海堤生態(tài)化建設(shè)適宜性評(píng)價(jià)研究及應(yīng)用

徐 偉，陳 淳，劉建輝，陶愛峰，陳 勇，張珍瑤

(1.自然資源部海島研究中心，福建 平潭 350400；2.自然資源部第三海洋研究所，福建 廈門 361005；3.河海大學(xué)海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098；4.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098)

我國自北向南擁有18 000多公里的大陸岸線，截至2015年底，全國已建成海堤總長(zhǎng)度1.45萬公里[1]。總體來看，已建海堤主要采取硬防護(hù)工程，對(duì)周邊的生態(tài)環(huán)境造成了一定影響。隨著我國生態(tài)文明建設(shè)不斷推進(jìn)，《全國海堤建設(shè)方案》[1]和《圍填海工程生態(tài)建設(shè)技術(shù)指南(試行)》[2]提出將“海堤建設(shè)”和“綠色發(fā)展、生態(tài)化”理念相結(jié)合，國家對(duì)生態(tài)海堤建設(shè)愈加重視。為進(jìn)一步提升抵御臺(tái)風(fēng)、風(fēng)暴潮等海洋災(zāi)害的能力，有關(guān)部門正逐步開展海岸帶保護(hù)修復(fù)工程，建設(shè)生態(tài)海堤。

國外對(duì)海岸帶的生態(tài)環(huán)境問題關(guān)注較早，美國、荷蘭等一些發(fā)達(dá)國家已開展了著名的“活力岸線”工程。近年來提及較多的“Building with Nature”理念是一種水基礎(chǔ)設(shè)施的新型設(shè)計(jì)理念，旨在尋求與沿海可持續(xù)發(fā)展相關(guān)的新思維和行動(dòng)方式[3]。同時(shí)越來越多的學(xué)者們對(duì)海岸生態(tài)防護(hù)展開研究，例如Nandasena等(2012)運(yùn)用一種改進(jìn)的二維深度積分淺水模型分析了人工、自然結(jié)構(gòu)對(duì)海嘯減災(zāi)的有效性[4]，結(jié)果表明沙丘型植被是減輕海嘯危害的主要原因。Sella等(2015)證明了沿海、海洋基礎(chǔ)設(shè)施通過采用生態(tài)設(shè)計(jì)的專有混凝土可以增加結(jié)構(gòu)的生態(tài)服務(wù)功能，而不會(huì)影響其結(jié)構(gòu)性能[5]。Bugnot等(2018)通過模仿位于潮間帶的巖石池的保水特征，觀察其表面結(jié)構(gòu)與物種豐富度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)物種豐富度受結(jié)構(gòu)的影響明顯，隨著表面結(jié)構(gòu)接近自然狀態(tài)，物種豐富度呈上升趨勢(shì)[6]。Aguilera(2017)通過對(duì)比智利北部人工構(gòu)筑物和自然棲息地中物種豐富度的差異，提出基于智利棲息地恢復(fù)和沿海規(guī)劃的生態(tài)工程[7]。這些研究主要通過比較自然結(jié)構(gòu)和人工結(jié)構(gòu)對(duì)防護(hù)功能和物種豐富度的影響，為進(jìn)一步開展海岸生態(tài)防護(hù)提供了研究支撐。

相比國外海岸生態(tài)防護(hù)研究，我國生態(tài)海堤的研究尚處于起步階段，但在其功能、組成和應(yīng)用探索方面已有相關(guān)研究。在生態(tài)海堤的功能方面，范航清等(2017)提出生態(tài)海堤至少要滿足物理、生態(tài)和文化三大功能[8]；在生態(tài)海堤的組成部分方面，《2017年中國海平面公報(bào)》中提到，生態(tài)海堤一般由離岸堤、岸灘植被和海堤三部分組成[9]；趙鵬等(2019)認(rèn)為生態(tài)海堤主要包括離岸防護(hù)、海向淺灘、海堤堤身三個(gè)系統(tǒng)[10]；在生態(tài)海堤的應(yīng)用探索方面，張?jiān)路?2018)從設(shè)計(jì)要點(diǎn)、質(zhì)量控制和技術(shù)管理三個(gè)方面對(duì)生態(tài)海堤進(jìn)行研究[11]；李鳳麗等(2019)通過分析濕地公園中海堤與紅樹林的關(guān)系，對(duì)生態(tài)海堤建設(shè)模式展開探索[12]；徐偉等(2019)借鑒國際上海岸帶生態(tài)防護(hù)的理念和案例，結(jié)合國內(nèi)已開展的生態(tài)海堤實(shí)踐，提出不同岸線的生態(tài)防護(hù)組合模式[13]。對(duì)生態(tài)海堤的內(nèi)涵而言，《圍填海工程海堤生態(tài)化建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》中明確提出，“海堤生態(tài)化建設(shè)”是保證海堤防潮御災(zāi)能力，優(yōu)化海堤空間布局，采用生態(tài)材料，恢復(fù)生物群落，在堤前、堤身、堤后實(shí)施生態(tài)保護(hù)修復(fù)的活動(dòng)[14]。對(duì)生態(tài)海堤適宜性而言，相關(guān)研究較少，但適宜性評(píng)價(jià)在陸地開發(fā)[15-16]、海岸帶開發(fā)[17-18]、海島開發(fā)[19-20]等領(lǐng)域已有大量研究。

本研究針對(duì)生態(tài)海堤適宜性評(píng)價(jià)研究較少的問題，采用層次分析法[21]，在分析海堤災(zāi)害防御能力和海堤周邊生態(tài)環(huán)境的基礎(chǔ)上，構(gòu)建一套海堤生態(tài)化建設(shè)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系與方法，并以平潭島裕藩海堤為例，對(duì)裕藩海堤生態(tài)化建設(shè)適宜性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 數(shù)據(jù)資料和研究方法

1.1 數(shù)據(jù)資料

平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)位于福建省東部沿海，是大陸距臺(tái)灣最近的地區(qū)，由大小126個(gè)島嶼、167個(gè)巖礁組成，總面積370.9 km2，海域面積6 064 km2，其主島海壇島為福建省第一大島、全國第五大島。裕藩海堤位于海壇島東北部，流水鎮(zhèn)東南方(圖1)，全長(zhǎng)1.65 km，呈半弧形，海堤走向?yàn)槲髂舷颍Ｗo(hù)8個(gè)行政村，保護(hù)面積0.34萬畝、耕地面積0.23萬畝，保護(hù)人口1.4萬人。該海堤建成于1973年，前后經(jīng)過1990、2011年兩次較大規(guī)模的加固，現(xiàn)設(shè)計(jì)高潮位4.19 m，堤頂高程6.6 m，堤頂寬度4.0 m，最大堤高4.9 m，堤基為粉砂層，防潮標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，海堤斷面示意圖見圖2。經(jīng)過多年運(yùn)行，臨海側(cè)被淘刷十分嚴(yán)重，每當(dāng)風(fēng)暴潮來臨之際需采取搶險(xiǎn)措施，堤后緊鄰魚蝦養(yǎng)殖區(qū)，堤身存在較高的風(fēng)險(xiǎn)，已不能對(duì)風(fēng)暴潮進(jìn)行有效防御，且缺乏景觀性(圖3)。研究所用的生態(tài)數(shù)據(jù)來源于廈門大學(xué)對(duì)海壇灣環(huán)境與資源的監(jiān)測(cè)調(diào)查數(shù)據(jù)；部分?jǐn)?shù)據(jù)來源于歷史統(tǒng)計(jì)資料，例如風(fēng)暴潮危險(xiǎn)性、海岸侵蝕強(qiáng)度等；潮間帶寬度、護(hù)面塊體完整性相關(guān)數(shù)據(jù)通過實(shí)地勘測(cè)獲取等。

圖1 裕藩海堤位置示意圖

圖2 裕藩海堤斷面示意圖

圖3 裕藩海堤現(xiàn)場(chǎng)照片

1.2 研究方法

1.2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立 海堤生態(tài)化建設(shè)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇遵循以下原則：①系統(tǒng)性原則。選取的指標(biāo)既要從不同的側(cè)面反映出海堤自身及周邊生態(tài)環(huán)境的主要特征和狀況，又能體現(xiàn)系統(tǒng)間的內(nèi)在聯(lián)系。②代表性原則。指標(biāo)應(yīng)具有某個(gè)方面的典型性和代表性，避免選擇意義相近或重復(fù)的指標(biāo)，指標(biāo)必須含義簡(jiǎn)明且易于計(jì)算。③可度量性原則。選取的指標(biāo)盡量以生態(tài)環(huán)境常規(guī)監(jiān)測(cè)和社會(huì)統(tǒng)計(jì)中普遍選用的指標(biāo)為基礎(chǔ)，以便于對(duì)指標(biāo)進(jìn)行量化。海堤生態(tài)化應(yīng)滿足“保障防災(zāi)能力、提升生態(tài)功能”的基本要求，因此從海堤災(zāi)害防御能力和海堤周邊生態(tài)環(huán)境兩個(gè)角度分別構(gòu)建指標(biāo)體系(表1)。海堤災(zāi)害防御能力目標(biāo)層包括海洋災(zāi)害、海堤現(xiàn)狀和孕災(zāi)環(huán)境3個(gè)準(zhǔn)則層的6個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)；海堤周邊生態(tài)環(huán)境目標(biāo)層包括生境質(zhì)量和生態(tài)服務(wù)性2個(gè)準(zhǔn)則層的5個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

表1 海堤生態(tài)化建設(shè)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

1.2.2 指標(biāo)權(quán)重的確定 在對(duì)海堤生態(tài)化建設(shè)適宜性進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，為最大程度地降低評(píng)價(jià)過程中的主觀性和片面性，將層次分析法和德爾菲法相結(jié)合，共同確定指標(biāo)權(quán)重。首先建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型，形成判斷矩陣，通過咨詢了兩輪專家的意見并對(duì)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，最后進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，確定出指標(biāo)權(quán)重。當(dāng)一致性指數(shù)CR值小于0.1時(shí)，表示判斷矩陣一致性可以接受。海堤災(zāi)害防御能力評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重結(jié)果見表2，海堤周邊生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重結(jié)果見表3。

表2 海堤災(zāi)害防御能力評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

表3 海堤周邊生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

1.2.3 指標(biāo)量化處理標(biāo)準(zhǔn) 評(píng)價(jià)體系中各指標(biāo)的類型復(fù)雜，且量綱不統(tǒng)一，缺乏可比性。因此，在運(yùn)用上述指標(biāo)時(shí)，需要對(duì)指標(biāo)因子進(jìn)行量化處理，對(duì)不同的等級(jí)劃分賦予不同分值。本研究參考《中國海島生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)》的研究?jī)?nèi)容[22]，將海堤災(zāi)害防御能力和海堤周邊生態(tài)環(huán)境劃分為3個(gè)等級(jí)：[70, 100]區(qū)間內(nèi)為好、[40, 70)區(qū)間內(nèi)為一般、[0, 40)區(qū)間內(nèi)為差。其中部分指標(biāo)可根據(jù)已頒布實(shí)施的國家、行業(yè)及地方標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行量化處理，例如風(fēng)暴潮危險(xiǎn)性[23-24]、海岸侵蝕強(qiáng)度[25]、海水水質(zhì)[26]、沉積物質(zhì)量[27]、底棲生物多樣性[22，28]、護(hù)面塊體結(jié)構(gòu)粗糙度[29]；部分指標(biāo)目前尚為形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，需借鑒前人的研究成果并進(jìn)一步處理，例如平均潮差[30-31]，堤身整體穩(wěn)定性等級(jí)劃分主要基于謝婕等(2016)在海堤安全評(píng)價(jià)方面的研究成果，安全系數(shù)評(píng)價(jià)值越高表征海堤整體穩(wěn)定性越好[32]；潮間帶寬度根據(jù)我國海岸帶實(shí)際情況劃分，砂質(zhì)岸線潮間帶寬度一般為數(shù)百米，淤泥質(zhì)岸線潮間帶寬度在渤海、黃海、東海一般為3～18 km[33-34]，因此潮間帶寬度在此范圍內(nèi)劃分等級(jí)；景觀自然性考慮堤后200 m緩沖區(qū)域的景觀自然構(gòu)成比例[35]，并將其按照3個(gè)等級(jí)進(jìn)行劃分，景觀自然構(gòu)成比越高，表明當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境越好，具體量化標(biāo)準(zhǔn)見表4。

表4 海堤生態(tài)化建設(shè)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)量化處理標(biāo)準(zhǔn)

1.2.4 賦值方法 根據(jù)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)范圍，采用隸屬度賦值法，具體計(jì)算見下式：

(1)

(遞增型，參考標(biāo)準(zhǔn)與對(duì)應(yīng)分值呈正向變化)

(2)

(遞減型，參考標(biāo)準(zhǔn)與對(duì)應(yīng)分值呈反向變化)

式(1、2)中：Y為評(píng)價(jià)指標(biāo)的賦值；X為評(píng)價(jià)指標(biāo)的量值；Bmax和Bmin分別為評(píng)價(jià)指標(biāo)參考標(biāo)準(zhǔn)的最大值和最小值；Fmax和Fmin分別為參考標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)分值的最大值和最小值。

1.2.5 防御能力和生態(tài)環(huán)境等級(jí)劃分 為了更加直觀地評(píng)價(jià)海堤災(zāi)害防御能力和海堤周邊生態(tài)環(huán)境狀況，引入海堤災(zāi)害防御能力指數(shù)(Index of Disaster prevention capability of Seawall,SDI)和海堤周邊生態(tài)環(huán)境指數(shù)(Index of Ecological environment around Seawall,SEI)，輔助表征海堤災(zāi)害防御能力和海堤周邊生態(tài)環(huán)境狀況。

(3)

(4)

式(3、4)中：SDIi表示海堤災(zāi)害防御能力評(píng)價(jià)體系下各因素的分值，SEIi表示海堤周邊生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)體系下各因素的分值，Wi表示相應(yīng)指數(shù)的權(quán)重。

同時(shí)，將SDI指數(shù)和SEI指數(shù)限定在0～100的連續(xù)尺度內(nèi)，并按照指數(shù)從高到低排序，反映海堤災(zāi)害防御能力由高到低的變化，以及海堤周邊生態(tài)環(huán)境由好到壞的變化。當(dāng)SDI指數(shù)值為0時(shí)，表示該海堤災(zāi)害防御能力極差，不能滿足安全需求；當(dāng)SDI指數(shù)值為100時(shí)，表示該海堤災(zāi)害防御能力很好，可以滿足安全需求。同樣的，當(dāng)SEI指數(shù)值為0時(shí)，表示該海堤周邊生態(tài)環(huán)境極差；當(dāng)SEI指數(shù)值為100時(shí)，表示該海堤周邊生態(tài)環(huán)境狀況很好。根據(jù)SDI指數(shù)和SEI指數(shù)劃分，將海堤災(zāi)害防御能力、海堤周邊生態(tài)環(huán)境分為好[70，100]、一般[40，70)和差[0，40)3個(gè)等級(jí)(表5)。

表5 海堤生態(tài)化建設(shè)適宜性評(píng)價(jià)引導(dǎo)

1.2.6 適宜類型的確定 建立防御-生態(tài)互斥矩陣，根據(jù)海堤災(zāi)害防御能力和海堤周邊生態(tài)環(huán)境等級(jí)共同確定海堤生態(tài)化建設(shè)適宜性。

“優(yōu)先建設(shè)”的海堤包括兩類，一種為災(zāi)害防御能力差的海堤；另一種為生態(tài)環(huán)境狀況差的海堤。第一種海堤已不能滿足防潮減災(zāi)的基本功能，無論其周邊生態(tài)環(huán)境如何，必須重新構(gòu)建海岸帶防護(hù)系統(tǒng)；第二種海堤雖然仍有災(zāi)害防御能力，但其生態(tài)環(huán)境狀況差，亟需改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。

“適度建設(shè)”的海堤包括兩類，一種為災(zāi)害防御能力一般，但周邊生態(tài)環(huán)境好或一般的海堤；另一種為災(zāi)害防御能力好，但周邊生態(tài)環(huán)境狀況一般的海堤。這兩類海堤的防潮減災(zāi)能力均已滿足要求，但周邊生態(tài)環(huán)境狀況需要進(jìn)一步改善和提升，在進(jìn)行海堤生態(tài)化建設(shè)過程中，這兩類海堤可作為適度建設(shè)對(duì)象，建設(shè)力度依具體情況而定。

“維持現(xiàn)狀”的海堤指災(zāi)害防御能力好且周邊生態(tài)環(huán)境好的海堤。這類海堤的防御能力完全滿足安全需求，周邊的生態(tài)環(huán)境狀況好，無需耗費(fèi)財(cái)力、人力、物力對(duì)其進(jìn)行建設(shè)，因此在海堤生態(tài)化建設(shè)過程中，屬于“維持現(xiàn)狀”。

2 結(jié)果與討論

2.1 結(jié)果分析

根據(jù)海堤災(zāi)害防御能力和海堤周邊生態(tài)環(huán)境指標(biāo)量化處理標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合裕藩海堤歷史資料和現(xiàn)狀調(diào)查資料，經(jīng)整理分析，得出裕藩海堤評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)的表達(dá)結(jié)果(表6)。

表6 裕藩海堤生態(tài)化建設(shè)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)值

指標(biāo)權(quán)重與對(duì)應(yīng)分值相乘，得出各指標(biāo)的最終得分；再將各指標(biāo)的得分相加，得出目標(biāo)層的綜合分值，具體見表7和表8。

表7 裕藩海堤災(zāi)害防御能力指數(shù)

表8 裕藩海堤周邊生態(tài)環(huán)境指數(shù)

裕藩海堤災(zāi)害防御能力指數(shù)綜合分值為27.52，屬于差的范疇；周邊生態(tài)環(huán)境指數(shù)綜合分值為41.36，屬于一般范疇，但與較差水平相接近。結(jié)合防御-生態(tài)互斥矩陣，裕藩海堤生態(tài)化建設(shè)適宜性屬于優(yōu)先建設(shè)范疇。從各指標(biāo)綜合權(quán)重可以看出，風(fēng)暴潮危險(xiǎn)性對(duì)海堤災(zāi)害防御能力影響最大，在海堤災(zāi)害防御能力評(píng)價(jià)過程中占據(jù)了較大比重，潮間帶寬度次之；對(duì)于海堤周邊生態(tài)環(huán)境而言，海水水質(zhì)所占比重最大，護(hù)面塊體結(jié)構(gòu)粗糙度次之。從各準(zhǔn)則層排序結(jié)果還可以看出，在海堤災(zāi)害防御能力評(píng)價(jià)方面，海洋災(zāi)害所占分值最大；在海堤周邊生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)方面，生境質(zhì)量所占分值遠(yuǎn)大于生態(tài)服務(wù)性。

2.2 討論

海堤生態(tài)化建設(shè)適宜性評(píng)價(jià)是一項(xiàng)交叉融合生態(tài)學(xué)、地理學(xué)、管理學(xué)、社會(huì)學(xué)等學(xué)科門類的復(fù)雜工作，影響因素眾多。本研究通過將適宜性理論分析應(yīng)用于海堤生態(tài)化建設(shè)，拓展了適宜性理論分析的內(nèi)涵，同時(shí)豐富了生態(tài)海堤理論體系，是對(duì)生態(tài)海堤研究領(lǐng)域新的嘗試和探索。

本研究在指標(biāo)體系構(gòu)建過程中，將海堤災(zāi)害防御能力和海堤周邊生態(tài)環(huán)境分開考慮并進(jìn)行評(píng)價(jià)，有利于更加直觀地對(duì)海堤生態(tài)化建設(shè)適宜性進(jìn)行分析；通過對(duì)各準(zhǔn)則層的綜合得分進(jìn)行排序，比較各因素對(duì)目標(biāo)層的相對(duì)重要性，有利于分清主次，判斷主要影響因素。在分類方法方面，采用三級(jí)分類法，引入海堤災(zāi)害防御能力指數(shù)和海堤周邊生態(tài)環(huán)境指數(shù)對(duì)其進(jìn)行賦值分別確定等級(jí)，采用列聯(lián)表互斥矩陣的分類方法，綜合分析海堤的防御-生態(tài)狀況，確定海堤生態(tài)化建設(shè)的類型，最后以平潭島裕藩海堤為例證實(shí)了評(píng)價(jià)體系的可操作性，該研究成果可為各地區(qū)已建海堤開展生態(tài)化建設(shè)適宜性評(píng)價(jià)提供參考依據(jù)。

3 結(jié)論

本研究基于“保障防災(zāi)能力、提升生態(tài)功能”的原則，從海堤災(zāi)害防御能力和海堤周邊生態(tài)環(huán)境角度入手，構(gòu)建了海堤生態(tài)化建設(shè)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并討論了評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重計(jì)算和量化方法，通過建立防御-生態(tài)互斥矩陣確定海堤生態(tài)化建設(shè)適宜性程度，將建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系應(yīng)用于平潭島裕藩海堤，對(duì)該海堤的災(zāi)害防御能力和周邊生態(tài)環(huán)境狀況作出分析。應(yīng)用表明，構(gòu)建的評(píng)價(jià)方法既考慮了海堤防護(hù)能力的基本需求，又滿足了生態(tài)環(huán)境方面的更高要求，評(píng)價(jià)結(jié)果與裕藩灣海岸帶綜合整治與生態(tài)保護(hù)修復(fù)規(guī)劃內(nèi)容基本吻合，具有良好的科學(xué)性和可操作性，可為我國開展海堤生態(tài)化建設(shè)適宜性評(píng)價(jià)工作提供理論支撐。

本研究建立的海堤生態(tài)化建設(shè)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系存在不完善之處，例如在指標(biāo)選取方面，關(guān)于海堤自身的生態(tài)性僅選取了護(hù)面塊體結(jié)構(gòu)粗糙度；在指標(biāo)量化方面，堤身整體穩(wěn)定性、護(hù)面塊體完整性的量化標(biāo)準(zhǔn)等有待進(jìn)一步討論探究。因此，未來將收集更多的資料，結(jié)合更多實(shí)際案例，通過優(yōu)化指標(biāo)體系和量化標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步完善海堤生態(tài)化建設(shè)適宜性評(píng)價(jià)方法。