evaluation for artificial reef

2.1 評價指標體系構建及評價標準建立

本研究依據相關國家標準、行業技術規范(中華人民共和國農業部, 2014; 國家市場監督管理總局等,2021)以及前人關于人工魚礁選址評價研究成果(徐漢祥等, 2006; 尹增強等, 2012; Xuet al, 2019), 總結人工魚礁選址評價相關環境因素一般涉及社會經濟、物理、工程、化學和生物環境等方面。另外, 本研究是針對泛指的人工魚礁基礎建設環境進行的選址評價工作, 沒有聚焦于特定養殖目標和物種。因此最終設定海洋功能區劃、水深、水流、底質類型、底質荷載、淤泥層厚度、海底坡度、水質、沉積物質量、赤潮、浮游植物、浮游動物、底棲生物等13 個環境因素為評價指標。其中, 根據水質和沉積物質量相關國家標準《GB 3097-1997 海水水質標準》(國家環境保護局,2004)和《GB 18668-2002 海洋沉積物質量標準》(中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局, 2004)中的調查參數設置情況將水質和沉積物質量指標設定為多參數指標。

所選取的評價指標不僅包含與人工魚礁投放工作相關的海洋功能區劃、海區底質荷載、海底坡度等社會限制性指標和工程性質指標, 也包含與人工魚礁的漁業資源增殖、生境修復等功能有關的評價指標。水深、水流、底質類型等環境因素影響魚礁的集魚效果, 適宜的水深、水流等條件會形成有利于海區營養物質循環的流場環境(李東等, 2019), 可為魚類及其幼魚提供良好的生存環境。水質、沉積物質量是影響魚類、貝類等海洋生物生長及繁衍生息的重要環境因素, 良好的水質和沉積物質量是確保海洋生物高質量生長的前提條件。高餌料生物水平是形成良好漁場的生物基礎, 同時也是實現生物資源增殖目標的基本保證(虞聰達, 2004)。基于此, 本研究通過選取評價指標, 開展人工魚礁基礎建設環境選址適宜性評價分析工作, 不僅可以獲取目標區人工魚礁建設適宜性評價結果, 同時也能驗證魚礁投放海域是否具有良好的漁業資源增殖能力和生境修復能力。

本研究將選取的13 個評價指標合理劃分于社會環境、工程環境、物理環境、化學環境和生物環境。社會環境因素主要設定與海洋牧場建設所在地區社會經濟狀況和海域功能使用情況相關的因素, 因此“將海洋功能區劃”劃分在社會環境。工程環境因素的設定主要考慮海區底質基礎的工程特性, 因此將“底質荷載、淤泥層厚度、海底坡度”劃分在工程環境。物理環境因素的設定主要考慮滿足魚類等海洋生物生存的環境條件, 因此將“水深、水流、底質類型”劃分在物理環境。化學環境因素的設定主要考慮影響礁區生物生長質量的環境條件, 因此將“水質、沉積物質量、赤潮”劃分在化學環境。生物環境因素的設定主要考慮與礁區生物種類、生物量相關的環境條件,因此將“浮游植物、浮游動物、底棲生物”劃分在生物環境。本研究基于AHP 原理建立人工魚礁選址適宜性評價的層次結構模型, 如圖3 所示, 具體將模型準則層劃分為主要準則和從屬的次級準則(即評價指標),分別對應5 類環境和13 個環境因素, 以此構建人工魚礁選址評價指標體系。

圖3 人工魚礁選址適宜性評價層次結構模型Fig.3 The hierarchical model of site suitability evaluation for artificial reef

本研究依據對人工魚礁建設影響因素的分析情況, 確定主要準則因素權重, 避免了采用專家打分方法存在的人為主觀因素影響。確定主要準則因素權重的過程如下: 在海區功能符合建設條件的情況下, 首先考慮人工魚礁的工程基礎建設要求, 而海區的底質特性與建礁工程基礎直接相關, 其決定礁體在投放后的穩定性和使用壽命(王飛等, 2008), 因此工程環境因素相對重要性最高。其次水深、水流、底質類型等條件影響著海區底質特性, 因此物理環境因素相對重要性次之。再者考慮的是與養殖目標產品產量和質量相關的生物環境因素和化學環境因素。以此構建主要準則相對于目標層的判斷矩陣, 并計算對應權重值(見表3)。另外, 設定次級準則相對于主要準則的重要性相同。

表3 主要準則(B、C、D、E、F)對目標層(A)的判斷矩陣Tab.3 The judgment matrix of the main guideline (B, C, D, E,and F) to the target layer (A)

表3 對應判斷矩陣對應一致性指標RC=0.025 2＜0.1, 表明該判斷矩陣一致性較好。最終計算得到主要準則因素權重: 社會環境(0.036 5)、物理環境(0.292 0)、工程環境(0.449 4)、化學環境(0.084 5)、生物環境(0.137 6)。

在評價指標體系構建完成后, 采用指標量化方法對所有指標進行量化處理, 建立相應的定量評價標準以實現評價結果定量化目標。本研究評價標準建立原則: (1) 優先以國家標準《GB/T 40946-2021 海洋牧場建設技術指南》(國家市場監督管理總局等, 2021)和行業技術規范《SC/T 9416-2014 人工魚礁建設技術規范》(中華人民共和國農業部, 2014)為依據; (2) 針對國家標準和行業技術規范中沒有對應量化標準的評價指標, 則參考前人相關研究成果建立標準; (3) 選擇針對性的量化方法對不同指標進行歸一化處理, 建立相應的定量評價標準。

2.1.1 海洋功能區劃 海洋功能區劃是海洋牧場建設首要考慮的因素, 原則上功能區具有排他性(Kennishet al, 2002), 因此采用二元化法對海洋功能區劃指標進行歸一化處理。參考“多規合一”下的《國土空間規劃的海洋利用分區》標準中劃分的3 個一級功能區和12 個二級功能區, 其中12 個二級功能區包括核心保護區、一般控制區、海水捕撈區、港口航運區、工業與倉儲區、礦產與能源區、國防軍事區、排污傾倒區、特殊利用區、海洋保留區、海水增養殖區和旅游休閑娛樂區(周鑫等, 2020), 最終將適宜人工魚礁建設的海水增養殖區和旅游休閑娛樂區對應賦值1, 其他二級海洋功能區對應賦值0 (李文濤等,2003; 馮英明等, 2020)。

2.1.2 底質類型、底質荷載、淤泥層厚度、海底坡度、赤潮、餌料生物 海區的底質特性主要影響礁體穩定性和使用壽命, 部分研究者認為含有泥沙層的硬質底質海區是理想的建礁場所(Turneret al, 1969; 賈后磊等, 2009; 周艷波等, 2011)。底質過硬無法固定礁體, 容易發生移位等情況; 底質過軟會使礁體下陷甚至被掩埋, 從而影響功能發揮(Mathews, 1981)。已有研究者對適宜人工魚礁建設的底質類型進行相關分析工作(許妍等, 2016; 李英雪, 2019), 可作為參考依據。從另一角度考慮, 底質類型能夠穩固礁體是其承載力的體現, 與之相關的底質荷載等因素也是必要考慮的(徐漢祥等, 2006)。目前有研究者結合建礁實例提出相關量化標準, 表明建礁區的底質荷載一般大于等于4 t/m2, 淤泥層厚度不宜超過0.6 m (馮英明等, 2020)。人工魚礁投放一般是具有一定規模的, 坡度較大的海底地形無法滿足魚礁堆放條件, 易發生整體移位情況(王飛等, 2008), 因此海底坡度也是建礁必要考慮因素, 一般人工魚礁建設海區的海底坡度應不超過5° (Barberet al, 2009)。

另外, 海洋災害對于人工魚礁建設是一個潛在的威脅, 特別是與水質中營養鹽相關的赤潮災害。赤潮發生時會伴隨水中溶解氧的快速消耗(張朝賢,2000), 嚴重影響礁區生物群落衍生和發展。而生物資源狀況對礁區生物生存來說同樣重要(賈后磊等,2009), 因此建礁區需要有較豐富的餌料生物來滿足目標魚種的生長發育。

本文參考《海洋調查規范 第8 部分: 海洋地質地球物理調查》中的“謝帕德”沉積物分類法(中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局, 2008)與相關研究成果建立底質類型指標的評價標準(表4)。底質荷載、淤泥層厚度和海底坡度等指標的評價標準如表5 所示。研究將《HY/T 069-2005 赤潮監測技術規程》(國家海洋局, 2005)中等級劃分更為細致的有機污染評價指數A 作為赤潮指標評價標準建立依據(表5),其中水質評價等級中的良好、較好、開始受到污染、輕度污染、中度污染和嚴重污染分別對應有機污染指數: ＜0、0～1、1～2、2～3、3～4、＞4 等情況。餌料生物相關指標評價標準則依據前人相關研究中餌料生物水平等級劃分結果而建立(賈曉平等, 2003), 如表5 所示。

表4 底質類型評價標準Tab.4 The evaluation standards of substrate types

表5 底質荷載、淤泥層厚度、海底坡度、赤潮、餌料生物評價標準Tab.5 The evaluation standards of seafloor sediment load, silt layer thickness, seafloor slope, red tide, and bait biological stuff(animals or plants)

2.1.3 水深、水流、水質、沉積物質量 對于人工魚礁投放海域水深范圍的選擇, 水深較小, 礁體會受到海面風浪影響, 發生滑移甚至側翻等情況(Brandenet al, 1994), 考慮到風浪的沖擊影響, 人工魚礁一般都投放在較深海域, 再結合光照條件對礁區海洋生物生長狀態影響的考慮(李文濤等, 2003;趙海濤等, 2006), 投放水深應保持在一定適宜范圍內。另外也有部分研究者認為需要結合生物分布、魚礁類型和礁區生物資源狀況以及礁區后期維護等方面決定水深條件(張懷慧等, 2001; 徐漢祥等, 2006;賈后磊等, 2009)。隨著人工魚礁建設目標的拓展, 在2014 年頒布并實施的《SC/T 9416-2014 人工魚礁建設技術規范》(中華人民共和國農業部, 2014)規范性地提出礁區水深要求, 其中以增殖為目標的魚礁投放適宜水深在25～30 m, 其他類型魚礁投放水深在100 m 以內即可, 以10～60 m 最適宜。馮英明等(2020)也表明不同類型魚礁投放的水深范圍有所差異, 休閑礁和淺海的海珍品增殖礁一般在10～20 m 為宜,魚類游釣增殖礁一般在20～30 m 為宜, 水深最好不低于5 m。

人工魚礁產生的流場效應對于提高礁區生態環境質量具有重要意義。適宜流速的海流面向礁體時不僅會在接觸面形成局部上升流, 將底部營養物質傳遞到礁體的各個區域加快鞏固礁區生物基礎(李東等,2019), 也會在礁體背部形成渦流, 吸引更多洄游性魚類, 提高生物多樣性(Bleckmann, 1986)。研究者們一般認為礁區適宜水流速度不宜超過0.8 m/s (Chang,1985; 趙海濤等, 2006)。

人工魚礁投放的最初目的就是改善漁業資源狀況, 因此與之密切相關的水質和沉積物質量也是必要考慮因素。依據《SC/T 9416-2014 人工魚礁建設技術規范》(中華人民共和國農業部, 2014)的規定, 水質按《GB 11607-89 漁業水質標準》(國家環境保護局,1990)以及《GB 3097-1997 海水水質標準》(國家環境保護局, 2004)中不劣于二類水體的要求, 沉積物質量按《GB 18668-2002 海洋沉積物質量標準》(中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局, 2004)中不劣于一類水體的要求。本研究采用隸屬度函數法建立水深、水流、水質和沉積物質量的評價標準。隸屬度函數應用情況為: (1) 人工魚礁建設所需水深、水流、pH 值適宜性分布特征表現為有效范圍內中間適宜性最高, 到兩邊逐漸降低, 因此選用通用隸屬度函數,如表6 所示。(2) 國家標準中溶解氧含量增加, 適宜性升高, 因此選用S 型隸屬度函數, 根據國家標準中一、二類海水標準建立相應評價標準, 如表7 所示。(3) 國家標準中重金屬、石油類等參數數值越小越安全, 因此采用Z 型隸屬度函數, 如表7 所示。函數對應公式如表6、表7 所示。

表6 水深、水流、pH 值對應評價標準Tab.6 The evaluation standards of water depth, current, and pH

表7 水質指標中其他參數和沉積物質量指標參數評價標準Tab.7 The evaluation standards of other parameters in water quality criterion and the parameters in sediment quality criterion

2.2 評價適宜性等級劃分

為更準確體現擬選海區的適宜程度, 本研究參考前人關于適宜性等級劃分的研究結果(李英雪, 2019),將1, 0.2 分別作為評價結果(S)上、下限值, 并均等劃分5 個適宜性等級: 0.0～0.2, 0.2～0.4, 0.4～0.6, 0.6～0.8,0.8～1.0, 這5 個適宜性區間對應的適宜程度等級分別為不適宜、較不適宜、基本適宜、比較適宜和完全適宜。

2.3 評價結果計算

為使評價更具全面性, 本研究考慮人工魚礁的漁業資源增殖效應, 針對評價標準中零值對結果的直接否定的情況和多參數指標的設定情況, 設置對這兩類特殊情況的評價判定過程。其一, 將評價中任意指標參數值出現超限的情況判定為不適宜人工魚礁建設情況。其二, 由于水質和沉積物質量中重金屬、石油類等參數超標對養殖目標和人體具有危害性,即使接近超限的狀態也有潛在風險, 因此研究將水質和沉積物質量中多個參數接近超限的情況也判定為不適宜人工魚礁建設情況, 并針對該情況設立一個多參數綜合指標M, 其計算公式為式(4), 將與M進行比較, 數值大于M的情況判定為不適宜。研究中指標參數值Xi與閾值Yi的比值大于0.5 為接近超限情況,Xi為指標參數值,Yi為評價標準中的b值。

式中,n為參數個數。物理意義: 當一個指標參數值Xi與閾值Yi的比值接近1, 其他參數對應比值小于0.5 的最高限值。兩種特殊情況判定結束后, 通過加權線性組合計算評價結果S, 即適宜性評價值, 公式為式(5)。

式中,Si為主要準則i的歸一化值,Wi為主要準則i的權重值。計算步驟為: (1)計算評價指標歸一化值, 即次級準則因素歸一化值; (2)計算5 個主要準則因素的歸一化值(分別設定為S1、S2、S3、S4、S5)。為保證評價的客觀性, 本文將主要準則因素歸一化值設定為各自對應次級準則因素歸一化值均值。水質和沉積物質量指標歸一化值設定為所含參數歸一化值均值。

2.4 評價系統創建

由于評價涉及指標、參數較多(輸入55 個, 輸出56 個), 因此研究使用Python 編程語言創建評價系統計算結果。系統對應設定5 個模塊并針對性地設計三級循環計算步驟, 前兩級循環對應兩類特殊情況的評價判定過程, 判定結果為不適宜時, 系統輸出“round1, 不適宜”或“round2, 不適宜”。三級循環直接計算適宜性評價值, 并輸出對應適宜性等級。為方便指標參數值輸入, 將海洋功能區劃和底質類型指標名稱轉化為數字編號形式, 前者對核心保護區、一般控制區、海水捕撈區、港口航運區、工業與倉儲區、礦產與能源區、國防軍事區、排污傾倒區、特殊利用區、海洋保留區、海水增養殖區和旅游休閑娛樂區進行1～12 編號, 編號11、12 賦值1; 后者進行1～5 編號, 依次對應賦值1.0、0.8、0.5、0.2、0.0 的情況。

3 方法驗證

為驗證本文構建的評價方法的科學性, 參考已有的人工魚礁建設相關海洋環境調查實際情況, 采用馮英明等(2020)在山東省日照市兩城鎮東南側海域和濤雒鎮東側海域的海洋牧場示范區中適宜人工魚礁建設海域實際調查數據, 模擬8 個海區案例進行相關評價分析工作。

3.1 案例設定

本研究表8 中案例1～7 為模擬設定案例。案例8為實際案例, 主要采用2020 年在日照市海洋牧場示范區適宜人工魚礁建設區域的海洋調查數據(馮英明等, 2020), 但該調查數據中用于選址評價的要素不全面, 水質、沉積物質量和餌料生物水平僅說明符合人工魚礁建設技術規范, 因此本文依據相關國家標準將評價標準中的b值(表6～7)作為缺失數據的代用值,以保證評價結果的客觀性。案例1～7 中的數據參考該文獻研究中的實際調查數據, 結合對兩類特殊情況和關注的環境因素針對性地設定相關指標參數值。

表8 案例指標參數值Tab.8 The criteria values and parameters values in the study cases

3.2 結果與討論

案例1 模擬指標參數值均未超限, 評價結果輸出為“0.838 3, 完全適宜”; 案例4 模擬隨機指標參數值超限, 以海底坡度(編號 7)為例, 評價結果輸出為“round1, 不適宜”。案例1 和案例4 用于驗證建立的評價標準合理性和有效性, 當任意指標參數值不超限能夠獲取“適宜”評價結果或當任意單一指標參數值超限能夠獲取“不適宜”評價結果。

案例2、案例3 分別模擬海洋功能區(編號1)和底質類型(編號4)不適宜的情況。案例2 中海洋功能區劃指標對應輸入編號7, 代表案例2 海區場景的海洋利用分區是“國防軍事區”, 不能建設人工魚礁, 指標歸一化值為0; 案例3 中底質類型指標對應輸入編號5, 代表案例3 海區場景的底質類型是粉砂質粘土、砂質粘土和粘土中的一種, 指標歸一化值也為0。案例評價結果均輸出為“round1, 不適宜”, 一方面展現指標超限對人工魚礁建設方案的否定作用, 另一方面也驗證了研究針對這兩個指標數字編號是可用的。

案例5 模擬赤潮指標(編號53)超限, 考慮到赤潮指標歸一化值由相關的化學需氧量、無機氮、無機磷、溶解氧指標參數值計算所得(本文中無機磷主要為活性磷酸鹽, 編號分別為9、15、16、39)。為單純驗證赤潮指標超限情況, 案例中與赤潮相關的4 個指標參數值均未出現超限的情況, 經計算得到赤潮指標歸一化值為0, 評價結果輸出為“round1, 不適宜”。

案例6 和案例7 分別模擬水質、沉積物質量指標中多個參數值接近超限的情況。案例6 模擬水質中砷、鎳、鋅、銅、硒(編號分別為24、25、26、27、28)等參數值接近超限的情況; 案例7 模擬沉積物質量中鎘、汞、砷、鋅、銅(編號分別為48、49、50、51、52)等參數值接近超限的情況。案例評價結果均輸出為“round2, 不適宜”。案例6 與案例7 用于驗證本研究多參數指標設定以及對應的第二類特殊情況評價判定的可行性, 結果表明多參數綜合指標M 設定能夠合理排除水質、沉積物質量中多個參數值接近超限而出現產品質量問題等情況。

案例8 評價結果輸出為“0.727 6, 比較適宜”。馮英明等(2020)在山東省日照市北部的兩城鎮東南側海域和南部的濤雒鎮東側海域對12 個海洋牧場示范區中適宜建設人工魚礁海域評價分析結果包括: (1) 海域水深適宜, 底質類型以粉質砂、中粗砂等為主; 坡度較小, 地勢平緩; 淤泥層厚度較小, 海底的承載能力適宜魚礁建設。(2) 水流速度也有利于礁體的固定,符合人工魚礁投放和施工條件。(3) 水質清潔, 餌料生物豐富, 適宜海洋生物生長。海域環境的整體評價結果表明該海域符合人工魚礁建設條件, 適宜程度比較高。2020 年日照市沿海人工魚礁選址適宜性評價結果與本研究案例8 的分析結果基本吻合。

在實際情況中經常會出現具有不同環境條件的海區場景, 相應地用于評價分析的調查參數可能存在一定的不確定性。因為案例要有一定的代表性, 針對前述兩類特殊情況以及其他可能出現的具有代表性特征的海區場景, 分別設置這8 個待驗證案例的海洋環境參數值。案例分析結果顯示: (1) 當任意單一指標歸一化值出現零值時, 如出現類似案例2 對應海區其他功能設定、案例3 對應底質類型不適宜魚礁建設、案例4 對應其他指標值超出標準限值等情況時,其評價結果均輸出為“round1, 不適宜”; (2) 當任意單一指標歸一化值未出現零值而出現多參數指標中多個參數值接近超限的情況時, 同樣認為對應目標方案是不適宜的; 如案例6、7 分別對應水質、沉積物質量的指標中出現多個參數值接近超限的情況,當判定值超過多參數綜合指標M, 則評價結果輸出均為“round2, 不適宜”; (3) 當所有環境指標參數值均未出現超限并且也未出現多參數指標中多個參數值接近超限的情況時, 評價結果輸出為海區適宜性評價值和對應的適宜等級。圖4 為案例指標參數歸一化值的熱點分布圖, 清晰展示導致案例評價結果為“round1, 不適宜”或“round2, 不適宜”的異常值分布情況。通過對模擬設定案例與實際海區案例的評價分析, 證明本研究提出的評價方法適用于人工魚礁選址評價工作, 所創建的評價系統軟件能夠快速、有效計算評價結果。

圖4 案例中指標參數歸一化值的熱點分布圖Fig.4 Hotspot distribution diagram of normalized values of criterion parameters in the study cases

4 結論

本研究基于AHP 原理, 提出一種適用于人工魚礁選址的適宜性評價分析方法, 方法創新性主要包括: (1) 結合對不同類型人工魚礁選址影響因素的考慮, 構建較為完善的人工魚礁選址評價指標體系,包括5 大類環境和相應從屬的13 個環境因素, 具有較好的通用性。其中多參數指標設定使得評價分析更為全面。(2) 多種指標量化方法的應用指標使量化過程更具針對性, 同時實現評價指標完全定量化目標。(3) 根據人工魚礁建設涉及的多學科研究結果和對人工魚礁建設影響因素的實際分析, 確定5 個主要準則因素權重, 避免采用專家打分方法存在的主觀性和標準不一致等問題, 保證評價結果的客觀性和可比較性。(4) 基于對人工魚礁漁業資源增殖效應的考慮所設置的兩類特殊情況的評價判定過程, 有效排除不適宜人工魚礁建設海區, 使評價方法更具科學性。(5) 使用Python 編程語言創建評價系統計算適宜性評價值并同步輸出對應適宜性等級, 結果呈現形式簡潔明了。該方法不僅在進行多個海區方案建礁適宜性的比較分析時具有評價效率高、準確度高等優勢, 也可為廣泛開展各種類型的人工魚礁選址評價應用提供客觀、定量分析方法。