基于MCDM的大長山島海域增殖型海洋牧場人工魚礁 選址適宜性評價

單晨楓　劉敏　馬成龍　王舒奕　李雪敏　吳忠鑫　尹增強　楊軍　李曉鈺　田濤

摘 要：為了提高增殖型海洋牧場建設中人工魚礁選址的科學性，以大長山島周邊海域為研究區域，基于MCDM（多準則決策）對該海域增殖型海洋牧場人工魚礁開展了適宜性評價研究。根據文獻檢索和國內外增殖型人工魚礁建設經驗，對41個選址指標進行優先排序，選取了14個指標（水深、坡度、溶解氧、pH、浮游植物生物量、浮游動物生物量、底棲生物生物量、無機氮、活性磷酸鹽、化學需氧量、葉綠素a、海域漁業資源情況、易于捕撈程度）作為增殖型海洋牧場人工魚礁的選址指標，通過GIS的函數計算并疊加形成適宜性評價圖。結果表明，大長山島海域有2塊區域的增殖型海洋牧場人工魚礁的適宜性值高于0.8，為人工魚礁建設最適區域。最適區域內已投放的人工魚礁也表現出了較好的建設效果，與適宜性評價結果一致。

關鍵詞：海洋牧場;人工魚礁;適宜性評價;MCDM;地理信息系統

中圖分類號 S953.1 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2022）07-0088-06

1 引言

由于社會發展迅速、人類需求增加及海域生態環境惡化等原因，導致漁業資源衰退，影響海洋漁業資源的可持續發展。因此，海域海洋牧場人工魚礁的選址需要因地制宜。開發海洋牧場這一新型漁業生產模式，對海域進行合理開發利用，改善海域生態環境，實現漁業生產的可持續發展，是解決當前漁業問題行之有效的途徑之一。人工魚礁建設是海洋牧場的基礎生態工程之一，科學構建生物的產卵場、索餌場，營造良好的棲息場所，可以重建海域生態群落，增加海洋生物多樣性，恢復生物資源的生產力，促進海域內生物結構優化和生態平衡。

增殖型海洋牧場中人工魚礁的選址是一項十分重要的工作，如果選址不當，難以達到修復和增殖漁業資源的作用，甚至會起到反作用，破壞原有的生態環境[1]。人工魚礁選址是一個復雜的基于目標的決策過程，國內外大多針對人工魚礁選址的研究[2-4]并未對選址準則進行解釋[5-7]，一種基于多準則決策和ArcGIS相結合的方法已被眾多學者選擇[8-11]。該方法對選址準則的選取和權重賦值進行了量化評價，且隨著本底調查數據精度的提高，可輸出更精確的選址適宜性分布圖[12]。

長海縣大長山島海域島礁資源豐富，海洋漁業是當地的傳統支柱產業之一。開展增殖型海洋牧場建設可以有效地保護當地海域經濟對象生物，提高成活率，有效恢復和增殖對象生物資源豐度。對此，近年來長海縣積極開展以刺參、海膽、鮑、許氏平鮋、大瀧六線魚等為主要對象物種的增殖型海洋牧場建設，并取得了良好的效果。為此，筆者選擇大長山島海域作為研究區域，基于調查數據，采用MCDM方法開展選址適宜性研究，以期為增殖型海洋牧場中人工魚礁的選址提供參考依據。

2 材料與方法

2.1 研究海域 研究海域為長海縣大長山島海域，見圖1。

2.2 研究方法 利用隸屬函數對增殖型海洋牧場中人工魚礁的選址要素進行標準確定，通過ArcGIS的柵格計算器對各要素進行單因子權重評價，通過成對比較對選址要素進行權重評價，最后基于GIS輸出對應海域的增殖型人工魚礁的選址適宜性評價圖。

2.3 評價指標選取 人工魚礁選址適宜性評價涉及社會、物理、化學、生物等多種環境因素，因此，選取指標時要保證全面性，并且結合選址海域本底調查進行詳細評價，使增殖型海洋牧場人工魚礁選址的適宜性評價具有科學性。在本次研究選址過程中，結合國內外對人工魚礁選址適宜性評價研究，發現在人工魚礁選址適宜性評價中，可以先通過選取海洋物理、化學、生物環境的指標進行適宜性評價，然后對部分社會環境進行排除。因此，在人工魚礁選址適宜性評價中，可以優先考慮物理環境、化學環境、生物環境對選址海域的影響。為保證人工魚礁選址適宜性評價的準確性，在大長山島海域的春秋兩季本底調查中，進行了生物質量、水質、生態、沉積物等方面的調查。參考Mousavi等[17-38]列出的人工魚礁選址指標并結合國內的人工魚礁建設指標，選取41個指標為增殖型海洋牧場人工魚礁進行選址適宜性評價，詳見表1。

表1 物理因素、生物因素、化學因素、社會因素選址指標

[環境因素 編號 指標 物理因素 1 坡度 2 沉積物粒徑 3 水深 4 水溫 5 波浪作用 6 溶解氧 7 pH 8 鹽度 9 潮汐流 10 濁度 11 海流 12 透明度 化學因素 13 無機氮 14 葉綠素a 15 活性磷酸鹽 16 化學需氧量 17 重金屬含量 18 硫化物含量 19 石油類含量 生物因素 20 與天然礁石的距離 21 與捕食者物種的距離 22 與敏感生態系統的距離 23 底棲生物生物量 24 浮游植物生物量 25 浮游動物生物量 26 幼體傳播 27 與競爭物種的距離 社會因素 28 對當地經濟的好處 29 文化價值 30 與海水淡化儀器的距離 31 與海底管道的距離 32 與污染源的距離 33 與發電設施及海底電纜的距離 34 與船舶航道的距離 35 易于管理程度 36 距離漁港距離 37 經濟優勢 38 教育價值 39 旅游價值 40 海域漁業資源情況 41 海域生產概況 ]

通過yaahp軟件對41個指標進行優先排序并計算指標的重要程度和權重百分比，繪制二維圖，詳見圖2。從所選擇的41個指標內排除重要程度或權重百分比低于平均值的指標[36]。

結果表明，只有14個指標同時具備高于平均值的重要程度及權重百分比（見表2）。

2.4 選址因素評價標準確定 增殖型海洋牧場人工魚礁選址指標的評價標準，應優先考慮國家標準，如若缺乏對應的國家標準，則需參考國內外相關的人工魚礁生態適宜性研究。本研究在物理環境、生物環境、化學環境的指標的計算中采用模糊隸屬函數，在社會環境的指標計算中采用賦值法。模糊隸屬函數及評價標準見表3和表4。

2.5 單因子適宜性模型構建 依據模糊隸屬函數評價及分級標準，對14個評價指標分別進行單一指標的適宜性評價，使得各指標取值范圍為0～1，0代表適宜性最低，1代表適宜性最高。單一指標的適宜性評價通過ArcGIS進行，首先對指標進行插值分析，使指標數值在研究范圍內呈連續分布[46]。依據單一指標的模糊隸屬函數，利用ArcGIS的柵格計算器工具對單一指標進行柵格計算，形成單因子的適宜性評價圖（見圖3）。

2.6 選址指標的權重賦值 根據MCDM法中的層次分析法“1～9值法”賦值法，利用每一層次的指標進行重要性逐對比較，構建判斷矩陣。其中，“1～9值法”依照取值標準，分別建立環境中間層對決策目標層的判斷矩陣和指標方案層對中間層的判斷矩陣[40-41]，其結果如表5、表6所示。

根據判斷矩陣計算，在化學、生物、物理、社會環境指標對人工魚礁選址適宜性評價中，物理環境對人工魚礁選址適宜性的影響較大，其次是生物環境和化學環境，最后是社會環境，4個環境指標對決策目標層影響的權重分別為0.6234、0.2162、0.1057和0.0547。對中間層進行判斷矩陣計算得出水深、坡度、沉積物粒徑、溶解氧、pH、浮游植物生物量、浮游動物生物量、底棲生物生物量、無機氮、活性磷酸鹽、化學需氧量、葉綠素a、海域漁業資源情況、距離漁港距離的權重分別為：0.2415、0.0209、0.2498、0.0571、0.0542、0.0418、0.0180、0.1564、0.0333、0.0111、0.0054、0.0560、0.0456、0.0091。

對判斷矩陣進行一致性檢驗，檢驗結果CR≤0.1，表明判斷矩陣基本一致，符合層次分析法原則。

3 評價結果

基于14個指標的適宜性評價圖和各指標權重，通過加權計算可建立初步的人工魚礁選址的適宜性評價模型（見圖4）[46]。利用ArcGIS的柵格計算器工具計算研究海域的人工魚礁選址適宜性值，加權計算公式如下：

由于研究海域內有航道、海底管道、電纜及海洋保護區等無法進行人工魚礁建設的海域，因而繪制了排除圖（見圖5）。

經過對適宜性評價圖和排除圖的疊加分析，形成長山群島增殖型海洋牧場人工魚礁選址適宜性評價圖（見圖6）。

通過適宜性分析模型計算結果可知，大長山島海域有2塊區域的增殖型海洋牧場人工魚礁選址適宜性值高于0.8，是建設增殖型海洋牧場人工魚礁的最適區域。通過調查可以得知，大長山島海域最適投放增殖型海洋牧場人工魚礁區域內的多家公司已經成功申報了國家級海洋牧場示范區建設，并開始了人工魚礁建設工作。截至2021年，已建設人工魚礁海域游泳生物的資源密度明顯比投礁前高，礁區海域各類資源種類均比投礁前的豐富，平均生物量約為建設前的3.5倍，多樣性指數和豐富性指數均表現為人工魚礁區顯著高于其他海域。表明魚礁投放后，礁區集魚效果明顯提高、群落結構明顯改善，魚礁建設取得了明顯的增殖效果。可見，本研究使用的方法有一定的可行性和合理性，可為增殖型海洋牧場人工魚礁建設提供技術支撐和參考依據，同時也可為我國人工魚礁選址適宜性評價提供一定的借鑒。

4 討論

人工魚礁建設可促進海洋生態環境和漁業資源恢復，合理的人工魚礁選址不僅需要對人工魚礁建設有著深刻的了解，還需要對海域的生態環境等進行充分調查[43-44]。以前的人工魚礁選址采用地圖排除法，地圖排除法通過排除部分無法建設人工魚礁的海域，來對部分海域的人工魚礁建設進行選址。但是地圖排除法無法說明為何排除后剩余海域適合投放人工魚礁。本研究通過MCDM對增殖型海洋牧場人工魚礁選址適宜性進行了評價，在41種選址指標中，通過重要程度及權重百分比的比較選取了14個指標來進行增殖型海洋牧場人工魚礁選址適宜性評價，來獲得最適合建設人工魚的海域。但是MCDM需要主觀對各個選址指標進行比對，具有很大的主觀性，可能在評價的準確性上稍有誤差。近年來，基于傳統決策法發展起來的MCDM、AHP、ANP、模糊AHP以及變權綜合AHP的決策方法的發展，已經成為更加科學的手段[47-49]，從而實現人工魚礁選址的科學性。

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（責編：張宏民）

Evaluation of Suitability for Site Selection of Artificial Reefs for Multiplication Marine Ranching in the Sea Area of Dachangshan Island Based on Mcdm

SHAN Chenfeng? ?LIU Min? ?MA Chenglong? ?WANG Shuyi? ?LI Xuemin? ?WU Zhongxin? ?QIANG Yinzheng

WANG Jun? ?LI Xiaoyu? ?TIAN Tao

（DaLian Ocean University Liaoning Ocean Ranching Engineering Technology Research Center， Dalian 116023， China; Key Laboratory of Environment Controlled Aquaculture， Ministry of Education，Dalian 116023， China）

Abstract： In order to improve the scientificity of the artificial reef site selection in the construction of a proliferation marine pasture， the sea area around Dachangshan Island is used as the research area， and the suitability evaluation study of the artificial reef of the proliferation marine pasture in this sea area is carried out based on MCDM （Multi-criteria decision-making）. Based on literature search and domestic and foreign experience in the construction of multiplication artificial reefs， 41 site selection indicators were prioritized， and 14 indicators （deep， slope， dissolved oxygen， pH， phytoplankton biomass， zooplankton biomass， Benthic biomass， inorganic nitrogen， active phosphate， chemical oxygen demand， chlorophyll a， fishery resources in the sea， and ease of fishing） are used as site selection indicators for artificial reefs of multiplying marine ranches. Finally， the suitability evaluation map is formed by calculating and superimposing the functions of GIS. The evaluation results show that there are 2 areas in the waters of Dachangshan Island with the suitability value of artificial reefs higher than 0.8， which is the most suitable area for the construction of artificial reefs. The artificial reefs that have been put in the most suitable areas also show good construction effects， which are consistent with the suitability evaluation results.

Key words： Marine ranching; Artificial reef; Suitability evaluation; MCDM; Geographic information system

作者簡介：單晨楓（1997—），男，遼寧沈陽人，碩士研究生，研究方向：漁業資源、人工魚礁。 通訊作者：田濤，博士，教授，研究方向：人工魚礁、海洋牧場、魚類行為。? 收稿日期：2022-01-17