基于MCDM的大長山島海域增殖型海洋牧場(chǎng)人工魚礁 選址適宜性評(píng)價(jià)

單晨楓　劉敏　馬成龍　王舒奕　李雪敏　吳忠鑫　尹增強(qiáng)　楊軍　李曉鈺　田濤

摘 要：為了提高增殖型海洋牧場(chǎng)建設(shè)中人工魚礁選址的科學(xué)性，以大長山島周邊海域?yàn)檠芯繀^(qū)域，基于MCDM（多準(zhǔn)則決策）對(duì)該海域增殖型海洋牧場(chǎng)人工魚礁開展了適宜性評(píng)價(jià)研究。根據(jù)文獻(xiàn)檢索和國內(nèi)外增殖型人工魚礁建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)41個(gè)選址指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)先排序，選取了14個(gè)指標(biāo)（水深、坡度、溶解氧、pH、浮游植物生物量、浮游動(dòng)物生物量、底棲生物生物量、無機(jī)氮、活性磷酸鹽、化學(xué)需氧量、葉綠素a、海域漁業(yè)資源情況、易于捕撈程度）作為增殖型海洋牧場(chǎng)人工魚礁的選址指標(biāo)，通過GIS的函數(shù)計(jì)算并疊加形成適宜性評(píng)價(jià)圖。結(jié)果表明，大長山島海域有2塊區(qū)域的增殖型海洋牧場(chǎng)人工魚礁的適宜性值高于0.8，為人工魚礁建設(shè)最適區(qū)域。最適區(qū)域內(nèi)已投放的人工魚礁也表現(xiàn)出了較好的建設(shè)效果，與適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果一致。

關(guān)鍵詞：海洋牧場(chǎng);人工魚礁;適宜性評(píng)價(jià);MCDM;地理信息系統(tǒng)

中圖分類號(hào) S953.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2022）07-0088-06

1 引言

由于社會(huì)發(fā)展迅速、人類需求增加及海域生態(tài)環(huán)境惡化等原因，導(dǎo)致漁業(yè)資源衰退，影響海洋漁業(yè)資源的可持續(xù)發(fā)展。因此，海域海洋牧場(chǎng)人工魚礁的選址需要因地制宜。開發(fā)海洋牧場(chǎng)這一新型漁業(yè)生產(chǎn)模式，對(duì)海域進(jìn)行合理開發(fā)利用，改善海域生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)漁業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展，是解決當(dāng)前漁業(yè)問題行之有效的途徑之一。人工魚礁建設(shè)是海洋牧場(chǎng)的基礎(chǔ)生態(tài)工程之一，科學(xué)構(gòu)建生物的產(chǎn)卵場(chǎng)、索餌場(chǎng)，營造良好的棲息場(chǎng)所，可以重建海域生態(tài)群落，增加海洋生物多樣性，恢復(fù)生物資源的生產(chǎn)力，促進(jìn)海域內(nèi)生物結(jié)構(gòu)優(yōu)化和生態(tài)平衡。

增殖型海洋牧場(chǎng)中人工魚礁的選址是一項(xiàng)十分重要的工作，如果選址不當(dāng)，難以達(dá)到修復(fù)和增殖漁業(yè)資源的作用，甚至?xí)鸬椒醋饔?，破壞原有的生態(tài)環(huán)境[1]。人工魚礁選址是一個(gè)復(fù)雜的基于目標(biāo)的決策過程，國內(nèi)外大多針對(duì)人工魚礁選址的研究[2-4]并未對(duì)選址準(zhǔn)則進(jìn)行解釋[5-7]，一種基于多準(zhǔn)則決策和ArcGIS相結(jié)合的方法已被眾多學(xué)者選擇[8-11]。該方法對(duì)選址準(zhǔn)則的選取和權(quán)重賦值進(jìn)行了量化評(píng)價(jià)，且隨著本底調(diào)查數(shù)據(jù)精度的提高，可輸出更精確的選址適宜性分布圖[12]。

長海縣大長山島海域島礁資源豐富，海洋漁業(yè)是當(dāng)?shù)氐膫鹘y(tǒng)支柱產(chǎn)業(yè)之一。開展增殖型海洋牧場(chǎng)建設(shè)可以有效地保護(hù)當(dāng)?shù)睾Ｓ蚪?jīng)濟(jì)對(duì)象生物，提高成活率，有效恢復(fù)和增殖對(duì)象生物資源豐度。對(duì)此，近年來長?？h積極開展以刺參、海膽、鮑、許氏平鮋、大瀧六線魚等為主要對(duì)象物種的增殖型海洋牧場(chǎng)建設(shè)，并取得了良好的效果。為此，筆者選擇大長山島海域作為研究區(qū)域，基于調(diào)查數(shù)據(jù)，采用MCDM方法開展選址適宜性研究，以期為增殖型海洋牧場(chǎng)中人工魚礁的選址提供參考依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 研究海域 研究海域?yàn)殚L?？h大長山島海域，見圖1。

2.2 研究方法 利用隸屬函數(shù)對(duì)增殖型海洋牧場(chǎng)中人工魚礁的選址要素進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)確定，通過ArcGIS的柵格計(jì)算器對(duì)各要素進(jìn)行單因子權(quán)重評(píng)價(jià)，通過成對(duì)比較對(duì)選址要素進(jìn)行權(quán)重評(píng)價(jià)，最后基于GIS輸出對(duì)應(yīng)海域的增殖型人工魚礁的選址適宜性評(píng)價(jià)圖。

2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)選取 人工魚礁選址適宜性評(píng)價(jià)涉及社會(huì)、物理、化學(xué)、生物等多種環(huán)境因素，因此，選取指標(biāo)時(shí)要保證全面性，并且結(jié)合選址海域本底調(diào)查進(jìn)行詳細(xì)評(píng)價(jià)，使增殖型海洋牧場(chǎng)人工魚礁選址的適宜性評(píng)價(jià)具有科學(xué)性。在本次研究選址過程中，結(jié)合國內(nèi)外對(duì)人工魚礁選址適宜性評(píng)價(jià)研究，發(fā)現(xiàn)在人工魚礁選址適宜性評(píng)價(jià)中，可以先通過選取海洋物理、化學(xué)、生物環(huán)境的指標(biāo)進(jìn)行適宜性評(píng)價(jià)，然后對(duì)部分社會(huì)環(huán)境進(jìn)行排除。因此，在人工魚礁選址適宜性評(píng)價(jià)中，可以優(yōu)先考慮物理環(huán)境、化學(xué)環(huán)境、生物環(huán)境對(duì)選址海域的影響。為保證人工魚礁選址適宜性評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性，在大長山島海域的春秋兩季本底調(diào)查中，進(jìn)行了生物質(zhì)量、水質(zhì)、生態(tài)、沉積物等方面的調(diào)查。參考Mousavi等[17-38]列出的人工魚礁選址指標(biāo)并結(jié)合國內(nèi)的人工魚礁建設(shè)指標(biāo)，選取41個(gè)指標(biāo)為增殖型海洋牧場(chǎng)人工魚礁進(jìn)行選址適宜性評(píng)價(jià)，詳見表1。

表1 物理因素、生物因素、化學(xué)因素、社會(huì)因素選址指標(biāo)

[環(huán)境因素 編號(hào) 指標(biāo) 物理因素 1 坡度 2 沉積物粒徑 3 水深 4 水溫 5 波浪作用 6 溶解氧 7 pH 8 鹽度 9 潮汐流 10 濁度 11 海流 12 透明度 化學(xué)因素 13 無機(jī)氮 14 葉綠素a 15 活性磷酸鹽 16 化學(xué)需氧量 17 重金屬含量 18 硫化物含量 19 石油類含量 生物因素 20 與天然礁石的距離 21 與捕食者物種的距離 22 與敏感生態(tài)系統(tǒng)的距離 23 底棲生物生物量 24 浮游植物生物量 25 浮游動(dòng)物生物量 26 幼體傳播 27 與競(jìng)爭物種的距離 社會(huì)因素 28 對(duì)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的好處 29 文化價(jià)值 30 與海水淡化儀器的距離 31 與海底管道的距離 32 與污染源的距離 33 與發(fā)電設(shè)施及海底電纜的距離 34 與船舶航道的距離 35 易于管理程度 36 距離漁港距離 37 經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì) 38 教育價(jià)值 39 旅游價(jià)值 40 海域漁業(yè)資源情況 41 海域生產(chǎn)概況 ]

通過yaahp軟件對(duì)41個(gè)指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)先排序并計(jì)算指標(biāo)的重要程度和權(quán)重百分比，繪制二維圖，詳見圖2。從所選擇的41個(gè)指標(biāo)內(nèi)排除重要程度或權(quán)重百分比低于平均值的指標(biāo)[36]。

結(jié)果表明，只有14個(gè)指標(biāo)同時(shí)具備高于平均值的重要程度及權(quán)重百分比（見表2）。

2.4 選址因素評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)確定 增殖型海洋牧場(chǎng)人工魚礁選址指標(biāo)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)優(yōu)先考慮國家標(biāo)準(zhǔn)，如若缺乏對(duì)應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)，則需參考國內(nèi)外相關(guān)的人工魚礁生態(tài)適宜性研究。本研究在物理環(huán)境、生物環(huán)境、化學(xué)環(huán)境的指標(biāo)的計(jì)算中采用模糊隸屬函數(shù)，在社會(huì)環(huán)境的指標(biāo)計(jì)算中采用賦值法。模糊隸屬函數(shù)及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表3和表4。

2.5 單因子適宜性模型構(gòu)建 依據(jù)模糊隸屬函數(shù)評(píng)價(jià)及分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)14個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)分別進(jìn)行單一指標(biāo)的適宜性評(píng)價(jià)，使得各指標(biāo)取值范圍為0～1，0代表適宜性最低，1代表適宜性最高。單一指標(biāo)的適宜性評(píng)價(jià)通過ArcGIS進(jìn)行，首先對(duì)指標(biāo)進(jìn)行插值分析，使指標(biāo)數(shù)值在研究范圍內(nèi)呈連續(xù)分布[46]。依據(jù)單一指標(biāo)的模糊隸屬函數(shù)，利用ArcGIS的柵格計(jì)算器工具對(duì)單一指標(biāo)進(jìn)行柵格計(jì)算，形成單因子的適宜性評(píng)價(jià)圖（見圖3）。

2.6 選址指標(biāo)的權(quán)重賦值 根據(jù)MCDM法中的層次分析法“1～9值法”賦值法，利用每一層次的指標(biāo)進(jìn)行重要性逐對(duì)比較，構(gòu)建判斷矩陣。其中，“1～9值法”依照取值標(biāo)準(zhǔn)，分別建立環(huán)境中間層對(duì)決策目標(biāo)層的判斷矩陣和指標(biāo)方案層對(duì)中間層的判斷矩陣[40-41]，其結(jié)果如表5、表6所示。

根據(jù)判斷矩陣計(jì)算，在化學(xué)、生物、物理、社會(huì)環(huán)境指標(biāo)對(duì)人工魚礁選址適宜性評(píng)價(jià)中，物理環(huán)境對(duì)人工魚礁選址適宜性的影響較大，其次是生物環(huán)境和化學(xué)環(huán)境，最后是社會(huì)環(huán)境，4個(gè)環(huán)境指標(biāo)對(duì)決策目標(biāo)層影響的權(quán)重分別為0.6234、0.2162、0.1057和0.0547。對(duì)中間層進(jìn)行判斷矩陣計(jì)算得出水深、坡度、沉積物粒徑、溶解氧、pH、浮游植物生物量、浮游動(dòng)物生物量、底棲生物生物量、無機(jī)氮、活性磷酸鹽、化學(xué)需氧量、葉綠素a、海域漁業(yè)資源情況、距離漁港距離的權(quán)重分別為：0.2415、0.0209、0.2498、0.0571、0.0542、0.0418、0.0180、0.1564、0.0333、0.0111、0.0054、0.0560、0.0456、0.0091。

對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果CR≤0.1，表明判斷矩陣基本一致，符合層次分析法原則。

3 評(píng)價(jià)結(jié)果

基于14個(gè)指標(biāo)的適宜性評(píng)價(jià)圖和各指標(biāo)權(quán)重，通過加權(quán)計(jì)算可建立初步的人工魚礁選址的適宜性評(píng)價(jià)模型（見圖4）[46]。利用ArcGIS的柵格計(jì)算器工具計(jì)算研究海域的人工魚礁選址適宜性值，加權(quán)計(jì)算公式如下：

由于研究海域內(nèi)有航道、海底管道、電纜及海洋保護(hù)區(qū)等無法進(jìn)行人工魚礁建設(shè)的海域，因而繪制了排除圖（見圖5）。

經(jīng)過對(duì)適宜性評(píng)價(jià)圖和排除圖的疊加分析，形成長山群島增殖型海洋牧場(chǎng)人工魚礁選址適宜性評(píng)價(jià)圖（見圖6）。

通過適宜性分析模型計(jì)算結(jié)果可知，大長山島海域有2塊區(qū)域的增殖型海洋牧場(chǎng)人工魚礁選址適宜性值高于0.8，是建設(shè)增殖型海洋牧場(chǎng)人工魚礁的最適區(qū)域。通過調(diào)查可以得知，大長山島海域最適投放增殖型海洋牧場(chǎng)人工魚礁區(qū)域內(nèi)的多家公司已經(jīng)成功申報(bào)了國家級(jí)海洋牧場(chǎng)示范區(qū)建設(shè)，并開始了人工魚礁建設(shè)工作。截至2021年，已建設(shè)人工魚礁海域游泳生物的資源密度明顯比投礁前高，礁區(qū)海域各類資源種類均比投礁前的豐富，平均生物量約為建設(shè)前的3.5倍，多樣性指數(shù)和豐富性指數(shù)均表現(xiàn)為人工魚礁區(qū)顯著高于其他海域。表明魚礁投放后，礁區(qū)集魚效果明顯提高、群落結(jié)構(gòu)明顯改善，魚礁建設(shè)取得了明顯的增殖效果?？梢?，本研究使用的方法有一定的可行性和合理性，可為增殖型海洋牧場(chǎng)人工魚礁建設(shè)提供技術(shù)支撐和參考依據(jù)，同時(shí)也可為我國人工魚礁選址適宜性評(píng)價(jià)提供一定的借鑒。

4 討論

人工魚礁建設(shè)可促進(jìn)海洋生態(tài)環(huán)境和漁業(yè)資源恢復(fù)，合理的人工魚礁選址不僅需要對(duì)人工魚礁建設(shè)有著深刻的了解，還需要對(duì)海域的生態(tài)環(huán)境等進(jìn)行充分調(diào)查[43-44]。以前的人工魚礁選址采用地圖排除法，地圖排除法通過排除部分無法建設(shè)人工魚礁的海域，來對(duì)部分海域的人工魚礁建設(shè)進(jìn)行選址。但是地圖排除法無法說明為何排除后剩余海域適合投放人工魚礁。本研究通過MCDM對(duì)增殖型海洋牧場(chǎng)人工魚礁選址適宜性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，在41種選址指標(biāo)中，通過重要程度及權(quán)重百分比的比較選取了14個(gè)指標(biāo)來進(jìn)行增殖型海洋牧場(chǎng)人工魚礁選址適宜性評(píng)價(jià)，來獲得最適合建設(shè)人工魚的海域。但是MCDM需要主觀對(duì)各個(gè)選址指標(biāo)進(jìn)行比對(duì)，具有很大的主觀性，可能在評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性上稍有誤差。近年來，基于傳統(tǒng)決策法發(fā)展起來的MCDM、AHP、ANP、模糊AHP以及變權(quán)綜合AHP的決策方法的發(fā)展，已經(jīng)成為更加科學(xué)的手段[47-49]，從而實(shí)現(xiàn)人工魚礁選址的科學(xué)性。

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（責(zé)編：張宏民）

Evaluation of Suitability for Site Selection of Artificial Reefs for Multiplication Marine Ranching in the Sea Area of Dachangshan Island Based on Mcdm

SHAN Chenfeng? ?LIU Min? ?MA Chenglong? ?WANG Shuyi? ?LI Xuemin? ?WU Zhongxin? ?QIANG Yinzheng

WANG Jun? ?LI Xiaoyu? ?TIAN Tao

（DaLian Ocean University Liaoning Ocean Ranching Engineering Technology Research Center， Dalian 116023， China; Key Laboratory of Environment Controlled Aquaculture， Ministry of Education，Dalian 116023， China）

Abstract： In order to improve the scientificity of the artificial reef site selection in the construction of a proliferation marine pasture， the sea area around Dachangshan Island is used as the research area， and the suitability evaluation study of the artificial reef of the proliferation marine pasture in this sea area is carried out based on MCDM （Multi-criteria decision-making）. Based on literature search and domestic and foreign experience in the construction of multiplication artificial reefs， 41 site selection indicators were prioritized， and 14 indicators （deep， slope， dissolved oxygen， pH， phytoplankton biomass， zooplankton biomass， Benthic biomass， inorganic nitrogen， active phosphate， chemical oxygen demand， chlorophyll a， fishery resources in the sea， and ease of fishing） are used as site selection indicators for artificial reefs of multiplying marine ranches. Finally， the suitability evaluation map is formed by calculating and superimposing the functions of GIS. The evaluation results show that there are 2 areas in the waters of Dachangshan Island with the suitability value of artificial reefs higher than 0.8， which is the most suitable area for the construction of artificial reefs. The artificial reefs that have been put in the most suitable areas also show good construction effects， which are consistent with the suitability evaluation results.

Key words： Marine ranching; Artificial reef; Suitability evaluation; MCDM; Geographic information system

作者簡介：單晨楓（1997—），男，遼寧沈陽人，碩士研究生，研究方向：漁業(yè)資源、人工魚礁。 通訊作者：田濤，博士，教授，研究方向：人工魚礁、海洋牧場(chǎng)、魚類行為。? 收稿日期：2022-01-17