海平面上升情景下沿海地区发展脆弱性评价*

焦 嫚 张栋杨

(河海大学理学院,江苏 南京 211100)

0 引 言

政府间气候变化专门委员会(IPCC)在第五次气候变化评估报告中指出，19世纪以来，全球海平面在持续上升[1].国家海洋局发布的《2014年中国海平面公报》显示，自1980—2014 年，中国沿海海平面上升速率为3.0 mm/年，高于全球平均水平.全球海平面上升将促进风暴潮、咸潮入侵、土壤盐渍化等海洋灾害的发生[2]，导致海水倒灌、耕地退化、港口淤塞等问题，进而严重影响沿海地区的自然资源和生态环境、造成人员伤亡，基础设施破坏和经济损失[3-4].中国沿海地区是人口聚集、国民经济和社会发展高度集中的区域[5]，海平面上升的灾害效应在沿海地区表现得最为突出.

沿海地区发展系统既包括处于自然状态的资源系统和环境系统，也包括复杂的经济系统和社会系统.各子系统在独立存在并发挥一定功能的同时，又通过物质、能量和信息的交换和转换，相互作用和影响，形成一个层级复杂、多因子影响的耦合系统，共同对海平面上升的扰动作用做出响应.学界虽然关于沿海地区发展的脆弱性开展了一些研究，但研究视角大多局限于自然、社会和经济等单一领域[6-10]，缺乏系统性研究，鲜有针对海平面上升对沿海“资源—环境—社会—经济”4个系统的整体耦合影响的研究.

目前对沿海地区脆弱性定量评价的研究方法有：李博等[9]采用集对分析法和脆弱性评估相结合的方法，对辽宁沿海地区人海关系地域系统脆弱性进行评价；彭飞等[10]选取了敏感性和应对能力两方面的指标，运用BP神经网络方法对沿海地区经济系统脆弱性进行了时空分异研究；方佳毅等[11]通过主成分分析法得到影响社会脆弱性的因子为：城镇化水平、经济条件和医疗水平等；石勇等[12]考虑到自然灾害的不确定性和样本样小等问题，引入模糊综合评价方法对沿海地区的水灾风险进行评价.常见综合评价方法还有加权求和法和层次分析法等.这些方法各具有特色和缺陷，其中，主成分分析法(PCA)必须满足大样本条件，评价结果随着样本的改变而改变；其余的多种方法的评价结果依赖于权重的确定，而权重的确定过程难以避免主观色彩.投影寻踪聚类(PPC)技术则通过智能算法寻找最佳投影方向，将高维、非正态的指标数据投影到低维空间，具有科学性、直观性、稳健性和实用性强等优点.

文章以海平面上升对中国沿海地区(不包括中国的港澳台地区)的资源、环境、经济和社会四个子系统的整体耦合影响为研究视角，运用投影寻踪聚类模型对沿海地区发展的脆弱性进行综合评价分析，旨在揭示目前中国沿海地区发展的脆弱性和地区之间的不平衡性，以期为应对海平面上升情景下中国的沿海地区的可持续发展提供参考.

1 内涵辨析与指标体系构建

1.1 沿海地区发展脆弱性内涵

海平面上升带来的影响是多尺度、多层次的，它将不同程度地影响到沿海地区发展的方方面面.海平面上升带来的滨海滩涂、建设用地遭受淹没以及土壤盐渍化问题，造成土地资源损失；海水倒灌、咸潮入侵等导致地下水、滨海湖泊河流水质被污染，导致沿海地区可利用淡水资源的短缺[13]，同时，城镇内自排水的范围将进一步缩小，增加城市内涝的可能；在海平面上升的影响下，滨海湿地、海草等生态环境系统遭受严重威胁，将减弱其对海洋灾害的防御作用；海平面上升引起的波浪作用增强、潮位抬高，将使得码头、港区道路、及仓储设施等受淹频率增加，经济发展基础条件逐渐恶化，海洋产业生产能力减弱，造成部分产业被迫转移以及涉海就业人数减少，导致城市发展受到阻滞；海平面上升影响下，沿海地区遭受咸潮等海洋灾害的频率增加，直接影响居民生活用水安全，危及生命健康，不利于人口发展及人口现代化的目标实现；海平面上升加剧了海岸侵蚀，破坏沿海地区公共设施，迫使沿海地区加大防灾减灾等公共服务的资金与物质投入.综上所述，沿海地区的资源、环境、经济和社会等均暴露在海平面上升带来的风险之中，这将直接导致沿海地区发展因耐抗性、稳健性不足而变得更加脆弱.

IPCC第三次评估报告将脆弱性定义为一个自然或社会的系统容易遭受来自气候变化持续危害的范围或程度.在本研究中，海平面上升背景下沿海发展脆弱性是指在海平面上升及由此引致的各类海洋灾害强度及频度不断增加的扰动下，海岸带资源、环境、经济和社会子系统，由于自身性质差异，对其干扰表现出的敏感性以及缺乏应对能力从而使各系统的正常功能发生变化的一种性质.在海平面上升背景下沿海地区发展的脆弱性结构分为扰动性、敏感性和应对性3个属性.其中，扰动性反映由于气候因素和人类行为所导致的海平面相对上升，由此引致的海洋灾害发生频率增加和海水质量下降等问题，从而对沿海地区的自然环境和社会经济的正常发展带来的干扰；敏感性是资源、环境、经济和社会4个承灾体系统的固有属性特征，是脆弱性产生的原因和基础，各承灾体系统的组成、结构和功能上的差异会使其针对海平面上升这一缓发性灾害具有不同性质和程度的反应；应对性指在海平面上升的情况下，沿海地区为维持社会经济的正常发展而应对海平面上升所带来干扰的能力，体现为社会系统中的社会管理能力、经济系统中的经济发展水平等.

1.2 指标体系构建

在海平面上升情景下，海岸带由于其自然和社会经济环境的复杂性，影响其脆弱性的因素也复杂多样，并且各因素之间又相互影响，相互制约，共同影响沿海发展脆弱性的强弱.文章根据海平面上升情景下沿海发展脆弱性的内涵，通过专家咨询法，从扰动性、敏感性和应对性3个方面构建指标体系(见表1).

2 研究区域与研究方法

2.1 研究区域概况

研究区域为中国沿海地区(不包括中国的港澳台地区)，从北到南依次为：辽宁省、河北省、天津市、山东省、江苏省、上海市、浙江省、福建省、广东省、广西壮族自治区、海南省(见图1).沿海地区地理条件优越，资源丰富，交通便利，是我国社会经济发展的重要领域.2015年，11个沿海省、市、自治区的生产总值占国内生产总值的57.92%，人均生产总值为66 431.49 元，是全国平均水平的1.33倍.极高的生产力发展水平和丰富的就业机会吸引大批人口向沿海地区流动，2015年，我国沿海地区人口总数为5.95亿人，占全国总人口的43.3%，人口基数大且分布集中.

表1 沿海地区发展的脆弱性评价指标体系

注：a海平面高度为较常年平均海平面变化值，常年平均海平面由沿海省市区的海洋环境监测站1993—2011年潮位数据计算得出;“+”效益型指标;“-”成本型指标

图1 研究区位置图

2.2 研究方法

2.2.1沿海发展脆弱性评价模型构建

文章选取的样本值为11个沿海地区的多元统计数据，采用Shapiro-Wilk方法对指标值进行多元正态分布的检验[14]，正态性检验结果表明，在5%显著性水平下，沿海省份平均海拔、平均侵蚀海岸长度、人均淡水资源量、经济密度、社会保障和就业支出占财政支出比重和海洋类型自然保护区建设面积各个指标数据正态性的p值均小于0.05，均拒绝原假设，即样本数据不服从多元正态分布.因此，文章选取的样本为高维非正态数据，投影寻踪聚类模型是处理高维非正态数据的有效综合评价方法之一.投影寻踪是将高维数据向低维空间投影，通过找到反映数据结构特征的最优投影，实现由分析低维空间的投影特性分析高维数据特征的目的，是处理多指标问题的统计方法.其具体思路是将影响问题的多因素指标通过投影寻踪模型得到反映其综合指标特性的最优投影特征值，然后建立投影特征值与因变量的对应关系，通过分析一维投影值来对样本做出更加合理的分级和评价.

适用于投影寻踪模型降维处理并进行沿海地区发展的综合评价.

设样本集为{xij|i=1,2,…,n;j=1,2,…,p}，其中xij是第i个样本的第j个指标值，n表示样本个数，p为指标数目，投影寻踪评价模型的建立步骤如下.

(1)构造投影目标函数.

(1)

根据Friedman[15]等提出投影寻踪聚类模型的基本思想，构造投影目标函数

Q(a)=Sz×Dz，

(2)

其中，

(3)

(4)

式中，E(z)为所有投影点z(i)的均值，R为局部密度窗口半径，样本i和k各指标投影值之间的距离为ri,k=|z(i)-z(k)|，u(R-ri,k)是单位阶跃函数，当R≥ri,k时取1，否则取0.

(2)优化投影目标函数.

当各个样本的指标值确定时，投影目标函数Q(a)的值由局部密度窗口半径R和投影方向向量a决定.其中，R值是模型中决定投影方向向量a的唯一参数，R的选取原则包括两个方面：①窗口内的投影点个数不能过于稀少，否则样本滑动平均时偏差太大.②窗口内的投影点个数不能随着样本个数n的增大而增加太多.由此，文章选用楼文高等[16]提出的方案：R取适度中间值，rmax/5≤R≤rmax/3.不同的投影方向向量a反映不同的数据结构，最佳投影方向就是最大可能暴露高维数据结构和特征的投影方向，可通过求解投影目标函数最大化问题来估计最佳投影方向，即

maxQ(a)=SzDz,

(5)

这是一个以{a(j)|j=1～p}为优化变量的高维的、复杂的、非线性优化问题，选用合适的最优化算法和编制正确的、可靠和有效的程序，是求得真正的全局最优解的关键.正交遗传算法(OBGA)具有性能稳定、计算精度高、收敛速度快，且能有效地避免算法“早熟”现象发生等优点[17]，因此，文章采用正交遗传算法求解上述最优化问题.

2.2.2数据无量纲化处理

为避免各指标因量纲不同对评价结果的影响，需要对数据进行无量纲化处理.常用的一种数据无量纲化处理方法为极值处理法[18]，针对效益型和成本型指标，处理方式如下：

效益型指标

(6)

成本型指标

(7)

3 实证分析

3.1 数据来源

考虑到指标数据可及性和完整性，文章选取2015年沿海省份(直辖市，自治区)相关数据反映指标水平值.其中，海平面高度数据来自《2015年中国海平面公报》；沿海省份平均海拔来自于11个沿海省级行政区的《统计年鉴》；平均侵蚀海岸长度来源于《2015年中国海洋灾害公报》；人口密度、社会保障支出占财政支出比重、经济密度、植被覆盖率指标数据来自于沿海省份《统计年鉴》(2015年)；海洋生产总值占GDP比重、涉海就业人数、海洋科研机构R&D经费收入、海洋类型自然保护区建设面积数据来自《中国海洋统计年鉴》(2015年)；市政公共设施建设固定资产投资数据来源于《中国城市建设统计年鉴》(2015年).

3.2 结果

采用MATLAB2013编程，将规格化的样本数据导入基于正交遗传算法(OBGA)的PPC程序，选定模型参数为：种群规模N=200，选择概率pr=0.1，变异概率pm=0.3，窗口半径R=rmax/4，得到了目标函数最优值为 4.031，此时的最佳投影方向为

a=(0.414,-0.145,0.134,0.506,0.069, 0.223,0.170,0.372,-0.472,-0.097， -0.007，-0.123,0.250).

投影向量a中各个分量的平方和大小则反映了扰动性、敏感性和适应性中的各个指标对于沿海地区发展脆弱性的影响程度，平方和越大，表明指标对脆弱性的影响越大.将最佳投影方向向量a代入式(1)，计算得出11个沿海地区的投影值，如表2所示.

表2 沿海地区发展脆弱性投影值

目前，国内外关于城市发展脆弱性的分类标准尚未达成一致，文章根据沿海地区发展脆弱性值的测算结果，采用自然断点法将11个沿海地区发展脆弱性划分为低脆弱、中等脆弱、较高脆弱和高脆弱四类，如表3所示，四类脆弱性取值区间构成了沿海地区发展脆弱性评价标准．

表3 沿海地区发展的脆弱性评价标准

投影值越大，表明该地区发展脆弱性越大，对应的脆弱性等级可能越高.为了揭示沿海地区发展脆弱性的空间差异，利用ArcGIS绘制中国沿海地区发展脆弱性分类的空间演示图，见图2.

图2 中国沿海地区发展脆弱性等级空间分布

根据表3和图2的脆弱性综合评价结果，2015年中国沿海11个地区发展脆弱性差异明显，其中，处于低脆弱地区有河北省、福建省、广西壮族自治区，中等脆弱的地区为辽宁省、浙江省、海南省和天津市四个省级行政区，江苏、山东两省为较高脆弱状态，上海、广东两个地区则处于高脆弱状态．2015年，上海市和江苏省相对海平面高度分别为105和107 mm，较中国沿海整体海平面高度分别高出16.7%和18.9%点，然而两个地区地势低平，其平均海拔仅为沿海11个地区平均海拔的17%和26%，海岸受侵蚀速度较快，造成土地流失、沿岸基础设施和工程被摧毁，因此上海市和江苏省受海平面上升的扰动性较强.由于上海市和广东省均为中国经济发达地区，经济密度高，由此带来丰富的就业机会吸引了大批劳动力的流入，人口密集，同时海洋产业生产总值占GDP比重达20%以上，涉海就业人数多，因此在海平面上升情景下，经济和社会系统敏感性更强.山东省海洋经济发展较早，海洋经济为其经济增长的重要来源，海平面上升为海洋产业发展以及地区经济的增长造成较大干扰.同时，2015年，山东省人均淡水资源为171.02 m3，仅为全国人均淡水资源的8%，水资源匮乏，因此在海平面上升情景下，山东省资源系统和经济系统敏感性较强.海南省海洋生产总值占地区生产总值比重为28%，居沿海地区首位，其中滨海旅游业占海洋生产总值比重达55%.2015年海南省人均GDP为40 818元，较沿海地区平均水平低40.8%，整体经济发展水平不高，经济密度低，人口密度仅为沿海地区整体人口密度的62%，涉海就业人数少，同时人均淡水资源丰富，因此在海平面上升的干扰下，其资源、经济和社会系统的敏感性较低.

4 结论与建议

文章通过分析海平面上升对沿海地区发展的影响机理，提出了沿海地区发展脆弱性的内涵，尝试从扰动性、敏感性和应对性三个方面构建了沿海地区发展脆弱性评价指标体系.运用投影寻踪模型，通过正交遗传算法对模型进行求解，得到各指标的最优权重，实现从低维空间剖析高维数据空间的目的，完成对沿海各地区发展脆弱性的等级划分，并利用ArcGIS进行区域脆弱性差异分析，得出以下结论：

(1)沿海各地区发展脆弱性差异明显，长江三角洲地区发展脆弱性最高，环渤海地区发展脆弱性最低.其中，上海市和广东省处于高脆弱状态，江苏省和山东省为较高脆弱，辽宁省、天津市、浙江省和海南省为中等脆弱，河北省、福建省和广西壮族自治区为低脆弱状态.

(2)沿海地区发展脆弱性受各地区资源、环境、经济和社会四个子系统面对海平面上升的干扰表现出的敏感性和应对能力的影响.经济发展水平越高，人口分布越集中，海洋产业生产总值占GDP比重越大的地区其敏感性较强，脆弱性程度较高.在发展脆弱性水平为高脆弱和较高脆弱的四个地区中，江苏省和上海市平均海拔较低，受海平面上升的干扰性最强；上海市和广东省的经济系统和社会系统敏感性强；山东省的资源系统和经济系统敏感性较强.

在海平面上升情景下，沿海地区不同省、市、自治区发展脆弱性程度存在差异，文章针对不同脆弱性状态下的各个沿海地区，根据沿海地区发展脆弱性的内涵，从应对性角度提出几点建议：

(1)针对沿海发展脆弱性程度高和较高的地区，其经济发展水平和劳动力素质较高，应当加强对海洋科研机构的投入，提升海洋科技水平.一方面保证对海平面高度及海洋灾害进行实时监控和预测的准确性，构建科学、合理的海平面上升情景下沿海地区的应对和化解机制，防患于未然；另一方面，其海洋科技的发展和应用对于提升沿海其它地区的应对能力具有借鉴和促进作用.

(2)针对沿海发展中等脆弱性地区，以浙江省和海南省为例，其海洋渔业、矿产资源丰富，应当加强对海洋生态环境的保护，加强海洋类型自然保护区建设，进而提升在海平面上升情景下区域资源和环境系统的恢复能力.

(3)针对沿海发展低脆弱性的地区，其海洋经济发展水平较低，应当提升海洋经济发展效率，鼓励创新型、环保型产业发展，同时，应当加强地区基础设施建设，提升公共事务管理能力和社会保障水平，促进经济、社会、资源和环境系统的协调稳定发展.