海水淡化取水口空间选划适宜性评价方法与应用

黄沛，孙永根，陈勇，王子闯，王恩康,2，马东森，于信波

（1.自然资源部 第一海洋研究所,山东 青岛 266061；2.自然资源部 海岸带科学与综合管理重点实验室,山东 青岛 266061；3.中国海洋大学 环境科学与工程学院,山东 青岛 266100；4.华能威海发电有限责任公司,山东 威海 264205）

海水淡化是解决沿海地区水资源供需矛盾、优化水资源结构和保障供水安全的重要战略选择[1-4]。海水取水系统是海水淡化厂的重要组成部分，其任务是为海水淡化厂提供充足的、持续的、适合的原水，取水口空间位置的选择及取水工程建设对整个海水淡化厂的投资、制水成本、系统稳定运行及周边海洋生态环境都有重要影响[5-8]，因此海水淡化取水口空间位置选划至关重要。海水淡化的取水方式包括间接取水（海滩井及海床过滤取水）、浅海取水（岸边直接取水及自流明渠引水等）和深海取水，其中浅海取水具有建设投资少、适用范围广的特点，因此被广泛使用[9-10]。

当前，国内外在海水淡化工程选划方面已有相关研究，但针对海水淡化取水口空间选划的研究较少[11-12]。Tsiourtis[13]设计了海水淡化厂选址的标准和程序，选择环境、技术、社会和经济上可接受的选址以减少项目设计、施工、运行和维护中涉及的风险，并降低海水淡化成本。Dawoud等[14]采用基于GIS 的多准则分析（Multi-Criteria Analysis，MCA）方法来规划和管理巴勒斯坦加沙地带现有和拟建的海水淡化厂。Shahabi等[15]通过考虑环境、不同的土地利用和经济政策，构建了一个关于取水类型、分期和基础设施位置选择的最佳海水淡化规划框架。黄鹏飞等[16]建立了基于自然－生态环境－社会经济框架的海水淡化用海适宜性指标体系。杨志宏等[17]从区位适宜性和资源环境适宜性建立了海水淡化工程选划适宜性评价指标体系。在海水淡化水源地选划方面，朱琴等[18-20]分析了海水淡化取水注意事项，认为海水淡化水源地选划的评价指标可分为水量、水质和经济性三个方面，并设计了海水淡化水源地选划的流程，最终给出了适宜性评价结果。

因海水淡化取水口空间选划涉及的影响因素较多，现有的评价指标体系不够完善，有些指标难以量化，评价流程过于复杂，实际应用时可操作性不强，在实现大区域空间化的适宜性评价上存在不足，无法为海水淡化取水口空间位置选划提供可行的定量化和空间化支撑。基于此，本研究拟在多要素分析基础上选取代表性评价指标构建海水淡化取水口选划适宜性评价模型，实现海水淡化取水口的适宜性空间分区结果，形成具有科学化、定量化和空间化特征的海水淡化取水口选划适宜性评价体系，为海水淡化取水口空间位置选划提供研究思路和技术支撑。将该评价方法应用于淡水资源匮乏、海水淡化需求紧迫的山东省荣成市近岸海域，将形成荣成市近岸海域的适宜性空间分区，为荣成市未来的海水淡化取水口空间选划提供科学的参考依据。

1 海水淡化取水口空间选划影响要素

基于海水淡化取水口工程建设的稳定性、安全性和经济性及海洋生态环境影响最小化等需求，本文从基础地理条件、水体环境条件、灾害条件、产业发展条件及约束条件五个方面开展海水淡化取水口选划的影响要素分析。

从基础地理条件方面，海水淡化取水口的离岸距离直接影响海水淡化项目建设的资金投入，取水口离岸距离越近，经济性越好。取水口必须满足一定的取水深度才能保证取水水量，一般来说最低潮时水深大于2 m 的海域适合建设各种规模的海水淡化项目[18]。基岩海岸工程地质承载力大，水下地形稳定，有较为优良的取水构筑物建设条件，砂质海岸取水工程条件一般，淤泥质海岸较不利于取水构筑物的建设[21]。底质类型会影响水体中的泥沙含量，是进行海水淡化取水口选划的关键因素[10]。

从水体环境条件方面，海水水质是影响海水淡化成本的重要因素之一，水质越好，预处理越简单，经济性越好[18]。根据《海水淡化水源地保护区划分技术规范》（HY/T 220—2017）[22]，海水淡化水源地一级、二级保护区范围内水质各项指标应满足《海水水质标准》（GB 3097—1997）[23]中第二类、第三类水质标准的要求。悬沙含量是影响海水淡化取水的主要指标，悬沙含量越高，处理成本越高。取水会产生夹带和席卷效应，从而导致局部海域的鱼卵仔鱼和浮游生物等数量减少，为减少取水操作中对海洋生物的影响，取水口应设置在海洋生物量和生物密度较低的位置[16]。

从灾害条件方面，海水淡化取水口工程应建设在地质构造稳定、承载力大的地基上，不宜设在断层、冲积层、滑坡及风化严重地段[19]。海水淡化取水口工程的建设还要考虑到海岸侵蚀、赤潮、绿潮、风暴潮和台风等灾害对取水设施可能引起的影响[10]。

从产业发展条件方面，海水淡化取水口选划应符合区域经济社会发展状况，并与相关规划相协调。沿海的热电厂、核电厂及产业园区等是海水淡化的需求产业，取水口离该类工业岸线的距离越近，经济效益越好。但另一方面，取水口的选划应远离养殖场、污水排污口、造船厂和码头等易造成海水污染的场所[24-25]。根据《海水淡化生活饮用水集中式供水单位卫生管理规范》（DB 37/T 3683—2019）[26]，海水淡化取水口周围半径1 000 m 的海域不得排入工业废水和生活污水。在海域规划符合性方面，根据中国已建海水淡化工程情况，已建的海水淡化取水口主要位于工业用海和港口用海区域中，少部分位于渔业用海和旅游娱乐用海区域中[9,12]。

从约束条件方面，对于不适宜进行海水淡化取水口工程建设的否决条件，可直接认定为约束条件，分为生态约束和现状约束两种类型。为避免海水淡化取水口工程建设对重要生态功能区的影响，直接认定海洋生态红线区和领海基点保护范围等特殊目标保护区为生态约束区。评价范围内的海岛陆域、围填海区域直接认定为现状约束区，不能进行海水淡化取水口工程的建设。

2 海水淡化取水口空间选划适宜性评价方法构建理论

海水淡化取水口空间选划适宜性是指特定海域范围内外部条件对海水淡化取水口建设的适宜程度。根据海水淡化取水口空间选划影响要素分析选取代表性评价指标构建海水淡化取水口选划适宜性评价指标体系，并确定评价指标的定量分级标准，采用层次分析法结合专家打分法计算评价指标的权重，利用多因素综合评价模型获得初步的评价结果[27-29]，叠加约束条件后形成最终的海水淡化取水口空间选划适宜性评价结果。评价指标和评价结果都分为适宜、基本适宜和不适宜三级，技术路线如图1 所示。

图1 适宜性评价技术路线Fig.1 Technical route of suitability evaluation

2.1 评价指标体系

为使评价指标体系结构清晰，按照评价需求将其划分为目标层、要素层和指标层三个层次。其中目标层为海水淡化取水口空间选划适宜性评价综合指数；要素层为主要影响要素包括基础地理条件、水体环境条件、灾害条件和产业发展条件；指标层为从属于要素层的多个评价指标。评价指标选取要具有科学性、代表性和空间差异性。依据影响要素间的层次关系和评价指标选取的需求，建立了海水淡化取水口空间选划适宜性评价指标体系，其架构图如图2 所示。

图2 适宜性评价指标体系架构图Fig.2 Framework of suitability evaluation index system

2.2 评价指标定量分级标准

由于评价指标体系中各项评价指标的量纲不统一，各指标之间缺乏可比性，根据相关标准、规范和研究基础将各指标进行标准化处理，将各评价指标分为适宜、基本适宜和不适宜三级，适宜性分值分别用2、1、0 表示，由此建立评价指标定量分级标准，如表1 所示。

表1 海水淡化取水口空间选划适宜性评价指标体系及定量分级标准Table 1 Suitability evaluation index system and quantitative grading standards

2.3 评价指标权重的计算方法

层次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）在评价指标权重计算方面应用广泛且效果显著[33-36]，本研究采用层次分析法结合专家打分法作为海水淡化取水口空间选划适宜性评价指标权重的计算方法。

1）计算方法

对各层指标相对上层指标的重要性进行两两比较判断，构建比较判断矩阵A，应用方根法求解比较判断矩阵A的最大特征根 λmax及所对应的特征向量W，W的分量Wi就是对应指标相对上层相应指标的权重值。计算各评价指标的权重后，还需要对判断矩阵A进行一致性检验，通过一致性检验的权重值才满足要求。评价指标权重的计算过程和一致性检验过程的具体计算方法请参阅参考文献[37]和[38]。

2）各评价指标相对目标层的权重值计算

对要素层和目标层及指标层和要素层之间分别计算权重值，并通过一致性检验后，进而可计算指标层各评价指标相对目标层的权重值：

式中：Wi为指标层第i个指标对目标层的权重值；Wj为要素层j对目标层的权重值；Wij为第i个指标对要素层j的权重值。

2.4 适宜性评价模型

采用多因素综合评价模型评价海水淡化取水口空间选划的综合适宜性，评价模型如下：

式中：S为海水淡化取水口选划适宜性评价综合指数；Bi为第i个评价指标的适宜性得分；n为参加评价的指标数量。

海水淡化取水口空间选划适宜性评价等级划分为适宜、基本适宜和不适宜三级，通过对适宜性评价综合指数S分类获得。评价结果为“适宜”指海水淡化取水口建设的经济性好或难度小；“基本适宜”指取水口建设的经济性一般或难度中等；“不适宜”指因约束条件不适宜建设海水淡化取水口，或取水口建设的经济性差或难度大。

3 评价方法应用与分析

3.1 研究区概况

以荣成市近岸海域为研究区开展海水淡化取水口空间选划的适宜性评价。荣成市位于山东半岛最东部，北、东、南三面濒临黄海，属暖温带大陆性季风型湿润气候。荣成市由于三面环海特殊的地理位置，外来淡水源汇入有限，淡水相当匮乏，近年来随着荣成优势产业的不断发展，工业园区和经济技术开发区初具规模，对淡水资源的依赖也日趋紧迫，通过海水淡化缓解淡水资源匮乏的问题十分迫切。

3.2 评价范围

荣成市近岸海域评价范围向陆一侧以2019 年遥感影像提取的海岸线为界，向海一侧以主体海岸向外扩约5 km 为界，两侧以国务院批准的荣成市海域行政区域界线为界，北起与威海市环翠区泊于镇交界的茅子草口，南至与文登交界的蔡官河口，海岸线长度493.2 km，评价海域面积1 049.7 km2，如图3 所示。

图3 评价范围Fig.3 Evaluation scope

3.3 数据来源

因荣成市近岸海域较不易受灾害条件的影响，本研究从基础地理条件、水体环境条件和产业发展条件3 项评价要素选取10 项评价指标建立了荣成市海水淡化取水口选划适宜性评价体系，各评价指标数据来源和数据处理方法如表2 所示。另外，收集荣成市海洋生态红线区、重要生境区、领海基点保护区和已围填海区域等空间数据作为约束条件。

表2 荣成市评价指标的数据来源、处理方法及权重计算结果Table 2 Data sources,processing methods and weight calculation results for the evaluation indexes

续表

3.4 基于GIS 的评价过程与结果

基于GIS 平台构建海水淡化取水口空间选划适宜性评价模型的流程如图4 所示。

图4 基于GIS 的适宜性评价模型构建流程Fig.4 Flow chart of suitability evaluation model construction based on GIS data

本研究选取具备空间数据管理和空间分析功能的ArcGIS 软件作为评价模型的构建平台。所有图层均采用CGCS2000 坐标系、高斯-克吕格投影，中央经线为123°E，栅格数据分辨率为50 m。

3.4.1 初步的海水淡水取水口选划适宜性评价

1）评价指标的图层化

根据收集的空间数据制作可表示各评价指标空间分布信息的GIS 图层，最后统一转换成栅格图层，获得空间范围和栅格分辨率完全一致的评价指标栅格图层，各评价指标图层的适宜性等级如图5 所示。

图5 评价指标图层的适宜性等级Fig.5 The suitable level for each evaluation index layer

2）评价指标权重的计算

针对荣成市近岸海域的自然环境条件和社会经济发展条件等特征，将海水淡化取水口空间选划适宜性评价指标体系中要素层及各指标层的相对重要性征求海水淡化、海洋环境科学、海洋环境工程和海域使用管理等相关领域的25 位专家意见，综合大多数专家的建议，根据评价指标权重的计算方法，计算出荣成市近岸海域评价指标的权重，计算结果见表2。

3）基于ArcGIS 平台的多因素空间叠置分析

在ArcGIS 平台上采用多因素空间叠置分析进行权重叠加运算，输入各评价指标栅格图层及对应的权重值，输出栅格图层的各像元为所有评价指标图层同像元权重叠加运算结果，得到0～2 之间的单精度值。依据荣成市海岸带的开发利用现状，结合海洋生态保护红线、相关海洋规划等海域管理需求，采用0～1 为不适宜、1～1.3 为基本适宜、1.3～2 为适宜的分类条件将该栅格图层重分类，并转换成矢量面状图层，获得初步的海水淡水取水口选划适宜性空间分区（图6a）。

3.4.2 获取约束区域的矢量图层

荣成市评价范围内的生态约束区域主要包括大天鹅海洋自然保护区、成山头海洋生态系统自然保护区和桑沟湾自然保护区等海洋生态红线区，以及山东高角（1）、山东高角（2）、镆铘岛（1）、镆铘岛（2）和镆铘岛（3）五个领海基点的保护范围，根据山东省人民政府《关于苏山岛等8 个领海基点保护范围的批复》[41]（鲁政字〔2015〕272 号）获得。荣成市现状约束区域主要包括评价范围内的围海养殖、码头和鸡鸣岛、镆铘岛、海驴岛等海岛陆域，根据遥感影像矢量化获得。将荣成市生态约束和现状约束区域合并成一个约束区域矢量图层（图6b）。

3.4.3 获得最终的评价结果

将初步的评价结果叠加约束条件图层，形成最终的海水淡水取水口选划适宜性空间分区，分为适宜区、基本适宜区和不适宜区，此即为海水淡化取水口空间选划适宜性最终评价结果（图6c）。

图6 荣成近岸海域评价结果的空间分区Fig.6 The spatial zoning for the evaluation results of Rongcheng coastal area

3.4.4 评价结果分析

根据评价获得的海水淡水取水口选划适宜性空间分区，从适宜、基本适宜和不适宜三个等级分别统计占用的海域面积和海岸线长度，结果如图7所示。从占用的海域面积来看，适宜海域面积为304.8 km2，所占比例为29%，主要分布在荣成市北部离岸海域，以连续大块图斑为主，中部海域的适宜区域主要分布在近岸，图斑大小中等，南部海域的适宜区域主要分布在海岸线附近，图斑较小。基本适宜海域面积为452.5 km2，所占比例为43%，主要分布在荣成市中部和南部海域。不适宜海域面积为292.4 km2，所占比例为28%，主要分布在荣成市北部近岸的海洋生态红线区和南部青龙河口附近的围海养殖区。

图7 荣成近岸海域评价结果数据统计Fig.7 Statistics of evaluation results for the Rongcheng coastal area

从占用的海岸线长度来看，适宜海岸线长度为286.9 km2，所占比例为58%，主要分布在荣成市中部和南部岸线。基本适宜海岸线长度为96.8 km2，所占比例为20%，主要分布在荣成市中部岸线。不适宜海岸线长度为109.5 km2，所占比例为22%，主要分布在荣成市的海洋生态红线区和围海养殖区所占岸线。

4 讨论

荣成市因北、东、南三面环海，属不发达的沿海边缘水系，境内无较大河流且无外来客水水源，地表、地下水主要靠大气降水补给，且开挖地下水会引起海水倒灌，因此荣成市属于资源性缺水的城市。荣成市年均水资源总量4.74 亿m3，人均占有水资源量627 m3，仅为中国人均占有量的1/4[42]。前几年曾因干旱缺水致使许多企业处于停产和半停产状态。为满足荣成市社会经济发展的用水需求，利用当地丰富的海水资源实施海水淡化工程，确保荣成市正常供水已经到了刻不容缓的地步[43]。因此选择该地区进行海水淡化取水口空间选划适宜性评价具有重要的应用意义。

根据荣成市近岸海域海水淡水取水口空间选划适宜性评价结果，适宜海域面积为304.8 km2和适宜海岸线长度为286.9 km2，不适宜海域面积为292.4 km2和不适宜海岸线长度为109.5 km2，以上空间布局为荣成市未来的海水淡化取水口位置选择和限制区提供了科学的参考依据。结合荣成市开发利用和资源空间分布情况，南部海域以传统渔业养殖及配套的水产加工、造船、渔港码头建设等为主，主要以产业型占主导；北部以旅游开发利用为主，总体偏向于保护开发；东部兼有渔业、工业和旅游业的发展，处于保护与开发并存状态。总体而言，南部和东部对淡水的需求更为迫切，除青龙河口因大量围海养殖不适宜海水淡化取水口选址外，整体是适宜和基本适宜选址的；北部区域近岸以取水口不适宜区为主，与该区旅游业占主导的保护性开发较为匹配。荣成市已建的石岛海水淡化工程和“国和一号”核能海水淡化工程，位于适宜性评价结果的适宜区内，说明本研究所构建的海水淡化取水口空间选划适宜性评价方法具有可行性和实用性。

5 结语

本研究从基础地理条件、水体环境条件、灾害条件、产业发展条件及约束条件五个方面开展海水淡化取水口空间选划的影响要素分析，选取离岸距离、水深条件、悬沙含量、海水水质及规划符合性等代表性评价指标，根据相关标准、规范和研究基础确定各评价指标的定量分级标准，基于GIS 平台构建海水淡化取水口选划适宜性评价模型，利用多因素空间叠置分析运算和约束条件的修正生成海水淡水取水口空间选划适宜性空间分区结果。研究结果从理论方法和技术层面上完善了现有的海水淡化取水口空间位置选划方法，形成具有科学化、定量化和空间化特征的评价体系，可为海水淡化取水口空间位置选划提供研究思路和技术支撑。

本研究所构建的海水淡化取水口空间选划适宜性评价体系方法完善，评价指标全面，构建过程简单，运行高效，可操作性强，方法通用，在全国海水淡化取水口空间选划工作中可以推广应用。该评价方法已在山东省荣成市近岸海域进行了应用，评价结果符合荣成市自然和社会经济特征，满足荣成市海水淡化取水口空间选划的需求。同时，该评价方法也在华能威海发电厂的海水淡化取水口选划中进行了验证，结果表明，该评价方法具有较强的科学性、适用性和可操作性，可较好地满足实际应用需求。各沿海地区在应用该评价方法时根据当地自然环境特点和社会经济发展需求，结合空间数据的可获得性，可适当增减评价指标并调整评价指标的定量分级标准，评价指标的权重计算和评价结果的分级可根据地方的现状与需求进行设置，建立起满足地方需求的海水淡化取水口空间选划适宜性评价方法，并在应用过程中进一步完善和优化。