海洋污染災(zāi)害對(duì)生物的影響建模分析*

陳 安，丁榮君

(昆明理工大學(xué),云南 昆明650000)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展工業(yè)的進(jìn)步，人們不可避免的會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定的污染。海洋面積占地球表面的70%以上，海洋孕育了大量的生物，是生命系統(tǒng)的重要組成部分，經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展以及經(jīng)濟(jì)全球化的發(fā)展加速[1]，許多工業(yè)污染和原油污染等對(duì)海洋環(huán)境造成不可恢復(fù)的傷害，因此需要有效分析海洋污染災(zāi)害對(duì)生物的影響。傳統(tǒng)基于Agent的海洋生物污染監(jiān)測(cè)模型在分析海洋污染災(zāi)害對(duì)生物的影響時(shí)，對(duì)生物受污染面積的界定不準(zhǔn)確，分析結(jié)果的可信度較低，文章提出新的海洋污染災(zāi)害對(duì)生物的影響模型，提高對(duì)生物受污染面積分析結(jié)果的精度。

1 新的海洋污染災(zāi)害對(duì)生物的影響模型

為提高對(duì)海洋生物的保護(hù)能力，本文將綜合運(yùn)用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、地理信息系統(tǒng)、數(shù)值模擬技術(shù)以及組件開(kāi)發(fā)等技術(shù)共同對(duì)海洋污染下的生物受污染影響進(jìn)行建模[2]，為海洋污染災(zāi)害的生物損害提供一個(gè)有效的量化評(píng)估模型。

1.1 總體設(shè)計(jì)原則

本文模型的設(shè)計(jì)應(yīng)遵從科學(xué)化、合理化以及經(jīng)濟(jì)化的設(shè)計(jì)理念，具體要求如下：

(1)模型各項(xiàng)功能完備[3]，除基本的GIS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換和輸出功能外，還應(yīng)包括對(duì)海洋污染的動(dòng)態(tài)模擬以及海洋污染災(zāi)害對(duì)生物污染的評(píng)估等功能。

(2)模型中包括的數(shù)據(jù)庫(kù)相互之間能有效對(duì)海洋污染災(zāi)害影響下生物的影響受污染情況進(jìn)行分析。

(3)模型不受時(shí)間地點(diǎn)的限制，應(yīng)用性較強(qiáng)；同時(shí)可以根據(jù)不同的業(yè)務(wù)需求，隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整[4]。

(4)采用模塊化的設(shè)計(jì)可以降低模塊變動(dòng)對(duì)本文模型的影響，方便模型不斷改進(jìn)和調(diào)整。

1.2 開(kāi)發(fā)路線

本文模型開(kāi)發(fā)路線包括以下幾點(diǎn)：①建模前期收集海量資料[5]，構(gòu)建基于地理信息數(shù)據(jù)和海洋污染災(zāi)害的生物資源損害評(píng)估數(shù)據(jù)庫(kù)；②通過(guò)VisualC++以及GIS技術(shù)構(gòu)建電子海圖應(yīng)用平臺(tái)；③針對(duì)海洋污染災(zāi)害對(duì)生物資源的影響評(píng)估結(jié)果[6]，開(kāi)發(fā)海洋污染災(zāi)害模型組件；④將GIS與海洋污染災(zāi)害模型有機(jī)結(jié)合構(gòu)成本文模型。圖1為本文模型的開(kāi)發(fā)路線。

圖1 模型開(kāi)發(fā)路線

1.3 模型總體框架

如圖2所示本文模型主要由支持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)值模型以及圖形可視化三部分構(gòu)成[7]，對(duì)生物資源的損害為核心部分，支持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)是實(shí)現(xiàn)模型是數(shù)據(jù)輸入，GIS來(lái)實(shí)現(xiàn)模型的計(jì)算結(jié)果。

圖2 模型總體框架圖

1.4 海洋污染災(zāi)害對(duì)生物的影響評(píng)估數(shù)據(jù)庫(kù)

構(gòu)建海洋污染災(zāi)害對(duì)生物的影響評(píng)估數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)先建立地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)，采用專業(yè)的數(shù)字化掃描儀將紙質(zhì)地圖轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮拥貓D[8]，轉(zhuǎn)換后的電子地圖不可直接識(shí)別需要將其轉(zhuǎn)化為可以支持GIS格式的電子地圖，在該格式下的地圖上進(jìn)行增加和刪減等操作[9]。

由于存在不同類型的海洋災(zāi)害污染，針對(duì)不同的實(shí)際需求，可將電子地圖分為以下三種類型：

(1)包括航道標(biāo)注、水深點(diǎn)以及海島信息的數(shù)據(jù)信息。

(2)包括海洋污染災(zāi)害的緊急救助數(shù)據(jù)，如清理污染的公司或機(jī)構(gòu)以及一些敏感資源。

(3)包括一些基本的地理數(shù)據(jù)。

不類型的電子地圖其數(shù)據(jù)顯示均為圖層數(shù)據(jù)且坐標(biāo)系統(tǒng)都是由經(jīng)度和緯度構(gòu)成，統(tǒng)一的數(shù)據(jù)顯示方便進(jìn)行信息交互和GIS空間分析[10]，圖3為地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)的組成圖。

圖3 地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)組成圖

海洋污染災(zāi)害對(duì)生物的損害評(píng)估數(shù)據(jù)庫(kù)包括對(duì)海洋生物分布數(shù)據(jù)庫(kù)、海洋生物的毒理數(shù)據(jù)以及海洋環(huán)境動(dòng)力數(shù)據(jù)庫(kù)等。

造成海洋污染災(zāi)害的一個(gè)重要物質(zhì)是油品化學(xué)物質(zhì)，其中的原油、成品油以及化學(xué)物品的性質(zhì)構(gòu)成海洋污染災(zāi)害物質(zhì)性質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)；海洋環(huán)境動(dòng)力數(shù)據(jù)庫(kù)包含一些海洋的潮流數(shù)據(jù)和由海洋氣象局發(fā)布的風(fēng)向數(shù)據(jù)等；海洋中浮游生物[11]、魚類的分布和活動(dòng)特點(diǎn)以及海底哺乳動(dòng)物的特點(diǎn)和數(shù)據(jù)等信息構(gòu)成海洋生物分布數(shù)據(jù)庫(kù)；海洋生物的毒理數(shù)據(jù)主要是海洋生物受到污染的毒性數(shù)據(jù)如96hLC50或96hEC50。

1.5 海洋污染災(zāi)害數(shù)值模型組件開(kāi)發(fā)

本文構(gòu)建海洋污染災(zāi)害數(shù)值模型組件采用COM組件技術(shù)，針對(duì)不同的使用需求進(jìn)行組件的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，組件將數(shù)據(jù)可視化模塊、數(shù)據(jù)管理與查詢以及數(shù)值模型計(jì)算核心模塊綜合于一體[12]，通過(guò)VisualC++和Visual Fotran共同對(duì)海洋污染災(zāi)害數(shù)值模型組件的開(kāi)發(fā)過(guò)程進(jìn)行制定，如圖4所示，設(shè)計(jì)海洋污染模型計(jì)算模塊核心采用Visual Fortran；計(jì)算海洋污染災(zāi)害對(duì)生物的損害流程為輸入-計(jì)算-輸出，該過(guò)程采用VisualC++實(shí)現(xiàn)[13]；組件生成利用VisualC++編譯生成。

圖4 海洋污染災(zāi)害數(shù)值模型組件開(kāi)發(fā)

組件開(kāi)發(fā)過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)主要模塊的功能是第一要義，除此之外還要對(duì)組件屬性、方法和事件進(jìn)行有效設(shè)置[14]，三者為ActiveX的標(biāo)準(zhǔn)接口，是實(shí)現(xiàn)組件與其它程序間的重要結(jié)構(gòu)。圖5為Active與組件間的交互連接。

圖5 Active與組件間的交互連接

1.6 海洋污染災(zāi)害對(duì)生物資源的損害評(píng)估

本文模型在對(duì)生物資源的損害評(píng)估時(shí)，海底的浮游生物、魚類、哺乳動(dòng)物以及底棲生物的空間和資源分布是必須具備[15]，為提高本文模型對(duì)生物資源的影響分析能力，模型對(duì)海洋生物災(zāi)害的損害進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)分類，分類結(jié)果如圖6所示。

圖6 生物損害評(píng)估數(shù)據(jù)庫(kù)示意圖

使用者依照海洋污染災(zāi)害發(fā)生前的生物資源量，在電子海圖平臺(tái)上將多種生物資源的所處范圍進(jìn)行圈定，再根據(jù)本文模型內(nèi)部的轉(zhuǎn)換模塊，將圈定的生物資源信息轉(zhuǎn)換為離散型的生物資源數(shù)據(jù)記錄，方便使用者對(duì)所需資料的提取的修改。

本文模型通過(guò)模擬分析非自主跟隨海洋漂流的藻類、浮游生物、海洋魚類、無(wú)脊椎動(dòng)物以及底棲動(dòng)物受到海洋污染災(zāi)害后的急性中毒效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生物資源的損失程度和損害范圍的統(tǒng)計(jì)。

2 實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)采用本文模型進(jìn)行海洋污染災(zāi)害對(duì)生物的影響分析，實(shí)驗(yàn)從某個(gè)海洋污染實(shí)例來(lái)分析海洋污染災(zāi)害對(duì)生物的影響，實(shí)例發(fā)生背景為2015年發(fā)生的某油輪貨油泄露事故，該事故發(fā)生后雖然相關(guān)部門快速的組織駁油和清污，一定程度減輕了海洋污染，但現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)仍有少量的油污。幾天后的該海域附近發(fā)生一外籍船只遭遇擱淺，船底底部破損，導(dǎo)致船上大量原油泄露，雖經(jīng)搶修艱難的過(guò)駁萬(wàn)噸原油，但還是產(chǎn)生許多的原油泄露造成海洋污染災(zāi)害，這兩次原油泄露發(fā)生地點(diǎn)如圖7所示，圖7中位置1表示第一起原油事故泄露的位置，位置2表示外籍船只原油泄露的地點(diǎn)。

圖7 兩起泄油事故發(fā)生位置圖

為準(zhǔn)確分析原油泄露對(duì)海洋生物的污染，實(shí)驗(yàn)對(duì)圖7中大孤山附近海域的海洋生物進(jìn)行調(diào)查，在該海域共設(shè)置6個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)如圖8所示，依照我國(guó)《海洋檢測(cè)規(guī)范》對(duì)海域內(nèi)的海藻和魚類進(jìn)行樣品分析。

圖8 海洋生物資源調(diào)查站點(diǎn)分布

實(shí)驗(yàn)分別對(duì)該水域中6個(gè)站點(diǎn)在經(jīng)過(guò)海洋污染后的海洋生物的污染情況進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，各類生物的污染結(jié)果用表1表示，采用本文模型分析得到的生物污染情況用表2描述。由于海洋中的生物種類繁多，實(shí)驗(yàn)著重對(duì)奇異菱形藻、擬貨幣直鏈藻、桿藻、具槽直鏈藻、微型鞭毛藻和螺旋藻六種藻類以及包括鳀魚成魚、鳀魚幼稚魚在內(nèi)的六種魚類的受污染面積進(jìn)行分析，以基于Agent的海洋生物污染監(jiān)測(cè)模型對(duì)海洋污染下的生物污染監(jiān)測(cè)結(jié)果為實(shí)驗(yàn)對(duì)比，監(jiān)測(cè)結(jié)果用表3表示。

表1 實(shí)地測(cè)量得到的生物污染面積

表2 本文模型分析得到的海洋污染后的生物污染面積

表3 基于Agent的海洋生物污染監(jiān)測(cè)模型監(jiān)測(cè)得到的生物污染面積

將表2和表3數(shù)據(jù)分別與表1數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比可知，采用本文模型分析的生物污染面積結(jié)果與實(shí)地測(cè)量的結(jié)果的相似度較高，說(shuō)明本文模型用于分析生物受污染面積的結(jié)果準(zhǔn)確性較高；采用基于Agent的海洋生物污染監(jiān)測(cè)模型監(jiān)測(cè)得到的污染面積不僅與實(shí)際測(cè)得的污染面積相差，大約在12%到88%之間，說(shuō)明測(cè)得的數(shù)值準(zhǔn)確度較低可信度較差，為突出顯示兩種方法得到的生物污染面積與實(shí)地測(cè)量得到結(jié)果的相似度，在藻類和魚類生物中任選一種采用折線圖進(jìn)行具體描繪，將三種模型下生物污染結(jié)果用圖9和圖10表示。

圖9 三種模型下螺旋藻的受污染面積

圖10 三種模型下六線魚的受污染面積

分析圖9可以看出，采用本文模型分析的螺旋藻受污染面積與實(shí)地測(cè)量得到的結(jié)果擬合度較高，而基于Agent的海洋生物污染監(jiān)測(cè)模型得到的不同站點(diǎn)的污染面積相差較大，該六個(gè)站點(diǎn)距離位置較近，生物的受污染情況差別不應(yīng)較大，說(shuō)明本文模型在分析生物的受污染面積具有較高的準(zhǔn)確性的可信度；同樣分析圖10可知，本文模型分析六線魚的受污染面積與實(shí)際測(cè)量結(jié)果幾乎重合，基于Agent的海洋生物污染監(jiān)測(cè)模型得到的結(jié)果與實(shí)地測(cè)量結(jié)果相差甚遠(yuǎn)，測(cè)量結(jié)果嚴(yán)重失真，說(shuō)明本文模型用于分析海洋污染災(zāi)害對(duì)生物的影響效果較好。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)海洋污染災(zāi)害對(duì)生物的影響進(jìn)行建模分析，從模型的開(kāi)發(fā)路線到總體框架設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)海洋污染災(zāi)害數(shù)值模型組件等，對(duì)海洋污染災(zāi)害對(duì)生物污染進(jìn)行評(píng)估，實(shí)現(xiàn)對(duì)生物資源的損失程度和損害范圍的高效統(tǒng)計(jì)。