基于模糊综合评价模型的海南海岸线资源脆弱性研究

周涛，罗时龙，王同行，韩志聪，洪海凌

（1.海南省海洋监测预报中心，海南海口， 570226；2.海南热带海洋学院，海南三亚， 572022；3.国家海洋信息中心，天津， 300012）

海岸脆弱性被定义为全球气候变化背景下，海岸带系统对自然灾害的适应能力。脆弱性的基本特征是生态环境内部存在不稳定性和外部存在干扰敏感性的固有属性。全球海平面上升及其引发的持续性海岸灾害、风暴潮等突发自然灾害，以及人类生产生活等开发活动均威胁着海岸稳定性[1]。我国是海洋大国，拥有18 000 km 的大陆岸线和14 000 km的岛屿岸线，超过70%的大城市和50%的人口集中在东部及南部沿海地区。我国海岸带区域人口密集，经济发达，占陆域国土面积13%的沿海经济带，承载着全国42%的人口，创造了全国60%以上的国内生产总值。海岸带在我国经济战略布局中占有极为重要的地位，维持海岸带资源与环境的可持续发展是国家未来发展的重大战略需求。受气候变化和人类活动的双重胁迫，我国海岸带脆弱性愈加凸显。海水入侵、海岸侵蚀和生态系统服务功能下降等直接威胁着海岸防护、社会经济发展和生态安全[2]。

海南岛具有得天独厚的区位优势和资源优势，其长达1 944 km 的海岸线类型丰富，陆地地貌复杂，发育有红树林和珊瑚礁海岸。 2010－2020 年海南省平均每年由风暴潮、海浪造成的直接经济损失超7 亿元[3]，诱发的海岸侵蚀破坏了沿海生态和居民生活环境。陆海统筹与科学规划是海南岛海岸带管理保护的必要举措。

1 研究方法

1.1 模糊综合评价模型

海岸线资源模糊综合评价模型，是一套以建立海岸线资源脆弱性评价指标体系为前提，运用模糊集理论运算合成脆弱性等级，最终借助ArcGIS 软件表达成果图件的评价模型，其内容及应用过程见图1。

图1 海岸线资源脆弱性模糊综合评价模型

1.2 建立评价体系

海岸线资源脆弱性评价是对特定区域未来一段时间内脆弱性的分析评定过程，评价内容包括地质环境危险性和社会经济易损性，前者涉及致灾因素，后者针对承灾体；评价结果以相对脆弱性级别的形式表达，以指导岸线资源管理。据此，本文选择了跟海岸线资源脆弱性相关的11 个评价指标，分别是易蚀性、平均波高、相对海平面变化、风暴增水、潮差、城镇人口比、人口密度、人均国内生产总值（Gross Domestic Product，GDP）、海域等别、人均地方财政收入、GDP 增长速率[3]，各个指标的含义及其与海岸线资源脆弱性的内在联系如表1所示。

表1 海岸线资源脆弱性评价指标体系含义（据参考文献[4],有修改）

1.3 确定指标权重向量

求权重的方法可以分为两类：一是经验法，由专家根据经验判断，简便易行；二是数学法，以经验为基础，以数学原理为背景，具有较强的逻辑性和科学性[5]。本文运用的层次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）是一种定性与定量分析相结合的数学求权方法，已被广泛应用于决策、规划和资源配置等研究领域。

依据Saaty[6]的研究理论，以地质环境危险性构造的判断矩阵D=(Dij)n×n为例：

矩阵D具有如下性质：（1）Dij＞0；（2）Dij=1/Dji（i≠j）；（3）Dii=1（i,j=1,2,…,5）。将此类矩阵称为正反矩阵，若对于任意i、j、k均有DijDjk=Dik，则矩阵D为一致矩阵。理论上讲，当矩阵具有完全一致性时，其最大特征根λmax=n，其他特征根均为0，由式（1）可得其对应的特征向量w= (w1,w2,w3w4,w5)。若矩阵不具有完全一致性，必须对矩阵进行满意一致性检验。

式（1）是一个线性代数运算，但层次分析法给出的权值是半定量的，所以一般用迭代法求得矩阵的近似最大特征值及其特征向量，方法如下。

（1）计算判断矩阵每一行元素的几何平均值：

由指标层因子的权重向量（表2）可知，对于地质环境危险性，易损性是5 个评价指标中贡献最大的，权重为0.488 9，其次是风暴增水、平均波高和潮差，海平面变化贡献最小；对于社会经济易损性，人口密度贡献最大，权重为0.408 8，超过地区生产总值和海域等别权重总和。

1.4 构造隶属度矩阵

构造隶属度矩阵的关键是选择适当的隶属函数，海岸侵蚀风险评价中涉及的数值有正态分布性质，本文选择中间型正态分布函数作为模糊集的隶属函数，解析式如下：

式中：σ为标准差，am是等级区间端点的均值，隶属函数的图像如图2所示。

图2 正态分布隶属函数图像

结合函数图像和式（4）可知：（1）当a值恒定时，如m= 1,x对等级很低的隶属度符合正态分布，取隶属度值当x值恒定时，如x=x1或x2，x对各个等级的隶属度亦符合正态分布，取隶属度值~A(xmi)。

以次因子层因素集隐形侵蚀危险性为例，代入数值可以得到某一评价单元的隶属度矩阵R=(Rij)n×n如下：

式中：Rij（i,j=1,2,…,5）表示第i个评价指标对j等级的隶属度，实际上矩阵中每一行代表单个评价指标对各个等级的隶属状况；矩阵中的每一列则代表各个评价指标对某一等级的隶属情况。

1.5 模糊合成

模糊合成理论是采用适合的运算法则，经过模糊变换得到模糊集的隶属度，然后根据最大隶属度原则或模糊分布原则获取最终的判定结果。首先，根据选择的隶属函数构造隶属度矩阵；然后进行模糊合成，即由权重向量和隶属度矩阵通过模糊变换得到综合隶属度；最后根据最大隶属度原则或者模糊分布原则确定风险等级。模糊合成计算方法如下：

式中：Fj（j=1,2,…,5）表示隐形侵蚀危险性对各个等级的隶属度，参照最大隶属度原则，某一评价单元隐形侵蚀危险性级别为Fj|max 对应的模糊等级。这里只利用了Fj中的最大值，没有充分利用F所带来的信息。运用模糊分布原则，可以综合等级参数和合成结果，使得评判结果更加接近实际情况。过程如下：（1）给定等级参数向量C=[1, 2, 3, 4, 5]；（2）对F的元素归一化处理；（3）按照加权平均型运算法则得到一个代表性的参数P；4）对参数P组成的数集进行分级，确定每个评价单元的评价等级。

2 研究结果

2.1 评价区域分区与等级划分

参照评价指标的统计水平、脆弱性评价范围，对评价对象进行适当区划。海南海岸线资源脆弱性评价以沿海市级及县级行政区域为界划分出12个评价单元。各个评价单元的指标数据采集以行政区划范围为准。按照标准差分级方法，海岸线资源评价的各指标被划分成“很高”“高”“中等”“低”和“很低”五个级别。

2.2 海岸线资源脆弱性等级

海岸线资源脆弱性等级由地质环境危险性和社会经济易损性组成。如表3 所示，首先合成等级隶属矩阵，然后按照模糊分布合成原则，求得各个评价单元的得分后依据标准差分级方法划分等级。根据评价结果，将海南岸线资源脆弱性划分成“高”“中等”和“低”三级（图3）。

表3 海南省12个评价单元海岸线资源脆弱性等级

图3 海南海岸线资源脆弱性评价等级示意图

2.2.1 海岸线资源高脆弱性区

海岸线资源脆弱性较高的区域分布在文昌、临高、儋州和东方四个行政单元。首先，这几个岸段陆地地貌以Ⅱ-型和Ⅲ-型为主，易蚀性等级较高；特别是文昌易受台风影响，最大增水较高。其次，本岸段人口密度和地区生产总值较高，财政支出较少。因此合成的海岸线资源脆弱性也较高。

2.2.2 海岸线资源中等脆弱性区

海岸线资源脆弱性中等的区域分布在万宁、琼海、海口、澄迈和乐东五个行政单元。这些单元以侵蚀剥蚀山地丘陵为主，Ⅱ-型和Ⅲ-型地貌单元比例较少，易蚀性中等；但东部的万宁、琼海，北部的海口、澄迈受台风影响较大，增水和平均波高处于中等偏上水平。这些区域在人口密度、人均收入方面已处于中等水平。因此合成的脆弱性等级为中等。

2.2.3 海岸线资源低脆弱性区

海岸线资源脆弱性较低的区域为三亚、陵水和昌江三个行政单元。这三个区域陆地地貌以侵蚀剥蚀山地丘陵为主，海岸线资源易蚀性较低；虽然三亚和陵水人口密度较高，属于中等偏高水平，但是这两个区域用于减小脆弱性方面的支出较多，最终评价结果显示其脆弱性等级较低。

3 结论

本文构建了海岸线资源脆弱性评价方法体系，以海南海岸线为例，验证了方法的合理性。根据评价结果将海南岸线资源脆弱性划分为三个等级，其中高脆弱性岸段分布在文昌、临高、儋州和东方；中等脆弱性岸段分布在海口、澄迈、乐东、琼海和万宁；低脆弱性的岸段分布在昌江、三亚和陵水。评价结果得到客观数据的支持，能为海南海岸管理提供参考依据。