基于熵权模糊物元法的人工鱼礁生态效果综合评价*

唐衍力， 于　晴

(中国海洋大学水产学院，山东 青岛 266003)



基于熵权模糊物元法的人工鱼礁生态效果综合评价*

唐衍力， 于晴

(中国海洋大学水产学院，山东 青岛 266003)

摘要：根据2012年9月—2013年8月对海州湾前三岛人工鱼礁区生物资源和环境因子的调查，结合3个等级评价标准，构建了基于熵权的模糊物元的人工鱼礁区生态效果综合评价模型，并对海州湾前三岛人工鱼礁区的生态效果进行初步评价。研究表明，鱼礁区的综合生态效果优于对照区，且二者都高于Ⅰ级水平。其中，鱼礁区水质与底质状况高于对照区，且二者都远好于Ⅰ级水平；鱼礁区饵料生物水平稍好于对照区，均处于Ⅲ级水平；鱼礁区鱼类与大型无脊椎动物远超过对照区，高于Ⅰ级水平，对照区处于Ⅱ级水平。结果表明，海州湾前三岛海域人工鱼礁的生态效果良好，用本文评价方法得到的数据可以作为评价鱼礁生态效果的依据。

关键词：人工鱼礁； 生态效果评价； 模糊物元； 熵值法； 海州湾

人工鱼礁投放后会引起周围海域非生物环境和生物环境的变化，从而达到改善海域生态环境、构建人工栖息地的目的[1]。人工鱼礁所产生的饵料效应、流场效应、庇护效应、阴影效应和音响效应等多种效应，在不同程度上有利于鱼群的聚集，导致礁区周围海域生物量增加[2]。因此,鱼礁生态效果的综合评价应包括鱼礁投放对生态系统各组分的影响效果之和[3]，具体体现在流场、水质与底质、饵料生物水平和鱼类与大型无脊椎动物群落结构等指标上。

本研究海域海州湾属典型的开放性海湾，季风气候，以淤泥底质为主[4-5]。其水质肥沃，生物资源丰富，历史上曾是中国著名的八大渔场之一，但由于过度捕捞以及产卵场等栖息地的破坏，渔业资源衰退日益严重[6]。很多学者调查研究证实，海州湾部分海域(119°35′E以西)自2003年起投放人工鱼礁以来，生态环境得到明显改善，浮游生物群落结构发生了较大变化，生物量明显增多，鱼礁区大型底栖生物的生物量与栖息密度逐年增加，鱼类与大型无脊椎动物增殖效果明显[6-9]。但是以上研究主要对鱼礁区某些生态效果指标的分析，对全面评价鱼礁生态效果的指导意义并不显著。

人工鱼礁生态效果评价是一个多指标决策过程，其优劣又具有一定的模糊性，因此仅靠单项指标的比较很难全面、直观的进行评价。模糊物元模型简便、通用，经常应用于水质综合评价[10]，其应用熵值法确定权重系数, 避免了权重系数确定的主观性问题，计算结果较为客观、稳定, 为本文鱼礁生态效果综合评价提供了新思路。本文运用欧氏贴近度的概念，将熵值法和模糊物元法相结合，建立了基于熵权的模糊物元人工鱼礁区生态效果综合评价模型，并对海州湾前三岛人工鱼礁区的生态效果进行初步评价，为该海域渔业资源养护提供实践依据。

1基于熵权模糊物元评价模型的建立[11-17]

1.1 构建复合模糊物元

给定事物的名称N,它关于特征c有模糊性量值为v, 以有序三元R= (N,c,v) 组作为描述事物的基本元, 简称模糊物元。如果m个事物的n维模糊物元组合在一起, 便构成m个事物的n维复合模糊物元Rmn，记作

式中: Mi为第i个事物( i = 1, 2,…, m) ; Ck为第k个特征( k= 1, 2,…, n) ; vik为第i个事物第k个特征对应的模糊量值。

1.2 构建从优隶属度模糊物元

根据从优隶属度原则，采用下面类型的指标:

越大越优型μik=Vik/maxVik；

越小越优型μik=minVik/Vik。

1.3 构建差平方复合模糊物元

1.4 熵值法确定权重系数

(1)构建m个事物的n个评价指标的判断矩阵R=( vij)mn, ( i = 1, 2,…, n; j = 1, 2,…, m) 。

(2)将判断矩阵归一化处理, 得到归一化判断矩阵A:

(3)定义熵。在有n个评价指标,m个被评价对象的评估问题中,可以确定第i个评价指标的熵为:

其中，

(i=1,2,…,n;j=1,2,…,m),k=1/lnm。

(4)定义熵权w。定义了第i个评价指标的熵之后, 可得到第i个评价指标的熵权定义, 即权重:

1.5 综合评价值的识别与排序

在模糊理论中, 欧式贴近度常用于描述2 个方案或样本接近的程度,本方法目的在于对事物的综合评价，采用M(·，+)算法，先乘后加运算欧氏贴近度ρHj：

式中:ρHj为第n个方案与标准方案之间的相互接近程度, 其值越大表示两者越接近, 反之则相离较远.以此来构造欧氏贴近度复合模糊物元RρH：

欧氏贴近度是表示各方案与标准方案(最优方案) 之间的贴近程度, 可以根据欧氏贴近度的大小对各方案进行优劣排序, 并可进行分类。

2海州湾前三岛人工鱼礁生态效果评价实例

2.1 研究海域与调查时间

研究海域是位于海州湾东北部的前三岛海域，水深8～22m，地质平坦，由沙砾和细沙组成，底质中粉砂及黏土含量低，部分区域以细沙、岩礁为主。该海域人工鱼礁始建于2005年，礁区面积达200hm2，累计投放大料石、混凝土构件、报废渔船、拖驳船等各类礁体77万m3。本研究于2012年9月—2013年8月分季度对鱼礁区和对照区进行环境和资源调查。在人工鱼礁区内选择鱼礁相对密集的海域设置8个调查站位，分别为站位1～8。对照区设置在与鱼礁区环境因素相似的海域，且距离鱼礁区边缘800m以上，海域内无网具作业，按照实际海域由于鱼礁设置所产生的流场影响范围在水平尺度上一般不超过鱼礁规模的50倍[6]，对照区基本不受鱼礁区影响，在此海域内设置6个站位，分别为站位9～14(见图1)。

图1　调查区域及站位设置图

2.2 鱼礁生态效果综合评价体系的建立

2.2.1 评价指标的选取与调查方法鱼礁的投放对流场、水质与底质、饵料生物水平和大型游泳动物等4类因子产生一定影响[6-8,18-27]。根据评价指标选取的独立性、完备性与可操作性原则，结合研究海域的资源与环境调查数据，将鱼礁效果的具体体现指标纳入综合评价体系，初步选取水质与底质、饵料生物水平、鱼类与大型无脊椎动物3类因子作为评价准则。

水质与底质结合鱼礁区特点，选择以下评价指标：①水质：IN、IP、N∶P(原子比)、DO、COD、BOD5、pH(采用相对pH表示，即相对pH=|pH-7.75|)、重金属(Cu、Pb、Zn、Cd、Hg和As)和硫化物、石油类；②底质：重金属(Cu、Pb、Zn、Cd、Hg和As)和硫化物、石油类。此类评价指标均通过现场采样、实验室测定获得。

饵料生物以浮游植物、浮游动物、底栖生物的生物量和物种多样性为评价指标。其中浮游植物、浮游动物数据通过现场采样、实验室测定和计算获得。底栖生物的生物量和物种多样性数据采用查阅文献的方法获得。物种多样性评价指标的测定值选择生物多样性阈值(Dv)[28]。

2.2.2 评价指标标准的确定将海域生态效果分为Ⅰ级、Ⅱ级和Ⅲ级3个等级，将其一同纳入鱼礁生态效果综合评价体系，与礁区和对照区实测数据进行比较，以期直观的表达鱼礁生态效果的水平(见表1)。

表1　评价指标值及确定依据

续表1

指标Index鱼礁区①对照区②Ⅰ级③Ⅱ级④Ⅲ级⑤确定依据⑥浮游植物生物多样性(b2)0.9144±0.37000.8345±0.22002.51.50.6实测数据、文献[28]的生物多样性阈值分级标准浮游动物密度(b3)/mg·m-389.35±43.9266.31±18.451007550文献[29]的饵料生物水平分级标准浮游动物生物多样性(b4)0.2650±0.09000.2970±0.07002.51.50.6实测数据、文献[28]的生物多样性阈值分级标准底栖生物密度(b5)/g·m-20.9682±00.5603±025105文献[8]的实测数据和文献[29]的饵料生物水平分级标准底栖生物物生物多样性(b6)1.9652±01.7612±02.51.50.6文献[8]的实测数据和文献[28]的生物多样性阈值分级标准CPUE(c1)/g·net-1·d-12425.22±382.481403.99±610.373090.262113.561136.85实测数据中礁区与对照区各站位年平均最高CPUE平均数为Ⅰ级标准,最低年平均CPUE平均数为Ⅲ级标准鱼类与大型无脊椎动物生物多样性(c2)4.39±0.473.38±0.893.52.51.5文献[28]的生物多样性阈值分级标准个体肥满度(c3)2.3994±0.49001.8495±0.32002.01.00.5根据实测鱼类的体长体重数据,参照www.fishbase.org中鱼类体长体重关系式,可得相对肥满度;文献[3]中的肥满度变化范围

2.2.3 综合评价模型计算根据表1的数据，对鱼礁区、对照区以及3个分级标准建立5个样本20个指标的复合模糊物元。依据从优隶属度原则，指标a1～a3和a5～a11以越小越优原则构建从优隶属度模糊物元，指标a4、b1～b6和c1～c3以越大越优原则构建从优隶属度模糊物元，进而获得差平方模糊复合物元RΔ。通过熵值法计算各指标权重，得出综合权重值与层次权重值，目的是为了同时对鱼礁生态综合效果及各层次水平做出评价(见表2)。

2.2.4 结果与分析由表1可知，模型中各评价指标的全年实际测量波动均在正常范围内，其中波动较大的指标受季节影响变化显著。为直观地表现鱼礁区全年生态效果的整体平均水平，采用各实际测量指标的年平均值进行计算。根据计算，可得到鱼礁区、对照区以及3个等级的欧氏贴近度，即代表了各自的生态效果评价结果(见表3)。若以表3中各等级评价标准相对于标准样本的贴近度作为对应的临界值，如规定综合评价中0.332 4≤ρHj<0.476 4为Ⅱ级，那么就可以根据待评价样本的贴近度及其所在区间范围对待评价样本的生态效果进行识别和排序。

由水质与底质评价结果可知，鱼礁区水质与底质状况高于对照区，且二者都远好于Ⅰ级水平。可见海州湾前三岛海域的水质状况尚佳，并未出现重度污染及富营养化状况，虽然个别水质指标并未达到国家一类海水水质标准，但是总体评价结果良好。人工鱼礁的投放对海州湾前三岛海域的水质和底质起到了一定的改善作用。

鱼礁区的饵料生物水平仅稍好于对照区，均属于Ⅲ级水平。虽然鱼礁的投放对周围海域的饵料生物产生了一定影响，但是评价结果显示鱼礁区的饵料生物水平还未达到最佳。其原因一方面是因为礁区鱼类与大型无脊椎动物生物量远超过对照区，使得鱼礁区的摄食压力增加，一定程度上影响了礁区饵料生物的资源量；另一方面是因为调查海域水较深、流速大，难以采集到足够的底栖生物样本，所以借鉴了部分相关文献中数据，对饵料生物的总体评价产生了一些影响。

由鱼类与大型无脊椎动物评价结果可知，鱼礁区远远超过对照区，高于Ⅰ级水平，对照区仅处于Ⅱ级水平。表明鱼礁的投放对周围海域资源量的增加以及鱼类营养程度的提高起到了非常明显的作用。

根据综合评价结果，鱼礁区的生态效果优于对照区，且二者都高于Ⅰ级水平。海州湾前三岛海域人工鱼礁的投放对当地水质与底质、饵料生物水平和鱼类与大型无脊椎动物群落均产生了有利影响，总体来说鱼礁区生态效果良好。

表2　评价指标及评价指标值的权重

Note：①Evaluating index；②Comprehensive weight；③Weight of levels.

表3　鱼礁生态效果评价结果

3讨论

(1)传统的人工鱼礁生态效果评价是在本底调查的基础上，对2个区域生态系统各项指标在时间上的变化过程进行比较[6-9]。由于本文所研究的人工鱼礁项目并无相应的本底调查资料，因此特别设定对照区作为人工鱼礁生态效果的比照。对照区的设定遵循以下3个原则：①与鱼礁区的生态环境条件相近；②选定区域未受到人工鱼礁投放的影响；③资源调查不会受到捕捞作业的影响。研究结果表明，对照区站位的选取较为合理，有效避免了环境、人为因素产生的误差，将其资源环境调查作为鱼礁区生态效果的对比数据可行。

(2)模糊物元法经常被用于水质质量的综合评价[10,15-17]，近年来还被广泛应用于城市人居环境质量评价[31-32]以及区域生态环境评价[33]中。为了更加直观的表现人工鱼礁投放在一定时间内对海域带来变化的程度，本研究根据水质综合评价模型，初步研究和建立了基于熵权的模糊物元人工鱼礁生态效果综合评价模型，引用欧氏贴近度的概念，对人工鱼礁区生态效果做出了直观的评价。引用熵值法确定指标权重系数，有效的避免了专家赋权的主观性，提高了综合评价模型结果的精度，使评价结果更为准确合理。评价结果表明，该模型符合实际情况，适用于人工鱼礁区生态效果的综合评价，方法可行。

(3)本研究建立的人工鱼礁生态效果综合评价指标体系分为3个不同的方面，全部为鱼礁生态效果的具体体现指标，数据皆由现场环境与生物资源调查获得，与尹增强[3]存在一定差异。其中，污染物含量是评价海域水质与底质标准的重要指标，孙利元[34]在其对山东省5处人工鱼礁区建设效果评价的研究中证实，人工鱼礁的投放确实对水体中的重金属含量产生了一定影响，且前三岛人工鱼礁项目除投放石料与混凝土构件外，还投放了报废渔船、拖驳船等大型礁体，增加了石油类等物质污染的可能性；从调查结果来看，鱼礁区与对照区周边污染源状况基本相同，但其水质底质中污染物的含量不同，所以将污染物指标加入评价指标体系具有一定的实际意义，但人工鱼礁对周围环境的作用是非常复杂的过程，要研究其对周围水域水质和底质中污染物质的作用机理还需经过长期连续的观测。在对鱼礁区和对照区进行比较的同时，将3个不同等级的评价标准也纳入了综合评价体系，目的是使结果能更加具体的体现人工鱼礁生态效果达到的水平。评价标准的确立主要遵循3个原则：①优先考虑相关指标的国家标准；②若无相关标准，则参考国内外相关科学研究成果；③若前两者都欠缺，则参考调查海域的实际监测值确定标准。评价标准主要依据中国《海水水质标准》、《渔业水质标准》、《海洋沉积物质量》、海州湾人工鱼礁区的调查数据以及近期出版的有关鱼礁的文献资料，因此评价体系中某些指标的评价标准只适用于本研究海域人工鱼礁区的生态效果评价。其中，生物多样性阈值并无国家标准，因此参考佟飞等[35]的研究，同样选用陈清潮等[28]提出的南沙群岛及其邻近海区海洋生物多样性阈值标准。在确定权重值时，本文选择计算了综合评价权重和层次评价权重，在综合评价鱼礁生态效果的基础上，对礁区和对照区的水质与底质、饵料生物水平和鱼类大型无脊椎动物群落分别做了比较，结果表明，鱼礁生态效果各方面综合评价值均高于对照区。但是人工鱼礁的生态系统是不断变化的，若要对该礁区的生态效果做出更加全面和深入的评价，还需要对其进行长期连续的调查和监测。

(4)本方法在用于人工鱼礁生态效果评价时，可根据所评价的鱼礁类型重新筛选评价指标，调整评价等级标准。在评价时可以将鱼礁区和对照区的数据代入后进行计算比较，也可对同一鱼礁项目不同时期(包括投礁前本底)的生态效果进行比较，还可以针对不同鱼礁项目相同建设期限内的生态效果进行比对分析。今后若在模型中加入经济效益、社会效益等方面的定量指标，将会得到人工鱼礁建设综合效果的评价。

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责任编辑朱宝象

An Integrative Evaluation of Ecological Effect of Artificial Reefs with Entropy-Weighted Fuzzy Matter-Element Method

TANG Yan-Li, YU Qing

(College of Fisheries, Ocean University of China, Qingdao 266003, China)

Abstract：The delivery of artificial reefs can improve the marine ecological environment and build artificial habitats. The comprehensive evaluation of ecological effect of artificial reefs should include the effects on the components of the ecosystem, embodied in the flow field, water quality and sediment, food organisms level，macroinvertebrate community structure and other indicators on. In order to fully evaluate the effect produced by artificial reefs, Haizhou Bay was selected as the study area. Since the delivery of artificial reefs in 2003, the ecological environment of Haizhou Bay has been significantly improved, with plankton community structure changed greatly, biomass increased significantly, large benthic biomass and habitat density increased year by year, and the proliferation of fish and macroinvertebrates became more and more. Based on data collected during the biological resource and environment survey in Haizhou Bay from Sept. 2012 to Aug. 2013, an integrative evaluation of the ecological effect of artificial reefs with entropy-weighted fuzzy matter-element method was constructed. We use the concept of Euclid approach degree, with the entropy method and fuzzy matter -element combination, to provide practical basis for the conservation of fishery resources in the waters. In the evaluation system, we combined three grades of evaluation standards with the survey data to evaluate the ecological effect of the artificial reef area. The results indicated that the comprehensive ecological effect of artificial reef area was superior to the control area, and both of them were higher than level Ⅰ. The water quality and bottom sediment condition of artificial reef area was higher than those of control area, and both were far better than level Ⅰ. The delivery of artificial reefs played a certain improvement on water quality and sediment in study area. The level of food organism in artificial reef area was slightly better than that of control area, and both were around level Ⅲ. The artificial reefs had a certain influence on food organisms, but the evaluation showed that the level of fish food organisms reef area has not yet reached the optimum. The level of fish and large invertebrates in artificial reef area was much higher than that of control area, and the former was higher than level Ⅰwhile the latter was at level Ⅱ. The results indicated that the ecological effect of artificial reef area in Haizhou Bay was obvious. The method was effective for the evaluation of ecological effect of artificial reefs. When this method is used to evaluate the ecological effect of artificial reefs, the index can be re-screened based on the reef types to adjust the evaluation grade standards. If we could add quantitative indicators of economic, social and other aspects to the model in the future, it will be the comprehensive evaluation of the effect of the artificial reef construction.

Key words：artificial reef; ecological effect evaluation; fuzzy matter-element; entropy value method; Haizhou Bay

中图法分类号：S953.1

文献标志码：A

文章编号：1672-5174(2016)01-018-09

作者简介：唐衍力(1965-)，男，教授，主要从事人工鱼礁与海洋牧场、选择性渔具渔法方面研究。E-mail:tangyanli@ouc.edu.cn

收稿日期：2015-02-05；

修订日期：2015-05-07

*基金项目：海洋公益性行业专项(201305030)资助

DOI：10.16441/j.cnki.hdxb.20150011

引用格式：唐衍力， 于晴. 基于熵权模糊物元法的人工鱼礁生态效果综合评价[J]. 中国海洋大学学报(自然科学版)， 2016, 46(1)： 18-26.

TANG Yan-Li, YU Qing. An integrative evaluation of ecological effect of artificial reefs with entropy-weighted fuzzy matter-element method[J]. Periodical of Ocean University of China, 2016, 46(1): 18-26.

Supported by the Public Science and Technology Research Funds Projects of Ocean (201305030)