基于層次分析法的人工魚礁選址適宜性評價方法*

張子牛 王珍巖,3,4① 李桂花 趙美涵

(1.山東科技大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院 山東青島 266590; 2.中國科學(xué)院海洋研究所 海洋地質(zhì)與環(huán)境重點實驗室 山東青島 266071; 3.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點國家實驗室 海洋礦產(chǎn)資源評價與探測技術(shù)功能實驗室 山東青島 266237; 4.中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

人工魚礁最初被用于誘集各種魚類來增加漁獲量(楊吝等, 2005), 隨著人工魚礁建設(shè)目標(biāo)的拓展以及建設(shè)規(guī)模的擴大, 其功能已由單純的魚類誘集和捕獲逐漸擴展到海域生態(tài)環(huán)境的修復(fù)和保護(陳丕茂等, 2019)。盡管人工魚礁建設(shè)在漁業(yè)資源增殖和海洋生態(tài)環(huán)境修復(fù)等方面已取得顯著成效(陳勇, 2020),但有研究顯示全球超過50%的人工魚礁項目最終都以失敗告終, 其中重要原因就是選址不當(dāng)(Baine,2001)。礁區(qū)選址作為人工魚礁建設(shè)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié), 其決定建設(shè)結(jié)果能否成功。選址一旦出現(xiàn)問題, 投礁區(qū)域原有生態(tài)系統(tǒng)和生物群落結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性將遭到破壞, 礁體留存周期也會大幅減少(Chang, 1985;Tsenget al, 2001)。

人工魚礁選址評價最早以定性描述為主, 選取的參照標(biāo)準(zhǔn)較少, 科學(xué)性較差(Turneret al, 1969;Mathews, 1981), 因此建礁失敗情況較多(Chang,1985)。排除地圖方法(exclusion map, EM)的應(yīng)用使選址評價開始趨于規(guī)范, 用來排除不適宜人工魚礁建設(shè)區(qū)域, 但該方法不能確定適宜人工魚礁建設(shè)的海區(qū)范圍(Barberet al, 2009)。而地理信息系統(tǒng)(geographic information system, GIS)的應(yīng)用有效解決了這一問題,通過應(yīng)用GIS 繪制海區(qū)對應(yīng)的人工魚礁建設(shè)適宜性分布圖來確定適宜建設(shè)海區(qū)范圍(Tsenget al, 2001;Kimet al, 2015; 許妍等, 2016)。雖然GIS 的應(yīng)用可以獲取海區(qū)建礁適宜性的可視化評價結(jié)果, 但該方法對于海區(qū)內(nèi)的多個較小范圍區(qū)域的人工魚礁建設(shè)選址適宜性評價分析工作適用性不高。針對這種情況,有研究者通過應(yīng)用層次分析法(analytic hierarchy process, AHP)綜合分析人工魚礁建設(shè)影響因素, 獲取海區(qū)方案的人工魚礁選址適宜性評價結(jié)果, 進行多個海區(qū)方案的優(yōu)先級排序, 確定最佳方案(王飛等,2008; 許強等, 2013)。

但AHP 在人工魚礁建設(shè)選址適宜性評價中的應(yīng)用還不成熟, 相關(guān)選址研究在指標(biāo)選取、指標(biāo)量化等方面還存在一些問題。首先, 部分研究由于建設(shè)目標(biāo)的不同導(dǎo)致選址評價影響因素的選擇各有側(cè)重, 沒有形成通用的評價指標(biāo)體系(徐漢祥等, 2006; 尹增強等, 2012; Xuet al, 2019; 單晨楓等, 2022), 所選環(huán)境因素也不全面, 評價指標(biāo)體系有待規(guī)范。其次, 建設(shè)目標(biāo)的不同也影響指標(biāo)量化處理, 一方面限制了指標(biāo)量化方法的應(yīng)用(尹增強等, 2012; 佟飛等, 2016;Jhaet al, 2022); 另一方面所選擇的部分環(huán)境因素沒有通用的量化標(biāo)準(zhǔn), 仍以定性指標(biāo)形式參與評價(溫澤民, 2014)。再者, 部分研究在進行因素相對重要性分析時采用專家打分方法(Mousaviet al, 2015; 曾旭等, 2018), 盡管該方法可納入專家個人經(jīng)驗, 但將其作為評價依據(jù)仍存在較大的主觀性和不確定性。針對這些問題, 本研究基于AHP 方法原理在評價指標(biāo)體系構(gòu)建、評價標(biāo)準(zhǔn)建立、評價結(jié)果計算等方面進行創(chuàng)新, 旨在構(gòu)建更為客觀、定量的適用于人工魚礁選址適宜性分析的評價方法, 應(yīng)用于具有不同建設(shè)目標(biāo)的人工魚礁選址評價工作。

1 研究方法

研究主要內(nèi)容包括基于層次分析法的人工魚礁選址評價方法的構(gòu)建以及對所構(gòu)建方法進行的實例驗證。本研究依據(jù)層次分析法原理建立人工魚礁選址評價層次結(jié)構(gòu)模型, 包括對評價指標(biāo)體系的構(gòu)建, 并利用層次分析法中的判斷矩陣確定主要準(zhǔn)則因素權(quán)重。然而層次分析法不能對評價指標(biāo)對應(yīng)參考數(shù)值進行歸一化處理, 因此本研究采用3 種指標(biāo)量化方法實現(xiàn)這一過程。研究采用前人文獻研究中人工魚礁建設(shè)海區(qū)調(diào)查數(shù)據(jù)模擬不同海域環(huán)境條件的海區(qū)場景并設(shè)定針對性案例對方法進行驗證, 并使用Python 編程語言創(chuàng)建專門的評價系統(tǒng)快速獲取評價結(jié)果。

1.1 層次分析法

AHP 是美國運籌學(xué)家Saaty(1972)提出的一種結(jié)合定性和定量分析的系統(tǒng)工程方法, 方法分析步驟包括建立層次結(jié)構(gòu)模型、構(gòu)建判斷矩陣及一致性檢驗、權(quán)重分配及結(jié)果分析。建立層次結(jié)構(gòu)模型是對目標(biāo)問題定性分析的重要步驟, 能夠?qū)?fù)雜問題相關(guān)因素劃分層次進行分析(張吉軍, 2000)。而構(gòu)建判斷矩陣是層次分析法定量分析的重要步驟, 用于確定層次因素權(quán)重, 構(gòu)建過程需利用1～9 數(shù)字量表(表1)和兩兩比較法(Saaty, 1972)。

表1 1～9 數(shù)字量表Tab.1 The 1～9 numerical scale of the judgment matrix

判斷矩陣的一致性檢驗是必要的, 用于排除層次因素相對重要性優(yōu)先級出現(xiàn)異常的情況。一致性檢驗是一致性比率RC與標(biāo)準(zhǔn)值(0.1)的比較分析過程,如式(2)所示。一致性比率RC涉及一致性指標(biāo)IC和隨機指標(biāo)IR(表2), 其中IR只與矩陣維數(shù)n有關(guān),IC計算公式為式(1)。當(dāng)RC＜0.1, 表明矩陣具有滿意的一致性, 否則需要重新構(gòu)建判斷矩陣, 直到矩陣具有滿意的一致性為止。

表2 n 階矩陣的隨機指標(biāo)IRTab.2 The random index IR of the nth-order matrix

式中,λmax(A)為判斷矩陣的最大特征值,n為矩陣維數(shù)。

具有滿意一致性的判斷矩陣能夠用于計算層次因素權(quán)重值, 具體通過尋找判斷矩陣A最大特征值λmax(A)對應(yīng)的主特征向量w確定層次因素的權(quán)重值,其中主特征向量w中的元素就是對應(yīng)層次因素的權(quán)重值(Saaty, 2000)。求解主特征向量w的公式為式(3)。

結(jié)合各層次因素權(quán)重值對目標(biāo)問題的解決方案進行比較分析, 確定最優(yōu)方案。然而每一次權(quán)重的變動都會影響方案的優(yōu)先級順序(Ramanathan, 2001),因此確定因素權(quán)重對獲取解決目標(biāo)問題的最優(yōu)解具有重要意義。

1.2 指標(biāo)量化方法

本研究采用二元化法、賦值法和隸屬度函數(shù)法對所有指標(biāo)進行歸一化處理, 標(biāo)準(zhǔn)化范圍為0～1, 0 代表適宜性最低, 1 代表適宜性最高, 以此建立指標(biāo)的定量評價標(biāo)準(zhǔn)。統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化范圍不僅保證了各指標(biāo)歸一化值的可加和性, 也保證了綜合計算評價結(jié)果的可操作性。二元化法根據(jù)指標(biāo)“適宜”和“不適宜”兩種情況分別賦值1 和0, 零值代表不適宜, 對結(jié)果直接否定。賦值法根據(jù)指標(biāo)適宜情況合理劃分等級區(qū)間并賦值; 隸屬度函數(shù)法則根據(jù)指標(biāo)實測情況具有的連續(xù)變化特征選擇相應(yīng)函數(shù)模型建立評價標(biāo)準(zhǔn)。本研究選用的隸屬度函數(shù)模型有三類(Mousaviet al, 2015),包括S 型、Z 型和通用型, 如圖1 所示。

圖1 隸屬度函數(shù)模型圖Fig.1 The membership function model diagram

2 人工魚礁選址適宜性評價方法構(gòu)建

本研究依據(jù)相關(guān)選址評價研究成果(許強, 2012),基于層次分析法的人工魚礁選址適宜性評價方法的構(gòu)建從評價指標(biāo)體系的構(gòu)建、評價指標(biāo)對應(yīng)評價標(biāo)準(zhǔn)的建立、主要準(zhǔn)則因素權(quán)重的確定、評價結(jié)果的計算等步驟進行詳細闡述, 評價方法構(gòu)建流程如圖2 所示。

圖2 人工魚礁選址適宜性評價流程圖Fig.2 Flow chart of site suitability evaluation for artificial reef

2.1 評價指標(biāo)體系構(gòu)建及評價標(biāo)準(zhǔn)建立

本研究依據(jù)相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)技術(shù)規(guī)范(中華人民共和國農(nóng)業(yè)部, 2014; 國家市場監(jiān)督管理總局等,2021)以及前人關(guān)于人工魚礁選址評價研究成果(徐漢祥等, 2006; 尹增強等, 2012; Xuet al, 2019), 總結(jié)人工魚礁選址評價相關(guān)環(huán)境因素一般涉及社會經(jīng)濟、物理、工程、化學(xué)和生物環(huán)境等方面。另外, 本研究是針對泛指的人工魚礁基礎(chǔ)建設(shè)環(huán)境進行的選址評價工作, 沒有聚焦于特定養(yǎng)殖目標(biāo)和物種。因此最終設(shè)定海洋功能區(qū)劃、水深、水流、底質(zhì)類型、底質(zhì)荷載、淤泥層厚度、海底坡度、水質(zhì)、沉積物質(zhì)量、赤潮、浮游植物、浮游動物、底棲生物等13 個環(huán)境因素為評價指標(biāo)。其中, 根據(jù)水質(zhì)和沉積物質(zhì)量相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)《GB 3097-1997 海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(國家環(huán)境保護局,2004)和《GB 18668-2002 海洋沉積物質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局, 2004)中的調(diào)查參數(shù)設(shè)置情況將水質(zhì)和沉積物質(zhì)量指標(biāo)設(shè)定為多參數(shù)指標(biāo)。

所選取的評價指標(biāo)不僅包含與人工魚礁投放工作相關(guān)的海洋功能區(qū)劃、海區(qū)底質(zhì)荷載、海底坡度等社會限制性指標(biāo)和工程性質(zhì)指標(biāo), 也包含與人工魚礁的漁業(yè)資源增殖、生境修復(fù)等功能有關(guān)的評價指標(biāo)。水深、水流、底質(zhì)類型等環(huán)境因素影響魚礁的集魚效果, 適宜的水深、水流等條件會形成有利于海區(qū)營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)的流場環(huán)境(李東等, 2019), 可為魚類及其幼魚提供良好的生存環(huán)境。水質(zhì)、沉積物質(zhì)量是影響魚類、貝類等海洋生物生長及繁衍生息的重要環(huán)境因素, 良好的水質(zhì)和沉積物質(zhì)量是確保海洋生物高質(zhì)量生長的前提條件。高餌料生物水平是形成良好漁場的生物基礎(chǔ), 同時也是實現(xiàn)生物資源增殖目標(biāo)的基本保證(虞聰達, 2004)?；诖? 本研究通過選取評價指標(biāo), 開展人工魚礁基礎(chǔ)建設(shè)環(huán)境選址適宜性評價分析工作, 不僅可以獲取目標(biāo)區(qū)人工魚礁建設(shè)適宜性評價結(jié)果, 同時也能驗證魚礁投放海域是否具有良好的漁業(yè)資源增殖能力和生境修復(fù)能力。

本研究將選取的13 個評價指標(biāo)合理劃分于社會環(huán)境、工程環(huán)境、物理環(huán)境、化學(xué)環(huán)境和生物環(huán)境。社會環(huán)境因素主要設(shè)定與海洋牧場建設(shè)所在地區(qū)社會經(jīng)濟狀況和海域功能使用情況相關(guān)的因素, 因此“將海洋功能區(qū)劃”劃分在社會環(huán)境。工程環(huán)境因素的設(shè)定主要考慮海區(qū)底質(zhì)基礎(chǔ)的工程特性, 因此將“底質(zhì)荷載、淤泥層厚度、海底坡度”劃分在工程環(huán)境。物理環(huán)境因素的設(shè)定主要考慮滿足魚類等海洋生物生存的環(huán)境條件, 因此將“水深、水流、底質(zhì)類型”劃分在物理環(huán)境?；瘜W(xué)環(huán)境因素的設(shè)定主要考慮影響礁區(qū)生物生長質(zhì)量的環(huán)境條件, 因此將“水質(zhì)、沉積物質(zhì)量、赤潮”劃分在化學(xué)環(huán)境。生物環(huán)境因素的設(shè)定主要考慮與礁區(qū)生物種類、生物量相關(guān)的環(huán)境條件,因此將“浮游植物、浮游動物、底棲生物”劃分在生物環(huán)境。本研究基于AHP 原理建立人工魚礁選址適宜性評價的層次結(jié)構(gòu)模型, 如圖3 所示, 具體將模型準(zhǔn)則層劃分為主要準(zhǔn)則和從屬的次級準(zhǔn)則(即評價指標(biāo)),分別對應(yīng)5 類環(huán)境和13 個環(huán)境因素, 以此構(gòu)建人工魚礁選址評價指標(biāo)體系。

圖3 人工魚礁選址適宜性評價層次結(jié)構(gòu)模型Fig.3 The hierarchical model of site suitability evaluation for artificial reef

本研究依據(jù)對人工魚礁建設(shè)影響因素的分析情況, 確定主要準(zhǔn)則因素權(quán)重, 避免了采用專家打分方法存在的人為主觀因素影響。確定主要準(zhǔn)則因素權(quán)重的過程如下: 在海區(qū)功能符合建設(shè)條件的情況下, 首先考慮人工魚礁的工程基礎(chǔ)建設(shè)要求, 而海區(qū)的底質(zhì)特性與建礁工程基礎(chǔ)直接相關(guān), 其決定礁體在投放后的穩(wěn)定性和使用壽命(王飛等, 2008), 因此工程環(huán)境因素相對重要性最高。其次水深、水流、底質(zhì)類型等條件影響著海區(qū)底質(zhì)特性, 因此物理環(huán)境因素相對重要性次之。再者考慮的是與養(yǎng)殖目標(biāo)產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量相關(guān)的生物環(huán)境因素和化學(xué)環(huán)境因素。以此構(gòu)建主要準(zhǔn)則相對于目標(biāo)層的判斷矩陣, 并計算對應(yīng)權(quán)重值(見表3)。另外, 設(shè)定次級準(zhǔn)則相對于主要準(zhǔn)則的重要性相同。

表3 主要準(zhǔn)則(B、C、D、E、F)對目標(biāo)層(A)的判斷矩陣Tab.3 The judgment matrix of the main guideline (B, C, D, E,and F) to the target layer (A)

表3 對應(yīng)判斷矩陣對應(yīng)一致性指標(biāo)RC=0.025 2＜0.1, 表明該判斷矩陣一致性較好。最終計算得到主要準(zhǔn)則因素權(quán)重: 社會環(huán)境(0.036 5)、物理環(huán)境(0.292 0)、工程環(huán)境(0.449 4)、化學(xué)環(huán)境(0.084 5)、生物環(huán)境(0.137 6)。

在評價指標(biāo)體系構(gòu)建完成后, 采用指標(biāo)量化方法對所有指標(biāo)進行量化處理, 建立相應(yīng)的定量評價標(biāo)準(zhǔn)以實現(xiàn)評價結(jié)果定量化目標(biāo)。本研究評價標(biāo)準(zhǔn)建立原則: (1) 優(yōu)先以國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 40946-2021 海洋牧場建設(shè)技術(shù)指南》(國家市場監(jiān)督管理總局等, 2021)和行業(yè)技術(shù)規(guī)范《SC/T 9416-2014 人工魚礁建設(shè)技術(shù)規(guī)范》(中華人民共和國農(nóng)業(yè)部, 2014)為依據(jù); (2) 針對國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)技術(shù)規(guī)范中沒有對應(yīng)量化標(biāo)準(zhǔn)的評價指標(biāo), 則參考前人相關(guān)研究成果建立標(biāo)準(zhǔn); (3) 選擇針對性的量化方法對不同指標(biāo)進行歸一化處理, 建立相應(yīng)的定量評價標(biāo)準(zhǔn)。

2.1.1 海洋功能區(qū)劃 海洋功能區(qū)劃是海洋牧場建設(shè)首要考慮的因素, 原則上功能區(qū)具有排他性(Kennishet al, 2002), 因此采用二元化法對海洋功能區(qū)劃指標(biāo)進行歸一化處理。參考“多規(guī)合一”下的《國土空間規(guī)劃的海洋利用分區(qū)》標(biāo)準(zhǔn)中劃分的3 個一級功能區(qū)和12 個二級功能區(qū), 其中12 個二級功能區(qū)包括核心保護區(qū)、一般控制區(qū)、海水捕撈區(qū)、港口航運區(qū)、工業(yè)與倉儲區(qū)、礦產(chǎn)與能源區(qū)、國防軍事區(qū)、排污傾倒區(qū)、特殊利用區(qū)、海洋保留區(qū)、海水增養(yǎng)殖區(qū)和旅游休閑娛樂區(qū)(周鑫等, 2020), 最終將適宜人工魚礁建設(shè)的海水增養(yǎng)殖區(qū)和旅游休閑娛樂區(qū)對應(yīng)賦值1, 其他二級海洋功能區(qū)對應(yīng)賦值0 (李文濤等,2003; 馮英明等, 2020)。

2.1.2 底質(zhì)類型、底質(zhì)荷載、淤泥層厚度、海底坡度、赤潮、餌料生物 海區(qū)的底質(zhì)特性主要影響礁體穩(wěn)定性和使用壽命, 部分研究者認為含有泥沙層的硬質(zhì)底質(zhì)海區(qū)是理想的建礁場所(Turneret al, 1969; 賈后磊等, 2009; 周艷波等, 2011)。底質(zhì)過硬無法固定礁體, 容易發(fā)生移位等情況; 底質(zhì)過軟會使礁體下陷甚至被掩埋, 從而影響功能發(fā)揮(Mathews, 1981)。已有研究者對適宜人工魚礁建設(shè)的底質(zhì)類型進行相關(guān)分析工作(許妍等, 2016; 李英雪, 2019), 可作為參考依據(jù)。從另一角度考慮, 底質(zhì)類型能夠穩(wěn)固礁體是其承載力的體現(xiàn), 與之相關(guān)的底質(zhì)荷載等因素也是必要考慮的(徐漢祥等, 2006)。目前有研究者結(jié)合建礁實例提出相關(guān)量化標(biāo)準(zhǔn), 表明建礁區(qū)的底質(zhì)荷載一般大于等于4 t/m2, 淤泥層厚度不宜超過0.6 m (馮英明等, 2020)。人工魚礁投放一般是具有一定規(guī)模的, 坡度較大的海底地形無法滿足魚礁堆放條件, 易發(fā)生整體移位情況(王飛等, 2008), 因此海底坡度也是建礁必要考慮因素, 一般人工魚礁建設(shè)海區(qū)的海底坡度應(yīng)不超過5° (Barberet al, 2009)。

另外, 海洋災(zāi)害對于人工魚礁建設(shè)是一個潛在的威脅, 特別是與水質(zhì)中營養(yǎng)鹽相關(guān)的赤潮災(zāi)害。赤潮發(fā)生時會伴隨水中溶解氧的快速消耗(張朝賢,2000), 嚴(yán)重影響礁區(qū)生物群落衍生和發(fā)展。而生物資源狀況對礁區(qū)生物生存來說同樣重要(賈后磊等,2009), 因此建礁區(qū)需要有較豐富的餌料生物來滿足目標(biāo)魚種的生長發(fā)育。

本文參考《海洋調(diào)查規(guī)范 第8 部分: 海洋地質(zhì)地球物理調(diào)查》中的“謝帕德”沉積物分類法(中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局, 2008)與相關(guān)研究成果建立底質(zhì)類型指標(biāo)的評價標(biāo)準(zhǔn)(表4)。底質(zhì)荷載、淤泥層厚度和海底坡度等指標(biāo)的評價標(biāo)準(zhǔn)如表5 所示。研究將《HY/T 069-2005 赤潮監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》(國家海洋局, 2005)中等級劃分更為細致的有機污染評價指數(shù)A 作為赤潮指標(biāo)評價標(biāo)準(zhǔn)建立依據(jù)(表5),其中水質(zhì)評價等級中的良好、較好、開始受到污染、輕度污染、中度污染和嚴(yán)重污染分別對應(yīng)有機污染指數(shù): ＜0、0～1、1～2、2～3、3～4、＞4 等情況。餌料生物相關(guān)指標(biāo)評價標(biāo)準(zhǔn)則依據(jù)前人相關(guān)研究中餌料生物水平等級劃分結(jié)果而建立(賈曉平等, 2003), 如表5 所示。

表4 底質(zhì)類型評價標(biāo)準(zhǔn)Tab.4 The evaluation standards of substrate types

表5 底質(zhì)荷載、淤泥層厚度、海底坡度、赤潮、餌料生物評價標(biāo)準(zhǔn)Tab.5 The evaluation standards of seafloor sediment load, silt layer thickness, seafloor slope, red tide, and bait biological stuff(animals or plants)

2.1.3 水深、水流、水質(zhì)、沉積物質(zhì)量 對于人工魚礁投放海域水深范圍的選擇, 水深較小, 礁體會受到海面風(fēng)浪影響, 發(fā)生滑移甚至側(cè)翻等情況(Brandenet al, 1994), 考慮到風(fēng)浪的沖擊影響, 人工魚礁一般都投放在較深海域, 再結(jié)合光照條件對礁區(qū)海洋生物生長狀態(tài)影響的考慮(李文濤等, 2003;趙海濤等, 2006), 投放水深應(yīng)保持在一定適宜范圍內(nèi)。另外也有部分研究者認為需要結(jié)合生物分布、魚礁類型和礁區(qū)生物資源狀況以及礁區(qū)后期維護等方面決定水深條件(張懷慧等, 2001; 徐漢祥等, 2006;賈后磊等, 2009)。隨著人工魚礁建設(shè)目標(biāo)的拓展, 在2014 年頒布并實施的《SC/T 9416-2014 人工魚礁建設(shè)技術(shù)規(guī)范》(中華人民共和國農(nóng)業(yè)部, 2014)規(guī)范性地提出礁區(qū)水深要求, 其中以增殖為目標(biāo)的魚礁投放適宜水深在25～30 m, 其他類型魚礁投放水深在100 m 以內(nèi)即可, 以10～60 m 最適宜。馮英明等(2020)也表明不同類型魚礁投放的水深范圍有所差異, 休閑礁和淺海的海珍品增殖礁一般在10～20 m 為宜,魚類游釣增殖礁一般在20～30 m 為宜, 水深最好不低于5 m。

人工魚礁產(chǎn)生的流場效應(yīng)對于提高礁區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量具有重要意義。適宜流速的海流面向礁體時不僅會在接觸面形成局部上升流, 將底部營養(yǎng)物質(zhì)傳遞到礁體的各個區(qū)域加快鞏固礁區(qū)生物基礎(chǔ)(李東等,2019), 也會在礁體背部形成渦流, 吸引更多洄游性魚類, 提高生物多樣性(Bleckmann, 1986)。研究者們一般認為礁區(qū)適宜水流速度不宜超過0.8 m/s (Chang,1985; 趙海濤等, 2006)。

人工魚礁投放的最初目的就是改善漁業(yè)資源狀況, 因此與之密切相關(guān)的水質(zhì)和沉積物質(zhì)量也是必要考慮因素。依據(jù)《SC/T 9416-2014 人工魚礁建設(shè)技術(shù)規(guī)范》(中華人民共和國農(nóng)業(yè)部, 2014)的規(guī)定, 水質(zhì)按《GB 11607-89 漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(國家環(huán)境保護局,1990)以及《GB 3097-1997 海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(國家環(huán)境保護局, 2004)中不劣于二類水體的要求, 沉積物質(zhì)量按《GB 18668-2002 海洋沉積物質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局, 2004)中不劣于一類水體的要求。本研究采用隸屬度函數(shù)法建立水深、水流、水質(zhì)和沉積物質(zhì)量的評價標(biāo)準(zhǔn)。隸屬度函數(shù)應(yīng)用情況為: (1) 人工魚礁建設(shè)所需水深、水流、pH 值適宜性分布特征表現(xiàn)為有效范圍內(nèi)中間適宜性最高, 到兩邊逐漸降低, 因此選用通用隸屬度函數(shù),如表6 所示。(2) 國家標(biāo)準(zhǔn)中溶解氧含量增加, 適宜性升高, 因此選用S 型隸屬度函數(shù), 根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)中一、二類海水標(biāo)準(zhǔn)建立相應(yīng)評價標(biāo)準(zhǔn), 如表7 所示。(3) 國家標(biāo)準(zhǔn)中重金屬、石油類等參數(shù)數(shù)值越小越安全, 因此采用Z 型隸屬度函數(shù), 如表7 所示。函數(shù)對應(yīng)公式如表6、表7 所示。

表6 水深、水流、pH 值對應(yīng)評價標(biāo)準(zhǔn)Tab.6 The evaluation standards of water depth, current, and pH

表7 水質(zhì)指標(biāo)中其他參數(shù)和沉積物質(zhì)量指標(biāo)參數(shù)評價標(biāo)準(zhǔn)Tab.7 The evaluation standards of other parameters in water quality criterion and the parameters in sediment quality criterion

2.2 評價適宜性等級劃分

為更準(zhǔn)確體現(xiàn)擬選海區(qū)的適宜程度, 本研究參考前人關(guān)于適宜性等級劃分的研究結(jié)果(李英雪, 2019),將1, 0.2 分別作為評價結(jié)果(S)上、下限值, 并均等劃分5 個適宜性等級: 0.0～0.2, 0.2～0.4, 0.4～0.6, 0.6～0.8,0.8～1.0, 這5 個適宜性區(qū)間對應(yīng)的適宜程度等級分別為不適宜、較不適宜、基本適宜、比較適宜和完全適宜。

2.3 評價結(jié)果計算

為使評價更具全面性, 本研究考慮人工魚礁的漁業(yè)資源增殖效應(yīng), 針對評價標(biāo)準(zhǔn)中零值對結(jié)果的直接否定的情況和多參數(shù)指標(biāo)的設(shè)定情況, 設(shè)置對這兩類特殊情況的評價判定過程。其一, 將評價中任意指標(biāo)參數(shù)值出現(xiàn)超限的情況判定為不適宜人工魚礁建設(shè)情況。其二, 由于水質(zhì)和沉積物質(zhì)量中重金屬、石油類等參數(shù)超標(biāo)對養(yǎng)殖目標(biāo)和人體具有危害性,即使接近超限的狀態(tài)也有潛在風(fēng)險, 因此研究將水質(zhì)和沉積物質(zhì)量中多個參數(shù)接近超限的情況也判定為不適宜人工魚礁建設(shè)情況, 并針對該情況設(shè)立一個多參數(shù)綜合指標(biāo)M, 其計算公式為式(4), 將與M進行比較, 數(shù)值大于M的情況判定為不適宜。研究中指標(biāo)參數(shù)值Xi與閾值Yi的比值大于0.5 為接近超限情況,Xi為指標(biāo)參數(shù)值,Yi為評價標(biāo)準(zhǔn)中的b值。

式中,n為參數(shù)個數(shù)。物理意義: 當(dāng)一個指標(biāo)參數(shù)值Xi與閾值Yi的比值接近1, 其他參數(shù)對應(yīng)比值小于0.5 的最高限值。兩種特殊情況判定結(jié)束后, 通過加權(quán)線性組合計算評價結(jié)果S, 即適宜性評價值, 公式為式(5)。

式中,Si為主要準(zhǔn)則i的歸一化值,Wi為主要準(zhǔn)則i的權(quán)重值。計算步驟為: (1)計算評價指標(biāo)歸一化值, 即次級準(zhǔn)則因素歸一化值; (2)計算5 個主要準(zhǔn)則因素的歸一化值(分別設(shè)定為S1、S2、S3、S4、S5)。為保證評價的客觀性, 本文將主要準(zhǔn)則因素歸一化值設(shè)定為各自對應(yīng)次級準(zhǔn)則因素歸一化值均值。水質(zhì)和沉積物質(zhì)量指標(biāo)歸一化值設(shè)定為所含參數(shù)歸一化值均值。

2.4 評價系統(tǒng)創(chuàng)建

由于評價涉及指標(biāo)、參數(shù)較多(輸入55 個, 輸出56 個), 因此研究使用Python 編程語言創(chuàng)建評價系統(tǒng)計算結(jié)果。系統(tǒng)對應(yīng)設(shè)定5 個模塊并針對性地設(shè)計三級循環(huán)計算步驟, 前兩級循環(huán)對應(yīng)兩類特殊情況的評價判定過程, 判定結(jié)果為不適宜時, 系統(tǒng)輸出“round1, 不適宜”或“round2, 不適宜”。三級循環(huán)直接計算適宜性評價值, 并輸出對應(yīng)適宜性等級。為方便指標(biāo)參數(shù)值輸入, 將海洋功能區(qū)劃和底質(zhì)類型指標(biāo)名稱轉(zhuǎn)化為數(shù)字編號形式, 前者對核心保護區(qū)、一般控制區(qū)、海水捕撈區(qū)、港口航運區(qū)、工業(yè)與倉儲區(qū)、礦產(chǎn)與能源區(qū)、國防軍事區(qū)、排污傾倒區(qū)、特殊利用區(qū)、海洋保留區(qū)、海水增養(yǎng)殖區(qū)和旅游休閑娛樂區(qū)進行1～12 編號, 編號11、12 賦值1; 后者進行1～5 編號, 依次對應(yīng)賦值1.0、0.8、0.5、0.2、0.0 的情況。

3 方法驗證

為驗證本文構(gòu)建的評價方法的科學(xué)性, 參考已有的人工魚礁建設(shè)相關(guān)海洋環(huán)境調(diào)查實際情況, 采用馮英明等(2020)在山東省日照市兩城鎮(zhèn)東南側(cè)海域和濤雒鎮(zhèn)東側(cè)海域的海洋牧場示范區(qū)中適宜人工魚礁建設(shè)海域?qū)嶋H調(diào)查數(shù)據(jù), 模擬8 個海區(qū)案例進行相關(guān)評價分析工作。

3.1 案例設(shè)定

本研究表8 中案例1～7 為模擬設(shè)定案例。案例8為實際案例, 主要采用2020 年在日照市海洋牧場示范區(qū)適宜人工魚礁建設(shè)區(qū)域的海洋調(diào)查數(shù)據(jù)(馮英明等, 2020), 但該調(diào)查數(shù)據(jù)中用于選址評價的要素不全面, 水質(zhì)、沉積物質(zhì)量和餌料生物水平僅說明符合人工魚礁建設(shè)技術(shù)規(guī)范, 因此本文依據(jù)相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)將評價標(biāo)準(zhǔn)中的b值(表6～7)作為缺失數(shù)據(jù)的代用值,以保證評價結(jié)果的客觀性。案例1～7 中的數(shù)據(jù)參考該文獻研究中的實際調(diào)查數(shù)據(jù), 結(jié)合對兩類特殊情況和關(guān)注的環(huán)境因素針對性地設(shè)定相關(guān)指標(biāo)參數(shù)值。

表8 案例指標(biāo)參數(shù)值Tab.8 The criteria values and parameters values in the study cases

3.2 結(jié)果與討論

案例1 模擬指標(biāo)參數(shù)值均未超限, 評價結(jié)果輸出為“0.838 3, 完全適宜”; 案例4 模擬隨機指標(biāo)參數(shù)值超限, 以海底坡度(編號 7)為例, 評價結(jié)果輸出為“round1, 不適宜”。案例1 和案例4 用于驗證建立的評價標(biāo)準(zhǔn)合理性和有效性, 當(dāng)任意指標(biāo)參數(shù)值不超限能夠獲取“適宜”評價結(jié)果或當(dāng)任意單一指標(biāo)參數(shù)值超限能夠獲取“不適宜”評價結(jié)果。

案例2、案例3 分別模擬海洋功能區(qū)(編號1)和底質(zhì)類型(編號4)不適宜的情況。案例2 中海洋功能區(qū)劃指標(biāo)對應(yīng)輸入編號7, 代表案例2 海區(qū)場景的海洋利用分區(qū)是“國防軍事區(qū)”, 不能建設(shè)人工魚礁, 指標(biāo)歸一化值為0; 案例3 中底質(zhì)類型指標(biāo)對應(yīng)輸入編號5, 代表案例3 海區(qū)場景的底質(zhì)類型是粉砂質(zhì)粘土、砂質(zhì)粘土和粘土中的一種, 指標(biāo)歸一化值也為0。案例評價結(jié)果均輸出為“round1, 不適宜”, 一方面展現(xiàn)指標(biāo)超限對人工魚礁建設(shè)方案的否定作用, 另一方面也驗證了研究針對這兩個指標(biāo)數(shù)字編號是可用的。

案例5 模擬赤潮指標(biāo)(編號53)超限, 考慮到赤潮指標(biāo)歸一化值由相關(guān)的化學(xué)需氧量、無機氮、無機磷、溶解氧指標(biāo)參數(shù)值計算所得(本文中無機磷主要為活性磷酸鹽, 編號分別為9、15、16、39)。為單純驗證赤潮指標(biāo)超限情況, 案例中與赤潮相關(guān)的4 個指標(biāo)參數(shù)值均未出現(xiàn)超限的情況, 經(jīng)計算得到赤潮指標(biāo)歸一化值為0, 評價結(jié)果輸出為“round1, 不適宜”。

案例6 和案例7 分別模擬水質(zhì)、沉積物質(zhì)量指標(biāo)中多個參數(shù)值接近超限的情況。案例6 模擬水質(zhì)中砷、鎳、鋅、銅、硒(編號分別為24、25、26、27、28)等參數(shù)值接近超限的情況; 案例7 模擬沉積物質(zhì)量中鎘、汞、砷、鋅、銅(編號分別為48、49、50、51、52)等參數(shù)值接近超限的情況。案例評價結(jié)果均輸出為“round2, 不適宜”。案例6 與案例7 用于驗證本研究多參數(shù)指標(biāo)設(shè)定以及對應(yīng)的第二類特殊情況評價判定的可行性, 結(jié)果表明多參數(shù)綜合指標(biāo)M 設(shè)定能夠合理排除水質(zhì)、沉積物質(zhì)量中多個參數(shù)值接近超限而出現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量問題等情況。

案例8 評價結(jié)果輸出為“0.727 6, 比較適宜”。馮英明等(2020)在山東省日照市北部的兩城鎮(zhèn)東南側(cè)海域和南部的濤雒鎮(zhèn)東側(cè)海域?qū)?2 個海洋牧場示范區(qū)中適宜建設(shè)人工魚礁海域評價分析結(jié)果包括: (1) 海域水深適宜, 底質(zhì)類型以粉質(zhì)砂、中粗砂等為主; 坡度較小, 地勢平緩; 淤泥層厚度較小, 海底的承載能力適宜魚礁建設(shè)。(2) 水流速度也有利于礁體的固定,符合人工魚礁投放和施工條件。(3) 水質(zhì)清潔, 餌料生物豐富, 適宜海洋生物生長。海域環(huán)境的整體評價結(jié)果表明該海域符合人工魚礁建設(shè)條件, 適宜程度比較高。2020 年日照市沿海人工魚礁選址適宜性評價結(jié)果與本研究案例8 的分析結(jié)果基本吻合。

在實際情況中經(jīng)常會出現(xiàn)具有不同環(huán)境條件的海區(qū)場景, 相應(yīng)地用于評價分析的調(diào)查參數(shù)可能存在一定的不確定性。因為案例要有一定的代表性, 針對前述兩類特殊情況以及其他可能出現(xiàn)的具有代表性特征的海區(qū)場景, 分別設(shè)置這8 個待驗證案例的海洋環(huán)境參數(shù)值。案例分析結(jié)果顯示: (1) 當(dāng)任意單一指標(biāo)歸一化值出現(xiàn)零值時, 如出現(xiàn)類似案例2 對應(yīng)海區(qū)其他功能設(shè)定、案例3 對應(yīng)底質(zhì)類型不適宜魚礁建設(shè)、案例4 對應(yīng)其他指標(biāo)值超出標(biāo)準(zhǔn)限值等情況時,其評價結(jié)果均輸出為“round1, 不適宜”; (2) 當(dāng)任意單一指標(biāo)歸一化值未出現(xiàn)零值而出現(xiàn)多參數(shù)指標(biāo)中多個參數(shù)值接近超限的情況時, 同樣認為對應(yīng)目標(biāo)方案是不適宜的; 如案例6、7 分別對應(yīng)水質(zhì)、沉積物質(zhì)量的指標(biāo)中出現(xiàn)多個參數(shù)值接近超限的情況,當(dāng)判定值超過多參數(shù)綜合指標(biāo)M, 則評價結(jié)果輸出均為“round2, 不適宜”; (3) 當(dāng)所有環(huán)境指標(biāo)參數(shù)值均未出現(xiàn)超限并且也未出現(xiàn)多參數(shù)指標(biāo)中多個參數(shù)值接近超限的情況時, 評價結(jié)果輸出為海區(qū)適宜性評價值和對應(yīng)的適宜等級。圖4 為案例指標(biāo)參數(shù)歸一化值的熱點分布圖, 清晰展示導(dǎo)致案例評價結(jié)果為“round1, 不適宜”或“round2, 不適宜”的異常值分布情況。通過對模擬設(shè)定案例與實際海區(qū)案例的評價分析, 證明本研究提出的評價方法適用于人工魚礁選址評價工作, 所創(chuàng)建的評價系統(tǒng)軟件能夠快速、有效計算評價結(jié)果。

圖4 案例中指標(biāo)參數(shù)歸一化值的熱點分布圖Fig.4 Hotspot distribution diagram of normalized values of criterion parameters in the study cases

4 結(jié)論

本研究基于AHP 原理, 提出一種適用于人工魚礁選址的適宜性評價分析方法, 方法創(chuàng)新性主要包括: (1) 結(jié)合對不同類型人工魚礁選址影響因素的考慮, 構(gòu)建較為完善的人工魚礁選址評價指標(biāo)體系,包括5 大類環(huán)境和相應(yīng)從屬的13 個環(huán)境因素, 具有較好的通用性。其中多參數(shù)指標(biāo)設(shè)定使得評價分析更為全面。(2) 多種指標(biāo)量化方法的應(yīng)用指標(biāo)使量化過程更具針對性, 同時實現(xiàn)評價指標(biāo)完全定量化目標(biāo)。(3) 根據(jù)人工魚礁建設(shè)涉及的多學(xué)科研究結(jié)果和對人工魚礁建設(shè)影響因素的實際分析, 確定5 個主要準(zhǔn)則因素權(quán)重, 避免采用專家打分方法存在的主觀性和標(biāo)準(zhǔn)不一致等問題, 保證評價結(jié)果的客觀性和可比較性。(4) 基于對人工魚礁漁業(yè)資源增殖效應(yīng)的考慮所設(shè)置的兩類特殊情況的評價判定過程, 有效排除不適宜人工魚礁建設(shè)海區(qū), 使評價方法更具科學(xué)性。(5) 使用Python 編程語言創(chuàng)建評價系統(tǒng)計算適宜性評價值并同步輸出對應(yīng)適宜性等級, 結(jié)果呈現(xiàn)形式簡潔明了。該方法不僅在進行多個海區(qū)方案建礁適宜性的比較分析時具有評價效率高、準(zhǔn)確度高等優(yōu)勢, 也可為廣泛開展各種類型的人工魚礁選址評價應(yīng)用提供客觀、定量分析方法。