基于GIS和多准则决策的山东省潮流能区划研究❋

邵 萌， 赵远续， 孙金伟，2❋❋， 邵珠晓， 韩志欣， 张淑蕾

(1. 中国海洋大学工程学院， 山东 青岛 266100； 2. 齐鲁工业大学(山东省科学院)海洋仪器仪表研究所， 山东 青岛 266100)

潮流能作为一种绿色无污染、可预测性强、开发前景大的海洋可再生能源，已逐渐成为新能源领域广泛关注的焦点[1]。中国潮流能资源蕴藏量丰富，岛屿众多，具备开发利用潮流能的自然条件。自2017年5月以来，中国已验收6个潮流能项目，新支持3个潮流能项目，潮流能开发利用技术接近国际先进水平[2]。如今，中国潮流能的开发利用整体水平显著提高，进入了从设备开发到应用示范的发展阶段[3]。

《海洋可再生能源发展“十三五”规划》提出，中国要大力推进潮流能示范工程建设。在进行示范工程建设之前，选址决策是至关重要的，直接影响着潮流能开发利用的效益和成本。而区划研究作为选址决策的前提和基础，在推进潮流能示范工程建设中起重要作用[4]。目前，中国浙江、广东等地的潮流能产业示范区已初具规模，而山东省作为中国东部沿海大省，潮流能示范工程建设进程较为缓慢[5]。因此，为了推进山东省潮流能示范工程建设，对山东省潮流能进行区划研究势在必行。

可再生能源区划通常被认为是一个复杂的多准则决策问题，涉及资源、技术以及经济等多个方面的因素。近年来，国内外基于地理信息系统(Geographic Information System，GIS)和多准则决策(Multi-criteria Decision Making，MCDM)方法开展了大量研究。目前对可再生能源区划的研究主要集中在风能和太阳能领域，对潮流能区划的研究较少[6]。

由文献[6]对近18年可再生能源区划的文献综述可知，层次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)是最为常用的MCDM方法。文献[7]基于GIS和AHP，得到了蒙古国风能和太阳能电站建设的适宜性分布；文献[8]结合GIS和AHP构建了风电场区划模型，并以广东惠州为例验证了模型的可行性；文献[9]利用GIS辅助AHP决策，最终确定了沙特阿拉伯的西部和西北部为最适宜建设太阳能电站的区域；文献[10]利用基于GIS的AHP在埃及进行了海上风能区划研究；文献[11]通过GIS和AHP实现了地中海地区太阳能区划，得到了最适合建设太阳能电站的区域；文献[12]应用基于GIS的AHP在德国亚琛市找到了适合开发风能的区域，并与现有风电场的位置进行对比，验证了模型结果的可靠性和准确性。

AHP将复杂的多准则决策问题分解为多个层次，能够清晰地表达各层和各要素之间的关系，为实现可再生能源选址提供科学的决策方法[13]。但其评价过程依赖专家的个人主观判断，难以避免因此造成的评价结果偏差。因此，本文将集体决策理论引入AHP，提出群层次分析法(Group Analytic Hierarchy Process，GAHP)，从而降低主观偏差。基于GIS和GAHP构建山东省潮流能区划方法框架，该框架包括可开发区域研究、开发适宜性评价两个阶段，排除指标、评价指标两大指标集。最后将该方法框架应用于山东省潮流能区划，为推进山东省潮流能示范工程建设提供有力支撑。

1 山东省潮流能区划方法研究

1.1 研究区域

山东省位于中国东部沿海、黄河下游，其经纬度范围为34°25′N—38°23′N，114°36′E—122°43′E。全省包括半岛和内陆两部分，半岛突出于渤海、黄海之间，与辽东半岛相对；内陆部分自北向南与河北、河南、安徽、江苏等四省接壤。其近海海域占渤海和黄海总面积的37%，海岸线总长3 345.41 km，是中国的沿海大省[14]。综合考虑山东省海域潮流能开发条件，确定研究区域为34°24′N—38°58′N，117°34′E—123°37′E。根据数据及评价结果精度要求，将研究区域划分为100 m×100 m的栅格，共28 216 390个栅格，面积约为282 163.90 km2，研究区域如图1所示。

图1 研究区域Fig. 1 Study area

1.2 潮流能区划方法框架

山东省潮流能区划方法框架主要包含两个阶段，如图2所示(图中参数依据见1.3)。第一阶段为可开发区域研究，目的是利用排除指标集排除研究区域中不适宜开发潮流能的区域(又称限制开发区域)，确定可开发区域。为此，建立GIS数据库并进行栅格化处理，生成排除指标图层，再对其进行空间叠加分析，得到山东省潮流能可开发区域。

图2 研究方法框架Fig.2 The framework of study method

第二阶段为开发适宜性评价，即对可开发区域通过评价指标集进行潮流能开发适宜性评价。为了实现这一目标，提出GAHP方法求解评价指标权重，将GIS中各评价指标的方案属性值进行规范化处理。最终集成各评价指标权重和规范化的方案属性值，得到山东省潮流能开发适宜性指数，并将研究区域划分为五个适宜性等级，从而确定山东省最适宜开发潮流能的区域。

1.3 GIS

GIS是在计算机软硬件的支持下，对地表空间的地理分布数据进行收集、存储、管理、计算、分析、显示和描述的技术系统[15]。近年来，GIS被广泛应用于可再生能源区划领域。在可再生能源区划研究中，运用GIS的空间分析工具，主要包括缓冲区分析、叠加分析、距离分析和栅格插值，能够客观地对相关数据进行处理和分析，并结合MCDM方法得到可开发区域图层和开发适宜性图层，实现计算过程的精确化和可视化，更加有效地辅助决策。

为了排除山东省潮流能限制开发区域，确定可开发区域，根据文献调查法和专家意见法，同时考虑资源、技术和经济因素，确定了环境约束、潮流能密度、水深以及离岸距离四个排除指标。

海洋生态红线是维护海洋生态健康与生态安全，实现海洋可持续开发的重要保障[16]。其中，海洋禁止开发区是山东省海洋功能区划中明确规定禁止开发海洋能的区域。因此环境约束指标为海洋禁止开发区，即海洋禁止开发区为潮流能限制开发区域。海洋禁止开发区数据来源为山东省生态环境厅发布的山东省黄海和渤海海洋生态红线划定方案[17-18]。

潮流能密度是评价潮流能资源的重要指标，其大小直接影响着潮流能开发的适宜性，由公式(1)计算得到[19]。本文结合观测数据及数值模拟得到山东省所辖海域潮流能密度。其中，数值模拟采用MIKE 21二维水动力模型，最大网格精度为50 m，经验证可靠[20]。考虑中国潮流能资源现状及潮流能发电装置情况[21]，确定潮流能密度小于4 W/m2的海域为限制开发区域。

(1)

式中:P为潮流能密度；ρ为海水密度(取1.024 t/m3)；V为平均潮流流速。

水深影响潮流能发电装置的锚固方式，而潮流能发电装置的系泊方式、生存能力以及运维成本限制了其安装深度[22]。中国现阶段潮流能发电装置的工作水深一般为10～50 m[23]，因此将水深大于50 m或小于10 m的海域作为潮流能限制开发区域。

离岸距离不仅影响海底电缆的铺设，而且影响潮流能发电装置的安装、运行和维护等，这都与进行潮流能开发的经济成本有关[24]。经过经济成本可行性分析，离岸距离大于10 km的海域被视为潮流能限制开发区域。

1.4 GAHP

为了提高主观赋权法的可靠性，尽量使评价结果趋于客观，将集体决策理论引入AHP，提出GAHP，即在多组专家参与决策的基础上，进一步考虑各专家组的差异，赋予其相应的权重，充分发挥专家评价的优势，有效地降低评价结果的主观偏差。

1.4.1 决策模型构建 决策模型从上到下包括目标层(Goal，G)、准则层(Criteria，C)和方案层(Alternative，A)三层结构。设决策目标G={山东省潮流能区划}；评价指标集C={C1,C2,C3}，具体地，C1为潮流能密度，C2为水深，C3为离岸距离；m个备选方案组成备选方案集A={A1,A2,……,Am}。

1.4.2 方案属性值规范化 潮流能密度、水深、离岸距离三个评价指标均为定量指标，但由于各评价指标量纲和导向不同，需要分别对其方案属性值进行规范化处理。根据各评价指标对潮流能开发适宜性的影响，将其分为效益型指标和成本型指标[25]。其中，潮流能密度为效益型指标，其大小与适宜性呈正相关；水深和离岸距离为成本型指标，其大小与适宜性呈负相关。

极值处理法是常用的定量指标规范化方法，它能够按照比例调整各评价指标的方案属性值，使得各指标的取值落到同一个特定区间[26]。因此，本文使用该方法实现评价指标规范化，效益型指标、成本型指标规范化分别如公式(2)、(3)所示。

(2)

(3)

式中:rij为经过规范化处理的第i个方案在第j个评价指标下的属性值；xij为规范化前的方案属性值。

1.4.3 评价指标权重计算 将集体决策引入AHP，按照各专家组所占权重集成评价指标集权重，以此得到各评价指标的最终权重。求解权重的步骤如下：

(1)构造判断矩阵

(4)

式中：bij为评价指标bi对评价指标bj的相对重要性。

(2)计算判断矩阵的最大特征值及其对应的特征向量

通过公式(5)求解判断矩阵的最大特征值及其对应的特征向量。具体地，利用幂法[4]求解λmax和w。

B=λmaxw。

(5)

式中:λ为判断矩阵B的最大特征值；w为对应最大特征值的特征向量。

(3)判断矩阵的一致性检验

由于客观事物的复杂性以及人们对事物认识的模糊性和多样性，判断矩阵不可能完全一致。为保证判断矩阵的一致性满足要求，需进行一致性检验，一致性检验的结果可用一致性比率来衡量。

(6)

(7)

式中:CR为一致性比率；CI为一致性指标；RI为随机一致性指标[27]。

若CR<0.1，说明判断矩阵满足一致性要求；否则，说明其不满足一致性要求，需要重新构建判断矩阵。

(4)集体决策

采用Delphi法进行集体决策，该方法能够综合利用参评专家的经验和意见，在不断的反馈和修正中获得满意的指标权重[28]。设有l组专家，共同组成专家集E={E1,E2,…El}，其权重分别为{e1,e2,…,el}。对于专家组El，其求解的评价指标权重为{w1l,w2l,…,wnl}，则最终的各评价指标权重可由公式(8)计算得到。

(8)

式中:wj为第j个评价指标的最终权重；wjl为第l组专家求解的第j个评价指标权重。

1.4.4 方案适宜性评价 方案适宜性评价通过计算适宜性指数实现，如公式(9)所示，其可以在GIS中实现评价指标权重与方案属性值的集成。

(9)

式中:gi为第i个方案的适宜性指数。

2 计算结果与分析

2.1 山东省潮流能可开发区域

山东省潮流能可开发区域是指在研究区域中利用排除指标排除限制开发区域后所剩的区域，即可开发区域和限制开发区域为互补区域。根据环境约束、潮流能密度、水深和离岸距离四个排除指标确定的山东省潮流能可开发区域如图3所示。将各排除指标确定的可开发区域地图进行空间叠加分析得到山东省潮流能可开发区域如图4所示。

由图3可知，山东省海洋禁止开发区分布较为分散，其中，面积大于100 km2的区域分布在滨州北部、东营东部和青岛南部。山东省离岸距离10 km以内的近岸海域中，水深可开发区域集中在烟台北部、青岛南部和威海沿岸，大部分区域潮流能密度符合最低要求。由图4可知，山东省潮流能可开发区域沿海岸线广阔分布，主要分布在东部和南部的近岸海域，部分分布在北部的近岸海域。因此，山东省周边近岸海域适宜进行潮流能开发。

(①Administrative zoning；②The undevelopable marine areas in Shandong Province；③The developable areas determined by environmental constraints；④The undevelopable areas of tidal current power density；⑤The developable areas of tidal current power density；⑥The undevelopable areas of water depth；⑦The developable areas of water depth；⑧The undevelopable areas of distance from shore；⑨The developable areas of distance from shore。a.环境约束; b.潮流能密度; c.水深; d.离岸距离。a. Environmental constraints; b. Tidal current power density; c. Water Depth; d. Distance from shore.)图3 各排除指标确定的可开发区域Fig.3 The developable areas determined by each exclusion criteria

2.2 评价指标权重求解

为实现山东省潮流能区划，建立区划决策模型，其中，备选方案集为A={A1,A2,…,A744 277}。将参与集体决策的15位专家分成5组，记为E={E1,E2,E3,E4,E5}。根据各专家的职称、专业相关度以及潮流能发电领域熟悉度，确定各专家组的权重为{0.3,0.3,0.2,0.1,0.1}，其构建的判断矩阵如下所示：

(①Administrative zoning；②The undevelopable areas of tidal current energy in Shandong Province；③The developable areas of tidal current energy in Shandong Province。)图4 山东省潮流能可开发区域Fig.4 The developable areas of tidal current energy in Shandong Province

通过GAHP计算得到各判断矩阵的最大特征值及其对应的特征向量、一致性指标、一致性比率如表1所示。经验证CR<0.1，所有判断矩阵均满足一致性要求，最终得到潮流能开发适宜性评价指标集的权重为(0.557,0.291,0.152)。由此可知，潮流能密度所占权重为55.7%，是进行潮流能开发适宜性评价最重要的决策依据；水深和离岸距离所占权重相对较小，分别为29.1%和15.2%，但也是需要充分考虑的重要影响因素。

表1 权重计算结果Table 1 The calculation result of weight

2.3 山东省潮流能开发适宜性评价

山东省潮流能开发适宜性评价是指对潮流能可开发区域进行多个评价指标约束下的开发适宜性分析，以确定最适宜开发潮流能的区域。山东省潮流能可开发区域内潮流能密度、水深、离岸距离的方案属性值分别如图5～7所示。最终集成评价指标权重和规范化后的方案属性值得到山东省潮流能开发适宜性指数，并将研究区域划分为最适宜(0.8～1)、比较适宜(0.6～0.8)、中度适宜(0.3～0.6)、轻微适宜(0.1～0.3)、不适宜(0～0.1)五个等级，如图8所示。经计算，各适宜性等级区域所占面积及比例如图9所示。

根据上述结果，山东省潮流能可开发区域的面积约为7 442.77 km2，约占研究区域的2.64%。其中，最适宜区域的面积约为1 440.17 km2，约占0.51%，主要分布在青岛东南部、威海东部和南部以及烟台北部的近岸海域，并零星分布在日照南部和威海北部的近岸海域。另外，比较适宜区域、中度适宜区域和轻微适宜区域的面积分别约为2 410.11、2 012.69和1 579.80 km2，各约占0.85%、0.71%和0.57%。

(①Administrative zoning；②Tidal current power density；③Value；④High；⑤Low。)图5 潮流能密度方案属性值Fig.5 Alternative attribute value of tidal current power density

(①Administrative zoning；②Water depth；③Value；④High；⑤Low。)图6 水深方案属性值Fig.6 Alternative attribute value of water depth

(①Administrative zoning；②Distance from shore；③Value；④High；⑤Low。)图7 离岸距离方案属性值Fig.7 Alternative attribute value of distance from shore

(①Administrative zoning；②Suitability of tidal current energy development；③Most suitable；④Highly suitable；⑤Moderately suitable；⑥Low suitable；⑦Not suitable。)图8 山东省潮流能开发适宜性>Fig.8 Suitability of tidal current energy development in Shandong Province

(①Not suitable；②Most suitable；③Highly suitable；④Moderately suitable；⑤Low suitable。)图9 各适宜性等级区域所占面积及比例Fig.9 Area and proportion of each suitability level area

3 结语

为实现山东省潮流能区划，本文提出基于GIS和GAHP的潮流能区划方法框架，该框架包括可开发区域研究、开发适宜性评价两个阶段：通过考虑资源、技术和经济因素对潮流能开发的影响，建立包含环境约束、潮流能密度、水深和离岸距离的排除指标集，构建GIS数据库，通过空间叠加分析得到可开发区域；为降低权重的主观偏差，将集体决策理论引入AHP，考虑多专家判断的基础上赋予专家权重，进而使计算结果趋于客观，结合GIS的空间分析通过评价指标集对可开发区域进行适宜性评价。其中 ，潮流能密度结合观测数据及数值模拟得到。本文提出的潮流能区划方法框架为中国潮流能区划提供理论支撑，该方法框架在变化排除指标集和评价指标集的基础上亦可以应用到其他可再生能源的区划研究中，因此，具有重要的理论意义。

本文将该方法框架应用于山东省潮流能区划，求得潮流能密度、水深和离岸距离三个评价指标的权重分别为55.7%、29.1%和15.2%，其中，潮流能密度所占权重大于50%，是评价山东省潮流能开发适宜性的决定性指标。山东省潮流能可开发区域面积约为7 442.77 km2(2.64%)，主要分布在山东半岛东部和南部的近岸海域，部分分布在北部的近岸海域。其中，最适宜开发潮流能的区域主要分布在青岛东南部、威海东部和南部、以及烟台北部的近岸海域，面积约为1 440.17 km2(0.51%)。这为进一步确定山东省潮流能电站的场址奠定了可靠基础，也为相关领域的研究和政府部门的规划提供了参考。