深水网箱养殖的海浪灾害风险预警研究——以浙江省南麂岛地区为例

郭敬,朱业,李婷,王勤,车助镁

(浙江省海洋监测预报中心 杭州 310007)

0 引言

我国是世界第一水产养殖大国,水产养殖产量超过世界水产养殖总产量的70%[1-2]。近年来,更接近天然环境的网箱养殖成为新的发展趋势,但台风等海洋灾害性气候的频发严重阻碍网箱养殖的健康发展。以温州市南麂岛为例,根据1949—2016年的统计结果,影响该区域的台风频次为3.3次/年,其中0216号台风“森拉克”、0608号台风“桑美”和1323号台风“菲特”均导致南麂岛网箱养殖产业损失惨重。

近年来,我国海洋防灾减灾工作积极借鉴国内外先进理念,建立成熟的海洋灾害观测监测、预警预报和防范治理的业务体系。然而传统的海洋灾害预警报主要针对潮位、浪高和增水等,对于重点目标区域和主要承灾体破坏性影响的预判和风险预警仍较为缺乏,难以精准聚焦防护对象并有针对性地采取应对措施。对海水养殖业而言,目前养殖海域的致灾因子、受灾响应和灾害破坏机理尚不完全清晰,导致灾前预判和应对不足。

已有学者利用ANSYS有限元软件对浮架结构在波浪和水流作用下的水动力特性进行数值模拟[3],同时利用BP神经网络构建受灾破坏因子与结构受损的定量关系,并利用灰色关联度识别受灾破坏主控因子[4-6]。本研究在以往研究的基础上,以浙江省南麂岛地区为试点,建立深水网箱受灾损坏等级,建立海浪与养殖网箱受灾破坏的定量关系,建立精细化海浪-风暴潮耦合数值预报模型,开发深水网箱养殖风险预警产品,为当地网箱养殖应对台风等极端天气过程提供技术支撑和服务。

1 数据资料

本研究采用的网箱资料来自现场调研,数值模型采用的岸线数据为浙江省近海调查测量数据,海洋地形资料来自美国国家海洋和大气管理局(NOAA)公布的ETOP 02全球地形数据集(分辨率为2'×2'),南麂岛附近水深数据为温州市自然资源部门近年的现场测量数据,海浪资料为南麂岛波浪浮标观测数据,台风资料来自中央气象局。

2 南麂岛网箱养殖

南麂列岛位于浙江省东南部海面,由52个面积大于500 m2的海岛组成,其中南麂岛为主岛,位于列岛中央,面积为7.64 km2,岸线长为24.8 km,大沙岙、火焜岙、马祖岙和国姓岙4个海湾分置于东南和西北2个方向。南麂列岛海域的东北侧和西南侧为深水通道,水深超过30 m,最深处达45 m[7-10]。

目前南麂岛主要有6家深水网箱养殖企业,其中国姓岙有1家(海派),马祖岙有4家(鸿运、新科、柴屿和碧海仙山),竹屿有1家(耕海牧渔)。其中,浙江碧海仙山海产品开发有限公司的养殖规模最大,深水网箱约有90口,网箱周长为60 m;其他企业的养殖规模均在10口左右,网箱周长为40 m。

深水网箱也被称为重力式深水网箱,多为圆形,主要布局在平均水深为10～20 m的沿海开放性水域。深水养殖网箱容量较大,是具有较强抗风浪性能的海上养殖设施,主要由浮架系统、网衣系统、锚碇系统和配重系统构成(图1)。

图1 重力式深水网箱结构

本研究的浮架材料为高强度聚乙烯(HDPE),直径为40～60 m,网衣材料为聚乙烯(PE)。根据现场调研结果,深水网箱受灾主要发生在灾害性海浪影响期间。在海浪作用下,网箱的运动幅值增大,浮架受锚绳拉力和浮架相互之间的挤压影响,因大变形而出现断裂;海浪拍打造成锚绳断裂或走锚,网箱内养殖容积受到压缩,导致养殖鱼类缺氧死亡。受灾损坏的主要形式可概括为浮架变形断裂、锚绳断缆脱锚和网箱容积损失过大3个类型。

3 网箱损坏等级

有学者通过构建深水网箱的物理模型和数学模型,采用BP神经网络算法对实验和计算数据进行训练,筛选出网箱主要致灾因子即浪高、浪周期、水深和网箱周长,并建立4种致灾因子和网箱结构受损(锚绳张力、容积保持率和浮架应力)的定量关系(图2)。

图2 BP神经网络结构

本研究利用网箱水动力数值计算结果,结合实地调研结果,根据浮架变形断裂、锚绳断缆脱锚和网箱容积损失过大这3种损坏形式,开展深水网箱损坏等级划分,并根据不同受灾破坏等级制定深水网箱水动力阈值,当浮架应力、容积保持率和缆绳力中的某项达到设定阈值,即会出现相应的破坏情况(表1)。

利用南麂岛周边海域的实际水文参数(浪高、浪周期和水深)和网箱结构参数(周长),并将这些参数输入通过BP神经网络建立的非线性定量关系的输入层,经过中间层的处理后,输出网箱在实际海况下的锚绳张力最大值、容积保持率最小值以及浮架应力最大值,再结合表1即可确定网箱的损坏等级。参考海浪灾害的预警等级,将4种破坏程度分别对应红、橙、黄和蓝4种风险预警等级。

表1 网箱受灾损坏等级和阈值

在实际抗台风过程中发现,致灾因子输入项过多严重影响风险预警产品的发布速度。为缩短产品制作和发布时间,实现业务化快速发布,须把输入项进行简化。在调研中发现,每家养殖企业的养殖用海范围都是固定的,网箱锚定和飘浮范围可基本定为不变,因此各家企业的水深和网箱周长输入项都是固定的。通过对南麂岛浮标多年观测数据的分析,有效浪高的平均浪周期为5.5 s。

通过计算不同情景下的网箱损坏等级,建立定量化数据库,得出6家养殖企业的养殖网箱损坏等级对应的浪高阈值,并通过精细化海浪-风暴潮耦合数值预报模型开展海浪精准预报,实现深水养殖网箱风险预警产品自动化快速制作和发布(表2)。

表2 南麂岛深水网箱不同损坏等级下的浪高阈值

4 海浪数值模式

本研究所用数值模式采用SWAN和ADCIRC耦合模型,用于同一套非结构网格,相同的网格可准确求解2个模型中波流相互作用的物理过程。非结构网格可用于较大区域,使得深水区的能量全部传到浅水区,且不再需要对结构网格进行嵌套和叠加,也不再需要内部模型插值,从而显著减少计算量,并保证计算的准确性。整个网格系统共有226 137个三角形,由136 948个节点构成,整套计算网格覆盖19.6°-37.2°N,115.7°-130.7°E。该模型每天运行1次,可以提供浙江省海域未来120 h的海浪预报结果,时间间隔为1 h。

数值模式选取6次台风进行验证,对台风浪的检验效果较好,模拟值与实测值符合较好,平均绝对误差在1 m以内,相对误差均不超过13%,基本能反映浙江省台风浪的分布特征(表3)。

表3 南麂岛台风浪的验证误差

5 应用案例

5.1 1808号“玛莉亚”台风

1808号“玛莉亚”台风于2018年7月4日20时在菲律宾以东的西北太平洋洋面上生成,于11日9时10分在福建省黄岐半岛登陆,登陆时中心附近最大风力为14级,中心最低气压为960 hPa。根据海浪模式预报结果制作南麂岛网箱灾害风险预警产品,结果显示:马祖岙鸿运、新科和柴屿以及竹屿耕海牧渔的养殖海域将于7月11日凌晨达到或接近橙色预警,出现网箱Ⅱ级严重破坏;国姓岙海派和马祖岙碧海仙山的养殖海域将达到蓝色预警,出现网箱Ⅳ级轻度破坏。

南麂岛浮标受1808号台风影响造成数据缺失,但根据变化趋势推断,海浪模式计算结果与实测数据在浪高和最大浪高出现时间等方面基本吻合,海浪模式较好地模拟1808号台风期间南麂岛海域的浪高变化情况。

经过现场调研和无人机航拍,国姓岙海派的12口深水网箱未有明显损失;马祖岙鸿运共有4只周长为40 m的网箱全部损坏,破坏等级达到Ⅱ级严重破坏;马祖岙新科在12只周长为40 m的网箱中有4只网箱失踪(其中1只在岸边发现,破坏等级为I级),有3只网箱受损,破坏等级达到Ⅱ级严重破坏;马祖岙柴屿在10只周长为40 m的网箱中有5只网箱受损,破坏等级达到Ⅱ级严重破坏;马祖岙碧海仙山在90只周长为60 m的网箱中只有1只网箱受损,破坏等级达到Ⅲ级中度破坏;竹屿耕海牧渔在14只周长为40 m的网箱中有9只网箱受损,破坏等级达到Ⅱ级严重破坏。

总体而言,大多数受损网箱为Ⅱ级严重破坏,少量网箱为I级特别严重破坏和Ⅲ级中度破坏,预报的破坏等级与实际的受灾情况一致。

5.2 1909号“利奇马”台风

1909号“利奇马”台风于2019年8月4日14时在菲律宾以东的西北太平洋洋面上生成,于10日1时45分在浙江省温岭市登陆,登陆时中心附近最大风力为16级,中心最低气压为930 hPa。根据海浪模式的预报结果制作南麂岛网箱灾害风险预警产品,结果显示:马祖岙鸿运、新科和柴屿以及竹屿耕海牧渔的养殖海域将于7月11日凌晨达到或接近红色预警,出现网箱I级特别严重破坏;国姓岙海派和马祖岙碧海仙山的养殖海域将达到或接近橙色预警,出现网箱Ⅱ级严重破坏。

南麂岛浮标受1909号台风影响造成数据缺失,但根据变化趋势推断,海浪模式计算结果与实测数据在浪高和最大浪高出现时间等方面基本吻合,海浪模式较好地模拟1909号台风期间南麂岛海域的浪高变化情况。

根据灾后现场调查情况,马祖岙鸿运、新科和柴屿以及竹屿耕海牧渔的大多数网箱均为I级特别严重破坏,部分网箱为II级严重破坏;国姓岙海派和马祖岙碧海仙山的大部分网箱为II级严重破坏,少量为I级特别严重破坏。经验证,预报的破坏等级与实际的受灾情况一致。

6 结语

本研究聚焦南麂岛养殖海域,根据网箱的结构参数以及水文和水深等条件,计算不同灾害情景下的网箱损坏等级,建立定量化数据库,得到针对不同养殖企业的不同损坏等级的浪高阈值,结合精细化风暴潮-近岸浪耦合数值预报模型,构建海浪灾害风险预判的指数化和业务化体系,实现在5 min内完成深水养殖网箱灾害风险预警产品的自动化快速制作和发布;经过1808号“玛莉亚”台风和1909号“利奇马”台风的检验,计算结果与实测数据在浪高和最大浪高出现时间等方面都基本吻合,预报的破坏等级与实际的受灾情况一致。该风险预警产品为政府部门和养殖企业在台风汛期快速采取防范措施以及减少灾害损失提供技术保障。