李連偉，劉展，白永良，盛潔

中國石油大學(xué)（華東）地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580

海岸帶是海岸動力與沿岸陸地相互作用、具有海陸過渡特點的獨立環(huán)境體系（孫才志等，2011），其對人類社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展至關(guān)重要，全世界60%以上的人口生活在沿海60 km范圍內(nèi)（王騰等，2015；李恒鵬等，2006），全球經(jīng)濟(jì)財富大部分產(chǎn)生于海岸區(qū)域（儲金龍等，2005；Turner et al.，1995），國際上非常重視海岸帶環(huán)境脆弱性及其災(zāi)害的調(diào)查研究（李連偉等，2013）。海岸帶脆弱性是指在自然因素影響下，海岸帶環(huán)境響應(yīng)人類對海岸帶開發(fā)利用和自然環(huán)境相互作用過程中表現(xiàn)出的一種易于受到損害的性質(zhì)，表征為海岸帶對破壞和傷害的敏感性（孫才志等，2011）。

近年來國內(nèi)外學(xué)者對海岸帶環(huán)境脆弱性進(jìn)行了相關(guān)研究。Gornitz（1991）首次提出了CVI（Coastal Vulnerability Index，海岸帶脆弱性指數(shù)）概念并廣泛應(yīng)用到海岸帶環(huán)境脆弱性評價中；Abuodha et al.（2010）采用CSI（Coastal Sensitivity Index，海岸帶敏感性指數(shù)）模型對澳大利亞東南部海岸帶環(huán)境脆弱性進(jìn)行了評價研究；Diez et al.（2007）基于CVI6模型進(jìn)行了布宜諾斯艾利斯海岸帶環(huán)境脆弱性評價研究；Mahapatra et al.（2015）于2015年對印度南部的古吉拉特邦海岸的環(huán)境脆弱性進(jìn)行了研究，構(gòu)建了 ICVI（Integrated Coastal Vulnerability Index，綜合沿海脆弱性指數(shù)）模型，該模型由PVI（Physical Vulnerability Index，物理脆弱性指數(shù)）子模型和SVI（Social Vulnerability Index，社會脆弱性指數(shù)）子模型組成。國內(nèi)學(xué)者對海岸帶環(huán)境脆弱性的評價研究起步較晚，但也取得了一系列成果。孫才志等（2011）運(yùn)用 RS（Remote Sensing，遙感）和 GIS（Geographical Information System，地理信息系統(tǒng)）技術(shù)采用投影尋蹤和動態(tài)層次分析模型對遼寧省海岸帶環(huán)境脆弱性進(jìn)行研究；王騰等（2015）進(jìn)行了多驅(qū)動因素下海岸帶環(huán)境脆弱性研究；劉宏偉等（2013）研究了基于CVI方法選取6個指標(biāo)對曹妃甸海岸帶環(huán)境脆弱性進(jìn)行研究；戴雅南等（2009）基于構(gòu)建的“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”評價模型對江蘇海岸帶生態(tài)環(huán)境脆弱性進(jìn)行相關(guān)研究；王寧等（2012）進(jìn)行氣候變化影響下海岸帶環(huán)境脆弱性評價研究；劉曦等（2010）基于建立的模糊方法的海岸侵蝕脆弱性評價模型對長江三角洲具有代表性的海岸線岸段進(jìn)行了CVI評價。雖然國內(nèi)外學(xué)者在海岸帶環(huán)境脆弱性評價模型與評價指標(biāo)體系構(gòu)建方面已取得了一定成果，但已有研究成果未體現(xiàn)人類活動和生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力（植被NPP和植被覆蓋度）因素在環(huán)境脆弱性評價過程中的重要作用；針對不同的研究區(qū)域，環(huán)境脆弱性評價模型也有待改進(jìn)與完善。

本研究從自然因素和人類活動出發(fā)，選擇關(guān)鍵評價指標(biāo)構(gòu)建海岸帶環(huán)境脆弱性評價指標(biāo)體系，確定評價指標(biāo)量化方法，以AHP（Analytic Hierarchy Process，層次分析法）方法確定評價指標(biāo)權(quán)值，以CVI作為評價模型，利用RS技術(shù)和GIS軟件平臺，對研究區(qū)域的海岸帶環(huán)境脆弱性進(jìn)行定量化評價和空間分布格局分析。

1 研究區(qū)域概況

現(xiàn)代黃河三角洲位于山東省東北部，是在1855年以后發(fā)育形成的（高茂生等，2010），該區(qū)域擁有極為豐富的油氣、土地、水沙、地下鹽鹵、鹽礦和海洋漁業(yè)以及旅游資源，是中國東部沿海資源最富集和發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮牡貐^(qū)，是國家重點發(fā)展區(qū)域，是黃河三角洲高效生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)和山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)的重要依托部分。然而，近年來在全球氣候變化背景下，隨著工業(yè)化和城市化進(jìn)程的加速，黃河三角洲海岸帶出現(xiàn)一系列問題，如海平面上升、入海水沙銳減、環(huán)境污染、地下水位大幅度下降、水土流失、海岸侵蝕和海底侵蝕等（肖篤等，2003；Wang et al.，2007；芮玉奎等，2008），其環(huán)境表現(xiàn)出一定的脆弱性。黃河三角洲天然不穩(wěn)定性和人類活動等因素共同作用直接導(dǎo)致了現(xiàn)代黃河三角洲海岸帶不斷蝕退、大部分濕地退化、環(huán)境的污染和三角洲沉積體不穩(wěn)定性的加?。ɡ顝V雪等，2000）。

世界各國采用的海岸帶標(biāo)準(zhǔn)并不統(tǒng)一，現(xiàn)今有3種海岸帶劃分標(biāo)準(zhǔn)：以海拔劃分、以距離劃分、以行政區(qū)域劃分。中國將海岸帶的陸上范圍界定為平均高潮位以上10 km，海水范圍界定為水下15 m等深線。本研究區(qū)域范圍為 37.324°～38.450°N、118.217°～119.500°E之間，具體如圖1所示。

2 脆弱性評價方法研究

通過對黃河三角洲海岸帶環(huán)境脆弱性的系統(tǒng)調(diào)查研究，分析自然過程與人類活動對黃河三角洲海岸帶環(huán)境脆弱性的影響，篩選出影響黃河三角洲海岸帶環(huán)境脆弱性的關(guān)鍵評價指標(biāo)，構(gòu)建黃河三角洲海岸帶區(qū)域環(huán)境脆弱性評價指標(biāo)體系；建立黃河三角洲海岸帶環(huán)境脆弱性評價指標(biāo)量化方法，并采用層次分析法計算評價指標(biāo)權(quán)值；構(gòu)建黃河三角洲海岸帶環(huán)境脆弱性評價模型。

圖1 研究區(qū)域Fig.1 Research Area

2.1 評價指標(biāo)體系構(gòu)建

參考國內(nèi)外海岸帶環(huán)境脆弱性評價指標(biāo)體系，結(jié)合黃河三角洲地區(qū)獨特因素，確定了黃河三角洲海岸帶環(huán)境脆弱性評價指標(biāo)體系，該評價指標(biāo)體系由自然固有脆弱性評價指標(biāo)和人類特殊脆弱性評價指標(biāo)構(gòu)成。自然固有脆弱性評價指標(biāo)由4大指標(biāo)、11個子指標(biāo)構(gòu)成；人類特殊脆弱性由3大指標(biāo)、11個子指標(biāo)構(gòu)成。指標(biāo)層指標(biāo)與子指標(biāo)層指標(biāo)具體如表1所示。

2.2 評價指標(biāo)量化方法

由于不同的評價指標(biāo)數(shù)據(jù)具有不同量綱，首先運(yùn)用歸一化方法將其轉(zhuǎn)換為無量綱的純量，然后進(jìn)行等級量化。本研究等級量化時分為 5個等級，分別為微度脆弱、輕度脆弱、中度脆弱、重度脆弱和極度脆弱，每個等級通過專家意見賦予不同的量化值。

各評價指標(biāo)具體等級量化采用3種方法進(jìn)行，分別是依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)或參考文獻(xiàn)資料評定、專家評定和觀測計算數(shù)據(jù)評定。依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)或參考文獻(xiàn)資料評定是指量化評價指標(biāo)時，有國家標(biāo)準(zhǔn)時嚴(yán)格按照已有國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行指標(biāo)等級量化，如礦化度、氯離子濃度等，無國家標(biāo)準(zhǔn)但有相關(guān)參考文獻(xiàn)時采用已有的參考文獻(xiàn)進(jìn)行等級量化，如海底侵蝕；專家評定是指有相關(guān)的數(shù)據(jù)，但是沒有具體指標(biāo)，對此按照專家建議進(jìn)行等級量化，如土壤類型；觀測計算數(shù)據(jù)是指根據(jù)實際觀測或遙感解譯的數(shù)據(jù)，結(jié)合專家意見進(jìn)行等級量化，如植被NPP、植被覆蓋度、海岸侵蝕等。表2列舉出部分評價指標(biāo)的具體量化分級。

2.3 評價指標(biāo)權(quán)值計算

采用層次分析法計算權(quán)值，這種方法的特點是將定量分析與定性分析結(jié)合起來（鄧立斌等，2010），該方法常被運(yùn)用于多目標(biāo)、多準(zhǔn)則、多要素和多層次的非結(jié)構(gòu)化的復(fù)雜決策問題（李濱勇等，2010）。在對復(fù)雜決策問題的本質(zhì)、影響因素及其內(nèi)在關(guān)系等進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，利用較少的定量信息使決策的思維過程數(shù)學(xué)化，從而為多目標(biāo)、多準(zhǔn)則或無結(jié)構(gòu)特性的復(fù)雜決策問題提供簡便的決策方法。該方法應(yīng)用范圍很廣，計算過程相對容易，評價結(jié)果有較高的可信性。

根據(jù)層次分析法確定黃河三角洲海岸帶環(huán)境脆弱性評價模型的步驟，首先建立層次結(jié)構(gòu)模型，如圖2所示；然后分層次構(gòu)造判斷矩陣并進(jìn)行層次排序及一致性檢驗；通過一致性檢驗后確定各層次評價指標(biāo)的權(quán)重。子指標(biāo)層指標(biāo)的最終權(quán)重如表 1所示。

表1 黃河三角洲海岸帶環(huán)境脆弱性評價指標(biāo)權(quán)重Table1 Weight of environmental vulnerability evaluation index in Yellow River Delta coastal

表2 黃河三角洲海岸帶環(huán)境脆弱性評價指標(biāo)的具體量化分級Table2 Special classification of environmental vulnerability evaluation index in Yellow River Delta coastal

圖2 黃河三角洲海岸帶環(huán)境脆弱性評價指標(biāo)體系層次分析模型Fig.2 Analytic hierarchy process model of environmental vulnerability evaluation index system in Yellow River Delta coastal

2.4 評價模型構(gòu)建

最簡單的海岸帶環(huán)境脆弱性評價模型是海岸帶環(huán)境脆弱性指數(shù)（CVI）模型，該模型為海岸帶環(huán)境脆弱性分級提供了數(shù)據(jù)依據(jù)，能夠為管理者識別高風(fēng)險地帶提供可靠信息。其評價結(jié)果也可以在地圖上突出顯示，進(jìn)而識別出對海岸帶環(huán)境脆弱性影響較大的指標(biāo)。

CVI的數(shù)學(xué)表達(dá)式包括“積”與“和”兩種，研究表明“和”的評價效果較“積”的評價效果更好（劉宏偉等，2013），所以本研究采用CVI“和”的方式，其計算公式為：

式中，CVI表示環(huán)境脆弱性指數(shù)；Pi和Ci分別表示各評價指標(biāo)的量化分級值和權(quán)值。

本研究根據(jù)子指標(biāo)數(shù)據(jù)確定指標(biāo)層指標(biāo)量化分級值，基于選擇的CVI“和”模型最終實現(xiàn)研究區(qū)域海岸帶環(huán)境脆弱性評價。

3 脆弱性評價與結(jié)果分析

并處理黃河三角洲海岸帶環(huán)境脆弱性評價指標(biāo)數(shù)據(jù)，按照上述評價指標(biāo)量化方法進(jìn)行量化處理，采用 AHP方法確定評價指標(biāo)權(quán)值，基于CVI模型進(jìn)行黃河三角洲海岸帶環(huán)境脆弱性評價，并對評價結(jié)果進(jìn)行分析，為黃河三角洲海岸帶建設(shè)提供支持。

3.1 評價指標(biāo)數(shù)據(jù)來源與處理

評價指標(biāo)的數(shù)據(jù)來源分 4個方面：實際觀測數(shù)據(jù)來源于2009—2011年期間的實際監(jiān)測數(shù)據(jù)；地圖數(shù)據(jù)來源于收集到的最新資料；統(tǒng)計數(shù)據(jù)來源于2016年統(tǒng)計年鑒；遙感數(shù)據(jù)來源于2017年TM影像（美國陸地衛(wèi)星4～5號專題制圖儀所獲取的多波段掃描影像）。評價指標(biāo)的數(shù)據(jù)處理分4步進(jìn)行：

（1）數(shù)據(jù)的空間矢量化。實際觀測數(shù)據(jù)由于有x和y坐標(biāo)，運(yùn)用ArcGIS軟件可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的空間矢量化；地圖數(shù)據(jù)，先進(jìn)行配準(zhǔn)，然后在 ArcGIS軟件下實現(xiàn)數(shù)據(jù)的空間矢量化；統(tǒng)計數(shù)據(jù)（如人口密度、GDP、企業(yè)數(shù)量），由于沒有坐標(biāo)，將其與對應(yīng)的研究區(qū)域的行政區(qū)劃（區(qū)縣級）對應(yīng)，實現(xiàn)平均化；遙感影像數(shù)據(jù)，進(jìn)行遙感解譯，得到空間化的數(shù)據(jù)，主要針對生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力指標(biāo)（即植被NPP和植被覆蓋度子指標(biāo)）。

（2）屬性數(shù)據(jù)錄入。在所得到的空間矢量化圖層中，錄入對應(yīng)評價指標(biāo)的量化等級值。

（3）圖層裁剪與聯(lián)合處理。為了使數(shù)據(jù)疊加分析時范圍保持一致，要將空間矢量化后的數(shù)據(jù)與黃河三角洲海岸帶范圍邊界矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合處理。

（4）柵格數(shù)據(jù)集提取。將聯(lián)合處理后的矢量圖數(shù)據(jù)，按量化等級值字段進(jìn)行矢量數(shù)據(jù)向柵格數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換得到對應(yīng)的柵格數(shù)據(jù)集。矢量數(shù)據(jù)柵格化采用WGS 84坐標(biāo)系，設(shè)定柵格單元大小為50 m×50 m，部分評價指標(biāo)單元值如圖3所示。

3.2 脆弱性評價

基于層次分析法確定的各評價指標(biāo)權(quán)重，結(jié)合環(huán)境脆弱性指數(shù)法，在 ArcGIS軟件平臺下進(jìn)行脆弱性評價分析，可得出運(yùn)算后的各柵格單元的數(shù)值，該數(shù)值在0.12～0.635之間。由于黃河三角洲海岸帶環(huán)境脆弱性等級近似服從正態(tài)分布，即脆弱性等級大部分都在中等脆弱附近浮動，運(yùn)用分位數(shù)法將中間等級細(xì)化，盡量體現(xiàn)出每個指標(biāo)對脆弱性的影響與作用。如表3所示，不同等級對應(yīng)不同的量化值范圍，其最終結(jié)果如圖4所示。

表3 黃河三角洲海岸帶環(huán)境脆弱性空間分布與面積比Table3 Distribution region and area ratio of environmental vulnerability in Yellow River Delat coastal

3.3 評價結(jié)果分析

由圖4所示的黃河三角洲海岸帶環(huán)境脆弱性空間分布格局可知，黃河三角洲海岸帶環(huán)境脆弱性空間分布格局表現(xiàn)為陸地部分脆弱性高，海洋部分脆弱性低，海岸線一帶脆弱性最高。陸地部分，因內(nèi)側(cè)受植被影響，由內(nèi)陸向海岸線環(huán)境脆弱性呈現(xiàn)升高趨勢；陸地部分外側(cè)由于植被覆蓋度低、海岸侵蝕嚴(yán)重，脆弱性最高，表現(xiàn)為極度脆弱。海洋部分環(huán)境脆弱性總體較低，在黃河入?？谔?，由于受人類活動、含沙量和海水入侵的影響，脆弱性高。

圖3 評價指標(biāo)單元值Fig.3 Characteristics of Assessment factor

圖4 黃河三角洲海岸帶環(huán)境脆弱性空間分布格局Fig.4 Spatial distribution map of environmental vulnerability in Yellow River Delta coastal

由表3可知，黃河三角洲海岸帶環(huán)境脆弱性重度脆弱和極度脆弱占41.2%，微度脆弱和輕度脆弱占39.1%，中度脆弱占19.7%。根據(jù)黃河三角洲海岸帶環(huán)境脆弱性空間分布格局，微度脆弱和輕度脆弱主要集中于河口區(qū)和東營區(qū)的外海區(qū)域，陸地部分脆弱性主要表現(xiàn)為重度和極度脆弱，表明黃河三角洲海岸帶絕大部分區(qū)域的脆弱性極強(qiáng)。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

本研究在實際調(diào)查觀測的基礎(chǔ)上，結(jié)合大量黃河三角洲海岸帶數(shù)據(jù)資料，在自然固有脆弱性指標(biāo)和人類特殊脆弱性指標(biāo)的共同影響下對黃河三角洲海岸帶區(qū)域進(jìn)行環(huán)境脆弱性評價。評價結(jié)果表明，黃河三角洲海岸帶環(huán)境脆弱性主要表現(xiàn)為重度脆弱和極度脆弱（41.2%）、中度（19.7%）和微度脆弱和輕度脆弱（39.1%）。海岸帶內(nèi)陸部分較海洋部分脆弱性高，海岸線一帶脆弱性極高。

黃河三角洲海岸帶環(huán)境脆弱性受自然固有因素和人類特殊因素的綜合影響，自然固有因素是脆弱性形成的內(nèi)因，而人類特殊因素是其外因。導(dǎo)致黃河三角洲海岸帶環(huán)境脆弱性的主要自然固有因素包括：生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力低、海水入侵、海平面變化、海岸侵蝕明顯；人類特殊因素表現(xiàn)為圍墾養(yǎng)殖面積增大、人類污染加劇，主要是人類活動加劇。為保持黃河三角洲海岸帶環(huán)境可持續(xù)發(fā)展，在充分保護(hù)已有自然固有因素的基礎(chǔ)上，提高植被覆蓋度，控制人類活動對環(huán)境的破壞。

4.2 討論

由于黃河三角洲海岸帶環(huán)境脆弱性涉及的影響因素較多，影響機(jī)制復(fù)雜，現(xiàn)有的評價方法和結(jié)果仍然具有一定的局限性和不確定性，表現(xiàn)為以下方面：（1）評價指標(biāo)選取具有一定的片面性，影響脆弱性評價結(jié)果的科學(xué)性，評價指標(biāo)體系有待進(jìn)一步完善；（2）評價指標(biāo)數(shù)據(jù)的獲取跨年度，且由于缺少空間坐標(biāo)，難以統(tǒng)一到黃河三角洲各區(qū)縣范圍內(nèi)，影響脆弱性評價結(jié)果的精確性。

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