Modeling of evaluation on the coastal reclamation supply based on state-space method
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摘要:
针对我国填海造地快速发展过程中,其规模控制缺乏科学制定依据和有效、可量化的管控标准的现实需要,制定了填海造地供给规模评定的总体研究路线,梳理了评定的指标体系。在此基础上依托状态空间法对国内一般性填海造地区域进行了基于现实条件的最大供给能力评价,给出了填海造地供给规模计算的数学公式和直观表达的三维评价模型。并最终通过对填海造地规模确定规律的研判,提出了在填海造地区域选择、地域比较等方面的管控标准和对策建议。
Abstract:According to the lack of scientific evidence, and effective control standards that could be quantified in the scale control in the rapid development of coastal reclamation in China today, this paper develops the overall research route of evaluation on coastal reclamation supply, and teases out the index system of that.Then, based on the state-space method, it evaluates the maximum supply of general domestic coastal reclamation area under existing conditions, and proposes abstract mathematics formula and visible 3-D evaluation models for the calculating of coastal reclamation supply.Finally, through the study on the rulemaking of coastal reclamation supply, it proposes control standards and recommendations of policies in selection and regional comparison of coastal reclamation area.
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Keywords:
- coastal reclamation /
- supply /
- control standards /
- mathematical models /
- state-space method
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填海造地工程是从根本上改变海域自然属性的人类活动,过量、无节制、不尊重现实条件的填海造地势必引发巨大环境负效益,因此,其合理规模评定的研究至关重要。国内外相关研究近年却很少涉及填海造地规模评定领域,与其相近的代表性研究如:M.N.Siddiqui对卡拉奇沿海地区填海工程中地貌变化的监测[1];Nor Hisham M.Ghazali针对马来西亚海岸侵蚀及填海造地影响的评估[2];Biribo,Naomi针对基里巴斯的环礁填海的研究[3];王江涛提出填海造地规模总量确定的3种方法[4];付元宾提出了围填海强度的概念[5];肖劲奔评定了海岸带地区的开发利用强度[6]。
实际上,对于填海造地供给能力的量化评定才是确定其合理规模的基础。而既有研究中对其评定的方法大多是基于适宜性评价的多工况方案比选,其代表有:于永海建立的围填海适宜性评价综合指数[7];杨炎提出的围填海适宜规模评价要素[8];Yan,Hua-Kun比较了岩石倾倒技术、淤泥疏浚以及抛石技术等的影响[9];Peng,Benrong提出了预测总体可围填海区域(TAACR)的分析框架模型[10]。这些研究方法能够实现对不同填海工程的影响预测和数学模拟评价,但是对于工况的种类、设定,评价因子的普适性等方面仍存在一定的局限性,且预测结果多是静态的,难以实现不同地域的比较,对填海造地管理的借鉴意义有限。
因此,本文针对上述不足,从我国海域管理实际出发,引入新的数学模型和评价方法,完成对自然、社会、经济等现实条件的评价研究,建立全面、客观的要素和指标体系,从而实现对填海造地供给能力的量化评判。
1 填海造地供给规模评定指标构建
1.1 指标项的分类与选择
如前所述,国内既有研究中并没有专门梳理影响填海造地供给规模的因素。但是,在海洋承载力等相关领域中还有一些可以参考的评价因素总结,如:于青松在海域评估中将影响因素归纳为区位条件、自然因素、社会经济因素及资源环境的变迁[11];苗丰民在海域分等定级及价值评估中将影响因素分为宏观因素、微观因素、个别因素[12];霍军主要从自然因素、人为因素以及社会经济因素3方面分析海域承载力的影响因素[13]。
基于既有研究的总结,本文根据影响供给的原理、程度和性质将供给影响因素分为3大类:自然因素、人为因素、社会经济因素。自然因素是指在天然条件中能因为性质或地域差异而引起填海造地供给水平变化的各类因素,包括水文气候条件、地质条件、生物条件、环境容量、资源稀缺性等。人为因素是指各类人为可控的选址决策、工程保障、施工技术等造成填海造地供给水平波动的因素,它是人的行为对自然因素的改造而造成的供给变化,包括工程避让、填海准备条件、抗灾减灾条件等。社会经济因素则是社会经济发展中能因各自水平的不同而决定供给能力的各类因素的总称,它通常是一定时间内客观存在的决定力量,包括社会经济基础条件、建设成本效益、文化政策因素等。由此,本文在穷举法和频度统计法基础上,对填海造地供给规模评定的指标项进行了初选,然后以相关系数的计算与检验完成二次筛选,最后,通过特尔斐法征询专家意见,确定的填海造地供给规模评定的指标项如表 1所示。
表 1 填海造地供给规模评价指标项Tab. 1 Index system of coastal reclamation supply scale evaluation一级影响因素 二级影响因素 指标项 编号 自然因素 水文气候条件 潮间带宽度 A-1-1 地质条件 海岸条件 A-2-1 近海海底坡度 A-2-2 不良沉降区比例 A-2-3 生物条件 生物总量 A-3-1 保护区面积比例 A-3-2 环境容量 环境总容量 A-4-1 海洋灾害指数 A-4-2 资源稀缺性 未利用岸线长 A-5-1 不可兼容功能区面积比例 A-5-2 人为因素 工程避让 水面工程避让 B-1-1 海底工程避让 B-1-2 填海准备条件 填充物自给率 B-2-1 工程准备区面积 B-2-2 抗灾减灾条件 设计标高重现期 B-3-1 减灾防灾投入 B-3-2 社会经济因素 社会经济基础条件 基础设施最大容量 C-1-1 产业集聚规模 C-1-2 建设成本效益 投资收益率; C-2-1 边际机会成本 C-2-2 文化政策因素 军事或法律禁区 C-3-1 1.2 指标项的标准化与赋值
按照指标项的基本度量方法,通过初步测算或查实而得到的结果,即指标项的计算值。由于不同指标项间的度量方式、步长与单位的不同,在综合运算时会引起不必要的语义混淆与逻辑混乱。因此,为了减少误差,必须在综合测评前对指标项的计算值进行无量纲化操作,转化为无单位的［0,1］区间内的数值,即指标的标准值。
按照指标项计算值的数学属性、标准值与评价目标的关系等可以将指标项分为两个大的类别:大部分指标项,具有明显的数字属性,其计算值的大小与填海造地的供给规模间存在明显的线性关系,仅仅通过不同计算值的比较,即可求得标准值,此类指标项称为非限定类指标项;另一小部分指标项,虽然具有数学属性,但是并不呈现简单的线性增长关系,而是需要依靠类型划分或区间限定,才能判断其与填海造地供给规模的关系,此类指标项称为限定类指标项。
非限定类指标项根据线性关系,又可划分为效益指标(即指标值越大越好,如利润、容量等)和成本指标(即指标值越小越好,如避让、成本等),如图 1中a、b所示。
可见,指标项A-1-1潮间带宽度、A-4-1环境总容量、A-5-1未利用岸线长、B-2-1填充物自给率、B-3-2减灾防灾投入、C-1-1基础设施最大容量、C-2-1投资收益率、C-2-2边际机会成本,属于效益指标。而指标项A-2-2近海海底坡度、A-2-3不良沉降区比例、A-3-1生物总量、A-3-2保护区面积比例、A-4-2海洋灾害指数、A-5-2不可兼容功能区面积比例、B-1-1水面工程避让、B-1-2海底工程避让、C-3-1军事或法律禁区,属于成本指标。
限定类指标项根据限定区间的不同,也可划分为单一固定区间指标(即指标值在某一固定区间内最好,大于或小于该区间都不好)和多段固定区间指标(即指标值分布在多个区间内,往往是按照类型划分的),如图 1中c、d所示。
可见,指标项B-2-2工程准备区面积、B-3-1设计标高重现期、C-1-2产业集聚规模,属于单一固定区间指标。而指标项A-2-1海岸条件,属于多段固定区间指标。
1.3 指标项的赋权与验证
为了保证测评结果的精度,须为指标项进行赋权。本文研究应用层次分析法和熵值法,并经验证后(计算过程略),确定的各指标项权重,如表 2所示。
表 2 填海造地供给规模评价指标项权重赋值Tab. 2 Index weight evaluation of coastal reclamation supply scale evaluation一级影响因素/权重 二级影响因素/权重 指标项/权重 自然因素 0.45 水文气候条件 0.062 潮间带宽度 0.062 地质条件 0.114 海岸条件 0.042 近海海底坡度 0.038 不良沉降区比例 0.034 生物条件 0.084 生物总量 0.041 保护区面积比例 0.043 环境容量 0.093 环境总容量 0.053 海洋灾害指数 0.04 未利用岸线长 0.051 资源稀缺性 0.097 不可兼容功能区面积比例 0.046 人为因素 0.28 工程避让 0.099 水面工程避让 0.049 海底工程避让 0.05 填海准备条件 0.089 填充物自给率 0.047 工程准备区面积 0.042 抗灾减灾条件 0.092 设计标高重现期 0.048 减灾防灾投入 0.044 社会经济因素 0.27 社会经济基础条件 0.102 基础设施最大容量 0.058 产业集聚规模 0.044 建设成本效益 0.109 投资收益率 0.055 边际机会成本 0.054 文化政策因素 0.059 军事或法律禁区 0.059 2 基于状态空间法的填海造地供给规模数理评定模型构建
2.1 状态空间法的基本原理与评定模型构建
状态空间法是“系统控制论中对变量状态的描述和综合分析的方法[6]”也是“欧氏几何空间用于定量描述系统状态的一种有效方法[14]”,对于复合系统,通常由表示系统各要素状态向量的三维状态空间轴组成,“该方法以系统变量为基础,旨在确定系统在现在或者未来的运动状态[6]”。
根据状态空间法的评价模型构建思路,将其应用于填海造地供给规模的评价,可以建立由人为因素(x轴)、社会经济因素(y轴)和自然因素(z轴)组成的三维空间状态图,如图 2所示。在此三维状态空间中,每一个点都代表了某一时刻的填海造地供给规模,而通过其在空间中的分布位置,则可以判定其不同系统轴的具体构成情况,及不同系统要素的贡献水平。
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图 2 状态空间法典型三维空间状态Fig. 2 Typical three-dimensional spatial state diagram of state-space method据状态空间法的数学原理,矢量模的计算法则,可知,若以T表示填海造地的供给规模面积,xi(i=1,2,…,n)表示表示复合系统中的任一指标项,则:
(1) 式中:｜M｜代表填海造地规模有向矢量的模;xir代表指标项处于状态空间中的坐标值;n代表选取的指标项数量;wi为指标项的权重。
2.2 最大供给规模的确定
供给评估的重点就是对最大供给极限的判定。在状态空间中首先根据理想最佳状态,可以建立一个曲面,应用于供给规模评测,即最大供给规模曲面,如图 3所示。当实际测评值位于曲面上方时(如图中A点),说明此时的供给规模已超出最大供给能力,难以实现;当实际测评值位于曲面中时(如图中B点),说明此时的供给规模正好达到最大供给能力;而当实际测评值位于曲面下方时(如图中C点),则说明此时的供给规模小于最大供给量,可以保证实现。
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图 3 状态空间法最大供给规模曲面三维空间状态Fig. 3 Three-dimensional spatial state of maximum supply scale by the state-space method实际操作中,只需将各个指标项的最大计算值转化为标准值,然后依据各自权重,通过公式(1),即可得到最大供给规模的模拟数值,从而绘出最大供给规模曲面。
3 填海造地供给规模评定模型的应用
3 填海造地供给规模评定模型的应用领域
对于无量纲化的数理评价模型,其综合测算的数字计算结果,并无单位,不对应任何实际意义的参量。因此,状态空间法得出的计算值并不是某区域填海供给的具体规模数量,而是为了实现区域填海供给规模的比较研究。根据比较层次的不同,可将相关应用分为不同地域的横向状态比较和同一地域的纵向历史比较两个方面。
3.2 不同填海造地区域供给规模的横向状态比较
该类型比较即分析对象为同一海域的不同填海可能区域,为具体填海地域的选址和决策提供比较依据,此外,通过对不同地域状态空间点分布的比较,也为进一步改善、加强或者回避、禁止不同类型的填海造地活动提供了更具针对性的研究依据。具体操作中,通过公式(1)计算得出各研究对象区域在当前状态下的可能供给规模。为便于比较,还可以分别计算各对于区域的X轴、Y轴、Z轴的加权赋值,构建如图 4的状态空间图。
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图 4 状态空间法不同区域供给能力比较Fig. 4 Comparison of supply ability of different area by the space-state method由此可实现对多个区域的供给能力的直观比较,进而通过图形构成的变化及对应的各轴赋值的大小,展示出不同区域的填海造地供给特点。例如图 4中,自然因素相差不大的两个区域,第一个区域的人为因素供给能力明显强于第二个区域,而第二个区域的社会经济基础造成的供给支撑能力则远远强于第一个区域。
3.3 同一填海造地区域供给规模的纵向历史比较
在决定填海造地供给规模的各类因素中,自然因素受先天条件和自然特征的限制通常是难以改变的,具有在相当长历史时期内的稳定性;而人为因素和社会经济因素中的很多因素会随着人类科技、工程水平、物质积累等的变化而变化。当纵向的评价某一具体地域的填海造地供给规模时,一定能在不同的历史节点得到不同的数据,从而形成一条变化的历史轨迹,如图 5所示。在此类评价中,通常自然因素的取值是稳定的,除非历史中出现地震、海啸等自然不可抗力而引起的突发性巨变;而人为因素和社会经济因素的变化趋势(增大或减少)则反映了不同历史时期供给能力的变化和潜力。
此类应用能够直观的掌握填海造地区域供给能力的历史变化脉络。对于有历史传承的填海造地区域(如港口)有利于总结填海造地的发展历程和把握历史发展中供给潜力变化的规律,掌握进一步实施填海造地或提升填海造地供给潜力的可能与着力点。而对于新兴的填海造地区域,则可以通过对未来发展趋势的预判,和长期数据跟踪记录等工作,实现对填海造地供给能力的合理分配与引导。
3.4 填海造地供给规模评定模型的应用价值总结
综合上述两类比较应用可看出,基于状态空间法的各类地域的填海造地供给规模模型不仅能够直观的反映该地域的填海造地供给能力,而且对于填海造地的决策有具有良好的参考价值。这主要体现在对下列特征突出的模型的判定上:
(1)对于自然因素分值较高,另两类因素分值较低的模型。该模型反映出对象区域具有良好的可填海造地的自然条件,但在人为因素的限制和社会经济因素的支撑上阻碍了填海造地供给能力的发挥。因此,对于此类区域实际可在决策中予以重视或鼓励,通过对周边社会经济条件的改善及人为限制因素的改良,实现在一定历史时期内对填海造地供给规模或潜力的提升。由此,可将填海造地引导在自然条件相对最合适容纳的区域内,在决策选址中就尽最大可能减少其对环境和生态的不利影响。
(2)对于社会经济因素分值较高,自然因素分值很低的模型。该类模型区域实际是填海造地的高风险区,但是又通常具有较大的填海造地需求,而自然条件的制约和旺盛的需求间存在不小的现实矛盾。因此,在决策中应该慎重评定,在充分尊重历史事实和现状需求的基础上,尽量审慎决策此类区域,以减少填海造地的生态环境负效益,避免难以逆转的损失。
(3)对于限定类指标项赋值为0的模型。由于前述对限定类指标项的特征描述,0代表该指标项位于最差评价区间内,该对象区域不适合进行填海造地活动,应列为填海造地禁止区。在决策中应将此类区域明确排除在填海造地的可能范围之外,也即该类指标具有"一票否决权"。
4 结语
本文在对填海造地供给规模影响因素的总结、分类、筛选的基础上,建立了填海造地供给规模评价的指标体系。然后,通过指标的标准化处理和权重分配,在无量纲化操作的平台上,搭建了基于状态空间法的填海造地供给规模评定模型,给定了测评的数理公式,并具体的展示了最大供给规模等的确定与应用。最后,本文在不同供给状态模型的比较中,实现了对不同特点的填海造地区域的现实评判、建设选址等对策建议的提出。
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图 2 状态空间法典型三维空间状态
Fig. 2. Typical three-dimensional spatial state diagram of state-space method
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图 3 状态空间法最大供给规模曲面三维空间状态
Fig. 3. Three-dimensional spatial state of maximum supply scale by the state-space method
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图 4 状态空间法不同区域供给能力比较
Fig. 4. Comparison of supply ability of different area by the space-state method
表 1 填海造地供给规模评价指标项
Tab. 1 Index system of coastal reclamation supply scale evaluation
一级影响因素 二级影响因素 指标项 编号 自然因素 水文气候条件 潮间带宽度 A-1-1 地质条件 海岸条件 A-2-1 近海海底坡度 A-2-2 不良沉降区比例 A-2-3 生物条件 生物总量 A-3-1 保护区面积比例 A-3-2 环境容量 环境总容量 A-4-1 海洋灾害指数 A-4-2 资源稀缺性 未利用岸线长 A-5-1 不可兼容功能区面积比例 A-5-2 人为因素 工程避让 水面工程避让 B-1-1 海底工程避让 B-1-2 填海准备条件 填充物自给率 B-2-1 工程准备区面积 B-2-2 抗灾减灾条件 设计标高重现期 B-3-1 减灾防灾投入 B-3-2 社会经济因素 社会经济基础条件 基础设施最大容量 C-1-1 产业集聚规模 C-1-2 建设成本效益 投资收益率; C-2-1 边际机会成本 C-2-2 文化政策因素 军事或法律禁区 C-3-1 
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表 2 填海造地供给规模评价指标项权重赋值
Tab. 2 Index weight evaluation of coastal reclamation supply scale evaluation
一级影响因素/权重 二级影响因素/权重 指标项/权重 自然因素 0.45 水文气候条件 0.062 潮间带宽度 0.062 地质条件 0.114 海岸条件 0.042 近海海底坡度 0.038 不良沉降区比例 0.034 生物条件 0.084 生物总量 0.041 保护区面积比例 0.043 环境容量 0.093 环境总容量 0.053 海洋灾害指数 0.04 未利用岸线长 0.051 资源稀缺性 0.097 不可兼容功能区面积比例 0.046 人为因素 0.28 工程避让 0.099 水面工程避让 0.049 海底工程避让 0.05 填海准备条件 0.089 填充物自给率 0.047 工程准备区面积 0.042 抗灾减灾条件 0.092 设计标高重现期 0.048 减灾防灾投入 0.044 社会经济因素 0.27 社会经济基础条件 0.102 基础设施最大容量 0.058 产业集聚规模 0.044 建设成本效益 0.109 投资收益率 0.055 边际机会成本 0.054 文化政策因素 0.059 军事或法律禁区 0.059
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