郭敬,朱業(yè),李婷,王勤,車助鎂

(浙江省海洋監(jiān)測預報中心 杭州 310007)

0 引言

我國是世界第一水產(chǎn)養(yǎng)殖大國,水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量超過世界水產(chǎn)養(yǎng)殖總產(chǎn)量的70%[1-2]。近年來,更接近天然環(huán)境的網(wǎng)箱養(yǎng)殖成為新的發(fā)展趨勢,但臺風等海洋災害性氣候的頻發(fā)嚴重阻礙網(wǎng)箱養(yǎng)殖的健康發(fā)展。以溫州市南麂島為例,根據(jù)1949—2016年的統(tǒng)計結果,影響該區(qū)域的臺風頻次為3.3次/年,其中0216號臺風“森拉克”、0608號臺風“桑美”和1323號臺風“菲特”均導致南麂島網(wǎng)箱養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)損失慘重。

近年來,我國海洋防災減災工作積極借鑒國內外先進理念,建立成熟的海洋災害觀測監(jiān)測、預警預報和防范治理的業(yè)務體系。然而傳統(tǒng)的海洋災害預警報主要針對潮位、浪高和增水等,對于重點目標區(qū)域和主要承災體破壞性影響的預判和風險預警仍較為缺乏,難以精準聚焦防護對象并有針對性地采取應對措施。對海水養(yǎng)殖業(yè)而言,目前養(yǎng)殖海域的致災因子、受災響應和災害破壞機理尚不完全清晰,導致災前預判和應對不足。

已有學者利用ANSYS有限元軟件對浮架結構在波浪和水流作用下的水動力特性進行數(shù)值模擬[3],同時利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡構建受災破壞因子與結構受損的定量關系,并利用灰色關聯(lián)度識別受災破壞主控因子[4-6]。本研究在以往研究的基礎上,以浙江省南麂島地區(qū)為試點,建立深水網(wǎng)箱受災損壞等級,建立海浪與養(yǎng)殖網(wǎng)箱受災破壞的定量關系,建立精細化海浪-風暴潮耦合數(shù)值預報模型,開發(fā)深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖風險預警產(chǎn)品,為當?shù)鼐W(wǎng)箱養(yǎng)殖應對臺風等極端天氣過程提供技術支撐和服務。

1 數(shù)據(jù)資料

本研究采用的網(wǎng)箱資料來自現(xiàn)場調研,數(shù)值模型采用的岸線數(shù)據(jù)為浙江省近海調查測量數(shù)據(jù),海洋地形資料來自美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)公布的ETOP 02全球地形數(shù)據(jù)集(分辨率為2'×2'),南麂島附近水深數(shù)據(jù)為溫州市自然資源部門近年的現(xiàn)場測量數(shù)據(jù),海浪資料為南麂島波浪浮標觀測數(shù)據(jù),臺風資料來自中央氣象局。

2 南麂島網(wǎng)箱養(yǎng)殖

南麂列島位于浙江省東南部海面,由52個面積大于500 m2的海島組成,其中南麂島為主島,位于列島中央,面積為7.64 km2,岸線長為24.8 km,大沙岙、火焜岙、馬祖岙和國姓岙4個海灣分置于東南和西北2個方向。南麂列島海域的東北側和西南側為深水通道,水深超過30 m,最深處達45 m[7-10]。

目前南麂島主要有6家深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖企業(yè),其中國姓岙有1家(海派),馬祖岙有4家(鴻運、新科、柴嶼和碧海仙山),竹嶼有1家(耕海牧漁)。其中,浙江碧海仙山海產(chǎn)品開發(fā)有限公司的養(yǎng)殖規(guī)模最大,深水網(wǎng)箱約有90口,網(wǎng)箱周長為60 m;其他企業(yè)的養(yǎng)殖規(guī)模均在10口左右,網(wǎng)箱周長為40 m。

深水網(wǎng)箱也被稱為重力式深水網(wǎng)箱,多為圓形,主要布局在平均水深為10～20 m的沿海開放性水域。深水養(yǎng)殖網(wǎng)箱容量較大,是具有較強抗風浪性能的海上養(yǎng)殖設施,主要由浮架系統(tǒng)、網(wǎng)衣系統(tǒng)、錨碇系統(tǒng)和配重系統(tǒng)構成(圖1)。

圖1 重力式深水網(wǎng)箱結構

本研究的浮架材料為高強度聚乙烯(HDPE),直徑為40～60 m,網(wǎng)衣材料為聚乙烯(PE)。根據(jù)現(xiàn)場調研結果,深水網(wǎng)箱受災主要發(fā)生在災害性海浪影響期間。在海浪作用下,網(wǎng)箱的運動幅值增大,浮架受錨繩拉力和浮架相互之間的擠壓影響,因大變形而出現(xiàn)斷裂;海浪拍打造成錨繩斷裂或走錨,網(wǎng)箱內養(yǎng)殖容積受到壓縮,導致養(yǎng)殖魚類缺氧死亡。受災損壞的主要形式可概括為浮架變形斷裂、錨繩斷纜脫錨和網(wǎng)箱容積損失過大3個類型。

3 網(wǎng)箱損壞等級

有學者通過構建深水網(wǎng)箱的物理模型和數(shù)學模型,采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡算法對實驗和計算數(shù)據(jù)進行訓練,篩選出網(wǎng)箱主要致災因子即浪高、浪周期、水深和網(wǎng)箱周長,并建立4種致災因子和網(wǎng)箱結構受損(錨繩張力、容積保持率和浮架應力)的定量關系(圖2)。

圖2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡結構

本研究利用網(wǎng)箱水動力數(shù)值計算結果,結合實地調研結果,根據(jù)浮架變形斷裂、錨繩斷纜脫錨和網(wǎng)箱容積損失過大這3種損壞形式,開展深水網(wǎng)箱損壞等級劃分,并根據(jù)不同受災破壞等級制定深水網(wǎng)箱水動力閾值,當浮架應力、容積保持率和纜繩力中的某項達到設定閾值,即會出現(xiàn)相應的破壞情況(表1)。

利用南麂島周邊海域的實際水文參數(shù)(浪高、浪周期和水深)和網(wǎng)箱結構參數(shù)(周長),并將這些參數(shù)輸入通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡建立的非線性定量關系的輸入層,經(jīng)過中間層的處理后,輸出網(wǎng)箱在實際海況下的錨繩張力最大值、容積保持率最小值以及浮架應力最大值,再結合表1即可確定網(wǎng)箱的損壞等級。參考海浪災害的預警等級,將4種破壞程度分別對應紅、橙、黃和藍4種風險預警等級。

表1 網(wǎng)箱受災損壞等級和閾值

在實際抗臺風過程中發(fā)現(xiàn),致災因子輸入項過多嚴重影響風險預警產(chǎn)品的發(fā)布速度。為縮短產(chǎn)品制作和發(fā)布時間,實現(xiàn)業(yè)務化快速發(fā)布,須把輸入項進行簡化。在調研中發(fā)現(xiàn),每家養(yǎng)殖企業(yè)的養(yǎng)殖用海范圍都是固定的,網(wǎng)箱錨定和飄浮范圍可基本定為不變,因此各家企業(yè)的水深和網(wǎng)箱周長輸入項都是固定的。通過對南麂島浮標多年觀測數(shù)據(jù)的分析,有效浪高的平均浪周期為5.5 s。

通過計算不同情景下的網(wǎng)箱損壞等級,建立定量化數(shù)據(jù)庫,得出6家養(yǎng)殖企業(yè)的養(yǎng)殖網(wǎng)箱損壞等級對應的浪高閾值,并通過精細化海浪-風暴潮耦合數(shù)值預報模型開展海浪精準預報,實現(xiàn)深水養(yǎng)殖網(wǎng)箱風險預警產(chǎn)品自動化快速制作和發(fā)布(表2)。

表2 南麂島深水網(wǎng)箱不同損壞等級下的浪高閾值

4 海浪數(shù)值模式

本研究所用數(shù)值模式采用SWAN和ADCIRC耦合模型,用于同一套非結構網(wǎng)格,相同的網(wǎng)格可準確求解2個模型中波流相互作用的物理過程。非結構網(wǎng)格可用于較大區(qū)域,使得深水區(qū)的能量全部傳到淺水區(qū),且不再需要對結構網(wǎng)格進行嵌套和疊加,也不再需要內部模型插值,從而顯著減少計算量,并保證計算的準確性。整個網(wǎng)格系統(tǒng)共有226 137個三角形,由136 948個節(jié)點構成,整套計算網(wǎng)格覆蓋19.6°-37.2°N,115.7°-130.7°E。該模型每天運行1次,可以提供浙江省海域未來120 h的海浪預報結果,時間間隔為1 h。

數(shù)值模式選取6次臺風進行驗證,對臺風浪的檢驗效果較好,模擬值與實測值符合較好,平均絕對誤差在1 m以內,相對誤差均不超過13%,基本能反映浙江省臺風浪的分布特征(表3)。

表3 南麂島臺風浪的驗證誤差

5 應用案例

5.1 1808號“瑪莉亞”臺風

1808號“瑪莉亞”臺風于2018年7月4日20時在菲律賓以東的西北太平洋洋面上生成,于11日9時10分在福建省黃岐半島登陸,登陸時中心附近最大風力為14級,中心最低氣壓為960 hPa。根據(jù)海浪模式預報結果制作南麂島網(wǎng)箱災害風險預警產(chǎn)品,結果顯示:馬祖岙鴻運、新科和柴嶼以及竹嶼耕海牧漁的養(yǎng)殖海域將于7月11日凌晨達到或接近橙色預警,出現(xiàn)網(wǎng)箱Ⅱ級嚴重破壞;國姓岙海派和馬祖岙碧海仙山的養(yǎng)殖海域將達到藍色預警,出現(xiàn)網(wǎng)箱Ⅳ級輕度破壞。

南麂島浮標受1808號臺風影響造成數(shù)據(jù)缺失,但根據(jù)變化趨勢推斷,海浪模式計算結果與實測數(shù)據(jù)在浪高和最大浪高出現(xiàn)時間等方面基本吻合,海浪模式較好地模擬1808號臺風期間南麂島海域的浪高變化情況。

經(jīng)過現(xiàn)場調研和無人機航拍,國姓岙海派的12口深水網(wǎng)箱未有明顯損失;馬祖岙鴻運共有4只周長為40 m的網(wǎng)箱全部損壞,破壞等級達到Ⅱ級嚴重破壞;馬祖岙新科在12只周長為40 m的網(wǎng)箱中有4只網(wǎng)箱失蹤(其中1只在岸邊發(fā)現(xiàn),破壞等級為I級),有3只網(wǎng)箱受損,破壞等級達到Ⅱ級嚴重破壞;馬祖岙柴嶼在10只周長為40 m的網(wǎng)箱中有5只網(wǎng)箱受損,破壞等級達到Ⅱ級嚴重破壞;馬祖岙碧海仙山在90只周長為60 m的網(wǎng)箱中只有1只網(wǎng)箱受損,破壞等級達到Ⅲ級中度破壞;竹嶼耕海牧漁在14只周長為40 m的網(wǎng)箱中有9只網(wǎng)箱受損,破壞等級達到Ⅱ級嚴重破壞。

總體而言,大多數(shù)受損網(wǎng)箱為Ⅱ級嚴重破壞,少量網(wǎng)箱為I級特別嚴重破壞和Ⅲ級中度破壞,預報的破壞等級與實際的受災情況一致。

5.2 1909號“利奇馬”臺風

1909號“利奇馬”臺風于2019年8月4日14時在菲律賓以東的西北太平洋洋面上生成,于10日1時45分在浙江省溫嶺市登陸,登陸時中心附近最大風力為16級,中心最低氣壓為930 hPa。根據(jù)海浪模式的預報結果制作南麂島網(wǎng)箱災害風險預警產(chǎn)品,結果顯示:馬祖岙鴻運、新科和柴嶼以及竹嶼耕海牧漁的養(yǎng)殖海域將于7月11日凌晨達到或接近紅色預警,出現(xiàn)網(wǎng)箱I級特別嚴重破壞;國姓岙海派和馬祖岙碧海仙山的養(yǎng)殖海域將達到或接近橙色預警,出現(xiàn)網(wǎng)箱Ⅱ級嚴重破壞。

南麂島浮標受1909號臺風影響造成數(shù)據(jù)缺失,但根據(jù)變化趨勢推斷,海浪模式計算結果與實測數(shù)據(jù)在浪高和最大浪高出現(xiàn)時間等方面基本吻合,海浪模式較好地模擬1909號臺風期間南麂島海域的浪高變化情況。

根據(jù)災后現(xiàn)場調查情況,馬祖岙鴻運、新科和柴嶼以及竹嶼耕海牧漁的大多數(shù)網(wǎng)箱均為I級特別嚴重破壞,部分網(wǎng)箱為II級嚴重破壞;國姓岙海派和馬祖岙碧海仙山的大部分網(wǎng)箱為II級嚴重破壞,少量為I級特別嚴重破壞。經(jīng)驗證,預報的破壞等級與實際的受災情況一致。

6 結語

本研究聚焦南麂島養(yǎng)殖海域,根據(jù)網(wǎng)箱的結構參數(shù)以及水文和水深等條件,計算不同災害情景下的網(wǎng)箱損壞等級,建立定量化數(shù)據(jù)庫,得到針對不同養(yǎng)殖企業(yè)的不同損壞等級的浪高閾值,結合精細化風暴潮-近岸浪耦合數(shù)值預報模型,構建海浪災害風險預判的指數(shù)化和業(yè)務化體系,實現(xiàn)在5 min內完成深水養(yǎng)殖網(wǎng)箱災害風險預警產(chǎn)品的自動化快速制作和發(fā)布;經(jīng)過1808號“瑪莉亞”臺風和1909號“利奇馬”臺風的檢驗,計算結果與實測數(shù)據(jù)在浪高和最大浪高出現(xiàn)時間等方面都基本吻合,預報的破壞等級與實際的受災情況一致。該風險預警產(chǎn)品為政府部門和養(yǎng)殖企業(yè)在臺風汛期快速采取防范措施以及減少災害損失提供技術保障。