深水網箱養殖的海浪災害風險預警研究
——以浙江省南麂島地區為例

郭敬,朱業,李婷,王勤,車助鎂

(浙江省海洋監測預報中心 杭州 310007)

0 引言

我國是世界第一水產養殖大國,水產養殖產量超過世界水產養殖總產量的70%[1-2]。近年來,更接近天然環境的網箱養殖成為新的發展趨勢,但臺風等海洋災害性氣候的頻發嚴重阻礙網箱養殖的健康發展。以溫州市南麂島為例,根據1949—2016年的統計結果,影響該區域的臺風頻次為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”均導致南麂島網箱養殖產業損失慘重。

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測、預警預報和防范治理的業務體系。然而傳統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。對海水養殖業而言,目前養殖海域的致災因子、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值模擬[3],同時利用BP神經網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為試點,建立深水網箱受災損壞等級,建立海浪與養殖網箱受災破壞的定量關系,建立精細化海浪-風暴潮耦合數值預報模型,開發深水網箱養殖風險預警產品,為當地網箱養殖應對臺風等極端天氣過程提供技術支撐和服務。

1 數據資料

本研究采用的網箱資料來自現場調研,數值模型采用的岸線數據為浙江省近海調查測量數據,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全球地形數據集(分辨率為2'×2'),南麂島附近水深數據為溫州市自然資源部門近年的現場測量數據,海浪資料為南麂島波浪浮標觀測數據,臺風資料來自中央氣象局。

2 南麂島網箱養殖

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家深水網箱養殖企業,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,浙江碧海仙山海產品開發有限公司的養殖規模最大,深水網箱約有90口,網箱周長為60 m;其他企業的養殖規模均在10口左右,網箱周長為40 m。

深水網箱也被稱為重力式深水網箱,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。深水養殖網箱容量較大,是具有較強抗風浪性能的海上養殖設施,主要由浮架系統、網衣系統、錨碇系統和配重系統構成(圖1)。

圖1 重力式深水網箱結構

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

3 網箱損壞等級

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

圖2 BP神經網絡結構

本研究利用網箱水動力數值計算結果,結合實地調研結果,根據浮架變形斷裂、錨繩斷纜脫錨和網箱容積損失過大這3種損壞形式,開展深水網箱損壞等級劃分,并根據不同受災破壞等級制定深水網箱水動力閾值,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(浪高、浪周期和水深)和網箱結構參數(周長),并將這些參數輸入通過BP神經網絡建立的非線性定量關系的輸入層,經過中間層的處理后,輸出網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 網箱受災損壞等級和閾值

在實際抗臺風過程中發現,致災因子輸入項過多嚴重影響風險預警產品的發布速度。為縮短產品制作和發布時間,實現業務化快速發布,須把輸入項進行簡化。在調研中發現,每家養殖企業的養殖用海范圍都是固定的,網箱錨定和飄浮范圍可基本定為不變,因此各家企業的水深和網箱周長輸入項都是固定的。通過對南麂島浮標多年觀測數據的分析,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箱損壞等級,建立定量化數據庫,得出6家養殖企業的養殖網箱損壞等級對應的浪高閾值,并通過精細化海浪-風暴潮耦合數值預報模型開展海浪精準預報,實現深水養殖網箱風險預警產品自動化快速制作和發布(表2)。

表2 南麂島深水網箱不同損壞等級下的浪高閾值

4 海浪數值模式

本研究所用數值模式采用SWAN和ADCIRC耦合模型,用于同一套非結構網格,相同的網格可準確求解2個模型中波流相互作用的物理過程。非結構網格可用于較大區域,使得深水區的能量全部傳到淺水區,且不再需要對結構網格進行嵌套和疊加,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。整個網格系統共有226 137個三角形,由136 948個節點構成,整套計算網格覆蓋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。根據海浪模式預報結果制作南麂島網箱災害風險預警產品,結果顯示:馬祖岙鴻運、新科和柴嶼以及竹嶼耕海牧漁的養殖海域將于7月11日凌晨達到或接近橙色預警,出現網箱Ⅱ級嚴重破壞;國姓岙海派和馬祖岙碧海仙山的養殖海域將達到藍色預警,出現網箱Ⅳ級輕度破壞。

南麂島浮標受1808號臺風影響造成數據缺失,但根據變化趨勢推斷,海浪模式計算結果與實測數據在浪高和最大浪高出現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。

經過現場調研和無人機航拍,國姓岙海派的12口深水網箱未有明顯損失;馬祖岙鴻運共有4只周長為40 m的網箱全部損壞,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的網箱中有4只網箱失蹤(其中1只在岸邊發現,破壞等級為I級),有3只網箱受損,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的網箱中有5只網箱受損,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的網箱中只有1只網箱受損,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的網箱中有9只網箱受損,破壞等級達到Ⅱ級嚴重破壞。

總體而言,大多數受損網箱為Ⅱ級嚴重破壞,少量網箱為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。根據海浪模式的預報結果制作南麂島網箱災害風險預警產品,結果顯示:馬祖岙鴻運、新科和柴嶼以及竹嶼耕海牧漁的養殖海域將于7月11日凌晨達到或接近紅色預警,出現網箱I級特別嚴重破壞;國姓岙海派和馬祖岙碧海仙山的養殖海域將達到或接近橙色預警,出現網箱Ⅱ級嚴重破壞。

南麂島浮標受1909號臺風影響造成數據缺失,但根據變化趨勢推斷,海浪模式計算結果與實測數據在浪高和最大浪高出現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。

根據災后現場調查情況,馬祖岙鴻運、新科和柴嶼以及竹嶼耕海牧漁的大多數網箱均為I級特別嚴重破壞,部分網箱為II級嚴重破壞;國姓岙海派和馬祖岙碧海仙山的大部分網箱為II級嚴重破壞,少量為I級特別嚴重破壞。經驗證,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殖海域,根據網箱的結構參數以及水文和水深等條件,計算不同災害情景下的網箱損壞等級,建立定量化數據庫,得到針對不同養殖企業的不同損壞等級的浪高閾值,結合精細化風暴潮-近岸浪耦合數值預報模型,構建海浪災害風險預判的指數化和業務化體系,實現在5 min內完成深水養殖網箱災害風險預警產品的自動化快速制作和發布;經過1808號“瑪莉亞”臺風和1909號“利奇馬”臺風的檢驗,計算結果與實測數據在浪高和最大浪高出現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。該風險預警產品為政府部門和養殖企業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。