基于近正态分段函数的海岸带脆弱性模糊综合评价模型构建——以黄河河口为例*

宫 伟,刘大海,丁德文,邢文秀

(1.国家海洋局第一海洋研究所 青岛 266061;2.中国海洋大学 青岛 266100)

基于近正态分段函数的海岸带脆弱性模糊综合评价模型构建
——以黄河河口为例*

宫 伟1,2,刘大海1,丁德文1,邢文秀1,2

(1.国家海洋局第一海洋研究所 青岛 266061;2.中国海洋大学 青岛 266100)

近年来,随着工业的发展和城市化进程的加快,人类活动对海岸带地区的干扰日益加剧,使其呈现出越来越明显的脆弱性特征。文章在前人研究的基础上,以黄河河口为例,对海岸带地区进行了全面系统的深入研究,提出了一种基于模糊数学方法的脆弱性综合评价模型。列举出诸多固有脆弱性和特殊脆弱性评价指标,并采用层次分析法(AHP)确定指标的权重,运用模糊数学近正态分段函数来确定评价指标的模糊关系矩阵,最终按照隶属度最大原则确定研究对象的属性特征。

脆弱性;海岸带;黄河河口;模糊数学;隶属度最大原则

1 引言

海岸带对于人类社会和经济发展至关重要,全球经济财富大部分产生于海岸区域,但海岸带由于受到多种作用力的交互影响,客观上存在生态环境脆弱性问题。分析海岸带生态环境的脆弱性问题,构建海岸带生态环境脆弱性评价模型和方法,对开展生态环境保护、自然资源的合理开发和促进海岸带环境经济协调发展具有重要科学意义[1]。

截至目前,对于脆弱性而言,已发展众多的研究方法,作为研究脆弱性的一种较新兴方法—模糊数学方法自加利福尼亚大学L.A.Zadeh教授于20世纪60年代提出,便得到快速发展。在模糊数学理论研究逐步深入的同时,也被越来越广泛地应用于地下水[2]、环境[3-4]、地质[5-6]等学科的诸多领域。与其他方法相比,模糊数学方法降低了脆弱性评价的绝对性,提高了评价的客观性,正是由于上述优点,本文在以往脆弱性研究的基础上,基于 “绝对的分级界限模糊化”的科学思想,试图应用模糊数学方法构建海岸带脆弱性模糊综合评价模型,并对黄河河口地区的脆弱性展开系统研究,以期为研究区域的可持续发展提供科学依据。

2 研究区域概况

河口是一种比较典型的海岸带,其特点在于该区域不仅受陆地和海洋相互作用影响,还受河流及其上游来水来沙的影响,是非常独特的地理资源。该区域往往具有湿地资源丰富、生物多样性高、脆弱性高、人类活动复杂等特点。其中,黄河河口区域由于具有湿地生态系统,且水沙变化频繁、演变规律复杂,成为近年来相关研究较为集中的河口区域之一。因此,针对黄河河口地区开展脆弱性研究具有较为广泛的应用价值。

黄河河口地区位于渤海湾南岸和莱州湾西岸,117°31′E-119°18′E和36°55′N-38°16′N之间,地处中朝古陆的华北地块,济阳坳陷的东部,主要受北东向和北西向构造体系的控制,地势沿黄河走向自西南向东北倾斜,平均海拔低于15 m。该区河流众多,多为东西走向,形成较为复杂的水系网络,在暖温带半湿润大陆性季风气候影响下,水量丰沛,平均年径流量可达366.4亿m3,与长江相比,虽然年径流量只有长江的5%左右,但河水的泥沙含量约为其3.7倍。

3 海岸带脆弱性模糊综合评价模型构建的具体方法

3.1 脆弱性评价指标集和评语集的构建

3.1.1 评价指标的确定

以河口脆弱性的影响机制为出发点,首先对黄河河口脆弱性评价指标选择范围进行界定,依据系统性原则,确定指标的选择范围覆盖研究区域社会经济及自然地质两个方面。

图1 海岸带脆弱性模糊综合评价模型构建步骤

图2 自然地质空间划分

依据上述界定范围,分别从社会经济、自然地质两个角度进行研究。对于社会经济方面,建立社会经济脆弱性对其反映;对于自然地理因素而言,由于其具有复杂性、普遍联系的特点,为了提高评价的科学性、合理性,将研究区域的自然地质因素划分为3个部分 (图2),继而针对划分的三部分中的水体、地层因素分别建立区域稳定性、地层稳定性等相关评价指标对其反映,并从目前脆弱性研究普遍方法角度出发,将提出的评价指标合理的划分为固有脆弱性和特殊脆弱性两个方面,以方便研究,上述因素的具体关系如图3所示。

图3 社会经济、自然地质因素与脆弱性的关系

3.1.2 评价指标集和评语集的建立

在河口脆弱性指标选择范围确定的基础上,针对所提出的评价指标构建起黄河河口的子脆弱性评价指标集,如表2所示。

对黄河河口脆弱性评价时,划分5个等级对子脆弱性评价指标属性进行衡量:即B={微度脆弱,轻度脆弱,中度脆弱,重度脆弱,极重度脆弱}。

3.2 脆弱性评价指标等级划分标准的建立

3.2.1 评价指标等级划分标准建立的约束条件

对黄河河口脆弱性评价指标等级划分标准建立的约束条件如下:

(1)针对实际对象进行评价时,确保各评价指标的实际值能够分布在评价模型中各评价指标相应的取值范围内。

(2)等级划分设定界限值需要建立在充足的信息和人为对等级划分合理的基础上,从而确保河口脆弱性隶属度评价的准确性。

3.2.2 评价指标分级体系

在本模型的构建过程中,参照以往的研究[7-14],对各脆弱性评价指标进行科学合理的等级划分,力求5个不同等级间的数据同一性较小 (方差较大),同一等级内的数据同一性较大 (方差较小),指标等级划分标准如表1所示。

表1 黄河河口脆弱性评价指标等级划分标准

续表

3.3 脆弱性评价指标权重分配

黄河河口脆弱性受到诸多因素的影响,脆弱性评价是不同种类、多因素的综合评价,为了区分各因素对河口脆弱性贡献的轻重程度,本文采用AHP法确定各评价指标的权重值。

层次分析法是一种主客观相结合的权重确定方法,通过分析找出各因素的相互关系,将要素分为不同的层次,针对每一层次,对各因素的相对重要性进行一一比较,构建相对重要性矩阵,求取最大特征值对应的特征向量,如若通过一致性检验,则以上述求得的特征向量经标准化处理后作为评价指标的权重向量。各评价指标的权重值如表2所示。

表2 黄河河口脆弱性评价指标权重

续表

3.4 脆弱性评价指标模糊关系矩阵构建

在黄河河口脆弱性的模糊评价过程中,最为核心的就是通过评价指标隶属度对指标的属性程度进行判断。由表1所示,根据各评价指标值的变化规律,可以将评价指标分为如下三类:定量连续性指标、定量离散性指标、定性指标。

根据以往的理论与实践研究,进行河口脆弱性评价时,对于定量连续型评价指标的综合评判,正态型函数是所有隶属函数中将原有资料进行模糊信息处理较为恰当的函数之一。因此,对于连续变化的定量指标,文中采用正态型函数来处理。其约束条件为:在各个评价等级区间范围内,评价指标值大致呈正态分布。而对于定量离散性的指标和定性指标,针对特定的评价指标,基于以往的研究经验和专家咨询来建立隶属度值表。

为了方便计算将上式化简为:

而对于定量连续性指标本文采用两种方法确定各指标的隶属度值:

递增型函数:一定范围内,评价指标的增长与河口脆弱性的严重程度呈正相关关系,属于该类型的评价指标如地下水的开采强度、矿化度、海底冲刷深度等。

递减型函数:一定范围内,评价指标的增长与河口脆弱性的严重程度呈负相关关系,属于该类型的评价指标如用于防灾防害投资所占GDP的比例、地下水埋藏深度、软弱土层承载力等。

注:上述to,t1,t2,t3,t4,t5为各区间的边界值,x为评价指标的实际值。

对于地震烈度1个非连续变化的离散性定量指标和产业结构、土地利用类型、断裂带分布特征、地裂缝分布特征、底辟类型及规模4个定性指标隶属度的确定,基于专家咨询和以往的研究经验,给出非连续变化的离散性定量指标和定性指标对不同评价等级的隶属度。此处以产业结构、土地利用类型两个评价指标隶属度确定为例 (表3),其余离散性定量指标、定性指标均按照相同原则建立起评价指标隶属度值表。

表3 人均寿命、产业结构评价指标隶属度值

3.5 脆弱性评价结果

根据模糊关系矩阵R和权重向量A,加权合成从而获得黄河河口脆弱性的评价结果。由于众多因素的制约,在缺乏诸多与海水作用有关数据的基础上,本文主要以黄河河口陆上部分——东营市的5个县区为研究对象,根据以往研究资料[16-18]整理所获取的人口密度、产业结构、土地利用类型、地下水埋深、地震烈度等部分指标数据进行示范性评价。在评价过程中,根据不同的研究目的,可以采用不同的形式进行评价。① 单因子形式:采用单个评价指标对评价对象进行研究,评估其针对不同评价等级的隶属程度。如图4所示,采用断裂带分布特征这一评价指标,针对黄河河口陆上部分——东营市的五个县区进行评估,由图可知,东营区为轻度脆弱,河口区、广饶县为中度脆弱,垦利县为重度脆弱,利津县为微度脆弱;② 多因子形式:采用多个评价指标对评价对象进行研究,评估其针对不同评价等级的隶属程度。如图5所示,采用地震烈度、断裂带分布特征、地裂缝分布特征、构造沉降量4个评价指标,针对黄河河口陆上部分——东营市的5个县区进行区域稳定脆弱性评估,由图可知,东营区、垦利县为轻度脆弱,河口区、利津县为微度脆弱,广饶县为中度脆弱;③ 全因子形式:采用所有评价指标对评价对象进行研究,评估其针对不同评价等级的隶属程度。如图6所示,采用人口密度、产业结构、地下水埋深、土地利用类型、地震烈度、断裂带分布特征等所有评价指标,针对黄河河口陆上部分——东营市的5个县区进行评估。由图可知,东营区、垦利县为轻度脆弱,河口区的微度脆弱与轻度脆弱相当,广饶县为中度脆弱,利津县为微度脆弱。

图4 断裂带分布特征的脆弱性评价结果

图5 区域稳定脆弱性的评价结果

图6 特殊、固有脆弱性的综合评价结果

4 结果及讨论

由上述3种不同形式评价结果可知,分别属于微度、轻度、中度、重度、极重度脆弱性等级县区比例(个数比)分别为(0.2,0.2, 0.4,0.2,0)、(0.4,0.4,0.2,0,0)、(0.2,0.6,0.2,0,0),由此可知,无论是针对断裂带分布特征、或是区域稳定脆弱性、或是整体脆弱性,虽然3种不同形式评价结果存在着差异,但是黄河河口脆弱性评价等级整体上比较低。虽然黄河河口整体上脆弱性等级偏低,但是对于不同个体而言,仍然存在差异。与此同时,对于同一个体而言,在不同评价形式中,脆弱性等级亦存在差异。最明显的就是垦利县的评价结果,在断裂带分布特征评价中隶属于重度脆弱性,而在区域稳定脆弱性评价中隶属于轻度脆弱性。

上述现象主要由如下原因造成:就整体而言,起着至关重要作用的构造方面,对山东半岛影响较大的郯庐断裂带并未经过该区域,黄河河口地区处于构造较稳定的地带,因而在地质历史上亦并无较大规模地震出现,因而研究区域整体上脆弱性等级比较低;虽然研究区域5个县区整体上有着大致相同的经济、构造、沉积等方面的背景,但是针对同一方面而言,个体之间仍然存在着差异。就人口密度而言,东营区及广饶县分别为539人/km2、440人/km2,而利津县、河口区、垦利县分别为233人/km2、101人/km2、100人/km2;就断裂带分布特征而言,亦存在着较大的差别,垦利县断裂分布较多,且若干断裂晚更新世或全新世依然活动,而利津县几无较大规模断裂分布。由于诸如上述方面的差异,因而对于不同个体,脆弱性等级存在一定的差异。不同个体之间存在差异的同时,同一个体在不同评价形式中亦隶属于不同的等级,如上面所述垦利县的例子,就断裂带分布特征而言,断裂分布较多且依然活动,因而隶属于重度脆弱等级,然而就区域稳定脆弱性的其他方面,脆弱性等级较低,因此垦利县的区域稳定脆弱性等级却偏低。

5 结论

本研究基于模糊数学方法,构建海岸带脆弱性综合评价模型,并对黄河河口地区脆弱性综合评价方法进行系统研究。脆弱性具有不确定性的特点,而评价因子对最终评价目标的影响亦是具有模糊性的特点,因此采用模糊综合评价的方法进行脆弱性评价是比较合适的,且最终对黄河河口地区的评价结果也基本符合客观事实。

鉴于相关数据资料有限及模型假设过于严格,在实际操作中,可能需要根据研究对象的实际情况予以调整,模型的实际应用将在今后的研究中加以阐述。此外,鉴于该模型是模糊综合评价法在河口脆弱性评价领域的创新性运用,其还存在如下不足:评价指标的选取受人为主观因素的影响较为明显;评价指标权重的获取也存在一定的主观性;如果将评价结果与GIS软件相结合,属性数据的空间化可能造成评价结果的不确定性,如地区国民生产总值等数据在实现空间化时,导致数据准确性的下降,从而对评价结果产生影响。因此,更加准确、客观的河口地区脆弱性评价模型的提出仍需要今后不断地研究和探索。

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国家海洋局青年基金重点项目:2012104;中央级公益性科研院所基本科研业务费项目:GY02-2012G11;中国海洋发展研究中心重大项目:AOCZDA201204-2.