大連太平灣近岸海域環境承載力綜合評價研究

徐雪蛟

(大連太平灣投資發展有限公司，大連 116004)

近岸海域水環境質量是影響區域長期發展的一個重要制約因素，而承載力則直接決定了區域發展的空間與上限。科學有效的海域水環境質量與承載力評價是及時掌握區域環境質量現狀的主要手段，是制定區域發展規劃的重要依據，并可為環境監督管理決策和污染防治提供科學依據，因此受到了國內外學者的廣泛關注，提出了指數評價法、狀態空間法[1]、模糊評價法[2]、物元分析法[3]、灰色聚類法[4]、投影尋蹤法[5]、集對分析法[6]、云理論法[7]、神經網絡法[8]等多種評價方法，對水環境質量和承載力進行了深入的研究，取得了大量的研究成果。

大連太平灣地理位置優越，區位優勢突出。太平灣港區是大連港的重要組成部分，是實施東北老工業基地振興戰略和《遼寧沿海經濟帶發展規劃》的重要支撐，是遼寧港口資源整合和布局功能調整、轉型升級的重要載體。自2010年2月，太平灣港區被大連市政府明確為重點發展港區后，太平灣港區建設如火如荼。因此，工程建設海域的水環境質量與承載力評價是推動區域發展與生態環境保護相協調的重要依據。

評價的實質是評價因子與評價標準相結合的分析過程。集對分析理論[9]能夠有效處理確定與不確定性相集合的高維非線性評價問題，不確定性是該方法的主要特點，現已在數學、經濟、資源、管理與環境等多個領域得到了廣泛的應用。因此本文采用集對分析方法、云理論法和人工神經網絡法進行對比評價研究，評價了大連太平灣近岸海域32個實測站位的水環境質量和綜合承載力；以不同時期的實測資料，研究分析工程建設與海洋環境間的相關性。

1 承載力綜合評價方法

1.1 集對分析原理

集對分析原理首先是將不確定性系統中的兩個集合(A和B)構造為相互關聯的集對H(A，B)，則該集對具有同一、差異和對立的特性，組成同異反聯系度矩陣，表示集合A與B相聯系的優劣程度，如式(1)：

(1)

μA～B=a+bi+cj

(2)

式中：a+b+c=1。

將上述3元聯系度進一步拓展，可得如下多元聯系度

μA～B=a+b1i1+b2i2+…bmim+cj

(3)

式中：a+b1+b2+…bm+c=1；b1，b2，…bm為差異度分量；i1,i2,…,im為差異分量系數。

1.2 云理論

云模型以概率與模糊數學為理論基礎，以特定算法形成定性概念與定量數值之間的不確定性轉換。不確定性是客觀世界絕大多數事物和現象的基本屬性。云模型正是通過期望、熵和超熵3個特征數字來反映客觀世界中的隨機性和模糊性，實現定性概念與定量數值之間的不確定性轉換。該模型由我國學者李德毅提出，其反映了隨機性和模糊性之間的關聯，構成了定性與定量間的相互映射，已廣泛應用于系統評測、算法改進、決策支持、智能控制、數據挖掘和知識發現等諸多領域[7]。

1.3 人工神經網絡

人工神經網絡是由大量人工神經元互聯組成的非線性、自適應智能處理系統，通過模擬大腦神經網絡處理、記憶信息的方式進行信息處理。BP人工神經網絡解決了多層前向神經網絡隱層學習困難的問題，促進了多層網絡的發展，其特點在于在訓練樣本的基礎上可逼近任意的非線性連續函數，擬合得到輸入與輸出間的函數關系。文中人工神經網絡BP算法模型架構與參數等同文獻[8]一致。

2 環境承載力評價實例分析

2.1 研究海域

圖1 站位示意圖

大連太平灣位于遼東半島西側、大連市渤海岸線中段，屬瓦房店市轄境，地理坐標39°52′N～40°15′N、121°32′E～122°06′E。太平灣為天然海灣，北距沈陽240 km，南距大連市區130 km；水上距營口港40 n mile，距秦皇島港96 n mile，距長興島港45 n mile。沈大高速公路北起浮渡河大橋，南至普蘭店海灣大橋，貫穿瓦房店市境內，市內、縣、鄉兩級公路以哈大公路為主干線，通往全市各地，形成了四通八達的交通網絡。太平灣港區距新建的濱海公路1 km，距哈大公路7 km，距沈大高速公路10 km，距哈大鐵路25 km，交通便利。

隨著經濟的高速發展，我國近岸海域水體質量多呈下降趨勢。為保護近岸海域生態環境、支撐區域經濟發展，有效的分析評價太平灣海域水環境質量與承載力是非常必要的前提。因此本文選擇太平灣海域32個站位(如圖1)的COD、無機氮、磷酸鹽和石油類4個實測指標，科學評價研究海域環境承載力并檢驗集對分析方法的有效性。32個站位的海水實際監測水質情況如表1，評價指標分級按海水水質標準[10]如表2。

2.2 評價結果與分析

文中，采用集對分析方法評價過程[11]、神經網絡方法[8]和云理論方法[7]，以太平灣海域32個實測站位的COD、無機氮、磷酸鹽和石油類指標，評價研究海域的水環境質量和承載力狀況，評價結果如表3所示。

表1 32個站位海水水質數據

表2 評價指標分級標準

表3 32個站位的環境承載力評價結果

從表3中的評價結果可以看出：(1)所有實測站位的水環境質量較好，均滿足Ⅰ類海水水質標準，太平灣近岸海域環境承載力高；(2)集對分析方法、神經網絡法和云理論法的評價結果是一致的，表明三種方法均是環境承載力綜合評價的有效工具。

2.3 海洋工程建設與環境質量的相互關系分析

為落實國家東北老工業基地振興戰略，推動區域經濟高效發展，大連港太平灣港區于2011年9月始建圍堰工程，2014年7月施工完畢；航道、港池疏浚和吹填造陸于2013年4月始建，2015年11月暫停施工。因此文中以太平灣港區主要施工時間(2011年9月～2015年11月)為重要節點，通過工程建設前中后期的環境現狀，分析海洋工程建設條件下的海域環境質量狀況，實測數據如表4所示。

表4 不同時期的環境數據

從表4中的實測環境數據可以看出：(1)工程建設前中后三段時期內，太平灣近岸海域環境質量較好，COD、磷酸鹽、無機氮、石油類及重金屬銅、鉛、鋅、鎘和汞各指標均滿足Ⅰ類海水水質標準[10]；(2)重金屬極易附著于懸浮物而沉降于底泥中而工程建設的擾動作用又使其二次釋放。不同的重金屬因子在海域底質沉積物中呈現不同的化學形態，如：水可溶態、陽離子可變幻態、碳酸鹽結合態、鐵錳水合氧化物結合態、有機硫化物結合態和殘余態，受多種自然因素影響，不同形態的吸附、解吸能力差異較大[12]。受研究海域工程建設的影響，重金屬銅、鉛、鋅和重金屬鎘和汞呈現出不同的變化趨勢，這說明在大連太平灣海域各種重金屬與底質沉積物的結合形態存在明顯差異，重金屬銅、鉛和鋅的工程敏感性要高于重金屬鎘和汞；(3)盡管海洋工程建設并不會直接產生COD、磷酸鹽和無機氮污染物，且三段時期內各環境指標值均較小，但亦應看到COD、磷酸鹽和無機氮三個指標呈增長趨勢，因此污染綜合管控與海洋環境管理工作應常抓不懈。

3 結論

本文采用集對分析方法、人工神經網絡方法和云理論方法，以32個站位的COD、無機氮、磷酸鹽和石油類4個污染因子為承載力評價指標，研究評價并對比分析了大連太平灣近岸海域的水環境質量和承載力狀況；同時以不同時期實測資料分析了太平灣港區工程建設與環境質量間的相互關系，研究結果表明：

(1)COD、無機氮、磷酸鹽和石油類4個污染因子均滿足Ⅰ類海水水質標準，太平灣近岸海域水環境質量好、環境承載力空間充足。

(2)海洋工程建設前中后三段時期內，太平灣近岸海域環境質量較好，均滿足Ⅰ類海水水質標準；重金屬銅、鉛和鋅的工程敏感性要高于重金屬鎘和汞；應長期、有針對性地堅持區域污染綜合管控和環境管理工作。