李放馮艷紅欒曙光于紅

(1.大連海洋大學(xué)海洋與土木工程學(xué)院,遼寧大連116023;2.大連海洋大學(xué)信息工程學(xué)院,遼寧大連116023)

中國東南沿海中心漁港和一級漁港合理布局方法的研究

李放1,馮艷紅2,欒曙光1,于紅2

(1.大連海洋大學(xué)海洋與土木工程學(xué)院,遼寧大連116023;2.大連海洋大學(xué)信息工程學(xué)院,遼寧大連116023)

中國東南沿海是受熱帶氣旋影響較為嚴(yán)重的區(qū)域,中心漁港和一級漁港是漁船安全避風(fēng)的場所,而目前中國東南沿海現(xiàn)有中心漁港和一級漁港僅能滿足43%機(jī)動漁船避風(fēng)錨泊的需求。根據(jù)國家制定的新建和擴(kuò)建一批避風(fēng)能力達(dá)到11級的中心漁港和一級漁港,以滿足70%機(jī)動漁船停泊避風(fēng)需要的 “十二五”漁港建設(shè)規(guī)劃目標(biāo),本研究中以浙江省為例,將復(fù)雜的漁港選址問題運(yùn)用數(shù)學(xué)方法予以處理,給出了浙江省擬建中心漁港和一級漁港的數(shù)量及其布局方案,并提出了臺風(fēng)登陸時擬建漁港的放大系數(shù),為國家 “十二五”漁港建設(shè)規(guī)劃的實(shí)施提供了科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。

中心漁港;一級漁港;漁港布局

中國東臨西北太平洋,是一個全年各季均有熱帶氣旋發(fā)生的海區(qū),熱帶氣旋生成數(shù)約占全球的三分之一,因此,中國是世界上受熱帶氣旋災(zāi)害影響較重的國家之一[1],也是受西北太平洋生成的熱帶氣旋影響最多的國家之一[2-3]。近年來,影響中國東南沿海的熱帶氣旋呈現(xiàn)密度大、強(qiáng)度大、破壞力強(qiáng)的特點(diǎn),中心風(fēng)力達(dá)到17級的超強(qiáng)臺風(fēng)也時有發(fā)生。從1990年至2011年來,在中國東南沿海登陸的強(qiáng)臺風(fēng)和超強(qiáng)臺風(fēng)有22個,這些強(qiáng)臺風(fēng)在中國東南沿海岸線上均勻分布,給漁民的生命財(cái)產(chǎn)造成了嚴(yán)重危害。

漁港作為熱帶氣旋登陸時漁船安全避風(fēng)的場所,歷來受到各級政府的高度重視,截至2010年,中國在東南沿海投資建設(shè)了具有一定避風(fēng)能力的中心漁港和一級漁港63個,可以滿足43%的機(jī)動漁船停泊避風(fēng)的需要。國家 “十二五”漁港建設(shè)規(guī)劃的目標(biāo)是新建和擴(kuò)建一批避風(fēng)能力達(dá)到11級的中心漁港和一級漁港,以滿足70%機(jī)動漁船停泊避風(fēng)的需要。規(guī)劃實(shí)施的關(guān)鍵問題是建多少個漁港和在哪里建,才能使政府的資金投入獲得最好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益,從而提升中國漁港防災(zāi)減災(zāi)的整體實(shí)力。本研究中,以浙江省為例,將復(fù)雜的漁港選址問題運(yùn)用數(shù)學(xué)方法予以處理,考慮現(xiàn)有的中心漁港和一級漁港的數(shù)量及其布局,以滿足70%漁船進(jìn)港避風(fēng)為目標(biāo),以就近避風(fēng)為原則,以漁船在漁場作業(yè)的分布圖為依據(jù),建立數(shù)學(xué)模型,設(shè)定計(jì)算目標(biāo),附加約束條件,在計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上考慮登陸的臺風(fēng)和強(qiáng)臺風(fēng)的影響,提出了臺風(fēng)登陸時擬建漁港的放大系數(shù),給出了浙江省擬建漁港的數(shù)量及其布局。

1 計(jì)算基本假定

1)中心漁港和一級漁港只為海洋機(jī)動漁船提供避風(fēng)錨泊,而二級和三級漁港為其他漁船提供避風(fēng)錨泊場所,不參與計(jì)算。

2)通過漁船定位監(jiān)控管理系統(tǒng),獲取各海區(qū)海洋機(jī)動漁船的作業(yè)分布圖 (圖1),用圖像識別算法對各個區(qū)域作業(yè)漁船的數(shù)量和位置進(jìn)行估算,結(jié)果表明,各類漁船在各自的作業(yè)范圍內(nèi)基本符合均勻分布的假定。

3)假定國家 “十二五”期間擬建的中心漁港和一級漁港其平均避風(fēng)容量為600艘,其港址從現(xiàn)有的二級和三級漁港中產(chǎn)生,即經(jīng)過改擴(kuò)建達(dá)到中心或一級漁港的建設(shè)水平。通過Google Earth選擇擬建漁港港址78處,供數(shù)學(xué)模型隨機(jī)選擇。

4)假定浙江省出省作業(yè)的漁船數(shù)與外省來浙江省海域作業(yè)的漁船數(shù)相等,參與計(jì)算時的漁船數(shù)為浙江省漁船總數(shù)。

5)設(shè)定布局規(guī)劃目標(biāo)是滿足70%的機(jī)動漁船進(jìn)港避風(fēng)。

6)臺風(fēng)或強(qiáng)臺風(fēng)正面登陸時,漁船遠(yuǎn)離臺風(fēng)中心,到10級風(fēng)圈以外的漁港避風(fēng)。假定10級風(fēng)圈之內(nèi)的漁港不能為漁船提供安全避風(fēng)場所。

2 數(shù)學(xué)模型

漁港選址規(guī)劃的總目標(biāo)是讓盡可能多的海洋機(jī)動漁船以最小的代價并在最短時間內(nèi)回港避風(fēng)。目前,解決中心漁港和一級漁港選址規(guī)劃問題的有效算法為啟發(fā)式算法[4-6],因此,本研究中采用啟發(fā)式算法[7]。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 集合

模型中包含兩個集合:漁船集合和漁港集合,漁船集合S={s1,s2,…,sm},每條漁船包括船型t(大、中、小)、船速v、位置坐標(biāo)sx和sy;漁港集合P={p1,p2,…,pn},每個漁港包括漁港類別t(中心、一級)、容量c、位置坐標(biāo)px和py。

3.2 漁港規(guī)劃的特征向量

漁港是否被選中作為規(guī)劃漁港,可用漁港規(guī)劃特征向量表示:

其中:xj(j=1,2,…,n)為漁港pj(j=1,2,…,n)是否被選中作為規(guī)劃漁港。

3.3 漁船進(jìn)港避風(fēng)的特征矩陣

當(dāng)臺風(fēng)登陸時,漁船就近選擇漁港避風(fēng),而各漁船進(jìn)港避風(fēng)的情況可用特征矩陣表示:

其中:yij(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)為漁船si是否進(jìn)入漁港pj避風(fēng)。

3.4 漁船到達(dá)漁港的航行時間矩陣

漁船、漁港的位置與漁船的航行速度為已知,則漁船進(jìn)港避風(fēng)的航行時間可表示為

其中:tij(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)為漁船si(i=1,2,…,m)從其作業(yè)位置到達(dá)漁港pj(j=1,2,…,n)所用的時間。

漁船到達(dá)漁港的航行時間矩陣可表示為

其中:T為漁船到達(dá)漁港的航行總時間。

3.5 漁港的避風(fēng)代價

漁港的避風(fēng)代價就是選擇某漁港避風(fēng)的所有漁船航行時間的總和。漁港pj(j=1,2,…,n)被選中后,最多有pj·c條漁船進(jìn)港避風(fēng),進(jìn)入漁港pj避風(fēng)的漁船航行總代價為

因?yàn)闈O港的容量為pj·c,因此有

3.6 目標(biāo)函數(shù)

目標(biāo)函數(shù)就是漁船回港所需的最短航行時間,表示為

將式(6)代入式(7)后,目標(biāo)函數(shù)則為

3.7 約束條件

4 計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 擬建漁港的數(shù)量及其布局

計(jì)算結(jié)果顯示,在滿足70%漁船進(jìn)港避風(fēng)的前提下,不考慮臺風(fēng)的影響時,浙江省需擬建中心漁港和一級漁港17座,其中有88%的擬建漁港位于浙北地區(qū),12%的漁港位于浙中和浙南區(qū)域(圖2),原因是浙江省的漁船作業(yè)主要集中在浙北地區(qū)以東的舟山漁場、舟外漁場等海域,漁船在接到臺風(fēng)預(yù)警信號后,可以在最短時間內(nèi)進(jìn)入浙北區(qū)域的漁港避風(fēng),符合就近避風(fēng)的原則。

圖1 浙江省海洋機(jī)動漁船海區(qū)作業(yè)分布圖Fig.1 The distribution of motorized fishing boats in Zhejiang Province

圖2 浙江省擬建漁港分布圖 (滿足70%漁船進(jìn)港避風(fēng)且不考慮臺風(fēng)的影響)Fig.2 The distribution of proposed fishing port in Zhejiang Province(70%of the fishing boats in the harbour,neglect of typhoon)

4.2 考慮臺風(fēng)后擬建漁港的數(shù)量及其布局

浙江省的臺風(fēng)統(tǒng)計(jì)資料顯示,臺風(fēng)和強(qiáng)臺風(fēng)10級風(fēng)圈的平均半徑分別為133 km和172 km。頻繁登陸的區(qū)域分別位于閩浙交界和浙中地區(qū),本研究中分別以浙中區(qū)域的玉環(huán)坎門漁港和閩浙交界處的霞關(guān)漁港為臺風(fēng)密集登陸點(diǎn),限定臺風(fēng)或強(qiáng)臺風(fēng)登陸時10級風(fēng)圈范圍內(nèi)禁止?jié)O船避風(fēng),對數(shù)學(xué)模型給出10級風(fēng)圈的限制條件。當(dāng)臺風(fēng)在玉環(huán)坎門漁港登陸時,浙江省需擬建中心漁港和一級漁港25座,擬建漁港均位于浙北地區(qū);當(dāng)強(qiáng)臺風(fēng)在玉環(huán)坎門漁港登陸時,浙江省需擬建中心漁港和一級漁港28座,擬建漁港的布局與臺風(fēng)登陸時相同,均位于浙北地區(qū)。當(dāng)臺風(fēng)在霞關(guān)漁港登陸時,浙江省需擬建中心漁港和一級漁港21座,其中有90%的擬建漁港位于浙北地區(qū),10%的擬建漁港位于浙中地區(qū);當(dāng)強(qiáng)臺風(fēng)在霞關(guān)漁港登陸時,浙江省需擬建中心漁港和一級漁港23座,其中有87%的擬建漁港位于浙北地區(qū),13%的擬建漁港位于浙中地區(qū)。擬建漁港分布如圖3和圖4所示。

4.3 受臺風(fēng)影響擬建漁港的放大系數(shù)

受臺風(fēng)和強(qiáng)臺風(fēng)的影響,10級及以上風(fēng)圈內(nèi)漁港不能為漁船提供安全避風(fēng)錨泊場所,即漁船應(yīng)逃離臺風(fēng)中心到10級風(fēng)圈之外的漁港避風(fēng),因此,漁港的數(shù)量和布局均發(fā)生變化,考慮臺風(fēng)影響時擬建中心漁港和一級漁港的數(shù)量多于不考慮臺風(fēng)影響時擬建中心漁港和一級漁港的數(shù)量。本研究中定義擬建漁港放大系數(shù)為考慮臺風(fēng)影響時擬建中心漁港和一級漁港的數(shù)量與不考慮臺風(fēng)影響時擬建中心漁港和一級漁港的數(shù)量的比值。經(jīng)計(jì)算,臺風(fēng)或強(qiáng)臺風(fēng)在玉環(huán)坎門漁港登陸時,擬建漁港放大系數(shù)為1.5～1.6;臺風(fēng)或強(qiáng)臺風(fēng)在閩浙交界的霞關(guān)漁港登陸時,擬建漁港放大系數(shù)為1.2～1.4。臺風(fēng)登陸時放大系數(shù)取小值,強(qiáng)臺風(fēng)登陸時放大系數(shù)取大值。即臺風(fēng)登陸時擬建中心漁港和一級漁港數(shù)量等于擬建漁港的放大系數(shù)乘以不考慮臺風(fēng)影響時擬建中心漁港和一級漁港的數(shù)量,而其布局則必須依據(jù)臺風(fēng)的登陸點(diǎn)和本研究中的數(shù)學(xué)模型確定。

圖3 臺風(fēng) (A)和強(qiáng)臺風(fēng) (B)在坎門漁港登陸時浙江省擬建漁港分布圖Fig.3 The distribution of the planned fishing port in Zhejiang Province when typhoon landed(A)and strong typhoon landed(B)in Kanmen fishing port

需要說明的是,玉環(huán)坎門漁港位于浙中地區(qū),當(dāng)臺風(fēng)登陸時,10級風(fēng)圈覆蓋范圍均為浙江省境內(nèi),而霞關(guān)漁港位于閩浙交界處,10級風(fēng)圈覆蓋范圍一半位于浙江省境內(nèi),一半位于福建省境內(nèi),而本研究中漁港布局方案的研究是以浙江省為例,臺風(fēng)在浙中地區(qū)登陸時受影響的漁港數(shù)量要多于臺風(fēng)在閩浙交界處登陸時受影響的漁港數(shù)量,因此,臺風(fēng)在浙中區(qū)域登陸與在閩浙交界處登陸得到的放大系數(shù)有差異,可認(rèn)為臺風(fēng)或強(qiáng)臺風(fēng)在玉環(huán)坎門漁港登陸時得到的擬建漁港放大系數(shù)1.5～1.6,對確定東南沿海擬建漁港數(shù)量更具有參考價值。

圖4 臺風(fēng) (C)和強(qiáng)臺風(fēng) (D)在霞關(guān)漁港登陸時浙江省擬建漁港分布圖Fig.4 The distribution of the planned fishing port in Zhejiang Province when typhoon landed(C)and strong typhoon landed(D)in Xiaguan fishing port

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[2] 欒曙光,李可.臺風(fēng)等級以上熱帶氣旋登陸特征分析[C]//中國氣象學(xué)會.第十五屆全國熱帶氣旋科學(xué)討論會論文集.北京:氣象出版社,2009:185-189.

[3] 欒曙光,李可,桑寶峰.沙埕港超強(qiáng)臺風(fēng)“桑美”災(zāi)害成因的數(shù)值模擬分析[J].大連海洋大學(xué)學(xué)報(bào),2012,27(1):69-72.

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The reasonable distribution method for a central fishingharbor and level one fishing harbor in Southeast coast of China

LI Fang1,FENG Yan-hong2,LUAN Shu-guang1,YU Hong2
(1.College of Marine and Civil Engineering,Dalian Ocean University,Dalian 116023,China;2.College of Information Engineering,Dalian Ocean University,Dalian 116023,China)

The central fishing harbor and one level fishing harbor are the safe shelter places for fishing boats in southeast coast of China faced with strong influence by tropical cyclone.At present,the central fishing harbor and one level fishing harbor in southeast coast can meet only 43% motored fishing boat need.The aim of The Twelfth Five-Year Guideline building plann by Ministry of Agriculture is to planned builtand expanded some central fishing harbor and one level fishing harbor which have the level 11 bogue ability to fulfill 70% motor fishing boats to anchor.In Zhejiang province as an example,a heuristic method was used to solve the complex location problem,and the quantity and placement scheme of simulative built and expanded fishing harbor.The expanding coefficient was obtained from the built fishing harbor when the simulative typhoon landing had been verified,which provide technique support on the basis of science for implication of The Twelfth Five-Year Guideline fishing harbor construction plan by Ministry of Agriculture.

central fishing harbor;one level fishing harbor;fishing harbor distribution method

TP311

A

2095-1388(2013)05-0511-04

2013-01-07

農(nóng)業(yè)部重點(diǎn)科研項(xiàng)目

李放 (1988-),女,碩士研究生。E-mail:lifang_315@126.com

欒曙光 (1954-),女,教授。E-mail:shugluan@qq.com