（轮机工程专业论文）船舶压载水风险评估中环境相似性的分析研究.pdf

q a n a l y s i so f e n v i r o n m e n t a ls i m i l a r i t yi nt h er i s ka s s e s s m e n t o fb a l l a s tw a t e r at h e s i ss u b m i t t e dt o d a f i a nm a r i t i m eu n i v e r s i t y i n p a r t i a lf u l f d l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g b y l ib i l l ( m a r i n ee n g i n e e r i n g ) t h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r d a n gk u n j u n e2 0 1 1 肼79 iii-698iy i ， 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文：超魈匡塾盔迅险迁垡主巫缝担丛丝鳆坌扳硒塞：。除论 文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经 公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 奎蛾 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论 文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式 出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密( 请在以上方框内打“一) 论文作者签名：苍拭 导师签名： 日期：a 酬年 一 洋生物入侵问题也引起了人 范围内的生态环境和经济都 受到了严重影响。 鉴于压载水的巨大危害，在黄海大海洋生态系的船舶压载水风险评估中，本 文选取部分中韩港口进行了环境相似性的研究。通过对各项指标的甄选，以及深 入的分析、计算，最终确定了源港口对目的港的环境相似程度。本文的主要工作 如下： 第一，选定以大连为接受港，仁川、大山、群山、木浦为压载港，进行了环 境相似性的分析。对各个港口近年来的温度、盐度等六项环境数据进行了收集、 整理，并对往来于中韩港口的船舶做了统计。 第二，构建了以适生性为主，兼有入侵性、扩散性和危害性的评估体系。对 于适生性，运用夹角余弦法，通过调用m a t l a b 程序计算环境相似度来反映。权 重方面，根据不同指标的特点，结合了主观法与客观法进行加权。 第三，采用v i s u a lb a s i c 语言，结合e x c e l 数据库进行系统开发。本环境数据 信息管理系统主要有信息查询、数据更新等几个模块，以便不同用户的使用。 通过环境相似度计算，得到各项环境因素的相似度顺序为：p h 盐度 温 度 d o d i n d i p ；大连一大山、大连一仁川的环境相似度较高，海事主管部门可 据此有侧重地对压载水进行管理。 关键诃：压载水；环境相似性；风险评估 r o fm a r i n e w i d e s p r e a d e c o l o g i c a l i nv i e wo fg r e a th a r m so fb a l l a s tw a t e r , i nt h er i s ka s s e s s m e n to fb a l l a s tw a t e ri n t h ey e l l o ws e al a r g em a r i n ee c o s y s t e m , t h ee n v i r o n m e n t a ls i m i l a r i t yo f p a r to fc h i n a a n ds o u r t hk o r e a np o r t sw a ss t u d i e d t h r o u g ht h es e l e c t i o no fi n d i c a t o r s ，i n - d e p t h a n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o n , f i n a l l yt h ee n v i r o n m e n t a ls i m i l a r i t yo fs o u r c 宅p o r t sf o r d e s t i n a t i o np o r t si se s t a b l i s h e d t h em a i n w o r ki sa sf o l l o w s ： f i r s t , d a l i a nw a s l e c t e da st h er e c i p i e n tp 0 心i n c h e o n , d a e s a n , g u n s a n , a n d m o k p oa sd o n o rp o r t st oa n a l y z et h ee n v i r o n m e n t a ls i m i l a r i t y f o re a c hp o r t , s i x e n v i r o n m e n t a ld a t ai n c l u d i n gt e m p e r a t u r ea n ds a l i n i 锣i nr e c e n ty e a r sw a sc o l l e c t e da n d a r r a n g e d , a n dt h es t a t i s t i c sw e r em a d eo ns h i p ss a i l i n gb e t w e e nc h i n aa n ds o u r t h k o r e a np o r t s s e c o n d , t h ea s s e s s m e n ts y s t e mw h i c hi n c l u d i n ga d a p t a b i l i t ym a i n l y ，p r o l i f e r a t i o n a n dh a r m f u ls u p p l e m e n t e dw a sc o n s t r u c t e d a n g l ec o s i n el a ww a su s e d , a n dm a t l a b p r o g r a mw a sc a l l e dt oc a l c u l a t es i m i l a r i t yt or e f l e c ta d a p t a b i l i t y i nt e r m so fw e i g h t , a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n ti n d i c a t o r s ，s u b j e c t i v ea n do b j e c t i v em e t h o d s w e r ec o m b i n e df o rw e i g h t i n g t h i r d , v i s u a lb a s i cl a n g u a g e ，c o m b i n i n gw i t he x c e ld a t a b a s ew a su s e dt od e v e l o p t h es y s t e m t h i se n v i r o n m e n t a ld a t aa n di n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e mm a i n l y c o n s i s t e do fi n f o r m a t i o nq u e r y ，d a t au p d a t e ，a n ds e v e r a lo t h e rm o d u l e s ，s oi tc o u l d f a c i l i t a t et h e 嘁o fd i f f e r e n tu s e r s 英文摘要 t h r o u g hc o m p u t i n g t h ee n v i r o n m e n t a l s i m i l a r i t y ，t h e o r d e ro fv a r i o u s e n v i r o n m e n t a lf a c t o r s s i m i l a r i t y i s觞s h o w n ：p h s a l i n i t y t e m p e r a t u r e d o d i n d i p ；d a l i a n - d a e s a n a n dd a l i a n i n c h c o nh a v e h i g h e n v i r o n m e n t a ls i m i l a r i t y ，a c c o r d i n gt ot h er e s u l t s ，m a r i t i m ea u t h o r i t i e sw o u l dt h e nb e a b l et oh a v ef o c u s e do nb a l l a s tw a t e rm a n a g e m e n t k e yw o r d s ：b a l l a s tw a t e r ；e n v i r o n m e n t a ls i m i l a r i t y ；r i s k a s s e s s m e n t 11 曩 目录 目录 j j l言1 第1 章综述2 1 1 船舶压载水概述2 1 1 1 船舶压载水的概念2 1 1 2 船舶压载水的危害。4 1 1 3 外来物种随船舶压载水转移的机理6 1 1 4 影响物种迁移的因素7 1 2 船舶压载水的相关立法和公约8 1 2 1i m o 关于船舶压载水的立法进程8 1 2 2 国内立法进程9 1 3 船舶压载水风险评估1 0 1 3 1 国内外船舶压载水风险评估现状。1 0 1 3 2 压载水管理公约g 7 导则1 3 1 4 选题背景及研究概况。1 4 1 4 1 选题背景1 4 1 4 2 研究内容及方法1 4 第2 章风险评估区域概况1 6 2 1 黄海大海洋生态系1 6 2 1 1 黄海1 6 2 1 2 渤海18 2 2 评估港口。1 9 2 2 1 大连港19 2 2 2 仁il 港2 0 2 2 3 大山港2 0 2 2 4 群山港2 0 2 2 5 木浦港2 1 第3 章环境相似性评价指标体系。2 2 3 1 指标体系的建立原则。2 2 3 2 指标体系的构建2 2 3 2 1 指标体系结构。2 2 目录 3 2 2 指标定义2 4 3 2 3 指标之间的关系3 1 3 5 本章小结3 2 第4 章环境相似性评价体系中的计算3 3 4 1 相似度计算3 3 4 1 1 相似度计算中的相关理论3 3 4 1 2 相似度计算方法3 6 4 2 权重的确定3 9 4 2 1 主观法一3 9 4 2 2 客观法。3 9 4 3 本章小结。4 5 第5 章港口环境数据信息管理系统的开发4 6 5 1v i s u a lb a s i c 简介4 7 5 2 系统开发思路及制作4 7 5 2 1 开发思路4 7 5 2 2 系统制作。4 7 5 3 管理系统功能模块4 8 5 4 系统应用5 2 5 5 数据库5 5 5 5 1 环境数据库5 5 5 5 2 船舶数据库5 5 5 6 本章小结5 6 第6 章结论与展望5 7 6 1 结论5 7 6 2 展望。5 7 参考文献5 9 附录a 专家意见调查表6 3 附录b 专家调查名录6 6 攻读学位期间发表的论文6 7 致谢6 8 研究生履历6 9 船舶压载水风险评估中环境相似性的分析研究 引言 航运业是世界贸易的重要组成部分，运送着全球9 0 以上的货物和商品。船舶要在 海上安全航行，必须根据当时的装载状态和自身性能加载一定量的压载物，其作用是保 证船舶具有良好的稳性和浮性。自1 9 世纪8 0 年代以来，船舶开始普遍采用水作为压载 物，称之为船舶压载水。然而，船舶压载水却为不同水域间一些物种的传播提供了便利 条件。到目前为止，全球已确认有5 0 0 种左右的外来生物物种是由船舶压载水传播的， 这些生物一旦入侵到新的适宜生存区域，就能不可控制地进行疯狂繁殖，掠夺本地生物 作为食物，使得有害寄生虫和病原体大面积迅猛传播，严重破坏当地的海洋生态平衡。 在严峻的现实之下，各国也纷纷加强了对压载水的管理，以防范外来物种入侵，而 船舶压载水风险评估恰是开展船舶风险管理的基础。目前世界上压载水风险评估的方法 和手段多种多样，有些已经颇具成效，为防止外来海洋生物入侵发挥了重要作用。 本文对黄海大海洋生态系部分港口( 大连港、仁川港、大山港、群山港、木浦港) 之间的环境相似性进行了分析，并结合其他指标建立了评价体系，计算风险值，在此基 础上开发了环境数据管理系统，可以有效地管理各个港口的环境数据，并使海事主管部 门可以及时获得相关风险预警。 第l 章综述 1 1 船舶压载水概述 第1 章综述 1 1 1 船舶压载水的概念 ( 1 ) 定义 根据2 0 0 4 年2 月世界海事组织o m o ) 在总部伦敦通过的国际船舶 控制和管理公约，船舶压载水是指为控制船舶横倾、纵倾、吃水、稳性或应力而加装 到船上的水及悬浮物质【l 】。出于经济和方便压载等原因，船舶一般都是以海水作为压载 媒质即一般所称的“压载水 。 由于船舶的大小和用途各不相同，每条船所能装载的压载水也有所不同，一般为几 百吨到几十万吨不等，通常占船舶载重量的3 0 - - 一6 0 。表1 1 为一些主要船舶的压载 水容量分布。 表1 1 主要船舶的压载水容量分布1 t a b 1 1c a p a c i t yd i s t r i b u t i o no f l 血em a i ns h i p s b a l l a s tw a t e r 2 1 船舶压载水风险评估中环境相似性的分析研究 表1 1 主要船舶的压载水容量分布啪( 续) t a b 1 1c a p a c i t yd i s t r i b u t i o no f t h em a i ns h i p s b a l l a s tw a t e r l 2 1 ( c o n t i n u e d ) ( 2 作用 根据船舶营运的情况，需要对全船压载舱注入或排出压载水，来达到下面几个目的： 调整船舶吃水的深度、船体横向、纵向的平稳性以及安全的稳心高度； 尽量减小船体的变形，降低船体的震动，避免造成过大的剪切力和弯曲力矩； 在船舶空载时，可以改善其适航性，使推进器和舵一直处于水面以下，以确保良 好的操纵性能，并使船舶拥有足够的推进性能； 对于淡水和燃油所带来的吃水变化，可以予以补偿。 船舶压载可以分为港内压载和海上压载，两种压载情况有着不同的目的和要求。 港内压载的主要目的：保证船舶的稳定性；调节船舶的纵倾及吃水深度，使船 体正浮；把船舶的剪切应力和弯曲应力控制在允许的范围内，避免由于不当或失误性 的操作而带来严重后果；保持装卸货时的平稳以确保船舶的安全。 海上( 航行中) 压载的主要目的：保持平稳，保证航行中的安全；提高船舶的 纵倾、吃水以达到最大舵效；提高操纵性能，保证船舶的安全。 针对不同的船型需要设置不同的压载舱，一般常用艏尖舱、顶边舱、边舱、深舱、 双层底舱作为压载舱。调节艏艉尖舱的压载水量可以控制船舶的纵倾，利用边舱可以调 节横倾，利用深舱进行重心高度的调整，有效地减小船舶的剪切力和弯曲应力。 1il l 第1 章综述 _ _ _ - - - - _ _ _ _ 一 表1 2 各类船型压载水的用途3 t a b 1 2t h e 嘲o f b a l l a s tw a t e ro f v a r i o u st y p e so f s h i p s 【3 】 船舶类型 压载水用途 普通干货船 滚装船 客船客滚船 集装箱船 渡轮 渔船 冷藏船 军事船舶 用于船舶在所有的装载条件下需要用压载 水调节稳性、横倾和纵倾 散货船 液货船 用于替代货物、增加吃水、保证稳性。压 液化气体船载水量需要量大，最主要用于空载航行中 矿砂石油两用船 载驳货船 用于装卸货物操作，在当地加装压载水并 浮上脬下船舶 在当地排放 浮动起重船 ( 3 ) 分类 船舶压载水可以分为两大类：油舱压载水。目前油船均有专用压载舱，除极少数 外，大都无含油压载水，故本文对此不作考虑；货舱压载水【4 】 1 1 2 船舶压载水的危害 船舶压载水对海洋环境的侵害之大，已被全球环保基金组织( g e f ) 确认为危害海洋 的四大威胁之一( 其他分别是陆源污染、对水生生物资源的过度开发和对海洋栖息地的 物理性改变和破坏) 【5 1 。 船舶压载水产生的影响可以分成四类：生态上的、经济上的、对人类健康的以及难 以预见的长远影响。 4 - 1 i ：1 船舶压载水风险评估中环境相似性的分析研究 ( 1 ) 生态影响 船舶压载水带来的外来海洋生物入侵，会与当地物种争夺生存空间、食物，影响当 地物种的生存且极易形成大面积的单优群落，降低生物多样性，使其它物种没有适宜的 栖息环境。破坏当地的物种结构和食物网结构，造成生态系统的失衡。国际上已有许多 这样的事例： 2 0 0 2 年，科学家们经研究发现，英伦三岛的中华绒螃蟹就是靠船舶压载水引入了当 地，给附近海域的港口设施建设以及渔业带来了严重的影响，此外，还有多种水生植物、 动物是随压载水转移到了英国北海。8 0 年代初，热带绿海藻被传播到了地中海，从1 9 8 4 年到1 9 9 6 年短短十几年的时间里，该藻类就由l m 2 扩散到了3 1 0 7m 2 的水域，破坏了 原有水生植物的正常生长，占据了很多水生动物的生存空间旧。入侵到美国旧金山湾的 美洲蛤，在适应了当地的环境后迅速繁殖，每天几乎整个湾内的水体都被它们用于吸食 而过滤，这样导致其他滤食性生物数量急剧下降，最终消失。 中国是世界十大海洋运输国之一，据统计，入侵我国的外来物种，约占到了世界上 百种最危险外来生物的一半，特别是一些外来赤潮生物的入侵，使得近几年赤潮灾害在 我国愈演愈烈。诸如新月菱形藻等一些藻类，它们经船舶压载水进入到其他水域后，很 快就能适应当地的生存环境，一旦大量繁殖便可产生赤潮，破坏原有的海洋生态系统， 威胁其他海洋生物的生存，我国沿海就因此遭受了巨大的影响。 ( 2 ) 经济影响 船舶压载水带来的外来海洋生物入侵，还会对当地的经济造成严重的影响，渔业、 旅游业等行业都损失巨大。这种经济损失可以分为直接损失和间接损失两大类，直接损 失主要指外来海洋生物对渔业、工业等行业或人身安全、财产的损害，以及由此增加的 一系列费用；间接损失指由于海洋生态系统结构的稳定性、物种的多样性遭到破坏所带 来的经济损失，这其中也囊括了国家相关部门为压载水管理进行的各种支出，包括监测、 研究、制订法规等等m 。 欧洲斑马贝引入北美大湖区，其大批滋长造成工厂冷却水入口被堵，到2 0 0 0 年已 给美国造成5 0 亿的经济损失。北太平洋海星进入澳大利亚南部，由于其以贝类为食， 严重影响了经济性贝类的养殖业。我国的许多商业海港附近都有大量的海产养殖场，来 第1 章综述 自世界各地的商船每年将大量的压载水排放到这些港口水域中，对我国的渔业生产产生 了一定的影响。2 0 0 5 年3 月，国家环保总局公布，我国由于生物入侵造成的直接经济损 失高达5 7 4 亿元，其中海洋入侵生物是主要成因之一哺】。 ( 3 ) 对人类健康的影响 海运是人类健康的一大潜在威胁。船舶压载水带来的入侵物种可能带有病原生物和 寄生虫，人如果食用了相关的生物，就可能对健康有所影响。 上世纪8 0 年代，有些有毒甲藻侵入了塔斯曼海域，它们产生的藻毒素可在食用贝 类的体内积累，当人类误食了这些贝类后，就会患上麻痹性神经中毒症【9 】，严重的还会 导致死亡。南美洲西岸，现今世界上霍乱的主要传染源，普遍认为是压载水将亚洲的霍 乱菌传入了当地【6 】。 ( 4 ) 难以预见的长远影响 上述的一些通过压载水迁移的外来生物，由于其自身有毒或有害，危害性通常在短 期内就可表现出来。但也有例外，有的外来物种本身未表现出毒性或有害性，但随着时 间的推移，其危害性会在新的环境或生态系统中表现出来，比如进入黑海的北美栉水母， 只是因为它食入了经济鱼类鳗鱼，才表现出一定的危害性，这很难预料。还有一些可 能影响当地生态系统，导致自然物种灭绝，这种长远的影响也是无法准确预见的。 1 1 3 外来物种随船舶压载水转移的机理 由于不同水域间的物种存在着一定差异，这就会导致外来物种随压载水转移而造成 污染。地球上的海洋，从简单的环境因子，如：温度、盐度，到物种、种群、群落，这 样复杂的生物因子，都存在着差异。物种分布有其严格的地域特征，这是经过自然界长 期演化形成的。入侵的外来物种常常会使当地的生态系统遭到破坏。 屯 图1 1 外来物种随船舶压载水转移机理 f 培1 1t h em e c h a n i s mo f a l i e ns p e c i e st r a n s f e rw i t hb a l l a s tw a t e r 与自然因素造成的物种转移相比，压载水带来的物种转移有很大的不同。通常自然 因素导致的物种转移所需时间较长，受到一些因素的阻碍还会被限制在一定的范围内。 秽扣一 而以压载水为媒介的转移是人为因素，一般时间较短，转移范围较大，斑纹贻贝早期生 活在亚速海和里海，由于自然因素的影响，2 0 世纪在北欧生长蔓延，由于它生长在低盐 妇毋 水域，所以自然因素不能使其越过大西洋扩散到北美的内陆水系，是在船舶的“保护 下，跨越了自身、自然因素这些难以逾越的屏障。现今，随着航运业的发展，船舶变得 越大越快，这在一定程度上也增加了物种转移的可能性。 1 1 4 影响物种迁移的因素 当一个区域的物种随船舶压载水转移到另外一个区域时，必须满足一定条件，影响 因素主要有以下几个方面【4 】： ( 1 ) 压载区域和接受区域之间环境因素的相似度 如果船舶压载水的压载区域和接受区域在温度、盐度等一系列环境因子上十分相 似，差异很小，那么外来物种极易在当地生存；相反，如果二者差异很大，即使外来物 种能在压载水中存活，但由于无法适应当地的环境，外来物种也很难生存。本文就是基 于环境相似性进行的风险评估。 第1 章综述 ( 2 ) 接受水域的生态系统 如果压载水接受水域的生态系统相对单一，不是很稳定，外来物种就容易立足，若 再加之缺少天敌，很可能就繁殖成为优势种；相反，如果接受水域的生态系统比较稳定， 生物种类较多，那么外来物种就难以立足，亦或外来物种在新环境中有天敌，这样也会 使其繁殖受到影响。事实上，物种对非生物因子的最适区段或耐受范围也常因物种间的 竞争而改变。因此，物种迁移受到接受水域生态系统的影响还是很大的。 ( 3 ) 航运业的发展 世界货运量的9 0 要靠航运业，由于船舶的载重量较大，成本较低，受到了货主的 普遍欢迎。近年来，随着对船舶的不断改进、提速，使得航运业更具竞争力。对于一艘 大型船舶，它所能装载的压载水是大量的，其中携带的生物种类和数量必然也是十分庞 大的，这就增加了转移外来物种的危险性。从船舶类型来看，散货船的压载水量相对大 些，其转移物种的危险性相对于杂货船、集装箱船也大一些。因此，航运业的发展程度、 船舶类型、到港船舶数量等都会影响到物种的迁移。 ( 4 ) 港口水下设施建设和疏浚 港口水下设施建设、疏浚会影响水中生物的正常生存，改变底栖生物的栖息环境， 这样就创造了一个外来物种与本土物种竞争的机会，因为改变后的环境对于二者来说， 都是一个新的环境，甚至如果外来物种之前已经适应了这种环境，那么它很快就能建立 自己的种群，成为优势种。 1 2 船舶压载水的相关立法和公约 1 2 1i 粕关于船舶压载水的立法进程 为控制压载水带来的海洋污染问题，i m o 在近几十年里制定了许多公约或条款： 1 9 7 3 年，防止海洋污染的国际会议第1 8 号决议，提出关于对含有致病细菌的压 载水排放所引起的后果进行研究。 1 9 8 2 年，联合国环境与发展大会制定联合国海洋法公约。 1 9 9 1 年，m e p c ( 5 0 ) 3 1 决议提出关于防止船舶压载水引进有害水生物和病原体 的指南。 船舶压载水风险评估中环境相似性的分析研究 1 9 9 2 年，联合国环境与发展大会制定生物多样性公约，要求i m o 考虑制订压 载水排放规则。 1 9 9 3 年，i m o a 7 7 4 ( 1 8 ) 决议提出将解决有害水生物和病原体传播置于重要地位。 1 9 9 7 年，i m o a 8 6 8 ( 2 0 ) 决议制定关于控制和管理船舶压载水，减少有害水生物 和病原体传播的指南，提出 关于船舶压载水管理规则。 2 0 0 1 年，m e p c 第4 5 次会议形成具有法律约束的船舶压载水和沉积物管理国际 公约草案。 2 0 0 4 年，i m o 通过了国际船舶压载水和沉积物管理公约( b w m 公约) ，在 公约的g 7 导则中规定了风险评估方针。 2 0 0 5 年7 月。m e p c ( 1 2 6 ) 5 3 决议通过 关于压载水管理系统认可的导则( g 8 ) 及 a - 1 1 0 0 ，0 3 9 0 ，0 1 4 1 ，0 3 6 0 ，0 1 2 0 ，0 3 4 0 ，0 3 0 5 ，0 3 9 5 ，0 1 8 0 ； b = 0 4 9 3 ，0 4 9 9 ，0 4 7 7 ，0 7 6 1 ，0 4 3 1 ，0 5 7 6 ，0 4 0 1 ，0 5 9 5 ，0 4 5 1 ； 接着利用m a t l a b 所提供的运算，输入 d o t ( a , b ) ( n o r m ( a ) n o r m ( b ) ) 得到 a n s2 第4 章环境相似性评价体系中的计算 0 7 9 9 1 即大连港和仁川港d i n 的相似度为0 7 9 9 1 。其他港口以及其他环境因素的计算类 似，这里不再赘述。m a t l a b 计算相似度获得的精度较高，而且还提供了可调用的运 算，较为简便，省去了手工大量运算的麻烦。 根据m a t l a b 的计算，表4 3 为各港与大连港的环境相似度： 表4 3 各港与大连港的环境相似度 t a b 4 3t h ee n v i r o n m e n t a ls i m i l a r i t yw i t hd a l i a np o r ta n de v e r yo t h e rp o r t 大连仁j l l 大连一大山大连一群山大连一木漓 图4 2 各港与大连港的环境相似度对比 f i g 4 2t h ec o m p a r i s o no f t h ee n v i r o n m e n t a ls i m i l a r i t yw i t hd a l i a np o r ta n de v e r yo t h e rp o r t 由图4 2 可以看出，港口各项环境因素的相似度的大小顺序为：p h 盐度 温 度 d o d i n d i p 。前三项的相似度值较高，后两项的较低。对于相似程度偏高的环境 因素，如能在加装、排放压载水时加以控制，会对外来物种的适生性产生一定的影响。 j 9 了 矗 了 7 ， 6 仉 附 仉 配 仉 坛 仉 船舶压载水风险评估中环境相似性的分析研究 4 2 权重的确定 权重是综合评价中非常重要的一个因素，它通过对指标赋予一个数值来反映该项的 相对重要性。因此，权重的构成越合理，评估的结果便会越具科学性【5 5 1 。指标的加权有 主观法和客观法两种。 主观法主要依靠决策者对指标重要性的认识和理解，以此来为指标赋权。常用的主 观法有专家调查法、层次分析法、二项系数法等；客观法是对于各项指标的数据，运用 数学的方法计算得出权重，有最小二乘法、熵值法、最大方差法等【1 4 】。 4 2 1 主观法 有时数据不是很充足，研究成果比较有限，由于专家调查法充分利用了专家的专业 分析及经验，所以相对于精确的数值而言，专家调查法更为可靠【铜。在本文的评价体系 中，有些海洋环境数据信息不是很全面，加之有些定性的指标难以使其量化来衡量，- 所 以对r l 、r 2 、r 3 三个准则层的指标采用专家调查法进行评判。 本次问卷咨询了若干位在压载水研究领域颇有经验的专家和学者，并实行不记名打 分。问卷分为两部分，第一部分主要针对评估体系指标的整体构建，请专家依据自己的 专业知识指出体系中多余或缺少的指标，这样便于进一步完善指标体系。第二部分首先 对r 3 、凡中的指标打分，满分为1 分，根据中国外来生物物种基础信息数据库【4 5 】的信 息评判相关数据指标，最终将各结果平均得到分值；接下来由专家对r 3 、心中的指标 赋予权重，每个指标的权值反映的是该指标在这一准则层中的重要性，实行的也是1 分 制，用算术平均法计算最终的权重值。考虑到目前压载水的研究现状，很多问题还没有 得出明确的研究结果【5 刀，所以问卷中设置了可信度s ( 百分制) ，由专家为自己所做判 断的可靠性给出评价，最后综合得到评价结果。专家意见调查表以及专家名录见附录a 和附录b 。结果按照下面两式来统计。 准则层值：尽= 吩 ( 4 6 ) 可信度：s = ( 4 7 ) 第4 章环境相似性评价体系中的计算 4 2 2 客观法 主观法也有其弊端，由其确定的权重往往具有较强的主观解释性，有时评判主体认 识的侧重有所偏差就会给一些实际问题的分析带来不同的结论。鉴于此，考虑到的r 2 中的各项环境因子均有精确的数据作支撑，所以本文采用偏差均方大小来判断评价函数 的稳定性，进而转化为优化问题，便可相对客观地对各项指标进行加权【5 引。 ( 1 ) 选用方法原理 设待评价的向量为郴l ，x 2 ，1 。，评价函数y ( 满足y = a l x l + a 2 x 2 + 惝，式中的a l 为权值，且满足o a l l ，i = l ，2 ，n ， 一 = 1 。把 ，i l x 的第i 个样本值记作：毛i = l i ，x 2 i ，o o 7x m ) 1 ，i = l ，2 ，t 。 数据整理 钆剔除原始数据中的异常数据 在大多数情况下，x i 的原始数据x i j ( j = l ，2 ，t ) 呈正态分布，但也会存在一些异 常的数据，这些异常数据不利于反映真实的评价结果，所以用到了格拉布斯( g r u b b s ) 准则【5 9 】对异常数据进行剔除。 b 数据无量纲化处理 剔除异常数据之后，x ；i ，x 2 ，x n ) t 的t m 个样本的原始数据阵为心= ) 。 令艺x ，? m s ： ，4 ，矗= 一t ) 巴，那么无量纲化数据阵为 峨= ( 璐) 确定评价函数中的权重 假设经过无量纲化处理后，原始数据仍然记为心= ) 那么确定权值a i 即为 一 在o a i 1 ，= 1 的条件下，得到a i ( i - 1 ，2 ，n ) 的值，使y 客观准确地 ，- l 反映评价结果m 。若o t i 越合理，那么y ( 毛i ) = a l x l x 2 i 斗咖o ( i - l ，2 ，m ) 越接 111j】叫叫 船舶压载水风险评估中环境相似性的分析研究 近m ，因而可取偏差均方尸= ( ( 坎参) 一加2 ) 岛来判断y 的稳定性。p 值越小，权 i = l， 值a i 就越合理，根据矩估计原理，y ( ) ( ) 的方差d ( y 0 0 ) 也就应该越小。设x l ，x 2 ， x n 的协方差矩阵z = ( c 0 畎z 尹x j ”脚所对应的经验协方差矩阵为s = ( 乃) 脚，其中 ， s = 瞪岱彘一叉i 池洙一叉j n 。 i 及o h = ( a l ，眈，) t ，则d ( h 鳓= 口砭口窆窆哆c 0 畎互，_ ) ，从而确定权值 i = 1 ，1 n a i 可以转化为在o o i l ， y - , a i = 1 的条件下，寻找一个o 【i ( i = 1 ，2 ，n ) 使a s a 能够达 f = l 到最小值，也即为求解下面的优化问题： r a i na s a ，s t p 铴q ， 耳 = 1 f 1 1 这里p 、丫是根据实际研究的对象所确定的常数，并且0 1 3 1 ，o y l 。本文中，通 过专家问卷调查最终得到p 、丫的取值范围。从上式可以看出，加权的关键在于计算经 验协方差矩阵，所以该种赋权方法客观性较强。 ( 2 ) 计算过程 首先对计算出的相似度数据进行整理，建立数据阵c ，计算经验协方差矩阵： f o ri = l ：s i z e ( e ，1 ) f o r j = 1 ：s i z e ( c ，1 ) s ( i j ) ：s u m ( ( c ( i ，：) - m e a n ( c ( i ，：) ) ) ( c ( j ，：) 一m e a n ( c o ，：) ) ) ) ( s 让喊c ，2 ) ) ； e n d e n d 接下来，用m a t l a b 求解最优化问题。m a t l a b 最优化工具箱提供了一个f i n i n c o n 函数，可用于求解各种约束下的最优化问题。该函数的调用格式为： i x ，f v a l - - f m i n c o n ( f i l a l i l e ，x o a , b a e q ，b e q ，l b n d ，u b n d ，n o n f ，o p t i o n s ) 参数n o n f 为非线性约束函数的m 文件名。如果某个约束不存在，则用空矩阵来表示。 约束条件可以细化为： 线性不等式约束：a x _ x o = o 5 ；0 5 ；0 5 ；0 5 ；0 5 ；0 5 】； a e q = 1 ，l ，1 ，l ，1 ，l 】； b e q - 【1 】； i b = o 2 ；0 2 ；0 ；0 ；0 0 2 ；0 0 5 】； u b = 1 ；1 ；o 3 ；0 3 ；1 ；0 1 5 】； o p t i o n s = o p t i m s e t ( d i s p l a y ，o f f ) ； 【x ，f - - f i n i n c o n ( f o p ，x o ，口，口，a e q , b e q ，i b ，u b ， 】，o p t i o n s ) 计算结果如下： x o 0 3 2 8 8 0 3 2 8 8 0 1 3 6 2 0 1 3 6 2 0 0 2 0 0 0 0 5 0 0 各环境因素在总相似度中所占的比重如图4 3 所示。 盐度 3 2 8 8 图4 3 各项环境因素所占的比重 f i g 4 3t h ep r o p o r t i o no f t h ev a r i o u se n v i r o n m e n t a lf a c t o r s 从上图可以看出，温度和盐度在总相似度的构成中最为重要，这与物种对环境因子 依赖程度的实际情况相符。该种方法确定的权重更具客观性，而且精确度也相对较高。 ( 3 ) 环境总相似度的计算 根据上面得到的各环境因素的相似度值及权重值，计算各个港与大连港的总相似 度。 由表4 3 可以看出，建立该矩阵比较大而且较复杂，故可以为它专门建立一个m 文 件。首先启动m a t l a