基于歷史記錄的赤潮災害危險性區劃方法的構建與應用*

文世勇，孫田力，王 濤，李榮茂，李 飛，劉 娜

(1.國家海洋環境監測中心，遼寧 大連 116023；2.生態環境部國家環境保護近岸海域生態環境重點實驗室，遼寧 大連 116023；3.自然資源部海洋減災中心，北京 100194；4.福建省漁業資源監測中心，福建 福州 350003)

中國是海洋大國，赤潮災害的頻頻發生已成為制約沿海省市海洋經濟快速發展的因素之一。《國務院關于進一步加強海洋管理工作若干問題的通知(國發〔2004〕24號)》要求“做好赤潮的防治和減災工作”，最大限度減輕赤潮災害對漁業和旅游業等造成的損失，嚴格控制受赤潮毒素污染的水產品進入市場，科技部門要加強對赤潮發生機制、預防及治理的研究，加快科技攻關進程，研究提出治本措施。開展災害風險評估與區劃是實現災害科學管理的重要研究內容，是各級政府減少災害影響的一個很重要的工具。

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

本文研究的目的是在已有的相關研究的基礎上，從災害危險性評估和區劃視角，構建赤潮災害危險性空間區劃方法和區劃結果的驗證方法，同時以福建省近岸海域為例進行應用，應用結果表明本文構建的區劃方法和區劃結果具有較好的合理性和可信性，區劃結果將為福建省近岸海域赤潮災害應急處置、納污海域污染總量控制制定有效的管理措施提供科學依據，從而達到防災減災的目的，而且對指導海洋水產養殖、濱海旅游業規劃等具有重要的科學意義。

1 研究區域及數據來源

1.1 研究區域介紹

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，包括島嶼在內的海岸線長達3 752 km。由于其特殊的海灣環境、氣候條件及沿海海洋環境污染的加劇，福建省已成為全國赤潮災害多發省份之一，嚴重威脅著福建省的漁業生產、濱海旅游甚至公眾健康[10]。

1.2 數據來源與數據處理

數據來源：赤潮災害歷史記錄數據來源于國家海洋環境監測中心赤潮數據庫。該數據收集了有記錄以來中國近岸海域赤潮發生的情況。根據數據顯示，1959—2018年期間，福建省近岸海域共發生了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。累計赤潮發生面積16 379.41 km2，最大的一次發生面積為1 100 km2。

數據處理：根據赤潮災害歷史記錄數據，以福建省近岸海域為研究區域，選取1959—2018年期間福建省近岸海域的赤潮災害歷史記錄，利用赤潮發生開始時間和結束時間獲取赤潮發生持續時間；根據經緯度記錄情況進行統一轉換為度的形式便于在ArcGIS平臺進行輸入；根據記錄的赤潮藻類優勢種進行分析是否為有毒、有害還是無毒藻類，并進行賦值(有毒藻類賦值3，有害赤潮賦值2，無毒藻類賦值1)，便于后續的計算。

2 赤潮災害危險性區劃方法的構建

2.1 赤潮災害危險性評估指標選取

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

赤潮發生持續時間越長表明赤潮的破壞性越大；赤潮發生持續時間較短表明赤潮的破壞性較小。

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

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

若引發赤潮的藻類屬于有毒藻類(能夠產生毒素，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(產生魚毒素等)途徑對海洋生物產生危害的藻類)，表明赤潮的破壞性較大；若引發赤潮的藻類屬于無毒藻類(不產生毒素，且尚未有造成海洋生物或工業生產危害記錄但對海洋生態系統產生影響的藻類)，表明該赤潮的破壞性較小。

通過上述分析，選取赤潮發生持續時間、赤潮發生頻次、赤潮發生面積和赤潮藻類毒性作為赤潮災害危險性區劃評估指標。

2.2 赤潮災害危險性區劃方法構建

赤潮災害危險性區劃方法采用公式(1)進行計算。

(1)

式中：H表示赤潮災害危險性，取值0～1，無量綱，越接近1，表明赤潮發生的概率越大，反之亦然；αi表示各評估指標的權重；Hi表示不同區劃指標造成的赤潮災害危險性。從公式(1)中可以看出，如何確定αi和Hi是實現赤潮災害危險性區劃的關鍵。

權重αi的確定方法：《赤潮災害應急預案》中根據赤潮災害的影響范圍、性質和危害程度將赤潮災害劃分為三個應急響應等級，因此，設定赤潮發生頻次、赤潮發生持續時間、赤潮發生面積和赤潮藻類毒性的權重分別為0.1，0.3，0.3和0.3。

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

表1 基于核密度估算模型的各指標空間分布結果重分類和賦值

2.3 赤潮災害危險性區劃等級劃分標準

根據公式(1)得到赤潮災害危險性空間分布結果，將赤潮災害危險性按照表2進行劃分為極高危險性區、高危險性區、中危險性區和低危險性區4個等級。

表2 赤潮災害危險性區劃等級劃分標準

2.4 區劃結果驗證方法構建

根據上述構建的區劃方法，首先利用1959—2013年數據獲取未來5 a福建省近岸海域赤潮災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據，采用公式(2)來檢驗區劃結果的合理性和可信度。

(2)

式中：A表示當年度赤潮發生情況對區劃結果的可信度，可信度A等級高低劃分由表3來完成；CH1表示當年度處于極高危險性區的赤潮發生次數，CH2表示當年度處于高危險性區的赤潮發生次數，C表示當年度的赤潮發生次數。

表3 可信度A等級劃分

3 結果與分析

3.1 福建省近岸海域赤潮危險性區劃空間分布

根據上述構建的赤潮災害危險性區劃方法，結合1959—2018年間赤潮歷史記錄數據，在ArcGIS平臺下得到福建省近岸海域赤潮災害危險性區劃結果(圖1)。

圖1 未來5 a福建省近岸海域赤潮災害危險性區劃結果的空間分布狀況(基于1959—2018年歷史記錄數據)(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和低危險性區。

近年來，隨著習近平生態文明思想不斷深入貫徹落實，美麗中國和美麗海灣建設的不斷推進，近岸海域生態環境質量不斷提升，赤潮災害危險性也在變化，即赤潮災害危險性空間分布是一個動態變化而不是一成不變，因此，設定本次得到的福建省近岸海域赤潮危險性區劃空間分布結果的有效期限為未來5 a。

3.2 區劃結果的驗證

根據上述構建的區劃方法，首先利用1959—2013年數據獲取未來5 a福建省近岸海域赤潮災害危險性空間分布情況(圖2中的危險性區劃結果)，然后根據2014—2018年的赤潮歷史記錄數據，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害危險性區劃結果的空間分布狀況(圖2所示)，同時根據公式(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害危險性區劃結果的空間分布情況

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%，區劃結果的驗證方法及驗證結果表明本文得到的未來5 a福建省近岸海域赤潮災害危險性區劃結果的空間分布結果具有較好的合理性和可信性。

表4 2014—2018年的可信度A的計算結果

另外，赤潮的發生往往是海域中營養鹽及其比率、水溫、鹽度、光照等多個影響因素在適宜條件下導致赤潮藻類暴發性增殖的綜合結果[11-14]。赤潮歷史記錄表明赤潮歷史事件發生的區域，赤潮發生頻次越多的區域(圖1中點的密集度)，該區域的海洋環境因子適宜赤潮藻類暴發性增殖，赤潮易于發生。赤潮發生頻次越少的區域(圖1中點的密集度)，該區域的海洋環境因子不利于赤潮藻類暴發性增殖，赤潮難以發生。許珠華等[15]的研究結果表明附件近岸海域赤潮易發區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]研究結果表明2001—2010年間福建近岸海域赤潮主要發生在寧德市沿海、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區。這些結論與本文得到區劃結果基本相一致。

4 結論

本文利用赤潮歷史記錄數據，選取赤潮發生頻次、赤潮發生持續天數、赤潮發生面積和赤潮藻類毒性四項因子作為評估指標，采用核密度估算模型，在GIS平臺下對赤潮歷史記錄數據中的四項評估指標參數進行了空間評估分析，最后根據赤潮災害危險度區劃方法得到福建省近岸海域赤潮災害危險性空間分布情況，結果表明未來5 a福建省近岸海域處于極高危險性區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和低危險性區。驗證結果表明構建的區劃方法和區劃結果具有較好的合理性和可信性，區劃結果將為福建省近岸海域赤潮災害應急處置、納污海域污染總量控制制定有效的管理措施提供科學依據，從而達到防災減災的目的，而且對指導海洋水產養殖、濱海旅游業規劃等具有重要的科學意義。