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    福建海岸侵蝕風險評價研究

    2014-06-01 12:30:10羅時龍蔡鋒劉建輝雷剛王厚杰
    海洋學報 2014年9期
    關(guān)鍵詞:國家海洋局危險性矩陣

    羅時龍,蔡鋒,劉建輝,雷剛,王厚杰

    (1.國家海洋局第三海洋研究所,福建廈門 361005;2.國家海洋局南海工程勘察中心,廣東廣州 510300;3.國家海洋局海島研究中心,福建平譚 350400;4.中國海洋大學海洋地球科學學院,山東青島 266000)

    福建海岸侵蝕風險評價研究

    羅時龍1,2,蔡鋒1,3*,劉建輝3,雷剛1,王厚杰4

    (1.國家海洋局第三海洋研究所,福建廈門 361005;2.國家海洋局南海工程勘察中心,廣東廣州 510300;3.國家海洋局海島研究中心,福建平譚 350400;4.中國海洋大學海洋地球科學學院,山東青島 266000)

    海岸侵蝕和淤積一直存在于海岸帶系統(tǒng)內(nèi)并塑造著現(xiàn)在的海岸線,近年來不當?shù)娜祟惢顒右约叭驓夂蜃兓觿×撕0肚治g,導致沿海土地流失,威脅人類生命財產(chǎn)安全。本文構(gòu)建了海岸侵蝕風險評價理論體系,闡述了海岸侵蝕風險評價的方法,為海岸侵蝕風險管理提供有效指導。運用層析分析法確定評價指標權(quán)重;根據(jù)模糊集理論合成海岸侵蝕風險等級。以福建省海岸帶為例,進行了海岸侵蝕風險評價,編繪了風險評價圖,評價結(jié)果與客觀情況比較吻合,驗證了文中理論方法的適用性。本文構(gòu)建的海岸侵蝕風險評價理論體系可以推廣到其他區(qū)域,但應根據(jù)實際情況適當調(diào)整指標個數(shù)以及指標權(quán)重。

    海岸侵蝕;風險評價;層次分析法;模糊集理論;福建

    1 引言

    海岸侵蝕和淤積一直存在于海岸帶系統(tǒng)內(nèi)并塑造著現(xiàn)在的海岸線,近年來不當?shù)娜祟惢顒右约叭驓夂蜃兓觿×撕0肚治g。據(jù)最新的研究報告[1],目前我國遭受侵蝕的軟質(zhì)岸線長度為3 255.3 km(不包括港澳臺地區(qū)),其中侵蝕砂質(zhì)岸線長2 463.4 km,占全國砂質(zhì)海岸的49.5%;侵蝕粉砂淤泥質(zhì)海岸長791.9 km,占全國粉砂淤泥質(zhì)海岸的7.3%。海岸侵蝕導致海岸土地流失,危害人類生命財產(chǎn)安全,由此投入大量資金進行海岸侵蝕管理。

    海岸侵蝕風險評價對海岸侵蝕管理有重要的指導意義,為海岸侵蝕相關(guān)管理者和研究者提供參考并指導減災。表1列出了目前比較流行的海岸侵蝕評價指數(shù),由表可知,CVI指數(shù)和H指數(shù)都只考慮了自然因素的影響而忽略了社會因素,這種評價只能稱為災害危險性評價;Risk指數(shù)包含了自然的和社會的兩方面的因素,能夠完整的表達海岸侵蝕風險。然而,以上3種指數(shù)類型均沒有考慮指標權(quán)重的問題,由于每個指標對指數(shù)的貢獻不同,要想得到更符合實際情況的評價結(jié)果,必須對各個評價指標賦權(quán)。

    本文擬采用海岸侵蝕風險指數(shù),選取地質(zhì)環(huán)境危險性指標和社會經(jīng)濟易損性指標,并對指標賦權(quán),采用科學定量的現(xiàn)代綜合評價方法評定風險等級并編繪風險評價圖,指導海岸侵蝕風險管理。

    表1 海岸侵蝕指數(shù)Tab.1 Indices for coastal erosion

    2 海岸侵蝕風險評價理論體系

    2.1 風險評價體系

    據(jù)羅時龍等[5]對海岸侵蝕風險評價的定義,海岸侵蝕風險應有地質(zhì)環(huán)境危險性和社會經(jīng)濟易損性合成;其中前者包括隱形侵蝕危險性、顯形侵蝕危險性,后者包括承災體暴露性和綜合減災能力。根據(jù)前人的研究成果,并結(jié)合我國海岸侵蝕的實際狀況,通過專家咨詢確定了表2所示的13個海岸侵蝕風險評價指標。

    地質(zhì)環(huán)境危險性評價,是對海岸侵蝕孕災環(huán)境中致災因子的綜合評定過程,地質(zhì)環(huán)境危險性級別表達了災害發(fā)生的相對可能性。海岸侵蝕的致災因子包括隱形侵蝕因子和顯形侵蝕因子,其中前者由易損性、岸線變化、平均波高、相對海平面變化和城鎮(zhèn)化水平合成;后者由易損性、風暴增水和潮差合成。社會經(jīng)濟易損性評價,是對海岸侵蝕孕災環(huán)境中承災因子的綜合評定過程,社會經(jīng)濟易損性級別表達了災害影響的相對大小。海岸侵蝕的承災因子包括承災體暴露性因子和承災體綜合減災能力因子,其中暴露性因子由人口密度、地區(qū)生產(chǎn)總值和海域等合成;綜合減災能力因子由地方財政收入、海岸防護能力和土地使用和覆被變化合成。

    2.2 數(shù)據(jù)采集

    2.2.1 評價單元劃分

    海岸侵蝕風險評價單元劃分考慮如下因素:(1)海岸侵蝕的影響范圍,通常情況下海岸侵蝕影響整個海岸帶及其鄰近區(qū)域的自然環(huán)境和社會經(jīng)濟;(2)海岸侵蝕風險評價級別,如全國海岸侵蝕風險評價、省級或市級海岸侵蝕風險評價等;(3)海岸侵蝕風險評價指標的統(tǒng)計水平;(4)海岸侵蝕風險管理的行政區(qū)域限制。例如中國海岸侵蝕風險評價,以沿海的省級行政區(qū)劃為界劃分出12個評價單元,以沿海市級及縣級行政區(qū)域為界劃分出139個評價單元;福建省海岸侵蝕風險評價,以沿海的市級及縣級行政區(qū)域為界劃分出23個評價單元。

    2.2.2 評價數(shù)值分級

    數(shù)值分級是根據(jù)一定的方法和標準把評價數(shù)值所組成的數(shù)據(jù)集劃分成不同的子集或區(qū)間,借以突顯數(shù)值的個體差異性,便于制圖和讀圖[6]。數(shù)值分級應遵循數(shù)據(jù)集元素分布特征,采用合適的分級統(tǒng)計方法,并分析分級結(jié)果的適用性。常見的主要分級統(tǒng)計方法有等間距分級、分位數(shù)分級、標準差分級和自然斷點分級等。海岸侵蝕風險評價指標值數(shù)據(jù)集以及合成數(shù)據(jù)集均具有正態(tài)分布的規(guī)律,據(jù)此本文選擇標準差分級法把指標值和合成值均劃分成5個區(qū)間,對應很高、高、中等、低和很低5個等級。

    2.3 風險合成

    海岸侵蝕風險評價是建立在系統(tǒng)的地質(zhì)環(huán)境調(diào)查和社會經(jīng)濟研究基礎上的,并按一定的要求、目的和方法進行風險評定的過程。運用所選用的指標體系綜合反映地質(zhì)環(huán)境的客觀屬性,并建立相應的數(shù)學模型合成風險等級是風險評價的關(guān)鍵。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展,一些比較復雜的綜合數(shù)學模型,如概率統(tǒng)計模型、灰色系統(tǒng)模型和模糊數(shù)學模型亦逐漸被運用到評價系統(tǒng)中,其中模糊集理論在地質(zhì)環(huán)境和地質(zhì)災害評價領域得到廣泛應用[7—8]。海岸侵蝕風險評價所涉及的部分概念及評價結(jié)果的表述均涉及到模糊性概念,如某段岸線易蝕性強弱、侵蝕危險性高低以及風險大小等。參照前人的研究成果,本文選用模糊集理論評價模型,下文將詳細闡述。

    3 海岸侵蝕風險評價模型

    3.1 層次分析法求指標權(quán)重

    求權(quán)重的方法總體來說可以分為兩類:一是經(jīng)驗法,其主要優(yōu)點是由專家根據(jù)經(jīng)驗判斷,簡便易行;二是數(shù)學法,以經(jīng)驗為基礎,以數(shù)學原理為背景,具有較強的邏輯性和科學性,受到人們的歡迎。本文運用的層次分析法(analytic hierarchy process,AHP)是一種定性與定量分析相結(jié)合的數(shù)學求權(quán)方法,在決策、規(guī)劃和資源配置等方法得到廣泛的應用。AHP求權(quán)重的步驟如下:

    表2 中國海岸侵蝕風險評價體系及其數(shù)據(jù)源Tab.2 Risk assessment system for coastal erosion of China and its data sources

    (1)構(gòu)建層析分析結(jié)構(gòu),一般由自下而上由方案層、準則層和目標層構(gòu)成,本文對應指標層、因子層和風險層,如圖1所示;

    (2)以專家咨詢?yōu)橹?,通過各層元素的相對重要性比較構(gòu)造判斷矩陣;

    (3)運用線性代數(shù)的方法計算判斷矩陣的最大特征根對應的特征向量,經(jīng)過正規(guī)化處理得到權(quán)重向量。

    依據(jù)Saaty[17]的研究理論,按照圖1的層次分析結(jié)構(gòu)圖,例如對于隱形侵蝕危險性構(gòu)造的判斷矩陣D=(Dij)n×n如下:

    圖1 海岸侵蝕風險評價系統(tǒng)圖Fig.1 Operational hierarchy in coastal erosion risk assessment

    顯然矩陣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)。我們把這類矩陣稱為正反矩陣,若對于任意i、j、k均有DijDjk=Dik,則矩陣D為一致矩陣。從理論上講,當矩陣具有完全一致性時,其最大特征根λmax=n,其他特征根均為零,由式(1)可得其對應的特征向量w=(w1,w2,w3w4,w5)。若矩陣不具有完全一致性,必須對矩陣進行滿意一致性檢驗。

    式(1)是一個線性代數(shù)運算,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)運用式(2)計算判斷矩陣每一行元素的幾何平均值:

    3.2 模糊集理論合成風險

    模糊合成理論就是采用適合的運算法則,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;最后最大隸屬度原則或者模糊分布原則確定風險等級。

    3.2.1 構(gòu)造隸屬度矩陣

    構(gòu)造隸屬矩陣的關(guān)鍵是選擇適當?shù)碾`屬函數(shù),海岸侵蝕風險評價中涉及的數(shù)值上有正態(tài)分布的性質(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為標準差,am是等級區(qū)間端點的均值,隸屬函數(shù)的圖像如圖2所示。

    結(jié)合函數(shù)圖像,可知式(4)所表達的實際意義是:(1)當a值恒定時,如m=1,x對等級很低的隸屬度符合正態(tài)分布,取隸屬度值(xmi),i=1,2,3,4 5;(2)當x值恒定時,如x=x1或x2,x對各個等級的隸屬度亦符合正態(tài)分布,取隸屬度值?A(xmi)。

    圖2 正態(tài)分布隸屬函數(shù)圖像Fig.2 Functional image for normal distribution functions

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

    Rij(i,j=1,2,3,4,5)表示第i個評價指標對j等級的隸屬度,實際上矩陣中每一行代表單個評價指標對各個等級的隸屬狀況;矩陣中的每一列則代表各個評價指標對某一等級的隸屬情況。

    3.2.2 模糊合成

    海岸侵蝕風險評價系統(tǒng)中的各項指標均對風險有一定的貢獻,排除單因素否決的情形,本文選取加權(quán)平均型運算法則進行模糊合成。以隱形侵蝕危險性為例,加權(quán)平均型運算法則如下:

    Fj(j=1,2,3,4,5)表示隱形侵蝕危險性對各個等級的隸屬度,參照最大隸屬度原則,某一評價單元隱形侵蝕危險性級別為Fj|max對應的模糊等級。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。運用模糊分布原則,可以綜合等級參數(shù)和合成結(jié)果,使得評判結(jié)果更加接近實際情況。模糊分布原則的過程如下:(1)給定等級參數(shù)向量C=[1,2,3,4,5];(2)是對F的元素歸一化;(3)按照加權(quán)平均型運算法則就可以得到一個代表性的參數(shù)P;(4)對參數(shù)P組成的數(shù)集分級,確定每個評價單元的評價等級。

    4 福建海岸侵蝕風險評價

    4.1 數(shù)據(jù)處理

    根據(jù)前面的論述,參照評價指標的統(tǒng)計水平、風險評價范圍,對評價對象進行適當區(qū)劃。福建海岸侵蝕風險評價應以福建沿海行政區(qū)劃為單位劃分評價單元,以沿海市級及縣級行政區(qū)域為界劃分出23個評價單元。各個評價單元的指標數(shù)據(jù)采集以行政區(qū)劃范圍為準。按照標準差分級方法,海岸侵蝕風險評價的各指標被劃分成5個級別,由高到低對應很高、高、中等、低和很低(見表3)。

    4.2 確定權(quán)重

    表4中列出了準則層和指標層因子的權(quán)重向量,由表可知,對于隱形侵蝕危險性,易損性是5個評價指標中貢獻最大的,權(quán)重為0.506 5,其次是岸線演化水平、平均波高、相對海平面變化,城鎮(zhèn)化水平貢獻最??;對于顯現(xiàn)侵蝕危險性,易損性亦是貢獻最大,權(quán)重為0.684 5,風暴增水和潮差影響相對較??;對于暴露性,人口密度貢獻最大,權(quán)重為0.603 3,超過地區(qū)生產(chǎn)總值和海域等別權(quán)重總和;海岸防護能力對綜合減災能力最直接的影響,權(quán)重為0.584 4,地方財政收入和土地使用/覆被變化所占比例相當。

    表3 福建海岸侵蝕風險評價指標分級標準Tab.3 Classification criterions of coastal erosion risk assessment along Fujian coast

    表4 評價指標權(quán)重向量Tab.4 Weight vector of the assessment indicators

    4.3 評定風險等級

    海岸侵蝕風險等級由地質(zhì)環(huán)境危險性和社會經(jīng)濟易損性合成。如表5所示,首先合成風險等級隸屬矩陣,然后按照模糊分布合成原則,求得各個評價單元的得分后依據(jù)標準差分級方法劃分風險等級。根據(jù)海岸侵蝕風險等級評價結(jié)果,參照同類合并和優(yōu)勢突出的原則,把福建省23個評價單元劃分出若干個風險區(qū)并編繪福建省海岸侵蝕風險評價圖(見圖3)。由圖可知,福建省沿岸劃分成5級風險區(qū),即很低風險區(qū)、低風險區(qū)、中等風險區(qū)、高風險區(qū)和很高風險區(qū);從北到南總共劃出14個風險區(qū)段,其中很低風險區(qū)1段、低風險區(qū)5段、中等風險區(qū)3段、高風險區(qū)3段、很高風險區(qū)2段(見表6)。

    4.3.1 很低風險區(qū)

    很低風險區(qū)只有一段,分布于福安、寧德和羅源岸段。首先,本岸段陸地地貌以侵蝕剝蝕山地和侵蝕剝蝕丘陵為主,不易侵蝕;且岸線基本位于三沙灣和羅源灣的灣頂,受岬灣遮蔽影響,波浪強度不大,波高較小。其次,最大風暴增水和易蝕性兩項指標所占權(quán)重近90%,且各自等級較低,所以顯形侵蝕危險性等級亦不高。第三,本岸段所屬行政單位人口密度很低,海域等別為五等或六等,加之地區(qū)生產(chǎn)總值處于中等偏下水平,由此合成的暴露性等級很低。最后,此岸段人工岸線較長,部分岸段分布有紅樹林,海岸防護能力屬于中等偏上水平。

    4.3.2 低風險區(qū)

    低風險區(qū)包括5個岸段,分別是福鼎—霞浦段、平潭段、莆田段、龍海段和云霄—東山—詔安段。首先,這些岸段陸地地貌以侵蝕剝蝕山地和侵蝕剝蝕丘陵為主,但Ⅲ型海岸帶陸地地貌類型的比例增加,易蝕性增大。其次,對于顯形侵蝕危險性來說,最大風暴增水和易蝕性兩項指標各自等級處于中等偏高水平。第三,人口密度較低,海域等別亦較低,加之地區(qū)生產(chǎn)總值處于很低和低等水平,由此合成的暴露性等級很低。最后,此岸段防護岸線比例較小,人均財政收入較低以及土地使用/覆被變化中等,導致綜合減災能力處于中等或低等水平。

    表5 福建省23個評價單元海岸侵蝕風險等級Tab.5 Risk levels for coastal erosion of 23 sub-units in the Fujian Province

    表6 福建省海岸侵蝕風險區(qū)Tab.6 Coastal erosion risk zones in the Fujian Province

    4.3.3 中等風險區(qū)

    圖3 福建省海岸侵蝕風險評價圖Fig.3 Map for risk assessment of coastal erosion in the Fujian Province

    中等風險區(qū)包括3個岸段,分別是連江—福州段、福清段和仙游—泉州—惠安段。首先,這些岸段陸地地貌以Ⅱ型或Ⅲ型海岸帶陸地地貌為主,易蝕性等級較高,其他指標等級較低。其次,對于顯形侵蝕危險性來說,最大風暴增水等級較高,潮差中等。第三,這些岸段所屬行政單位人口密度很低,海域等別為不超過三等,加之地區(qū)生產(chǎn)總值處于中等水平,由此合成的暴露性等級很低。最后,這些岸段防護岸線能力中等偏高,土地使用/覆被變化中等,財政收入偏低,從而綜合減災能力處于中等偏低水平。

    4.3.4 高風險區(qū)

    高風險區(qū)包括3個岸段,分別是長樂段、南安段和漳浦段。首先,這些岸段陸地地貌以Ⅲ型海岸帶陸地地貌為主,易蝕性等級較高。其次,合成的顯形侵蝕危險性等級均處于中等水平。第三,本岸段所屬行政單位人口密度較低低,海域等別為四等或五等,加之地區(qū)生產(chǎn)總值處于中等偏低水平,由此合成的暴露性等級較低。最后,這些岸段防護岸線能力中等偏高,但土地使用/覆被變化較大,財政收入偏低,從而綜合減災能力處于中等水平。

    4.3.5 很高風險區(qū)

    很高風險區(qū)有2個岸段,分別是石獅—晉江段和廈門段。首先,這兩個岸段陸地地貌以Ⅱ型和Ⅲ型為主,易蝕性等級較高。另外,本岸段人口密度較高,海域等別亦較高,人均地區(qū)生產(chǎn)總值較高,合成的暴露性等級較高。最后,本岸段人工防護岸線比例中等偏高,地方財政收入較高,所以合成的綜合減災能力中等偏高。

    結(jié)果表明,本文構(gòu)建的海岸侵蝕風險評價理論體系適用于福建海岸侵蝕風險評價,海岸侵蝕風險劃分結(jié)果能清楚地表達各個評價單元的風險差異。由分析討論可知,海岸侵蝕風險等級和劃分結(jié)果符合福建海岸侵蝕現(xiàn)狀并具有一定的預測和指導意義。

    5 結(jié)論

    本文給出并驗證了福建海岸侵蝕風險評價的理論和方法,嘗試為海岸侵蝕風險管理提供可行有效的依據(jù)。海岸侵蝕風險評價由地質(zhì)環(huán)境危險性和社會經(jīng)濟易損性評價構(gòu)成,考慮了隱形侵蝕危險性、顯性侵蝕危險性、暴露性和綜合減災能力及其相應的影響指標,運用模糊集理論合成風險并進行風險排序。

    福建海岸侵蝕風險評價的結(jié)論得到客觀數(shù)據(jù)的支持,能為福建海岸侵蝕風險管理提供基礎信息,案例驗證了本文的理論和方法的適用性和有效性。

    本文海岸侵蝕風險評價的理論和方法涉及海洋地質(zhì)學、管理學以及數(shù)學等相關(guān)領域的內(nèi)容,是綜合多學科的研究試驗過程,文中構(gòu)建的海岸侵蝕風險評價理論體系可以推廣到其他區(qū)域,但應根據(jù)實際情況適當調(diào)整指標個數(shù)以及指標權(quán)重。需要更多的實例和應用進一步優(yōu)化。

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    Risk assessment of coastal erosion in the Fujian Province

    Luo Shilong1,2,Cai Feng1,3,Liu Jianhui3,Lei Gang1,Wang Houjie4

    (1.Third Institute of Oceanography,State Oceanic Adimistration,Xiamen 361005,China;2.South China Sea Marine Engineering Surveying Center,State Oceanic Adimistration,Guangzhou 510300,China;3.Island Research Ceater,State Oceanic Adimistration,Pingtan 350400,China;4.College of Marine Geosciences,Ocean University of China,Qingdao 266100,China)

    Coastal erosion and accretion has always existed in the coastal zone systems,and sculptured the present coastlines.However,with increasing human activities and ongoing global climate change,the coasts have been suffering more and more erosion,leading to severe land loss and aggravating financial burden.This study presented an integrated methodology for risk assessment of coastal erosion,and described the methods for coastal erosion risk assessment,and provided some helpful guidances for coastal erosion risk management.The analytic hierarchy processand the fuzzy set theory were adopted in the study to establish the methodology.Taking the Fujian coast as an example,this study assessed its coastal erosion risk and compiled the risk map,and the results obtained were consistent with the actual situation and confirmed the applicability of the method mentioned above.The system established for coastal erosion risk assessment in this study can be applied to other regions after slightly adjusting the values of the assessment indicators.

    coastal erosion;risk assessment;analytic hierarchy process;fuzzy set theory;Fujian Province

    P737.1

    A

    0253-4193(2014)09-0132-10

    羅時龍,蔡鋒,劉建輝,等.福建海岸侵蝕風險評價研究[J].海洋學報,2014,36(9):132-141,

    10.3969/j.issn.0253-4193.2014.09.015

    Luo Shilong,Cai Feng,Liu Jianhui,et al.Risk assessment of coastal erosion in the Fujian Province[J].Acta Oceanologica Sinica(in Chinese),2014,36(9):132-141,doi:10.3969/j.issn.0253-4193.2014.09.015

    2013-07-19;

    2013-11-24。

    海岸侵蝕現(xiàn)狀評價與防治技術(shù)研究項目(908-02-03-04)。

    羅時龍(1983—),男,安徽省亳州市人,博士研究生,主要從事海岸侵蝕防護與管理研究。E-mail:lsl04025@yeah.net

    *通信作者:蔡鋒,男,主要從事海洋地形地貌研究。E-mail:fcai800@126.com

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