劉佰瓊, 徐 敏, 劉 晴

(1.南京師范大學(xué) 虛擬地理環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京 210023; 2.南京師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京 210023)

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及城市化進(jìn)程的加快,沿海地區(qū)對土地的需求量不斷增加, 圍填海是緩解人地矛盾、增強(qiáng)食物安全保障、拓展發(fā)展空間、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要手段[1-2]。目前, 隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和土地需求量的激增, 圍填海的面積、規(guī)模和強(qiáng)度有著逐漸增大的趨勢[3-4], 圍墾類型從高灘圍涂發(fā)展到中、低灘圍涂和促淤圍涂等多種類型, 開發(fā)利用方式也從傳統(tǒng)的種植、養(yǎng)殖等農(nóng)業(yè)用地發(fā)展到港口、臨港工業(yè)、城鎮(zhèn)建設(shè)等工業(yè)用地和城市建設(shè)用地。港口及臨港工業(yè)圍填海具有較強(qiáng)的產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)性, 能夠有效帶動(dòng)倉儲、運(yùn)輸、物流、金融、保險(xiǎn)等相關(guān)服務(wù)業(yè)的發(fā)展[5-7], 通過產(chǎn)業(yè)聚集、擴(kuò)散和輻射效應(yīng),較好地促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展。合理的港口及臨港工業(yè)圍填海規(guī)模, 是指海洋環(huán)境可承載、資源利用可持續(xù)、與社會經(jīng)濟(jì)條件相適應(yīng)的圍填海規(guī)模, 能夠最大限度地協(xié)調(diào)圍填海與海洋資源環(huán)境保護(hù)的關(guān)系[8-9]。

劉大海[10]、于永海等[11]對圍填海適宜性評估方法進(jìn)行了研究, 解決了海岸是否適宜開展圍填海的科學(xué)問題。王靜[12]、徐敏等[13]構(gòu)建了適宜圍填規(guī)模決策模型, 研究了淤長型潮灘的適宜圍填規(guī)模。但上述研究對于所有的圍填海類型, 均采用同一套指標(biāo)體系進(jìn)行評價(jià), 針對性不強(qiáng)。對于港口及臨港工業(yè)圍填海而言, 不僅需要考慮自然環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)影響等一般因素, 還需考慮該海域是否滿足建港條件的要求, 亟需制定針對性較強(qiáng)的圍填海規(guī)模評價(jià)指標(biāo)體系。本文鑒于圍填海用于港口及臨港工業(yè)開發(fā)的趨勢, 為了促進(jìn)海洋空間資源的可持續(xù)利用, 以系統(tǒng)工程理論、多目標(biāo)決策理論和統(tǒng)計(jì)理論為基礎(chǔ), 借鑒有關(guān)數(shù)學(xué)模型建立的方法, 綜合考慮圍填海所在區(qū)域的自然條件和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展條件, 以及圍填海對海洋資源環(huán)境、社會發(fā)展和經(jīng)濟(jì)效益的影響, 構(gòu)建港口及臨港工業(yè)圍填海規(guī)模綜合評價(jià)模型, 對可能實(shí)施的圍填海方案進(jìn)行合理評價(jià), 以確定圍填海規(guī)模的適宜程度和適宜等級, 從眾多方案中篩選出最佳的港口及臨港工業(yè)圍填海規(guī)模。

1 圍填海規(guī)模評價(jià)模型框架

為了科學(xué)合理地開發(fā)利用海洋資源, 采用多目標(biāo)決策理論與方法, 構(gòu)建港口及臨港工業(yè)圍填海規(guī)模綜合評價(jià)模型, 對圍填海規(guī)模進(jìn)行合理評價(jià)。首先,綜合考慮圍填海所在海域的自然資源條件和社會經(jīng)濟(jì)條件, 以及圍填海后可能帶來的社會經(jīng)濟(jì)效益和資源環(huán)境影響, 構(gòu)建圍填海規(guī)模評價(jià)指標(biāo)體系; 其次, 全面搜集數(shù)據(jù)資料, 定量計(jì)算不同圍填海規(guī)模方案下各評價(jià)指標(biāo)因子的屬性值, 并且運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)化方法對各指標(biāo)因子的屬性值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化; 同時(shí)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)因子值運(yùn)用主客觀綜合賦權(quán)法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重; 最后運(yùn)用加權(quán)和法計(jì)算圍填海規(guī)模的綜合評價(jià)值, 確定圍填海規(guī)模所屬的評價(jià)等級。圍填海規(guī)模綜合評價(jià)模型框架如圖1所示。

圖1 港口及臨港工業(yè)圍填海規(guī)模綜合評價(jià)模型框架Fig.1 The Framework of sea reclamation scale comprehensive evaluation model

2 圍填海規(guī)模評價(jià)方法

2.1 評價(jià)指標(biāo)體系

本文在圍填海控制線范圍內(nèi), 確定一個(gè)區(qū)域的港口及臨港工業(yè)圍填海規(guī)模是否適宜, 圍填?？刂凭€主要采用數(shù)值模擬的方法, 確定不改變海域動(dòng)力格局和水道穩(wěn)定性的最大圍填外包絡(luò)線[13]。首先需考慮該區(qū)域自身的發(fā)展現(xiàn)狀, 包括自然條件和社會經(jīng)濟(jì)條件, 其次需考慮圍填海后可能帶來的影響,包括對資源環(huán)境的影響以及圍填海效益評估。由此構(gòu)建港口及臨港工業(yè)圍填海規(guī)模綜合評價(jià)指標(biāo)體系,共包括2類評價(jià)因子、4種評價(jià)要素和15個(gè)評價(jià)指標(biāo), 如表1所示。

表1 港口及臨港工業(yè)圍填海規(guī)模評價(jià)要素和評價(jià)因子Tab.1 The Evaluation Features and Factors

(1) 自然條件

判斷圍填海規(guī)模是否適宜需綜合考慮區(qū)域的自然資源和環(huán)境承載力。若研究海域的自然資源環(huán)境條件良好, 滿足深水近岸的條件, 且海洋環(huán)境容量較大, 則能夠承載大規(guī)模的圍填海; 反之, 如果該海域的自然資源環(huán)境較為脆弱, 則適宜的圍填海規(guī)模較小。為反映自然條件對圍填海的承載能力, 選取深水近岸(10 m等深線離岸距離)、岸灘資源(0 m以淺的岸灘寬度)、宜建港口規(guī)模(航道水深)、海洋環(huán)境容量這4個(gè)評價(jià)指標(biāo)。

(2) 社會經(jīng)濟(jì)條件

圍填海是沿海地區(qū)緩解土地供求矛盾、擴(kuò)大發(fā)展空間的有效手段, 如果沿海地區(qū)土地較緊張, 則有進(jìn)行圍填海建設(shè)的迫切需求, 相反, 如果區(qū)域的建設(shè)用地充足, 就無需開展大規(guī)模填海造地。此外,如果腹地經(jīng)濟(jì)水平和集疏運(yùn)條件較好, 則能夠?yàn)閰^(qū)域圍填海提供良好的條件, 驅(qū)動(dòng)大規(guī)模的港口及臨港工業(yè)圍填海。為反映社會經(jīng)濟(jì)條件對圍填海的支持和驅(qū)動(dòng), 選取港口腹地經(jīng)濟(jì)水平(單位土地面積GDP)、人均土地面積、基礎(chǔ)設(shè)施配套、集疏運(yùn)條件4個(gè)評價(jià)指標(biāo)。

(3) 資源環(huán)境影響

圍填海將對周邊海域的資源環(huán)境產(chǎn)生影響, 圍填海實(shí)施后對周邊岸灘及航道沖淤的影響, 主要在圍填?？刂凭€優(yōu)選時(shí)采用數(shù)值模擬的方法確定, 本文不再涉及。圍填海不僅會占用原有岸線, 建成后還會新增碼頭岸線, 新增的碼頭岸線越長, 則越有利于港口建設(shè)和開發(fā)。另外, 圍填海占用潮灘濕地, 破壞了海洋生物資源的生境條件, 將會造成潮間帶生物和底棲生物的損失。圍填海實(shí)施后, 進(jìn)行港口及臨港工業(yè)開發(fā), 還會排放污染物入海, 降低海域的水環(huán)境質(zhì)量。為反映圍填海對周邊海域資源環(huán)境的影響, 選取的評價(jià)因子包括: 新增碼頭岸線長度、底棲生物損失量、占用海域面積、污染物年排放量 4個(gè)評價(jià)指標(biāo)。

(4) 效益評估

圍填海形成后, 新增的土地面積可提供臨港工業(yè)發(fā)展用地, 除了圍填海自身有顯著的經(jīng)濟(jì)效益外,還可增加區(qū)域就業(yè)人口, 推動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。此外, 港口通過城市的中心帶動(dòng)作用可有效推動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展, 港口及臨港工業(yè)的規(guī)模越大, 對腹地經(jīng)濟(jì)的輻射帶動(dòng)作用越強(qiáng), 越有利于社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。為反映圍填海對社會經(jīng)濟(jì)的綜合效益評估, 選取的評價(jià)因子包括: 圍填海經(jīng)濟(jì)效益、可增加的就業(yè)人口、對區(qū)域發(fā)展的帶動(dòng)作用3個(gè)評價(jià)指標(biāo)。

2.2 評價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化

由于各評價(jià)指標(biāo)間具有不可公度性, 為了消除不同量綱和數(shù)量級對評價(jià)結(jié)果的影響, 需對評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理, 常用的標(biāo)準(zhǔn)化方法有線性變換法、標(biāo)準(zhǔn)0–1變換法、曲線變換法、向量規(guī)范化法等[14-16]。對于固定型和成本型指標(biāo), 本文采用標(biāo)準(zhǔn)0–1變換法, 對于效益型指標(biāo)則采用曲線變換法。各類型指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化方法如下。

效益型指標(biāo), 由于評價(jià)指標(biāo)值隨著圍填海規(guī)模的改變而逐漸變化, 并非是突變的, 中期變化較快,而前后期相對較慢。采用升半正態(tài)性標(biāo)準(zhǔn)化方法, 該方法主要適合于指標(biāo)中期值變化對事物發(fā)展總體水平影響較大的情況。標(biāo)準(zhǔn)化方法為:

其中,xij表示第j個(gè)目標(biāo)方案xj在第i個(gè)評價(jià)指標(biāo)fi下的屬性值,yij表示指標(biāo)屬性值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化后的標(biāo)準(zhǔn)化值, min表示各個(gè)指標(biāo)屬性值的最小值, max表示各個(gè)指標(biāo)屬性值的最大值,aj表示fj的最佳穩(wěn)定值,h表示標(biāo)準(zhǔn)化值隨著指標(biāo)屬性值開始發(fā)生變化的臨界點(diǎn),k表示變化比率。

2.3 確定指標(biāo)權(quán)重

在圍填海規(guī)模綜合評價(jià)決策的求解過程中, 指標(biāo)權(quán)重的確定是一個(gè)非常重要的問題。常用的主觀賦權(quán)法有層次分析法(AHP法)、專家調(diào)查法(Delphi法)、G1法(序關(guān)系法)等[17-19], 常用的客觀賦權(quán)法主要有主成分分析法、熵權(quán)法、CRITIC法等[20-22]?？紤]到主觀賦權(quán)法主要依賴于決策者的經(jīng)驗(yàn)和對評價(jià)指標(biāo)的主觀重視程度, 而客觀賦權(quán)法確定的指標(biāo)權(quán)重有可能與指標(biāo)的實(shí)際重要性程度相悖[23], 本文采用主客觀綜合賦權(quán)法確定各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重, 其目的是使指標(biāo)權(quán)重同時(shí)反映主客觀程度。其中, 主觀權(quán)重的確定采用 G1法(序關(guān)系法), 客觀權(quán)重的確定采用CRITIC法。

(1) 主觀權(quán)重確定

采用 G1法[19](序關(guān)系法)確定各評價(jià)指標(biāo)的主觀權(quán)重, G1法概念易懂, 計(jì)算簡便, 且無需像 AHP方法(層次分析法)一樣對評價(jià)目標(biāo)的數(shù)量有要求且需要檢測矩陣的一致性, 具有較好的可操作性。

序關(guān)系法確定主觀權(quán)重系數(shù)的方法與步驟如下:

1) 若評價(jià)指標(biāo)xi相對于某評價(jià)目標(biāo)的重要性程度不小于xj時(shí), 記為xi≥xj。若評價(jià)指標(biāo)x1,x2,···,xm相對于某評價(jià)目標(biāo)具有關(guān)系式時(shí),稱此組評價(jià)指標(biāo)建立了序關(guān)系。式中,指按照序關(guān)系排定后的第j個(gè)評價(jià)指標(biāo)。

2) 計(jì)算評價(jià)指標(biāo)xi的權(quán)重wi。設(shè)評價(jià)指標(biāo)xt-1與xt的重要性程度之比為rt, 即wt–1/wt=rt(t=m,m–1,···, 2)。當(dāng)m較大時(shí),rt可取為1。Rt的賦值見表2。

表2 G1序關(guān)系法中rt取值表Tab.2 The value of rt in the method of G1

則可解得wm為:

根據(jù)公式wt-1=rtwt(t=m,m－1,···, 2)可求得各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。

(2) 客觀權(quán)重確定

CRITIC法[22](Criteria Importance Through Inter-criteria Correlation)是由Diakoulaki提出的一種客觀賦權(quán)方法, CRITIC法的特點(diǎn)是同時(shí)考慮了指標(biāo)間的沖突性和指標(biāo)變異性這兩個(gè)重要因素。指標(biāo)間的沖突性是基于評價(jià)指標(biāo)之間的相關(guān)性進(jìn)行分析的,若兩個(gè)指標(biāo)之間具有較強(qiáng)的負(fù)相關(guān), 則表明這兩個(gè)指標(biāo)在評價(jià)方案的優(yōu)劣上反映的信息有較大的不同,沖突性較大, 權(quán)重也較高; 反之, 若兩個(gè)評價(jià)指標(biāo)之間具有較強(qiáng)的正相關(guān), 則表明沖突性較低, 權(quán)重較小。指標(biāo)變異性通過標(biāo)準(zhǔn)差來體現(xiàn), 以表明同一個(gè)評價(jià)指標(biāo)在各評價(jià)方案之間取值的差異大小, 標(biāo)準(zhǔn)差越小表明各評價(jià)方案取值的差距越小; 當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)差一定時(shí), 評價(jià)指標(biāo)的沖突性越大, 則權(quán)重越大。

假設(shè)第j個(gè)指標(biāo)與其他指標(biāo)之間的沖突性用指標(biāo)pj來量化, 計(jì)算公式為:

其中,rtj表示第j個(gè)指標(biāo)和第t個(gè)指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù),m表示指標(biāo)個(gè)數(shù)。

第j個(gè)指標(biāo)所包含的信息量Cj的計(jì)算公式為:

其中,σj為指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差, 體現(xiàn)指標(biāo)間的變異性。信息量Cj越大, 表示第j個(gè)指標(biāo)所包含的信息量越大, 則該指標(biāo)的相對重要性越大, 所賦權(quán)重也應(yīng)越大, 第j個(gè)指標(biāo)的客觀權(quán)重Wj′的計(jì)算公式為:

(3) 主客觀綜合賦權(quán)

獲得評價(jià)指標(biāo)的主觀權(quán)重和客觀權(quán)重后, 有可能出現(xiàn)主、客觀權(quán)重沖突或相悖的情況, 采用下式計(jì)算歸一化的主客觀綜合權(quán)重, 計(jì)算公式為

Wj即為主客觀綜合賦權(quán)法確定的指標(biāo)權(quán)重,Wj′為主觀權(quán)重,Wj′為客觀權(quán)重,α為主觀權(quán)重的歸一化指數(shù),β為客觀權(quán)重的歸一化指數(shù)。

2.4 評價(jià)決策

在對決策矩陣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理和確定指標(biāo)權(quán)重的基礎(chǔ)上, 可采用加權(quán)和法、加權(quán)積法、理想點(diǎn)法等方法[14,16]進(jìn)行評價(jià)決策, 本文采用線性加權(quán)和法計(jì)算港口及臨港工業(yè)圍填海規(guī)模的綜合得分。計(jì)算公式為:

其中,ICH為圍填海規(guī)模的綜合得分,m表示評價(jià)指標(biāo)的數(shù)量,Ii為評價(jià)指標(biāo)i的標(biāo)準(zhǔn)化值,wi為評價(jià)指標(biāo)i的權(quán)重。

采用線性加權(quán)和法得到圍填海規(guī)模綜合得分為0~1的連續(xù)數(shù)值。對于港口及臨港工業(yè)圍填海規(guī)模方案而言, 存在規(guī)模適宜、過大或過小三種情況, 根據(jù)本文構(gòu)建的指標(biāo)體系和賦值標(biāo)準(zhǔn), 規(guī)模適宜的評價(jià)結(jié)果得分最高, 規(guī)模過大或過小得分均較低, 因此可根據(jù)圍填海規(guī)模的綜合得分, 確定圍填海規(guī)模的適宜等級。

為了科學(xué)合理評價(jià)圍填海規(guī)模, 咨詢海洋工程和海洋資源環(huán)境領(lǐng)域?qū)＜业囊庖? 采用專家咨詢和專家打分法確定圍填海規(guī)模的評價(jià)等級, 將 0~1的連續(xù)數(shù)值劃分為三份, 即 0~0.4、0.4~0.7、0.7~1分別對應(yīng)不適宜、較適宜、適宜三種狀態(tài)。港口及臨港工業(yè)圍填海規(guī)模綜合評價(jià)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 港口及臨港工業(yè)圍填海規(guī)模評價(jià)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)Tab.3 The criterion of classification about sea reclamation scale evaluation

將各圍填海規(guī)模方案的綜合得分與評價(jià)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較, 確定圍填海規(guī)模綜合得分所屬的評價(jià)等級。若有1個(gè)以上的方案位于“適宜”區(qū)間, 則將綜合得分按照從大到小的順序進(jìn)行排列, 選取綜合得分最大的方案作為最適宜的圍填海規(guī)模。若圍填海規(guī)模綜合評價(jià)得分均較小, 位于“適宜”區(qū)間的方案為0, 則依據(jù)各評價(jià)指標(biāo)的屬性值遴選對評價(jià)結(jié)果影響較大的指標(biāo), 從而有針對性地對圍填海方案進(jìn)行優(yōu)化, 直至圍填海規(guī)模綜合評價(jià)模型計(jì)算得到的結(jié)果較佳為止。

3 腰沙港口及臨港工業(yè)圍填海規(guī)模評價(jià)

以江蘇輻射沙洲半島式淺灘——腰沙港口及臨港工業(yè)圍填海為例進(jìn)行研究。腰沙是江蘇輻射沙洲南翼面積最大的沙洲, 周邊分布有小廟洪水道和三沙洪水道兩條潮汐汊道。根據(jù)本文所述的圍填海規(guī)模評價(jià)方法, 各圍填海規(guī)模方案下(圖2)各評價(jià)指標(biāo)的屬性值如表4所示。

表4 腰沙港口及臨港工業(yè)圍填海規(guī)模方案評價(jià)指標(biāo)屬性值Tab.4 The attribute values of evaluation factors about various schemas

圖2 腰沙港口及臨港工業(yè)圍填海規(guī)模方案Fig.2 The sea reclamation scale scheme of YaoSha

采用 G1序關(guān)系法確定的主觀權(quán)重向量為:w′=(0.106, 0.051, 0.065, 0.080, 0.054, 0.046, 0.032,0.068, 0.068, 0.042, 0.034, 0.056, 0.109, 0.085,0.102)。采用 CRITIC法確定的客觀權(quán)重向量為:w′=(0.077, 0.182, 0.073, 0.049, 0.033, 0.039, 0.042,0.044, 0.058, 0.055, 0.040, 0.063, 0.064, 0.084,0.097)。在此基礎(chǔ)上, 采用主客觀綜合賦權(quán)法, 最終確定的腰沙港口及臨港工業(yè)圍填海規(guī)模評價(jià)權(quán)重向量為:W=(0.091, 0.117, 0.069, 0.065, 0.044, 0.042, 0.037,0.056, 0.063, 0.048, 0.037, 0.060, 0.087, 0.085, 0.100)。

采用線性加權(quán)和法計(jì)算圍填海規(guī)模的綜合得分,如表5所示。根據(jù)港口及臨港工業(yè)圍填海規(guī)模評價(jià)等級劃分標(biāo)準(zhǔn), 理論基面+3.0 m方案處于0.7~1的區(qū)間, 屬于適宜圍填, 由此確定理論基面+3.0 m 方案為圍填海的最優(yōu)方案。經(jīng)分析可知, 理論基面+3.0 m方案下, 圍填海面積為90.1 km2, 圍填海寬度為17.3 km,而腰沙海域0 m以淺的岸灘寬度為16.5 km, 該方案能夠最大限度的合理利用岸灘資源, 且與當(dāng)前的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平相適應(yīng), 圍填海后的社會經(jīng)濟(jì)效益顯著, 采用本文方法確定理論基面+3.0 m為圍填海的最優(yōu)方案是合理的。

表5 腰沙港口及臨港工業(yè)圍填海規(guī)模方案綜合得分Tab.5 The synthesis score of various sea reclamation schemas

4 結(jié)語

本文針對目前圍填海主要用于港口及臨港工業(yè)開發(fā)的趨勢, 構(gòu)建了港口及臨港工業(yè)圍填海規(guī)模綜合評價(jià)模型, 提出了完整的圍填海規(guī)模綜合評價(jià)方法體系。計(jì)算表明, 腰沙海域港口及臨港工業(yè)的最佳圍填海規(guī)模為理論基面+3.0 m。本文提出的指標(biāo)體系主要是針對開敞型海域的特點(diǎn)建立的, 具有一定的適用范圍, 如何根據(jù)海灣型海域的特點(diǎn)構(gòu)建針對性較強(qiáng)的評價(jià)指標(biāo)體系, 是下一步研究的方向。在今后的工作中, 可選取城鎮(zhèn)建設(shè)、農(nóng)業(yè)圍墾等類型的圍填海開展研究, 完善圍填海規(guī)模評價(jià)指標(biāo)體系。

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