基于模糊綜合評(píng)價(jià)模型的海南海岸線資源脆弱性研究

周濤，羅時(shí)龍，王同行，韓志聰，洪海凌

（1.海南省海洋監(jiān)測預(yù)報(bào)中心，海南海口， 570226；2.海南熱帶海洋學(xué)院，海南三亞， 572022；3.國家海洋信息中心，天津， 300012）

海岸脆弱性被定義為全球氣候變化背景下，海岸帶系統(tǒng)對(duì)自然災(zāi)害的適應(yīng)能力。脆弱性的基本特征是生態(tài)環(huán)境內(nèi)部存在不穩(wěn)定性和外部存在干擾敏感性的固有屬性。全球海平面上升及其引發(fā)的持續(xù)性海岸災(zāi)害、風(fēng)暴潮等突發(fā)自然災(zāi)害，以及人類生產(chǎn)生活等開發(fā)活動(dòng)均威脅著海岸穩(wěn)定性[1]。我國是海洋大國，擁有18 000 km 的大陸岸線和14 000 km的島嶼岸線，超過70%的大城市和50%的人口集中在東部及南部沿海地區(qū)。我國海岸帶區(qū)域人口密集，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，占陸域國土面積13%的沿海經(jīng)濟(jì)帶，承載著全國42%的人口，創(chuàng)造了全國60%以上的國內(nèi)生產(chǎn)總值。海岸帶在我國經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略布局中占有極為重要的地位，維持海岸帶資源與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展是國家未來發(fā)展的重大戰(zhàn)略需求。受氣候變化和人類活動(dòng)的雙重脅迫，我國海岸帶脆弱性愈加凸顯。海水入侵、海岸侵蝕和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能下降等直接威脅著海岸防護(hù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)安全[2]。

海南島具有得天獨(dú)厚的區(qū)位優(yōu)勢(shì)和資源優(yōu)勢(shì)，其長達(dá)1 944 km 的海岸線類型豐富，陸地地貌復(fù)雜，發(fā)育有紅樹林和珊瑚礁海岸。 2010－2020 年海南省平均每年由風(fēng)暴潮、海浪造成的直接經(jīng)濟(jì)損失超7 億元[3]，誘發(fā)的海岸侵蝕破壞了沿海生態(tài)和居民生活環(huán)境。陸海統(tǒng)籌與科學(xué)規(guī)劃是海南島海岸帶管理保護(hù)的必要舉措。

1 研究方法

1.1 模糊綜合評(píng)價(jià)模型

海岸線資源模糊綜合評(píng)價(jià)模型，是一套以建立海岸線資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系為前提，運(yùn)用模糊集理論運(yùn)算合成脆弱性等級(jí)，最終借助ArcGIS 軟件表達(dá)成果圖件的評(píng)價(jià)模型，其內(nèi)容及應(yīng)用過程見圖1。

圖1 海岸線資源脆弱性模糊綜合評(píng)價(jià)模型

1.2 建立評(píng)價(jià)體系

海岸線資源脆弱性評(píng)價(jià)是對(duì)特定區(qū)域未來一段時(shí)間內(nèi)脆弱性的分析評(píng)定過程，評(píng)價(jià)內(nèi)容包括地質(zhì)環(huán)境危險(xiǎn)性和社會(huì)經(jīng)濟(jì)易損性，前者涉及致災(zāi)因素，后者針對(duì)承災(zāi)體；評(píng)價(jià)結(jié)果以相對(duì)脆弱性級(jí)別的形式表達(dá)，以指導(dǎo)岸線資源管理。據(jù)此，本文選擇了跟海岸線資源脆弱性相關(guān)的11 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，分別是易蝕性、平均波高、相對(duì)海平面變化、風(fēng)暴增水、潮差、城鎮(zhèn)人口比、人口密度、人均國內(nèi)生產(chǎn)總值（Gross Domestic Product，GDP）、海域等別、人均地方財(cái)政收入、GDP 增長速率[3]，各個(gè)指標(biāo)的含義及其與海岸線資源脆弱性的內(nèi)在聯(lián)系如表1所示。

表1 海岸線資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系含義（據(jù)參考文獻(xiàn)[4],有修改）

1.3 確定指標(biāo)權(quán)重向量

求權(quán)重的方法可以分為兩類：一是經(jīng)驗(yàn)法，由專家根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷，簡便易行；二是數(shù)學(xué)法，以經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，以數(shù)學(xué)原理為背景，具有較強(qiáng)的邏輯性和科學(xué)性[5]。本文運(yùn)用的層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）是一種定性與定量分析相結(jié)合的數(shù)學(xué)求權(quán)方法，已被廣泛應(yīng)用于決策、規(guī)劃和資源配置等研究領(lǐng)域。

依據(jù)Saaty[6]的研究理論，以地質(zhì)環(huán)境危險(xiǎn)性構(gòu)造的判斷矩陣D=(Dij)n×n為例：

矩陣D具有如下性質(zhì)：（1）Dij＞0；（2）Dij=1/Dji（i≠j）；（3）Dii=1（i,j=1,2,…,5）。將此類矩陣稱為正反矩陣，若對(duì)于任意i、j、k均有DijDjk=Dik，則矩陣D為一致矩陣。理論上講，當(dāng)矩陣具有完全一致性時(shí)，其最大特征根λmax=n，其他特征根均為0，由式（1）可得其對(duì)應(yīng)的特征向量w= (w1,w2,w3w4,w5)。若矩陣不具有完全一致性，必須對(duì)矩陣進(jìn)行滿意一致性檢驗(yàn)。

式（1）是一個(gè)線性代數(shù)運(yùn)算，但層次分析法給出的權(quán)值是半定量的，所以一般用迭代法求得矩陣的近似最大特征值及其特征向量，方法如下。

（1）計(jì)算判斷矩陣每一行元素的幾何平均值：

由指標(biāo)層因子的權(quán)重向量（表2）可知，對(duì)于地質(zhì)環(huán)境危險(xiǎn)性，易損性是5 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)中貢獻(xiàn)最大的，權(quán)重為0.488 9，其次是風(fēng)暴增水、平均波高和潮差，海平面變化貢獻(xiàn)最小；對(duì)于社會(huì)經(jīng)濟(jì)易損性，人口密度貢獻(xiàn)最大，權(quán)重為0.408 8，超過地區(qū)生產(chǎn)總值和海域等別權(quán)重總和。

1.4 構(gòu)造隸屬度矩陣

構(gòu)造隸屬度矩陣的關(guān)鍵是選擇適當(dāng)?shù)碾`屬函數(shù)，海岸侵蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中涉及的數(shù)值有正態(tài)分布性質(zhì)，本文選擇中間型正態(tài)分布函數(shù)作為模糊集的隸屬函數(shù)，解析式如下：

式中：σ為標(biāo)準(zhǔn)差，am是等級(jí)區(qū)間端點(diǎn)的均值，隸屬函數(shù)的圖像如圖2所示。

圖2 正態(tài)分布隸屬函數(shù)圖像

結(jié)合函數(shù)圖像和式（4）可知：（1）當(dāng)a值恒定時(shí)，如m= 1,x對(duì)等級(jí)很低的隸屬度符合正態(tài)分布，取隸屬度值當(dāng)x值恒定時(shí)，如x=x1或x2，x對(duì)各個(gè)等級(jí)的隸屬度亦符合正態(tài)分布，取隸屬度值~A(xmi)。

以次因子層因素集隱形侵蝕危險(xiǎn)性為例，代入數(shù)值可以得到某一評(píng)價(jià)單元的隸屬度矩陣R=(Rij)n×n如下：

式中：Rij（i,j=1,2,…,5）表示第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)j等級(jí)的隸屬度，實(shí)際上矩陣中每一行代表單個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)各個(gè)等級(jí)的隸屬狀況；矩陣中的每一列則代表各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)某一等級(jí)的隸屬情況。

1.5 模糊合成

模糊合成理論是采用適合的運(yùn)算法則，經(jīng)過模糊變換得到模糊集的隸屬度，然后根據(jù)最大隸屬度原則或模糊分布原則獲取最終的判定結(jié)果。首先，根據(jù)選擇的隸屬函數(shù)構(gòu)造隸屬度矩陣；然后進(jìn)行模糊合成，即由權(quán)重向量和隸屬度矩陣通過模糊變換得到綜合隸屬度；最后根據(jù)最大隸屬度原則或者模糊分布原則確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。模糊合成計(jì)算方法如下：

式中：Fj（j=1,2,…,5）表示隱形侵蝕危險(xiǎn)性對(duì)各個(gè)等級(jí)的隸屬度，參照最大隸屬度原則，某一評(píng)價(jià)單元隱形侵蝕危險(xiǎn)性級(jí)別為Fj|max 對(duì)應(yīng)的模糊等級(jí)。這里只利用了Fj中的最大值，沒有充分利用F所帶來的信息。運(yùn)用模糊分布原則，可以綜合等級(jí)參數(shù)和合成結(jié)果，使得評(píng)判結(jié)果更加接近實(shí)際情況。過程如下：（1）給定等級(jí)參數(shù)向量C=[1, 2, 3, 4, 5]；（2）對(duì)F的元素歸一化處理；（3）按照加權(quán)平均型運(yùn)算法則得到一個(gè)代表性的參數(shù)P；4）對(duì)參數(shù)P組成的數(shù)集進(jìn)行分級(jí)，確定每個(gè)評(píng)價(jià)單元的評(píng)價(jià)等級(jí)。

2 研究結(jié)果

2.1 評(píng)價(jià)區(qū)域分區(qū)與等級(jí)劃分

參照評(píng)價(jià)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)水平、脆弱性評(píng)價(jià)范圍，對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象進(jìn)行適當(dāng)區(qū)劃。海南海岸線資源脆弱性評(píng)價(jià)以沿海市級(jí)及縣級(jí)行政區(qū)域?yàn)榻鐒澐殖?2個(gè)評(píng)價(jià)單元。各個(gè)評(píng)價(jià)單元的指標(biāo)數(shù)據(jù)采集以行政區(qū)劃范圍為準(zhǔn)。按照標(biāo)準(zhǔn)差分級(jí)方法，海岸線資源評(píng)價(jià)的各指標(biāo)被劃分成“很高”“高”“中等”“低”和“很低”五個(gè)級(jí)別。

2.2 海岸線資源脆弱性等級(jí)

海岸線資源脆弱性等級(jí)由地質(zhì)環(huán)境危險(xiǎn)性和社會(huì)經(jīng)濟(jì)易損性組成。如表3 所示，首先合成等級(jí)隸屬矩陣，然后按照模糊分布合成原則，求得各個(gè)評(píng)價(jià)單元的得分后依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差分級(jí)方法劃分等級(jí)。根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果，將海南岸線資源脆弱性劃分成“高”“中等”和“低”三級(jí)（圖3）。

表3 海南省12個(gè)評(píng)價(jià)單元海岸線資源脆弱性等級(jí)

圖3 海南海岸線資源脆弱性評(píng)價(jià)等級(jí)示意圖

2.2.1 海岸線資源高脆弱性區(qū)

海岸線資源脆弱性較高的區(qū)域分布在文昌、臨高、儋州和東方四個(gè)行政單元。首先，這幾個(gè)岸段陸地地貌以Ⅱ-型和Ⅲ-型為主，易蝕性等級(jí)較高；特別是文昌易受臺(tái)風(fēng)影響，最大增水較高。其次，本岸段人口密度和地區(qū)生產(chǎn)總值較高，財(cái)政支出較少。因此合成的海岸線資源脆弱性也較高。

2.2.2 海岸線資源中等脆弱性區(qū)

海岸線資源脆弱性中等的區(qū)域分布在萬寧、瓊海、海口、澄邁和樂東五個(gè)行政單元。這些單元以侵蝕剝蝕山地丘陵為主，Ⅱ-型和Ⅲ-型地貌單元比例較少，易蝕性中等；但東部的萬寧、瓊海，北部的海口、澄邁受臺(tái)風(fēng)影響較大，增水和平均波高處于中等偏上水平。這些區(qū)域在人口密度、人均收入方面已處于中等水平。因此合成的脆弱性等級(jí)為中等。

2.2.3 海岸線資源低脆弱性區(qū)

海岸線資源脆弱性較低的區(qū)域?yàn)槿齺啞⒘晁筒齻€(gè)行政單元。這三個(gè)區(qū)域陸地地貌以侵蝕剝蝕山地丘陵為主，海岸線資源易蝕性較低；雖然三亞和陵水人口密度較高，屬于中等偏高水平，但是這兩個(gè)區(qū)域用于減小脆弱性方面的支出較多，最終評(píng)價(jià)結(jié)果顯示其脆弱性等級(jí)較低。

3 結(jié)論

本文構(gòu)建了海岸線資源脆弱性評(píng)價(jià)方法體系，以海南海岸線為例，驗(yàn)證了方法的合理性。根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果將海南岸線資源脆弱性劃分為三個(gè)等級(jí)，其中高脆弱性岸段分布在文昌、臨高、儋州和東方；中等脆弱性岸段分布在海口、澄邁、樂東、瓊海和萬寧；低脆弱性的岸段分布在昌江、三亞和陵水。評(píng)價(jià)結(jié)果得到客觀數(shù)據(jù)的支持，能為海南海岸管理提供參考依據(jù)。