長(zhǎng)江口南槽航道治理工程生態(tài)健康模糊評(píng)價(jià)

楊 琳，劉 紅，封 學(xué) 軍，任 華 堂

(1.中央民族大學(xué) 生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，北京 100081； 2.中交上海航道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200120； 3.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098)

0 引 言

長(zhǎng)江口地處海陸交匯地帶，水文條件復(fù)雜，水生生物資源豐富[1]，在維護(hù)長(zhǎng)江流域生態(tài)結(jié)構(gòu)以及生物多樣性方面有十分重要的作用。尤其是近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，新生的九段沙濕地對(duì)整個(gè)長(zhǎng)江口生態(tài)安全、資源與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展有重要影響[2]。在經(jīng)濟(jì)全球化的背景下，航運(yùn)作為國(guó)際貿(mào)易的主要方式，起著不可或缺的作用[3]，長(zhǎng)江口航道作為長(zhǎng)江發(fā)揮“黃金水道”功能的關(guān)鍵通航水道[4]，具有重要地位。長(zhǎng)江口航道主要分為南槽和北槽航道，其中北槽的12.5 m深水航道是長(zhǎng)江口主航道，南槽航道是輔航道。有關(guān)研究表明，航道建設(shè)可能會(huì)對(duì)海域的水生環(huán)境[5]、水生生態(tài)[6]以及陸域環(huán)境[7]造成影響。長(zhǎng)江口南槽一期工程涉及航道疏浚、護(hù)灘、沉排等工作[8]，施工范圍內(nèi)及附近海域的環(huán)境、生態(tài)可能會(huì)受到影響，生態(tài)敏感區(qū)九段沙濕地的生物多樣性和生態(tài)穩(wěn)定性也有可能被影響。對(duì)長(zhǎng)江口南槽一期治理工程進(jìn)行生態(tài)健康評(píng)價(jià)具有重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。

航道生態(tài)健康評(píng)價(jià)，主要包括指標(biāo)體系構(gòu)建、指標(biāo)權(quán)重確定以及航道健康評(píng)價(jià)。前人研究表明，指標(biāo)體系的構(gòu)建需要結(jié)合評(píng)價(jià)區(qū)域的具體情況確定。丁滿琪[9]在蘇南運(yùn)河無(wú)錫段航道評(píng)價(jià)中，考慮到河段洪澇災(zāi)害多發(fā)，設(shè)置防汛水平指標(biāo)；李天宏等[10]在長(zhǎng)江中游荊江河段航道評(píng)價(jià)中，考慮到荊江河段多自然保護(hù)區(qū)及飲用水水源，設(shè)置濕地保留率、飲用水安全保證率等指標(biāo)。指標(biāo)權(quán)重確定方面，王小峰等[11]利用層次分析法對(duì)長(zhǎng)江航道評(píng)價(jià)指標(biāo)賦權(quán)，賈明明[12]、郭秀娟[13]、匡舒雅[14]等分別利用主成分分析、熵權(quán)法、五元聯(lián)系數(shù)法對(duì)泥頭州、京杭運(yùn)河蘇北段以及長(zhǎng)江下游航道評(píng)價(jià)指標(biāo)賦權(quán)。以層次分析法為代表的主觀賦權(quán)法系統(tǒng)性強(qiáng)、靈活性高，但易受主觀價(jià)值判斷的影響；而主成分分析、熵權(quán)法、五元聯(lián)系數(shù)等客觀賦權(quán)法所得結(jié)果雖具有較強(qiáng)的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)依據(jù)，但較難顧及評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的相對(duì)重要性，賦權(quán)容易缺乏專業(yè)性[15]。群決策層次分析法在層次分析法基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，很大程度上降低了層次分析法的主觀性[16]。航道的健康評(píng)價(jià)方法常用綜合指數(shù)法[17]，綜合指數(shù)法可以直觀地計(jì)算出航道的健康指數(shù)，但航道的滿足程度由多個(gè)因素共同決定的，本身具有很大的模糊性和不確定性，綜合指數(shù)的計(jì)算結(jié)果并不能完全代表航道的健康程度。而模糊綜合評(píng)價(jià)法可以將這種模糊性的定性指標(biāo)轉(zhuǎn)換為定量指標(biāo)[18-20]，在航道評(píng)價(jià)中實(shí)現(xiàn)多個(gè)定量、定性指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)，并在評(píng)價(jià)結(jié)果中得出各指標(biāo)對(duì)于航道整體生態(tài)滿足程度的影響，這一方法在中國(guó)荊江、漢江航道評(píng)價(jià)中應(yīng)用效果良好[21-22]。

本文利用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)長(zhǎng)江口南槽航道治理工程生態(tài)健康水平進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)估一期工程對(duì)航道水域尤其是九段沙濕地生態(tài)敏感區(qū)的影響。

1 工程概況

如圖1所示，南槽航道一期治理工程擬通過(guò)整治和疏浚將航道航寬由原 250 m 擴(kuò)寬至口內(nèi)段 600 m、口外段 1 000 m，以滿足 5 000 t級(jí)船舶滿載雙向多線乘潮通航的要求，具體工程建設(shè)內(nèi)容包括將南槽航道疏浚至6 m水深，同時(shí)沿江亞南沙南緣向下游建設(shè)1條16 km長(zhǎng)的護(hù)灘堤。工程于2019年12月開工，并于2020年6月順利交工試運(yùn)行。

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

針對(duì)南槽航道治理一期工程設(shè)立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層，詳細(xì)指標(biāo)見表1。

由表1可知，為綜合評(píng)價(jià)航道的生態(tài)健康水平，指標(biāo)體系針對(duì)航道的航運(yùn)、生態(tài)、資源節(jié)約以及協(xié)調(diào)發(fā)展功能設(shè)置了若干準(zhǔn)則，涵蓋了航道建設(shè)從設(shè)計(jì)理念到施工影響再到運(yùn)維管理的全過(guò)程。具體指標(biāo)在借鑒其他航道生態(tài)健康評(píng)價(jià)研究的基礎(chǔ)上，增加了“綠色施工技術(shù)”等體現(xiàn)航道生態(tài)健康水平的指標(biāo)，指標(biāo)體系完整且具有專業(yè)性。另外，各個(gè)指標(biāo)具有明確的計(jì)算方法及評(píng)價(jià)細(xì)則，相互之間不存在包含及對(duì)立關(guān)系，具有相對(duì)獨(dú)立性。該指標(biāo)體系適用于南槽航道工程的生態(tài)健康評(píng)價(jià)。

表1 南槽航道治理一期工程評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算方法Tab.1 Calculation method of evaluation index of South Channel Phase Ⅰ waterway regulation engineering

2.2 數(shù)據(jù)獲取及標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)已有指標(biāo)體系，通過(guò)收集長(zhǎng)江口南槽河段相關(guān)資料數(shù)據(jù)，對(duì)其航道工程生態(tài)健康水平進(jìn)行評(píng)價(jià)，相關(guān)數(shù)據(jù)源于如下資料：① 長(zhǎng)江口南槽航道治理工程相關(guān)報(bào)告[23-25]；② 長(zhǎng)江口南槽水域生態(tài)環(huán)境持續(xù)監(jiān)測(cè)資料及九段沙濕地生態(tài)系統(tǒng)的實(shí)測(cè)資料；③ 國(guó)家水利局、國(guó)家統(tǒng)計(jì)局等相關(guān)網(wǎng)站；④ 同類研究文獻(xiàn)資料。

各單項(xiàng)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)包括5個(gè)等級(jí)，具體的劃分標(biāo)準(zhǔn)采用定性和定量結(jié)合，定量指標(biāo)主要依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及相關(guān)文獻(xiàn)資料；定性指標(biāo)主要采用專家打分的方式，具體的劃分標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 南槽航道治理工程評(píng)價(jià)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Evaluation and scoring standard of South Channel waterway regulation engineering

3 評(píng)價(jià)方法

采用群決策層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重，利用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)確定好的權(quán)重以及根據(jù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)得出的指標(biāo)得分進(jìn)行計(jì)算，得到航道健康水平，最后利用敏感性分析法對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

3.1 群決策層次分析法

層次分析法由于采用專家評(píng)分的方法，難免存在邏輯差，主觀性強(qiáng)的問(wèn)題。在層次分析法中，體現(xiàn)評(píng)分邏輯性的指標(biāo)是一致性比率CRi，CR值越小說(shuō)明評(píng)分越嚴(yán)謹(jǐn)。而群決策層次分析法，在層次分析法的基礎(chǔ)上根據(jù)各專家評(píng)分的CR值對(duì)專家也進(jìn)行權(quán)重計(jì)算。一致性比率CRi越大，對(duì)應(yīng)的專家權(quán)重就越小，相應(yīng)的，CRi小的也就是邏輯更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶＜以捳Z(yǔ)權(quán)就更大。具體計(jì)算方法如下：

(1)

(2)

為保證層次分析法的準(zhǔn)確性和權(quán)威性，應(yīng)選取與評(píng)價(jià)指標(biāo)行業(yè)密切相關(guān)的專家。對(duì)于該研究而言，需要邀請(qǐng)對(duì)于航道評(píng)價(jià)、航道建設(shè)等方面有經(jīng)驗(yàn)的專家，并盡量保證專家數(shù)量不小于10人來(lái)減少個(gè)人主觀性帶來(lái)的誤差。

3.2 模糊綜合評(píng)價(jià)方法

模糊綜合評(píng)價(jià)法是利用隸屬度的計(jì)算和模糊線性變換，將不確定的評(píng)價(jià)指標(biāo)轉(zhuǎn)換為定量指標(biāo)。隸屬度采用降半梯形分布法計(jì)算。正向和負(fù)向指標(biāo)計(jì)算方法不同。采用5分制法，計(jì)算各指標(biāo)對(duì)于航道評(píng)價(jià)的優(yōu)、良、中、差、劣隸屬度。

對(duì)于正向指標(biāo)：

當(dāng)x>s1時(shí)，

r1=1，r2=r3=r4=r5=0

(3)

當(dāng)si+1

(4)

當(dāng)x

r5=1，r1=r2=r3=r4=0

(5)

對(duì)于負(fù)向指標(biāo)：

當(dāng)x

r1=1，r2=r3=r4=r5=0

(6)

當(dāng)si

(7)

當(dāng)x

r5=1，r1=r2=r3=r4=0

(8)

式中：x表示指標(biāo)的實(shí)際值，si和si+1表示指標(biāo)第i級(jí)和第i+1級(jí)的健康標(biāo)準(zhǔn)值，ri和ri+1表示指標(biāo)對(duì)第i級(jí)和第i+1 級(jí)健康程度的隸屬度。

模糊線性變化過(guò)程中，需選擇模糊合成算子。本文選用體現(xiàn)權(quán)重作用較高，綜合程度較強(qiáng)的M(·，⊕)算子，計(jì)算方法為

(9)

當(dāng)wj具有歸一化時(shí)，

(10)

3.3 敏感性分析方法

航道生態(tài)健康水平評(píng)價(jià)基于多指標(biāo)決策，指標(biāo)的權(quán)重大小對(duì)于評(píng)價(jià)結(jié)果影響較大。對(duì)權(quán)重進(jìn)行敏感性分析是令權(quán)重在一定的取值范圍內(nèi)變動(dòng)，研究權(quán)重的變動(dòng)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響，從而檢驗(yàn)評(píng)價(jià)結(jié)果的穩(wěn)定性[26 ]。

本文采用 OAT(the One-At-a-Time)法對(duì)群決策層次分析法得到的各準(zhǔn)則權(quán)重進(jìn)行敏感性分析，即每次只改變一個(gè)因子的權(quán)重值，從而反映單因子權(quán)重變化對(duì)結(jié)果的影響程度。本次研究將已確定的各準(zhǔn)則的權(quán)值上下分別浮動(dòng) 20%、90%，其他準(zhǔn)則的權(quán)值依比例做相應(yīng)改變，確保權(quán)重總和始終為 1，并計(jì)算新權(quán)重下航道工程健康水平。

具體計(jì)算方法如下(以浮動(dòng)20%為例)：

(1)權(quán)值浮動(dòng)的某一準(zhǔn)則的權(quán)重原始值表示為wi，則其權(quán)值上下分別浮動(dòng)20%后的變化值wi′為

(11)

(2)為確保所有準(zhǔn)則的權(quán)值之和為1，其他權(quán)值未浮動(dòng)的準(zhǔn)則(原始權(quán)重為wj)依據(jù)wi′進(jìn)行權(quán)重調(diào)整，調(diào)整后其他準(zhǔn)則權(quán)重的變化值wj′為

(12)

4 結(jié)果與討論

4.1 群決策層次分析法結(jié)果

本次研究邀請(qǐng)了10位在航道工程評(píng)價(jià)、航道建設(shè)方面有豐富經(jīng)驗(yàn)的專家進(jìn)行打分，計(jì)算得到各準(zhǔn)則(B)及指標(biāo)(C)占航道工程生態(tài)健康評(píng)價(jià)(A)權(quán)重結(jié)果，見表3。

表3 航道工程評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果Tab.3 Calculation result of weight of waterway engineering evaluation index

4.2 模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)表4健康隸屬度矩陣，利用式(10)進(jìn)行模糊變換，得到航道工程整體及各準(zhǔn)則模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，見圖2～3。以航道整體“中等”程度計(jì)算為例，計(jì)算方法為找到含有“中等”隸屬度的5個(gè)指標(biāo)，對(duì)這些指標(biāo)隸屬度與對(duì)應(yīng)指標(biāo)權(quán)重逐個(gè)求積后相加：

表4 航道工程評(píng)價(jià)指標(biāo)健康隸屬度矩陣Tab.4 Health membership matrix of waterway engineering evaluation index

0.1176+0.88×0.0380+1×0.0668+

0.26×0.0455≈0.1888

(13)

由圖2可知：南槽航道工程生態(tài)健康水平對(duì)優(yōu)秀的隸屬度最高，對(duì)良好的健康隸屬度次之，對(duì)中等隸屬度比較低，較差、差劣隸屬度為0。優(yōu)秀和良好的占比超過(guò)80%，說(shuō)明經(jīng)航道治理工程后，長(zhǎng)江口南槽航道治理工程生態(tài)效果較好。從各準(zhǔn)則層分別看(見圖3)：河勢(shì)條件、航道條件、設(shè)計(jì)建設(shè)全部隸屬于優(yōu)秀狀態(tài)；運(yùn)維管理對(duì)于優(yōu)秀的隸屬度較大，良好較??；通航條件、涉水功能雖然優(yōu)秀占比較大，但均未超過(guò)50%；生境準(zhǔn)則近70%屬于良好，而生物準(zhǔn)則有80%屬于中等，在各個(gè)準(zhǔn)則中，生物生境健康水平最低。這說(shuō)明南槽航道工程對(duì)于航道的通航河勢(shì)改善作用很大，在航道治理過(guò)程中設(shè)計(jì)、運(yùn)維的體系建設(shè)也很完善，綠色技術(shù)的應(yīng)用得到體現(xiàn)，但對(duì)于航道及九段沙濕地生物及生態(tài)環(huán)境的改善程度較低，在后續(xù)航道建設(shè)過(guò)程中應(yīng)更加注意航道生態(tài)功能的提高。在航道建設(shè)完成后對(duì)航道生境進(jìn)行及時(shí)修復(fù)，通過(guò)人工種草、生態(tài)護(hù)岸等方式促進(jìn)濕地健康演變，打擊破壞濕地生態(tài)系統(tǒng)行為，保護(hù)航道及九段沙生物生長(zhǎng)繁衍，處罰超標(biāo)排放船只，鼓勵(lì)船舶清潔能源使用，改善水生生物生存環(huán)境。

4.3 敏感性分析

為進(jìn)一步降低專家評(píng)分的主觀性影響，對(duì)各個(gè)權(quán)重進(jìn)行敏感性分析，來(lái)檢驗(yàn)評(píng)價(jià)結(jié)果的穩(wěn)定性。利用3.3中敏感性分析方法將已經(jīng)確定的各準(zhǔn)則的權(quán)重上下分別調(diào)動(dòng)20%和90%，其余準(zhǔn)則的總權(quán)重依照原有比例進(jìn)行相應(yīng)的改變，重新計(jì)算權(quán)重改變后航道的健康水平，計(jì)算結(jié)果見表5～6。

表5 權(quán)重w浮動(dòng)20%的航道工程健康水平變化Tab.5 Changes of health level of waterway engineering with weight w floating by 20%

由表5～6結(jié)果可以看出：各個(gè)準(zhǔn)則權(quán)重浮動(dòng)后，航道健康水平結(jié)果變化較小，優(yōu)秀的隸屬度始終最大，航道工程生態(tài)健康水平均為較高水平，當(dāng)準(zhǔn)則權(quán)重浮動(dòng)為90%時(shí)，優(yōu)秀隸屬度波動(dòng)在10%以內(nèi)。結(jié)果表明評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)準(zhǔn)則權(quán)重的20%～90%幅度波動(dòng)敏感性不高，長(zhǎng)江口南槽航道工程模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果具有較高的穩(wěn)定性和可靠性。

5 結(jié) 論

選取群決策層次分析法作為權(quán)重確定方法，在保證賦權(quán)專業(yè)性的同時(shí)降低了專家評(píng)分的主觀性。利用模糊綜合評(píng)價(jià)法，對(duì)長(zhǎng)江口南槽航道治理工程生態(tài)健康作出評(píng)價(jià)，克服了航道評(píng)價(jià)的模糊性和不確定性，利用敏感度分析研究了評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性和穩(wěn)定性。評(píng)價(jià)結(jié)果表明長(zhǎng)江口南槽航道工程生態(tài)健康水平“優(yōu)秀”隸屬度最高，即航道工程生態(tài)效果較好?？傮w上該航道治理工程沒有破壞航道及九段沙生態(tài)敏感區(qū)的各項(xiàng)功能，并且對(duì)于航道的通航功能有很大提高，但對(duì)于航道及九段沙濕地生物生境的改善作用較小，在后續(xù)航道建設(shè)中可通過(guò)人工種草、限制船舶污染物排放等方式改善航道生物生境功能。