中国东南沿海中心渔港和一级渔港合理布局方法的研究

李放冯艳红栾曙光于红

(1.大连海洋大学海洋与土木工程学院,辽宁大连116023;2.大连海洋大学信息工程学院,辽宁大连116023)

中国东南沿海中心渔港和一级渔港合理布局方法的研究

李放1,冯艳红2,栾曙光1,于红2

(1.大连海洋大学海洋与土木工程学院,辽宁大连116023;2.大连海洋大学信息工程学院,辽宁大连116023)

中国东南沿海是受热带气旋影响较为严重的区域,中心渔港和一级渔港是渔船安全避风的场所,而目前中国东南沿海现有中心渔港和一级渔港仅能满足43%机动渔船避风锚泊的需求。根据国家制定的新建和扩建一批避风能力达到11级的中心渔港和一级渔港,以满足70%机动渔船停泊避风需要的 “十二五”渔港建设规划目标,本研究中以浙江省为例,将复杂的渔港选址问题运用数学方法予以处理,给出了浙江省拟建中心渔港和一级渔港的数量及其布局方案,并提出了台风登陆时拟建渔港的放大系数,为国家 “十二五”渔港建设规划的实施提供了科学依据和技术支撑。

中心渔港;一级渔港;渔港布局

中国东临西北太平洋,是一个全年各季均有热带气旋发生的海区,热带气旋生成数约占全球的三分之一,因此,中国是世界上受热带气旋灾害影响较重的国家之一[1],也是受西北太平洋生成的热带气旋影响最多的国家之一[2-3]。近年来,影响中国东南沿海的热带气旋呈现密度大、强度大、破坏力强的特点,中心风力达到17级的超强台风也时有发生。从1990年至2011年来,在中国东南沿海登陆的强台风和超强台风有22个,这些强台风在中国东南沿海岸线上均匀分布,给渔民的生命财产造成了严重危害。

渔港作为热带气旋登陆时渔船安全避风的场所,历来受到各级政府的高度重视,截至2010年,中国在东南沿海投资建设了具有一定避风能力的中心渔港和一级渔港63个,可以满足43%的机动渔船停泊避风的需要。国家 “十二五”渔港建设规划的目标是新建和扩建一批避风能力达到11级的中心渔港和一级渔港,以满足70%机动渔船停泊避风的需要。规划实施的关键问题是建多少个渔港和在哪里建,才能使政府的资金投入获得最好的经济效益和社会效益,从而提升中国渔港防灾减灾的整体实力。本研究中,以浙江省为例,将复杂的渔港选址问题运用数学方法予以处理,考虑现有的中心渔港和一级渔港的数量及其布局,以满足70%渔船进港避风为目标,以就近避风为原则,以渔船在渔场作业的分布图为依据,建立数学模型,设定计算目标,附加约束条件,在计算结果的基础上考虑登陆的台风和强台风的影响,提出了台风登陆时拟建渔港的放大系数,给出了浙江省拟建渔港的数量及其布局。

1 计算基本假定

1)中心渔港和一级渔港只为海洋机动渔船提供避风锚泊,而二级和三级渔港为其他渔船提供避风锚泊场所,不参与计算。

2)通过渔船定位监控管理系统,获取各海区海洋机动渔船的作业分布图 (图1),用图像识别算法对各个区域作业渔船的数量和位置进行估算,结果表明,各类渔船在各自的作业范围内基本符合均匀分布的假定。

3)假定国家 “十二五”期间拟建的中心渔港和一级渔港其平均避风容量为600艘,其港址从现有的二级和三级渔港中产生,即经过改扩建达到中心或一级渔港的建设水平。通过Google Earth选择拟建渔港港址78处,供数学模型随机选择。

4)假定浙江省出省作业的渔船数与外省来浙江省海域作业的渔船数相等,参与计算时的渔船数为浙江省渔船总数。

5)设定布局规划目标是满足70%的机动渔船进港避风。

6)台风或强台风正面登陆时,渔船远离台风中心,到10级风圈以外的渔港避风。假定10级风圈之内的渔港不能为渔船提供安全避风场所。

2 数学模型

渔港选址规划的总目标是让尽可能多的海洋机动渔船以最小的代价并在最短时间内回港避风。目前,解决中心渔港和一级渔港选址规划问题的有效算法为启发式算法[4-6],因此,本研究中采用启发式算法[7]。

3 数据处理

3.1 集合

模型中包含两个集合:渔船集合和渔港集合,渔船集合S={s1,s2,…,sm},每条渔船包括船型t(大、中、小)、船速v、位置坐标sx和sy;渔港集合P={p1,p2,…,pn},每个渔港包括渔港类别t(中心、一级)、容量c、位置坐标px和py。

3.2 渔港规划的特征向量

渔港是否被选中作为规划渔港,可用渔港规划特征向量表示:

其中:xj(j=1,2,…,n)为渔港pj(j=1,2,…,n)是否被选中作为规划渔港。

3.3 渔船进港避风的特征矩阵

当台风登陆时,渔船就近选择渔港避风,而各渔船进港避风的情况可用特征矩阵表示:

其中:yij(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)为渔船si是否进入渔港pj避风。

3.4 渔船到达渔港的航行时间矩阵

渔船、渔港的位置与渔船的航行速度为已知,则渔船进港避风的航行时间可表示为

其中:tij(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)为渔船si(i=1,2,…,m)从其作业位置到达渔港pj(j=1,2,…,n)所用的时间。

渔船到达渔港的航行时间矩阵可表示为

其中:T为渔船到达渔港的航行总时间。

3.5 渔港的避风代价

渔港的避风代价就是选择某渔港避风的所有渔船航行时间的总和。渔港pj(j=1,2,…,n)被选中后,最多有pj·c条渔船进港避风,进入渔港pj避风的渔船航行总代价为

因为渔港的容量为pj·c,因此有

3.6 目标函数

目标函数就是渔船回港所需的最短航行时间,表示为

将式(6)代入式(7)后,目标函数则为

3.7 约束条件

4 计算结果与分析

4.1 拟建渔港的数量及其布局

计算结果显示,在满足70%渔船进港避风的前提下,不考虑台风的影响时,浙江省需拟建中心渔港和一级渔港17座,其中有88%的拟建渔港位于浙北地区,12%的渔港位于浙中和浙南区域(图2),原因是浙江省的渔船作业主要集中在浙北地区以东的舟山渔场、舟外渔场等海域,渔船在接到台风预警信号后,可以在最短时间内进入浙北区域的渔港避风,符合就近避风的原则。

图1 浙江省海洋机动渔船海区作业分布图Fig.1 The distribution of motorized fishing boats in Zhejiang Province

图2 浙江省拟建渔港分布图 (满足70%渔船进港避风且不考虑台风的影响)Fig.2 The distribution of proposed fishing port in Zhejiang Province(70%of the fishing boats in the harbour,neglect of typhoon)

4.2 考虑台风后拟建渔港的数量及其布局

浙江省的台风统计资料显示,台风和强台风10级风圈的平均半径分别为133 km和172 km。频繁登陆的区域分别位于闽浙交界和浙中地区,本研究中分别以浙中区域的玉环坎门渔港和闽浙交界处的霞关渔港为台风密集登陆点,限定台风或强台风登陆时10级风圈范围内禁止渔船避风,对数学模型给出10级风圈的限制条件。当台风在玉环坎门渔港登陆时,浙江省需拟建中心渔港和一级渔港25座,拟建渔港均位于浙北地区;当强台风在玉环坎门渔港登陆时,浙江省需拟建中心渔港和一级渔港28座,拟建渔港的布局与台风登陆时相同,均位于浙北地区。当台风在霞关渔港登陆时,浙江省需拟建中心渔港和一级渔港21座,其中有90%的拟建渔港位于浙北地区,10%的拟建渔港位于浙中地区;当强台风在霞关渔港登陆时,浙江省需拟建中心渔港和一级渔港23座,其中有87%的拟建渔港位于浙北地区,13%的拟建渔港位于浙中地区。拟建渔港分布如图3和图4所示。

4.3 受台风影响拟建渔港的放大系数

受台风和强台风的影响,10级及以上风圈内渔港不能为渔船提供安全避风锚泊场所,即渔船应逃离台风中心到10级风圈之外的渔港避风,因此,渔港的数量和布局均发生变化,考虑台风影响时拟建中心渔港和一级渔港的数量多于不考虑台风影响时拟建中心渔港和一级渔港的数量。本研究中定义拟建渔港放大系数为考虑台风影响时拟建中心渔港和一级渔港的数量与不考虑台风影响时拟建中心渔港和一级渔港的数量的比值。经计算,台风或强台风在玉环坎门渔港登陆时,拟建渔港放大系数为1.5～1.6;台风或强台风在闽浙交界的霞关渔港登陆时,拟建渔港放大系数为1.2～1.4。台风登陆时放大系数取小值,强台风登陆时放大系数取大值。即台风登陆时拟建中心渔港和一级渔港数量等于拟建渔港的放大系数乘以不考虑台风影响时拟建中心渔港和一级渔港的数量,而其布局则必须依据台风的登陆点和本研究中的数学模型确定。

图3 台风 (A)和强台风 (B)在坎门渔港登陆时浙江省拟建渔港分布图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

需要说明的是,玉环坎门渔港位于浙中地区,当台风登陆时,10级风圈覆盖范围均为浙江省境内,而霞关渔港位于闽浙交界处,10级风圈覆盖范围一半位于浙江省境内,一半位于福建省境内,而本研究中渔港布局方案的研究是以浙江省为例,台风在浙中地区登陆时受影响的渔港数量要多于台风在闽浙交界处登陆时受影响的渔港数量,因此,台风在浙中区域登陆与在闽浙交界处登陆得到的放大系数有差异,可认为台风或强台风在玉环坎门渔港登陆时得到的拟建渔港放大系数1.5～1.6,对确定东南沿海拟建渔港数量更具有参考价值。

图4 台风 (C)和强台风 (D)在霞关渔港登陆时浙江省拟建渔港分布图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

[1] 史培军.中国自然灾害系统地图集:中英对照[M].北京:科学出版社,2003.

[2] 栾曙光,李可.台风等级以上热带气旋登陆特征分析[C]//中国气象学会.第十五届全国热带气旋科学讨论会论文集.北京:气象出版社,2009:185-189.

[3] 栾曙光,李可,桑宝峰.沙埕港超强台风“桑美”灾害成因的数值模拟分析[J].大连海洋大学学报,2012,27(1):69-72.

[4] 熊伟清,魏平.二进制蚁群进化算法[J].自动化学报,2007,33 (3):259-264.

[5] 袁军良,熊伟清,江宝钏.混合二元蚁群算法求解集装箱装载问题[J].计算机工程与应用,2010,46(36):222-225.

[6] 钟金宏,黄玲.带外包受限批量模型的启发式遗传算法[J].系统仿真学报,2011,23(12):2623-2628.

[7] 于红,冯艳红,李放,等.避风型渔港规划问题的启发式算法研究[J].大连海洋大学学报,2012,27(4):373-376.

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

农业部重点科研项目

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

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