海洋污染灾害对生物的影响建模分析*

陈 安，丁荣君

(昆明理工大学,云南 昆明650000)

随着科学技术的发展工业的进步，人们不可避免的会对环境造成一定的污染。海洋面积占地球表面的70%以上，海洋孕育了大量的生物，是生命系统的重要组成部分，经济的高速发展以及经济全球化的发展加速[1]，许多工业污染和原油污染等对海洋环境造成不可恢复的伤害，因此需要有效分析海洋污染灾害对生物的影响。传统基于Agent的海洋生物污染监测模型在分析海洋污染灾害对生物的影响时，对生物受污染面积的界定不准确，分析结果的可信度较低，文章提出新的海洋污染灾害对生物的影响模型，提高对生物受污染面积分析结果的精度。

1 新的海洋污染灾害对生物的影响模型

为提高对海洋生物的保护能力，本文将综合运用数据库技术、地理信息系统、数值模拟技术以及组件开发等技术共同对海洋污染下的生物受污染影响进行建模[2]，为海洋污染灾害的生物损害提供一个有效的量化评估模型。

1.1 总体设计原则

本文模型的设计应遵从科学化、合理化以及经济化的设计理念，具体要求如下：

(1)模型各项功能完备[3]，除基本的GIS系统的数据采集、转换和输出功能外，还应包括对海洋污染的动态模拟以及海洋污染灾害对生物污染的评估等功能。

(2)模型中包括的数据库相互之间能有效对海洋污染灾害影响下生物的影响受污染情况进行分析。

(3)模型不受时间地点的限制，应用性较强；同时可以根据不同的业务需求，随时进行调整[4]。

(4)采用模块化的设计可以降低模块变动对本文模型的影响，方便模型不断改进和调整。

1.2 开发路线

本文模型开发路线包括以下几点：①建模前期收集海量资料[5]，构建基于地理信息数据和海洋污染灾害的生物资源损害评估数据库；②通过VisualC++以及GIS技术构建电子海图应用平台；③针对海洋污染灾害对生物资源的影响评估结果[6]，开发海洋污染灾害模型组件；④将GIS与海洋污染灾害模型有机结合构成本文模型。图1为本文模型的开发路线。

图1 模型开发路线

1.3 模型总体框架

如图2所示本文模型主要由支持数据库、数值模型以及图形可视化三部分构成[7]，对生物资源的损害为核心部分，支持数据库是实现模型是数据输入，GIS来实现模型的计算结果。

图2 模型总体框架图

1.4 海洋污染灾害对生物的影响评估数据库

构建海洋污染灾害对生物的影响评估数据库应先建立地理信息数据库，采用专业的数字化扫描仪将纸质地图转变为电子地图[8]，转换后的电子地图不可直接识别需要将其转化为可以支持GIS格式的电子地图，在该格式下的地图上进行增加和删减等操作[9]。

由于存在不同类型的海洋灾害污染，针对不同的实际需求，可将电子地图分为以下三种类型：

(1)包括航道标注、水深点以及海岛信息的数据信息。

(2)包括海洋污染灾害的紧急救助数据，如清理污染的公司或机构以及一些敏感资源。

(3)包括一些基本的地理数据。

不类型的电子地图其数据显示均为图层数据且坐标系统都是由经度和纬度构成，统一的数据显示方便进行信息交互和GIS空间分析[10]，图3为地理信息数据库的组成图。

图3 地理信息数据库组成图

海洋污染灾害对生物的损害评估数据库包括对海洋生物分布数据库、海洋生物的毒理数据以及海洋环境动力数据库等。

造成海洋污染灾害的一个重要物质是油品化学物质，其中的原油、成品油以及化学物品的性质构成海洋污染灾害物质性质数据库；海洋环境动力数据库包含一些海洋的潮流数据和由海洋气象局发布的风向数据等；海洋中浮游生物[11]、鱼类的分布和活动特点以及海底哺乳动物的特点和数据等信息构成海洋生物分布数据库；海洋生物的毒理数据主要是海洋生物受到污染的毒性数据如96hLC50或96hEC50。

1.5 海洋污染灾害数值模型组件开发

本文构建海洋污染灾害数值模型组件采用COM组件技术，针对不同的使用需求进行组件的设计和开发，组件将数据可视化模块、数据管理与查询以及数值模型计算核心模块综合于一体[12]，通过VisualC++和Visual Fotran共同对海洋污染灾害数值模型组件的开发过程进行制定，如图4所示，设计海洋污染模型计算模块核心采用Visual Fortran；计算海洋污染灾害对生物的损害流程为输入-计算-输出，该过程采用VisualC++实现[13]；组件生成利用VisualC++编译生成。

图4 海洋污染灾害数值模型组件开发

组件开发过程中，实现主要模块的功能是第一要义，除此之外还要对组件属性、方法和事件进行有效设置[14]，三者为ActiveX的标准接口，是实现组件与其它程序间的重要结构。图5为Active与组件间的交互连接。

图5 Active与组件间的交互连接

1.6 海洋污染灾害对生物资源的损害评估

本文模型在对生物资源的损害评估时，海底的浮游生物、鱼类、哺乳动物以及底栖生物的空间和资源分布是必须具备[15]，为提高本文模型对生物资源的影响分析能力，模型对海洋生物灾害的损害进行数据库分类，分类结果如图6所示。

图6 生物损害评估数据库示意图

使用者依照海洋污染灾害发生前的生物资源量，在电子海图平台上将多种生物资源的所处范围进行圈定，再根据本文模型内部的转换模块，将圈定的生物资源信息转换为离散型的生物资源数据记录，方便使用者对所需资料的提取的修改。

本文模型通过模拟分析非自主跟随海洋漂流的藻类、浮游生物、海洋鱼类、无脊椎动物以及底栖动物受到海洋污染灾害后的急性中毒效应，实现对生物资源的损失程度和损害范围的统计。

2 实验分析

实验采用本文模型进行海洋污染灾害对生物的影响分析，实验从某个海洋污染实例来分析海洋污染灾害对生物的影响，实例发生背景为2015年发生的某油轮货油泄露事故，该事故发生后虽然相关部门快速的组织驳油和清污，一定程度减轻了海洋污染，但现场出现仍有少量的油污。几天后的该海域附近发生一外籍船只遭遇搁浅，船底底部破损，导致船上大量原油泄露，虽经抢修艰难的过驳万吨原油，但还是产生许多的原油泄露造成海洋污染灾害，这两次原油泄露发生地点如图7所示，图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点。

图7 两起泄油事故发生位置图

为准确分析原油泄露对海洋生物的污染，实验对图7中大孤山附近海域的海洋生物进行调查，在该海域共设置6个观测站点如图8所示，依照我国《海洋检测规范》对海域内的海藻和鱼类进行样品分析。

图8 海洋生物资源调查站点分布

实验分别对该水域中6个站点在经过海洋污染后的海洋生物的污染情况进行实地测量，各类生物的污染结果用表1表示，采用本文模型分析得到的生物污染情况用表2描述。由于海洋中的生物种类繁多，实验着重对奇异菱形藻、拟货币直链藻、杆藻、具槽直链藻、微型鞭毛藻和螺旋藻六种藻类以及包括鳀鱼成鱼、鳀鱼幼稚鱼在内的六种鱼类的受污染面积进行分析，以基于Agent的海洋生物污染监测模型对海洋污染下的生物污染监测结果为实验对比，监测结果用表3表示。

表1 实地测量得到的生物污染面积

表2 本文模型分析得到的海洋污染后的生物污染面积

表3 基于Agent的海洋生物污染监测模型监测得到的生物污染面积

将表2和表3数据分别与表1数据进行对比可知，采用本文模型分析的生物污染面积结果与实地测量的结果的相似度较高，说明本文模型用于分析生物受污染面积的结果准确性较高；采用基于Agent的海洋生物污染监测模型监测得到的污染面积不仅与实际测得的污染面积相差，大约在12%到88%之间，说明测得的数值准确度较低可信度较差，为突出显示两种方法得到的生物污染面积与实地测量得到结果的相似度，在藻类和鱼类生物中任选一种采用折线图进行具体描绘，将三种模型下生物污染结果用图9和图10表示。

图9 三种模型下螺旋藻的受污染面积

图10 三种模型下六线鱼的受污染面积

分析图9可以看出，采用本文模型分析的螺旋藻受污染面积与实地测量得到的结果拟合度较高，而基于Agent的海洋生物污染监测模型得到的不同站点的污染面积相差较大，该六个站点距离位置较近，生物的受污染情况差别不应较大，说明本文模型在分析生物的受污染面积具有较高的准确性的可信度；同样分析图10可知，本文模型分析六线鱼的受污染面积与实际测量结果几乎重合，基于Agent的海洋生物污染监测模型得到的结果与实地测量结果相差甚远，测量结果严重失真，说明本文模型用于分析海洋污染灾害对生物的影响效果较好。

3 结论

本文通过对海洋污染灾害对生物的影响进行建模分析，从模型的开发路线到总体框架设计，开发海洋污染灾害数值模型组件等，对海洋污染灾害对生物污染进行评估，实现对生物资源的损失程度和损害范围的高效统计。