基于历史记录的赤潮灾害危险性区划方法的构建与应用*

文世勇，孙田力，王 涛，李荣茂，李 飞，刘 娜

(1.国家海洋环境监测中心，辽宁 大连 116023；2.生态环境部国家环境保护近岸海域生态环境重点实验室，辽宁 大连 116023；3.自然资源部海洋减灾中心，北京 100194；4.福建省渔业资源监测中心，福建 福州 350003)

中国是海洋大国，赤潮灾害的频频发生已成为制约沿海省市海洋经济快速发展的因素之一。《国务院关于进一步加强海洋管理工作若干问题的通知(国发〔2004〕24号)》要求“做好赤潮的防治和减灾工作”，最大限度减轻赤潮灾害对渔业和旅游业等造成的损失，严格控制受赤潮毒素污染的水产品进入市场，科技部门要加强对赤潮发生机制、预防及治理的研究，加快科技攻关进程，研究提出治本措施。开展灾害风险评估与区划是实现灾害科学管理的重要研究内容，是各级政府减少灾害影响的一个很重要的工具。

灾害危险性区划是开展灾害风险区划的一种思路，通过开展灾害危险性区划得到灾害发生可能性分布为评估区域科学地开展灾害管理及合理开发布局等提供科学依据。目前，国内外学者对自然灾害风险区划的研究主要集中在单一灾种的研究，如地震[1-2]、滑坡[3-4]、泥石流[5-6]、洪涝[7-8]等灾害风险区划。海洋灾害尤其是赤潮灾害风险区划(灾损区划或灾害危险性区划)的研究几乎属于空白。

本文研究的目的是在已有的相关研究的基础上，从灾害危险性评估和区划视角，构建赤潮灾害危险性空间区划方法和区划结果的验证方法，同时以福建省近岸海域为例进行应用，应用结果表明本文构建的区划方法和区划结果具有较好的合理性和可信性，区划结果将为福建省近岸海域赤潮灾害应急处置、纳污海域污染总量控制制定有效的管理措施提供科学依据，从而达到防灾减灾的目的，而且对指导海洋水产养殖、滨海旅游业规划等具有重要的科学意义。

1 研究区域及数据来源

1.1 研究区域介绍

福建地处我国东南沿海，台湾海峡西岸，北起福鼎市沙埕港，与浙江海域相接，南至诏安湾，与广东海域相连[9]。福建省是我国的海洋大省，海域面积 13.6×104km2，海岸线曲折漫长，海湾众多，沿海岛屿星罗密布，包括岛屿在内的海岸线长达3 752 km。由于其特殊的海湾环境、气候条件及沿海海洋环境污染的加剧，福建省已成为全国赤潮灾害多发省份之一，严重威胁着福建省的渔业生产、滨海旅游甚至公众健康[10]。

1.2 数据来源与数据处理

数据来源：赤潮灾害历史记录数据来源于国家海洋环境监测中心赤潮数据库。该数据收集了有记录以来中国近岸海域赤潮发生的情况。根据数据显示，1959—2018年期间，福建省近岸海域共发生了264次赤潮，其中有毒赤潮61次，有害赤潮55次，无毒无害赤潮148次。累计赤潮发生面积16 379.41 km2，最大的一次发生面积为1 100 km2。

数据处理：根据赤潮灾害历史记录数据，以福建省近岸海域为研究区域，选取1959—2018年期间福建省近岸海域的赤潮灾害历史记录，利用赤潮发生开始时间和结束时间获取赤潮发生持续时间；根据经纬度记录情况进行统一转换为度的形式便于在ArcGIS平台进行输入；根据记录的赤潮藻类优势种进行分析是否为有毒、有害还是无毒藻类，并进行赋值(有毒藻类赋值3，有害赤潮赋值2，无毒藻类赋值1)，便于后续的计算。

2 赤潮灾害危险性区划方法的构建

2.1 赤潮灾害危险性评估指标选取

赤潮灾害危险性区划是指某海域有可能发生的赤潮灾害的概率或超越某一概率。赤潮灾害历史记录的一条赤潮事件记录包括赤潮发生开始时间、结束时间(赤潮发生持续时间)、发生位置经纬度信息(赤潮发生频次)、赤潮发生海区、省份、赤潮发生面积、赤潮发生位置描述、赤潮藻类及毒素等等相关信息。

赤潮发生持续时间越长表明赤潮的破坏性越大；赤潮发生持续时间较短表明赤潮的破坏性较小。

赤潮发生频次越高的海域表明该海域易发生赤潮，是赤潮高发区；反之赤潮发生频次越低的海域表明该海域难以发生赤潮，属于赤潮低发区。

赤潮发生面积越大表明赤潮的破坏性也越大；赤潮发生面积较小表明赤潮的破坏性也较小。

若引发赤潮的藻类属于有毒藻类(能够产生毒素，并可能引起人类中毒、甚至死亡的赤潮藻类)，表明该赤潮的破坏性越大；若引发赤潮的藻类属于有害藻类(对人类健康没有直接危害，但有记录显示赤潮生物可通过物理或化学(产生鱼毒素等)途径对海洋生物产生危害的藻类)，表明赤潮的破坏性较大；若引发赤潮的藻类属于无毒藻类(不产生毒素，且尚未有造成海洋生物或工业生产危害记录但对海洋生态系统产生影响的藻类)，表明该赤潮的破坏性较小。

通过上述分析，选取赤潮发生持续时间、赤潮发生频次、赤潮发生面积和赤潮藻类毒性作为赤潮灾害危险性区划评估指标。

2.2 赤潮灾害危险性区划方法构建

赤潮灾害危险性区划方法采用公式(1)进行计算。

(1)

式中：H表示赤潮灾害危险性，取值0～1，无量纲，越接近1，表明赤潮发生的概率越大，反之亦然；αi表示各评估指标的权重；Hi表示不同区划指标造成的赤潮灾害危险性。从公式(1)中可以看出，如何确定αi和Hi是实现赤潮灾害危险性区划的关键。

权重αi的确定方法：《赤潮灾害应急预案》中根据赤潮灾害的影响范围、性质和危害程度将赤潮灾害划分为三个应急响应等级，因此，设定赤潮发生频次、赤潮发生持续时间、赤潮发生面积和赤潮藻类毒性的权重分别为0.1，0.3，0.3和0.3。

Hi的确定方法：利用核密度估计方法，结合赤潮灾害历史记录事件，在ArcGIS软件平台的空间分析模块功能中的Kernel Density Estimation模块，对历史记录数据的赤潮发生频次、赤潮发生持续时间、赤潮发生面积和赤潮藻类毒性进行核密度估算模型空间分析，分别得到赤潮发生频次、赤潮发生持续时间、赤潮发生面积和赤潮藻类毒性的赤潮灾害危险性空间分布结果，采用自然断点分级法(Natural Breaks Jenks)将各结果按表1进行重分类和赋值，为后续开展赤潮灾害危险性区划提供数据支撑。

表1 基于核密度估算模型的各指标空间分布结果重分类和赋值

2.3 赤潮灾害危险性区划等级划分标准

根据公式(1)得到赤潮灾害危险性空间分布结果，将赤潮灾害危险性按照表2进行划分为极高危险性区、高危险性区、中危险性区和低危险性区4个等级。

表2 赤潮灾害危险性区划等级划分标准

2.4 区划结果验证方法构建

根据上述构建的区划方法，首先利用1959—2013年数据获取未来5 a福建省近岸海域赤潮灾害危险性空间分布情况，然后利用2014年、2015年、2016年、2017年和2018年的赤潮历史记录数据，采用公式(2)来检验区划结果的合理性和可信度。

(2)

式中：A表示当年度赤潮发生情况对区划结果的可信度，可信度A等级高低划分由表3来完成；CH1表示当年度处于极高危险性区的赤潮发生次数，CH2表示当年度处于高危险性区的赤潮发生次数，C表示当年度的赤潮发生次数。

表3 可信度A等级划分

3 结果与分析

3.1 福建省近岸海域赤潮危险性区划空间分布

根据上述构建的赤潮灾害危险性区划方法，结合1959—2018年间赤潮历史记录数据，在ArcGIS平台下得到福建省近岸海域赤潮灾害危险性区划结果(图1)。

图1 未来5 a福建省近岸海域赤潮灾害危险性区划结果的空间分布状况(基于1959—2018年历史记录数据)(审图号：闽S[2021]第24号，底图无修改。下同)

从图1上可以看出，福建省近岸海域处于极高危险性区的海域主要有霞浦县近岸海域、连江县近岸海域、平潭县近岸东部海域及厦门市同安湾近岸海域。处于高危险性区的海域主要有福鼎市-霞浦县近岸海域、罗源县-连江县近岸海域、平潭县周边近岸海域东部海域、福清市南部-莆田东北部近岸海域、石狮市周边近岸海域及厦门市近岸海域，其余海域处于中危险性区和低危险性区。

近年来，随着习近平生态文明思想不断深入贯彻落实，美丽中国和美丽海湾建设的不断推进，近岸海域生态环境质量不断提升，赤潮灾害危险性也在变化，即赤潮灾害危险性空间分布是一个动态变化而不是一成不变，因此，设定本次得到的福建省近岸海域赤潮危险性区划空间分布结果的有效期限为未来5 a。

3.2 区划结果的验证

根据上述构建的区划方法，首先利用1959—2013年数据获取未来5 a福建省近岸海域赤潮灾害危险性空间分布情况(图2中的危险性区划结果)，然后根据2014—2018年的赤潮历史记录数据，在ArcGIS平台分别得到了2014年、2015年、2016年、2017年和2018年的基于1959—2013年历史记录的福建省近岸海域赤潮灾害危险性区划结果的空间分布状况(图2所示)，同时根据公式(2)和表3分别得到了2014年、2015年、2016年、2017年和2018年的可信度(表4所示)。

图2 2014—2018年福建省近岸海域赤潮记录在基于1959—2013年历史记录的赤潮灾害危险性区划结果的空间分布情况

从表4中可知，2014年、2015年和2018年的可信度A均大于65%，2016年和2017年的可信度A分别文62.50%和57.14%，均稍微小于65%，区划结果的验证方法及验证结果表明本文得到的未来5 a福建省近岸海域赤潮灾害危险性区划结果的空间分布结果具有较好的合理性和可信性。

表4 2014—2018年的可信度A的计算结果

另外，赤潮的发生往往是海域中营养盐及其比率、水温、盐度、光照等多个影响因素在适宜条件下导致赤潮藻类暴发性增殖的综合结果[11-14]。赤潮历史记录表明赤潮历史事件发生的区域，赤潮发生频次越多的区域(图1中点的密集度)，该区域的海洋环境因子适宜赤潮藻类暴发性增殖，赤潮易于发生。赤潮发生频次越少的区域(图1中点的密集度)，该区域的海洋环境因子不利于赤潮藻类暴发性增殖，赤潮难以发生。许珠华等[15]的研究结果表明附件近岸海域赤潮易发区主要分布在宁德市沿岸海域、厦门西海域和平潭沿岸海域。李雪丁[10]研究结果表明2001—2010年间福建近岸海域赤潮主要发生在宁德市沿海、福州市沿海和厦门市沿海海域。黄春秀等[16]研究表明2000—2018年间宁德、福州、平潭、厦门、泉州海域是赤潮高发区。这些结论与本文得到区划结果基本相一致。

4 结论

本文利用赤潮历史记录数据，选取赤潮发生频次、赤潮发生持续天数、赤潮发生面积和赤潮藻类毒性四项因子作为评估指标，采用核密度估算模型，在GIS平台下对赤潮历史记录数据中的四项评估指标参数进行了空间评估分析，最后根据赤潮灾害危险度区划方法得到福建省近岸海域赤潮灾害危险性空间分布情况，结果表明未来5 a福建省近岸海域处于极高危险性区的海域主要有霞浦县近岸海域、连江县近岸海域、平潭县近岸东部海域及厦门市同安湾近岸海域。处于高危险性区的海域主要有福鼎市-霞浦县近岸海域、罗源县-连江县近岸海域、平潭县周边近岸海域东部海域、福清市南部-莆田东北部近岸海域、石狮市周边近岸海域及厦门市近岸海域，其余海域处于中危险性区和低危险性区。验证结果表明构建的区划方法和区划结果具有较好的合理性和可信性，区划结果将为福建省近岸海域赤潮灾害应急处置、纳污海域污染总量控制制定有效的管理措施提供科学依据，从而达到防灾减灾的目的，而且对指导海洋水产养殖、滨海旅游业规划等具有重要的科学意义。