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基于模糊层次综合评价法海岸开垦适宜性评估：以连云港为例

冯兰，朱晓东，孙翔

污染控制和资源重用国家重点实验室，环境学院，南京大学，南京210023，中国

摘要：海岸复垦适宜性评估的过程是非常困难，复杂和持久的，这个过程需要许多不同条件的评估。在这篇文章中，考虑了未来连云港沿海地区的可持续发展，采用模糊综合评价方法和层次分析法相结合的集成框架法评价沿海复垦适宜性。评价结果将海岸线分为一下几类：6.63%，22.99%，31.59%和38.79%，它们分别表示适宜性、弱适宜性、不适宜性、禁止性。海洋污染的数据验证了这一结果，并且评估结果与水质状况高度一致。模糊层次分析法适用于对海岸复垦的适宜性作出评估。海岸复垦适宜性的评估方法也可以适用于中国其余的沿海地区，因此能够针对沿海土地的复垦和海岸线的保护方案制定出更好的管理措施。

关键词：沿海复垦适宜性评价 层次分析法 模糊综合评价法 指数体系 海岸线 连云港

1. 引言

位于大陆边缘的沿海地区拥有卓越的生物生产力和开放性，它们因此成为几千年来人类的活动中心（WRI,2001）。超过三分之一的世界人口住在沿海地区，而沿海地区只占地球陆地面积的4%。沿海人口密度是内陆的三倍，并且呈现指数式增长。（Barbier et al.,2008）。

人口密度较高的地区面临着土地空间不足的问题。沿海人们通常通过一些荒地将滩涂和浅海的地方填埋来开拓居住地（UNAOO,2006）。这一现象在许多沿海国家和城市随处可见，比如韩国，日本，新加坡，荷兰，香港和澳门。沿海土地复垦可以缓解高人口密度对城镇和城市所造成的压力，增加食物产量，在一个城市创造新的投资机会，而且为城市发展创造新的领域。但是，沿海土地复垦是要付出代价的。将海转化成陆地会永久地改变海洋和沿海环境的自然特性，并且对人类依赖的生态海洋系统造成极大地破坏（Barbier et al.,2008;POC,2003;USCOP,2004）。在中国，自1980年以来，已经有1340万公顷滩涂被开垦用于城市的发展，这造成了50%的沿海湿地的消失，73%的红树林遭到了破坏（Peng et al.,2013）。由于国家颁布了新的沿海计划，直到2020年中国将开垦额外的5780公顷沿海土地，这一举措将不可避免地破坏海洋环境和生态系统（Peng et al.,2013）。正是由于这一原因，发展一种评估沿海土地复垦计划的方法来保持社会经济发展和海洋保护之间的平衡是至关重要的。通过有效合理地利用沿海土地，我们才能使得在地区发展过程中减少环境破坏的程度。

沿海复垦适宜性评估是就沿海地区对给定用处的适用性进行评价和分组。此评估有助于将沿海土地资源分配给合适的使用者，也有助于制定（或重新制定）沿海发展计划创造一个良好格局的沿海环境，进而直接或间接地减轻对生态系统发展的消极影响（Nuissl et al.,2009）。而且，对于开发项目而言，它用于确定最优区域进行施工对于计划者是必不可少的，这取决于沿海地区的空间异质性，并且最优区域也是沿海管理和沿海土地使用规划所依赖的核心数据（Collins et al.,2001）。

由于决策的制定涉及大量属性和不同的标准，沿海复垦适宜性评估已经被确定为多目标决策问题。有几种方法已经用于解决多标准问题，例如主成分分析法（Smidl and Quinn,2007），数据包络分析（Guo,2009），遗传算法（Cheng et al.,2002），人工神经网络（Lee and Chen,2005;Xie et al.,2006）。这些方法都是基于需要大量数据的数学模型，因此，在中国，这些方法的使用由于缺少不可或缺的历史数据受到限制。GIS应用的广泛性已经使得基于描述地表的映射参数的空间显示方法得到发展（Marull et al.,2007）。但是，这种方法也有重要的限制：缺乏标准化的方法（Andrearsen et al.,2001）。

层次分析法是使每个个体能按照有形或者无形的标准进行排名来挑选最优者，构建一个从主要目标到标准和选择的二级水平的问题（Chang et al.,2008）。层次分析法已经成为解决实际多目标决策问题最广泛使用的方法之一（Cheng,1997;Chan et al.,2000）。模糊综合评价法是一个定量的综合评价法，它是由Zadeh提出的（Gao and Hailu,2012）。模糊评价法也被广泛应用于解决多目标决策问题（Dagdeviren et al.,2009;Gungora et al.,2009;Lee et al.,2008），但是此方法应用于沿海复垦适宜性从来没有提出过。本文在建立一个综合评价模型后，旨在发掘它在沿海土地复垦适宜性上的有效性，并且将此方法应用于连云港土地复垦适宜性上。这项研究提供了一个方法，此方法能够用于识别在未来沿海计划中，适合于沿海发展和规划的潜在复垦地区。

1. 数据和方法

模糊层次综合评价法分为五个步骤，具体步骤如下所示。

2.1步骤一：确定评价指标体系

第一步是构建指标体系和确定指数。假定“m”为指标体系中的指数，指标体系定义为：

沿海土地复垦适宜性的指标体系包含三层，最顶层是目标层。CRSE的目的是使得沿海土地资源让未来几代得到利用，以可持续地方式更合理地利用这些资源。指数的选择应该考虑海岸的形成过程和沿海地区的自然特性。此外，还要考虑人类和经济因素对后续回收的土地利用的影响。因此，第二层的指标体系分为两组：社会经济和环境资源。

而且，用这种方法选择评价指标应遵循以下四个原则：（1）典型性—指数应对填海土地有重要影响。（2）可比性—评估沿海土地的需求性和可比性。（3）定量—数据是可信赖的而且收集成本有效。（4）保护优先性—确保环境和回收土地资源不被破坏。为了避免指数体系的过度复杂性，我们选择典型指标或者简单易得的指标（NCDCM,2002;SOA,2011b;Stewart et al.,2003;Yu,et al.,2011）。第三层的指标体系解释了第二层的具体含义，这是由表1给出的清单所决定的。

2.2步骤二：指标的权值

我们使用层次分析法得到指标的权重，根据专家的意见确定指标的优先级。特定层的元素与以上相关层的元素进行对比。因此，我们构造了判断矩阵A如下：

（层的个数：元素的个数）

并限定满足以下条件：

；；

代表因素与的重要性之比，并引用数学及其倒数作为标度（Saaty,2006）。

一致性指标是用来确定判断矩阵一致性的偏离程度。通常用来计算（2）。为随机一致性指标，不同标准的值如表2所示（Satty,1993）。

（2）

其中是矩阵的阶数；是矩阵的最大特征值，即

（3）

一致性比例是用来确定判断矩阵的一致性。通常认为当时，认为判定矩阵的一致性是可以接受的。

（4）

权重向量是由第二层对第三层的重要性计算得到的。经过这一过程，通过给出平方根法。

（5）

如表3所示，环境资源的权重为0.6，自然资源的权重为0.39（）（这四个因素受人类活动的影响比较小）。这些权重表明环境因素在指标体系中占主导地位，而且自然资源的地位尤为重要。

表1 CRSE的指标体系

表2 随机一致性指标的值

2.3步骤三：确定评估标准和规则

假定标准为

（等级数） （6）

这项研究中评估标准根据中国海洋环境保护法（SCNPC,2013）和专家咨询所确定的。这种方法包含四个等级：适合，弱适合，不适合和禁止，分别用相应的得分3,2,1,0表示（表4）。“0”对沿海复垦有否决权。换句话说，如果评价得分为0，就表示禁止用任何方式对某一地区进行沿海复垦。基于这些标准得到的结果，Yu et al.(2011)和GB/T 17108-2006，我们综合了各种场景得到评价指标和四个等级，接着建立CRSE的评估规则（表5）。

2.4步骤四：确定模糊关系矩阵矩阵

我们引入模糊理论来解决不明确和不精确的指标体系。模糊集是论域到区间[0,1]上的任意映射。在0到1之间的中间数反应了成员信息的不安全性和不确定性。模糊关系矩阵定义为：

（7）

R表示第i类因素的环境质量属于第j类评价标准的隶属度。

根据指标体系的特性建立隶属函数。当CRSE与这些指标是正相关时，选择模糊集函数：

当CRSE与这些指标是正相关时，选择模糊集函数：

2.5步骤五：确定综合评价类

通过模糊权重与模糊关系矩阵进行模糊运算，建立综合评价向量:

（8）

其中；，，，分别代表CRSE的评价等级。

最后CRSE是由加权平均数的方法得到：

（9）

在篇文章中，给出了四个相对的水平值3,2,1,0。（9）式适用于前三个水平，但不适用于第四个水平，第四个水平对沿海复垦有否决权。因此，当时，CRSE是不合适的；当时，CRSE是弱适宜性的；当时，CRSE是适宜的。

海洋水质和沉积物污染数据与之对比，可以验证评估结果。

表3 指标的权值（CR=0.0005）

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