长江口南槽航道治理工程生态健康模糊评价

杨 琳，刘 红，封 学 军，任 华 堂

(1.中央民族大学 生命与环境科学学院，北京 100081； 2.中交上海航道勘察设计研究院有限公司，上海 200120； 3.河海大学 港口海岸与近海工程学院，江苏 南京 210098)

0 引 言

长江口地处海陆交汇地带，水文条件复杂，水生生物资源丰富[1]，在维护长江流域生态结构以及生物多样性方面有十分重要的作用。尤其是近半个世纪以来，新生的九段沙湿地对整个长江口生态安全、资源与环境的可持续发展有重要影响[2]。在经济全球化的背景下，航运作为国际贸易的主要方式，起着不可或缺的作用[3]，长江口航道作为长江发挥“黄金水道”功能的关键通航水道[4]，具有重要地位。长江口航道主要分为南槽和北槽航道，其中北槽的12.5 m深水航道是长江口主航道，南槽航道是辅航道。有关研究表明，航道建设可能会对海域的水生环境[5]、水生生态[6]以及陆域环境[7]造成影响。长江口南槽一期工程涉及航道疏浚、护滩、沉排等工作[8]，施工范围内及附近海域的环境、生态可能会受到影响，生态敏感区九段沙湿地的生物多样性和生态稳定性也有可能被影响。对长江口南槽一期治理工程进行生态健康评价具有重要的理论意义和现实意义。

航道生态健康评价，主要包括指标体系构建、指标权重确定以及航道健康评价。前人研究表明，指标体系的构建需要结合评价区域的具体情况确定。丁满琪[9]在苏南运河无锡段航道评价中，考虑到河段洪涝灾害多发，设置防汛水平指标；李天宏等[10]在长江中游荆江河段航道评价中，考虑到荆江河段多自然保护区及饮用水水源，设置湿地保留率、饮用水安全保证率等指标。指标权重确定方面，王小峰等[11]利用层次分析法对长江航道评价指标赋权，贾明明[12]、郭秀娟[13]、匡舒雅[14]等分别利用主成分分析、熵权法、五元联系数法对泥头州、京杭运河苏北段以及长江下游航道评价指标赋权。以层次分析法为代表的主观赋权法系统性强、灵活性高，但易受主观价值判断的影响；而主成分分析、熵权法、五元联系数等客观赋权法所得结果虽具有较强的数学统计依据，但较难顾及评价指标之间的相对重要性，赋权容易缺乏专业性[15]。群决策层次分析法在层次分析法基础上进行了改进，很大程度上降低了层次分析法的主观性[16]。航道的健康评价方法常用综合指数法[17]，综合指数法可以直观地计算出航道的健康指数，但航道的满足程度由多个因素共同决定的，本身具有很大的模糊性和不确定性，综合指数的计算结果并不能完全代表航道的健康程度。而模糊综合评价法可以将这种模糊性的定性指标转换为定量指标[18-20]，在航道评价中实现多个定量、定性指标综合评价，并在评价结果中得出各指标对于航道整体生态满足程度的影响，这一方法在中国荆江、汉江航道评价中应用效果良好[21-22]。

本文利用模糊综合评价法对长江口南槽航道治理工程生态健康水平进行评价，评估一期工程对航道水域尤其是九段沙湿地生态敏感区的影响。

1 工程概况

如图1所示，南槽航道一期治理工程拟通过整治和疏浚将航道航宽由原 250 m 扩宽至口内段 600 m、口外段 1 000 m，以满足 5 000 t级船舶满载双向多线乘潮通航的要求，具体工程建设内容包括将南槽航道疏浚至6 m水深，同时沿江亚南沙南缘向下游建设1条16 km长的护滩堤。工程于2019年12月开工，并于2020年6月顺利交工试运行。

2 评价指标

2.1 评价指标体系

针对南槽航道治理一期工程设立评价指标体系，分为目标层、准则层和指标层，详细指标见表1。

由表1可知，为综合评价航道的生态健康水平，指标体系针对航道的航运、生态、资源节约以及协调发展功能设置了若干准则，涵盖了航道建设从设计理念到施工影响再到运维管理的全过程。具体指标在借鉴其他航道生态健康评价研究的基础上，增加了“绿色施工技术”等体现航道生态健康水平的指标，指标体系完整且具有专业性。另外，各个指标具有明确的计算方法及评价细则，相互之间不存在包含及对立关系，具有相对独立性。该指标体系适用于南槽航道工程的生态健康评价。

表1 南槽航道治理一期工程评价指标计算方法Tab.1 Calculation method of evaluation index of South Channel Phase Ⅰ waterway regulation engineering

2.2 数据获取及标准

根据已有指标体系，通过收集长江口南槽河段相关资料数据，对其航道工程生态健康水平进行评价，相关数据源于如下资料：① 长江口南槽航道治理工程相关报告[23-25]；② 长江口南槽水域生态环境持续监测资料及九段沙湿地生态系统的实测资料；③ 国家水利局、国家统计局等相关网站；④ 同类研究文献资料。

各单项指标的标准包括5个等级，具体的划分标准采用定性和定量结合，定量指标主要依据行业标准以及相关文献资料；定性指标主要采用专家打分的方式，具体的划分标准见表2。

表2 南槽航道治理工程评价评分标准Tab.2 Evaluation and scoring standard of South Channel waterway regulation engineering

3 评价方法

采用群决策层次分析法确定指标权重，利用模糊综合评价法对确定好的权重以及根据评价标准得出的指标得分进行计算，得到航道健康水平，最后利用敏感性分析法对评价结果的稳定性进行分析。

3.1 群决策层次分析法

层次分析法由于采用专家评分的方法，难免存在逻辑差，主观性强的问题。在层次分析法中，体现评分逻辑性的指标是一致性比率CRi，CR值越小说明评分越严谨。而群决策层次分析法，在层次分析法的基础上根据各专家评分的CR值对专家也进行权重计算。一致性比率CRi越大，对应的专家权重就越小，相应的，CRi小的也就是逻辑更严谨的专家话语权就更大。具体计算方法如下：

(1)

(2)

为保证层次分析法的准确性和权威性，应选取与评价指标行业密切相关的专家。对于该研究而言，需要邀请对于航道评价、航道建设等方面有经验的专家，并尽量保证专家数量不小于10人来减少个人主观性带来的误差。

3.2 模糊综合评价方法

模糊综合评价法是利用隶属度的计算和模糊线性变换，将不确定的评价指标转换为定量指标。隶属度采用降半梯形分布法计算。正向和负向指标计算方法不同。采用5分制法，计算各指标对于航道评价的优、良、中、差、劣隶属度。

对于正向指标：

当x>s1时，

r1=1，r2=r3=r4=r5=0

(3)

当si+1

(4)

当x

r5=1，r1=r2=r3=r4=0

(5)

对于负向指标：

当x

r1=1，r2=r3=r4=r5=0

(6)

当si

(7)

当x

r5=1，r1=r2=r3=r4=0

(8)

式中：x表示指标的实际值，si和si+1表示指标第i级和第i+1级的健康标准值，ri和ri+1表示指标对第i级和第i+1 级健康程度的隶属度。

模糊线性变化过程中，需选择模糊合成算子。本文选用体现权重作用较高，综合程度较强的M(·，⊕)算子，计算方法为

(9)

当wj具有归一化时，

(10)

3.3 敏感性分析方法

航道生态健康水平评价基于多指标决策，指标的权重大小对于评价结果影响较大。对权重进行敏感性分析是令权重在一定的取值范围内变动，研究权重的变动对评价结果的影响，从而检验评价结果的稳定性[26 ]。

本文采用 OAT(the One-At-a-Time)法对群决策层次分析法得到的各准则权重进行敏感性分析，即每次只改变一个因子的权重值，从而反映单因子权重变化对结果的影响程度。本次研究将已确定的各准则的权值上下分别浮动 20%、90%，其他准则的权值依比例做相应改变，确保权重总和始终为 1，并计算新权重下航道工程健康水平。

具体计算方法如下(以浮动20%为例)：

(1)权值浮动的某一准则的权重原始值表示为wi，则其权值上下分别浮动20%后的变化值wi′为

(11)

(2)为确保所有准则的权值之和为1，其他权值未浮动的准则(原始权重为wj)依据wi′进行权重调整，调整后其他准则权重的变化值wj′为

(12)

4 结果与讨论

4.1 群决策层次分析法结果

本次研究邀请了10位在航道工程评价、航道建设方面有丰富经验的专家进行打分，计算得到各准则(B)及指标(C)占航道工程生态健康评价(A)权重结果，见表3。

表3 航道工程评价指标权重计算结果Tab.3 Calculation result of weight of waterway engineering evaluation index

4.2 模糊综合评价结果

根据表4健康隶属度矩阵，利用式(10)进行模糊变换，得到航道工程整体及各准则模糊综合评价结果，见图2～3。以航道整体“中等”程度计算为例，计算方法为找到含有“中等”隶属度的5个指标，对这些指标隶属度与对应指标权重逐个求积后相加：

表4 航道工程评价指标健康隶属度矩阵Tab.4 Health membership matrix of waterway engineering evaluation index

0.1176+0.88×0.0380+1×0.0668+

0.26×0.0455≈0.1888

(13)

由图2可知：南槽航道工程生态健康水平对优秀的隶属度最高，对良好的健康隶属度次之，对中等隶属度比较低，较差、差劣隶属度为0。优秀和良好的占比超过80%，说明经航道治理工程后，长江口南槽航道治理工程生态效果较好。从各准则层分别看(见图3)：河势条件、航道条件、设计建设全部隶属于优秀状态；运维管理对于优秀的隶属度较大，良好较小；通航条件、涉水功能虽然优秀占比较大，但均未超过50%；生境准则近70%属于良好，而生物准则有80%属于中等，在各个准则中，生物生境健康水平最低。这说明南槽航道工程对于航道的通航河势改善作用很大，在航道治理过程中设计、运维的体系建设也很完善，绿色技术的应用得到体现，但对于航道及九段沙湿地生物及生态环境的改善程度较低，在后续航道建设过程中应更加注意航道生态功能的提高。在航道建设完成后对航道生境进行及时修复，通过人工种草、生态护岸等方式促进湿地健康演变，打击破坏湿地生态系统行为，保护航道及九段沙生物生长繁衍，处罚超标排放船只，鼓励船舶清洁能源使用，改善水生生物生存环境。

4.3 敏感性分析

为进一步降低专家评分的主观性影响，对各个权重进行敏感性分析，来检验评价结果的稳定性。利用3.3中敏感性分析方法将已经确定的各准则的权重上下分别调动20%和90%，其余准则的总权重依照原有比例进行相应的改变，重新计算权重改变后航道的健康水平，计算结果见表5～6。

表5 权重w浮动20%的航道工程健康水平变化Tab.5 Changes of health level of waterway engineering with weight w floating by 20%

由表5～6结果可以看出：各个准则权重浮动后，航道健康水平结果变化较小，优秀的隶属度始终最大，航道工程生态健康水平均为较高水平，当准则权重浮动为90%时，优秀隶属度波动在10%以内。结果表明评价结果对准则权重的20%～90%幅度波动敏感性不高，长江口南槽航道工程模糊综合评价结果具有较高的稳定性和可靠性。

5 结 论

选取群决策层次分析法作为权重确定方法，在保证赋权专业性的同时降低了专家评分的主观性。利用模糊综合评价法，对长江口南槽航道治理工程生态健康作出评价，克服了航道评价的模糊性和不确定性，利用敏感度分析研究了评价结果的可靠性和稳定性。评价结果表明长江口南槽航道工程生态健康水平“优秀”隶属度最高，即航道工程生态效果较好。总体上该航道治理工程没有破坏航道及九段沙生态敏感区的各项功能，并且对于航道的通航功能有很大提高，但对于航道及九段沙湿地生物生境的改善作用较小，在后续航道建设中可通过人工种草、限制船舶污染物排放等方式改善航道生物生境功能。