大連市杏樹屯養(yǎng)殖海域人工魚礁建設(shè)適宜性分析

馬成龍，劉 敏，田 濤，單晨楓，吳忠鑫，楊 軍

(1 大連海洋大學(xué)遼寧省海洋牧場工程技術(shù)研究中心，遼寧 大連 116023;2 設(shè)施漁業(yè)教育部重點實驗室，遼寧 大連 116023)

近年來，中國加強海洋生態(tài)文明建設(shè)，加大現(xiàn)代化海洋牧場建設(shè)投入，近海漁業(yè)資源衰退現(xiàn)象得以遏制，海洋生態(tài)環(huán)境逐漸改善，海洋漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展初見成效。實踐證明，海洋生物生存離不開良好的棲息環(huán)境，人工魚礁的投放可為海洋生物提供生長、棲息、索餌產(chǎn)卵及庇護的良好場所，棲息地的建設(shè)可使海洋生態(tài)環(huán)境逐漸形成良性循環(huán)，黃渤海區(qū)部分漁場和魚汛已有所恢復(fù)[1-3]。

選擇適宜的投礁區(qū)域是人工魚礁建設(shè)取得成效的關(guān)鍵，選址是否科學(xué)合理決定人工魚礁建設(shè)的成功與否[4]。目前國內(nèi)外已開展了較多人工魚礁建設(shè)研究，國外對于人工魚礁建設(shè)研究較早，Robert等[5]利用ArcGIS技術(shù)對英國馬里灣海域人工魚礁建設(shè)適宜性進行了詳細的研究，通過ArcGIS將各圖層疊加后獲得人工魚礁建設(shè)最適區(qū)域；美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)[6]在“國家人工魚礁規(guī)劃”中對影響人工魚礁布局的因素進行了全面系統(tǒng)表述，總結(jié)了部分因素對人工魚礁布局存在一定影響。國內(nèi)近年對人工魚礁建設(shè)研究也取得了一定進展，尹增強等[7]建立資源保護型魚礁的效果評價指標(biāo)體系應(yīng)用于魚礁選址適宜性分析；許強等[8]采用層次分析法對舟山市海洋牧場選址進行評價。中國沿海各省市已陸續(xù)開展人工魚礁建設(shè)，區(qū)域評價研究較多，但對養(yǎng)殖海域人工魚礁建設(shè)綜合評價尚有不足，且理論研究較多，評價指標(biāo)不全面，缺乏系統(tǒng)方法。

養(yǎng)殖海域是海水養(yǎng)殖業(yè)中重要的一部分，科學(xué)規(guī)劃合理布局養(yǎng)殖海域，可為水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)提供持續(xù)、健康、有序發(fā)展保障[9]。大連市杏樹屯周邊155 km2養(yǎng)殖海域的海底坡度相對較陡，海水流速較大，海水中懸浮物較多，部分漁民對海域情況不甚了解，投礁后經(jīng)過一段時間，發(fā)現(xiàn)魚礁構(gòu)建后的資源養(yǎng)護效果較差，既造成漁民財產(chǎn)損失，又影響魚礁功能的發(fā)揮。因此，開展該海域人工魚礁建設(shè)適宜性綜合評價迫在眉睫。

本研究從自然環(huán)境和社會環(huán)境兩方面考慮，選取水文、水質(zhì)、沉積物、海洋生態(tài)、地質(zhì)地貌和海洋功能區(qū)劃等20個評價因子，構(gòu)建人工魚礁建設(shè)適宜性綜合評價模型，對該養(yǎng)殖海域人工魚礁建設(shè)進行適宜性分析，以期為此海域后續(xù)進行人工魚礁建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

本研究以大連市杏樹屯周邊養(yǎng)殖海域為研究區(qū)域(圖1)，該海域面積約為155 km2，具有良好的海洋環(huán)境條件，漁業(yè)資源種類較為豐富。由于緊鄰杏樹漁港，受多年拖網(wǎng)作業(yè)和環(huán)境污染等因素影響，海底破壞較為嚴重，海洋生物不斷減少。除部分漁民在自有海域自發(fā)人工造礁外保護了漁業(yè)資源，其他區(qū)域生物資源衰退嚴重[10]。

圖1 研究區(qū)域

1.2 建設(shè)原則與評價因子選取

1.2.1 建設(shè)原則

人工魚礁建設(shè)受多種因素影響，本研究從自然環(huán)境和社會環(huán)境兩方面考慮。

從自然環(huán)境方面來看，人工魚礁建設(shè)受到海域的水深、流速、坡度、底質(zhì)類型和透明度等自然環(huán)境因素影響，在建設(shè)過程中，應(yīng)充分對海域自然環(huán)境進行調(diào)查，根據(jù)實際情況對海域自然環(huán)境狀況進行分析[11]。

從社會環(huán)境方面來看，人工魚礁建設(shè)過程中，首先考慮選址海域是否與國家、省、市海洋功能區(qū)劃和海洋生態(tài)紅線相符合，避免人工魚礁建設(shè)與其他用海相沖突[12]。并且建設(shè)海域應(yīng)避開有海底纜線、海底管道和航道通過的區(qū)域[13]。

1.2.2 評價因子選取

通過查閱文獻和結(jié)合已有研究，基于自然環(huán)境和社會環(huán)境兩方面，根據(jù)2021年4月所獲海洋環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀調(diào)查數(shù)據(jù)，以及在參考賈后磊等[14]的人工魚礁選址合理性分析基礎(chǔ)上，綜合選出20個評價因子。其中自然環(huán)境評價因子[15]分為水文水質(zhì)(a)、地形地貌(b)、海底底質(zhì)(c)和海洋生態(tài)(d)，社會環(huán)境評價因子[11]分為海洋功能區(qū)劃(e)、海洋生態(tài)紅線(f)、海底纜線(g)和海底管道(h)；將水文水質(zhì)評價因子細分為水深、流速、透明度、pH、溶氧、化學(xué)需氧量、無機氮、活性磷酸鹽和石油類，地形地貌評價因子為坡度，海底底質(zhì)評價因子細分為沉積物粒徑、沉積物有機碳和沉積物硫化物，海洋生態(tài)評價因子細分為浮游植物生物量、浮游動物生物量和底棲生物生物量。

1.3 單因子適宜性評價

1.3.1 單因子適宜性評價計算

自然環(huán)境方面評價因子的計算參考尹增強等[7]的構(gòu)建模糊隸屬函數(shù)法，通過建立評價標(biāo)準(zhǔn)對評價因子進行標(biāo)準(zhǔn)化計算，使各評價因子之間具有可比性和可加和性[16]；社會環(huán)境方面評價因子的計算采用賦值法[17]，按照評價標(biāo)準(zhǔn)對評價因子的適宜性進行劃分賦值。

1.3.2 單因子適宜性評價標(biāo)準(zhǔn)

本研究在評價標(biāo)準(zhǔn)的確定中，優(yōu)先考慮國家標(biāo)準(zhǔn)，若評價因子缺乏相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)，則需參考國內(nèi)外人工魚礁建設(shè)適宜性評價相關(guān)研究。自然環(huán)境評價因子的評價標(biāo)準(zhǔn)見表1，社會環(huán)境評價因子的評價標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表1 自然環(huán)境評價因子的隸屬函數(shù)及其確定依據(jù)

(續(xù)表)

表2 社會環(huán)境評價因子劃分標(biāo)準(zhǔn)

1.4 綜合適宜性評價

1.4.1 綜合適宜性評價因子權(quán)重確定

各項評價因子對人工魚礁建設(shè)適宜性的重要程度是不一樣的，為判斷各項評價因子的相對重要性，運用層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)確定各項評價因子權(quán)重。

該方法通過建立層次結(jié)構(gòu)模型，構(gòu)建判斷矩陣，將評價因子成對比較，計算各項評價因子權(quán)重，并進行一致性檢驗，最終確定各項評價因子的相對重要性[22]。20個評價因子權(quán)重如圖2所示。

圖2 各項評價因子權(quán)重

1.4.2 綜合適宜性評價指數(shù)計算

將各項評價因子權(quán)重與經(jīng)模糊隸屬函數(shù)計算得到的數(shù)值代入綜合評價指數(shù)計算公式中，得到該養(yǎng)殖海域人工魚礁建設(shè)適宜性分析結(jié)果。

綜合評價指數(shù)計算公式為：

(1)

式中：S為人工魚礁建設(shè)綜合評價指數(shù)，n為1～20，Pi為評價因子權(quán)重，Yi為評價因子標(biāo)準(zhǔn)化值。

綜合評價指數(shù)取值范圍為0～1，其中0.8～1.0代表最適宜，0.6～0.8代表較適宜，0.4～0.6代表一般適宜，0.2～0.4代表不適宜，0.0～0.2代表完全不適宜。

2 結(jié)果

2.1 自然環(huán)境單因子適宜性評價結(jié)果

依據(jù)自然環(huán)境評價因子的評價標(biāo)準(zhǔn)，對16個自然環(huán)境評價因子進行量化評分，評分范圍為0～1，評分越靠近1適宜性越高，評分越靠近0適宜性越低。將所獲海洋環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀調(diào)查數(shù)據(jù)分別代入表1所列各式中，運用ArcGIS對16個自然環(huán)境評價因子進行標(biāo)準(zhǔn)化計算[23]，首先對評價因子進行空間插值，使評價因子在研究區(qū)域內(nèi)呈連續(xù)分布狀態(tài)，其次利用條件函數(shù)及柵格計算器工具對評價因子進行計算，獲得自然環(huán)境因子單因子適宜性評價分布圖，如圖3所示。。

圖3 自然環(huán)境因子單因子適宜性評價分布圖

根據(jù)單因子適宜性評價結(jié)果可知，海域東北部和東南部自然環(huán)境狀況較優(yōu)，表現(xiàn)出高適宜性。海域西北部自然環(huán)境狀況較差，化學(xué)需氧量、無機氮、活性磷酸鹽和石油類等評價因子適宜性較低，低適宜性區(qū)域主要集中在杏樹漁港附近，由于漁港區(qū)域活動密集等原因，水體平衡遭到破壞，總體污染程度較高[24-25]，限制了人工魚礁的投放。海域近岸區(qū)域浮游生物含量較高，浮游生物是魚、貝類等生物的重要餌料來源[26]，通過投放人工魚礁，為海洋生物提供良好棲息場所，保證海洋漁業(yè)資源可持續(xù)發(fā)展。

2.2 社會環(huán)境單因子適宜性評價結(jié)果

依據(jù)社會環(huán)境評價因子的劃分標(biāo)準(zhǔn)，對4個自然環(huán)境評價因子進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，獲得社會環(huán)境因子單因子適宜性評價分布圖，如圖4所示。

圖4 社會環(huán)境因子單因子適宜性評價分布圖

根據(jù)各項評價因子對人工魚礁建設(shè)的適宜性程度和限制性強度進行級別劃分[27]，分為一級、二級、三級和四級4種級別，并分別賦值為1、0.6、0.2和0，賦值越高代表人工魚礁建設(shè)適宜性越高。根據(jù)單因子適宜性評價結(jié)果可知，海洋功能區(qū)劃適宜性指數(shù)為1的區(qū)域有2塊，所屬功能區(qū)劃分別為農(nóng)漁業(yè)區(qū)和旅游休閑娛樂區(qū)，適宜性指數(shù)為0.6的區(qū)域有1塊，所屬功能區(qū)劃為保留區(qū)，海域共有85%的區(qū)域符合海洋功能區(qū)劃要求，適宜進行人工魚礁建設(shè)。海域內(nèi)不涉及圍填海、礦產(chǎn)資源開發(fā)及其他城市建設(shè)開發(fā)，整體符合海洋生態(tài)紅線管控措施。海域中部各有1條海底纜線和海底管道，海底纜線和海底管道2 km范圍內(nèi)不適宜進行人工魚礁建設(shè)。

2.3 綜合適宜性評價結(jié)果

基于自然環(huán)境和社會環(huán)境20個評價因子的單因子適宜性評價結(jié)果，結(jié)合各項評價因子權(quán)重，利用ArcGIS加權(quán)計算和疊加分析[23]，對大連市杏樹屯養(yǎng)殖海域人工魚礁建設(shè)進行綜合適宜性評價，獲得人工魚礁建設(shè)適宜性分布圖，如圖5所示。適宜性分布圖表明，最適宜人工魚礁建設(shè)區(qū)域有2塊，較適宜人工魚礁建設(shè)區(qū)域有1塊。人工魚礁建設(shè)最適宜區(qū)域主要位于該海域的東北部和東南部，海域面積約26.5 km2，符合海洋功能區(qū)劃與海洋生態(tài)紅線要求，不與海上其他海洋工程設(shè)施和其他行業(yè)用海相沖突。離岸距離約7.5 km，平均水深20 m，流速介于1.0～1.5 m/s，水質(zhì)環(huán)境質(zhì)量良好，底質(zhì)為粉砂質(zhì)砂，浮游生物及底棲生物種類和數(shù)量較多，處于較高水平狀態(tài)。在此區(qū)域開展人工魚礁建設(shè)，可充分發(fā)揮人工魚礁的生態(tài)功能，有效改善水域生態(tài)環(huán)境，增加水域物種多樣性。

圖5 人工魚礁建設(shè)適宜性分布圖

3 討論

3.1 人工魚礁建設(shè)綜合適宜性評價體系

人工魚礁建設(shè)適宜性評價涉及多種學(xué)科多種要素[28]，國內(nèi)外已有學(xué)者通過選取海洋物理環(huán)境、化學(xué)環(huán)境和海洋生物資源環(huán)境等因子對人工魚礁建設(shè)適宜性進行分析，或者對人工魚礁建設(shè)適宜性給出了一些建設(shè)性意見，對人工魚礁建設(shè)具有一定的指導(dǎo)意義。佟飛等[15]基于生態(tài)系統(tǒng)效應(yīng)構(gòu)建了資源保護型人工魚礁建設(shè)選址評價方法，探討了柘林灣溜牛人工魚礁建設(shè)適宜性，建立了人工魚礁建設(shè)選址生態(tài)評估模型，綜合評價了30個海洋環(huán)境與海洋生物因子，但未對社會環(huán)境因子進行考慮，而本研究綜合考慮自然環(huán)境和社會環(huán)境兩方面，針對人工魚礁建設(shè)適宜性評價更為全面。Erftemijer等[29]基于ArcGIS技術(shù)和水動力模型對巴林人工魚礁區(qū)域進行適宜性分析，選出913 km2最適建礁區(qū)域，該研究評價過程是非等級的，不賦予任何評價因子權(quán)重，因其缺乏可靠的科學(xué)依據(jù)或決策者偏好，無法確定每個評價因子的相對重要性，本研究通過使用層次分析法對評價因子賦予權(quán)重，可以確定每個評價因子的相對重要性。許妍等[27]采用賦值法對天津市近海海域人工魚礁投放的適宜性進行了評價，篩選出了3塊適宜人工魚礁建設(shè)區(qū)域，與本研究評價體系基本一致。但該研究對所選因子均進行等級劃分，并賦予相應(yīng)的數(shù)值，而本研究針對自然環(huán)境因子采用構(gòu)建模糊隸屬函數(shù)法，社會環(huán)境方面因子計算采用賦值法，兩種計算方法相結(jié)合，人工魚礁建設(shè)適宜性評價更有針對性。

上述研究結(jié)果表明，人工魚礁建設(shè)適宜性評價應(yīng)科學(xué)合理開展，所選評價因子越全面，人工魚礁建設(shè)適宜性評價越準(zhǔn)確，針對不同類型評價因子應(yīng)建立不同評價層次。人工魚礁建設(shè)綜合適宜性評價體系可以根據(jù)海域自然環(huán)境質(zhì)量和社會環(huán)境狀況，快速取得海域的最適建礁區(qū)域，為人工魚礁建設(shè)提供合理規(guī)劃和設(shè)計，極大提高了評價效率。

3.2 人工魚礁建設(shè)適宜性分析的科學(xué)合理性

科學(xué)合理地對人工魚礁建設(shè)進行規(guī)劃，以發(fā)揮人工魚礁的最佳效應(yīng)，達到修復(fù)海洋生態(tài)、改善生物棲息環(huán)境的目的[30]。評價結(jié)果中最適宜人工魚礁建設(shè)區(qū)域內(nèi)，目前已成功開展人工魚礁建設(shè)，并獲批國家級海洋牧場示范區(qū)。通過對已建礁區(qū)進行長期、連續(xù)、全面的監(jiān)測，已建礁區(qū)礁體上已附著大量藻類和大型底棲生物，游泳生物的資源密度較投礁前明顯升高，海域海洋生物資源豐度顯著高于其他海域，魚礁在海底狀態(tài)穩(wěn)定良好，未出現(xiàn)下陷和傾覆等現(xiàn)象，進一步驗證了本研究的綜合適宜性評價體系具有一定的科學(xué)性和合理性。此外，影響人工魚礁建設(shè)效果的因素眾多，人工魚礁建設(shè)適宜性分析還應(yīng)結(jié)合海洋地質(zhì)調(diào)查等物理方法[31-32]，包括通過對海底地形地貌和海底淺層結(jié)構(gòu)進行勘測，人工魚礁建設(shè)適宜性應(yīng)繼續(xù)細分探索，有關(guān)評價方法和標(biāo)準(zhǔn)體系仍有待今后進一步實踐和完善。

4 結(jié)論

人工魚礁建設(shè)可促進海洋生態(tài)環(huán)境和漁業(yè)資源恢復(fù)，合理的人工魚礁建設(shè)不僅需要對人工魚礁建設(shè)有著深刻的了解，還需要對海域的生態(tài)環(huán)境等進行充分調(diào)查。選取20個評價因子，運用綜合評價體系，對大連市杏樹屯周邊養(yǎng)殖海域進行評價分析，選出最適宜投礁區(qū)域，構(gòu)建了適用于大面積養(yǎng)殖海域范圍內(nèi)人工魚礁建設(shè)適宜性綜合評價體系，可為大連市杏樹屯養(yǎng)殖海域人工魚礁建設(shè)提供技術(shù)支撐和參考依據(jù)，同時也可為中國人工魚礁建設(shè)適宜性評價提供借鑒。

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