周家艷, 李 冰, 黃夏銀, 高 鳴, 王 水
(江蘇省環(huán)境科學(xué)研究院, 江蘇 南京 210036)
基于層次分析法的生態(tài)敏感海島開發(fā)決策研究
——以江蘇沿海地區(qū)發(fā)展規(guī)劃環(huán)評(píng)為例
周家艷, 李 冰, 黃夏銀, 高 鳴, 王 水
(江蘇省環(huán)境科學(xué)研究院, 江蘇 南京 210036)
針對(duì)生態(tài)敏感型海島開發(fā)難以決策, 特別是無法定量的難題, 首次采用層次分析法, 綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益、生態(tài)環(huán)境影響三方面因素, 建立4層10指標(biāo)2方案綜合決策系統(tǒng), 并將其應(yīng)用于江蘇沿海開發(fā)規(guī)劃環(huán)評(píng)的前三島、西太陽沙開發(fā)決策研究中。結(jié)果表明, 該決策系統(tǒng)能夠客觀體現(xiàn)系統(tǒng)要素的全面影響, 具有一定的科學(xué)性和實(shí)用價(jià)值, 對(duì)沿海開發(fā)中各類生態(tài)敏感海島及沙洲的開發(fā)決策具有重要的指導(dǎo)意義。
層次分析法; 海島; 開發(fā)決策; 規(guī)劃環(huán)評(píng)
海島是地球上不可或缺的重要組成部分, 在全球生物多樣性的保護(hù)中扮演著重要角色。同時(shí)由于其特有的獨(dú)立性, 海島對(duì)于人類活動(dòng)異常敏感。近幾個(gè)世紀(jì)來, 由于人類活動(dòng)的加劇, 海島生態(tài)已遭受嚴(yán)重影響。過去的400 a, 全球消失的植物物種中, 約62.5%為島嶼物種[1-2]。
中國目前擁有海島7 371個(gè), 島嶼面積約占全國陸地面積的 8%, 島嶼岸線達(dá)全國海岸線總長(zhǎng)的43.2%。由于海島(含屬于低潮高地的沙洲)[3], 是國土的重要組成部分, 不僅在維護(hù)國家主權(quán)和領(lǐng)海中具有重要的地位, 同時(shí), 由于其擁有豐富的資源, 經(jīng)濟(jì)發(fā)展?jié)摿薮? 而備受關(guān)注。改革開放以來, 中國海島經(jīng)濟(jì)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展, 然而由于開發(fā)利用的不當(dāng), 由人類活動(dòng)所帶來的問題卻越來越突出。部分海島的資源開發(fā)出現(xiàn)透支, 海島生物多樣性喪失, 淡水資源緊張, 周圍海域污染嚴(yán)重, 海島生態(tài)不斷惡化[4]。
近年來, 海島的開發(fā)、保護(hù)和生態(tài)修復(fù)日益受到關(guān)注[1-2]。中國于2009年頒布了《中華人民共和國海島保護(hù)法》, 首次對(duì)海島保護(hù)、開發(fā)、建設(shè)以及管理工作進(jìn)行了法律層面的規(guī)范。然而從技術(shù)角度, 因受到經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境等諸多因素的影響, 迄今為止還缺乏系統(tǒng)性與定量化的海島開發(fā)策略綜合評(píng)價(jià)和決策體系。
在對(duì)受多種不能定量表示的定性因子影響的問題進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)時(shí), 國內(nèi)外常采用的方法有層次分析法(Analytic Hierarchy Process, 簡(jiǎn)稱AHP)、灰色關(guān)聯(lián)法、灰色局勢(shì)決策法、模糊綜合評(píng)價(jià)法等, 其中使用頻率最高的就是層次分析法。層次分析法是一種定性與定量相結(jié)合的系統(tǒng)分析方法。由于具有易操作性、實(shí)用性和系統(tǒng)性等優(yōu)點(diǎn), 已經(jīng)廣泛應(yīng)用于復(fù)雜社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境系統(tǒng)的分析、評(píng)價(jià)與決策過程中[5-7]。近年來, 隨著規(guī)劃環(huán)評(píng)工作的深入推進(jìn), 層次分析法也被逐漸引入到規(guī)劃環(huán)評(píng)的多方案目標(biāo)決策中[8-9]。
本文首次嘗試運(yùn)用層次分析法, 建立了適用于生態(tài)敏感海島開發(fā)決策的技術(shù)模型, 并將其成功應(yīng)用至江蘇沿海地區(qū)發(fā)展規(guī)劃環(huán)評(píng)中前三島、西太陽沙的開發(fā)決策研究中, 有效指導(dǎo)了江蘇沿海開發(fā)中的生態(tài)敏感海島/沙洲的開發(fā)決策。
層次分析法是20世紀(jì) 70年代中期由美國運(yùn)籌學(xué)家Saaty提出來的一種系統(tǒng)規(guī)劃方法, 其基本思想是: 將評(píng)價(jià)系統(tǒng)中有關(guān)替代方案的各種要素分解成若干層次, 再以上一層要素為準(zhǔn)則, 對(duì)同一層次的各種要素進(jìn)行兩兩判斷比較并計(jì)算出各要素的權(quán)重,根據(jù)綜合權(quán)重按最大權(quán)重原則確定最優(yōu)方案[10-11]。一般經(jīng)過4個(gè)步驟: 建立遞階層次結(jié)構(gòu)、構(gòu)建判斷矩陣、層次單排序與一致性檢驗(yàn)、層次總排序與一致性檢驗(yàn)。
1.1 建立遞階層次結(jié)構(gòu)
從經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境三方面, 分析海島開發(fā)方案實(shí)施后可能造成的效益/影響, 并將其影響因素分為A,B,C三個(gè)層次。其中A層是總目標(biāo)層, 即最合適的海島開發(fā)策略;B層是準(zhǔn)則層, 即實(shí)現(xiàn)總目標(biāo)層的三方面影響因素;C層是指標(biāo)層, 即達(dá)到總目標(biāo)層和準(zhǔn)則層的各種條件, 共10項(xiàng)指標(biāo)。
再考慮目前可供選擇的開發(fā)方式, 建立方案層(D層)。從而建立生態(tài)敏感海島開發(fā)決策的遞階層次結(jié)構(gòu)模型。如圖1所示。
圖1 生態(tài)敏感海島開發(fā)決策的遞階層次結(jié)構(gòu)Fig. 1 Hierarchical structure of ecologically sensitive island development decision
1.2 構(gòu)建判斷矩陣并賦值
采用 1~9標(biāo)度法, 由專家打分構(gòu)造出兩兩比較判斷矩陣[11]并賦值, 確定每個(gè)元素對(duì)上一層次的相對(duì)重要性。
表1為環(huán)境因素B2與對(duì)其產(chǎn)生影響的各個(gè)因子C3~C6構(gòu)建的判斷矩陣, 其余判斷矩陣構(gòu)建方法相同。
表1 B2對(duì)C3~C6構(gòu)建的判斷矩陣Tab. 1 Comparison matrix B2-C3~C6
1.3 層次單排序與一致性檢驗(yàn)
層次單排序是指: 根據(jù)判斷矩陣, 計(jì)算對(duì)于上一層某因素而言, 本層次與之有聯(lián)系的因素的重要性次序的權(quán)值。它是本層次所有因素相對(duì)上一層而言的重要性進(jìn)行排序的基礎(chǔ)。
層次單排序可以歸結(jié)為計(jì)算判斷矩陣的特征根和特征向量問題, 計(jì)算方法有特征根法、和積法、根法、冪法等。其中和積法是一種簡(jiǎn)化的計(jì)算方法, 本處選用和積法計(jì)算判斷矩陣的最大特征根及特征向量。
1.3.1 用和積法計(jì)算判斷矩陣的最大特征根及特征向量
將判斷矩陣A每一列歸一化:
每一列經(jīng)歸一化后的判斷矩陣按行相加:
所得到W=[W1,W2,W3……Wn]T即為所求特征向量。
計(jì)算判斷矩陣最大特征根λmax:
式中A表示判斷矩陣, (AW)i表示向量AW的第i個(gè)分量。
B2對(duì)C3~C6構(gòu)建的判斷矩陣, 按照上述方法,求得最大特征根為λmax=4.0394及其對(duì)應(yīng)的特征向量WB2=(0.0967, 0.5832, 0.2234, 0.0967)。其中, 特征向量WB2就是指標(biāo)層C3~C6對(duì)準(zhǔn)則層B2的重要性順序,也就是權(quán)重系數(shù)的分配。
1.3.2 一致性檢驗(yàn)
矩陣一致性指標(biāo)IC=(max-n)(n-1)
對(duì)于 1~9階矩陣, 同階平均隨機(jī)一致性指標(biāo)IR分別如表2所示。
表2 1~9階矩陣的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)Tab. 2 Average random consistency index of 1~9 order matrix
當(dāng)階數(shù)n≤2時(shí), 認(rèn)為 1階、2階判斷矩陣總是完全一致的。當(dāng)階數(shù)n>2時(shí),IC與IR之比, 稱為判斷矩陣的隨機(jī)一致性比例, 記為RC。當(dāng)RC=IC/IR<0.1時(shí), 認(rèn)為判斷矩陣具有滿意的一致性, 即權(quán)重的分配是合理的。否則, 調(diào)整判斷矩陣的元素取值, 重新分配權(quán)重的值。
對(duì)于判斷矩陣B2-C3-6, ( )( )I=Cmax-nn-1=(4.0394-4)/(4-1)=0.0131, 查找一致性指標(biāo)IR(表 2),當(dāng)n=4時(shí), 一致性指標(biāo)IR=0.90, 則判斷矩陣B2-C3-6的一致性比例為
顯然, 判斷矩陣B2-C3-6具有滿意一致性, 故特征向量可以作為各指標(biāo)的權(quán)重。其余矩陣特征向量計(jì)算及其一致性檢驗(yàn)方法相同。
1.4 層次總排序與一致性檢驗(yàn)
層次總排序是指每一個(gè)判斷矩陣各因素針對(duì)目標(biāo)層(最上層)的相對(duì)權(quán)重。這一權(quán)重的計(jì)算采用從上而下的方法, 逐層合成。同樣, 也需要對(duì)總排序結(jié)果進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。
表3為C層各指標(biāo)對(duì)A層總排序結(jié)果, 即為生態(tài)敏感海島開發(fā)決策系統(tǒng)的各指標(biāo)權(quán)重。其中, 權(quán)重最大的為經(jīng)濟(jì)效益因素, 其次為生態(tài)環(huán)境影響, 社會(huì)效益因素所占權(quán)重稍低。說明要提高開發(fā)策略的可行度, 需要著重提高開發(fā)產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益, 同時(shí)最大限度地降低可能帶來的生態(tài)環(huán)境影響。在社會(huì)效益指標(biāo)中, 對(duì)國家安全的影響也是開發(fā)決策中需要重點(diǎn)考慮的因素, 其所占權(quán)重僅次于間接經(jīng)濟(jì)效益。
表3 C層各指標(biāo)對(duì)A層總排序列Tab. 3 The sorting order of each indicator of C-layer in A-layer
江蘇沿海地區(qū)包括連云港、鹽城和南通三市, 海岸線長(zhǎng)954 km, 南部毗鄰中國最大的經(jīng)濟(jì)中心上海,北部擁有新亞歐大陸橋東橋頭堡連云港, 東與日本、韓國隔海相望。為充分發(fā)揮這一地區(qū)的戰(zhàn)略優(yōu)勢(shì), 將其發(fā)展為中國東部地區(qū)新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn),2009年 6月 10日, 國務(wù)院常務(wù)會(huì)議討論并原則通過《江蘇沿海地區(qū)發(fā)展規(guī)劃》, 江蘇沿海開發(fā)正式上升成為國家戰(zhàn)略。該規(guī)劃的實(shí)施對(duì)于促進(jìn)江蘇蘇北地區(qū)的全面振興、完善長(zhǎng)三角乃至全國沿海生產(chǎn)力的整體布局、帶動(dòng)中部崛起和西部大開發(fā)具有重要的戰(zhàn)略意義。
同時(shí), 江蘇沿海地區(qū)也是中國沿海生物多樣性保護(hù)的三大關(guān)鍵地區(qū)之一。鹽城濕地珍禽和大豐麋鹿 2個(gè)國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)被列入“國際重要濕地名錄”; 江蘇近海海域分布有前三島鳥類特別保護(hù)區(qū)、呂四漁場(chǎng)特別保護(hù)區(qū)等海洋保護(hù)區(qū)、18個(gè)增殖區(qū)、731 km2的重要漁業(yè)水域, 以及珍稀、經(jīng)濟(jì)海洋生物的洄游通道、產(chǎn)卵場(chǎng)、索餌場(chǎng)等重要生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)。為科學(xué)指導(dǎo)沿海開發(fā)工作, 使江蘇沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)與環(huán)境協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展, 江蘇沿海地區(qū)發(fā)展規(guī)劃環(huán)評(píng)工作被納入環(huán)保部試點(diǎn)。
本文針對(duì)江蘇沿海開發(fā)規(guī)劃中的重要海島——前三島、西太陽沙, 運(yùn)用上述層次分析法決策系統(tǒng),對(duì)其開發(fā)決策進(jìn)行研究, 并為江蘇沿海開發(fā)的協(xié)調(diào)、可持續(xù)推進(jìn)提供指導(dǎo)。
2.1 前三島開發(fā)決策研究
前三島位于海州灣中部, 包括平山島、達(dá)山島、車牛山島等12處島礁, 因其位于連云港海防的最前線, 故被稱作為前三島。由于其天然深水條件, 具有優(yōu)越的天然港址條件, 已成為連云港乃至江蘇沿海建設(shè)大型深水海港的重要選址。因此, 在第一稿《江蘇沿海開發(fā)規(guī)劃》中, 前三島曾被列為重要開發(fā)節(jié)點(diǎn),重點(diǎn)建設(shè)大型原油碼頭和地面石油儲(chǔ)備庫。該方案的實(shí)施可以為徐圩石化基地的發(fā)展提供有力的支撐,對(duì)于江蘇沿海開發(fā)的龍頭——連云港的發(fā)展具有重要意義。
但同時(shí), 前三島是海州灣漁場(chǎng)的核心, 其周邊海域分布有眾多珍稀、經(jīng)濟(jì)海洋生物的產(chǎn)卵場(chǎng)、索餌場(chǎng)和洄游通道, 是江蘇省唯一的海珍品基地。前三島也是中國著名的“黃海鳥島”, 是海鳥繁殖和候鳥南北遷徙必經(jīng)的“海上驛站”。島上鳥類達(dá) 130多種,其中《中日候鳥保護(hù)協(xié)定》規(guī)定保護(hù)的鳥類73種, 國家一級(jí)、二級(jí)保護(hù)鳥類近20種。
總之, 由于前三島特殊的生態(tài)地位, 開發(fā)與保護(hù)的矛盾也異常突出。
利用本文構(gòu)建的決策系統(tǒng), 對(duì)前三島開發(fā)策略進(jìn)行研究。根據(jù)江蘇沿海地區(qū)發(fā)展規(guī)劃, 設(shè)立具體方案如下:
方案一(D1): 保持原狀, 不實(shí)施開發(fā);
方案二(D2): 建設(shè)前三島原油碼頭和地面石油儲(chǔ)備庫(規(guī)劃擬實(shí)施方案)。
采用層次分析法決策系統(tǒng), 對(duì)C層各指標(biāo)與D層方案分別構(gòu)建10個(gè)判斷矩陣, 針對(duì)10個(gè)判斷矩陣得到備選方案在各指標(biāo)上的優(yōu)勢(shì)度權(quán)重。再利用上述層次分析法決策系統(tǒng)中C層各指標(biāo)對(duì)A層目標(biāo)的權(quán)重, 可計(jì)算得D層各方案對(duì)A層目標(biāo)的總排序(表4), 即為備選方案的綜合優(yōu)勢(shì)度權(quán)重。根據(jù)綜合權(quán)重,按最大權(quán)重原則確定最優(yōu)方案, 即為生態(tài)敏感海島的最佳開發(fā)策略。
表4 D層各方案對(duì)A層總排序列Tab. 4 The sorting order of each indicator of D-layer in A-layer
矩陣A-D1-2的層次總排序(0.5124, 0.4876)T, 說明了前三島不開發(fā)、建設(shè)前三島原油碼頭和地面石油儲(chǔ)備庫兩個(gè)備選方案的得分??梢钥闯?D1>D2,即前三島不開發(fā)方案得分稍高。按照最大權(quán)重原則,兩個(gè)方案的優(yōu)劣順序?yàn)? D1稍優(yōu), D2稍劣, 因此方案D1(保持原狀, 不實(shí)施開發(fā))為較理想選擇。
根據(jù)研究結(jié)果, 對(duì)江蘇沿海開發(fā)規(guī)劃提出了加強(qiáng)前三島生態(tài)保護(hù), 限制開發(fā)的建議。由于研究成果及時(shí)反饋回規(guī)劃, 并為規(guī)劃編制單位認(rèn)可、采納, 從而有效提升了生態(tài)環(huán)境保護(hù)在規(guī)劃中的地位, 避免了盲目開發(fā)帶來的巨大生態(tài)損失。
2.2 西太陽沙開發(fā)決策研究
輻射沙洲是江蘇省近岸海域獨(dú)有的自然資源,其規(guī)模之大、形態(tài)之異、海區(qū)潮流與地質(zhì)地貌之復(fù)雜多變?cè)趪鴥?nèi)外都是極為罕見的。近幾年來, 隨著海洋開發(fā)進(jìn)程的不斷加快, 輻射沙洲越來越受到社會(huì)各界的關(guān)注和重視, 成為開發(fā)利用的熱點(diǎn)。
西太陽沙是江蘇省南通市如東縣的海濱輻射沙洲。因其南部爛沙洋深槽水深大, 深水范圍寬, 且水道順直, 掩護(hù)條件好, 可直通深水航道, 成為建設(shè)外海開敞式碼頭的優(yōu)良港址。在江蘇沿海開發(fā)規(guī)劃中,擬依托西太陽沙建設(shè)人工島工程, 發(fā)展港口物流。該工程的建設(shè)可極大促進(jìn)陸域臨港產(chǎn)業(yè)基地的開發(fā)建設(shè), 帶動(dòng)如東縣乃至整個(gè)南通市的產(chǎn)業(yè)發(fā)展和社會(huì)經(jīng)濟(jì)進(jìn)步。
同時(shí), 西太陽沙所在海域也是如東縣重要的漁業(yè)水域, 分布有大面積海洋漁業(yè)養(yǎng)殖區(qū), 漁業(yè)養(yǎng)殖資源的損失是人工島開發(fā)建設(shè)決策中不可忽視的負(fù)面因素。
同樣, 利用本文構(gòu)建的生態(tài)敏感海島開發(fā)決策系統(tǒng), 對(duì)西太陽沙開發(fā)策略進(jìn)行研究。根據(jù)江蘇沿海地區(qū)發(fā)展規(guī)劃, 設(shè)立具體方案如下:
方案一(D1): 保持原狀, 不實(shí)施開發(fā);
方案二(D2): 建設(shè)人工島工程, 發(fā)展港口物流,成為天然氣項(xiàng)目LNG接收站、油品及化學(xué)品中轉(zhuǎn)儲(chǔ)區(qū)、礦石及煤炭中轉(zhuǎn)堆場(chǎng)和碼頭建設(shè)用地(規(guī)劃擬實(shí)施方案)。
同上, 采用層次分析法決策系統(tǒng), 計(jì)算得 D層各方案對(duì)A層目標(biāo)的總排序, 見表4。
矩陣A-D1-2的層次總排序(0.4557, 0.5443)T可以看出, D2>D1, 即建設(shè)西太陽沙人工島工程, 發(fā)展港口物流得分稍高。按照最大權(quán)重原則, 兩個(gè)方案的優(yōu)劣順序: D2稍優(yōu), D1稍劣, 表明方案 D2(建設(shè)人工島工程, 發(fā)展港口物流)為較理想選擇。
2.3 結(jié)果與討論
對(duì)于前三島, D2方案的主要缺陷在于: 前三島及其周邊海域的生態(tài)價(jià)值獨(dú)特, 開發(fā)所可能帶來的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)和生態(tài)環(huán)境影響顯著, 從而使得 D2方案得分相對(duì)較低。對(duì)于西太陽沙, D2方案的主要優(yōu)勢(shì)在于:西太陽沙建設(shè)人工島工程, 發(fā)展港口物流所帶來的生態(tài)環(huán)境不利影響有限, 而產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益相對(duì)顯著, 從而使得 D2方案得分相對(duì)較高。上述兩個(gè)不同類型海島開發(fā)決策的案例實(shí)踐表明: (1)生態(tài)環(huán)境影響是海島開發(fā)決策中的重要因素。規(guī)劃過程以及海島開發(fā)方案的制定中, 應(yīng)盡可能通過改進(jìn)開發(fā)方式, 采取有效的生態(tài)環(huán)境防治措施等, 最大限度降低生態(tài)環(huán)境不利影響, 使開發(fā)策略不斷趨于優(yōu)化, 提高決策的可行度。(2)本文建立的4層10指標(biāo)2方案綜合決策系統(tǒng)能夠客觀體現(xiàn)系統(tǒng)要素的全面影響, 適用于各類生態(tài)敏感海島/沙洲的開發(fā)決策,具有一定的科學(xué)性和實(shí)用價(jià)值。
采用層次分析法, 建立了適用于各類生態(tài)敏感海島/沙洲開發(fā)的綜合評(píng)價(jià)、決策系統(tǒng), 科學(xué)、實(shí)用;將該系統(tǒng)成功應(yīng)用于江蘇沿海開發(fā)規(guī)劃環(huán)評(píng)中, 有效指導(dǎo)了江蘇沿海開發(fā)規(guī)劃中前三島、西太陽沙的開發(fā)決策。研究表明, 經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)環(huán)境影響是海島開發(fā)決策系統(tǒng)中的重要因素, 需在著重提高開發(fā)產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí), 最大限度地降低可能帶來的生態(tài)環(huán)境影響, 提高決策的可行度。同時(shí), 海島的開發(fā)是一個(gè)復(fù)雜多變的系統(tǒng), 模型在實(shí)用過程中尚需要根據(jù)實(shí)際開發(fā)效果, 不斷完善評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,并對(duì)指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行科學(xué)優(yōu)化, 不斷提升決策系統(tǒng)的科學(xué)性和合理性。
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Development decision of ecologically sensitive island based on analytic hierarchy process——A case on environmental impact assessment of development planning in Jiangsu coastal areas
ZHOU Jia-yan, LI Bing, HUANG Xia-yin, GAO Ming, WANG Shui
(Jiangsu Provincial Academy of Environmental Science, Nanjing 210036, China)
Aug., 4, 2010
analytic hierarchy process; island; decision of the exploitation; plan environmental impact assessment
To make the decision of ecologically sensitive island development easier, a comprehensive evaluation system was established using the analytic hierarchy process (AHP). In this system, the impacts of economic, social,and ecological environmental were considered, and 10 indicators on four levels were constructed to produce two action plans.Using the system, we investigated the development decision of Qiansandao Island and Xitaiyangsha Cay. The results showed that the system could reflect the impact of various elements. The results had an important significance for decision of ecologically sensitive island development.
X22
A
1000-3096(2012)05-0018-06
2010-08-04;
2012-01-16
江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK2009454)
周家艷(1980-), 女, 江蘇儀征人, 工程師, 碩士, 主要從事環(huán)境規(guī)劃、政策與管理的研究, 電話: 13809031202, E-mail:z_jiayan@hotmail.com
(本文編輯:劉珊珊)