刘佰琼, 徐 敏, 刘 晴

(1.南京师范大学 虚拟地理环境教育部重点实验室, 江苏 南京 210023; 2.南京师范大学 地理科学学院,江苏 南京 210023)

随着社会经济的发展以及城市化进程的加快,沿海地区对土地的需求量不断增加, 围填海是缓解人地矛盾、增强食物安全保障、拓展发展空间、促进经济发展的重要手段[1-2]。目前, 随着社会经济的发展和土地需求量的激增, 围填海的面积、规模和强度有着逐渐增大的趋势[3-4], 围垦类型从高滩围涂发展到中、低滩围涂和促淤围涂等多种类型, 开发利用方式也从传统的种植、养殖等农业用地发展到港口、临港工业、城镇建设等工业用地和城市建设用地。港口及临港工业围填海具有较强的产业关联性, 能够有效带动仓储、运输、物流、金融、保险等相关服务业的发展[5-7], 通过产业聚集、扩散和辐射效应,较好地促进区域经济发展。合理的港口及临港工业围填海规模, 是指海洋环境可承载、资源利用可持续、与社会经济条件相适应的围填海规模, 能够最大限度地协调围填海与海洋资源环境保护的关系[8-9]。

刘大海[10]、于永海等[11]对围填海适宜性评估方法进行了研究, 解决了海岸是否适宜开展围填海的科学问题。王静[12]、徐敏等[13]构建了适宜围填规模决策模型, 研究了淤长型潮滩的适宜围填规模。但上述研究对于所有的围填海类型, 均采用同一套指标体系进行评价, 针对性不强。对于港口及临港工业围填海而言, 不仅需要考虑自然环境和社会经济影响等一般因素, 还需考虑该海域是否满足建港条件的要求, 亟需制定针对性较强的围填海规模评价指标体系。本文鉴于围填海用于港口及临港工业开发的趋势, 为了促进海洋空间资源的可持续利用, 以系统工程理论、多目标决策理论和统计理论为基础, 借鉴有关数学模型建立的方法, 综合考虑围填海所在区域的自然条件和社会经济发展条件, 以及围填海对海洋资源环境、社会发展和经济效益的影响, 构建港口及临港工业围填海规模综合评价模型, 对可能实施的围填海方案进行合理评价, 以确定围填海规模的适宜程度和适宜等级, 从众多方案中筛选出最佳的港口及临港工业围填海规模。

1 围填海规模评价模型框架

为了科学合理地开发利用海洋资源, 采用多目标决策理论与方法, 构建港口及临港工业围填海规模综合评价模型, 对围填海规模进行合理评价。首先,综合考虑围填海所在海域的自然资源条件和社会经济条件, 以及围填海后可能带来的社会经济效益和资源环境影响, 构建围填海规模评价指标体系; 其次, 全面搜集数据资料, 定量计算不同围填海规模方案下各评价指标因子的属性值, 并且运用标准化方法对各指标因子的属性值进行标准化; 同时根据标准化后的指标因子值运用主客观综合赋权法计算指标权重; 最后运用加权和法计算围填海规模的综合评价值, 确定围填海规模所属的评价等级。围填海规模综合评价模型框架如图1所示。

图1 港口及临港工业围填海规模综合评价模型框架Fig.1 The Framework of sea reclamation scale comprehensive evaluation model

2 围填海规模评价方法

2.1 评价指标体系

本文在围填海控制线范围内, 确定一个区域的港口及临港工业围填海规模是否适宜, 围填海控制线主要采用数值模拟的方法, 确定不改变海域动力格局和水道稳定性的最大围填外包络线[13]。首先需考虑该区域自身的发展现状, 包括自然条件和社会经济条件, 其次需考虑围填海后可能带来的影响,包括对资源环境的影响以及围填海效益评估。由此构建港口及临港工业围填海规模综合评价指标体系,共包括2类评价因子、4种评价要素和15个评价指标, 如表1所示。

表1 港口及临港工业围填海规模评价要素和评价因子Tab.1 The Evaluation Features and Factors

(1) 自然条件

判断围填海规模是否适宜需综合考虑区域的自然资源和环境承载力。若研究海域的自然资源环境条件良好, 满足深水近岸的条件, 且海洋环境容量较大, 则能够承载大规模的围填海; 反之, 如果该海域的自然资源环境较为脆弱, 则适宜的围填海规模较小。为反映自然条件对围填海的承载能力, 选取深水近岸(10 m等深线离岸距离)、岸滩资源(0 m以浅的岸滩宽度)、宜建港口规模(航道水深)、海洋环境容量这4个评价指标。

(2) 社会经济条件

围填海是沿海地区缓解土地供求矛盾、扩大发展空间的有效手段, 如果沿海地区土地较紧张, 则有进行围填海建设的迫切需求, 相反, 如果区域的建设用地充足, 就无需开展大规模填海造地。此外,如果腹地经济水平和集疏运条件较好, 则能够为区域围填海提供良好的条件, 驱动大规模的港口及临港工业围填海。为反映社会经济条件对围填海的支持和驱动, 选取港口腹地经济水平(单位土地面积GDP)、人均土地面积、基础设施配套、集疏运条件4个评价指标。

(3) 资源环境影响

围填海将对周边海域的资源环境产生影响, 围填海实施后对周边岸滩及航道冲淤的影响, 主要在围填海控制线优选时采用数值模拟的方法确定, 本文不再涉及。围填海不仅会占用原有岸线, 建成后还会新增码头岸线, 新增的码头岸线越长, 则越有利于港口建设和开发。另外, 围填海占用潮滩湿地, 破坏了海洋生物资源的生境条件, 将会造成潮间带生物和底栖生物的损失。围填海实施后, 进行港口及临港工业开发, 还会排放污染物入海, 降低海域的水环境质量。为反映围填海对周边海域资源环境的影响, 选取的评价因子包括: 新增码头岸线长度、底栖生物损失量、占用海域面积、污染物年排放量 4个评价指标。

(4) 效益评估

围填海形成后, 新增的土地面积可提供临港工业发展用地, 除了围填海自身有显著的经济效益外,还可增加区域就业人口, 推动区域经济的快速发展。此外, 港口通过城市的中心带动作用可有效推动区域经济的发展, 港口及临港工业的规模越大, 对腹地经济的辐射带动作用越强, 越有利于社会经济的发展。为反映围填海对社会经济的综合效益评估, 选取的评价因子包括: 围填海经济效益、可增加的就业人口、对区域发展的带动作用3个评价指标。

2.2 评价指标标准化

由于各评价指标间具有不可公度性, 为了消除不同量纲和数量级对评价结果的影响, 需对评价指标进行标准化处理, 常用的标准化方法有线性变换法、标准0–1变换法、曲线变换法、向量规范化法等[14-16]。对于固定型和成本型指标, 本文采用标准0–1变换法, 对于效益型指标则采用曲线变换法。各类型指标标准化方法如下。

效益型指标, 由于评价指标值随着围填海规模的改变而逐渐变化, 并非是突变的, 中期变化较快,而前后期相对较慢。采用升半正态性标准化方法, 该方法主要适合于指标中期值变化对事物发展总体水平影响较大的情况。标准化方法为:

其中,xij表示第j个目标方案xj在第i个评价指标fi下的属性值,yij表示指标属性值进行标准化后的标准化值, min表示各个指标属性值的最小值, max表示各个指标属性值的最大值,aj表示fj的最佳稳定值,h表示标准化值随着指标属性值开始发生变化的临界点,k表示变化比率。

2.3 确定指标权重

在围填海规模综合评价决策的求解过程中, 指标权重的确定是一个非常重要的问题。常用的主观赋权法有层次分析法(AHP法)、专家调查法(Delphi法)、G1法(序关系法)等[17-19], 常用的客观赋权法主要有主成分分析法、熵权法、CRITIC法等[20-22]。考虑到主观赋权法主要依赖于决策者的经验和对评价指标的主观重视程度, 而客观赋权法确定的指标权重有可能与指标的实际重要性程度相悖[23], 本文采用主客观综合赋权法确定各评价指标的权重, 其目的是使指标权重同时反映主客观程度。其中, 主观权重的确定采用 G1法(序关系法), 客观权重的确定采用CRITIC法。

(1) 主观权重确定

采用 G1法[19](序关系法)确定各评价指标的主观权重, G1法概念易懂, 计算简便, 且无需像 AHP方法(层次分析法)一样对评价目标的数量有要求且需要检测矩阵的一致性, 具有较好的可操作性。

序关系法确定主观权重系数的方法与步骤如下:

1) 若评价指标xi相对于某评价目标的重要性程度不小于xj时, 记为xi≥xj。若评价指标x1,x2,···,xm相对于某评价目标具有关系式时,称此组评价指标建立了序关系。式中,指按照序关系排定后的第j个评价指标。

2) 计算评价指标xi的权重wi。设评价指标xt-1与xt的重要性程度之比为rt, 即wt–1/wt=rt(t=m,m–1,···, 2)。当m较大时,rt可取为1。Rt的赋值见表2。

表2 G1序关系法中rt取值表Tab.2 The value of rt in the method of G1

则可解得wm为:

根据公式wt-1=rtwt(t=m,m－1,···, 2)可求得各指标的权重系数。

(2) 客观权重确定

CRITIC法[22](Criteria Importance Through Inter-criteria Correlation)是由Diakoulaki提出的一种客观赋权方法, CRITIC法的特点是同时考虑了指标间的冲突性和指标变异性这两个重要因素。指标间的冲突性是基于评价指标之间的相关性进行分析的,若两个指标之间具有较强的负相关, 则表明这两个指标在评价方案的优劣上反映的信息有较大的不同,冲突性较大, 权重也较高; 反之, 若两个评价指标之间具有较强的正相关, 则表明冲突性较低, 权重较小。指标变异性通过标准差来体现, 以表明同一个评价指标在各评价方案之间取值的差异大小, 标准差越小表明各评价方案取值的差距越小; 当标准差一定时, 评价指标的冲突性越大, 则权重越大。

假设第j个指标与其他指标之间的冲突性用指标pj来量化, 计算公式为:

其中,rtj表示第j个指标和第t个指标之间的相关系数,m表示指标个数。

第j个指标所包含的信息量Cj的计算公式为:

其中,σj为指标的标准差, 体现指标间的变异性。信息量Cj越大, 表示第j个指标所包含的信息量越大, 则该指标的相对重要性越大, 所赋权重也应越大, 第j个指标的客观权重Wj′的计算公式为:

(3) 主客观综合赋权

获得评价指标的主观权重和客观权重后, 有可能出现主、客观权重冲突或相悖的情况, 采用下式计算归一化的主客观综合权重, 计算公式为

Wj即为主客观综合赋权法确定的指标权重,Wj′为主观权重,Wj′为客观权重,α为主观权重的归一化指数,β为客观权重的归一化指数。

2.4 评价决策

在对决策矩阵进行标准化处理和确定指标权重的基础上, 可采用加权和法、加权积法、理想点法等方法[14,16]进行评价决策, 本文采用线性加权和法计算港口及临港工业围填海规模的综合得分。计算公式为:

其中,ICH为围填海规模的综合得分,m表示评价指标的数量,Ii为评价指标i的标准化值,wi为评价指标i的权重。

采用线性加权和法得到围填海规模综合得分为0~1的连续数值。对于港口及临港工业围填海规模方案而言, 存在规模适宜、过大或过小三种情况, 根据本文构建的指标体系和赋值标准, 规模适宜的评价结果得分最高, 规模过大或过小得分均较低, 因此可根据围填海规模的综合得分, 确定围填海规模的适宜等级。

为了科学合理评价围填海规模, 咨询海洋工程和海洋资源环境领域专家的意见, 采用专家咨询和专家打分法确定围填海规模的评价等级, 将 0~1的连续数值划分为三份, 即 0~0.4、0.4~0.7、0.7~1分别对应不适宜、较适宜、适宜三种状态。港口及临港工业围填海规模综合评价等级划分标准见表3。

表3 港口及临港工业围填海规模评价等级划分标准Tab.3 The criterion of classification about sea reclamation scale evaluation

将各围填海规模方案的综合得分与评价等级划分标准进行比较, 确定围填海规模综合得分所属的评价等级。若有1个以上的方案位于“适宜”区间, 则将综合得分按照从大到小的顺序进行排列, 选取综合得分最大的方案作为最适宜的围填海规模。若围填海规模综合评价得分均较小, 位于“适宜”区间的方案为0, 则依据各评价指标的属性值遴选对评价结果影响较大的指标, 从而有针对性地对围填海方案进行优化, 直至围填海规模综合评价模型计算得到的结果较佳为止。

3 腰沙港口及临港工业围填海规模评价

以江苏辐射沙洲半岛式浅滩——腰沙港口及临港工业围填海为例进行研究。腰沙是江苏辐射沙洲南翼面积最大的沙洲, 周边分布有小庙洪水道和三沙洪水道两条潮汐汊道。根据本文所述的围填海规模评价方法, 各围填海规模方案下(图2)各评价指标的属性值如表4所示。

表4 腰沙港口及临港工业围填海规模方案评价指标属性值Tab.4 The attribute values of evaluation factors about various schemas

图2 腰沙港口及临港工业围填海规模方案Fig.2 The sea reclamation scale scheme of YaoSha

采用 G1序关系法确定的主观权重向量为:w′=(0.106, 0.051, 0.065, 0.080, 0.054, 0.046, 0.032,0.068, 0.068, 0.042, 0.034, 0.056, 0.109, 0.085,0.102)。采用 CRITIC法确定的客观权重向量为:w′=(0.077, 0.182, 0.073, 0.049, 0.033, 0.039, 0.042,0.044, 0.058, 0.055, 0.040, 0.063, 0.064, 0.084,0.097)。在此基础上, 采用主客观综合赋权法, 最终确定的腰沙港口及临港工业围填海规模评价权重向量为:W=(0.091, 0.117, 0.069, 0.065, 0.044, 0.042, 0.037,0.056, 0.063, 0.048, 0.037, 0.060, 0.087, 0.085, 0.100)。

采用线性加权和法计算围填海规模的综合得分,如表5所示。根据港口及临港工业围填海规模评价等级划分标准, 理论基面+3.0 m方案处于0.7~1的区间, 属于适宜围填, 由此确定理论基面+3.0 m 方案为围填海的最优方案。经分析可知, 理论基面+3.0 m方案下, 围填海面积为90.1 km2, 围填海宽度为17.3 km,而腰沙海域0 m以浅的岸滩宽度为16.5 km, 该方案能够最大限度的合理利用岸滩资源, 且与当前的社会经济发展水平相适应, 围填海后的社会经济效益显著, 采用本文方法确定理论基面+3.0 m为围填海的最优方案是合理的。

表5 腰沙港口及临港工业围填海规模方案综合得分Tab.5 The synthesis score of various sea reclamation schemas

4 结语

本文针对目前围填海主要用于港口及临港工业开发的趋势, 构建了港口及临港工业围填海规模综合评价模型, 提出了完整的围填海规模综合评价方法体系。计算表明, 腰沙海域港口及临港工业的最佳围填海规模为理论基面+3.0 m。本文提出的指标体系主要是针对开敞型海域的特点建立的, 具有一定的适用范围, 如何根据海湾型海域的特点构建针对性较强的评价指标体系, 是下一步研究的方向。在今后的工作中, 可选取城镇建设、农业围垦等类型的围填海开展研究, 完善围填海规模评价指标体系。

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