基于歷史記錄的赤潮災(zāi)害危險性區(qū)劃方法的構(gòu)建與應(yīng)用*

文世勇，孫田力，王 濤，李榮茂，李 飛，劉 娜

(1.國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心，遼寧 大連 116023；2.生態(tài)環(huán)境部國家環(huán)境保護(hù)近岸海域生態(tài)環(huán)境重點實驗室，遼寧 大連 116023；3.自然資源部海洋減災(zāi)中心，北京 100194；4.福建省漁業(yè)資源監(jiān)測中心，福建 福州 350003)

中國是海洋大國，赤潮災(zāi)害的頻頻發(fā)生已成為制約沿海省市海洋經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的因素之一。《國務(wù)院關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)海洋管理工作若干問題的通知(國發(fā)〔2004〕24號)》要求“做好赤潮的防治和減災(zāi)工作”，最大限度減輕赤潮災(zāi)害對漁業(yè)和旅游業(yè)等造成的損失，嚴(yán)格控制受赤潮毒素污染的水產(chǎn)品進(jìn)入市場，科技部門要加強(qiáng)對赤潮發(fā)生機(jī)制、預(yù)防及治理的研究，加快科技攻關(guān)進(jìn)程，研究提出治本措施。開展災(zāi)害風(fēng)險評估與區(qū)劃是實現(xiàn)災(zāi)害科學(xué)管理的重要研究內(nèi)容，是各級政府減少災(zāi)害影響的一個很重要的工具。

災(zāi)害危險性區(qū)劃是開展災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃的一種思路，通過開展災(zāi)害危險性區(qū)劃得到災(zāi)害發(fā)生可能性分布為評估區(qū)域科學(xué)地開展災(zāi)害管理及合理開發(fā)布局等提供科學(xué)依據(jù)。目前，國內(nèi)外學(xué)者對自然災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃的研究主要集中在單一災(zāi)種的研究，如地震[1-2]、滑坡[3-4]、泥石流[5-6]、洪澇[7-8]等災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃。海洋災(zāi)害尤其是赤潮災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃(災(zāi)損區(qū)劃或災(zāi)害危險性區(qū)劃)的研究幾乎屬于空白。

本文研究的目的是在已有的相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，從災(zāi)害危險性評估和區(qū)劃視角，構(gòu)建赤潮災(zāi)害危險性空間區(qū)劃方法和區(qū)劃結(jié)果的驗證方法，同時以福建省近岸海域為例進(jìn)行應(yīng)用，應(yīng)用結(jié)果表明本文構(gòu)建的區(qū)劃方法和區(qū)劃結(jié)果具有較好的合理性和可信性，區(qū)劃結(jié)果將為福建省近岸海域赤潮災(zāi)害應(yīng)急處置、納污海域污染總量控制制定有效的管理措施提供科學(xué)依據(jù)，從而達(dá)到防災(zāi)減災(zāi)的目的，而且對指導(dǎo)海洋水產(chǎn)養(yǎng)殖、濱海旅游業(yè)規(guī)劃等具有重要的科學(xué)意義。

1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)域介紹

福建地處我國東南沿海，臺灣海峽西岸，北起福鼎市沙埕港，與浙江海域相接，南至詔安灣，與廣東海域相連[9]。福建省是我國的海洋大省，海域面積 13.6×104km2，海岸線曲折漫長，海灣眾多，沿海島嶼星羅密布，包括島嶼在內(nèi)的海岸線長達(dá)3 752 km。由于其特殊的海灣環(huán)境、氣候條件及沿海海洋環(huán)境污染的加劇，福建省已成為全國赤潮災(zāi)害多發(fā)省份之一，嚴(yán)重威脅著福建省的漁業(yè)生產(chǎn)、濱海旅游甚至公眾健康[10]。

1.2 數(shù)據(jù)來源與數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)來源：赤潮災(zāi)害歷史記錄數(shù)據(jù)來源于國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心赤潮數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)收集了有記錄以來中國近岸海域赤潮發(fā)生的情況。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，1959—2018年期間，福建省近岸海域共發(fā)生了264次赤潮，其中有毒赤潮61次，有害赤潮55次，無毒無害赤潮148次。累計赤潮發(fā)生面積16 379.41 km2，最大的一次發(fā)生面積為1 100 km2。

數(shù)據(jù)處理：根據(jù)赤潮災(zāi)害歷史記錄數(shù)據(jù)，以福建省近岸海域為研究區(qū)域，選取1959—2018年期間福建省近岸海域的赤潮災(zāi)害歷史記錄，利用赤潮發(fā)生開始時間和結(jié)束時間獲取赤潮發(fā)生持續(xù)時間；根據(jù)經(jīng)緯度記錄情況進(jìn)行統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為度的形式便于在ArcGIS平臺進(jìn)行輸入；根據(jù)記錄的赤潮藻類優(yōu)勢種進(jìn)行分析是否為有毒、有害還是無毒藻類，并進(jìn)行賦值(有毒藻類賦值3，有害赤潮賦值2，無毒藻類賦值1)，便于后續(xù)的計算。

2 赤潮災(zāi)害危險性區(qū)劃方法的構(gòu)建

2.1 赤潮災(zāi)害危險性評估指標(biāo)選取

赤潮災(zāi)害危險性區(qū)劃是指某海域有可能發(fā)生的赤潮災(zāi)害的概率或超越某一概率。赤潮災(zāi)害歷史記錄的一條赤潮事件記錄包括赤潮發(fā)生開始時間、結(jié)束時間(赤潮發(fā)生持續(xù)時間)、發(fā)生位置經(jīng)緯度信息(赤潮發(fā)生頻次)、赤潮發(fā)生海區(qū)、省份、赤潮發(fā)生面積、赤潮發(fā)生位置描述、赤潮藻類及毒素等等相關(guān)信息。

赤潮發(fā)生持續(xù)時間越長表明赤潮的破壞性越大；赤潮發(fā)生持續(xù)時間較短表明赤潮的破壞性較小。

赤潮發(fā)生頻次越高的海域表明該海域易發(fā)生赤潮，是赤潮高發(fā)區(qū)；反之赤潮發(fā)生頻次越低的海域表明該海域難以發(fā)生赤潮，屬于赤潮低發(fā)區(qū)。

赤潮發(fā)生面積越大表明赤潮的破壞性也越大；赤潮發(fā)生面積較小表明赤潮的破壞性也較小。

若引發(fā)赤潮的藻類屬于有毒藻類(能夠產(chǎn)生毒素，并可能引起人類中毒、甚至死亡的赤潮藻類)，表明該赤潮的破壞性越大；若引發(fā)赤潮的藻類屬于有害藻類(對人類健康沒有直接危害，但有記錄顯示赤潮生物可通過物理或化學(xué)(產(chǎn)生魚毒素等)途徑對海洋生物產(chǎn)生危害的藻類)，表明赤潮的破壞性較大；若引發(fā)赤潮的藻類屬于無毒藻類(不產(chǎn)生毒素，且尚未有造成海洋生物或工業(yè)生產(chǎn)危害記錄但對海洋生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響的藻類)，表明該赤潮的破壞性較小。

通過上述分析，選取赤潮發(fā)生持續(xù)時間、赤潮發(fā)生頻次、赤潮發(fā)生面積和赤潮藻類毒性作為赤潮災(zāi)害危險性區(qū)劃評估指標(biāo)。

2.2 赤潮災(zāi)害危險性區(qū)劃方法構(gòu)建

赤潮災(zāi)害危險性區(qū)劃方法采用公式(1)進(jìn)行計算。

(1)

式中：H表示赤潮災(zāi)害危險性，取值0～1，無量綱，越接近1，表明赤潮發(fā)生的概率越大，反之亦然；αi表示各評估指標(biāo)的權(quán)重；Hi表示不同區(qū)劃指標(biāo)造成的赤潮災(zāi)害危險性。從公式(1)中可以看出，如何確定αi和Hi是實現(xiàn)赤潮災(zāi)害危險性區(qū)劃的關(guān)鍵。

權(quán)重αi的確定方法：《赤潮災(zāi)害應(yīng)急預(yù)案》中根據(jù)赤潮災(zāi)害的影響范圍、性質(zhì)和危害程度將赤潮災(zāi)害劃分為三個應(yīng)急響應(yīng)等級，因此，設(shè)定赤潮發(fā)生頻次、赤潮發(fā)生持續(xù)時間、赤潮發(fā)生面積和赤潮藻類毒性的權(quán)重分別為0.1，0.3，0.3和0.3。

Hi的確定方法：利用核密度估計方法，結(jié)合赤潮災(zāi)害歷史記錄事件，在ArcGIS軟件平臺的空間分析模塊功能中的Kernel Density Estimation模塊，對歷史記錄數(shù)據(jù)的赤潮發(fā)生頻次、赤潮發(fā)生持續(xù)時間、赤潮發(fā)生面積和赤潮藻類毒性進(jìn)行核密度估算模型空間分析，分別得到赤潮發(fā)生頻次、赤潮發(fā)生持續(xù)時間、赤潮發(fā)生面積和赤潮藻類毒性的赤潮災(zāi)害危險性空間分布結(jié)果，采用自然斷點分級法(Natural Breaks Jenks)將各結(jié)果按表1進(jìn)行重分類和賦值，為后續(xù)開展赤潮災(zāi)害危險性區(qū)劃提供數(shù)據(jù)支撐。

表1 基于核密度估算模型的各指標(biāo)空間分布結(jié)果重分類和賦值

2.3 赤潮災(zāi)害危險性區(qū)劃等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)公式(1)得到赤潮災(zāi)害危險性空間分布結(jié)果，將赤潮災(zāi)害危險性按照表2進(jìn)行劃分為極高危險性區(qū)、高危險性區(qū)、中危險性區(qū)和低危險性區(qū)4個等級。

表2 赤潮災(zāi)害危險性區(qū)劃等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

2.4 區(qū)劃結(jié)果驗證方法構(gòu)建

根據(jù)上述構(gòu)建的區(qū)劃方法，首先利用1959—2013年數(shù)據(jù)獲取未來5 a福建省近岸海域赤潮災(zāi)害危險性空間分布情況，然后利用2014年、2015年、2016年、2017年和2018年的赤潮歷史記錄數(shù)據(jù)，采用公式(2)來檢驗區(qū)劃結(jié)果的合理性和可信度。

(2)

式中：A表示當(dāng)年度赤潮發(fā)生情況對區(qū)劃結(jié)果的可信度，可信度A等級高低劃分由表3來完成；CH1表示當(dāng)年度處于極高危險性區(qū)的赤潮發(fā)生次數(shù)，CH2表示當(dāng)年度處于高危險性區(qū)的赤潮發(fā)生次數(shù)，C表示當(dāng)年度的赤潮發(fā)生次數(shù)。

表3 可信度A等級劃分

3 結(jié)果與分析

3.1 福建省近岸海域赤潮危險性區(qū)劃空間分布

根據(jù)上述構(gòu)建的赤潮災(zāi)害危險性區(qū)劃方法，結(jié)合1959—2018年間赤潮歷史記錄數(shù)據(jù)，在ArcGIS平臺下得到福建省近岸海域赤潮災(zāi)害危險性區(qū)劃結(jié)果(圖1)。

圖1 未來5 a福建省近岸海域赤潮災(zāi)害危險性區(qū)劃結(jié)果的空間分布狀況(基于1959—2018年歷史記錄數(shù)據(jù))(審圖號：閩S[2021]第24號，底圖無修改。下同)

從圖1上可以看出，福建省近岸海域處于極高危險性區(qū)的海域主要有霞浦縣近岸海域、連江縣近岸海域、平潭縣近岸東部海域及廈門市同安灣近岸海域。處于高危險性區(qū)的海域主要有福鼎市-霞浦縣近岸海域、羅源縣-連江縣近岸海域、平潭縣周邊近岸海域東部海域、福清市南部-莆田東北部近岸海域、石獅市周邊近岸海域及廈門市近岸海域，其余海域處于中危險性區(qū)和低危險性區(qū)。

近年來，隨著習(xí)近平生態(tài)文明思想不斷深入貫徹落實，美麗中國和美麗海灣建設(shè)的不斷推進(jìn)，近岸海域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量不斷提升，赤潮災(zāi)害危險性也在變化，即赤潮災(zāi)害危險性空間分布是一個動態(tài)變化而不是一成不變，因此，設(shè)定本次得到的福建省近岸海域赤潮危險性區(qū)劃空間分布結(jié)果的有效期限為未來5 a。

3.2 區(qū)劃結(jié)果的驗證

根據(jù)上述構(gòu)建的區(qū)劃方法，首先利用1959—2013年數(shù)據(jù)獲取未來5 a福建省近岸海域赤潮災(zāi)害危險性空間分布情況(圖2中的危險性區(qū)劃結(jié)果)，然后根據(jù)2014—2018年的赤潮歷史記錄數(shù)據(jù)，在ArcGIS平臺分別得到了2014年、2015年、2016年、2017年和2018年的基于1959—2013年歷史記錄的福建省近岸海域赤潮災(zāi)害危險性區(qū)劃結(jié)果的空間分布狀況(圖2所示)，同時根據(jù)公式(2)和表3分別得到了2014年、2015年、2016年、2017年和2018年的可信度(表4所示)。

圖2 2014—2018年福建省近岸海域赤潮記錄在基于1959—2013年歷史記錄的赤潮災(zāi)害危險性區(qū)劃結(jié)果的空間分布情況

從表4中可知，2014年、2015年和2018年的可信度A均大于65%，2016年和2017年的可信度A分別文62.50%和57.14%，均稍微小于65%，區(qū)劃結(jié)果的驗證方法及驗證結(jié)果表明本文得到的未來5 a福建省近岸海域赤潮災(zāi)害危險性區(qū)劃結(jié)果的空間分布結(jié)果具有較好的合理性和可信性。

表4 2014—2018年的可信度A的計算結(jié)果

另外，赤潮的發(fā)生往往是海域中營養(yǎng)鹽及其比率、水溫、鹽度、光照等多個影響因素在適宜條件下導(dǎo)致赤潮藻類暴發(fā)性增殖的綜合結(jié)果[11-14]。赤潮歷史記錄表明赤潮歷史事件發(fā)生的區(qū)域，赤潮發(fā)生頻次越多的區(qū)域(圖1中點的密集度)，該區(qū)域的海洋環(huán)境因子適宜赤潮藻類暴發(fā)性增殖，赤潮易于發(fā)生。赤潮發(fā)生頻次越少的區(qū)域(圖1中點的密集度)，該區(qū)域的海洋環(huán)境因子不利于赤潮藻類暴發(fā)性增殖，赤潮難以發(fā)生。許珠華等[15]的研究結(jié)果表明附件近岸海域赤潮易發(fā)區(qū)主要分布在寧德市沿岸海域、廈門西海域和平潭沿岸海域。李雪丁[10]研究結(jié)果表明2001—2010年間福建近岸海域赤潮主要發(fā)生在寧德市沿海、福州市沿海和廈門市沿海海域。黃春秀等[16]研究表明2000—2018年間寧德、福州、平潭、廈門、泉州海域是赤潮高發(fā)區(qū)。這些結(jié)論與本文得到區(qū)劃結(jié)果基本相一致。

4 結(jié)論

本文利用赤潮歷史記錄數(shù)據(jù)，選取赤潮發(fā)生頻次、赤潮發(fā)生持續(xù)天數(shù)、赤潮發(fā)生面積和赤潮藻類毒性四項因子作為評估指標(biāo)，采用核密度估算模型，在GIS平臺下對赤潮歷史記錄數(shù)據(jù)中的四項評估指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行了空間評估分析，最后根據(jù)赤潮災(zāi)害危險度區(qū)劃方法得到福建省近岸海域赤潮災(zāi)害危險性空間分布情況，結(jié)果表明未來5 a福建省近岸海域處于極高危險性區(qū)的海域主要有霞浦縣近岸海域、連江縣近岸海域、平潭縣近岸東部海域及廈門市同安灣近岸海域。處于高危險性區(qū)的海域主要有福鼎市-霞浦縣近岸海域、羅源縣-連江縣近岸海域、平潭縣周邊近岸海域東部海域、福清市南部-莆田東北部近岸海域、石獅市周邊近岸海域及廈門市近岸海域，其余海域處于中危險性區(qū)和低危險性區(qū)。驗證結(jié)果表明構(gòu)建的區(qū)劃方法和區(qū)劃結(jié)果具有較好的合理性和可信性，區(qū)劃結(jié)果將為福建省近岸海域赤潮災(zāi)害應(yīng)急處置、納污海域污染總量控制制定有效的管理措施提供科學(xué)依據(jù)，從而達(dá)到防災(zāi)減災(zāi)的目的，而且對指導(dǎo)海洋水產(chǎn)養(yǎng)殖、濱海旅游業(yè)規(guī)劃等具有重要的科學(xué)意義。