大連太平灣近岸海域環(huán)境承載力綜合評(píng)價(jià)研究

徐雪蛟

(大連太平灣投資發(fā)展有限公司，大連 116004)

近岸海域水環(huán)境質(zhì)量是影響區(qū)域長期發(fā)展的一個(gè)重要制約因素，而承載力則直接決定了區(qū)域發(fā)展的空間與上限?？茖W(xué)有效的海域水環(huán)境質(zhì)量與承載力評(píng)價(jià)是及時(shí)掌握區(qū)域環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀的主要手段，是制定區(qū)域發(fā)展規(guī)劃的重要依據(jù)，并可為環(huán)境監(jiān)督管理決策和污染防治提供科學(xué)依據(jù)，因此受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，提出了指數(shù)評(píng)價(jià)法、狀態(tài)空間法[1]、模糊評(píng)價(jià)法[2]、物元分析法[3]、灰色聚類法[4]、投影尋蹤法[5]、集對(duì)分析法[6]、云理論法[7]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[8]等多種評(píng)價(jià)方法，對(duì)水環(huán)境質(zhì)量和承載力進(jìn)行了深入的研究，取得了大量的研究成果。

大連太平灣地理位置優(yōu)越，區(qū)位優(yōu)勢(shì)突出。太平灣港區(qū)是大連港的重要組成部分，是實(shí)施東北老工業(yè)基地振興戰(zhàn)略和《遼寧沿海經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展規(guī)劃》的重要支撐，是遼寧港口資源整合和布局功能調(diào)整、轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要載體。自2010年2月，太平灣港區(qū)被大連市政府明確為重點(diǎn)發(fā)展港區(qū)后，太平灣港區(qū)建設(shè)如火如荼。因此，工程建設(shè)海域的水環(huán)境質(zhì)量與承載力評(píng)價(jià)是推動(dòng)區(qū)域發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)相協(xié)調(diào)的重要依據(jù)。

評(píng)價(jià)的實(shí)質(zhì)是評(píng)價(jià)因子與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合的分析過程。集對(duì)分析理論[9]能夠有效處理確定與不確定性相集合的高維非線性評(píng)價(jià)問題，不確定性是該方法的主要特點(diǎn)，現(xiàn)已在數(shù)學(xué)、經(jīng)濟(jì)、資源、管理與環(huán)境等多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。因此本文采用集對(duì)分析方法、云理論法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)研究，評(píng)價(jià)了大連太平灣近岸海域32個(gè)實(shí)測(cè)站位的水環(huán)境質(zhì)量和綜合承載力；以不同時(shí)期的實(shí)測(cè)資料，研究分析工程建設(shè)與海洋環(huán)境間的相關(guān)性。

1 承載力綜合評(píng)價(jià)方法

1.1 集對(duì)分析原理

集對(duì)分析原理首先是將不確定性系統(tǒng)中的兩個(gè)集合(A和B)構(gòu)造為相互關(guān)聯(lián)的集對(duì)H(A，B)，則該集對(duì)具有同一、差異和對(duì)立的特性，組成同異反聯(lián)系度矩陣，表示集合A與B相聯(lián)系的優(yōu)劣程度，如式(1)：

(1)

μA～B=a+bi+cj

(2)

式中：a+b+c=1。

將上述3元聯(lián)系度進(jìn)一步拓展，可得如下多元聯(lián)系度

μA～B=a+b1i1+b2i2+…bmim+cj

(3)

式中：a+b1+b2+…bm+c=1；b1，b2，…bm為差異度分量；i1,i2,…,im為差異分量系數(shù)。

1.2 云理論

云模型以概率與模糊數(shù)學(xué)為理論基礎(chǔ)，以特定算法形成定性概念與定量數(shù)值之間的不確定性轉(zhuǎn)換。不確定性是客觀世界絕大多數(shù)事物和現(xiàn)象的基本屬性。云模型正是通過期望、熵和超熵3個(gè)特征數(shù)字來反映客觀世界中的隨機(jī)性和模糊性，實(shí)現(xiàn)定性概念與定量數(shù)值之間的不確定性轉(zhuǎn)換。該模型由我國學(xué)者李德毅提出，其反映了隨機(jī)性和模糊性之間的關(guān)聯(lián)，構(gòu)成了定性與定量間的相互映射，已廣泛應(yīng)用于系統(tǒng)評(píng)測(cè)、算法改進(jìn)、決策支持、智能控制、數(shù)據(jù)挖掘和知識(shí)發(fā)現(xiàn)等諸多領(lǐng)域[7]。

1.3 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由大量人工神經(jīng)元互聯(lián)組成的非線性、自適應(yīng)智能處理系統(tǒng)，通過模擬大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理、記憶信息的方式進(jìn)行信息處理。BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解決了多層前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱層學(xué)習(xí)困難的問題，促進(jìn)了多層網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，其特點(diǎn)在于在訓(xùn)練樣本的基礎(chǔ)上可逼近任意的非線性連續(xù)函數(shù)，擬合得到輸入與輸出間的函數(shù)關(guān)系。文中人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP算法模型架構(gòu)與參數(shù)等同文獻(xiàn)[8]一致。

2 環(huán)境承載力評(píng)價(jià)實(shí)例分析

2.1 研究海域

圖1 站位示意圖

大連太平灣位于遼東半島西側(cè)、大連市渤海岸線中段，屬瓦房店市轄境，地理坐標(biāo)39°52′N～40°15′N、121°32′E～122°06′E。太平灣為天然海灣，北距沈陽240 km，南距大連市區(qū)130 km；水上距營口港40 n mile，距秦皇島港96 n mile，距長興島港45 n mile。沈大高速公路北起浮渡河大橋，南至普蘭店海灣大橋，貫穿瓦房店市境內(nèi)，市內(nèi)、縣、鄉(xiāng)兩級(jí)公路以哈大公路為主干線，通往全市各地，形成了四通八達(dá)的交通網(wǎng)絡(luò)。太平灣港區(qū)距新建的濱海公路1 km，距哈大公路7 km，距沈大高速公路10 km，距哈大鐵路25 km，交通便利。

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國近岸海域水體質(zhì)量多呈下降趨勢(shì)。為保護(hù)近岸海域生態(tài)環(huán)境、支撐區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展，有效的分析評(píng)價(jià)太平灣海域水環(huán)境質(zhì)量與承載力是非常必要的前提。因此本文選擇太平灣海域32個(gè)站位(如圖1)的COD、無機(jī)氮、磷酸鹽和石油類4個(gè)實(shí)測(cè)指標(biāo)，科學(xué)評(píng)價(jià)研究海域環(huán)境承載力并檢驗(yàn)集對(duì)分析方法的有效性。32個(gè)站位的海水實(shí)際監(jiān)測(cè)水質(zhì)情況如表1，評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)按海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[10]如表2。

2.2 評(píng)價(jià)結(jié)果與分析

文中，采用集對(duì)分析方法評(píng)價(jià)過程[11]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法[8]和云理論方法[7]，以太平灣海域32個(gè)實(shí)測(cè)站位的COD、無機(jī)氮、磷酸鹽和石油類指標(biāo)，評(píng)價(jià)研究海域的水環(huán)境質(zhì)量和承載力狀況，評(píng)價(jià)結(jié)果如表3所示。

表1 32個(gè)站位海水水質(zhì)數(shù)據(jù)

表2 評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表3 32個(gè)站位的環(huán)境承載力評(píng)價(jià)結(jié)果

從表3中的評(píng)價(jià)結(jié)果可以看出：(1)所有實(shí)測(cè)站位的水環(huán)境質(zhì)量較好，均滿足Ⅰ類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，太平灣近岸海域環(huán)境承載力高；(2)集對(duì)分析方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和云理論法的評(píng)價(jià)結(jié)果是一致的，表明三種方法均是環(huán)境承載力綜合評(píng)價(jià)的有效工具。

2.3 海洋工程建設(shè)與環(huán)境質(zhì)量的相互關(guān)系分析

為落實(shí)國家東北老工業(yè)基地振興戰(zhàn)略，推動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)高效發(fā)展，大連港太平灣港區(qū)于2011年9月始建圍堰工程，2014年7月施工完畢；航道、港池疏浚和吹填造陸于2013年4月始建，2015年11月暫停施工。因此文中以太平灣港區(qū)主要施工時(shí)間(2011年9月～2015年11月)為重要節(jié)點(diǎn)，通過工程建設(shè)前中后期的環(huán)境現(xiàn)狀，分析海洋工程建設(shè)條件下的海域環(huán)境質(zhì)量狀況，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 不同時(shí)期的環(huán)境數(shù)據(jù)

從表4中的實(shí)測(cè)環(huán)境數(shù)據(jù)可以看出：(1)工程建設(shè)前中后三段時(shí)期內(nèi)，太平灣近岸海域環(huán)境質(zhì)量較好，COD、磷酸鹽、無機(jī)氮、石油類及重金屬銅、鉛、鋅、鎘和汞各指標(biāo)均滿足Ⅰ類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[10]；(2)重金屬極易附著于懸浮物而沉降于底泥中而工程建設(shè)的擾動(dòng)作用又使其二次釋放。不同的重金屬因子在海域底質(zhì)沉積物中呈現(xiàn)不同的化學(xué)形態(tài)，如：水可溶態(tài)、陽離子可變幻態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳水合氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)硫化物結(jié)合態(tài)和殘余態(tài)，受多種自然因素影響，不同形態(tài)的吸附、解吸能力差異較大[12]。受研究海域工程建設(shè)的影響，重金屬銅、鉛、鋅和重金屬鎘和汞呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)，這說明在大連太平灣海域各種重金屬與底質(zhì)沉積物的結(jié)合形態(tài)存在明顯差異，重金屬銅、鉛和鋅的工程敏感性要高于重金屬鎘和汞；(3)盡管海洋工程建設(shè)并不會(huì)直接產(chǎn)生COD、磷酸鹽和無機(jī)氮污染物，且三段時(shí)期內(nèi)各環(huán)境指標(biāo)值均較小，但亦應(yīng)看到COD、磷酸鹽和無機(jī)氮三個(gè)指標(biāo)呈增長趨勢(shì)，因此污染綜合管控與海洋環(huán)境管理工作應(yīng)常抓不懈。

3 結(jié)論

本文采用集對(duì)分析方法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法和云理論方法，以32個(gè)站位的COD、無機(jī)氮、磷酸鹽和石油類4個(gè)污染因子為承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究評(píng)價(jià)并對(duì)比分析了大連太平灣近岸海域的水環(huán)境質(zhì)量和承載力狀況；同時(shí)以不同時(shí)期實(shí)測(cè)資料分析了太平灣港區(qū)工程建設(shè)與環(huán)境質(zhì)量間的相互關(guān)系，研究結(jié)果表明：

(1)COD、無機(jī)氮、磷酸鹽和石油類4個(gè)污染因子均滿足Ⅰ類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，太平灣近岸海域水環(huán)境質(zhì)量好、環(huán)境承載力空間充足。

(2)海洋工程建設(shè)前中后三段時(shí)期內(nèi)，太平灣近岸海域環(huán)境質(zhì)量較好，均滿足Ⅰ類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；重金屬銅、鉛和鋅的工程敏感性要高于重金屬鎘和汞；應(yīng)長期、有針對(duì)性地堅(jiān)持區(qū)域污染綜合管控和環(huán)境管理工作。