基于巖石工程系統(tǒng)的海水養(yǎng)殖適宜性評(píng)價(jià)＊——以象山港為例

方欣，張亦飛，劉弢，祁琪

（國(guó)家海洋局第二海洋研究所工程海洋學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 杭州 310012）

象山港地處浙江東北部沿海，是一個(gè)由東北向西南深入內(nèi)陸的狹長(zhǎng)形半封閉型海灣，具有獨(dú)特的地理區(qū)位和資源優(yōu)勢(shì)，三面環(huán)山，島礁眾多，海域面積達(dá)391．76km2，灘涂面積約100km2，海岸線長(zhǎng)達(dá)270km，擁有豐富的海洋生物資源，餌料充足，是多種魚、蝦、貝、藻等海洋生物棲息、生長(zhǎng)、繁殖的優(yōu)良場(chǎng)所，擁有發(fā)展海水增養(yǎng)殖良好的自然環(huán)境［1－3］，因此海洋漁業(yè)早已成為沿港城鎮(zhèn)居民的主要經(jīng)濟(jì)支柱。但其水動(dòng)力條件較弱，環(huán)境容量有限，同時(shí)象山港周邊人類活動(dòng)頻繁，工業(yè)、城鎮(zhèn)用海項(xiàng)目眾多，如何在如此復(fù)雜的海洋環(huán)境條件下，選擇增養(yǎng)殖的適宜區(qū)域是實(shí)現(xiàn)漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必要環(huán)節(jié)，是解決海岸帶空間資源爭(zhēng)奪的有效方法，同時(shí)也是確保高效率養(yǎng)殖的合理途徑［4］。

地理信息系統(tǒng)（geographic information system 或geo－information system，GIS）有時(shí)又稱為“地學(xué)信息系統(tǒng)”是一種高效的時(shí)空分析工具，于20世紀(jì)80年代末應(yīng)用于海洋漁業(yè)領(lǐng)域，并在水產(chǎn)養(yǎng)殖選址等方面具有如下兩個(gè)作用：可以共同管理利用數(shù)據(jù)（例如，環(huán)境以及捕撈和養(yǎng)殖的物種）和促進(jìn)跨領(lǐng)域的理解與合作［5－6］。1989 年，Hudson［7］提出了巖石工程系統(tǒng)（RES）方法，又稱作相互作用矩陣，該方法不僅考慮了系統(tǒng)中每個(gè)參數(shù)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響，而且還考慮了參數(shù)之間的相互作用對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的貢獻(xiàn)，這種方法特別適合于解決多種因素之間的相互作用和相互耦合等復(fù)雜問(wèn)題。之后，他又和Mazzoccola等［8］發(fā)展了這一方法及有關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)，使其更加適用于軟科學(xué)方面的應(yīng)用。

本研究根據(jù)ArcGIS軟件將象山港海域進(jìn)行了1km×1km 網(wǎng)格劃分，利用相互作用矩陣確定各指標(biāo)權(quán)重，然后對(duì)每個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行指標(biāo)賦值，最終將整個(gè)象山港海域劃分為4 個(gè)區(qū)域，即：極適宜養(yǎng)殖區(qū)域、適宜養(yǎng)殖區(qū)域、較適宜養(yǎng)殖區(qū)域和不適宜養(yǎng)殖區(qū)域，同時(shí)對(duì)試驗(yàn)所得結(jié)果進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

1 指標(biāo)的選取

Vincenzi等［9］在選擇蛤仔養(yǎng)殖區(qū)域時(shí)，選擇溶解氧含量、鹽度、葉綠素a濃度以及含沙量作為其確定環(huán)境優(yōu)劣的指標(biāo)；Joaquin Buitrago等［10］在為牡蠣選址時(shí)，選擇內(nèi)在環(huán)境狀況（主要包括水溫、懸浮物和濁度、鹽度、初級(jí)生產(chǎn)力等）、外在環(huán)境狀況（主要包括捕食者、赤潮、水流流速、污水污染、工業(yè)排放等）、交通便利狀況（主要包括地點(diǎn)可達(dá)度、服務(wù)可得度、設(shè)施安全度、空間與資源容納度、使用沖突度等）以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況（主要包括社區(qū)組織、經(jīng)濟(jì)水平、漁業(yè)傳統(tǒng)等）四大指標(biāo)；Peter C．Longdill等［11］在論文中，選擇水溫、溶解氧含量、鹽度、葉綠素a濃度、水流流速以及含沙量等因素作為確定可持續(xù)養(yǎng)殖區(qū)域的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)；Yoonsik Cho等［12］在論文中，選擇水溫、葉綠素a濃度、懸浮沉積物、鹽度、溶解氧含量以及水深等因素來(lái)確定牡蠣的最佳養(yǎng)殖區(qū)域。

經(jīng)過(guò)調(diào)查，象山港主要經(jīng)濟(jì)魚類有大小黃魚、帶魚、鯧魚、鰳魚、馬鮫魚、鰻魚等以及一些貝殼類的海洋生物。這些生物最適宜生長(zhǎng)環(huán)境為水溫22℃～26℃、鹽度1．8～2．5、溶氧5 mg／L以上、pH 8．0。因此本研究在遵循選取指標(biāo)的科學(xué)性、系統(tǒng)性、綜合性、層次性、區(qū)域性、動(dòng)態(tài)性基本原則上［13］，結(jié)合國(guó)內(nèi)外最新研究成果，并考慮到象山港實(shí)際用海情況，選擇海水水溫（water temperatures）、海水鹽度（concentration of salinity）、溶解氧含量（concentration of dissolved oxygen）、葉綠素a濃度（concentration of chlorophyll a）、水流流速（current speeds）、含沙量（sediment type）以及石油類含量（concentration of oil）等7個(gè)影響因子。

2 指標(biāo)權(quán)重的確定

2．1 巖石工程系統(tǒng)的原理

通過(guò)對(duì)象山港海灣漁業(yè)養(yǎng)殖進(jìn)行較為詳細(xì)的考察，結(jié)合專家意見(jiàn)可以定性地確定出有可能破壞漁業(yè)養(yǎng)殖適宜性的主要影響因素，這里將其稱為養(yǎng)殖適宜性影響因子。使用相互作用矩陣，又稱巖石工程系統(tǒng)（RES）方法，將所有養(yǎng)殖適宜性影響因子作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，可以組成一個(gè)多因素相互作用關(guān)系矩陣，來(lái)定量評(píng)價(jià)象山港漁業(yè)養(yǎng)殖的適宜程度。

關(guān)系矩陣的組成原則是：將養(yǎng)殖適宜性影響因子依次放置在該矩陣的主對(duì)角線上（可以相互置換之間的前后順序），每個(gè)影響因子的值表示由于該影響因子的作用而導(dǎo)致漁業(yè)養(yǎng)殖適宜性減弱或增強(qiáng)的具體影響程度；某個(gè)影響因子與其他影響因子的作用放置在該因子所在行中主對(duì)角線以外的其他位置，其值表示由于該影響因子與其他影響因子之間的相互作用而導(dǎo)致漁業(yè)養(yǎng)殖適宜性減弱或增強(qiáng)的具體影響程度。具體矩陣的組成為

式中：Vii表示第i個(gè)養(yǎng)殖適宜性影響因子；Vij表示養(yǎng)殖適宜性影響因子i作用于影響因子j而對(duì)整個(gè)養(yǎng)殖適宜性所產(chǎn)生的影響，Vji表示養(yǎng)殖適宜性影響因子j受到影響因子i的作用而對(duì)整個(gè)養(yǎng)殖適宜性所產(chǎn)生的影響。

確定了養(yǎng)殖適宜性影響因子并且組成相互作用關(guān)系矩陣以后，可以根據(jù)式（2）至式（4）計(jì)算出影響某個(gè)養(yǎng)殖適宜性的第i個(gè)影響因子的權(quán)重ki，即

其中：

式中：m表示影響象山港漁業(yè)養(yǎng)殖適宜性的主要影響因子個(gè)數(shù)；SR（i）和SC（i）分別表示多因素相互作用關(guān)系矩陣中每行和每列元素之和。每行的總和表示位于該行主對(duì)角線上的影響因子的作用以及該因子作用于其他影響因子而對(duì)整個(gè)養(yǎng)殖適宜性所產(chǎn)生的影響；每列的總和表示位于該列主對(duì)角線上的影響因子的作用以及該因子受到其他影響因子的作用而對(duì)整個(gè)養(yǎng)殖適宜性所產(chǎn)生的影響。

2．2 指標(biāo)權(quán)重的確定

現(xiàn)在可以按照上述方法，將海水水溫、海水鹽度、溶解氧含量、葉綠素a濃度、水流流速、含沙量以及石油類含量這7 個(gè)影響因子組成如下多因素相互作用關(guān)系矩陣。以對(duì)每個(gè)相互作用按照如下方案設(shè)定一個(gè)數(shù)值：0為無(wú)相互作用；1為弱相互作用；2 為中等相互作用；3 為強(qiáng)相互作用；4為臨界相互作用。

關(guān)系矩陣中養(yǎng)殖適宜性影響因子的作用以及各因子之間的相互作用對(duì)象山港漁業(yè)養(yǎng)殖適宜性影響程度的取值如表1所示。這樣，即可得到象山港漁業(yè)養(yǎng)殖適宜性評(píng)價(jià)多因素相互作用關(guān)系矩陣V。

表1 影響因子及其相互作用對(duì)象山港漁業(yè)養(yǎng)殖適宜性影響程度的取值

根據(jù)式（2）至式（4）：可以計(jì)算得到這7個(gè)影響因子的權(quán)重k，各因子的權(quán)重及排序如表2所示。

同時(shí)為了確定這7個(gè)影響因子的從屬關(guān)系，需要做如下工作：對(duì)于每一個(gè)主因素，產(chǎn)生它的“因－果”坐標(biāo)（C，E），這個(gè)坐標(biāo)通過(guò)每個(gè)主因素的行列值之和求得，其中C為行值之和，E為列值之和，然后可構(gòu)造相互作用系統(tǒng)內(nèi)的每個(gè)主因素的相互作用強(qiáng)度C＋E和支配優(yōu)勢(shì)C－E，并把這些參數(shù)通過(guò)C－E空間描繪出來(lái)，最終可以判斷哪些參數(shù)是相互作用最強(qiáng)的，哪些是具有支配性質(zhì)的，哪些是從屬性質(zhì)的，具體情況見(jiàn)表3。

表2 象山港漁業(yè)養(yǎng)殖適宜性影響因子的權(quán)重

通過(guò)定量計(jì)算所得到的各影響因子對(duì)養(yǎng)殖適宜性的影響程度（權(quán)重）與定性分析結(jié)果是完全一致的。最強(qiáng)的相互作用是那些具有最高C＋E值的參數(shù)。由表3可以看出，這3個(gè)最強(qiáng)相互作用的參數(shù)是：溶解氧含量、葉綠素a濃度和水流流速。

支配性質(zhì)的參數(shù)是具有正的C－E值的參數(shù)，因?yàn)樗鼈兊腃值大于E值，也即它們對(duì)系統(tǒng)的影響要大于系統(tǒng)對(duì)它們的影響。由表3 可以看出，最具支配屬性的參數(shù)是：水流流速、海水水溫和石油類含量。

從屬性質(zhì)的參數(shù)是具有負(fù)的C－E值的參數(shù)，它們受系統(tǒng)的制約要大于系統(tǒng)受它們的影響。由表3可以看出，最具從屬屬性的參數(shù)是：含沙量、溶解氧含量和葉綠素a濃度。

表3 C 和E 與象山港漁業(yè)養(yǎng)殖適宜性的關(guān)系參數(shù)

3 ArcGIS的實(shí)現(xiàn)

3．1 數(shù)據(jù)來(lái)源

數(shù)據(jù)主要包括象山港生態(tài)修復(fù)數(shù)據(jù)［3］、2011年海洋功能區(qū)劃圖（1∶20萬(wàn)）以及國(guó)家海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目“東海狹長(zhǎng)型海灣綜合整治集成技術(shù)及示范應(yīng)用研究”中的部分水質(zhì)數(shù)據(jù)。

3．2 評(píng)價(jià)指標(biāo)量化

對(duì)收集的數(shù)據(jù)根據(jù)站位的7項(xiàng)因素賦值，然后利用ArcGIS軟件中的克里格插值，分布到整個(gè)象山港區(qū)域，最后將這些數(shù)值從小到大排序，并分為3類。

3．3 GIS轉(zhuǎn)化與結(jié)果

利用ArcGIS 中的漁網(wǎng)（fishnet）功能，將象山港區(qū)域劃分為若干個(gè)1km×1km 網(wǎng)格，然后將每個(gè)網(wǎng)格不同因素所賦之值與該因素的權(quán)重相乘，便可得到如圖1的結(jié)果。

圖1 漁業(yè)養(yǎng)殖適宜性GIS

在圖1 中我們可以看出，在象山港底強(qiáng)蛟港、獅子口至鳳凰山附近屬于極適宜養(yǎng)殖區(qū)域，而這也與2011—2020年海洋區(qū)劃圖較符合。在象山港口門處，水流速度較大、水溫較低、溶解氧與葉綠素a含量等都較低，比較不適合在該區(qū)域進(jìn)行大規(guī)模養(yǎng)殖。

4 結(jié)論與展望

本研究根據(jù)巖石工程系統(tǒng)（RES）方法確定象山港海灣漁業(yè)養(yǎng)殖適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，具有一定的創(chuàng)新性、合理性和科學(xué)性，為以后類似的研究起到了鋪墊作用；同時(shí)ArcGIS 軟件在海洋漁業(yè)養(yǎng)殖選址方面也擁有良好的操作性，所得到的結(jié)論也與實(shí)際情況較為符合，可以為以后的海洋功能區(qū)劃提供一定的借鑒意義。但由于影響因素選取較少、水質(zhì)站位的缺少以及選取網(wǎng)格區(qū)域較大等原因?qū)е陆Y(jié)果不完善，而這也是以后研究的重點(diǎn)。

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