吳曉丹，宋金明 ，李學(xué)剛 ，袁華茂 ，李 寧

（1.中國(guó)科學(xué)院海洋研究所海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島266071；2.中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京100039）

海上溢油量獲取的技術(shù)方法

吳曉丹1,2，宋金明1，李學(xué)剛1，袁華茂1，李 寧1

（1.中國(guó)科學(xué)院海洋研究所海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島266071；2.中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京100039）

海上溢油近年來(lái)已成為惡化海洋生態(tài)環(huán)境、導(dǎo)致重大海洋資源損失的一種重要海洋災(zāi)害。海面溢油量是評(píng)價(jià)海上溢油事故威脅程度和確定溢油事故等級(jí)的重要指標(biāo)，而溢油面積和油膜厚度的準(zhǔn)確獲得是評(píng)估溢油量的基礎(chǔ)。文中系統(tǒng)總結(jié)了當(dāng)今國(guó)內(nèi)外海洋溢油面積和油膜厚度的監(jiān)測(cè)方法，認(rèn)為航空遙感和衛(wèi)星遙感技術(shù)是獲取海上油膜面積的有效手段，基于光學(xué)遙感和超聲波原理的激光聲學(xué)遙感器是最具發(fā)展?jié)摿Φ挠湍ず穸葴y(cè)量技術(shù)。此外，通過(guò)構(gòu)建油膜擴(kuò)展模型來(lái)估算油膜厚度也不失為一種簡(jiǎn)單而有效的方法，其最大特點(diǎn)是應(yīng)用范圍廣，不受時(shí)空、氣候條件影響，實(shí)例分析驗(yàn)證結(jié)果有很高的準(zhǔn)確性（高達(dá)96%），這種方法將有望于業(yè)務(wù)化監(jiān)測(cè)運(yùn)行來(lái)獲取油膜厚度，從而比較準(zhǔn)確地獲得溢油量。

獲取方法；油膜厚度；溢油面積；溢油量

在全球性海上運(yùn)輸業(yè)及海洋石油開(kāi)采業(yè)迅速發(fā)展的同時(shí)，海上溢油污染事故的發(fā)生也越來(lái)越頻繁，不僅給世界海洋生態(tài)環(huán)境帶來(lái)了嚴(yán)重的危害，也使人類的生存環(huán)境受到了嚴(yán)重威脅，更重要的是這些污染損害事故造成了巨大經(jīng)濟(jì)損失，如何客觀、公正、科學(xué)地評(píng)估這些損失，盡快處理溢油事故，保護(hù)事故雙方的合法權(quán)益，已經(jīng)越來(lái)越受到人們的關(guān)注。

雖然溢油事故規(guī)模分級(jí)涉及的因素較多，如溢油位置的敏感性、油品特性、海洋狀況等，但這些均屬于定性方面的因素，而溢油量卻可以用數(shù)值具體表示大小，因此常按照溢油量多少來(lái)劃分事故等級(jí)，如英國(guó)，對(duì)溢油的影響評(píng)價(jià)中主要以溢油量大小作為評(píng)價(jià)參數(shù)進(jìn)行定級(jí)，將溢油對(duì)環(huán)境可能造成的影響從“極小”到“重大”劃分為6個(gè)等級(jí)，根據(jù)不同的影響程度對(duì)應(yīng)不同的響應(yīng)措施[1]。

海洋溢油發(fā)生后，比較準(zhǔn)確獲得溢油量是評(píng)估溢油規(guī)模和生態(tài)損失的前提。目前，已有一些較為實(shí)用和有效的溢油量估計(jì)方法。當(dāng)溢油是因?yàn)橛洼喕蜉喆艿侥撤N損害，例如碰撞或擱淺，可根據(jù)其裝載能力和損壞范圍、程度，對(duì)溢油量進(jìn)行估算。而如果溢油事故發(fā)生在輸油期間，泵率和開(kāi)始漏油至閉泵時(shí)隔已知，則總溢油量可利用最大泵率與出事到關(guān)泵時(shí)隔之積來(lái)估算[2]。在精確知道溢油源的情況下，如輸油管線的泄漏，可以根據(jù)泄漏的速率和時(shí)間確定溢油量，船舶的泄漏可以根據(jù)泄漏前后船舶所儲(chǔ)存油量的差值來(lái)計(jì)算，沉船溢油量的估算，可根據(jù)發(fā)生事故時(shí)的載油量和尚存量之差來(lái)計(jì)算。

海上溢油量主要受控于溢油密度、油膜厚度、溢油面積三個(gè)因素，在實(shí)際外海，由于環(huán)境條件和動(dòng)力條件的復(fù)雜性，溢油密度、油膜厚度和溢油面積均易受到多種因素的影響。總的來(lái)說(shuō)，溢油密度的變化相對(duì)穩(wěn)定，而隨著遙感技術(shù)的進(jìn)步，外海溢油油膜面積的獲得也不再是一個(gè)難題，因此油膜厚度的確定是估算溢油量的關(guān)鍵參數(shù)之一，是一個(gè)尚未解決的國(guó)際性難題。油膜厚度的確定是海洋環(huán)境管理不可缺少的工作之一，在海洋石油污染監(jiān)視、監(jiān)測(cè)和溢油的治理方面，都需要油膜厚度的準(zhǔn)確、可靠的數(shù)據(jù)。

目前，各國(guó)普遍采用的探測(cè)油膜存在與否的方法主要有兩種，一種是直接探測(cè)方法，另一種是遙感方法[3]。而探測(cè)油膜面積和油膜厚度的方法主要由光學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)和非光學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)兩種。光學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)中應(yīng)用最多的是遙感技術(shù)，但其易受環(huán)境因素影響，仍有許多不足。而非光學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)雖具有經(jīng)濟(jì)、方便、準(zhǔn)確性高等特點(diǎn)，但因應(yīng)用范圍受限也并未得以推廣。因此，當(dāng)前還沒(méi)有一種方法能夠?qū)Σ煌头N、不同厚度的油膜進(jìn)行測(cè)定，實(shí)際探測(cè)工作中常需將幾種方法配合使用，以期擴(kuò)大其對(duì)不同油種、不同厚度油膜測(cè)定的適應(yīng)性[4]。

本文系統(tǒng)總結(jié)了當(dāng)今溢油污染事故中溢油量評(píng)估重要參數(shù)溢油面積和油膜厚度的方法，比較了它們的優(yōu)缺點(diǎn)比較，以期為今后發(fā)展更快速、準(zhǔn)確有效地評(píng)估溢油量方法奠定基礎(chǔ)。

1 溢油面積的獲取方法

溢油面積的大小直接決定著受污范圍的大小，它不僅是清除手段選擇的關(guān)鍵依據(jù)，更重要的是溢油量評(píng)估不可或缺的因素之一。海面溢油面積的獲得最初多以實(shí)際測(cè)量計(jì)算為主，隨著遙感技術(shù)的發(fā)展成熟，全天候、準(zhǔn)確度高、不受時(shí)空限制的溢油面積估算方法在實(shí)際溢油事故中也逐以推廣應(yīng)用。就目前來(lái)講，溢油面積的估算主要總結(jié)有如下方法。

1.1 現(xiàn)場(chǎng)估測(cè)溢油面積

為確定溢油面積，可以采取船舶、飛機(jī)等現(xiàn)場(chǎng)巡航的方式，根據(jù)人的描述以及各種攝錄像設(shè)備取證來(lái)描述污染的情況、范圍等信息，這種信息一般局限于某一小范圍內(nèi)，匯總這些小范圍的污染情況得到總體的污染情況。實(shí)際上，這種方法僅適用于較小范圍的溢油，如污染范圍很大時(shí)，費(fèi)用太高。此外，該法較大程度地受控于溢油事故發(fā)生時(shí)的氣候狀況和海況。

1.2 數(shù)值模擬預(yù)測(cè)溢油面積

在當(dāng)今高科技發(fā)展的年代里，我們還可以采取一定的技術(shù)手段達(dá)到監(jiān)視溢油的目的，掌握溢油的污染范圍。借助數(shù)值模擬中相關(guān)模塊來(lái)預(yù)測(cè)溢油面積就是其中的方法之一，然而該法所預(yù)測(cè)只是海面溢油可能到達(dá)的區(qū)域，而不是實(shí)際到達(dá)的范圍，但由于其計(jì)算科學(xué)、合理，具有極大的參考價(jià)值，在實(shí)際案例中也有一定的應(yīng)用[5]。

1.3 利用航空遙感和衛(wèi)星遙感評(píng)估溢油面積

航空遙感通過(guò)航空器（目前主要是飛機(jī)）攜帶各種傳感器，在空中可大范圍監(jiān)測(cè)海洋溢油面積，是海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)的重要手段之一。航空遙感綜合應(yīng)用了紫外、可見(jiàn)、近紅外、短波紅外、熱紅外、亞毫米波、微波遙感和激光遙感等各項(xiàng)技術(shù)，研制出多種用于海洋監(jiān)測(cè)專用傳感器，同時(shí)建立了適用不同監(jiān)測(cè)對(duì)象的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和信息處理系統(tǒng)。其中標(biāo)準(zhǔn)的航空遙感器包括：機(jī)載側(cè)視雷達(dá)（SLAR）、紅外/紫外（IR/UV）掃描儀、微波輻射計(jì)（MWR）、航空攝像機(jī)、電視攝影機(jī)以及與這些儀器相匹配的具有實(shí)時(shí)圖像處理功能的傳感器控制系統(tǒng)[6]。

衛(wèi)星遙感監(jiān)視海面溢油，是利用專業(yè)的圖像處理系統(tǒng)計(jì)算出衛(wèi)星成像時(shí)刻的溢油面積，這種方法具有費(fèi)用低廉，準(zhǔn)確度高的特點(diǎn)，而且衛(wèi)星的高度和分辨率特別適合監(jiān)測(cè)大規(guī)模的溢油事故。國(guó)外較早開(kāi)展了該方面的工作：1972-1975年美國(guó)與南歐有關(guān)國(guó)家合作，用MSS衛(wèi)星資料對(duì)地中海油污染進(jìn)行了總體監(jiān)測(cè)，通過(guò)800多幅衛(wèi)星影像處理分析，確定了溢油面積；1985年美國(guó)Harry和G Stumpe等人利用ERTS-1號(hào)衛(wèi)星資料，對(duì)弗吉尼亞州阿薩蒂格島東南海域100多km2長(zhǎng)的油膜進(jìn)行了監(jiān)視，不僅在衛(wèi)星資料中提取了油膜信息，還估算了面積，推斷了油污的來(lái)源[7]；國(guó)內(nèi)在衛(wèi)星遙感監(jiān)視溢油污染方面也有應(yīng)用，如在2002年的 “塔斯曼?！陛單廴景讣校屠眯l(wèi)星遙感計(jì)算了溢油面積[8]；2007年12月，“Hebei Spirit”油輪在韓國(guó)忠清南道泰安郡大山港外因碰撞事故導(dǎo)致溢漏原油約10 500 t，中國(guó)海事局煙臺(tái)溢油應(yīng)急技術(shù)中心購(gòu)置并處理了大量衛(wèi)星圖片，對(duì)事故溢油漂移分布情況、溢油面積等信息進(jìn)行了處理[9]。

綜上，借助外物估算溢油面積僅適用于污染面積較小且氣候條件良好的溢油事故，而通過(guò)溢油模擬評(píng)估的是可能的溢油源可能到達(dá)的區(qū)域，而不是實(shí)際的溢油源實(shí)際到達(dá)的區(qū)域，所以評(píng)估結(jié)果在實(shí)際案例中只能起一定的參考作用。相比較而言，利用航空遙感和衛(wèi)星遙感來(lái)獲取溢油面積是當(dāng)前費(fèi)用低、專業(yè)性強(qiáng)、準(zhǔn)確度高、應(yīng)用范圍廣的首選方案，雖然在計(jì)算溢油面積時(shí)仍存在一定的技術(shù)誤差，但在實(shí)際案例中具有重要的參考價(jià)值。

2 溢油厚度的獲取方法

2.1 油色目測(cè)法

不同厚度的油膜對(duì)不同可見(jiàn)光譜段的反射率不同，因此不同厚度的油膜在肉眼呈現(xiàn)不同的顏色。當(dāng)前，油膜厚度確定中較為常用的是油色目測(cè)法。該法是根據(jù)《波恩協(xié)議》油膜色彩與油膜厚度的對(duì)應(yīng)關(guān)系（表1）并結(jié)合船舶現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況來(lái)進(jìn)行計(jì)算的[10]。

表1 油膜色彩與油膜厚度的對(duì)應(yīng)關(guān)系

該方法主要依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果，具有很高的準(zhǔn)確性，但因未能考慮其他海域的油污，故估算的結(jié)果應(yīng)屬保守值。油色目測(cè)法評(píng)估誤差主要是由于油膜厚度和油膜顏色的對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的，此工作受評(píng)估人個(gè)人經(jīng)驗(yàn)的主觀影響較大，需要受特殊訓(xùn)練、有經(jīng)驗(yàn)的人員來(lái)操作實(shí)施，同時(shí)還受不同光線和色彩背景條件影響較大，通常認(rèn)為當(dāng)厚度大于0.25 mm，難以從外觀上區(qū)別其厚度的差異[2]。

2.2 遙感法

遙感技術(shù)是目前國(guó)際上監(jiān)測(cè)海洋溢油最主要的方法，國(guó)外研究起步較早，由20世紀(jì)80年代的可見(jiàn)光和紅外遙感研究轉(zhuǎn)向90年代的微波遙感，再到當(dāng)前多種遙感技術(shù)耦合使用監(jiān)測(cè)海洋溢油災(zāi)害。同樣，國(guó)內(nèi)也相繼開(kāi)展了一系列海面溢油遙感監(jiān)測(cè)方法的研究，取得了許多可喜的成果，但就總體而言，研究程度還很低，尤其是在應(yīng)用領(lǐng)域，跟不上時(shí)代的要求。很多遙感系統(tǒng)對(duì)海上溢油的探測(cè)僅限于對(duì)其是否存在及各定性、半定量參數(shù)（位置、面積等）的確定，對(duì)油膜厚度的定量研究較少，因此對(duì)現(xiàn)有儀器的定標(biāo)是非常困難的。用于探測(cè)油膜相對(duì)厚度的遙感設(shè)備還處于研制階段，微波遙感器雖已研究了多年，但由于低空間分辨率還難以實(shí)用化和業(yè)務(wù)化[11]?；趹?yīng)用原理的不同，本文總結(jié)了當(dāng)前正在使用的包括光學(xué)遙感器、微波遙感器在內(nèi)的幾種油膜厚度遙感探測(cè)技術(shù)。

2.2.1 光學(xué)遙感法

利用光學(xué)遙感主要是根據(jù)油膜在光譜區(qū)內(nèi)的不同反射、散射 吸收特性，將油膜厚度和波譜特征相結(jié)合來(lái)確定油膜厚度[10]。目前來(lái)講，用來(lái)探測(cè)油膜厚度的光學(xué)遙感技術(shù)主要有紅外遙感法、紫外遙感法和激光遙感法三種。

紅外遙感對(duì)海上油污的探測(cè)多位于8～14 μm的熱紅外波段，油膜在一定厚度情況下吸收太陽(yáng)輻射，并將一部分的輻射能量以熱能的形式釋放出去。因此，厚油膜表現(xiàn)為“熱”特征，中等厚度油膜表現(xiàn)為“冷”特征，而薄油膜不能被檢測(cè)出來(lái)[12]。Fingast等[13]的研究證明，發(fā)生“冷”“熱”轉(zhuǎn)換的油膜厚度在 50～150 μm 之間，最小探測(cè)厚度在 20～70 μm 之間。 但Bolus[14]認(rèn)為紅外遙感傳感器在大多數(shù)情況下不能探測(cè)到乳化油（油水混合物），這是由于乳化油中含有70%左右的水，其較強(qiáng)的熱傳導(dǎo)能力使得溫度的差異并不明顯。

紫外遙感探測(cè)波段一般在0.05～0.38 μm之間，主要適用于在甚薄油膜的探測(cè)，這是因?yàn)榕c海水相比，油膜對(duì)紫外輻射的反射很高，即使厚度小于0.05 μm的油膜也有極強(qiáng)的反射。另外，通過(guò)紫外與紅外圖像的疊加分析，可以得到比單一波段探測(cè)更好的效果，獲得溢油層的相對(duì)厚度[15]。

由于油膜在海風(fēng)和海浪的影響下，時(shí)常呈現(xiàn) “帶狀”或“條狀”分布特征，這就對(duì)紅外遙感分辨率要求很高。盡管紅外遙感探測(cè)海面油污染易受天氣狀況、海況等因素的影響，但是由于技術(shù)較為成熟，數(shù)據(jù)價(jià)格的低廉，重量也越來(lái)越輕，無(wú)需對(duì)飛機(jī)進(jìn)行改造，使它仍然是目前世界各國(guó)采用最多的全天候溢油探測(cè)工具[16]。而紫外遙感器易受外界環(huán)境因素（如太陽(yáng)耀斑、風(fēng)產(chǎn)生的海表亮斑以及生物物質(zhì)）的干擾而產(chǎn)生虛假信息，因此盡管價(jià)格不貴，但是由于其影像難以與其他遙感影像配準(zhǔn)而無(wú)法廣泛應(yīng)用[13]。

激光遙感是一種主動(dòng)（遙感器本身提供光源）遙感技術(shù)，可以全天候、全氣象進(jìn)行監(jiān)測(cè)。溢油激光遙感器發(fā)射的激光束的波長(zhǎng)多在紫外區(qū)：0.30～0.35 μm，目前利用激光進(jìn)行油膜厚度探測(cè)的主要有激光熒光遙感技術(shù)和激光聲學(xué)遙感技術(shù)兩種。

由飛機(jī)攜帶的激光器向水面發(fā)射激光束，誘發(fā)海水表面物質(zhì)發(fā)生熒光。水生植物與溢油的激光誘發(fā)的熒光光譜具有明顯的不同，激光熒光技術(shù)就是利用該原理準(zhǔn)確探測(cè)并分類溢油[17]。在潔凈水體中，紫外激光束可引起拉曼散射，油膜厚度可以利用拉曼散射進(jìn)行估算。當(dāng)油膜厚度小于10～20 μm時(shí)則有部分紫外光進(jìn)入水體誘導(dǎo)拉曼散射，當(dāng)存在較厚油膜時(shí)（＞10～20 μm)，紫外激光束完全被油膜吸收而無(wú)法進(jìn)入水體，因而無(wú)法檢測(cè)到拉曼散射信號(hào)，因此可利用拉曼信號(hào)受抑制的程度可判別油膜厚度。但由于厚油膜的強(qiáng)烈吸收，拉曼信號(hào)完全受到抑制，因此該法只能測(cè)定較薄油膜厚度。但由于其可能是目前唯一能夠區(qū)別海草油污染和探測(cè)海灘溢油并是唯一能夠探測(cè)冰、雪油污染的可靠手段，激光熒光技術(shù)仍有著巨大應(yīng)用潛力，是各種溢油應(yīng)用中的強(qiáng)有力工具。

結(jié)合激光和聲學(xué)的激光聲學(xué)技術(shù)是一種很有發(fā)展前景的油膜厚度獲取方法，可以準(zhǔn)確探測(cè)小范圍、水面平靜油膜的絕對(duì)厚度。其原理是，油層吸收CO2激光能量產(chǎn)生熱脈沖，在吸收能量的油層表面發(fā)生快速的熱膨脹，同時(shí)產(chǎn)生高頻的聲脈沖。聲脈沖向下傳播直達(dá)油水界面，一部分繼續(xù)向下，另一部分返回油氣界面。聲脈沖透過(guò)油層又返回油層表面，所需時(shí)間是油層厚度和聲波在油中的傳播速率的函數(shù)，油層厚度可以通過(guò)聲波在油層上、下表面間的傳遞時(shí)間確定，其精確度可達(dá)1%[18]。試驗(yàn)證明激光聲學(xué)遙感技術(shù)是一種能夠直接對(duì)厚度進(jìn)行測(cè)量的有效方法，而超聲波在油膜中傳播速度的不確定性是影響該技術(shù)計(jì)算精度的主要因素。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)指出這一技術(shù)有一定的作用距離，但早期的機(jī)載試驗(yàn)表明，在現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)條件下，這一探測(cè)率足以完成對(duì)油膜厚度的描繪[18]。

激光遙感是全天候、全氣象、應(yīng)用范圍廣的遙感技術(shù)，但激光遙感器自身的重量及高昂的價(jià)格限制了這種遙感技術(shù)的推廣應(yīng)用。

2.2.2 微波遙感法

微波遙感是一種被動(dòng)式遙感技術(shù)，在海洋溢油監(jiān)測(cè)中具有重要意義。海洋本身發(fā)射微波輻射，而海面油層會(huì)發(fā)射比水體本身更強(qiáng)的微波信號(hào)（水的發(fā)射率為0.4，而油為0.8），因而使之呈現(xiàn)為暗背景下的亮信號(hào)[19]，由于信號(hào)本身隨油層厚度而變化，因此理論上可以用來(lái)量測(cè)油層厚度，目前微波遙感技術(shù)中較為常用的是輻射計(jì)和各種性能的雷達(dá)。

瑞士空間局已研制了類似系統(tǒng)，包括雙波段（22.4 GHz和 31 GHz）以及單波段儀器（37 GHz）。 但 Mussetto[20]等人的研究表明，信號(hào)與油膜厚度間呈弱相關(guān)，除油厚之外，其他因素也可以影響信號(hào)的強(qiáng)度。國(guó)際上研究了微波輻射計(jì)應(yīng)用的新方法，即在兩個(gè)正交極化方向上測(cè)量極化對(duì)比強(qiáng)度，以測(cè)量油層厚度[16]。另外，已成功進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的頻率掃描微波輻射計(jì)可以用來(lái)探測(cè)油層厚度并進(jìn)行分布制圖，美國(guó)國(guó)家安全部研究開(kāi)發(fā)中心開(kāi)展了試驗(yàn)研究來(lái)驗(yàn)證其探測(cè)效果，結(jié)果表明，在良好海況下該輻射計(jì)可以對(duì)油層厚度、油乳化程度等進(jìn)行測(cè)量。

微波遙感器對(duì)于全天候監(jiān)測(cè)溢油具有很大的潛力，但該儀器的空間分辨率較低，并易受周期性影響，一個(gè)亮信號(hào)往往會(huì)對(duì)應(yīng)不止一個(gè)油膜厚度，因而該方法在實(shí)際應(yīng)用中受到一定的限制。

利用遙感技術(shù)測(cè)定油膜的厚度還有許多技術(shù)難題，尤其是天氣條件、非油膜水色干擾等極大限制了測(cè)量準(zhǔn)確性，此外，遙感監(jiān)測(cè)波段的選擇也是影響探測(cè)油膜厚度的重要因素。隨著高光譜遙感技術(shù)的發(fā)展，高光譜海洋油膜遙感監(jiān)測(cè)已成為國(guó)內(nèi)外關(guān)注的熱點(diǎn)[21-26]。Palmer[21]指出440～900 nm是可以用來(lái)進(jìn)行溢油油膜信息提取的有效譜段。Foudan[22]的研究也表明反射紅外600～900 nm具有最大的油膜遙感探測(cè)可能性。美國(guó)的Herndon[23]發(fā)現(xiàn)中東石油油膜在580 nm處的反射率最高。國(guó)內(nèi)也進(jìn)行過(guò)諸多海面油膜遙感研究，趙冬至[24]指出736 nm和774 nm對(duì)不同的油類具有相同的吸收特征，張永寧[25]表明500～580 nm是不同油膜最高反射率的所在位置。陸應(yīng)誠(chéng)[26]等研究表明以550 nm和645 nm為中心的綠光、紅光波段的油膜光譜響應(yīng)表現(xiàn)最優(yōu)，可作為海面油膜多/高光譜遙感探測(cè)與評(píng)估的最佳選擇波段。

2.3 溢油擴(kuò)展模型法

通過(guò)建立溢油擴(kuò)展的數(shù)學(xué)模型來(lái)研究海面油膜厚度是一種嶄新的思路，對(duì)于解決油膜厚度這一國(guó)際性難題具有重要意義。在所有溢油擴(kuò)展模型中，應(yīng)用最多的是Fay模型及其改進(jìn)型。Fay[27]針對(duì)油在水面的實(shí)際受力情況，首先提出平靜海面油膜為圓形擴(kuò)展，提出了油膜擴(kuò)展經(jīng)歷的重力-慣性力平衡、重力-黏性力平衡和表面張力-黏性力平衡三個(gè)階段。Mackay[28]在Fay溢油擴(kuò)展模型中加入了風(fēng)的影響，分別建立了厚油膜和薄油膜的擴(kuò)展方程。Elliott等[29]的研究表明，風(fēng)連同由海流引起的湍流對(duì)油膜擴(kuò)展都具有重要作用，同時(shí)溢油本身性質(zhì)（如黏度和密度等）變化也會(huì)對(duì)溢油擴(kuò)展產(chǎn)生影響。Lehr等[30-31]對(duì) Fay溢油擴(kuò)展模型進(jìn)行了修正，考慮了流場(chǎng)及風(fēng)場(chǎng)對(duì)油膜擴(kuò)展的影響，提出了油膜橢圓擴(kuò)展模型。MIT模式在Fay傳統(tǒng)模式的基礎(chǔ)上，考慮了油膜自身特征所致的擴(kuò)展以及環(huán)境動(dòng)力形成的油膜分散，建立了油膜擴(kuò)展分散微分方程。吳曉丹等[32]以Fay模型為基礎(chǔ)，轉(zhuǎn)化Lehr等[33]油膜橢圓擴(kuò)展模型表達(dá)式，并考慮到溫度的影響，構(gòu)建了如下海洋溢油油膜厚度理論模型：

式中：S 為溢油面積（m2）；W 為風(fēng)速（m/s）；t為溢油時(shí)間（min）；h為油膜厚度 （m）；ρo，ρw分別為溢油密度和海水密度（g/cm3）；ρo,T為對(duì)應(yīng)溫度 T（℃）時(shí)的原油密度（g/cm3）；x1為與密度有關(guān)的模數(shù)；INT為取整函數(shù)。

該模型綜合了前人研究擴(kuò)展過(guò)程中所考慮包括風(fēng)速、溢油密度、海水密度等各種參數(shù)，能夠比較全面的反映實(shí)際溢油的環(huán)境條件，并且利用該模型對(duì)2003年9月13日發(fā)生在山東省東營(yíng)市勝利油田106段的溢油事件進(jìn)行了溢油量評(píng)估，實(shí)際溢油為150 t，模型計(jì)算為144 t，準(zhǔn)確度高達(dá)96%。因此，該類模型的建立對(duì)確定一種比較準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、全天候的海洋油膜厚度獲取方法，最終獲取溢油量具有重要科學(xué)意義和實(shí)際價(jià)值。

2.4 其他方法

在海面油膜的監(jiān)測(cè)中，有光學(xué)和非光學(xué)兩類方法，由于后者不受海洋物理因素變化的影響，故準(zhǔn)確度較高。但在國(guó)內(nèi)用非光學(xué)方法對(duì)油污進(jìn)行定量分析的相關(guān)報(bào)導(dǎo)很少，至今還沒(méi)有一種能夠準(zhǔn)確測(cè)定漂浮在海上油膜厚度的自動(dòng)化裝置。石愛(ài)平[34]針對(duì)傳統(tǒng)電容式液體傳感器的缺點(diǎn)，基于電場(chǎng)感應(yīng)原理，研制了一種新型多電極電容傳感器的液位測(cè)量系統(tǒng)來(lái)探測(cè)油膜厚度。該設(shè)備具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)用性好，可靠性高，成本低，抗干擾能力強(qiáng)，攜帶方便等顯著優(yōu)點(diǎn)。

除上面提及的幾種海面油膜厚度的獲取方式，相關(guān)研究還涉及到了油膜厚度的快速探測(cè)裝置。其中最具代表性的是李速等[4]設(shè)計(jì)完成的油膜厚度測(cè)量器，該儀器包括一個(gè)雙筒采樣器和三種型式的測(cè)量器（增厚測(cè)量器、聚集測(cè)量器和吸留測(cè)量器）。增厚測(cè)量器和聚集測(cè)量器是由玻璃制成的漏斗型圓錐體，一端是標(biāo)有刻度的讀數(shù)管，使用時(shí)利用該儀器于一定厚度油污水面切取油膜，利用液體在玻璃圓錐體內(nèi)不可壓縮性，增大樣品厚度，在樣品全部進(jìn)入讀數(shù)管后，根據(jù)讀數(shù)管油柱體積換算樣品厚度。吸留測(cè)量器是由有機(jī)玻璃制成的鑲嵌吸油材料的裙筒形正方體，吸油材料接觸樣品后重量改變，根據(jù)其吸油重量換算樣品的厚度。總的來(lái)說(shuō)，這套海面油膜厚度的快速探測(cè)裝置由于其簡(jiǎn)單原理和構(gòu)造僅限于實(shí)驗(yàn)室或小范圍溢油使用，難以走向業(yè)務(wù)化。

3 小結(jié)與展望

溢油量的多少取決于油膜的面積和厚度，它們的準(zhǔn)確獲得是評(píng)估溢油量的基礎(chǔ)。通過(guò)總結(jié)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外海洋溢油面積和油膜厚度的監(jiān)測(cè)方法，認(rèn)為專業(yè)性強(qiáng)、準(zhǔn)確度高、應(yīng)用范圍廣的航空遙感和衛(wèi)星遙感是探測(cè)油膜面積的最有效方法，也是將來(lái)研究中定會(huì)繼續(xù)推廣使用的方法。相對(duì)來(lái)說(shuō)，油膜厚度的監(jiān)測(cè)雖然方法眾多，但是效果卻并不理想，基于光學(xué)遙感和超聲波原理的激光聲學(xué)遙感器則被視為解決油膜厚度這一國(guó)際難題的有效手段，是國(guó)內(nèi)外被寄予厚望的原位測(cè)量技術(shù)；此外，通過(guò)構(gòu)建擴(kuò)展模型來(lái)實(shí)現(xiàn)油膜厚度的估算是解決這一問(wèn)題的全新方向和嶄新思路，不僅實(shí)例分析驗(yàn)證結(jié)果有很高的準(zhǔn)確性，更重要的是，該法不受天氣和海況的影響，這對(duì)確定一種比較準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)且全天候的海洋油膜厚度獲取方法，最終獲取溢油量具有重要科學(xué)意義和實(shí)際價(jià)值，也是較為適合推廣到業(yè)務(wù)化應(yīng)用的技術(shù)。

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Technical Methods for Marine Oil Spill Quantity Capture

WU Xiao-dan1,2,SONG Jin-ming1,LI Xue-gang1,YUAN Hua-mao1,LI Ning1
（1.Key laboratory of Marine Ecology&Environmental Science,Institute of Oceanology,Chinese Academy of Sciences,Qingdao Shandong 266071,China;2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100039,China）

In recent years,marine oil spill has been an important disaster for marine environment and marine resources.Marine oil spill quantity is the important indicator for evaluating the threat and the level of oil spill,with the oil spill area and film thickness are the key parameters for it.The present detection methods for these two parameters are introduced in detail,resulting that the remote sensing technology is the most effective means for oil spill area and the laser-acoustic sensor which based on principles of optical remote sensing and ultrasonic is the most promising measurement for oil slick thickness.Moreover,as a new method,constructing a spreading model for estimating the film thickness has a great potential to be widely used in large-scale business promotion due to its wide range of applications and high accuracy up to 96%.With the development of this technology,assessment of marine oil spill quantity will become increasingly standardized and systematic in future.

capture method;oil slick thickness;oil spill area;oil spill quantity

X55

B

1003-2029（2011）02-0050-06

2010-11-16

國(guó)家海洋公益性項(xiàng)目（20080513）；國(guó)家海洋局海洋溢油鑒別與損害評(píng)估重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金（200912）

吳曉丹（1985–），女，山東膠南人，在讀研究生，從事海洋生物地球化學(xué)研究。E-mail：wuxiaodan07@ms.qdio.ac.cn

宋金明，E-mail：jmsong@ms.qdio.ac.cn