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        中國(guó)近海海上溢油預(yù)測(cè)與應(yīng)急決策支持系統(tǒng)研發(fā)

        2010-09-24 08:09:04王永剛王新怡牛志剛趙宇鵬
        海洋科學(xué) 2010年11期
        關(guān)鍵詞:敏感區(qū)溢油油膜

        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(guó)家海洋局 第一海洋研究所, 山東 青島 266061)

        中國(guó)近海海上溢油預(yù)測(cè)與應(yīng)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(guó)家海洋局 第一海洋研究所, 山東 青島 266061)

        開(kāi)發(fā)了中國(guó)近海海上溢油預(yù)測(cè)與應(yīng)急決策系統(tǒng), 由三維水動(dòng)力模型、溢油風(fēng)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(yù)測(cè)海面油膜的漂移-擴(kuò)散行為和風(fēng)化過(guò)程, 提供敏感區(qū)污染預(yù)警和資源優(yōu)先保護(hù)次序、溢油應(yīng)急優(yōu)化方案以及溢油清污效果實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模擬。作為海上溢油應(yīng)急反應(yīng)決策平臺(tái), 系統(tǒng)能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)提供服務(wù)。

        溢油預(yù)測(cè); 油粒子模型; 應(yīng)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(guó)對(duì)石油及其制品日益增長(zhǎng)的需求, 在海上開(kāi)采、運(yùn)輸、裝卸以及利用石油過(guò)程中溢油事故日漸增多, 油污已成為造成我國(guó)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(zhǔn)確獲得海面溢油的動(dòng)態(tài)信息, 并進(jìn)行迅速有效的應(yīng)急反應(yīng), 對(duì)控制污染和清除油污起著關(guān)鍵性的作用。美國(guó)、加拿大以及歐洲的一些國(guó)家已經(jīng)研制開(kāi)發(fā)了溢油預(yù)測(cè)商業(yè)軟件, 20世紀(jì)80年代以來(lái), 我國(guó)的專(zhuān)家學(xué)者從實(shí)驗(yàn)、理論以及數(shù)學(xué)模擬等方面對(duì)溢油在海面上的行為特征和運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律做了大量的研究,相繼開(kāi)發(fā)了特定海域的溢油預(yù)測(cè)系統(tǒng)[2,3], 但系統(tǒng)覆蓋海域范圍小, 也比較分散, 同時(shí)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(yīng)急業(yè)務(wù)系統(tǒng)管理和更新的后續(xù)支撐不足等問(wèn)題。

        針對(duì)中國(guó)近海海域環(huán)境條件和溢油應(yīng)急需求,我們研制開(kāi)發(fā)了“中國(guó)近海海上溢油預(yù)測(cè)與應(yīng)急決策支持系統(tǒng)”, 能夠?qū)Πl(fā)生在我國(guó)近海海上溢油事故進(jìn)行溢油動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)并給出相應(yīng)的應(yīng)急決策方案, 極大地提高海上溢油應(yīng)急快速反應(yīng)能力。本文介紹該系統(tǒng)的組成、功能以及特點(diǎn)。

        1 系統(tǒng)功能及結(jié)構(gòu)

        中國(guó)近海海上溢油預(yù)測(cè)與應(yīng)急決策支持系統(tǒng)包括溢油預(yù)測(cè)預(yù)警、應(yīng)急決策支持、數(shù)據(jù)庫(kù)和系統(tǒng)運(yùn)行保障4個(gè)功能模塊, 見(jiàn)圖1。

        在溢油應(yīng)急過(guò)程中, 系統(tǒng)可提供海上溢油動(dòng)態(tài)數(shù)值預(yù)測(cè); 提供敏感區(qū)預(yù)警和優(yōu)先保護(hù)次序; 提供溢油事故的處理及人員、設(shè)備的配備與調(diào)動(dòng)方案; 提供溢油清污實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模擬效果; 作為指揮人員指揮決策時(shí)的參考。

        系統(tǒng)基于 C/S模式構(gòu)建, 通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或?qū)>W(wǎng)提供客戶(hù)服務(wù), 用戶(hù)使用客戶(hù)端登錄系統(tǒng)服務(wù)器提交指令, 運(yùn)算結(jié)果返回到本地計(jì)算機(jī)顯示和保存。采用Microsoft Visual C++與面向?qū)ο蠹夹g(shù)開(kāi)發(fā), 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)使用Microsoft Office Access庫(kù), 利用Microsoft ADO技術(shù)作為數(shù)據(jù)索引及快速讀寫(xiě), 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(yù)測(cè)預(yù)警

        溢油進(jìn)入海面以后, 會(huì)在風(fēng)、浪、流等作用下進(jìn)行漂移和擴(kuò)散, 因此準(zhǔn)確獲得海面油膜的動(dòng)態(tài)信息對(duì)溢油污染預(yù)警起著關(guān)鍵性作用。本系統(tǒng)基于溢油漂移擴(kuò)散模型、溢油風(fēng)化模型和環(huán)境敏感資源圖, 能夠預(yù)測(cè)溢油在海面的漂移擴(kuò)散軌跡和物理化學(xué)性質(zhì)變化, 進(jìn)行敏感資源污染預(yù)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(kuò)散模型

        模型考慮風(fēng)、流、浪等作用的影響, 采用“粒子法”模擬溢油在海面的漂移擴(kuò)散行為。假定(xn, yn)為粒子在第 n個(gè)計(jì)算步長(zhǎng)開(kāi)始時(shí)候的水平位置, 那么該計(jì)算步長(zhǎng)結(jié)束時(shí)油粒子的水平位置可表示為[4]:

        圖1 海上溢油預(yù)測(cè)與應(yīng)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(fēng)海流)在x和y方向上的分量, 由水動(dòng)力模型計(jì)算得到; Δt為計(jì)算步長(zhǎng); ξ, KH分別代表[?1, 1]區(qū)域上的均勻分布隨機(jī)數(shù)和水平方向上的湍流渦動(dòng)黏性系數(shù)。

        基于 POM 模式建立了σ 坐標(biāo)系下的中國(guó)近海三維水動(dòng)力模型[5], 采用K1, O1, P1, Q1, M2, S2, N2,K2, Sa, Ssa這10個(gè)分潮來(lái)預(yù)報(bào)潮流和潮位(其中Sa,Ssa只用于預(yù)報(bào)潮位)。鑒于關(guān)注海域?yàn)檎麄€(gè)中國(guó)近海,通過(guò)大區(qū)域模式(覆蓋整個(gè)中國(guó)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(shí)現(xiàn)全海域的預(yù)測(cè), 又保證了重點(diǎn)關(guān)注海域的計(jì)算分辨率, 見(jiàn)圖2。

        模型運(yùn)算采用多源氣象資料獲取方案, 以美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)風(fēng)場(chǎng)資料為主, 還包括手工輸入和歷史資料。

        在計(jì)算油膜擴(kuò)散面積時(shí), 將油粒子最大擴(kuò)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(jiàn)圖3。

        計(jì)算過(guò)程中考慮了油膜與海岸交互作用, 通過(guò)油粒子在每個(gè)計(jì)算步長(zhǎng)開(kāi)始時(shí)位置點(diǎn)與結(jié)束時(shí)的位置點(diǎn)的連線(xiàn)是否與海岸線(xiàn)相交的方法判斷油粒子是否上岸。對(duì)于上岸的油粒子, 綜合考慮岸線(xiàn)類(lèi)型、風(fēng)、流、海浪以及油品性質(zhì), 計(jì)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(jì)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(jì)算示意圖Fig. 3 Calculation diagram of the visual area of oil slick

        2.2 溢油風(fēng)化模型

        由于溢油風(fēng)化過(guò)程十分復(fù)雜, 基礎(chǔ)研究的薄弱性制約了模型的發(fā)展, 目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用的幾種風(fēng)化模型都不完善。本系統(tǒng)風(fēng)化模型主要考慮油膜蒸發(fā)、乳化過(guò)程和密度、黏度變化, 模型建立基于前人研究成果, 同時(shí)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)蒸發(fā)模型參數(shù)進(jìn)行校正以彌補(bǔ)模型準(zhǔn)確性的不足。

        2.2.1 蒸發(fā)

        溢油蒸發(fā)模型應(yīng)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(shí))的初始沸點(diǎn)溫度, TG為蒸餾曲線(xiàn)的梯度, 是在原油蒸餾過(guò)程得到的數(shù)據(jù), 而國(guó)內(nèi)油品的屬性中一般沒(méi)有這兩個(gè)量。傳統(tǒng)的做法, T0和 TG是由油品在 15.5℃時(shí)的相對(duì)密度ρ相對(duì)得到的[7], 對(duì)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(guò)實(shí)驗(yàn)T0和TG進(jìn)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?jǐn)?shù)(%), w為蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%),ρ20為20℃的密度, ν為15℃動(dòng)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(dá)為[9]:

        油膜黏度變化表示為[8]:

        其中ν0為初始時(shí)油膜的運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)。

        2.3 環(huán)境敏感區(qū)圖開(kāi)發(fā)

        環(huán)境敏感區(qū)圖(簡(jiǎn)稱(chēng)敏感區(qū)圖)通過(guò)標(biāo)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(yīng)急對(duì)策建議, 可為溢油應(yīng)急決策者提供重要信息[10]。經(jīng)過(guò)多年資料收集和實(shí)地調(diào)查, 建立了中國(guó)近海環(huán)境敏感資源數(shù)據(jù)庫(kù), 包括中國(guó)近海國(guó)家級(jí)和地方級(jí)海洋自然保護(hù)區(qū)、珍稀瀕危動(dòng)植物保護(hù)區(qū)、沿海鹽場(chǎng)、漁場(chǎng)、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(guó)沿海的主要港口和沿海國(guó)家4A級(jí)旅游景區(qū)以及沿海14個(gè)省市海洋功能區(qū)劃。

        利用GIS技術(shù)制作了中國(guó)近海環(huán)境敏感資源圖,分類(lèi)定義和管理敏感資源的范圍、敏感等級(jí)、優(yōu)先保護(hù)次序和溢油清除策略等基礎(chǔ)資料, 實(shí)現(xiàn)了敏感資源圖與溢油模型動(dòng)態(tài)快速耦合, 在溢油應(yīng)急過(guò)程中, 能夠根據(jù)溢油漂移軌跡和擴(kuò)散范圍預(yù)測(cè)結(jié)果,對(duì)可能受到影響的敏感資源做出污染預(yù)警, 同時(shí)給出相應(yīng)的應(yīng)急方案, 見(jiàn)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(yīng)急決策支持

        由于溢油種類(lèi)的差異、海況和氣象條件以及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的不同, 給應(yīng)急人員制定應(yīng)急決策帶來(lái)很大的困難。本系統(tǒng)通過(guò)建立溢油清污技術(shù)優(yōu)化方案生成模型、應(yīng)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(biāo)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(guò)人機(jī)對(duì)話(huà)模式, 能夠給溢油應(yīng)急優(yōu)化方案, 為應(yīng)急決策提供全方位的信息支持。在操作過(guò)程中, 指揮人員可以通過(guò)修改現(xiàn)場(chǎng)條件、任務(wù)目標(biāo)及其他參數(shù), 來(lái)制定一套或多套應(yīng)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(shí)需要考慮多種因素, 并對(duì)各相關(guān)因素進(jìn)行綜合評(píng)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(lèi)。因此本系統(tǒng)建立模糊多級(jí)綜合評(píng)價(jià)模型, 對(duì)各種清污技術(shù)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)打分, 并依據(jù)得分值選擇合理的清污技術(shù)。綜合評(píng)價(jià)層次結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。

        圖5 清污技術(shù)綜合評(píng)價(jià)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(píng)判對(duì)象, 將其對(duì)應(yīng)的指標(biāo)集做為評(píng)價(jià)指標(biāo)集合, 并對(duì)其指標(biāo)賦予相應(yīng)的權(quán)重進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià), 得到 z1的模糊評(píng)價(jià)向量。同理對(duì)z2也進(jìn)行同樣的模糊綜合評(píng)價(jià), 得到z2的模糊評(píng)價(jià)向量。最后以該清污技術(shù)作為被評(píng)價(jià)對(duì)象, 以技術(shù)適應(yīng)性和環(huán)境適應(yīng)性作為評(píng)價(jià)指標(biāo), 對(duì)它們賦予不同的權(quán)重, 繼續(xù)進(jìn)行下一級(jí)的模糊綜合評(píng)價(jià), 得到清污技術(shù)選擇的模糊綜合評(píng)價(jià)向量, 對(duì)所有的清污技術(shù)都可利用上述的模糊多級(jí)綜合評(píng)價(jià)方法計(jì)算綜合得分, 由高到低進(jìn)行排序。

        3.2 溢油應(yīng)急資源調(diào)用分析

        溢油清污技術(shù)確定以后, 針對(duì)每一種清污技術(shù)選擇合適的溢油清污設(shè)備和應(yīng)急隊(duì)員。本系統(tǒng)建立了多目標(biāo)決策模型, 針對(duì)每一種清污技術(shù)所對(duì)應(yīng)的清污設(shè)備及其環(huán)境影響條件, 建立應(yīng)急資源調(diào)用方案, 包括設(shè)備類(lèi)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(shí)對(duì)確定的調(diào)用方案從費(fèi)用、時(shí)間、適用性等方面進(jìn)行評(píng)價(jià)和排序。調(diào)用分析時(shí)遵循以下原則:

        (1) 根據(jù)AIS系統(tǒng)信息, 事故周?chē)S虻膽?yīng)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(dòng)選擇;

        (3) 人員數(shù)量根據(jù)操作設(shè)備所需的人員來(lái)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(yīng)急反應(yīng)時(shí)間和應(yīng)急費(fèi)用, 對(duì)調(diào)用方案進(jìn)行評(píng)估, 選擇合適的方案。如果沒(méi)有得到滿(mǎn)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(dòng)態(tài)模擬

        為更好地評(píng)價(jià)所選擇的溢油清污方案和設(shè)備組合, 系統(tǒng)可以對(duì)既定方案的清污效果進(jìn)行模擬評(píng)價(jià)。模擬時(shí)充分考慮了作業(yè)過(guò)程中風(fēng)、海流和油膜的動(dòng)態(tài)變化, 進(jìn)行實(shí)時(shí)、動(dòng)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(shí), 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(shí)間。

        4 系統(tǒng)應(yīng)用

        本系統(tǒng)適用于整個(gè)中國(guó)近海海域, 已為海上溢油事故應(yīng)急、溢油應(yīng)急計(jì)劃編制、溢油應(yīng)急演習(xí)和海洋工程環(huán)境影響預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)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(yīng)用本系統(tǒng)預(yù)測(cè)了未來(lái)48 h油污的動(dòng)態(tài)變化, 溢油漂移路徑以油膜殘跡顯示, 見(jiàn)圖 6。系統(tǒng)預(yù)測(cè)過(guò)程中可提供以下信息:

        (1) 油膜動(dòng)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(shí)風(fēng)場(chǎng)和流場(chǎng);

        (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(jì)算記錄: 以計(jì)算步長(zhǎng)為單位記錄油膜中心點(diǎn)位置;

        (6) 預(yù)警信息: 油膜影響到的敏感區(qū)信息。

        5 總結(jié)

        中國(guó)近海海上溢油預(yù)測(cè)與應(yīng)急決策支持系統(tǒng)可以對(duì)海面油膜漂移、擴(kuò)散軌跡和物理化學(xué)性質(zhì)變化作出快速、準(zhǔn)確預(yù)報(bào), 對(duì)可能受影響的敏感區(qū)進(jìn)行預(yù)警, 并綜合溢油現(xiàn)場(chǎng)和預(yù)測(cè)信息給出合理、優(yōu)化溢油清理方案, 為海上溢油應(yīng)急提供技術(shù)支持。該系統(tǒng)的建立和應(yīng)用, 為保證國(guó)家建成全方位覆蓋、全天候運(yùn)行、快速反應(yīng)的現(xiàn)代化水上應(yīng)急保障系統(tǒng), 提升我國(guó)海上溢油應(yīng)急快速反應(yīng)的技術(shù)水平, 奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

        圖6 溢油事故預(yù)測(cè)結(jié)果Fig. 6 Simulation results of oil spill accident

        [1] 國(guó)家海洋局. 2005年中國(guó)海洋環(huán)境質(zhì)量公報(bào)[R]. 北京: 國(guó)家海洋局, 2006.

        [2] 熊德琪, 杜川, 趙德祥, 等. 大連灣溢油應(yīng)急預(yù)報(bào)信息系統(tǒng)及其應(yīng)用[J]. 交通環(huán)保, 2002, 23(3):5-7.

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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(guó)海洋石油總公司科技項(xiàng)目(C/KJF JDCY 001-2007);國(guó)家高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展項(xiàng)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(huà): 0532-88962721, E-mail: anwei@coes.org.cn

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