溢油污染事故后漁業(yè)生產(chǎn)恢復輔助決策系統(tǒng)研究

于紅,周文嬌,高勝哲,戚浩然,劉海映,周一兵,劉長發(fā),王斌

(1.大連海洋大學信息工程學院,遼寧大連116023;2.遼寧省海洋信息技術重點實驗室,遼寧大連116023;3.大連海洋大學理學院,遼寧大連116023;4.大連市海洋與漁業(yè)局,遼寧大連116001;5.大連海洋大學海洋科技與環(huán)境學院,遼寧大連116023;6.大連海洋大學水產(chǎn)與生命學院,遼寧大連116023)

溢油污染事故后漁業(yè)生產(chǎn)恢復輔助決策系統(tǒng)研究

于紅1、2,周文嬌1,高勝哲3,戚浩然4,劉海映5,周一兵6,劉長發(fā)5,王斌6

(1.大連海洋大學信息工程學院,遼寧大連116023;2.遼寧省海洋信息技術重點實驗室,遼寧大連116023;3.大連海洋大學理學院,遼寧大連116023;4.大連市海洋與漁業(yè)局,遼寧大連116001;5.大連海洋大學海洋科技與環(huán)境學院,遼寧大連116023;6.大連海洋大學水產(chǎn)與生命學院,遼寧大連116023)

為解決溢油應急處置后海水中多環(huán)芳烴等石油污染殘留物對水生生物產(chǎn)生影響等一系列問題,研究了溢油污染事故發(fā)生后漁業(yè)生產(chǎn)恢復輔助決策的相關因素,提出了基于模型庫的溢油污染事故后續(xù)生產(chǎn)恢復輔助決策方案,給出了溢油漁業(yè)生產(chǎn)恢復輔助決策算法,建立了溢油生產(chǎn)恢復輔助決策系統(tǒng)。結果表明：該系統(tǒng)可在溢油污染應急處置后,按照漁業(yè)生產(chǎn)水質標準的要求,確定合適的修復方案,從而輔助漁業(yè)生產(chǎn)恢復工作;用仿真數(shù)據(jù)對系統(tǒng)進行的測試結果表明,該系統(tǒng)能夠滿足海洋漁業(yè)管理部門在溢油事故發(fā)生后進行漁業(yè)生產(chǎn)恢復輔助決策的需要。

溢油事故;漁業(yè)生產(chǎn)恢復;輔助決策系統(tǒng)

近年來,海洋溢油事故頻發(fā),溢油事故導致的水域環(huán)境變化對海洋漁業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生了重大影響。統(tǒng)計顯示,30年來,中國沿海共發(fā)生70多起50 t以上的溢油事故[1],特別是“大連‘7.16’新港溢油”和“渤海灣蓬萊19—3油田溢油”等事故對黃、渤海海域的海洋環(huán)境造成了嚴重污染。目前,利用信息技術減少污染危害引起了國內外學者的廣泛關注,并在幾個方面開展了大量研究：(1)溢油監(jiān)測技術及監(jiān)測系統(tǒng)[2-3];(2)溢油事故評估方法及評估系統(tǒng)[4-5];(3)溢油事故應急處置決策支持系統(tǒng)[6-8]。溢油事故發(fā)生后,各種應急輔助決策系統(tǒng)可根據(jù)溢油漂移擴散模型、溢油風化模型、油污漂移路線和影響區(qū)域、預測溢油區(qū)域的變化,同時,根據(jù)溢油自身特性、溢油環(huán)境特性、資源配置情況等生成溢油清污技術優(yōu)化方案[6]。溢油應急處置輔助決策系統(tǒng)為油污清除提供了輔助決策方案,然而,溢油應急處置后,部分海域海水中溢油污染殘留物含量依然較高,超過了漁業(yè)生產(chǎn)水質的標準要求,并對近海海域環(huán)境造成威脅[9],特別是多環(huán)芳烴等溢油特征污染物的殘留對漁業(yè)生物產(chǎn)生了一定的毒性效應[10-11]。針對上述情況,本研究中探究了溢油污染事故后漁業(yè)生產(chǎn)恢復輔助決策的相關因素,并提出了基于模型庫的溢油污染事故后續(xù)生產(chǎn)恢復輔助決策方案,給出溢油污染事故后漁業(yè)生產(chǎn)恢復輔助決策算法,建立了溢油污染事故后續(xù)生產(chǎn)恢復輔助決策系統(tǒng)。該系統(tǒng)可在溢油污染應急處置后,按照漁業(yè)生產(chǎn)水質標準要求,并參照溢油漁業(yè)生物毒性效應指標,選擇合適的修復方案進行環(huán)境修復,從而為漁業(yè)生產(chǎn)恢復提供輔助決策。

1 油污染事故后漁業(yè)生產(chǎn)恢復決策因素及流程

漁業(yè)生產(chǎn)主要是通過捕撈、養(yǎng)殖和加工獲得水產(chǎn)品的生產(chǎn)過程。作為人們日常生活中主要食品之一的水產(chǎn)品,其生活及生產(chǎn)環(huán)境條件需要符合一定的標準。如果水域環(huán)境遭到污染,水域環(huán)境中特征污染物含量超過限定值,水產(chǎn)品的質量將會受到嚴重影響,進而影響人類的健康甚至會危及生命。例如,溢油事故發(fā)生后水域環(huán)境勢必會遭受污染,此時采用應急處置可在一定程度上解決污染問題,但有些頑固的溢油特征污染物需要采用一定的技術進行修復,不同的修復技術具有不同的修復效果,也會產(chǎn)生不同的修復成本。由此可見,溢油事故發(fā)生后,是否恢復漁業(yè)生產(chǎn),采用何種方案恢復漁業(yè)生產(chǎn),既要考慮漁業(yè)水質標準,也要考慮溢油特征污染物的特性及其對漁業(yè)的影響,

還要考慮修復技術及其修復成本。基于以上分析,本研究中確定溢油污染事故后漁業(yè)生產(chǎn)恢復的決策因素如下：

(1)海洋環(huán)境水質標準。漁業(yè)生產(chǎn)對海洋環(huán)境指標有嚴格的要求,不同種類漁業(yè)生物要求有不同的海洋環(huán)境指標,這些指標需要符合各種漁業(yè)生物的養(yǎng)殖水質標準,如《海參養(yǎng)殖標準》、《鮑魚養(yǎng)殖標準》等。漁業(yè)水質符合標準是漁業(yè)生產(chǎn)的基本要求,因此,這些標準是溢油污染事故后漁業(yè)生產(chǎn)恢復的決策因素之一。

(2)溢油特征污染物對漁業(yè)的影響。溢油事故發(fā)生后,應急處置不能徹底清除海水中的多環(huán)芳烴等潛在特征污染物,這些特征污染物可能會對海參、鮑魚等水生生物產(chǎn)生急性毒性,或者在這些生物體內富集,不同的漁業(yè)生物具有不同的毒性和富集特征,這種毒性和富集會對漁業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生不良影響[12-13]。溢油特征污染物含量是漁業(yè)生產(chǎn)的參考指標,因此,溢油特征污染物的漁業(yè)影響指標也是溢油污染事故后漁業(yè)生產(chǎn)恢復的決策因素之一。

(3)海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)。在溢油事故發(fā)生后,判斷應急處置后海洋環(huán)境是否能夠滿足漁業(yè)生產(chǎn)的要求,需要對海洋環(huán)境指標進行監(jiān)測。監(jiān)測指標包括：漁業(yè)生物養(yǎng)殖標準中約束的指標、可能會產(chǎn)生毒性和富集的石油特征污染物指標,監(jiān)測結果會顯示監(jiān)測時水質是否能夠滿足生產(chǎn)要求以及是否在可修復范圍之內,因此,環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)是溢油污染事故后漁業(yè)生產(chǎn)恢復的基礎因素之一。

(4)環(huán)境修復技術及方案。如果溢油環(huán)境監(jiān)測結果表明,有部分指標不能符合漁業(yè)生產(chǎn)規(guī)范,或者溢油特征污染物含量會對漁業(yè)生物產(chǎn)生慢性毒性效應,就需要用環(huán)境修復技術對海洋環(huán)境進行修復,不同的修復技術和修復方案會產(chǎn)生不同的修復效果,同時也會產(chǎn)生不同的修復成本[12-14],因此,修復技術及方案是漁業(yè)生產(chǎn)的輔助手段,也是溢油污染事故發(fā)生后漁業(yè)生產(chǎn)恢復的重要因素之一。

在對漁業(yè)生產(chǎn)恢復決策因素進行綜合分析后,本研究中給出了溢油污染事故后漁業(yè)生產(chǎn)恢復決策流程圖(圖1)。系統(tǒng)利用環(huán)境修復研究成果數(shù)據(jù)和海洋環(huán)境歷史調查數(shù)據(jù)進行環(huán)境修復模型的訓練,建立模型庫[15]。用漁業(yè)生物毒性研究結果和漁業(yè)養(yǎng)殖標準數(shù)據(jù)作為環(huán)境修復結果的參考標準。在溢油事故發(fā)生后,漁業(yè)管理部門進行應急處置,環(huán)境監(jiān)測部門負責對處置后的海洋環(huán)境指標進行監(jiān)測,將監(jiān)測結果導入數(shù)據(jù)庫;對比實時監(jiān)測的環(huán)境數(shù)據(jù)與漁業(yè)生物的養(yǎng)殖標準,以及溢油特征污染物對不同漁業(yè)生物的毒性指標和富集指標,如果超標,則以實時環(huán)境數(shù)據(jù)和修復目標為輸入,用訓練好的修復模型建立修復算法,以方案可行和成本較低為目標確定修復方案。

圖1 油污染事故后漁業(yè)生產(chǎn)恢復決策因素及流程Fig.1 Decision making factors and flow chart of marine fisheries production recovery post oil spill

2 溢油污染事故后漁業(yè)生產(chǎn)恢復輔助決策算法

漁業(yè)生產(chǎn)恢復輔助決策算法是溢油污染事故后漁業(yè)生產(chǎn)恢復輔助決策系統(tǒng)的核心。輔助決策算法的功能是選擇海洋環(huán)境修復方案,以比較經(jīng)濟的手段,將不適合進行漁業(yè)生產(chǎn)的海洋環(huán)境修復為可進行漁業(yè)生產(chǎn)的海洋環(huán)境。算法以實時監(jiān)測的海洋環(huán)境特征污染物濃度為修復初始條件;由于不同漁業(yè)生物、漁業(yè)生物的不同生命階段要求的海洋環(huán)境條件不同,且不同種類的油品在不同的海洋環(huán)境條件下修復效果不同,故將油品種類、海洋環(huán)境基本指標、修復成本、漁業(yè)生物品種、生物生命階段等均作為決策因子;將漁業(yè)養(yǎng)殖標準和漁業(yè)生物無效應濃度作為漁業(yè)生產(chǎn)恢復的環(huán)境目標。

算法的核心思想是根據(jù)輸入的初始環(huán)境條件、油品種類、初始濃度3個決策因子在模型庫中進行候選模型篩選;再根據(jù)輸入的決策目標確定相關的特征污染物以及環(huán)境指標,以此進行修復模型的進一步篩選得到候選模型集合;根據(jù)決策目標進行模型有效性驗證得到有效模型集合;在有效模型集合中進行修復方案選擇,并按照成本、修復時間等因子列出可選方案集合供決策者選擇。算法描述概述為Algorithm MarProRecoAssDecMaking,具體如下：

算法中變量說明如下：sp為生物種類,st為生命階段,ps為油品種類,it為初始濃度,tem為當前溫度,sal為當前鹽度,ph為當前pH值, sppSet為相關特征污染物集合,CanRecModSet為候選修復模型集,ValCanRecModSet為有效候選修復模型集合,FinCanRecModSet為最終確定的候選修復模型集合,RecModSet為修復模型集合,Env-FacSet為環(huán)境因子集合,RecSoluSet為修復方案集合,MarBiosppSet為漁業(yè)生物的特征污染物生物效應集合,RecModID為修復模型編號,RecModForm為修復模型公式,RecSoluID為修復方案編碼,EnvFac為環(huán)境因子,RecCost為修復成本,speP為特征污染物,thickness為濃度。

3 溢油污染事故后漁業(yè)生產(chǎn)恢復輔助決策系統(tǒng)設計

圖2 漁業(yè)生產(chǎn)恢復輔助決策系統(tǒng)功能結構圖Fig.2 Main function structure charts for assistant decision making system of marine fisheries production recovery

溢油污染事故后漁業(yè)生產(chǎn)恢復輔助決策系統(tǒng)的核心業(yè)務模塊包括溢油實時監(jiān)測、基礎數(shù)據(jù)管理和生產(chǎn)恢復輔助決策。系統(tǒng)功能結構如圖2所示。

(1)溢油實時監(jiān)測。主要完成溢油實時數(shù)據(jù)的接收與處理。其中,溢油實時數(shù)據(jù)自動監(jiān)聽模塊主要負責監(jiān)聽溢油監(jiān)測點發(fā)送的溢油實時數(shù)據(jù),包括溢油點坐標、溢油發(fā)生時間等信息,并將接收的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫;溢油實時數(shù)據(jù)人工錄入模塊主要通過手工方式錄入溢油數(shù)據(jù);短信發(fā)送模塊是系統(tǒng)接收到溢油通知后自動觸發(fā)短信發(fā)送系統(tǒng)給漁業(yè)環(huán)境管理部門和漁業(yè)生產(chǎn)管理部門相關人員;GIS實時查詢模塊為漁業(yè)環(huán)境管理部門和漁業(yè)生產(chǎn)管理部門工作人員提供可視化的溢油查詢接口。

(2)基礎數(shù)據(jù)管理。主要完成與溢油事故后漁業(yè)生產(chǎn)恢復相關基礎數(shù)據(jù)的管理與維護。其中,監(jiān)測站點管理模塊采用可視化的方式根據(jù)溢油區(qū)域分布特點確定溢油后續(xù)環(huán)境監(jiān)測點;監(jiān)測數(shù)據(jù)管理模塊管理針對此次溢油后的環(huán)境跟蹤監(jiān)測數(shù)據(jù),并用可視化的方式顯示溢油后的環(huán)境狀況;產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)管理模塊對漁業(yè)產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)進行管理和維護,并用可視化的方式察看漁業(yè)區(qū)分布情況;漁業(yè)標準數(shù)據(jù)管理模塊對漁業(yè)養(yǎng)殖標準、漁業(yè)水質標準、各種漁業(yè)生物養(yǎng)殖標準等標準數(shù)據(jù)進行管理和維護,并用可視化的方式顯示各個區(qū)域監(jiān)測指標與標準的契合度;漁業(yè)生物數(shù)據(jù)管理模塊對漁業(yè)生物數(shù)據(jù)進行維護和管理,并用可視化的方式顯示不同生物的分布區(qū)域;溢油特征污染物管理模塊完成溢油特征污染物基本信息的維護與管理?；A數(shù)據(jù)將在漁業(yè)生產(chǎn)恢復輔助決策算法中使用。

(3)生產(chǎn)恢復輔助決策。生產(chǎn)恢復輔助決策是本系統(tǒng)最核心的模塊,其他模塊為本模塊提供支撐。其中,修復實驗數(shù)據(jù)管理模塊,主要是對修復實驗數(shù)據(jù)進行維護和管理,并進行修復模型訓練,生成輔助決策模塊所需要的修復模型;修復模型管理模塊進行海洋環(huán)境修復模型的管理和維護;生產(chǎn)恢復輔助決策模塊根據(jù)輸入的決策因子、決策目標,用輔助決策算法生成輔助決策方案。

4 溢油污染事故后漁業(yè)生產(chǎn)恢復輔助決策系統(tǒng)的實現(xiàn)及測試

根據(jù)第3節(jié)的設計結果和第2節(jié)的算法實現(xiàn)系統(tǒng)的功能,本系統(tǒng)采用C#語言,基于net平臺開發(fā),采用Tomcat服務器,后臺采用SQL Server數(shù)據(jù)庫。前臺實現(xiàn)了基于GIS的溢油狀況、漁業(yè)產(chǎn)業(yè)分布、海洋環(huán)境狀況等內容的可視化顯示;實現(xiàn)了按時間維度對環(huán)境指標數(shù)據(jù)單、多指標統(tǒng)計與分析;實現(xiàn)了按照空間維度對環(huán)境指標的等級情況進行分類顯示;實現(xiàn)了Excel文件自動倒入和手工輸入兩種基礎數(shù)據(jù)的輸入接口,提供了自動獲取數(shù)據(jù)和手工輸入數(shù)據(jù)兩種漁業(yè)生產(chǎn)恢復輔助決策用戶接口。為了測試系統(tǒng)的性能,用仿真數(shù)據(jù)對系統(tǒng)功能進行了測試,溢油實時數(shù)據(jù)為按照實際發(fā)生溢油的數(shù)據(jù)生成的仿真數(shù)據(jù);溢油后環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)是參考以前溢油發(fā)生后環(huán)境監(jiān)測的監(jiān)測方案以及監(jiān)測數(shù)據(jù)的區(qū)間范圍生成的仿真數(shù)據(jù)。圖3是根據(jù)監(jiān)聽結果進行GIS溢油實時查詢界面,其中海上的紅色區(qū)域表示溢油區(qū)。圖4是產(chǎn)業(yè)分布可視化顯示界面,其中不同漁業(yè)生物圖標表示該類漁業(yè)生物的生產(chǎn)區(qū)。圖5是漁業(yè)生產(chǎn)恢復輔助決策界面,有兩種方式進入該界面,一種是從溢油區(qū)自動進入,自動獲取環(huán)境數(shù)據(jù),另一種是手動輸入需要決策的指標。

圖3 GIS溢油實時查詢界面Fig.3 The interface of GIS oil spill realtime query

圖4 漁業(yè)產(chǎn)業(yè)分布可視化顯示界面Fig.4 The visual display interfac of marine fisheries industry distribution

圖5 漁業(yè)生產(chǎn)恢復輔助決策界面Fig.5 The interface of assistant decision making system of marine fisheries production recovery

5 結論

溢油事故發(fā)生后,經(jīng)過溢油應急處置的海水中依然會有石油殘留物,石油污染殘留物對近海海域環(huán)境會造成威脅,多環(huán)芳烴、石油類等對漁業(yè)生產(chǎn)會產(chǎn)生不良影響,針對此類問題,本系統(tǒng)中研究了溢油污染事故后漁業(yè)生產(chǎn)恢復輔助決策的相關因素,并建立了溢油污染事故后續(xù)生產(chǎn)恢復輔助決策系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以在溢油事故發(fā)生后實時獲取溢油時間、地點等信息;海洋環(huán)境監(jiān)測部門和漁業(yè)生產(chǎn)部門可采用可視化方法察看溢油情況并確定后期跟蹤監(jiān)測方案;漁業(yè)生產(chǎn)部門可采用可視化方式察看海水水質情況,同時可在基于對溢油污染數(shù)據(jù)進行分析的基礎上,根據(jù)輸入的決策因子、決策目標,用輔助決策算法生成輔助決策方案。通過仿真數(shù)據(jù)測試證明,所開發(fā)的系統(tǒng)可以為海洋漁業(yè)管理部門對溢油的中長期處置提供科學決策。

致謝：感謝國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心王菊英老師團隊提供了模式魚特征污染物數(shù)據(jù);感謝大連海事大學李穎教授團隊提供真實溢油實時監(jiān)測數(shù)據(jù)!

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An assistant decision making system of marine fisheries production recovery post oil spill

YU Hong1,2,ZHOU Wen-jiao1,GAO Sheng-zhe3,QI Hao-ran4,LIU Hai-ying5, ZHOU Yi-bing6,LIU Chang-fa5,WANG Bin6
(1.College of Information Engineering,Dalian Ocean University,Dalian 116023,China;2.Key Laboratory of Marine Information Technology of Liaoning Province,Dalian 116023,China;3.College of Science,Dalian Ocean University,Dalian 116023,China;4.Dalian City Oceanic Fishery Administration,Dalian 116001,China;5.College of Marine Science and Environment,Dalian Ocean University,Dalian 116023,China;6.College of Fisheries and Life Science,Dalian Ocean University,Dalian 116023,China)

The decision making factors and flow chart of marine fisheries production recovery post oil spill were studied,and a model library was proposed based on assistant decision making solution of marine fisheries production recovery for development of the assistant decision making algorithm of marine fisheries production recovery to deal with effects of petroleum products such as polycyclic aromatic hydrocarbons on marine organisms.The assistant decision making system of marine fisheries production recovery is built,and the proposed system can be used to select the suitable recovery model that can return the environment factors so that the water quality meet the need of marine aquaculture and poultry standard.The simulated data were used to test the system in order to test the performance of the proposed system.The results showed that the proposed system met the needs of ocean and fishery administration.

oil spill;marine fisheries production recovery;assistant decision making system

TP399;X55

A

10.16535/j.cnki.dlhyxb.2017.04.017

2095-1388(2017)04-0479-05

2016-11-16

國家海洋公益性行業(yè)科研專項(201305002-6);大連市科技計劃項目(2015A11GX022)

于紅(1968—),女,博士,教授。E-mail：yuhong@dlou.edu.cn