（环境科学与工程专业论文）船舶压载水引发赤潮风险的评价方法研究.pdf

英文摘要 a b s t r a c t n o w , i ti st h eh o ts p o t si nt h ef i e l do fa l i e ns p e c i e si n v a s i o n ，w h i l ea l i e nr e dt i d ea l g a e sa s t h et y p i c a li n v a s i o ns p e c i e sh a v eg r a d u a l l yb e c o m ea no b j e c to fs t u d y m o s to ft h es t u d i e si n c h i n ah a v eb e e nf o c u s i n go nh o wt od e a lw i t hb a l l a s tw a t e r , w h i l ei ti sd i f f i c u l tt of i n dt h e r e l a t i v er i s ka s s e s s m e n tr a t h e rt h a nq u a n t i t a t i v ee v a l u a t i o ns y s t e m s oi tn e e d st oe s t a b l i s ha r e a s o n a b l er i s ka s s e s s m e n ts y s t e mt or e d u c et h ep o t e n t i a lh a z a r d s i nt h i sp a p e r d a l i a np o r ti su s e df o rt h er e s e a r c ho b je c t c a r r yo u tar i s ka s s e s s m e n tt o t h es h i pf r o mq i n h u a n g d a op o r tt ot h ep o r to fd a l i a n c o n s t r u c t ear i s ka s s e s s m e n ts y s t e mo f b a l l a s tw a t e rw h i c hc a u s e sr e dt i d eb yu s i n ge x p e r i m e n t a lm e t h o da n dm a t h e m a t i c a l m o d e l t h r o u g he x p e r i m e n t sa n dc a s es t u d i e sw ec a ng e tt h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n s ： ( 1 ) i nt h ec o n d i t i o n so fn ol i g h t ，g a s - l i q u i dc o n t a c ta r e aa n dl i q u i dv o l u m er a t i o ，t h e e x p e r i m e n t a lt e m p e r a t u r e ，t h ei n i t i a l c o n c e n t r a t i o no fa l g a ea n dn u t r i e n t l e v e l sa l lh a v e a f f e c t e so nt h ec o n c e n t r a t i o nc h a n g i n go fa l g a lc e l l s w i t ht i m ee x p o n e n t i a l l y ，t h o s ef a c t o r s a n da l g a lc o n c e n t r a t i o nh a v et h ee x p o n e n t i a lf u n c t i o nr e l a t i o n s h i p t od i f f e r e n ta l g a l s ， i n f l u e n c ec a u s e db yf a c t o r si sd i f f e r e n t ( 2 ) w h e no t h e rf a c t o r sr e m a i nu n c h a n g e d ，w i t ht h eg a s l i q u i dc o n t a c ta r e aa n dl i q u i d v o l u m er a t i oi n c r e a s i n g ，t h ec o n c e n t r a t i o no fa l g a lc e l l si n c r e a s e s ；w h e no t h e rf a c t o r sr e m a i n u n c h a n g e d ，w i t ht h ee x p e r i m e n t a lt e m p e r a t u r er a n g i n gf r o m8t o 17 i n c r e a s i n g ，a l g a lc e l l c o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e s ；w h e n o t h e rc o n d i t i o n sr e m a i n u n c h a n g e d ，w i t h t h ei n i t i a l c o n c e n t r a t i o no fa l g a ei n c r e a s i n g ，a l g a lc e l lc o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e s ( 3 ) a c c o r d i n g t ot h es i m u l a t e df u n c t i o na n dt h ep a r a m e t e r so ft h ei n i t i a l p o r t ( q i n h u a n g d a o ) ，t h ei n v a s i o nr i s kv a l u eo f r e dt i d ea l g a ei so 7 7 0 ，a tah i g hr i s kl e v e l ( 4 ) c o m p a r i n g w a t e r t e m p e r a t u r e ，a i rt e m p e r a t u r e ，s a l i n i t y a n dr a i n f a l lb e t w e e n q i n h u a n g d a op o r ta n dd a l i a np o r tb yu s i n ga n a l o g yd e v i a t i o nm e t h o d ，t h ee n v i r o n m e n t a l s i m i l a r i t yv a l u ei so 8 5 6 a tah i g hr i s kl e v e l ( 5 ) w i t hs e l e c t i n gt h ew a t e rt e m p e r a t u r e ，s a l i n i t y , d i s s o l v e do x y g e n ，t o t a ln i t r o g e na n d t o t a lp h o s p h o r u sa n du s i n gs u p p o r tv e c t o rm a c h i n ea p p r o a c h ，t h er i s kv a l u ei s0 3 6 7 ，a tal o w r i s kl e v e l ( 6 ) c a l c u l a t i n gt h er i s kc a u s i n gb yt h ev e s s e lf r o mq i n h u a n g d a op o r t ，t h er i s kv a l u ei s o 6 2 3 ，a tam o d e r a t er i s kl e v e l k e yw o r d s ：b a l l a s tw a t e r ；r e dt i d e ；r i s ka s s e s s m e n ts y s t e m ；s i m i l a rd i s p a r i t y ； s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，撰写 成硕士学位论文 竺照魈匿毯丕曼i 筮麦塑丛险的迁盆友洼硒塞：。除论文中已经注 明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的 成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：王彩耋叁多乒年7 月上日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、版权使 用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件 和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密西( 请在以上方框内打，) 论文作者签名：导师签名： 日期：l j l o 加年7 月 船舶压载水引发赤潮风险的评价方法研究 - 工- - 一 月l j吾 为了确保船舶的海上航行安全，必须根据当时的装载状态和自身性能加载一定量的 压载物，其作用是保证船舶具有良好的稳定性和浮性，这是海上安全航行的需要。目前 船舶航行普遍采用水作为压载物，称之为船舶压载水l 。船舶压载水是船舶安全航行的 重要保证，然而船舶压载水也是打破地理性隔离，造成外来赤潮物种入侵的重要途径。 早在1 9 0 8 年，人们便猜测压舱水可能是浮游生物实现迁移的机制之一；1 9 7 3 年， 研究人员首次证实压舱水可作为活海洋生物的转运载体1 2 】。据报道，全世界每年转移压 载水达1 0 0 亿吨，平均每天由压载水传播的物种有30 0 0 _ _ 40 0 0 种【3 】。每升压载水中最 高含1 l 万个单胞藻，在一个压载舱中存活的腰鞭毛虫的孢子数目多于3 亿【4 1 。到目前为 止大约5 0 0 种物种被确认是由压载水传播的t 5 , 6 1 。 通过船舶压载水的排放，有毒赤潮种类从一个海域被携带到另一个海域【7 1 。被携带 的有害藻类，如果适应当地的气候环境，那么它就会存活下来，当环境条件适宜就会爆 发赤潮；如果这些外来生物不能很好地适应当地环境，那么它要么被自然环境淘汰，要 么形成孢子休眠于海底，一旦环境条件允许，它依然会爆发赤潮造成危害。如2 0 0 4 年9 月2 5 日，发生在我国辽宁省大连黄海海域的赤潮就是由链状亚历山大藻引起的，也是 有记载以来我国发生的第一次由链状亚历山大藻引起的赤潮【8 】。另外，研究人员在大连 海域又发现了另外两种有毒赤潮藻红色裸甲藻和膝沟藻科的o x y p h s i so x y t o x i o i d e s k o f o i d 。有学者认为，这种藻类很可能就是由船舶压载携带引入的【9 】o 据不完全统计，1 9 8 9 年8 月至1 0 月，渤海沿岸的赤潮造成的直接经济损失达3 亿 多元，1 9 9 9 年7 月1 3 日在辽东湾海域发生了大面积赤潮，面积达6 3 0 0 k m 2 ，这是渤海 有史以来发生最大的一次赤潮【l0 1 。9 0 年代以来，我国近海赤潮发生频率增高、规模加 大，1 0 年间已记录的赤潮达3 8 0 多次，2 0 0 1 年至2 0 0 5 年全海域共发生赤潮4 5 3 次j 。 自1 9 9 8 年以后的赤潮，具有范围大、危害严重和时间长等特点，其重要原因之一是外 来生存能力较强的赤潮生物的危害【l 2 1 。 自7 0 年代开始，赤潮的发生以每1 0 年增加3 倍的速度不断上升，赤潮的高发区为 南海、长江口和渤海【1 3 l 。1 9 7 2 年以来由于赤潮造成的经济损失每年高达1 0 亿元以上， 前言 有些特大赤潮，一次就能造成几亿元的经济损失，并能影响到数千平方公罩的海域，如 2 0 0 7 年浙江韭山列岛、南田岛外海域发生赤潮，最大面积约2 , 0 0 0 平方公到1 4 , 1 5 。 目前，我国关于船舶压舱水排放的相关法律规定甚少。中华人民共和国国境卫生 检疫法实施细则只对“装自霍乱疫区的压舱水作出规定中华人民共和国防止船舶 污染海域管理条例和中华人民共和国海洋环境保护法也只对油轮压舱水的排放地 点、排放量和瞬时排放率等作了一些限制，主要是基于防污和船舶安全的角度，无针对 赤潮藻的压舱水的监测规定【1 6 】。中国作为全球压载水管理项目的六个发展中国家的一员 参与了全球压载水管理项引1 7 】。我国对压载水的研究和控制起步较晚，对压载水引入赤 潮生物重视尤其不够，在对青岛、烟台、大连、天津、上海、广西、广东和厦门等港口 城市进行初步了解后得到的结果是多数地区至今还没有开展对船舶压载水水生生物的 调查研究，相关的风险评价工作尚未展开【1 8 1 。而澳大利亚、美国、中国香港等发达国家 和地区，已有部分学者开展了关于船舶压舱水与有害赤潮生物输入关系的研究，并取得 了重要的研究进展【1 9 。2 2 】。为此，我国迫切需要建立合理的风险评价体系，减少其对生态 环境、经济和社会的危害。在一定程度上减轻赤潮发生的概率，将压载水所引起的赤潮 风险降到最低f 2 3 】。 压载水引发外来生物入侵是当今生物入侵领域的研究热点，同时外来赤潮种作为典 型的外来入侵生物也渐渐成为人们的研究对象，但目前国内的大部分研究主要集中在如 何处理压载水，而对它的风险评价却寥寥无几，定量的评价体系尚属空白。为此，我国 迫切需要建立合理的风险评价体系，减少其可能带来的危害风险。本文在船舶压载水引 发赤潮的风险分析基础上建立风险评价体系，并对进入大连港的船舶进行风险分析与评 价。 船舶压载水引发赤潮风险的评价方法研究 第1 章文献综述 1 1 生物入侵 生物入侵是指因某种原因非本地产的生物或本地原产但已绝灭的生物侵入该地区 的过程，而此物种在自然情况下无法跨越天然地理屏【2 4 】。 1 1 1 生物入侵途径 ( 1 ) 有意引入 有意引入是指为了在经济上或其它方面获得利益或好处，从其它生态系统引入一些 物种。如二十世纪7 0 年代至8 0 年代，为保护我国沿海海滩引进了原产于欧洲的大米草， 但在该物种引进后不久便形成优势种群、排挤其它物种，对当地生物多样性构成威胁 2 5 】。 1 9 9 2 至1 9 9 3 年，在福建省、东山省和厦门马峦湾相继发现一种原产于美洲的海洋 贝类沙筛贝。目前沙筛贝占据海面上的养殖设施的表面，并把当地原有数量很大的 藤壶、牡蛎等都排挤了，养殖的菲律宾蛤仔、翡翠贻贝等产量大幅度下降【2 6 】。 ( 2 ) 无意引入 无意引入是相对于有意引入而言，是指除有意引入以外的其它方式的外来物种的引 入。目前，已知超过1 4 5 种物种入侵地中海，几乎一半数量是由船舶引入的【2 7 1 。在北美 地区已有2 5 0 多种水生外来物种入侵，其中7 4 种被确认是通过压载水传播 爷j 2 8 , 2 9 】。侵 入美国和加拿大交界的五大湖生物有1 3 9 种【3 0 】。美国西海岸的旧金山湾被认为是世界上 最大数量的外来生物的集居区，发现了总计有2 1 2 种外来生物3 1 1 。 1 1 2 生物入侵的特点 ( 1 ) 入侵生物的特点 生态适应能力强。许多外来入侵种的适宜生存范围非常广，有比较宽广的生态幅， 可以在许多生态系统中生存。 繁殖能力特强。入侵种能够大量繁衍后代，或繁殖世代较短，特别是那些具有很 强的无性繁殖能力的物种，可通过孢子、孢芽、根茎等大量繁殖。 传播能力强。入侵种能够迅速而大量地传播，有更多的机会找到适宜的栖息环境， 第1 章文献综述 有的种子非常细小，可随风和流水漂移传播得很远；有的种子可通过鸟类和其他动物远 距离传播；有的物种与人类生活和工作有关，易于通过人类活动被无意传播；有的物种 外观美或具有经济价值而被人类有意识地传播。 ( 2 ) 被入侵的生态环境的特点主要有以下几点： 具有可利用的资源条件。外来入侵种必须有足够的可利用资源条件才可造成成功 入侵。在经常受到人类干扰或已经退化的生态环境中外来入侵种易于扩张侵蚀。例如： 中华鳌绒蟹的入侵成功与否，与环境因素息息相关【3 2 1 。 缺乏自然控制机制。在新的生境中缺乏原产地的天敌的自然控制。 人类进入的频率高。人类进入生态系统的频率与外来物种入侵机会之间有明显的 相关性，人类频繁的活动为外来物种的入侵提供了途径，为其成功入侵创造了许多条件。 1 1 3 生物入侵的风险评价方法及模型 ( 1 ) 多指标综合评价方法【3 3 】 该方法是应用系统科学、生态学理论和专家决策系统的基本理论和方法，通过研究 和分析影响有害生物危险性的各种因子以及这些相关因子的地位、作用和相互之间的关 系，建立对有害生物进行多层次、多方面管理的综合性预测体系【3 4 瑚】。建立评估目标的 多指标综合评价模型时，首先应从传入、定殖和扩散等方面进行综合分析，得到影响有 害生物存活的各个相关因子，确定有害生物风险分析的评价体系：其次，对各级评价指 标p i ( i = l ，2 ，3 ，4 ，5 ) 制定相应的评判标准，然后利用数学表达式描述所确定评价体系 的内在逻辑关系，从而构建出可行的评价模型，依照模型计算出有害生物风险综合评价 值r 。 ( 2 ) 相似离度 1 9 8 6 李开乐提出相似离度方法，并初步应用于气象预测研究，随着气候相似性理论 的提出和完善，相似离度又被应用于外来物种入侵的研究当中。相似离度就是比较两个 数据样本之间相似程度的研究方法。沈文君【3 9 】在预测红火蚁在中国的适生区及其入侵概 率的研究当中，应用相似离度方法很好地预测了红火蚁在中国的适生区及其入侵概率。 相似离度与欧式距离、相似系数和海明距离等方法不同，它能更全面地比较两组数据的 船舶压载水引发赤潮风险的评价方法研究 相似程度。 ( 3 ) g a r p 模型 遗传算法是由美国的j h o l l a n d 教授1 9 7 5 年首先提出，其特点是直接对结构对象进 行操作，不存在求导和函数连续性的限定；具有内在的隐并行性和更好的全局寻优能力； 采用概率化的寻优方法，能自动获取和指导优化的搜索空间，自适应地调整搜索方向， 不需要确定的规则。目前，g a r p 模型在外来物种入侵的分布预测方面应用较多，如 l e i f m a t t h i a sh e r b o r g 等人【4 0 1 在预测中华鳌绒蟹入侵美国东海岸的风险评估时， 就应用g a i 冲模型进行了环境相似性的比对，取得了较好的效果。 ( 4 ) c l i m e x 模型 c l i m e x 的原理是在满足两个假设条件的基础上，根据物种的生物学发育数据，计 算出每周和每年的增长指数( g r o w t h i d e x ，g i ，近似于内察生长率) ，然后利用物种的生 物学参数或已知分布区计算出种群在不适宜季节的4 个逆境指数【4 i 】。尽管这种方法在某 些方面应用较多，但由于仅仅考虑了气候因素对物种的影响，所以预测结果往往不是令 人满意。 1 1 4 各方法和技术的优缺点比较 ( 1 ) 多指标综合评价方法 多指标综合评价方法很好地将一些定性评价问题转化为定量评价，其计算结果更加 合理、可靠；其主要缺点是不同研究人员对同一研究对象的量化尺度不一，给同领域研 究和交流带来不便。 ( 2 ) 相似离度 该方法的优点是直观、可操作性强；缺点主要有两方面，第一忽略了物种的自身特 性对其分布的影响；第二，预测结果的准确性受站点密度的影响较大。 ( 3 ) g a i 冲模型 该方法的优点有两方面，第一，对训练样本数量的要求较少，运算速度快，预测结 果直观：第二，预测结果是根据已知物种分布进行预测的，所以预测结果的准确度较高。 主要缺点是物种分布数据较难获取，数据整理较困难。 第1 章文献综述 ( 4 ) c l i m e x 该方法主要有两个优点，第一，预测结果输出灵活性大，能够有效地与g i s 系统结 合形成直观的物种分布图。第二，可以直接利用生物学数据以及地理因子参数就可以进 行物种适生地进行预测，大大地较少了工作量。主要缺点是有些物种的生物学数据较难 获取。 1 2 赤潮 赤潮是指在一定的环境条件下，海水中某些浮游生物由于爆发性增殖或高速聚集而 引起的海水变色的一种生态异常现象。 1 2 1 赤潮物种 海洋中的微藻种类繁多，根据s o u m i a 的统计，海洋中的微藻约有3 3 6 5 4 0 2 4 种， 其中赤潮藻1 8 4 2 6 7 种，占海洋微藻种类总数的5 5 6 7 ，但是这些赤潮藻类对光照、 盐度、温度等环境条件的适应能力是各不相同。因此，它们在全球的分布也有差异。大 连附近海域常见的赤潮种类如下： ( 1 ) 异弯藻【4 2 】 异弯藻属于黄藻门、异弯藻属，藻体为单细胞，浮游生活，细胞体黄褐色至褐色， 无细胞壁，由周质膜包被，故细胞形状变化很大。藻体一般略呈椭圆形，长约8 2 5l am ， 宽约6 - 1 51 tm ，厚度变化大。细胞腹部略凹，在细胞一端近体长的1 4 1 3 处生一短沟 状的斜凹陷，自此凹陷的底部生出两条不等长的鞭毛，长者约为细胞长度的1 3 倍，短 者为其o 7 - 0 8 倍。藻体活动时，此两鞭毛常弯曲或与细胞长轴垂直伸出。细胞核略呈 圆形，位于细胞中部。在每个细胞的近细胞膜处，约有8 - 2 0 个棕黄色的大盘状色素体， 各色素体内均含一蛋白核。无眼点，有许多无色透明的油粒，以细胞二分裂进行繁殖。 世界近岸海域广布种，在温带近海底层水温 1 5 - 2 0 c 的夏季大量繁殖。赤潮异弯 藻的生长特性表明这种藻在我国从北到南都能生长和分布。该种在大连湾、胶州湾等曾 多次形成赤潮。 ( 2 ) 夜光藻【4 2 】 夜光藻属于甲藻门、夜光藻科、夜光藻属，藻体近于圆球形，游泳生活。细胞直径 船舶压载水引发赤潮风险的评价方法研究 为1 5 0 - 2 0 0 0um 。细胞壁透明，由两层胶状物质组成，表面有许多微孔。口腔位于细胞 前端，上面有一条长的触手，触手基部有一条短小的鞭毛，靠近触手的齿状突出横沟退 化的痕迹，纵沟在细胞的腹面中央。细胞背面有一杆状器，使细胞作前后游动。细胞内 原生质淡红色，细胞核小球形，由中央原生质包围。 本种是世界性的赤潮生物，也是我国沿海引起赤潮最普遍的原因种。该藻曾在南海、 长江口外海域多次引发赤潮。 1 2 2 形成机制 1 9 9 8 年联合国政府问海洋委员会( i o c ，i n t e r g o v e m m e n t a lo c e a n o g r a p h i c c o m m i s s i o n ) 和海洋科学委员会( s c o r ，s c i e n t i f i cc o m m i t t e eo no c e a nr e s e a r c h ) 提出 了赤潮是发生在海洋中的生态问题，它受到海洋环境的影响，因此必须进行生物生态学、 化学和海洋学的综合研究，并提出了一个国际联合研究计划( g e o h a b ，g l o b a le c o l o g y a n do c e a n o g r a p h y o f h a r m f u l a l g a lb l o o m s ) 4 3 】。该计划中提出了物理海洋学是赤潮发生 地不可忽视的重要因素。这是赤潮研究的重要发展，具有里程碑的意义，但是至今的赤 潮研究的出发点还是基于这样的认识：赤潮是赤潮藻类的一场增殖造成的，需要研究促 使一场增殖的环境条件，特别是生化环境；赤潮的生消过程是生物化学和物理的耦合过 程；赤潮的发生与富营养化密切相关。 目前，这三条认识在国内外是为公众所接受，也是指导各国进行赤潮研究的方向， 但在实际进行的研究中存在一个问题：研究生物、化学和物理的关键过程必须掌握赤潮 的全部生消过程，而在开阔海洋中很难跟踪到真正的全过程。为此，有人提出赤潮的分 布遵循物质守恒原理，即一定得时间和空间内，赤潮藻类的自然增长率大于所在水体的 扩散率，则该海区才可能发生赤潮【4 4 1 。 ( 赤潮藻的自然增长率水体扩散率) 时间 赤潮发生域值 丁德文等人认为，开阔海区赤潮发生过程主要是水流的聚集能力造成赤潮藻的聚集 达到一定程度而发生赤潮，物理的聚集效应是大面积赤潮发生地主要机制。赤潮的发生 过程与富营养化没有直接关系，富营养化是赤潮藻生长的物质基础。 第1 章文献综述 1 2 3 危害效应 赤潮的危害效应可以分成四类：对人类健康的影响；对自然和养殖的经济海洋生物 的影响；对海洋生态系统的影响；对海洋旅游和娱乐功能的影响等。 ( 1 ) 对人类健康的影响 有些赤潮生物分泌赤潮生物性毒素，这些毒素可以在滤食性贝类及植食性鱼类体内 累积，造成水产品污染【4 5 】。由麻痹性贝毒、腹泻性贝毒等造成的中毒事件在北美、西欧 和亚太海域非常普遍，对人类健康构成了很大威胁【4 6 1 。针对水产品污染问题，许多国家 都建立起了有害赤潮与水产品的监测监控体系，并且就有害赤潮对人类健康的风险开展 了大量研究工作。美国近期制定的科学发展计划“人类与海洋健康”，就将有害赤潮对 人类健康的影响作为一项重要内容。在2 0 0 5 年，美国又专门制定了赤潮藻毒素与有害 赤潮国家计划，以支持在这一领域的研究工作【4 7 1 。 ( 2 ) 对自然和养殖的经济海洋生物的影响 赤潮对自然和养殖的经济海洋生物的影响体现在两个方面。一方面，有害赤潮能够 直接作用于海洋经济生物，导致养殖生物的大量死亡，带来严重的经济损失：另一方面， 有毒赤潮藻种产生的毒素会对这些经济生物造成污染，使人们对水产品食用安全性产生 怀疑，会间接危害养殖业的发展【4 3 1 。因有害赤潮导致的养殖鱼类、贝类、甲壳类生物的 大量死亡事件在世界各地都有报道，严重制约着养殖业的持续发展。 ( 3 ) 对海洋生态系统的影响 海洋是一种生物与环境、生物与生物之间相互依存，相互制约的复杂生态系统，系 统中的物质循环、能量流动处于相对稳定的动态平衡状态。当赤潮发生时这种平衡遭到 干扰和破坏。在植物性赤潮发生初期，由于植物的光合作用，水体会出现高叶绿素a 、 高溶解氧、高化学耗氧量。这种环境因素的改变，致使一些海洋生物不能正常生长、发 育、繁殖，导致些生物逃避甚至死亡，破坏了原有的生态平衡【4 9 】。 ( 4 ) 对海洋旅游和娱乐功能的影响 赤潮的发生还会影响近海的旅游和娱乐功能。赤潮发生后海水水质会受到影响，水 色改变，而且部分赤潮能够产生浮沫、异味等，影响旅游区的景观。 船舶压载水引发赤潮风险的评价方法研究 1 2 4 赤潮预测研究现状 赤潮预测就是通过对比平时和赤潮发生时的海洋化学数据之间的差异，弄清赤潮发 生时的环境特征，建立数学模型，对赤潮的发生提供的有用信息5 0 1 。目自仃，预测赤潮的 方法主要有多元回归预测模型、神经网络模型和机器学习模型等方法【5 l 】。各预测方法概 况如下： ( 1 ) 多元回归预测模型 多元回归分析预测法，是指通过对两个或两个以上的自变量与一个因变量的相关分 析，建立预测模型进行预测的方法。当自变量与因变量之间存在线性关系时，称为多元 线性回归分析。 多元回归预测模型考虑了多个变量对结果的影响，所以在实际生活中应用较多。但 是因为赤潮爆发并非线性过程，用线性回归建模难免造成偏差。 ( 2 ) 神经网络模型 人工神经网络在2 0 世纪8 0 年代获得迅速发展。它是模拟人脑结构的一种大规模的 并行连接机制系统，不需要有关体系的先验知识，具有自适应建模学习及自动建模的功 能。已经证明，神经网络能任意充分地逼近非线性关系，它既可用来估计常规模型中的 参数，也可以用于直接描述系统的动力学特征。 人工神经网络在训练样本不是很多时容易产生过拟合现象，由此建立的数学模型在 预测时也难免造成较大误差。 ( 3 ) 支持向量机 支持向量机是在2 0 世纪9 0 年代由v a p n i k 等人研究并迅速发展起来的一种基于统 计学理论的机器学习算法，它是一种专门研究有限样本预测的学习算法f 5 2 】。与传统统计 学相比，s v m 算法没有以传统的经验风险最小化原则作为基础，而是建立在结构风险 最小化s r m ( s t m c t u r a lr i s km i n i m i z a t i o n ) 原理基础上的，发展成为一种新型的结构化学 习方法。又由于采用了核函数思想，使它把非线性问题转化为线性问题来解决，降低了 算法的复杂度。它能够很好地解决有限数量样本的高维模型的构造问题，而且所构造的 模型具有很好的预测性能5 3 彤】。 台湾的c h a n g c c 等综合了s m o 与s v m l i g h t 的处理方法，设计了l i b s v m 软件。 第1 章文献综述 在这些算法和软件中，s m o 算法占用的内存资源极少，算法简单，易于实现，j 下在成 为训练s v m 的一种通用算法。 1 3 压载水中外来生物及评价方法 1 3 1 压载水中外来生物 随着人类航海能力的提高以及商业的发展，人类活动也开始影响外来物种在全球范 围的分布。通过船舶压舱水或养殖生物携带有害藻种可能是人类影响有害生物分布的重 要原因【5 6 】。2 0 世纪初传入德国的中华绒螯蟹、2 0 世纪8 0 年代传入黑海的栉水母、澳大 利亚的塔斯马尼亚州南部的水域中发现了大量的原产于日本和阿拉斯加海星以及2 1 世 纪以来在我国海域发现的外来有毒赤潮藻类等。在这些外来入侵物种中，有毒赤潮藻类 对人类健康和海洋环境有着显著危害。2 0 0 4 年9 月发生在我国辽宁省大连黄海海域的赤 潮是由链状亚历山大藻引起的，该藻在日本曾引起虾夷扇贝等双壳贝类毒化，导致其中 止上市，如果人误食这种被毒化的贝类，轻者食物中毒，重者导致死亡【57 1 。 据调查，在大连港海域发现2 种外来赤潮生物即红色裸甲藻、链状亚历山大藻都属 赤潮种，在大连港首次发现的这2 种赤潮藻很可能是通过压载水排放引入大连湾的。 1 3 2 压载水引入外来生物的风险评估方法 目前人们对压载水的风险评价方法较多，但主要采用的是定性的评价方法，同时， 不同研究人员所建立的评价体系和采用的评价方法也各不相同【5 引。在这个领域较为有代 表性的两大集团分别是挪威船级社风险评价方法和全球压载水管理项目 5 9 , 6 0 1 。 ( 1 ) 挪威船级社风险评价 该方法是以压载水存在低风险为前提，分别经过初步筛选、进一步筛选、危险性分 析和影响一结果分析最终确定风险是否可接受f 6 l 】： 初步危害性筛选 首先判断压载水的来源地是否存在有害物种记录，另外判断压载水中是否存在有毒 藻类，如果该压载水风险较高则进行下一步危害性判断【6 2 旬】。 进一步危害性筛选 首先确定起始港和终点港的环境特征，然后判断附近海域是否存在有毒藻类来源， 船舶压载水引发赤潮风险的评价方法研究 如果该压载水风险较高则进行下一步危害性判吲6 钔。 危险性分析 如果经过初步危害性筛选和进步危害性筛选后，确定均存在风险的情况下确定压 载水的各个操作过程是否存在风险，此时的风险是否可以接受，最后进行下一步风险分 析。 影响一结果分析 影响一结果分析主要主要从生态、社会经济、安全、人体健康等几个方面判断压载 水对其造成的危害，判断该风险是否在可接受范围内。 该方法的缺点是无法构建具有预见性的生态系统模型，存在一定的局限性。 ( 2 ) 全球压载水管理项目 全球压载水管理项目是国际海事组织与联合国发展计划署( u n d p ) 、全球环保基金 ( g e f ) 、有关国家政府和工业界合作实施的一个项目。 根据全球压载水管理项目所建立的计算模型，初步确立以大连港为卸载压载水示范 港、以某港为装载压载水源港、4 个评估因子并2 个校正因子。计算港口的相对全部危 险( r o r ) 的公式是： r o r ：鲳包兰墨缕! 】g 匕兰垒坐墅 4 c 1 ：示范港口压载舱排放的总数比例 c ：示范港口被卸载的压载水的总体积比例 e ：“港口一到一港口 环境的相似性 c 4 ：具有完全危险种的源港口对示范港e l 的威胁程度 蜀矿。：校正因子( 压载舱大小对口的影响) 尺：矿，：校正因子( 压载舱内时间对c 4 的影响) 对于r o r 的算法，由于并没有提出可靠的验证算法同己报道的入侵案例进行比较 检验，因此也需要考虑更加符合实际的算法模式。 第l 章文献综述 1 3 3 压载水风险评价方法的不足 ( 1 ) 挪威船级社风险评价 目前世界各国的评价方法和技术都是朝着定量分析的生态模型的趋势发展，而挪威 船级社提出的风险评估方法是以现对模糊的危害性和接受性定性的评价压载水的风险， 无法构建具有预见性的生态系统模型【6 5 1 。 ( 2 ) 全球压载水管理项目 全球压载水管理项目主要依靠澳大利亚海洋入侵有害物研究中心的全球生态区域 物种数据资料库提供的基础性潜在危害物种信息。该中心提供物种信息内容比较丰富， 但主要针对澳大利亚4 个港口海域，具有一定的局限性；同时，该算法并没有提出可靠 的验证算法同己报道的入侵案例进行比较检验。 1 4 本文研究内容及路线 1 4 1 研究路线 根据各阶段的研究侧重点不同，本文的研究可分为三个阶段。 第一阶段：构建评价体系阶段。这一阶段包括收集资料、风险分析。 第二阶段：确定评价体系中各级风险及总风险的计算方法。包括入侵风险、定殖风险、 赤潮风险以及总风险的计算方法。 第三阶段：实例分析阶段。以秦皇岛港驶入大连港的船舶为例，计算其相应风险。 船舶压载水引发赤潮风险的评价方法研究 总风险值 l 案例分析 l 土 得出结论 图1 1 技术路线 f i g 1 1t h et e c k n o l o g yr o a d m a p 1 4 2 研究内容 本文运用多指标综合评价方法将实验、相似离度和支持向量机理论方法有机结合， 并分别从压载水引发外来赤潮藻类的引入风险、定殖风险和赤潮风险三个方面对整个过 程进行风险预测。以大连港为案例，对驶入大连港的船舶引发赤潮的风险进行分析和评 第1 章文献综述 价。 全文共分五章，其主要内容和结构安排如下： 第一章，综述。介绍了生物入侵途径、特点以及风险评价方法，赤潮生物、赤潮形 成机制和赤潮预测方法及其不足，船舶压载水中外来生物和风险评价方法及其不足。 第二章，模拟压载舱中不同理化条件对藻细胞的影响。主要研究藻类在无光的环境 条件下，气液接触面积与液体体积比、环境温度和藻的初始浓度对藻细胞浓度变化的影 响大小。 第三章，评价方法与评价体系。对船舶压载水进行风险分析，建立风险评价体系并 给出各部分参数选取方法和风险的计算方法。 第四章，案例分析。以秦皇岛港驶入大连港的船舶作为研究对象，收集资料并设置 相关参数，分别计算各部分风险值，最终给出总风险值，并对其进行评价。 第五章，总结与结论。对本论文进行总结，并指出目前还存在的问题以及进一步的 研究方向和工作的展望。 船舶压载水引发赤潮风险的评价方法研究 第2 章船舶压载水引发赤潮风险的评价方法与评价体系 首先，本文对船舶压载水引发的赤潮风险进行风险分析，在此基础上确定风险影响 的主要因子，再根据这些相关因子间的地位、作用和相互之间的关系，构建多层次、多 指标的风险评价体系。根据建立起来的指标体系和实际情况，并结合实验结果评价外来 生物的引入风险；应用相似离度方法比较两个港口附近海域的环境相似性确定外来物种 的定殖风险；应用支持向量机方法确定赤潮风险，最终通过多指标综合评价方法综合引 入风险、定殖风险和赤潮风险给出总风险值，再根据风险值大小确定风险级别。 2 1 风险分析 赤潮发生的必要条件就是存在赤潮生物，而对于一个地域来说，赤潮生物往往可以 分为本地种和外来种，外来种的引入方式有很多，船舶压载水就是其中之一。随着航运 业的发展，压载水引入赤潮生物的风险也越来越高。以下是对船舶压载水引发赤潮的风 险分析。 2 1 1 赤潮生物引入的风险 影响赤潮生物引入的因素有很多，如初始赤潮生物浓度、温度以及气液接触面积与 液体体积比等。 ( 1 ) 初始赤潮生物浓度对赤潮生物引入风险的影响 初始赤潮生物浓度的高低直接影响到压载水排放时赤潮生物的浓度。初始浓度越 高，压载水中赤潮生物存活的可能性也就越大，风险就越高；当初始浓度为“0 ”时， 压载水的风险值为“0 ”。 ( 2 ) 温度对赤潮生物引入风险的影响 藻类生存需要适宜的温度条件，藻类适宜生长的温度范围是1 8 - 2 3 。c ，当温度低于 或高于这个温度时，会影响藻类的生长和繁殖，压载舱环境条件下也是如此。 ( 3 ) 气液接触面积与液体体积比对赤潮生物引入风险的影响 气液接触面积与液体体积比影响压载水中溶解氧的含量，只有气液接触面积与液体 体积比足够大时，空气中的氧气才能及时溶于海水中供藻细胞使用，藻细胞才容易存活， 第2 章船舶压载水引发赤潮风险的评价方法与评价体系 此时引入风险也就较大。 2 1 2 定殖风险 并非引入成功的外来赤潮生物就一定能在新的环境中存活下去，影响外来赤潮生 物定殖成功与否主要包含两个方面，第一，外来赤潮生物的原栖息地与新栖息地环境相 似；第二，该赤潮生物对环境忍耐性比较强。当两者都满足时，外来赤潮生物定殖的风 险就比较高。 2 1 3 赤潮风险 成功引入并且成功定殖的外来赤潮生物未必会引发赤潮。赤潮的发生具有随机性， 只有当各个环境因子都满足赤潮发生所需条件时，赤潮才会发生。否则，即使前两者都 操作成功，赤潮的风险也为“o ”。 2 2 评估体系 2 2 1 指标体系构建原则 进行综合评价的前提是建立评价指标体系。指标体系的建立主要遵循以下原则： ( 1 ) 层次性原则 船舶压载水引发赤潮的风险评价模型是一个复杂的系统，涉及很多方面不同因素的 影响，因此可以把它细分为若干个子系统，以此类推，最后一层为若干个具体的指标因 子，这样就形成了多层评价指标体系。它的特点就是越分越细，越分越具体，从宏观到 具体这样一个过程。 ( 2 ) 代表性 船舶压载水引发赤潮风险受很多因素的影响，但由于受到实际情况的种种限制，不 可能将所有的影响因素作为研究对象来分析。为此，应该选择具有典型的、对结果影响 较大的因素作为研究指标。 ( 3 ) 可操作性 一方面，在指标数据选取方面，要尽量选择容易获取、准确性高的数据：另一方面， 在指标的选择方面，要尽量简单明了、容易理解，选择主要因素，忽略次要因素。 船舶压载水引发赤潮风险的评价方法研究 2 2 2 指标体系的初步确定 根据指标体系的构建原则，结合压载水引发赤潮的实际情况初步确定由压载水引发 赤潮的风险评价体系为表2 1 所示： 表2 1 压载水引发赤潮的风险评价指标体系 t a b2 1t h er i s ka s s e s s m e n ts y s t e mo fr e dt i d ei n t r o d u c e db yb a l l a s tw a t e r 2 3 方法选取和改进 船舶压载水引发赤潮是一个多层次、多指标的事件，在对其风险进行评价时不可能 只采用一种方法，要针对某一风险具体分析。在确定压载水引发赤潮的风险时就必须知 道引入风险、定殖风险和赤潮风险，通过综合分析的方法整合为总风险，即压载水引发 赤潮的风险。目前，关于压载水的资料较少，所以在评价引入风险时，本文采取实验的 第2 章船舶压载水引发赤潮风险的评价方_ = 击与评价体系 方法。对外来物种入侵的研究领域研究较多，研究方法相对成熟，本文在对定殖风险进 行评价时采用应用较多的方法一相似离度。对于赤潮预测的研究方法较多，如线性回 归法、人工神经弼络法和支持向量机法等，因为赤潮爆发并非线性过程，用线性回归建 模难免造成偏差；对于人工神经网络法，前人曾用其考察过环境园素和赤潮爆发的对应 关系，实际效果不佳；所以，本文采用支持向量机方法。 具体研究方法及计算过程如图2 i 所示： # # 簪* 许* i 气液接触面积与液休体积址 引人风险+ 墼盥i 章验盛厍 藻的初始谴彦 水温 溶解氧 奔潮风险进呲盐彦 总氮 总磷 圈2i 研究方法及计算过程 f i 9 2 ir e s e a r c h m e t h o d sa n dc o u n t i n g p r o c e s s 2 3 1 多指标综台评价方法 首先，根据已收集的资料确定三级指标值；然后确定二级指标的风险值，最终，求 出总风险值。 温温度水 水气盐降 盘世 目 险r殖 定 载术i发赤湖风险 船舶压载水引发赤潮风险的评价方法研究 分析事件过程可以得知，二级指标之间互相依存，共同对总风险值作出贡献。因为 这些指标之间为串联发生事件，所以压载水引发赤潮的风险算法为： 尺l 级= v 尺l r 2 r 3 ( 2 1 ) 其中，r 。，r 2 ，r ，是3 个二级指标。 在确定二级指标风险值时，本文采用的是定量评价方法，引入风险的评价采用的是 模拟航行过程中压载舱的方法；定殖风险和赤潮风险采用的是数学模型方法。 2 3 2 引入风险 压载水引入外来生物受压载水载入地和压载舱状况等多个条件的影响，如压载水载 入地的生物密度、温度和气液接触面积与液体体积比等。 ( 1 ) 藻细胞浓度值预测 本文