基于層次分析法的生態(tài)敏感海島開發(fā)決策研究
——以江蘇沿海地區(qū)發(fā)展規(guī)劃環(huán)評為例

周家艷, 李 冰, 黃夏銀, 高 鳴, 王 水

(江蘇省環(huán)境科學研究院, 江蘇 南京 210036)

基于層次分析法的生態(tài)敏感海島開發(fā)決策研究
——以江蘇沿海地區(qū)發(fā)展規(guī)劃環(huán)評為例

周家艷, 李 冰, 黃夏銀, 高 鳴, 王 水

(江蘇省環(huán)境科學研究院, 江蘇 南京 210036)

針對生態(tài)敏感型海島開發(fā)難以決策, 特別是無法定量的難題, 首次采用層次分析法, 綜合考慮經(jīng)濟效益、社會效益、生態(tài)環(huán)境影響三方面因素, 建立4層10指標2方案綜合決策系統(tǒng), 并將其應用于江蘇沿海開發(fā)規(guī)劃環(huán)評的前三島、西太陽沙開發(fā)決策研究中。結(jié)果表明, 該決策系統(tǒng)能夠客觀體現(xiàn)系統(tǒng)要素的全面影響, 具有一定的科學性和實用價值, 對沿海開發(fā)中各類生態(tài)敏感海島及沙洲的開發(fā)決策具有重要的指導意義。

層次分析法; 海島; 開發(fā)決策; 規(guī)劃環(huán)評

海島是地球上不可或缺的重要組成部分, 在全球生物多樣性的保護中扮演著重要角色。同時由于其特有的獨立性, 海島對于人類活動異常敏感。近幾個世紀來, 由于人類活動的加劇, 海島生態(tài)已遭受嚴重影響。過去的400 a, 全球消失的植物物種中, 約62.5%為島嶼物種[1-2]。

中國目前擁有海島7 371個, 島嶼面積約占全國陸地面積的 8%, 島嶼岸線達全國海岸線總長的43.2%。由于海島(含屬于低潮高地的沙洲)[3], 是國土的重要組成部分, 不僅在維護國家主權(quán)和領(lǐng)海中具有重要的地位, 同時, 由于其擁有豐富的資源, 經(jīng)濟發(fā)展?jié)摿薮? 而備受關(guān)注。改革開放以來, 中國海島經(jīng)濟取得了長足的發(fā)展, 然而由于開發(fā)利用的不當, 由人類活動所帶來的問題卻越來越突出。部分海島的資源開發(fā)出現(xiàn)透支, 海島生物多樣性喪失, 淡水資源緊張, 周圍海域污染嚴重, 海島生態(tài)不斷惡化[4]。

近年來, 海島的開發(fā)、保護和生態(tài)修復日益受到關(guān)注[1-2]。中國于2009年頒布了《中華人民共和國海島保護法》, 首次對海島保護、開發(fā)、建設以及管理工作進行了法律層面的規(guī)范。然而從技術(shù)角度, 因受到經(jīng)濟、社會、環(huán)境等諸多因素的影響, 迄今為止還缺乏系統(tǒng)性與定量化的海島開發(fā)策略綜合評價和決策體系。

在對受多種不能定量表示的定性因子影響的問題進行綜合評價時, 國內(nèi)外常采用的方法有層次分析法(Analytic Hierarchy Process, 簡稱AHP)、灰色關(guān)聯(lián)法、灰色局勢決策法、模糊綜合評價法等, 其中使用頻率最高的就是層次分析法。層次分析法是一種定性與定量相結(jié)合的系統(tǒng)分析方法。由于具有易操作性、實用性和系統(tǒng)性等優(yōu)點, 已經(jīng)廣泛應用于復雜社會、經(jīng)濟和環(huán)境系統(tǒng)的分析、評價與決策過程中[5-7]。近年來, 隨著規(guī)劃環(huán)評工作的深入推進, 層次分析法也被逐漸引入到規(guī)劃環(huán)評的多方案目標決策中[8-9]。

本文首次嘗試運用層次分析法, 建立了適用于生態(tài)敏感海島開發(fā)決策的技術(shù)模型, 并將其成功應用至江蘇沿海地區(qū)發(fā)展規(guī)劃環(huán)評中前三島、西太陽沙的開發(fā)決策研究中, 有效指導了江蘇沿海開發(fā)中的生態(tài)敏感海島/沙洲的開發(fā)決策。

1 生態(tài)敏感海島開發(fā)的AHP決策系統(tǒng)

層次分析法是20世紀 70年代中期由美國運籌學家Saaty提出來的一種系統(tǒng)規(guī)劃方法, 其基本思想是: 將評價系統(tǒng)中有關(guān)替代方案的各種要素分解成若干層次, 再以上一層要素為準則, 對同一層次的各種要素進行兩兩判斷比較并計算出各要素的權(quán)重,根據(jù)綜合權(quán)重按最大權(quán)重原則確定最優(yōu)方案[10-11]。一般經(jīng)過4個步驟: 建立遞階層次結(jié)構(gòu)、構(gòu)建判斷矩陣、層次單排序與一致性檢驗、層次總排序與一致性檢驗。

1.1 建立遞階層次結(jié)構(gòu)

從經(jīng)濟、社會和環(huán)境三方面, 分析海島開發(fā)方案實施后可能造成的效益/影響, 并將其影響因素分為A,B,C三個層次。其中A層是總目標層, 即最合適的海島開發(fā)策略;B層是準則層, 即實現(xiàn)總目標層的三方面影響因素;C層是指標層, 即達到總目標層和準則層的各種條件, 共10項指標。

再考慮目前可供選擇的開發(fā)方式, 建立方案層(D層)。從而建立生態(tài)敏感海島開發(fā)決策的遞階層次結(jié)構(gòu)模型。如圖1所示。

圖1 生態(tài)敏感海島開發(fā)決策的遞階層次結(jié)構(gòu)Fig. 1 Hierarchical structure of ecologically sensitive island development decision

1.2 構(gòu)建判斷矩陣并賦值

采用 1~9標度法, 由專家打分構(gòu)造出兩兩比較判斷矩陣[11]并賦值, 確定每個元素對上一層次的相對重要性。

表1為環(huán)境因素B2與對其產(chǎn)生影響的各個因子C3～C6構(gòu)建的判斷矩陣, 其余判斷矩陣構(gòu)建方法相同。

表1 B2對C3~C6構(gòu)建的判斷矩陣Tab. 1 Comparison matrix B2-C3～C6

1.3 層次單排序與一致性檢驗

層次單排序是指: 根據(jù)判斷矩陣, 計算對于上一層某因素而言, 本層次與之有聯(lián)系的因素的重要性次序的權(quán)值。它是本層次所有因素相對上一層而言的重要性進行排序的基礎(chǔ)。

層次單排序可以歸結(jié)為計算判斷矩陣的特征根和特征向量問題, 計算方法有特征根法、和積法、根法、冪法等。其中和積法是一種簡化的計算方法, 本處選用和積法計算判斷矩陣的最大特征根及特征向量。

1.3.1 用和積法計算判斷矩陣的最大特征根及特征向量

將判斷矩陣A每一列歸一化:

每一列經(jīng)歸一化后的判斷矩陣按行相加:

所得到W=[W1,W2,W3……Wn]T即為所求特征向量。

計算判斷矩陣最大特征根λmax:

式中A表示判斷矩陣, (AW)i表示向量AW的第i個分量。

B2對C3～C6構(gòu)建的判斷矩陣, 按照上述方法,求得最大特征根為λmax=4.0394及其對應的特征向量WB2=(0.0967, 0.5832, 0.2234, 0.0967)。其中, 特征向量WB2就是指標層C3～C6對準則層B2的重要性順序,也就是權(quán)重系數(shù)的分配。

1.3.2 一致性檢驗

矩陣一致性指標IC=(max-n)(n-1)

對于 1~9階矩陣, 同階平均隨機一致性指標IR分別如表2所示。

表2 1~9階矩陣的平均隨機一致性指標Tab. 2 Average random consistency index of 1~9 order matrix

當階數(shù)n≤2時, 認為 1階、2階判斷矩陣總是完全一致的。當階數(shù)n＞2時,IC與IR之比, 稱為判斷矩陣的隨機一致性比例, 記為RC。當RC=IC/IR＜0.1時, 認為判斷矩陣具有滿意的一致性, 即權(quán)重的分配是合理的。否則, 調(diào)整判斷矩陣的元素取值, 重新分配權(quán)重的值。

對于判斷矩陣B2-C3-6, ( )( )I=Cmax-nn-1＝(4.0394－4)/(4－1)=0.0131, 查找一致性指標IR(表 2),當n=4時, 一致性指標IR=0.90, 則判斷矩陣B2-C3-6的一致性比例為

顯然, 判斷矩陣B2-C3-6具有滿意一致性, 故特征向量可以作為各指標的權(quán)重。其余矩陣特征向量計算及其一致性檢驗方法相同。

1.4 層次總排序與一致性檢驗

層次總排序是指每一個判斷矩陣各因素針對目標層(最上層)的相對權(quán)重。這一權(quán)重的計算采用從上而下的方法, 逐層合成。同樣, 也需要對總排序結(jié)果進行一致性檢驗。

表3為C層各指標對A層總排序結(jié)果, 即為生態(tài)敏感海島開發(fā)決策系統(tǒng)的各指標權(quán)重。其中, 權(quán)重最大的為經(jīng)濟效益因素, 其次為生態(tài)環(huán)境影響, 社會效益因素所占權(quán)重稍低。說明要提高開發(fā)策略的可行度, 需要著重提高開發(fā)產(chǎn)生的經(jīng)濟效益, 同時最大限度地降低可能帶來的生態(tài)環(huán)境影響。在社會效益指標中, 對國家安全的影響也是開發(fā)決策中需要重點考慮的因素, 其所占權(quán)重僅次于間接經(jīng)濟效益。

表3 C層各指標對A層總排序列Tab. 3 The sorting order of each indicator of C-layer in A-layer

2 江蘇沿海地區(qū)發(fā)展規(guī)劃環(huán)評中的應用實例研究

江蘇沿海地區(qū)包括連云港、鹽城和南通三市, 海岸線長954 km, 南部毗鄰中國最大的經(jīng)濟中心上海,北部擁有新亞歐大陸橋東橋頭堡連云港, 東與日本、韓國隔海相望。為充分發(fā)揮這一地區(qū)的戰(zhàn)略優(yōu)勢, 將其發(fā)展為中國東部地區(qū)新的經(jīng)濟增長點,2009年 6月 10日, 國務院常務會議討論并原則通過《江蘇沿海地區(qū)發(fā)展規(guī)劃》, 江蘇沿海開發(fā)正式上升成為國家戰(zhàn)略。該規(guī)劃的實施對于促進江蘇蘇北地區(qū)的全面振興、完善長三角乃至全國沿海生產(chǎn)力的整體布局、帶動中部崛起和西部大開發(fā)具有重要的戰(zhàn)略意義。

同時, 江蘇沿海地區(qū)也是中國沿海生物多樣性保護的三大關(guān)鍵地區(qū)之一。鹽城濕地珍禽和大豐麋鹿 2個國家級自然保護區(qū)被列入“國際重要濕地名錄”; 江蘇近海海域分布有前三島鳥類特別保護區(qū)、呂四漁場特別保護區(qū)等海洋保護區(qū)、18個增殖區(qū)、731 km2的重要漁業(yè)水域, 以及珍稀、經(jīng)濟海洋生物的洄游通道、產(chǎn)卵場、索餌場等重要生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)。為科學指導沿海開發(fā)工作, 使江蘇沿海地區(qū)經(jīng)濟、社會與環(huán)境協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展, 江蘇沿海地區(qū)發(fā)展規(guī)劃環(huán)評工作被納入環(huán)保部試點。

本文針對江蘇沿海開發(fā)規(guī)劃中的重要海島——前三島、西太陽沙, 運用上述層次分析法決策系統(tǒng),對其開發(fā)決策進行研究, 并為江蘇沿海開發(fā)的協(xié)調(diào)、可持續(xù)推進提供指導。

2.1 前三島開發(fā)決策研究

前三島位于海州灣中部, 包括平山島、達山島、車牛山島等12處島礁, 因其位于連云港海防的最前線, 故被稱作為前三島。由于其天然深水條件, 具有優(yōu)越的天然港址條件, 已成為連云港乃至江蘇沿海建設大型深水海港的重要選址。因此, 在第一稿《江蘇沿海開發(fā)規(guī)劃》中, 前三島曾被列為重要開發(fā)節(jié)點,重點建設大型原油碼頭和地面石油儲備庫。該方案的實施可以為徐圩石化基地的發(fā)展提供有力的支撐,對于江蘇沿海開發(fā)的龍頭——連云港的發(fā)展具有重要意義。

但同時, 前三島是海州灣漁場的核心, 其周邊海域分布有眾多珍稀、經(jīng)濟海洋生物的產(chǎn)卵場、索餌場和洄游通道, 是江蘇省唯一的海珍品基地。前三島也是中國著名的“黃海鳥島”, 是海鳥繁殖和候鳥南北遷徙必經(jīng)的“海上驛站”。島上鳥類達 130多種,其中《中日候鳥保護協(xié)定》規(guī)定保護的鳥類73種, 國家一級、二級保護鳥類近20種。

總之, 由于前三島特殊的生態(tài)地位, 開發(fā)與保護的矛盾也異常突出。

利用本文構(gòu)建的決策系統(tǒng), 對前三島開發(fā)策略進行研究。根據(jù)江蘇沿海地區(qū)發(fā)展規(guī)劃, 設立具體方案如下:

方案一(D1): 保持原狀, 不實施開發(fā);

方案二(D2): 建設前三島原油碼頭和地面石油儲備庫(規(guī)劃擬實施方案)。

采用層次分析法決策系統(tǒng), 對C層各指標與D層方案分別構(gòu)建10個判斷矩陣, 針對10個判斷矩陣得到備選方案在各指標上的優(yōu)勢度權(quán)重。再利用上述層次分析法決策系統(tǒng)中C層各指標對A層目標的權(quán)重, 可計算得D層各方案對A層目標的總排序(表4), 即為備選方案的綜合優(yōu)勢度權(quán)重。根據(jù)綜合權(quán)重,按最大權(quán)重原則確定最優(yōu)方案, 即為生態(tài)敏感海島的最佳開發(fā)策略。

表4 D層各方案對A層總排序列Tab. 4 The sorting order of each indicator of D-layer in A-layer

矩陣A-D1-2的層次總排序(0.5124, 0.4876)T, 說明了前三島不開發(fā)、建設前三島原油碼頭和地面石油儲備庫兩個備選方案的得分?？梢钥闯?D1＞D2,即前三島不開發(fā)方案得分稍高。按照最大權(quán)重原則,兩個方案的優(yōu)劣順序為: D1稍優(yōu), D2稍劣, 因此方案D1(保持原狀, 不實施開發(fā))為較理想選擇。

根據(jù)研究結(jié)果, 對江蘇沿海開發(fā)規(guī)劃提出了加強前三島生態(tài)保護, 限制開發(fā)的建議。由于研究成果及時反饋回規(guī)劃, 并為規(guī)劃編制單位認可、采納, 從而有效提升了生態(tài)環(huán)境保護在規(guī)劃中的地位, 避免了盲目開發(fā)帶來的巨大生態(tài)損失。

2.2 西太陽沙開發(fā)決策研究

輻射沙洲是江蘇省近岸海域獨有的自然資源,其規(guī)模之大、形態(tài)之異、海區(qū)潮流與地質(zhì)地貌之復雜多變在國內(nèi)外都是極為罕見的。近幾年來, 隨著海洋開發(fā)進程的不斷加快, 輻射沙洲越來越受到社會各界的關(guān)注和重視, 成為開發(fā)利用的熱點。

西太陽沙是江蘇省南通市如東縣的海濱輻射沙洲。因其南部爛沙洋深槽水深大, 深水范圍寬, 且水道順直, 掩護條件好, 可直通深水航道, 成為建設外海開敞式碼頭的優(yōu)良港址。在江蘇沿海開發(fā)規(guī)劃中,擬依托西太陽沙建設人工島工程, 發(fā)展港口物流。該工程的建設可極大促進陸域臨港產(chǎn)業(yè)基地的開發(fā)建設, 帶動如東縣乃至整個南通市的產(chǎn)業(yè)發(fā)展和社會經(jīng)濟進步。

同時, 西太陽沙所在海域也是如東縣重要的漁業(yè)水域, 分布有大面積海洋漁業(yè)養(yǎng)殖區(qū), 漁業(yè)養(yǎng)殖資源的損失是人工島開發(fā)建設決策中不可忽視的負面因素。

同樣, 利用本文構(gòu)建的生態(tài)敏感海島開發(fā)決策系統(tǒng), 對西太陽沙開發(fā)策略進行研究。根據(jù)江蘇沿海地區(qū)發(fā)展規(guī)劃, 設立具體方案如下:

方案一(D1): 保持原狀, 不實施開發(fā);

方案二(D2): 建設人工島工程, 發(fā)展港口物流,成為天然氣項目LNG接收站、油品及化學品中轉(zhuǎn)儲區(qū)、礦石及煤炭中轉(zhuǎn)堆場和碼頭建設用地(規(guī)劃擬實施方案)。

同上, 采用層次分析法決策系統(tǒng), 計算得 D層各方案對A層目標的總排序, 見表4。

矩陣A-D1-2的層次總排序(0.4557, 0.5443)T可以看出, D2＞D1, 即建設西太陽沙人工島工程, 發(fā)展港口物流得分稍高。按照最大權(quán)重原則, 兩個方案的優(yōu)劣順序: D2稍優(yōu), D1稍劣, 表明方案 D2(建設人工島工程, 發(fā)展港口物流)為較理想選擇。

2.3 結(jié)果與討論

對于前三島, D2方案的主要缺陷在于: 前三島及其周邊海域的生態(tài)價值獨特, 開發(fā)所可能帶來的環(huán)境風險和生態(tài)環(huán)境影響顯著, 從而使得 D2方案得分相對較低。對于西太陽沙, D2方案的主要優(yōu)勢在于:西太陽沙建設人工島工程, 發(fā)展港口物流所帶來的生態(tài)環(huán)境不利影響有限, 而產(chǎn)生的經(jīng)濟和社會效益相對顯著, 從而使得 D2方案得分相對較高。上述兩個不同類型海島開發(fā)決策的案例實踐表明: (1)生態(tài)環(huán)境影響是海島開發(fā)決策中的重要因素。規(guī)劃過程以及海島開發(fā)方案的制定中, 應盡可能通過改進開發(fā)方式, 采取有效的生態(tài)環(huán)境防治措施等, 最大限度降低生態(tài)環(huán)境不利影響, 使開發(fā)策略不斷趨于優(yōu)化, 提高決策的可行度。(2)本文建立的4層10指標2方案綜合決策系統(tǒng)能夠客觀體現(xiàn)系統(tǒng)要素的全面影響, 適用于各類生態(tài)敏感海島/沙洲的開發(fā)決策,具有一定的科學性和實用價值。

3 結(jié)論

采用層次分析法, 建立了適用于各類生態(tài)敏感海島/沙洲開發(fā)的綜合評價、決策系統(tǒng), 科學、實用;將該系統(tǒng)成功應用于江蘇沿海開發(fā)規(guī)劃環(huán)評中, 有效指導了江蘇沿海開發(fā)規(guī)劃中前三島、西太陽沙的開發(fā)決策。研究表明, 經(jīng)濟效益和生態(tài)環(huán)境影響是海島開發(fā)決策系統(tǒng)中的重要因素, 需在著重提高開發(fā)產(chǎn)生的經(jīng)濟效益的同時, 最大限度地降低可能帶來的生態(tài)環(huán)境影響, 提高決策的可行度。同時, 海島的開發(fā)是一個復雜多變的系統(tǒng), 模型在實用過程中尚需要根據(jù)實際開發(fā)效果, 不斷完善評價指標體系,并對指標權(quán)重進行科學優(yōu)化, 不斷提升決策系統(tǒng)的科學性和合理性。

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Development decision of ecologically sensitive island based on analytic hierarchy process——A case on environmental impact assessment of development planning in Jiangsu coastal areas

ZHOU Jia-yan, LI Bing, HUANG Xia-yin, GAO Ming, WANG Shui
(Jiangsu Provincial Academy of Environmental Science, Nanjing 210036, China)

Aug., 4, 2010

analytic hierarchy process; island; decision of the exploitation; plan environmental impact assessment

To make the decision of ecologically sensitive island development easier, a comprehensive evaluation system was established using the analytic hierarchy process (AHP). In this system, the impacts of economic, social,and ecological environmental were considered, and 10 indicators on four levels were constructed to produce two action plans.Using the system, we investigated the development decision of Qiansandao Island and Xitaiyangsha Cay. The results showed that the system could reflect the impact of various elements. The results had an important significance for decision of ecologically sensitive island development.

X22

A

1000-3096(2012)05-0018-06

2010-08-04;

2012-01-16

江蘇省自然科學基金項目(BK2009454)

周家艷(1980-), 女, 江蘇儀征人, 工程師, 碩士, 主要從事環(huán)境規(guī)劃、政策與管理的研究, 電話: 13809031202, E-mail:z_jiayan@hotmail.com

(本文編輯：劉珊珊)