海堤生态化建设适宜性评价研究及应用

徐 伟，陈 淳，刘建辉，陶爱峰，陈 勇，张珍瑶

(1.自然资源部海岛研究中心，福建 平潭 350400；2.自然资源部第三海洋研究所，福建 厦门 361005；3.河海大学海岸灾害及防护教育部重点实验室，江苏 南京 210098；4.河海大学 港口海岸与近海工程学院，江苏 南京 210098)

我国自北向南拥有18 000多公里的大陆岸线，截至2015年底，全国已建成海堤总长度1.45万公里[1]。总体来看，已建海堤主要采取硬防护工程，对周边的生态环境造成了一定影响。随着我国生态文明建设不断推进，《全国海堤建设方案》[1]和《围填海工程生态建设技术指南(试行)》[2]提出将“海堤建设”和“绿色发展、生态化”理念相结合，国家对生态海堤建设愈加重视。为进一步提升抵御台风、风暴潮等海洋灾害的能力，有关部门正逐步开展海岸带保护修复工程，建设生态海堤。

国外对海岸带的生态环境问题关注较早，美国、荷兰等一些发达国家已开展了著名的“活力岸线”工程。近年来提及较多的“Building with Nature”理念是一种水基础设施的新型设计理念，旨在寻求与沿海可持续发展相关的新思维和行动方式[3]。同时越来越多的学者们对海岸生态防护展开研究，例如Nandasena等(2012)运用一种改进的二维深度积分浅水模型分析了人工、自然结构对海啸减灾的有效性[4]，结果表明沙丘型植被是减轻海啸危害的主要原因。Sella等(2015)证明了沿海、海洋基础设施通过采用生态设计的专有混凝土可以增加结构的生态服务功能，而不会影响其结构性能[5]。Bugnot等(2018)通过模仿位于潮间带的岩石池的保水特征，观察其表面结构与物种丰富度的关系，发现物种丰富度受结构的影响明显，随着表面结构接近自然状态，物种丰富度呈上升趋势[6]。Aguilera(2017)通过对比智利北部人工构筑物和自然栖息地中物种丰富度的差异，提出基于智利栖息地恢复和沿海规划的生态工程[7]。这些研究主要通过比较自然结构和人工结构对防护功能和物种丰富度的影响，为进一步开展海岸生态防护提供了研究支撑。

相比国外海岸生态防护研究，我国生态海堤的研究尚处于起步阶段，但在其功能、组成和应用探索方面已有相关研究。在生态海堤的功能方面，范航清等(2017)提出生态海堤至少要满足物理、生态和文化三大功能[8]；在生态海堤的组成部分方面，《2017年中国海平面公报》中提到，生态海堤一般由离岸堤、岸滩植被和海堤三部分组成[9]；赵鹏等(2019)认为生态海堤主要包括离岸防护、海向浅滩、海堤堤身三个系统[10]；在生态海堤的应用探索方面，张月峰(2018)从设计要点、质量控制和技术管理三个方面对生态海堤进行研究[11]；李凤丽等(2019)通过分析湿地公园中海堤与红树林的关系，对生态海堤建设模式展开探索[12]；徐伟等(2019)借鉴国际上海岸带生态防护的理念和案例，结合国内已开展的生态海堤实践，提出不同岸线的生态防护组合模式[13]。对生态海堤的内涵而言，《围填海工程海堤生态化建设标准》中明确提出，“海堤生态化建设”是保证海堤防潮御灾能力，优化海堤空间布局，采用生态材料，恢复生物群落，在堤前、堤身、堤后实施生态保护修复的活动[14]。对生态海堤适宜性而言，相关研究较少，但适宜性评价在陆地开发[15-16]、海岸带开发[17-18]、海岛开发[19-20]等领域已有大量研究。

本研究针对生态海堤适宜性评价研究较少的问题，采用层次分析法[21]，在分析海堤灾害防御能力和海堤周边生态环境的基础上，构建一套海堤生态化建设适宜性评价指标体系与方法，并以平潭岛裕藩海堤为例，对裕藩海堤生态化建设适宜性进行评价。

1 数据资料和研究方法

1.1 数据资料

平潭综合实验区位于福建省东部沿海，是大陆距台湾最近的地区，由大小126个岛屿、167个岩礁组成，总面积370.9 km2，海域面积6 064 km2，其主岛海坛岛为福建省第一大岛、全国第五大岛。裕藩海堤位于海坛岛东北部，流水镇东南方(图1)，全长1.65 km，呈半弧形，海堤走向为西南向，保护8个行政村，保护面积0.34万亩、耕地面积0.23万亩，保护人口1.4万人。该海堤建成于1973年，前后经过1990、2011年两次较大规模的加固，现设计高潮位4.19 m，堤顶高程6.6 m，堤顶宽度4.0 m，最大堤高4.9 m，堤基为粉砂层，防潮标准为20年一遇，海堤断面示意图见图2。经过多年运行，临海侧被淘刷十分严重，每当风暴潮来临之际需采取抢险措施，堤后紧邻鱼虾养殖区，堤身存在较高的风险，已不能对风暴潮进行有效防御，且缺乏景观性(图3)。研究所用的生态数据来源于厦门大学对海坛湾环境与资源的监测调查数据；部分数据来源于历史统计资料，例如风暴潮危险性、海岸侵蚀强度等；潮间带宽度、护面块体完整性相关数据通过实地勘测获取等。

图1 裕藩海堤位置示意图

图2 裕藩海堤断面示意图

图3 裕藩海堤现场照片

1.2 研究方法

1.2.1 评价指标体系的建立 海堤生态化建设适宜性评价指标选择遵循以下原则：①系统性原则。选取的指标既要从不同的侧面反映出海堤自身及周边生态环境的主要特征和状况，又能体现系统间的内在联系。②代表性原则。指标应具有某个方面的典型性和代表性，避免选择意义相近或重复的指标，指标必须含义简明且易于计算。③可度量性原则。选取的指标尽量以生态环境常规监测和社会统计中普遍选用的指标为基础，以便于对指标进行量化。海堤生态化应满足“保障防灾能力、提升生态功能”的基本要求，因此从海堤灾害防御能力和海堤周边生态环境两个角度分别构建指标体系(表1)。海堤灾害防御能力目标层包括海洋灾害、海堤现状和孕灾环境3个准则层的6个评价指标；海堤周边生态环境目标层包括生境质量和生态服务性2个准则层的5个评价指标。

表1 海堤生态化建设适宜性评价指标体系

1.2.2 指标权重的确定 在对海堤生态化建设适宜性进行评价时，为最大程度地降低评价过程中的主观性和片面性，将层次分析法和德尔菲法相结合，共同确定指标权重。首先建立递阶层次结构模型，形成判断矩阵，通过咨询了两轮专家的意见并对结果进行统计分析，最后进行一致性检验，确定出指标权重。当一致性指数CR值小于0.1时，表示判断矩阵一致性可以接受。海堤灾害防御能力评价指标权重结果见表2，海堤周边生态环境评价指标权重结果见表3。

表2 海堤灾害防御能力评价指标权重

表3 海堤周边生态环境评价指标权重

1.2.3 指标量化处理标准 评价体系中各指标的类型复杂，且量纲不统一，缺乏可比性。因此，在运用上述指标时，需要对指标因子进行量化处理，对不同的等级划分赋予不同分值。本研究参考《中国海岛生态系统评价》的研究内容[22]，将海堤灾害防御能力和海堤周边生态环境划分为3个等级：[70, 100]区间内为好、[40, 70)区间内为一般、[0, 40)区间内为差。其中部分指标可根据已颁布实施的国家、行业及地方标准进行量化处理，例如风暴潮危险性[23-24]、海岸侵蚀强度[25]、海水水质[26]、沉积物质量[27]、底栖生物多样性[22，28]、护面块体结构粗糙度[29]；部分指标目前尚为形成统一标准，需借鉴前人的研究成果并进一步处理，例如平均潮差[30-31]，堤身整体稳定性等级划分主要基于谢婕等(2016)在海堤安全评价方面的研究成果，安全系数评价值越高表征海堤整体稳定性越好[32]；潮间带宽度根据我国海岸带实际情况划分，砂质岸线潮间带宽度一般为数百米，淤泥质岸线潮间带宽度在渤海、黄海、东海一般为3～18 km[33-34]，因此潮间带宽度在此范围内划分等级；景观自然性考虑堤后200 m缓冲区域的景观自然构成比例[35]，并将其按照3个等级进行划分，景观自然构成比越高，表明当地的生态环境越好，具体量化标准见表4。

表4 海堤生态化建设适宜性评价指标量化处理标准

1.2.4 赋值方法 根据各评价指标的评价标准和评价范围，采用隶属度赋值法，具体计算见下式：

(1)

(递增型，参考标准与对应分值呈正向变化)

(2)

(递减型，参考标准与对应分值呈反向变化)

式(1、2)中：Y为评价指标的赋值；X为评价指标的量值；Bmax和Bmin分别为评价指标参考标准的最大值和最小值；Fmax和Fmin分别为参考标准对应分值的最大值和最小值。

1.2.5 防御能力和生态环境等级划分 为了更加直观地评价海堤灾害防御能力和海堤周边生态环境状况，引入海堤灾害防御能力指数(Index of Disaster prevention capability of Seawall,SDI)和海堤周边生态环境指数(Index of Ecological environment around Seawall,SEI)，辅助表征海堤灾害防御能力和海堤周边生态环境状况。

(3)

(4)

式(3、4)中：SDIi表示海堤灾害防御能力评价体系下各因素的分值，SEIi表示海堤周边生态环境评价体系下各因素的分值，Wi表示相应指数的权重。

同时，将SDI指数和SEI指数限定在0～100的连续尺度内，并按照指数从高到低排序，反映海堤灾害防御能力由高到低的变化，以及海堤周边生态环境由好到坏的变化。当SDI指数值为0时，表示该海堤灾害防御能力极差，不能满足安全需求；当SDI指数值为100时，表示该海堤灾害防御能力很好，可以满足安全需求。同样的，当SEI指数值为0时，表示该海堤周边生态环境极差；当SEI指数值为100时，表示该海堤周边生态环境状况很好。根据SDI指数和SEI指数划分，将海堤灾害防御能力、海堤周边生态环境分为好[70，100]、一般[40，70)和差[0，40)3个等级(表5)。

表5 海堤生态化建设适宜性评价引导

1.2.6 适宜类型的确定 建立防御-生态互斥矩阵，根据海堤灾害防御能力和海堤周边生态环境等级共同确定海堤生态化建设适宜性。

“优先建设”的海堤包括两类，一种为灾害防御能力差的海堤；另一种为生态环境状况差的海堤。第一种海堤已不能满足防潮减灾的基本功能，无论其周边生态环境如何，必须重新构建海岸带防护系统；第二种海堤虽然仍有灾害防御能力，但其生态环境状况差，亟需改善生态环境质量。

“适度建设”的海堤包括两类，一种为灾害防御能力一般，但周边生态环境好或一般的海堤；另一种为灾害防御能力好，但周边生态环境状况一般的海堤。这两类海堤的防潮减灾能力均已满足要求，但周边生态环境状况需要进一步改善和提升，在进行海堤生态化建设过程中，这两类海堤可作为适度建设对象，建设力度依具体情况而定。

“维持现状”的海堤指灾害防御能力好且周边生态环境好的海堤。这类海堤的防御能力完全满足安全需求，周边的生态环境状况好，无需耗费财力、人力、物力对其进行建设，因此在海堤生态化建设过程中，属于“维持现状”。

2 结果与讨论

2.1 结果分析

根据海堤灾害防御能力和海堤周边生态环境指标量化处理标准，结合裕藩海堤历史资料和现状调查资料，经整理分析，得出裕藩海堤评价指标数据的表达结果(表6)。

表6 裕藩海堤生态化建设适宜性评价指标数值

指标权重与对应分值相乘，得出各指标的最终得分；再将各指标的得分相加，得出目标层的综合分值，具体见表7和表8。

表7 裕藩海堤灾害防御能力指数

表8 裕藩海堤周边生态环境指数

裕藩海堤灾害防御能力指数综合分值为27.52，属于差的范畴；周边生态环境指数综合分值为41.36，属于一般范畴，但与较差水平相接近。结合防御-生态互斥矩阵，裕藩海堤生态化建设适宜性属于优先建设范畴。从各指标综合权重可以看出，风暴潮危险性对海堤灾害防御能力影响最大，在海堤灾害防御能力评价过程中占据了较大比重，潮间带宽度次之；对于海堤周边生态环境而言，海水水质所占比重最大，护面块体结构粗糙度次之。从各准则层排序结果还可以看出，在海堤灾害防御能力评价方面，海洋灾害所占分值最大；在海堤周边生态环境评价方面，生境质量所占分值远大于生态服务性。

2.2 讨论

海堤生态化建设适宜性评价是一项交叉融合生态学、地理学、管理学、社会学等学科门类的复杂工作，影响因素众多。本研究通过将适宜性理论分析应用于海堤生态化建设，拓展了适宜性理论分析的内涵，同时丰富了生态海堤理论体系，是对生态海堤研究领域新的尝试和探索。

本研究在指标体系构建过程中，将海堤灾害防御能力和海堤周边生态环境分开考虑并进行评价，有利于更加直观地对海堤生态化建设适宜性进行分析；通过对各准则层的综合得分进行排序，比较各因素对目标层的相对重要性，有利于分清主次，判断主要影响因素。在分类方法方面，采用三级分类法，引入海堤灾害防御能力指数和海堤周边生态环境指数对其进行赋值分别确定等级，采用列联表互斥矩阵的分类方法，综合分析海堤的防御-生态状况，确定海堤生态化建设的类型，最后以平潭岛裕藩海堤为例证实了评价体系的可操作性，该研究成果可为各地区已建海堤开展生态化建设适宜性评价提供参考依据。

3 结论

本研究基于“保障防灾能力、提升生态功能”的原则，从海堤灾害防御能力和海堤周边生态环境角度入手，构建了海堤生态化建设适宜性评价指标体系，并讨论了评价指标的权重计算和量化方法，通过建立防御-生态互斥矩阵确定海堤生态化建设适宜性程度，将建立的评价指标体系应用于平潭岛裕藩海堤，对该海堤的灾害防御能力和周边生态环境状况作出分析。应用表明，构建的评价方法既考虑了海堤防护能力的基本需求，又满足了生态环境方面的更高要求，评价结果与裕藩湾海岸带综合整治与生态保护修复规划内容基本吻合，具有良好的科学性和可操作性，可为我国开展海堤生态化建设适宜性评价工作提供理论支撑。

本研究建立的海堤生态化建设适宜性评价指标体系存在不完善之处，例如在指标选取方面，关于海堤自身的生态性仅选取了护面块体结构粗糙度；在指标量化方面，堤身整体稳定性、护面块体完整性的量化标准等有待进一步讨论探究。因此，未来将收集更多的资料，结合更多实际案例，通过优化指标体系和量化标准，进一步完善海堤生态化建设适宜性评价方法。