2023, Vol. 54
中国海洋湖沼学会主办。
文章信息
- 张子牛, 王珍岩, 李桂花, 赵美涵. 2023.
- ZHANG Zi-Niu, WANG Zhen-Yan, LI Gui-Hua, ZHAO Mei-Han. 2023.
- 基于层次分析法的人工鱼礁选址适宜性评价方法
- EVALUATION METHOD FOR SITE SELECTION SUITABILITY OF ARTIFICIAL REEF AREAS BASED ON ANALYTIC HIERARCHY PROCESS
- 海洋与湖沼, 54(5): 1308-1321
- Oceanologia et Limnologia Sinica, 54(5): 1308-1321.
- http://dx.doi.org/10.11693/hyhz20230200026
文章历史
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收稿日期：2023-02-06
收修改稿日期：2023-05-16
2. 中国科学院海洋研究所 海洋地质与环境重点实验室 山东青岛 266071;
3. 青岛海洋科学与技术试点国家实验室 海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室 山东青岛 266237;
4. 中国科学院大学 北京 100049
2. Key Laboratory of Marine Geology and Environment, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China;
3. Laboratory for Marine Mineral Resources, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266037, China;
4. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
人工鱼礁最初被用于诱集各种鱼类来增加渔获量(杨吝等, 2005), 随着人工鱼礁建设目标的拓展以及建设规模的扩大, 其功能已由单纯的鱼类诱集和捕获逐渐扩展到海域生态环境的修复和保护(陈丕茂等, 2019)。尽管人工鱼礁建设在渔业资源增殖和海洋生态环境修复等方面已取得显著成效(陈勇, 2020), 但有研究显示全球超过50%的人工鱼礁项目最终都以失败告终, 其中重要原因就是选址不当(Baine, 2001)。礁区选址作为人工鱼礁建设的基础环节, 其决定建设结果能否成功。选址一旦出现问题, 投礁区域原有生态系统和生物群落结构的稳定性将遭到破坏, 礁体留存周期也会大幅减少(Chang, 1985; Tseng et al, 2001)。
人工鱼礁选址评价最早以定性描述为主, 选取的参照标准较少, 科学性较差(Turner et al, 1969; Mathews, 1981), 因此建礁失败情况较多(Chang, 1985)。排除地图方法(exclusion map, EM)的应用使选址评价开始趋于规范, 用来排除不适宜人工鱼礁建设区域, 但该方法不能确定适宜人工鱼礁建设的海区范围(Barber et al, 2009)。而地理信息系统(geographic information system, GIS)的应用有效解决了这一问题, 通过应用GIS绘制海区对应的人工鱼礁建设适宜性分布图来确定适宜建设海区范围(Tseng et al, 2001; Kim et al, 2015; 许妍等, 2016)。虽然GIS的应用可以获取海区建礁适宜性的可视化评价结果, 但该方法对于海区内的多个较小范围区域的人工鱼礁建设选址适宜性评价分析工作适用性不高。针对这种情况, 有研究者通过应用层次分析法(analytic hierarchy process, AHP)综合分析人工鱼礁建设影响因素, 获取海区方案的人工鱼礁选址适宜性评价结果, 进行多个海区方案的优先级排序, 确定最佳方案(王飞等, 2008; 许强等, 2013)。
但AHP在人工鱼礁建设选址适宜性评价中的应用还不成熟, 相关选址研究在指标选取、指标量化等方面还存在一些问题。首先, 部分研究由于建设目标的不同导致选址评价影响因素的选择各有侧重, 没有形成通用的评价指标体系(徐汉祥等, 2006; 尹增强等, 2012; Xu et al, 2019; 单晨枫等, 2022), 所选环境因素也不全面, 评价指标体系有待规范。其次, 建设目标的不同也影响指标量化处理, 一方面限制了指标量化方法的应用(尹增强等, 2012; 佟飞等, 2016; Jha et al, 2022); 另一方面所选择的部分环境因素没有通用的量化标准, 仍以定性指标形式参与评价(温泽民, 2014)。再者, 部分研究在进行因素相对重要性分析时采用专家打分方法(Mousavi et al, 2015; 曾旭等, 2018), 尽管该方法可纳入专家个人经验, 但将其作为评价依据仍存在较大的主观性和不确定性。针对这些问题, 本研究基于AHP方法原理在评价指标体系构建、评价标准建立、评价结果计算等方面进行创新, 旨在构建更为客观、定量的适用于人工鱼礁选址适宜性分析的评价方法, 应用于具有不同建设目标的人工鱼礁选址评价工作。
1 研究方法研究主要内容包括基于层次分析法的人工鱼礁选址评价方法的构建以及对所构建方法进行的实例验证。本研究依据层次分析法原理建立人工鱼礁选址评价层次结构模型, 包括对评价指标体系的构建, 并利用层次分析法中的判断矩阵确定主要准则因素权重。然而层次分析法不能对评价指标对应参考数值进行归一化处理, 因此本研究采用3种指标量化方法实现这一过程。研究采用前人文献研究中人工鱼礁建设海区调查数据模拟不同海域环境条件的海区场景并设定针对性案例对方法进行验证, 并使用Python编程语言创建专门的评价系统快速获取评价结果。
1.1 层次分析法AHP是美国运筹学家Saaty(1972)提出的一种结合定性和定量分析的系统工程方法, 方法分析步骤包括建立层次结构模型、构建判断矩阵及一致性检验、权重分配及结果分析。建立层次结构模型是对目标问题定性分析的重要步骤, 能够将复杂问题相关因素划分层次进行分析(张吉军, 2000)。而构建判断矩阵是层次分析法定量分析的重要步骤, 用于确定层次因素权重, 构建过程需利用1~9数字量表(表 1)和两两比较法(Saaty, 1972)。
| aij | 意义 |
| 1 | 元素i与元素j对上一层次因素的同等重要 |
| 3 | 元素i比元素j略微重要 |
| 5 | 元素i比元素j重要 |
| 7 | 元素i比元素j重要得多 |
| 9 | 元素i比元素j极其重要 |
| 2n, n=1, 2, 3, 4 | 元素i与元素j的重要性介于aij=2n–1和aij=2n+1之间 |
| aji=1/n | n=1, 2, …, 9, 当且仅当aij=n |
| 注: n表示相对重要性; aji和aij表示判断矩阵元素 | |
判断矩阵的一致性检验是必要的, 用于排除层次因素相对重要性优先级出现异常的情况。一致性检验是一致性比率RC与标准值(0.1)的比较分析过程, 如式(2)所示。一致性比率RC涉及一致性指标IC和随机指标IR (表 2), 其中IR只与矩阵维数n有关, IC计算公式为式(1)。当RC＜0.1, 表明矩阵具有满意的一致性, 否则需要重新构建判断矩阵, 直到矩阵具有满意的一致性为止。
(1)| 矩阵维数 | IR |
| 1 | 0.00 |
| 2 | 0.00 |
| 3 | 0.52 |
| 4 | 0.89 |
| 5 | 1.12 |
| 6 | 1.26 |
| 7 | 1.36 |
| 8 | 1.41 |
| 9 | 1.46 |
| 10 | 1.49 |
式中, λmax(A)为判断矩阵的最大特征值, n为矩阵维数。
(2)具有满意一致性的判断矩阵能够用于计算层次因素权重值, 具体通过寻找判断矩阵A最大特征值λmax(A)对应的主特征向量w确定层次因素的权重值, 其中主特征向量w中的元素就是对应层次因素的权重值(Saaty, 2000)。求解主特征向量w的公式为式(3)。
(3)结合各层次因素权重值对目标问题的解决方案进行比较分析, 确定最优方案。然而每一次权重的变动都会影响方案的优先级顺序(Ramanathan, 2001), 因此确定因素权重对获取解决目标问题的最优解具有重要意义。
1.2 指标量化方法本研究采用二元化法、赋值法和隶属度函数法对所有指标进行归一化处理, 标准化范围为0~1, 0代表适宜性最低, 1代表适宜性最高, 以此建立指标的定量评价标准。统一的标准化范围不仅保证了各指标归一化值的可加和性, 也保证了综合计算评价结果的可操作性。二元化法根据指标“适宜”和“不适宜”两种情况分别赋值1和0, 零值代表不适宜, 对结果直接否定。赋值法根据指标适宜情况合理划分等级区间并赋值; 隶属度函数法则根据指标实测情况具有的连续变化特征选择相应函数模型建立评价标准。本研究选用的隶属度函数模型有三类(Mousavi et al, 2015), 包括S型、Z型和通用型, 如图 1所示。
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| 图 1 隶属度函数模型图 Fig. 1 The membership function model diagram 注: a: S型隶属度函数; b: Z型隶属度函数; c: 通用隶属度函数; A、B、C、D为阈值控制点; 横坐标为参考数值, 纵坐标为参考数值对应的隶属度(隶属度范围依实际情况而定) |
本研究依据相关选址评价研究成果(许强, 2012), 基于层次分析法的人工鱼礁选址适宜性评价方法的构建从评价指标体系的构建、评价指标对应评价标准的建立、主要准则因素权重的确定、评价结果的计算等步骤进行详细阐述, 评价方法构建流程如图 2所示。
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| 图 2 人工鱼礁选址适宜性评价流程图 Fig. 2 Flow chart of site suitability evaluation for artificial reef 注: AHP表示层次分析法。方法层次结构模型为选址评价提供模型基础, 构建评价指标体系; 其定量分析用于确定准则权重 |
本研究依据相关国家标准、行业技术规范(中华人民共和国农业部, 2014; 国家市场监督管理总局等, 2021)以及前人关于人工鱼礁选址评价研究成果(徐汉祥等, 2006; 尹增强等, 2012; Xu et al, 2019), 总结人工鱼礁选址评价相关环境因素一般涉及社会经济、物理、工程、化学和生物环境等方面。另外, 本研究是针对泛指的人工鱼礁基础建设环境进行的选址评价工作, 没有聚焦于特定养殖目标和物种。因此最终设定海洋功能区划、水深、水流、底质类型、底质荷载、淤泥层厚度、海底坡度、水质、沉积物质量、赤潮、浮游植物、浮游动物、底栖生物等13个环境因素为评价指标。其中, 根据水质和沉积物质量相关国家标准《GB 3097-1997海水水质标准》(国家环境保护局, 2004)和《GB 18668-2002海洋沉积物质量标准》(中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 2004)中的调查参数设置情况将水质和沉积物质量指标设定为多参数指标。
所选取的评价指标不仅包含与人工鱼礁投放工作相关的海洋功能区划、海区底质荷载、海底坡度等社会限制性指标和工程性质指标, 也包含与人工鱼礁的渔业资源增殖、生境修复等功能有关的评价指标。水深、水流、底质类型等环境因素影响鱼礁的集鱼效果, 适宜的水深、水流等条件会形成有利于海区营养物质循环的流场环境(李东等, 2019), 可为鱼类及其幼鱼提供良好的生存环境。水质、沉积物质量是影响鱼类、贝类等海洋生物生长及繁衍生息的重要环境因素, 良好的水质和沉积物质量是确保海洋生物高质量生长的前提条件。高饵料生物水平是形成良好渔场的生物基础, 同时也是实现生物资源增殖目标的基本保证(虞聪达, 2004)。基于此, 本研究通过选取评价指标, 开展人工鱼礁基础建设环境选址适宜性评价分析工作, 不仅可以获取目标区人工鱼礁建设适宜性评价结果, 同时也能验证鱼礁投放海域是否具有良好的渔业资源增殖能力和生境修复能力。
本研究将选取的13个评价指标合理划分于社会环境、工程环境、物理环境、化学环境和生物环境。社会环境因素主要设定与海洋牧场建设所在地区社会经济状况和海域功能使用情况相关的因素, 因此“将海洋功能区划”划分在社会环境。工程环境因素的设定主要考虑海区底质基础的工程特性, 因此将“底质荷载、淤泥层厚度、海底坡度”划分在工程环境。物理环境因素的设定主要考虑满足鱼类等海洋生物生存的环境条件, 因此将“水深、水流、底质类型”划分在物理环境。化学环境因素的设定主要考虑影响礁区生物生长质量的环境条件, 因此将“水质、沉积物质量、赤潮”划分在化学环境。生物环境因素的设定主要考虑与礁区生物种类、生物量相关的环境条件, 因此将“浮游植物、浮游动物、底栖生物”划分在生物环境。本研究基于AHP原理建立人工鱼礁选址适宜性评价的层次结构模型, 如图 3所示, 具体将模型准则层划分为主要准则和从属的次级准则(即评价指标), 分别对应5类环境和13个环境因素, 以此构建人工鱼礁选址评价指标体系。
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| 图 3 人工鱼礁选址适宜性评价层次结构模型 Fig. 3 The hierarchical model of site suitability evaluation for artificial reef 注: A表示评价目标层, 对应人工鱼礁选址适宜性评价; B、C、D、E、F分别表示评价准则层中社会环境、物理环境、工程环境、化学环境、生物环境等5个主要准则; B1、C1、C2、C3、D1、D2、D3、E1、E2、E3、F1、F2、F3分别为对应主要准则的次级准则(即评价指标); P为表示评价方案层, 对应评价结果 |
本研究依据对人工鱼礁建设影响因素的分析情况, 确定主要准则因素权重, 避免了采用专家打分方法存在的人为主观因素影响。确定主要准则因素权重的过程如下: 在海区功能符合建设条件的情况下, 首先考虑人工鱼礁的工程基础建设要求, 而海区的底质特性与建礁工程基础直接相关, 其决定礁体在投放后的稳定性和使用寿命(王飞等, 2008), 因此工程环境因素相对重要性最高。其次水深、水流、底质类型等条件影响着海区底质特性, 因此物理环境因素相对重要性次之。再者考虑的是与养殖目标产品产量和质量相关的生物环境因素和化学环境因素。以此构建主要准则相对于目标层的判断矩阵, 并计算对应权重值(见表 3)。另外, 设定次级准则相对于主要准则的重要性相同。
| A | B | C | D | E | F |
| B | 1 | 1/7 | 1/9 | 1/3 | 1/5 |
| C | 7 | 1 | 1/2 | 4 | 3 |
| D | 9 | 2 | 1 | 5 | 4 |
| E | 3 | 1/4 | 1/5 | 1 | 1/2 |
| F | 5 | 1/3 | 1/4 | 2 | 1 |
表 3对应判断矩阵对应一致性指标RC=0.025 2＜0.1, 表明该判断矩阵一致性较好。最终计算得到主要准则因素权重: 社会环境(0.036 5)、物理环境(0.292 0)、工程环境(0.449 4)、化学环境(0.084 5)、生物环境(0.137 6)。
在评价指标体系构建完成后, 采用指标量化方法对所有指标进行量化处理, 建立相应的定量评价标准以实现评价结果定量化目标。本研究评价标准建立原则: (1) 优先以国家标准《GB/T 40946-2021海洋牧场建设技术指南》(国家市场监督管理总局等, 2021)和行业技术规范《SC/T 9416-2014人工鱼礁建设技术规范》(中华人民共和国农业部, 2014)为依据; (2) 针对国家标准和行业技术规范中没有对应量化标准的评价指标, 则参考前人相关研究成果建立标准; (3) 选择针对性的量化方法对不同指标进行归一化处理, 建立相应的定量评价标准。
2.1.1 海洋功能区划海洋功能区划是海洋牧场建设首要考虑的因素, 原则上功能区具有排他性(Kennish et al, 2002), 因此采用二元化法对海洋功能区划指标进行归一化处理。参考“多规合一”下的《国土空间规划的海洋利用分区》标准中划分的3个一级功能区和12个二级功能区, 其中12个二级功能区包括核心保护区、一般控制区、海水捕捞区、港口航运区、工业与仓储区、矿产与能源区、国防军事区、排污倾倒区、特殊利用区、海洋保留区、海水增养殖区和旅游休闲娱乐区(周鑫等, 2020), 最终将适宜人工鱼礁建设的海水增养殖区和旅游休闲娱乐区对应赋值1, 其他二级海洋功能区对应赋值0 (李文涛等, 2003; 冯英明等, 2020)。
2.1.2 底质类型、底质荷载、淤泥层厚度、海底坡度、赤潮、饵料生物海区的底质特性主要影响礁体稳定性和使用寿命, 部分研究者认为含有泥沙层的硬质底质海区是理想的建礁场所(Turner et al, 1969; 贾后磊等, 2009; 周艳波等, 2011)。底质过硬无法固定礁体, 容易发生移位等情况; 底质过软会使礁体下陷甚至被掩埋, 从而影响功能发挥(Mathews, 1981)。已有研究者对适宜人工鱼礁建设的底质类型进行相关分析工作(许妍等, 2016; 李英雪, 2019), 可作为参考依据。从另一角度考虑, 底质类型能够稳固礁体是其承载力的体现, 与之相关的底质荷载等因素也是必要考虑的(徐汉祥等, 2006)。目前有研究者结合建礁实例提出相关量化标准, 表明建礁区的底质荷载一般大于等于4 t/m2, 淤泥层厚度不宜超过0.6 m (冯英明等, 2020)。人工鱼礁投放一般是具有一定规模的, 坡度较大的海底地形无法满足鱼礁堆放条件, 易发生整体移位情况(王飞等, 2008), 因此海底坡度也是建礁必要考虑因素, 一般人工鱼礁建设海区的海底坡度应不超过5° (Barber et al, 2009)。
另外, 海洋灾害对于人工鱼礁建设是一个潜在的威胁, 特别是与水质中营养盐相关的赤潮灾害。赤潮发生时会伴随水中溶解氧的快速消耗(张朝贤, 2000), 严重影响礁区生物群落衍生和发展。而生物资源状况对礁区生物生存来说同样重要(贾后磊等, 2009), 因此建礁区需要有较丰富的饵料生物来满足目标鱼种的生长发育。
本文参考《海洋调查规范第8部分: 海洋地质地球物理调查》中的“谢帕德”沉积物分类法(中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 2008)与相关研究成果建立底质类型指标的评价标准(表 4)。底质荷载、淤泥层厚度和海底坡度等指标的评价标准如表 5所示。研究将《HY/T 069-2005赤潮监测技术规程》(国家海洋局, 2005)中等级划分更为细致的有机污染评价指数A作为赤潮指标评价标准建立依据(表 5), 其中水质评价等级中的良好、较好、开始受到污染、轻度污染、中度污染和严重污染分别对应有机污染指数: ＜0、0~1、1~2、2~3、3~4、＞4等情况。饵料生物相关指标评价标准则依据前人相关研究中饵料生物水平等级划分结果而建立(贾晓平等, 2003), 如表 5所示。
| 底质类型 | 赋值 |
| 粉砂质粘土、砂质粘土、粘土 | 0.0 |
| 粘土质粉砂、粉砂、砂-粉砂-粘土、粘土质砂 | 0.2 |
| 砂质粉砂 | 0.5 |
| 粉砂质砂 | 0.8 |
| 砂 | 1.0 |
| 适宜性区间赋值 | 底质荷载/(t/m2) | 淤泥层厚度/m | 海底坡度/(°) | 赤潮(有机污染指数) | 浮游植物/(×104 ind./m3) | 浮游动物/(mg/m3) | 底栖生物/(g/m2) |
| 0.0 | 0 | ＞0.6 | ＞5 | ＜0 | 0 | 0 | 0 |
| 0.2 | 0~1 | 0.4~0.6 | 4~5 | 0~1 | 0~50 | 0~30 | 0~10 |
| 0.4 | 1~2 | 0.3~0.4 | 3~4 | 1~2 | 50~75 | 30~50 | 10~25 |
| 0.6 | 2~3 | 0.2~0.3 | 2~3 | 2~3 | 75~100 | 50~75 | 25~50 |
| 0.8 | 3~4 | 0.1~0.2 | 1~2 | 3~4 | 100~200 | 75~100 | 50~100 |
| 1.0 | ＞4 | 0.0~0.1 | 0~1 | ＞4 | ＞200 | ＞100 | ＞100 |
对于人工鱼礁投放海域水深范围的选择, 水深较小, 礁体会受到海面风浪影响, 发生滑移甚至侧翻等情况(Branden et al, 1994), 考虑到风浪的冲击影响, 人工鱼礁一般都投放在较深海域, 再结合光照条件对礁区海洋生物生长状态影响的考虑(李文涛等, 2003; 赵海涛等, 2006), 投放水深应保持在一定适宜范围内。另外也有部分研究者认为需要结合生物分布、鱼礁类型和礁区生物资源状况以及礁区后期维护等方面决定水深条件(张怀慧等, 2001; 徐汉祥等, 2006; 贾后磊等, 2009)。随着人工鱼礁建设目标的拓展, 在2014年颁布并实施的《SC/T 9416-2014人工鱼礁建设技术规范》(中华人民共和国农业部, 2014)规范性地提出礁区水深要求, 其中以增殖为目标的鱼礁投放适宜水深在25~30 m, 其他类型鱼礁投放水深在100 m以内即可, 以10~60 m最适宜。冯英明等(2020)也表明不同类型鱼礁投放的水深范围有所差异, 休闲礁和浅海的海珍品增殖礁一般在10~20 m为宜, 鱼类游钓增殖礁一般在20~30 m为宜, 水深最好不低于5 m。
人工鱼礁产生的流场效应对于提高礁区生态环境质量具有重要意义。适宜流速的海流面向礁体时不仅会在接触面形成局部上升流, 将底部营养物质传递到礁体的各个区域加快巩固礁区生物基础(李东等, 2019), 也会在礁体背部形成涡流, 吸引更多洄游性鱼类, 提高生物多样性(Bleckmann, 1986)。研究者们一般认为礁区适宜水流速度不宜超过0.8 m/s (Chang, 1985; 赵海涛等, 2006)。
人工鱼礁投放的最初目的就是改善渔业资源状况, 因此与之密切相关的水质和沉积物质量也是必要考虑因素。依据《SC/T 9416-2014人工鱼礁建设技术规范》(中华人民共和国农业部, 2014)的规定, 水质按《GB 11607-89渔业水质标准》(国家环境保护局, 1990)以及《GB 3097-1997海水水质标准》(国家环境保护局, 2004)中不劣于二类水体的要求, 沉积物质量按《GB 18668-2002海洋沉积物质量标准》(中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 2004)中不劣于一类水体的要求。本研究采用隶属度函数法建立水深、水流、水质和沉积物质量的评价标准。隶属度函数应用情况为: (1) 人工鱼礁建设所需水深、水流、pH值适宜性分布特征表现为有效范围内中间适宜性最高, 到两边逐渐降低, 因此选用通用隶属度函数, 如表 6所示。(2) 国家标准中溶解氧含量增加, 适宜性升高, 因此选用S型隶属度函数, 根据国家标准中一、二类海水标准建立相应评价标准, 如表 7所示。(3) 国家标准中重金属、石油类等参数数值越小越安全, 因此采用Z型隶属度函数, 如表 7所示。函数对应公式如表 6、表 7所示。
| 评价指标 | 隶属度函数公式 | a | b | c | d | K1 | K2 |
| 水深/m |  |
5 | 10 | 30 | 60 | 0.57 | 3.97 |
| 水流/(m/s) | 0.2 | 0.4 | 0.6 | 0.8 | 1.32 | 1.74 | |
| pH值 | 6.8 | 7.8 | 8.5 | 8.8 | 0.75 | 1.26 | |
| 注: L为指标参数值的隶属度, K、K1、K2为特征参数, X为指标参数值; a, b, c, d为函数阈值控制点 | |||||||
| 评价指标 | 参数名称 | 隶属度函数公式 | a | b | K | ||
| 水质/(mg/L) | 溶解氧 |  |
5 | 6 | 1 | ||
| 化学需氧量 |  |
2 | 3 | 1.3 | |||
| 生化需氧量 | 1 | 3 | |||||
| 阴离子表面活性剂(以LAS计) | 0.03 | 0.10 | |||||
| 马拉硫磷 | 0.000 5 | 0.001 0 | |||||
| 甲基对硫磷 | 0.000 5 | 0.001 0 | |||||
| 硫化物(以S计) | 0.02 | 0.05 | |||||
| 无机氮 | 0.2 | 0.3 | |||||
| 活性磷酸盐 | 0.015 | 0.030 | |||||
| 滴滴涕(×10–6) | 0.000 05 | 0.000 10 | |||||
| 六六六(×10–6) | 0.001 | 0.002 | |||||
| 铅 | 0.001 | 0.005 | |||||
| 六价铬 | 0.005 | 0.010 | |||||
| 总铬 | 0.05 | 0.10 | |||||
| 镉 | 0.001 | 0.005 | |||||
| 汞 | 0.000 05 | 0.000 20 | |||||
| 砷 | 0.02 | 0.03 | |||||
| 镍 | 0.005 | 0.010 | |||||
| 锌 | 0.02 | 0.05 | |||||
| 铜 | 0.005 | 0.010 | |||||
| 硒 | 0.01 | 0.02 | |||||
| 氰化物 | 0.002 5 | 0.005 0 | |||||
| 石油类(×10–6) | 0.025 | 0.050 | |||||
| 挥发性酚 | 0.002 5 | 0.050 | |||||
| 非离子氨(以N计) | 0.01 | 0.02 | |||||
| 苯并(a)芘(μg/L) | 0.001 25 | 0.002 50 | |||||
| 放射性核素(Bq/L) | 60Co | 0.015 | 0.030 | ||||
| 90Sr | 2 | 4 | |||||
| 106Rn | 0.1 | 0.2 | |||||
| 134Cs | 0.3 | 0.6 | |||||
| 137Cs | 0.35 | 0.70 | |||||
| 沉积物质量/(μg/mg) |
有机碳(×10–6) |  |
1 | 2 | 1.3 | ||
| 硫化物(×10–6) | 150 | 300 | |||||
| 石油类(×10–6) | 250 | 500 | |||||
| 六六六(×10–6) | 0.25 | 0.50 | |||||
| 滴滴涕(×10–6) | 0.01 | 0.02 | |||||
| 多氯联苯(×10–6) | 0.01 | 0.02 | |||||
| 铅 | 30 | 60 | 1.3 | ||||
| 铬 | 40 | 80 | |||||
| 镉 | 0.25 | 0.50 | |||||
| 汞 | 0.1 | 0.2 | |||||
| 砷 | 10 | 20 | |||||
| 锌 | 75 | 150 | |||||
| 铜 | 17.5 | 35.0 | |||||
| 注: 阴离子表面活性剂(以LAS计)中LAS为Linear Alkylbenzene Sulfonates, 直链烷基苯磺酸钠; 硫化物(以S计)表示以硫的含量计; 非离子氨(以N计)表示以氮的含量计; 其他化学元素也均以对应元素含量计; a, b为函数阈值控制点 | |||||||
为更准确体现拟选海区的适宜程度, 本研究参考前人关于适宜性等级划分的研究结果(李英雪, 2019), 将1, 0.2分别作为评价结果(S)上、下限值, 并均等划分5个适宜性等级: 0.0~0.2, 0.2~0.4, 0.4~0.6, 0.6~0.8, 0.8~1.0, 这5个适宜性区间对应的适宜程度等级分别为不适宜、较不适宜、基本适宜、比较适宜和完全适宜。
2.3 评价结果计算为使评价更具全面性, 本研究考虑人工鱼礁的渔业资源增殖效应, 针对评价标准中零值对结果的直接否定的情况和多参数指标的设定情况, 设置对这两类特殊情况的评价判定过程。其一, 将评价中任意指标参数值出现超限的情况判定为不适宜人工鱼礁建设情况。其二, 由于水质和沉积物质量中重金属、石油类等参数超标对养殖目标和人体具有危害性, 即使接近超限的状态也有潜在风险, 因此研究将水质和沉积物质量中多个参数接近超限的情况也判定为不适宜人工鱼礁建设情况, 并针对该情况设立一个多参数综合指标M, 其计算公式为式(4), 将“ 
(4)式中, n为参数个数。物理意义: 当一个指标参数值Xi与阈值Yi的比值接近1, 其他参数对应比值小于0.5的最高限值。两种特殊情况判定结束后, 通过加权线性组合计算评价结果S, 即适宜性评价值, 公式为式(5)。
(5)式中, Si为主要准则i的归一化值, Wi为主要准则i的权重值。计算步骤为: (1)计算评价指标归一化值, 即次级准则因素归一化值; (2)计算5个主要准则因素的归一化值(分别设定为S1、S2、S3、S4、S5)。为保证评价的客观性, 本文将主要准则因素归一化值设定为各自对应次级准则因素归一化值均值。水质和沉积物质量指标归一化值设定为所含参数归一化值均值。
2.4 评价系统创建由于评价涉及指标、参数较多(输入55个, 输出56个), 因此研究使用Python编程语言创建评价系统计算结果。系统对应设定5个模块并针对性地设计三级循环计算步骤, 前两级循环对应两类特殊情况的评价判定过程, 判定结果为不适宜时, 系统输出“round1, 不适宜”或“round2, 不适宜”。三级循环直接计算适宜性评价值, 并输出对应适宜性等级。为方便指标参数值输入, 将海洋功能区划和底质类型指标名称转化为数字编号形式, 前者对核心保护区、一般控制区、海水捕捞区、港口航运区、工业与仓储区、矿产与能源区、国防军事区、排污倾倒区、特殊利用区、海洋保留区、海水增养殖区和旅游休闲娱乐区进行1~12编号, 编号11、12赋值1; 后者进行1~5编号, 依次对应赋值1.0、0.8、0.5、0.2、0.0的情况。
3 方法验证为验证本文构建的评价方法的科学性, 参考已有的人工鱼礁建设相关海洋环境调查实际情况, 采用冯英明等(2020)在山东省日照市两城镇东南侧海域和涛雒镇东侧海域的海洋牧场示范区中适宜人工鱼礁建设海域实际调查数据, 模拟8个海区案例进行相关评价分析工作。
3.1 案例设定本研究表 8中案例1~7为模拟设定案例。案例8为实际案例, 主要采用2020年在日照市海洋牧场示范区适宜人工鱼礁建设区域的海洋调查数据(冯英明等, 2020), 但该调查数据中用于选址评价的要素不全面, 水质、沉积物质量和饵料生物水平仅说明符合人工鱼礁建设技术规范, 因此本文依据相关国家标准将评价标准中的b值(表 6~7)作为缺失数据的代用值, 以保证评价结果的客观性。案例1~7中的数据参考该文献研究中的实际调查数据, 结合对两类特殊情况和关注的环境因素针对性地设定相关指标参数值。
| 指标和参数名称 | 案例1 | 案例2 | 案例3 | 案例4 | 案例5 | 案例6 | 案例7 | 案例8 | |||||||
| 海洋功能区划 | 11 | 7 | 12 | 11 | 11 | 12 | 11 | 11 | |||||||
| 水深/m | 20 | 19 | 18 | 17 | 16 | 15 | 15 | 15 | |||||||
| 水流/(m/s) | 0.6 | 0.5 | 0.4 | 0.3 | 0.5 | 0.4 | 0.3 | 0.4 | |||||||
| 底质类型 | 1 | 1 | 5 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | |||||||
| 底质荷载/(t/m2) | 5 | 4 | 5 | 4 | 5 | 4 | 5 | 6 | |||||||
| 淤泥层厚度/m | 0.4 | 0.5 | 0.6 | 0.5 | 0.4 | 0.5 | 0.4 | 0.4 | |||||||
| 海底坡度/(°) | 1 | 2 | 3 | 6 | 4 | 3 | 4 | 5 | |||||||
| 水质/(mg/L) | pH值 | 7.7 | 7.8 | 7.9 | 8.0 | 8.3 | 8.2 | 8.3 | 8.0 | ||||||
| 化学需氧量 | 2.1 | 2.3 | 2.2 | 2.4 | 2.3 | 2.0 | 1.8 | 1.5 | |||||||
| 生化需氧量 | 2.2 | 2.6 | 2.4 | 2.5 | 2.0 | 2.0 | 1.8 | 1.5 | |||||||
| 阴离子表面活性剂 | 0.05 | 0.05 | 0.06 | 0.04 | 0.03 | 0.04 | 0.03 | 0.05 | |||||||
| 马拉硫磷 | 0.000 6 | 0.000 5 | 0.000 7 | 0.000 6 | 0.000 4 | 0.000 5 | 0.000 4 | 0.000 5 | |||||||
| 甲基对硫磷 | 0.000 4 | 0.000 5 | 0.000 4 | 0.000 5 | 0.000 3 | 0.000 5 | 0.000 4 | 0.000 5 | |||||||
| 硫化物 | 0.015 | 0.020 | 0.018 | 0.027 | 0.025 | 0.030 | 0.020 | 0.025 | |||||||
| 无机氮 | 0.18 | 0.22 | 0.21 | 0.2 | 0.25 | 0.15 | 0.20 | 0.15 | |||||||
| 活性磷酸盐 | 0.012 | 0.016 | 0.014 | 0.018 | 0.027 | 0.020 | 0.012 | 0.015 | |||||||
| 滴滴涕(×10–6) | 0.000 06 | 0.000 06 | 0.000 07 | 0.000 05 | 0.000 06 | 0.000 05 | 0.000 04 | 0.000 05 | |||||||
| 六六六(×10–6) | 0.001 2 | 0.001 4 | 0.001 3 | 0.001 0 | 0.001 2 | 0.001 0 | 0.001 2 | 0.001 0 | |||||||
| 铅 | 0.000 5 | 0.000 8 | 0.000 6 | 0.000 9 | 0.001 5 | 0.002 0 | 0.001 5 | 0.002 5 | |||||||
| 六价铬 | 0.005 | 0.006 | 0.005 | 0.006 | 0.006 | 0.004 | 0.005 | 0.005 | |||||||
| 总铬 | 0.02 | 0.04 | 0.03 | 0.05 | 0.06 | 0.05 | 0.04 | 0.05 | |||||||
| 镉 | 0.002 0 | 0.003 0 | 0.002 5 | 0.002 8 | 0.003 2 | 0.002 0 | 0.003 0 | 0.002 5 | |||||||
| 汞 | 0.000 04 | 0.000 06 | 0.000 05 | 0.000 07 | 0.000 08 | 0.000 05 | 0.000 08 | 0.000 10 | |||||||
| 砷 | 0.015 | 0.019 | 0.017 | 0.021 | 0.022 | 0.028 | 0.020 | 0.015 | |||||||
| 镍 | 0.004 | 0.005 | 0.004 | 0.005 | 0.004 | 0.009 | 0.004 | 0.005 | |||||||
| 锌 | 0.015 | 0.021 | 0.018 | 0.024 | 0.024 | 0.045 | 0.020 | 0.025 | |||||||
| 铜 | 0.004 | 0.005 | 0.004 | 0.005 | 0.006 | 0.008 | 0.005 | 0.005 | |||||||
| 硒 | 0.009 | 0.012 | 0.010 | 0.011 | 0.012 | 0.018 | 0.008 | 0.010 | |||||||
| 氰化物 | 0.002 0 | 0.003 0 | 0.002 0 | 0.002 5 | 0.003 0 | 0.002 0 | 0.003 0 | 0.002 5 | |||||||
| 石油类(×10–6) | 0.025 | 0.030 | 0.020 | 0.025 | 0.030 | 0.025 | 0.020 | 0.025 | |||||||
| 挥发性酚 | 0.002 5 | 0.002 8 | 0.002 0 | 0.003 2 | 0.003 0 | 0.002 0 | 0.001 5 | 0.002 5 | |||||||
| 非离子氨 | 0.012 | 0.013 | 0.012 | 0.013 | 0.014 | 0.010 | 0.015 | 0.010 | |||||||
| 苯并(a)芘(μg/L) | 0.001 20 | 0.001 30 | 0.001 25 | 0.001 40 | 0.001 50 | 0.001 20 | 0.001 30 | 0.001 25 | |||||||
| 放射性核素(Bq/L) | 60Co | 0.015 | 0.018 | 0.012 | 0.016 | 0.017 | 0.016 | 0.010 | 0.015 | ||||||
| 90Sr | 2.2 | 2.1 | 2.0 | 2.6 | 2.5 | 2.4 | 1.8 | 2.0 | |||||||
| 106Rn | 0.09 | 0.11 | 0.10 | 0.12 | 0.12 | 0.10 | 0.05 | 0.10 | |||||||
| 134Cs | 0.30 | 0.40 | 0.25 | 0.35 | 0.30 | 0.25 | 0.20 | 0.30 | |||||||
| 137Cs | 0.030 | 0.040 | 0.035 | 0.040 | 0.030 | 0.025 | 0.035 | 0.350 | |||||||
| 溶解氧 | 7.0 | 5.7 | 5.8 | 5.9 | 5.3 | 6.0 | 6.5 | 6.0 | |||||||
| 沉积物质量/(μg/mg) | 有机碳(×10–6) | 0.8 | 1.2 | 1.0 | 1.4 | 1.1 | 0.8 | 0.9 | 1.0 | ||||||
| 硫化物(×10–6) | 150 | 200 | 175 | 125 | 190 | 200 | 180 | 150 | |||||||
| 石油类(×10–6) | 200 | 220 | 250 | 350 | 300 | 220 | 200 | 250 | |||||||
| 六六六(×10–6) | 0.25 | 0.30 | 0.20 | 0.40 | 0.35 | 0.30 | 0.20 | 0.25 | |||||||
| 滴滴涕(×10–6) | 0.005 | 0.012 | 0.008 | 0.014 | 0.009 | 0.008 | 0.005 | 0.010 | |||||||
| 多氯联苯(×10–6) | 0.005 | 0.004 | 0.012 | 0.009 | 0.008 | 0.005 | 0.009 | 0.010 | |||||||
| 铅 | 25 | 35 | 30 | 45 | 40 | 35 | 20 | 30 | |||||||
| 铬 | 45 | 45 | 30 | 50 | 42 | 35 | 45 | 40 | |||||||
| 镉 | 0.30 | 0.25 | 0.30 | 0.35 | 0.35 | 0.30 | 0.48 | 0.25 | |||||||
| 汞 | 0.05 | 0.06 | 0.10 | 0.08 | 0.10 | 0.12 | 0.18 | 0.10 | |||||||
| 砷 | 5 | 15 | 10 | 13 | 12 | 10 | 18 | 10 | |||||||
| 锌 | 50 | 60 | 80 | 85 | 80 | 90 | 140 | 75 | |||||||
| 铜 | 15.0 | 25.0 | 20.0 | 16.0 | 18.0 | 20.0 | 32.0 | 17.5 | |||||||
| 浮游植物/(×104 ind/m3) | 185 | 300 | 300 | 80 | 300 | 200 | 280 | 250 | |||||||
| 浮游动物/(mg/m3) | 200 | 50 | 80 | 200 | 155 | 150 | 180 | 200 | |||||||
| 底栖生物/(g/m2) | 150 | 60 | 70 | 80 | 90 | 100 | 100 | 150 | |||||||
| 注: 表格对各指标(包含水质、沉积物质量中的参数)进行编号, 从海洋功能区划到底栖生物指标依次编号1~55; 其中海洋功能区划与底质类型指标对应数值为相应的数字编号 | |||||||||||||||
案例1模拟指标参数值均未超限, 评价结果输出为“0.838 3, 完全适宜”; 案例4模拟随机指标参数值超限, 以海底坡度(编号7)为例, 评价结果输出为“round1, 不适宜”。案例1和案例4用于验证建立的评价标准合理性和有效性, 当任意指标参数值不超限能够获取“适宜”评价结果或当任意单一指标参数值超限能够获取“不适宜”评价结果。
案例2、案例3分别模拟海洋功能区(编号1)和底质类型(编号4)不适宜的情况。案例2中海洋功能区划指标对应输入编号7, 代表案例2海区场景的海洋利用分区是“国防军事区”, 不能建设人工鱼礁, 指标归一化值为0; 案例3中底质类型指标对应输入编号5, 代表案例3海区场景的底质类型是粉砂质粘土、砂质粘土和粘土中的一种, 指标归一化值也为0。案例评价结果均输出为“round1, 不适宜”, 一方面展现指标超限对人工鱼礁建设方案的否定作用, 另一方面也验证了研究针对这两个指标数字编号是可用的。
案例5模拟赤潮指标(编号53)超限, 考虑到赤潮指标归一化值由相关的化学需氧量、无机氮、无机磷、溶解氧指标参数值计算所得(本文中无机磷主要为活性磷酸盐, 编号分别为9、15、16、39)。为单纯验证赤潮指标超限情况, 案例中与赤潮相关的4个指标参数值均未出现超限的情况, 经计算得到赤潮指标归一化值为0, 评价结果输出为“round1, 不适宜”。
案例6和案例7分别模拟水质、沉积物质量指标中多个参数值接近超限的情况。案例6模拟水质中砷、镍、锌、铜、硒(编号分别为24、25、26、27、28)等参数值接近超限的情况; 案例7模拟沉积物质量中镉、汞、砷、锌、铜(编号分别为48、49、50、51、52)等参数值接近超限的情况。案例评价结果均输出为“round2, 不适宜”。案例6与案例7用于验证本研究多参数指标设定以及对应的第二类特殊情况评价判定的可行性, 结果表明多参数综合指标M设定能够合理排除水质、沉积物质量中多个参数值接近超限而出现产品质量问题等情况。
案例8评价结果输出为“0.727 6, 比较适宜”。冯英明等(2020)在山东省日照市北部的两城镇东南侧海域和南部的涛雒镇东侧海域对12个海洋牧场示范区中适宜建设人工鱼礁海域评价分析结果包括: (1) 海域水深适宜, 底质类型以粉质砂、中粗砂等为主; 坡度较小, 地势平缓; 淤泥层厚度较小, 海底的承载能力适宜鱼礁建设。(2) 水流速度也有利于礁体的固定, 符合人工鱼礁投放和施工条件。(3) 水质清洁, 饵料生物丰富, 适宜海洋生物生长。海域环境的整体评价结果表明该海域符合人工鱼礁建设条件, 适宜程度比较高。2020年日照市沿海人工鱼礁选址适宜性评价结果与本研究案例8的分析结果基本吻合。
在实际情况中经常会出现具有不同环境条件的海区场景, 相应地用于评价分析的调查参数可能存在一定的不确定性。因为案例要有一定的代表性, 针对前述两类特殊情况以及其他可能出现的具有代表性特征的海区场景, 分别设置这8个待验证案例的海洋环境参数值。案例分析结果显示: (1) 当任意单一指标归一化值出现零值时, 如出现类似案例2对应海区其他功能设定、案例3对应底质类型不适宜鱼礁建设、案例4对应其他指标值超出标准限值等情况时, 其评价结果均输出为“round1, 不适宜”; (2) 当任意单一指标归一化值未出现零值而出现多参数指标中多个参数值接近超限的情况时, 同样认为对应目标方案是不适宜的; 如案例6、7分别对应水质、沉积物质量的指标中出现多个参数值接近超限的情况, 当判定值超过多参数综合指标M, 则评价结果输出均为“round2, 不适宜”; (3) 当所有环境指标参数值均未出现超限并且也未出现多参数指标中多个参数值接近超限的情况时, 评价结果输出为海区适宜性评价值和对应的适宜等级。图 4为案例指标参数归一化值的热点分布图, 清晰展示导致案例评价结果为“round1, 不适宜”或“round2, 不适宜”的异常值分布情况。通过对模拟设定案例与实际海区案例的评价分析, 证明本研究提出的评价方法适用于人工鱼礁选址评价工作, 所创建的评价系统软件能够快速、有效计算评价结果。
本研究基于AHP原理, 提出一种适用于人工鱼礁选址的适宜性评价分析方法, 方法创新性主要包括: (1) 结合对不同类型人工鱼礁选址影响因素的考虑, 构建较为完善的人工鱼礁选址评价指标体系, 包括5大类环境和相应从属的13个环境因素, 具有较好的通用性。其中多参数指标设定使得评价分析更为全面。(2) 多种指标量化方法的应用指标使量化过程更具针对性, 同时实现评价指标完全定量化目标。(3) 根据人工鱼礁建设涉及的多学科研究结果和对人工鱼礁建设影响因素的实际分析, 确定5个主要准则因素权重, 避免采用专家打分方法存在的主观性和标准不一致等问题, 保证评价结果的客观性和可比较性。(4) 基于对人工鱼礁渔业资源增殖效应的考虑所设置的两类特殊情况的评价判定过程, 有效排除不适宜人工鱼礁建设海区, 使评价方法更具科学性。(5) 使用Python编程语言创建评价系统计算适宜性评价值并同步输出对应适宜性等级, 结果呈现形式简洁明了。该方法不仅在进行多个海区方案建礁适宜性的比较分析时具有评价效率高、准确度高等优势, 也可为广泛开展各种类型的人工鱼礁选址评价应用提供客观、定量分析方法。
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