中國近海海上溢油預測與應急決策支持系統(tǒng)研發(fā)

安 偉, 王永剛,, 王新怡,, 牛志剛, 趙宇鵬

（1. 中海石油環(huán)保服務(wù)有限公司, 天津 塘沽 300452; 2. 海洋石油安全環(huán)保技術(shù)研發(fā)中心, 山東 青島266061; 3. 國家海洋局 第一海洋研究所, 山東 青島 266061）

中國近海海上溢油預測與應急決策支持系統(tǒng)研發(fā)

安 偉1,2, 王永剛2,3, 王新怡2,3, 牛志剛1,2, 趙宇鵬1,2

（1. 中海石油環(huán)保服務(wù)有限公司, 天津 塘沽 300452; 2. 海洋石油安全環(huán)保技術(shù)研發(fā)中心, 山東 青島266061; 3. 國家海洋局 第一海洋研究所, 山東 青島 266061）

開發(fā)了中國近海海上溢油預測與應急決策系統(tǒng), 由三維水動力模型、溢油風化模型、環(huán)境敏感區(qū)圖和決策支持模型組成。系統(tǒng)能夠預測海面油膜的漂移-擴散行為和風化過程, 提供敏感區(qū)污染預警和資源優(yōu)先保護次序、溢油應急優(yōu)化方案以及溢油清污效果實時動態(tài)模擬。作為海上溢油應急反應決策平臺, 系統(tǒng)能夠通過網(wǎng)絡(luò)提供服務(wù)。

溢油預測; 油粒子模型; 應急決策支持; 環(huán)境敏感區(qū)圖; 溢油清污優(yōu)化方案

隨著中國對石油及其制品日益增長的需求, 在海上開采、運輸、裝卸以及利用石油過程中溢油事故日漸增多, 油污已成為造成我國近海海域環(huán)境污染和生態(tài)損害的最大的因素[1]。溢油事故發(fā)生后, 準確獲得海面溢油的動態(tài)信息, 并進行迅速有效的應急反應, 對控制污染和清除油污起著關(guān)鍵性的作用。美國、加拿大以及歐洲的一些國家已經(jīng)研制開發(fā)了溢油預測商業(yè)軟件, 20世紀80年代以來, 我國的專家學者從實驗、理論以及數(shù)學模擬等方面對溢油在海面上的行為特征和運動變化規(guī)律做了大量的研究,相繼開發(fā)了特定海域的溢油預測系統(tǒng)[2,3], 但系統(tǒng)覆蓋海域范圍小, 也比較分散, 同時存在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)欠缺、模型功能和信息處理容量有限、應急業(yè)務(wù)系統(tǒng)管理和更新的后續(xù)支撐不足等問題。

針對中國近海海域環(huán)境條件和溢油應急需求,我們研制開發(fā)了“中國近海海上溢油預測與應急決策支持系統(tǒng)”, 能夠?qū)Πl(fā)生在我國近海海上溢油事故進行溢油動態(tài)預測并給出相應的應急決策方案, 極大地提高海上溢油應急快速反應能力。本文介紹該系統(tǒng)的組成、功能以及特點。

1 系統(tǒng)功能及結(jié)構(gòu)

中國近海海上溢油預測與應急決策支持系統(tǒng)包括溢油預測預警、應急決策支持、數(shù)據(jù)庫和系統(tǒng)運行保障4個功能模塊, 見圖1。

在溢油應急過程中, 系統(tǒng)可提供海上溢油動態(tài)數(shù)值預測; 提供敏感區(qū)預警和優(yōu)先保護次序; 提供溢油事故的處理及人員、設(shè)備的配備與調(diào)動方案; 提供溢油清污實時動態(tài)模擬效果; 作為指揮人員指揮決策時的參考。

系統(tǒng)基于 C/S模式構(gòu)建, 通過互聯(lián)網(wǎng)或?qū)＞W(wǎng)提供客戶服務(wù), 用戶使用客戶端登錄系統(tǒng)服務(wù)器提交指令, 運算結(jié)果返回到本地計算機顯示和保存。采用Microsoft Visual C++與面向?qū)ο蠹夹g(shù)開發(fā), 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫使用Microsoft Office Access庫, 利用Microsoft ADO技術(shù)作為數(shù)據(jù)索引及快速讀寫, 外接數(shù)據(jù)文件使用 NetCdf格式, 網(wǎng)絡(luò)通信基于 TCP/IP協(xié)議的Socket服務(wù)并包含數(shù)字加密。

2 溢油預測預警

溢油進入海面以后, 會在風、浪、流等作用下進行漂移和擴散, 因此準確獲得海面油膜的動態(tài)信息對溢油污染預警起著關(guān)鍵性作用。本系統(tǒng)基于溢油漂移擴散模型、溢油風化模型和環(huán)境敏感資源圖, 能夠預測溢油在海面的漂移擴散軌跡和物理化學性質(zhì)變化, 進行敏感資源污染預警, 還可以回推海面不明油膜的漂移路徑, 追溯溢油污染源。

2.1 溢油漂移擴散模型

模型考慮風、流、浪等作用的影響, 采用“粒子法”模擬溢油在海面的漂移擴散行為。假定（xn, yn）為粒子在第 n個計算步長開始時候的水平位置, 那么該計算步長結(jié)束時油粒子的水平位置可表示為[4]:

圖1 海上溢油預測與應急決策支持系統(tǒng)框架圖Fig. 1 Framework of oil spill forecast and emergency decision support system

這里u和v分別為表層流速（含風海流）在x和y方向上的分量, 由水動力模型計算得到; Δt為計算步長; ξ, KH分別代表［?1, 1]區(qū)域上的均勻分布隨機數(shù)和水平方向上的湍流渦動黏性系數(shù)。

基于 POM 模式建立了σ 坐標系下的中國近海三維水動力模型[5], 采用K1, O1, P1, Q1, M2, S2, N2,K2, Sa, Ssa這10個分潮來預報潮流和潮位（其中Sa,Ssa只用于預報潮位）。鑒于關(guān)注海域為整個中國近海,通過大區(qū)域模式（覆蓋整個中國近海海域, 水平網(wǎng)格分辨率5′）和小區(qū)域模式（渤海、東海、南海東部和南海西部, 水平網(wǎng)格分辨率 1′）嵌套, 既實現(xiàn)全海域的預測, 又保證了重點關(guān)注海域的計算分辨率, 見圖2。

模型運算采用多源氣象資料獲取方案, 以美國國家環(huán)境預報中心（NCEP）風場資料為主, 還包括手工輸入和歷史資料。

在計算油膜擴散面積時, 將油粒子最大擴散面積投影疊加, 油膜疊加厚度大于0.05 μm的范圍即為油膜可視面積, 見圖3。

計算過程中考慮了油膜與海岸交互作用, 通過油粒子在每個計算步長開始時位置點與結(jié)束時的位置點的連線是否與海岸線相交的方法判斷油粒子是否上岸。對于上岸的油粒子, 綜合考慮岸線類型、風、流、海浪以及油品性質(zhì), 計算停留在岸上和重新回到海面的油粒子的數(shù)量。

圖2 模式計算區(qū)域及網(wǎng)格分辨率Fig. 2 Model calculation domain and grid resolution

圖3 油膜可視面積計算示意圖Fig. 3 Calculation diagram of the visual area of oil slick

2.2 溢油風化模型

由于溢油風化過程十分復雜, 基礎(chǔ)研究的薄弱性制約了模型的發(fā)展, 目前國內(nèi)外應用的幾種風化模型都不完善。本系統(tǒng)風化模型主要考慮油膜蒸發(fā)、乳化過程和密度、黏度變化, 模型建立基于前人研究成果, 同時根據(jù)實驗數(shù)據(jù)對蒸發(fā)模型參數(shù)進行校正以彌補模型準確性的不足。

2.2.1 蒸發(fā)

溢油蒸發(fā)模型應用較多的是Stiver和Mackay年提出的參數(shù)化公式[6]:

在公式（2）中, T0為油（在 Fv=0時）的初始沸點溫度, TG為蒸餾曲線的梯度, 是在原油蒸餾過程得到的數(shù)據(jù), 而國內(nèi)油品的屬性中一般沒有這兩個量。傳統(tǒng)的做法, T0和 TG是由油品在 15.5℃時的相對密度ρ相對得到的[7], 對于原油:

T0和TG與油品組分有很大關(guān)系, 公式（3）換算只考慮了原油密度, 忽略了其他組分的影響, 通過實驗T0和TG進行修正, 考慮了溢油黏度、蠟含量、瀝青質(zhì)等屬性:

其中, a為瀝青質(zhì)質(zhì)量分數(shù)（%）, w為蠟質(zhì)量分數(shù)（%）,ρ20為20℃的密度, ν為15℃動力黏度。

2.2.2 乳化

溢油乳化程度由含水率Yw表示, 依據(jù) Mackay公式[8],

其中Yw為乳化物含水量（%）, KA取 4.5×10?6,為最終含水量。

2.2.3 密度和黏度

綜合揮發(fā)、乳化影響, 油膜密度表達為[9]:

油膜黏度變化表示為[8]:

其中ν0為初始時油膜的運動黏性系數(shù)。

2.3 環(huán)境敏感區(qū)圖開發(fā)

環(huán)境敏感區(qū)圖（簡稱敏感區(qū)圖）通過標示出不同沿海資源所在地和環(huán)境敏感地區(qū)以及溢油應急對策建議, 可為溢油應急決策者提供重要信息[10]。經(jīng)過多年資料收集和實地調(diào)查, 建立了中國近海環(huán)境敏感資源數(shù)據(jù)庫, 包括中國近海國家級和地方級海洋自然保護區(qū)、珍稀瀕危動植物保護區(qū)、沿海鹽場、漁場、捕撈漁獲量或總生物量、沿岸現(xiàn)存的歷史文化遺跡和海水養(yǎng)殖區(qū)、中國沿海的主要港口和沿海國家4A級旅游景區(qū)以及沿海14個省市海洋功能區(qū)劃。

利用GIS技術(shù)制作了中國近海環(huán)境敏感資源圖,分類定義和管理敏感資源的范圍、敏感等級、優(yōu)先保護次序和溢油清除策略等基礎(chǔ)資料, 實現(xiàn)了敏感資源圖與溢油模型動態(tài)快速耦合, 在溢油應急過程中, 能夠根據(jù)溢油漂移軌跡和擴散范圍預測結(jié)果,對可能受到影響的敏感資源做出污染預警, 同時給出相應的應急方案, 見圖4。

圖4 系統(tǒng)敏感區(qū)圖與溢油模型耦合框架圖Fig. 4 Coupling framework of sensitive resource map and oil spill model

3 應急決策支持

由于溢油種類的差異、海況和氣象條件以及現(xiàn)場環(huán)境的不同, 給應急人員制定應急決策帶來很大的困難。本系統(tǒng)通過建立溢油清污技術(shù)優(yōu)化方案生成模型、應急資源調(diào)用分析模型和溢油清污效果模型, 量化海上溢油清理諸多影響因子及目標之間的關(guān)系, 利用多種數(shù)據(jù)信息加以智能化的檢索和融合,通過人機對話模式, 能夠給溢油應急優(yōu)化方案, 為應急決策提供全方位的信息支持。在操作過程中, 指揮人員可以通過修改現(xiàn)場條件、任務(wù)目標及其他參數(shù), 來制定一套或多套應急方案。

3.1 溢油清污技術(shù)優(yōu)化方案生成

選擇清污技術(shù)時需要考慮多種因素, 并對各相關(guān)因素進行綜合評判, 影響清污技術(shù)選擇的因素可以分為技術(shù)適用性 z1、環(huán)境適用性 z2兩大類。因此本系統(tǒng)建立模糊多級綜合評價模型, 對各種清污技術(shù)進行綜合評價打分, 并依據(jù)得分值選擇合理的清污技術(shù)。綜合評價層次結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 清污技術(shù)綜合評價層次結(jié)構(gòu)圖Fig. 5 Structural chart of comprehensive evaluation of clean-up technology

首先, 將 z1做為被評判對象, 將其對應的指標集做為評價指標集合, 并對其指標賦予相應的權(quán)重進行模糊綜合評價, 得到 z1的模糊評價向量。同理對z2也進行同樣的模糊綜合評價, 得到z2的模糊評價向量。最后以該清污技術(shù)作為被評價對象, 以技術(shù)適應性和環(huán)境適應性作為評價指標, 對它們賦予不同的權(quán)重, 繼續(xù)進行下一級的模糊綜合評價, 得到清污技術(shù)選擇的模糊綜合評價向量, 對所有的清污技術(shù)都可利用上述的模糊多級綜合評價方法計算綜合得分, 由高到低進行排序。

3.2 溢油應急資源調(diào)用分析

溢油清污技術(shù)確定以后, 針對每一種清污技術(shù)選擇合適的溢油清污設(shè)備和應急隊員。本系統(tǒng)建立了多目標決策模型, 針對每一種清污技術(shù)所對應的清污設(shè)備及其環(huán)境影響條件, 建立應急資源調(diào)用方案, 包括設(shè)備類型和數(shù)量、人員數(shù)量、從何處調(diào)用設(shè)備和人員等信息, 同時對確定的調(diào)用方案從費用、時間、適用性等方面進行評價和排序。調(diào)用分析時遵循以下原則:

（1） 根據(jù)AIS系統(tǒng)信息, 事故周圍海域的應急船舶全部調(diào)用;

（2） 設(shè)備數(shù)量主要由指揮人員根據(jù)事故情況確定, 操作人員手工輸入, 也可由系統(tǒng)根據(jù)溢油量自動選擇;

（3） 人員數(shù)量根據(jù)操作設(shè)備所需的人員來確定,并考慮同一人員操作不同設(shè)備的可能性;

（4） 根據(jù)應急反應時間和應急費用, 對調(diào)用方案進行評估, 選擇合適的方案。如果沒有得到滿意的方案, 可修改相關(guān)條件, 重新制定方案。

3.3 清污效果動態(tài)模擬

為更好地評價所選擇的溢油清污方案和設(shè)備組合, 系統(tǒng)可以對既定方案的清污效果進行模擬評價。模擬時充分考慮了作業(yè)過程中風、海流和油膜的動態(tài)變化, 進行實時、動態(tài)模擬溢油清污效果, 內(nèi)容包括:

（1） 圍油欄在不同位置布放時, 攔截或者圍控海面油污的效果模擬;

（2） 海面油污回收和處理的效果模擬, 包括回收和處理油污量以及作業(yè)時間。

4 系統(tǒng)應用

本系統(tǒng)適用于整個中國近海海域, 已為海上溢油事故應急、溢油應急計劃編制、溢油應急演習和海洋工程環(huán)境影響預測與評價提供服務(wù) 30余次。2009年9月14日, 10t左右輕質(zhì)原油在南海東部海域發(fā)生泄漏, 應用本系統(tǒng)預測了未來48 h油污的動態(tài)變化, 溢油漂移路徑以油膜殘跡顯示, 見圖 6。系統(tǒng)預測過程中可提供以下信息:

（1） 油膜動態(tài): 包括油粒子、油膜殘跡、油膜路徑、可視面積和面積殘跡等顯示方式;

（2） 海況信息: 包括即時風場和流場;

（3） 油膜變化: 包括殘存油量、可視面積、掃還面積和漂移距離;

（4） 油品信息: 包括蒸發(fā)率、含水率、密度變化和黏度變化;

（5） 計算記錄: 以計算步長為單位記錄油膜中心點位置;

（6） 預警信息: 油膜影響到的敏感區(qū)信息。

5 總結(jié)

中國近海海上溢油預測與應急決策支持系統(tǒng)可以對海面油膜漂移、擴散軌跡和物理化學性質(zhì)變化作出快速、準確預報, 對可能受影響的敏感區(qū)進行預警, 并綜合溢油現(xiàn)場和預測信息給出合理、優(yōu)化溢油清理方案, 為海上溢油應急提供技術(shù)支持。該系統(tǒng)的建立和應用, 為保證國家建成全方位覆蓋、全天候運行、快速反應的現(xiàn)代化水上應急保障系統(tǒng), 提升我國海上溢油應急快速反應的技術(shù)水平, 奠定了堅實的基礎(chǔ)。

圖6 溢油事故預測結(jié)果Fig. 6 Simulation results of oil spill accident

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Received: May, 31, 2010

Key words:oil spill forecast; oil particle model; emergency decision support; environmental sensitive area maps; optimization project for oil clean-up

Abstract:A system was described for prediction of oil spill movement and corresponsive operations, which was composed of 3D hydrodynamic model, oil weathering model, environmental sensitive area maps, and decision support model. It can predict the drift-diffusion movement and weathering process of oil slicks, and also provide early warning for sensitive areas, sequence of preferential protection of sensitive resources, optimized projects of emergency, and real-time dynamic simulation of cleanup effect. In addition, the system is able to provide services through internet.

（本文編輯:劉珊珊）

An oil spill forecast and emergency decision support system in China offshore

AN Wei1,2, WANG Yong-gang2,3, WANG Xin-yi2,3, NIU Zhi-gang1,2,ZHAO Yu-peng1,2
（1. China Offshore Environmental Services Ltd., Tianjin Tanggu 300452, China; 2. Research and Development Center for Offshore Oil Safety and Environmental Technology, Qingdao 266061, China; 3. The First Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Qingdao 266061,China）

P713.3; TP319

A

1000-3096（2010）11-0078-06

2010-05-31;

2010-08-24

中國海洋石油總公司科技項目（C/KJF JDCY 001-2007）;國家高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展項目（2008－311－000－033）

安偉（1979-）, 男, 山東肥城人, 工程師, 博士, 主要從事海洋環(huán)境數(shù)值模擬研究, 電話: 0532-88962721, E-mail: anwei@coes.org.cn