大连太平湾近岸海域环境承载力综合评价研究

徐雪蛟

(大连太平湾投资发展有限公司，大连 116004)

近岸海域水环境质量是影响区域长期发展的一个重要制约因素，而承载力则直接决定了区域发展的空间与上限。科学有效的海域水环境质量与承载力评价是及时掌握区域环境质量现状的主要手段，是制定区域发展规划的重要依据，并可为环境监督管理决策和污染防治提供科学依据，因此受到了国内外学者的广泛关注，提出了指数评价法、状态空间法[1]、模糊评价法[2]、物元分析法[3]、灰色聚类法[4]、投影寻踪法[5]、集对分析法[6]、云理论法[7]、神经网络法[8]等多种评价方法，对水环境质量和承载力进行了深入的研究，取得了大量的研究成果。

大连太平湾地理位置优越，区位优势突出。太平湾港区是大连港的重要组成部分，是实施东北老工业基地振兴战略和《辽宁沿海经济带发展规划》的重要支撑，是辽宁港口资源整合和布局功能调整、转型升级的重要载体。自2010年2月，太平湾港区被大连市政府明确为重点发展港区后，太平湾港区建设如火如荼。因此，工程建设海域的水环境质量与承载力评价是推动区域发展与生态环境保护相协调的重要依据。

评价的实质是评价因子与评价标准相结合的分析过程。集对分析理论[9]能够有效处理确定与不确定性相集合的高维非线性评价问题，不确定性是该方法的主要特点，现已在数学、经济、资源、管理与环境等多个领域得到了广泛的应用。因此本文采用集对分析方法、云理论法和人工神经网络法进行对比评价研究，评价了大连太平湾近岸海域32个实测站位的水环境质量和综合承载力；以不同时期的实测资料，研究分析工程建设与海洋环境间的相关性。

1 承载力综合评价方法

1.1 集对分析原理

集对分析原理首先是将不确定性系统中的两个集合(A和B)构造为相互关联的集对H(A，B)，则该集对具有同一、差异和对立的特性，组成同异反联系度矩阵，表示集合A与B相联系的优劣程度，如式(1)：

(1)

μA～B=a+bi+cj

(2)

式中：a+b+c=1。

将上述3元联系度进一步拓展，可得如下多元联系度

μA～B=a+b1i1+b2i2+…bmim+cj

(3)

式中：a+b1+b2+…bm+c=1；b1，b2，…bm为差异度分量；i1,i2,…,im为差异分量系数。

1.2 云理论

云模型以概率与模糊数学为理论基础，以特定算法形成定性概念与定量数值之间的不确定性转换。不确定性是客观世界绝大多数事物和现象的基本属性。云模型正是通过期望、熵和超熵3个特征数字来反映客观世界中的随机性和模糊性，实现定性概念与定量数值之间的不确定性转换。该模型由我国学者李德毅提出，其反映了随机性和模糊性之间的关联，构成了定性与定量间的相互映射，已广泛应用于系统评测、算法改进、决策支持、智能控制、数据挖掘和知识发现等诸多领域[7]。

1.3 人工神经网络

人工神经网络是由大量人工神经元互联组成的非线性、自适应智能处理系统，通过模拟大脑神经网络处理、记忆信息的方式进行信息处理。BP人工神经网络解决了多层前向神经网络隐层学习困难的问题，促进了多层网络的发展，其特点在于在训练样本的基础上可逼近任意的非线性连续函数，拟合得到输入与输出间的函数关系。文中人工神经网络BP算法模型架构与参数等同文献[8]一致。

2 环境承载力评价实例分析

2.1 研究海域

图1 站位示意图

大连太平湾位于辽东半岛西侧、大连市渤海岸线中段，属瓦房店市辖境，地理坐标39°52′N～40°15′N、121°32′E～122°06′E。太平湾为天然海湾，北距沈阳240 km，南距大连市区130 km；水上距营口港40 n mile，距秦皇岛港96 n mile，距长兴岛港45 n mile。沈大高速公路北起浮渡河大桥，南至普兰店海湾大桥，贯穿瓦房店市境内，市内、县、乡两级公路以哈大公路为主干线，通往全市各地，形成了四通八达的交通网络。太平湾港区距新建的滨海公路1 km，距哈大公路7 km，距沈大高速公路10 km，距哈大铁路25 km，交通便利。

随着经济的高速发展，我国近岸海域水体质量多呈下降趋势。为保护近岸海域生态环境、支撑区域经济发展，有效的分析评价太平湾海域水环境质量与承载力是非常必要的前提。因此本文选择太平湾海域32个站位(如图1)的COD、无机氮、磷酸盐和石油类4个实测指标，科学评价研究海域环境承载力并检验集对分析方法的有效性。32个站位的海水实际监测水质情况如表1，评价指标分级按海水水质标准[10]如表2。

2.2 评价结果与分析

文中，采用集对分析方法评价过程[11]、神经网络方法[8]和云理论方法[7]，以太平湾海域32个实测站位的COD、无机氮、磷酸盐和石油类指标，评价研究海域的水环境质量和承载力状况，评价结果如表3所示。

表1 32个站位海水水质数据

表2 评价指标分级标准

表3 32个站位的环境承载力评价结果

从表3中的评价结果可以看出：(1)所有实测站位的水环境质量较好，均满足Ⅰ类海水水质标准，太平湾近岸海域环境承载力高；(2)集对分析方法、神经网络法和云理论法的评价结果是一致的，表明三种方法均是环境承载力综合评价的有效工具。

2.3 海洋工程建设与环境质量的相互关系分析

为落实国家东北老工业基地振兴战略，推动区域经济高效发展，大连港太平湾港区于2011年9月始建围堰工程，2014年7月施工完毕；航道、港池疏浚和吹填造陆于2013年4月始建，2015年11月暂停施工。因此文中以太平湾港区主要施工时间(2011年9月～2015年11月)为重要节点，通过工程建设前中后期的环境现状，分析海洋工程建设条件下的海域环境质量状况，实测数据如表4所示。

表4 不同时期的环境数据

从表4中的实测环境数据可以看出：(1)工程建设前中后三段时期内，太平湾近岸海域环境质量较好，COD、磷酸盐、无机氮、石油类及重金属铜、铅、锌、镉和汞各指标均满足Ⅰ类海水水质标准[10]；(2)重金属极易附着于悬浮物而沉降于底泥中而工程建设的扰动作用又使其二次释放。不同的重金属因子在海域底质沉积物中呈现不同的化学形态，如：水可溶态、阳离子可变幻态、碳酸盐结合态、铁锰水合氧化物结合态、有机硫化物结合态和残余态，受多种自然因素影响，不同形态的吸附、解吸能力差异较大[12]。受研究海域工程建设的影响，重金属铜、铅、锌和重金属镉和汞呈现出不同的变化趋势，这说明在大连太平湾海域各种重金属与底质沉积物的结合形态存在明显差异，重金属铜、铅和锌的工程敏感性要高于重金属镉和汞；(3)尽管海洋工程建设并不会直接产生COD、磷酸盐和无机氮污染物，且三段时期内各环境指标值均较小，但亦应看到COD、磷酸盐和无机氮三个指标呈增长趋势，因此污染综合管控与海洋环境管理工作应常抓不懈。

3 结论

本文采用集对分析方法、人工神经网络方法和云理论方法，以32个站位的COD、无机氮、磷酸盐和石油类4个污染因子为承载力评价指标，研究评价并对比分析了大连太平湾近岸海域的水环境质量和承载力状况；同时以不同时期实测资料分析了太平湾港区工程建设与环境质量间的相互关系，研究结果表明：

(1)COD、无机氮、磷酸盐和石油类4个污染因子均满足Ⅰ类海水水质标准，太平湾近岸海域水环境质量好、环境承载力空间充足。

(2)海洋工程建设前中后三段时期内，太平湾近岸海域环境质量较好，均满足Ⅰ类海水水质标准；重金属铜、铅和锌的工程敏感性要高于重金属镉和汞；应长期、有针对性地坚持区域污染综合管控和环境管理工作。