混合防波堤可持续性的概率评估：概念化与指标权重不确定性的影响

《Sustainable Futures》：Probabilistic sustainability evaluation of hybrid breakwaters considering uncertainty in conceptualization and indicator weighting

　　

专业术语翻译的摘要 混合基础设施的一个显著特征是需要在其多种功能表现之间寻求平衡。多准则决策分析（Multi-Criteria Decision Analysis，MCDA）是探索这种平衡并识别理想解决方案的理想工具，但在海岸基础设施中的应用实例很少。本研究对混合防波堤结构进行了基于概率的多准则决策分析的可持续性评估，考虑了两种方法论不确定性来源：概念化和加权。目标结构通过建设与维护成本、珊瑚覆盖面积以及隐含CO2排放量进行评估。在该分析框架中，不确定性被传播到评估的输出结果中，并使用超越概率来识别“最可持续”的结构类型。当同时考虑概念化和加权的不确定性时，Control+ATP结构——一种增加了人工潮汐池的传统防波堤——是最可持续的替代方案，并且其对可持续性评估中的方法论选择也最不敏感。另一方面，PB deep结构——一种整合了促进生态发展组件的混合防波堤——具有最高的环境效益，但对可持续性评估中的方法论不确定性高度敏感，整体排名仅为第二或第三。评估结果为混合防波堤的多功能表现和可持续性提供了定量的经验证据。本研究进一步展示了如何通过概率性地处理输出来应对可持续性评估中的方法论不确定性，这在缺乏既定决策框架的情况下非常有用。然而，未来研究应探讨生态表现之间的权衡关系。

论文解读文章

研究背景与问题

传统灰色基础设施在应对日益严峻的环境挑战时显现不足，促使学界与工程界转向采纳基于自然的解决方案（Nature-based Solutions，NbS）。由此催生了“集成绿色-灰色基础设施”或“混合基础设施”的概念，旨在协同提供自然生态系统功能与人工灰色设施的人类服务功能。混合基础设施的一个核心特征是其高度的多功能性，需要在不同性能目标间进行权衡，例如在提供所需服务水平的同时最小化成本并最大化协同效益。尽管多准则决策分析（Multi-Criteria Decision Analysis，MCDA）已被证明是量化评估不同方案优劣并识别最优解的有效工具，并在食品、交通、城市水系统等多个领域得到应用，但其在海岸基础设施领域的应用实例却十分稀少。现有海岸基础设施的设计指南和标准主要聚焦于灰色基础设施方法，难以量化混合海岸基础设施的效益。此外，MCDA过程中存在的方法论不确定性——包括如何界定决策问题、选择何种性能指标、如何处理数据（如归一化）、如何确定权重以及如何聚合数据等——可能导致评价结果的差异，从而给决策过程带来不确定性。因此，有必要探索如何在定量评估多功能混合基础设施时处理这些方法论不确定性。

研究内容与结论

本研究针对位于日本冲绳那霸港第一浦添防波堤的一组环保型防波堤，将其作为个体海岸结构的案例，开展了基于MCDA的可持续性评估。研究目标是考虑评估框架中的方法论不确定性，识别出最有助于实现可持续发展的结构类型。研究聚焦于两种方法论不确定性来源：决策问题的概念化和指标权重。第一种不确定性源于决策者对问题的界定方式，即是将替代方案与基准状态比较，还是进行完全比较；第二种不确定性则反映了不同性能特征相对重要性的主观判断。

研究得出了以下主要结论：当同时考虑概念化和加权两种不确定性时，Control+ATP结构——一种仅添加了人工潮汐池（Artificial Tide Pool，ATP）的传统防波堤——被识别为最可持续的替代方案。它不仅获得了最高的超越概率，而且其可持续性得分对方法论选择的敏感性最低。相比之下，PB deep结构虽然具有最高的环境有效性（即最大的珊瑚覆盖面积），但其可持续性评价对方法论不确定性高度敏感，整体排名仅居第二或第三位。研究结果表明，采用概率方法处理可持续性评估中的方法论不确定性是有效的，能够为决策者在缺乏既定框架时提供稳健的量化依据。

关键技术方法

研究人员采用了基于概率的多准则决策分析（MCDA）框架进行可持续性评估。首先，选取了三个关键指标：建设与维护成本、珊瑚覆盖面积和隐含CO₂排放量。其次，根据两种决策概念化模式应用了不同的数据归一化方法：对于“相对于基准”的概念化，采用距离参考值归一化法（Distance to Reference），将各方案的指标值与基准控制防波堤进行比较；对于“比较性”的概念化，采用统计标准化法（z-score）后转换为t-score，将所有方案相互比较。接着，通过应用33种独特的加权方案来传播由指标权重引起的不确定性。最后，利用线性聚合方法计算每种加权方案下的可持续性得分，并通过概率分布拟合和超越概率分析来判定各防波堤结构的可持续性表现。

研究结果

3.1 概念化评估

研究设定了两种决策问题概念化方式。第一种为“相对于基准”的概念化，采用距离参考值归一化法，仅将替代方案与控制防波堤的表现进行比较。第二种为“比较性”概念化，采用统计标准化法，将四种防波堤的表现相互比较。

3.2 可持续性评估框架

研究建立了包含指标选择、数据归一化、加权和聚合四个阶段的MCDA框架。通过应用33种加权方案，将归一化后的数据进行线性聚合，产生每种防波堤在每种决策概念化下的33个可持续性得分，最终通过概率分布描述和超越概率来判断可持续性表现。

3.3 指标选择与数据收集

研究选取了三个可持续性指标：建设与维护成本（千日元/米）、珊瑚覆盖面积（平方米/米）和隐含CO₂排放量（吨CO₂/米）。成本与珊瑚数据来源于Tanaya等人[29]的研究，隐含CO₂排放量则通过遵循ISO 14040的生命周期评估（Life Cycle Assessment，LCA）方法计算得出。结果显示，控制防波堤成本与CO₂排放最低，但珊瑚面积最小；PB deep防波堤成本最高，珊瑚面积最大；PB shallow防波堤的CO₂排放最高。

3.4 数据归一化

根据两种决策概念化模式，分别采用了距离参考值归一化法和统计标准化法。在归一化过程中，同时处理了指标的指向性：较低的成本和CO₂排放对应更高的可持续性（负向），而更多的珊瑚覆盖则对应更高的可持续性（正向）。

3.5 加权方案

研究设计了33种加权方案，涵盖从单一指标主导到所有指标均等权重的各种可能性，以模拟决策者偏好的多样性，从而系统地传播由指标权重选择引起的不确定性。

3.6 聚合与概率分析

通过线性加权求和法聚合归一化后的指标值，得到每种防波堤在不同加权方案下的可持续性得分。随后，对这些得分分布进行统计描述和概率曲线拟合，利用超越概率来识别最可持续的结构类型。

总结与结论

讨论总结：

研究讨论了方法论不确定性对混合防波堤可持续性评估结果的影响。结果表明，Control+ATP结构在两种概念化和所有加权方案下均表现出最稳定的高可持续性得分，而PB deep结构虽在环境效益方面表现突出，但其评价结果高度依赖于所选择的方法论，稳定性较差。这强调了在缺乏标准化评估框架时，采用概率方法处理方法论不确定性的重要性。研究还指出，当前分析仅限于三个指标，未来研究应考虑更多维度（如社会文化服务、生物多样性等），以更全面地评估混合基础设施的可持续性。此外，生态表现之间的权衡关系仍需进一步探索。

研究结论翻译：

本研究的评估结果为混合防波堤的多功能表现和可持续性提供了定量的经验证据。研究进一步证明了如何通过概率性地处理输出来应对可持续性评估中的方法论不确定性，这在缺乏既定决策框架的情况下尤为实用。然而，未来研究应深入探讨生态表现之间的权衡关系。