牛志剛，劉連進(jìn)，宋莎莎，楊靜，李明

(1.中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津，300452;2.中海石油環(huán)保服務(wù)有限公司，天津，300452)

冰期海上溢油監(jiān)測(cè)及預(yù)測(cè)技術(shù)

牛志剛1，劉連進(jìn)1，宋莎莎2，楊靜1，李明1

(1.中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津，300452;2.中海石油環(huán)保服務(wù)有限公司，天津，300452)

結(jié)合我國(guó)渤海冰期海上石油勘探開(kāi)發(fā)海洋環(huán)境保護(hù)及減少潛在溢油污染的現(xiàn)實(shí)需求，分析目前國(guó)內(nèi)外冰期溢油監(jiān)測(cè)及預(yù)測(cè)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，探討我國(guó)冰期溢油監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)技術(shù)的研究方向及未來(lái)冰期溢油監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用。

渤海;冰期溢油;監(jiān)測(cè);預(yù)測(cè)

渤海海域是我國(guó)目前最大的海上油氣生產(chǎn)基地，而每年冬季渤海和黃海北部約有3個(gè)月的冰期，屆時(shí)該海域?qū)⒊霈F(xiàn)不同程度的結(jié)冰現(xiàn)象。海冰會(huì)對(duì)海洋工程、石油開(kāi)發(fā)和交通運(yùn)輸產(chǎn)生很大影響，冰情嚴(yán)重時(shí)甚至摧毀海上設(shè)施，造成潛在溢油風(fēng)險(xiǎn)。因此，有必要開(kāi)展冰期海上溢油監(jiān)測(cè)及預(yù)測(cè)研究，為冰期溢油應(yīng)急提供有效的技術(shù)支持。

1 冰期溢油特點(diǎn)

海面溢油的行為受風(fēng)、浪、流等動(dòng)力環(huán)境因素及其他非動(dòng)力環(huán)境因素和油品特性等多種因素的影響，發(fā)生擴(kuò)散、漂移、蒸發(fā)、分散、乳化、溶解、光氧化，以及相互作用。冰期溢油與海水、大氣及海冰相互作用，使得其行為和歸宿更加復(fù)雜。因此，冰期溢油的監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)必須在海冰監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)技術(shù)的支持下開(kāi)展，并依賴海冰監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)技術(shù)。

溢油監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)要考慮到行為與歸宿。影響冰期溢油行為的各種因素見(jiàn)表1，其中，海冰對(duì)溢油行為起主導(dǎo)作用。

一般認(rèn)為海冰密集度小于30%時(shí)，對(duì)溢油行為不會(huì)產(chǎn)生很大影響，超過(guò)30%則會(huì)明顯影響溢油行為［1］。

表1 冰期溢油行為的影響因素

海冰和低溫環(huán)境會(huì)減緩溢油風(fēng)化過(guò)程，若溢油凍結(jié)在冰中，風(fēng)化過(guò)程可能完全停止，直到海冰融化，溢油暴露到空氣和海水中，風(fēng)化過(guò)程才會(huì)繼續(xù)。海冰對(duì)溢油風(fēng)化過(guò)程的影響見(jiàn)表2。

表2 海冰對(duì)溢油風(fēng)化過(guò)程的影響

2 冰期溢油監(jiān)測(cè)及預(yù)測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)冰期溢油應(yīng)急技術(shù)的研究較早。2006～2009年，挪威研究院和包括殼牌、雪佛龍、挪威國(guó)家石油公司、道達(dá)爾、康菲和意大利石油總公司在內(nèi)的6家油氣公司支持開(kāi)展了JIP(joint indus-try program)項(xiàng)目，研究北極和其他有冰海區(qū)的溢油應(yīng)急技術(shù)，主要研究?jī)?nèi)容包括:冰期溢油的行為與歸宿、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)、遙感技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)燃燒、機(jī)械回收及分散劑使用，等。

2．1 冰期溢油監(jiān)測(cè)

國(guó)外對(duì)冰內(nèi)或冰下溢油監(jiān)測(cè)的研究開(kāi)展較早，至今已有近30年的歷史。期間進(jìn)行了一系列室內(nèi)外實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)各種探測(cè)技術(shù)如高頻脈沖探地雷達(dá)、聲波檢測(cè)設(shè)備及乙烷氣體感應(yīng)器等的可行性進(jìn)行了研究［2］。高頻脈沖探地雷達(dá)和聲波檢測(cè)設(shè)備比較有發(fā)展前途，已開(kāi)展了大量實(shí)驗(yàn)水槽及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)該方法冰下溢油檢測(cè)的適用性。接收器必須對(duì)信號(hào)強(qiáng)度中的細(xì)微變化足夠敏感，才能檢測(cè)到油冰界面，需要設(shè)備天線與海冰間有較好的耦合。此外，冰水混合條件下的溢油監(jiān)測(cè)相對(duì)容易實(shí)施，可借助雷達(dá)和激光熒光技術(shù)［3］。

衛(wèi)星遙感圖像可以提供大范圍海域的冰情和可能的油膜信息，特別是合成孔徑雷達(dá)(SAR)不受惡劣氣候的影響，適用于冰期監(jiān)測(cè)。其不足之處是受分辨率限制，無(wú)法檢測(cè)到小面積油膜。將衛(wèi)星遙感與浮標(biāo)跟蹤相結(jié)合，便可以獲得溢油位置周圍海域清晰的冰情圖。早期研究表明用SAR亮度值檢測(cè)冰上油或冰中油不可行［4］。原因在于油-冰與油-海水間的后向散射差異不大。油膜對(duì)于后向散射的影響相對(duì)于冰后向散射強(qiáng)度的變化來(lái)說(shuō)較小，此外，油的后向散射可能會(huì)因冰中的電磁波耗散而衰減?？赡艿谋嫌突虮杏捅O(jiān)測(cè)方法是極化SAR數(shù)據(jù)、SAR復(fù)數(shù)據(jù)或二者結(jié)合。

我國(guó)針對(duì)有冰海區(qū)的溢油監(jiān)測(cè)研究較少，近年來(lái)開(kāi)始采用溢油雷達(dá)開(kāi)展冰區(qū)監(jiān)測(cè)研究。但因未獲取到冰區(qū)溢油的雷達(dá)圖像，只能從圖像中提取海冰信息進(jìn)行分析［5］。

2．2 冰期溢油預(yù)測(cè)

為對(duì)溢油事故采取相關(guān)應(yīng)急措施提供信息，研究油品入海后的污染范圍和運(yùn)動(dòng)方向很有必要。冰區(qū)溢油的擴(kuò)散和漂移問(wèn)題，比無(wú)冰海區(qū)更為復(fù)雜，因?yàn)橐缬团c大氣、海水及海冰均有相互作用。國(guó)外在冰區(qū)溢油擴(kuò)散、漂移方面開(kāi)展了一系列研究［6-7］。上世紀(jì)80年代加拿大在其東部沿海海域開(kāi)展了冰區(qū)溢油可控試驗(yàn)，將油品分別釋放到海冰密集度不同的海域中，觀測(cè)溢油的擴(kuò)散、漂移及其與冰漂流之間的關(guān)系。冰期溢油漂移預(yù)測(cè)模型中以冰密集度30%作為分界線，在冰密集度高于30%的冰區(qū)中，溢油和冰塊一起漂移;在冰密集度低于30%的冰區(qū)中，溢油漂移與開(kāi)闊無(wú)冰海域類似。

國(guó)內(nèi)針對(duì)冰區(qū)溢油行為的研究較少，主要對(duì)冰區(qū)溢油擴(kuò)散和漂移模擬做了初步的數(shù)值定性研究。國(guó)家海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心初步建立了渤海冰區(qū)溢油行為的數(shù)值計(jì)算模式，該模式由海冰數(shù)值預(yù)報(bào)模式和溢油的擴(kuò)散、漂移模式組成［8］。近年來(lái)，結(jié)合國(guó)外研究成果和渤海冰情，建立了冰區(qū)溢油預(yù)報(bào)數(shù)值模型［9］，采用臨界密集度值和跟蹤粒子流方法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

3 我國(guó)冰期溢油監(jiān)測(cè)及預(yù)測(cè)技術(shù)發(fā)展

3．1 建立多傳感器立體化的冰期溢油監(jiān)測(cè)體系

目前，我國(guó)已開(kāi)展了業(yè)務(wù)化的海冰監(jiān)測(cè)和溢油監(jiān)測(cè)，但針對(duì)有冰海區(qū)的溢油監(jiān)測(cè)研究較少?？紤]到渤海作為我國(guó)目前最大的海上油氣生產(chǎn)基地，每年冬季有3個(gè)月左右的冰期，有必要集成側(cè)視機(jī)載雷達(dá)、合成孔徑雷達(dá)、側(cè)視紅外傳感器及探地雷達(dá)等多傳感器，綜合先進(jìn)的衛(wèi)星、航空、無(wú)人機(jī)、船載及水(冰)上或水(冰)下探測(cè)系統(tǒng)，建立冰期溢油的立體化監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。

1)衛(wèi)星遙感。甚高分辨率光學(xué)遙感數(shù)據(jù)與全天時(shí)全天候工作的合成孔徑雷達(dá)遙感數(shù)據(jù)相結(jié)合。對(duì)于海冰密集度較低(低于40%)和油膜面積相對(duì)遙感分辨率較大的情況，可采用遙感識(shí)別冰期溢油。此外，衛(wèi)星遙感提供的近實(shí)時(shí)冰情對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)溢油應(yīng)急指揮以及降低海洋作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)也至關(guān)重要。

2)航空遙感。采用多種傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如紅外、紫外、激光熒光、雷達(dá)、聲波傳感器，等。激光熒光是一種有效的主動(dòng)式傳感器，但價(jià)格昂貴，體積較大。相對(duì)而言，聲波方法及機(jī)載探地雷達(dá)有一定的發(fā)展?jié)撃堋?/p>

3)跟蹤浮標(biāo)?？捎糜诟櫽湍ぴ陲L(fēng)、海流和海冰運(yùn)動(dòng)作用下的漂移，通過(guò)安裝GPS，浮標(biāo)可實(shí)時(shí)獲取油膜的位置和運(yùn)動(dòng)信息，并發(fā)送到船只或飛機(jī)上的接收裝置。

4)冰上監(jiān)測(cè)。當(dāng)冰層厚度足以承受人員及設(shè)備重量時(shí)，可以采取冰上監(jiān)測(cè)。主要方法有:鉆孔、手持紅外探測(cè)儀、探地雷達(dá)、油氣嗅探裝置，等，甚至嘗試采用特別訓(xùn)練的搜索犬進(jìn)行溢油探測(cè)。上述方法配合手持GPS可以記錄油膜的位置和范圍。

3．2 發(fā)展渤海冰期溢油數(shù)值預(yù)報(bào)模型

結(jié)合國(guó)外研究成果及我國(guó)渤海具體環(huán)境條件，發(fā)展渤海冰期溢油數(shù)值預(yù)報(bào)模型。冰期溢油數(shù)值預(yù)報(bào)模型包括以下幾部分。

1)噴發(fā)模型。對(duì)于發(fā)生在一定水深處的溢油需考慮溢油模型，如溢油的噴發(fā)及油在水體中的分布。

2)物理環(huán)境模型。風(fēng)、氣溫、降雪、海流、波浪以及海冰。驅(qū)動(dòng)溢油模型的風(fēng)、海流、波浪等水動(dòng)力模型以及海冰模擬的準(zhǔn)確度在很大程度上決定著冰期溢油漂移預(yù)測(cè)的可靠性。利用遙感等觀測(cè)數(shù)據(jù)可以改進(jìn)海冰和水動(dòng)力模型，進(jìn)而改進(jìn)溢油預(yù)測(cè)模型。

3)溢油模型。解決溢油風(fēng)化、油與海冰的相互作用以及油與其他環(huán)境要素的相互作用。冰期溢油模型中必須要考慮到油與海冰的相互作用，因?yàn)槟承l件下油隨海冰運(yùn)動(dòng)，而某些條件油隨海水運(yùn)動(dòng)。對(duì)于分辨率為10 km左右的海冰模型，進(jìn)行溢油追蹤的有效方法是估計(jì)近表面隨海流運(yùn)動(dòng)的油量與隨海冰運(yùn)動(dòng)的油量。

油在海冰中的狀態(tài)可能有以下幾種。

1)油凍結(jié)在海冰中，直到海冰融化。這種情況最為簡(jiǎn)單，油以與海冰相同速度運(yùn)動(dòng)。

2)油被碎冰包圍。這種情況稍微復(fù)雜，海冰模型估計(jì)海冰密集度，可作為油按照海冰軌跡或海水軌跡運(yùn)動(dòng)的參考依據(jù)。

3)油位于冰下表面的小孔腔中。這種情況最為復(fù)雜，冰下表面的小孔腔中的油量與海冰類型、下表面粗糙度及海流速度有關(guān)。

此外，充分利用各種觀測(cè)手段獲取現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)有利于提高溢油預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度。通過(guò)遙感、冰信標(biāo)、航空調(diào)查、冰情圖等方法可以獲取海冰運(yùn)移、表面油的范圍、冰厚、粗糙度及密集度等信息，并用于冰期溢油漂移模擬預(yù)測(cè)。

3．3 開(kāi)展冰期溢油監(jiān)測(cè)及預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)

結(jié)合國(guó)外研究經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)展冰期溢油監(jiān)測(cè)及預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。大規(guī)模現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)對(duì)于驗(yàn)證中小規(guī)模的實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)果至關(guān)重要。

開(kāi)展冰期溢油監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，一方面對(duì)目前適用于開(kāi)闊水域的各種監(jiān)測(cè)技術(shù)方法在冰期監(jiān)測(cè)中的適用性進(jìn)行評(píng)估;另一方面，通過(guò)積累實(shí)驗(yàn)室條件及現(xiàn)場(chǎng)條件下的溢油監(jiān)測(cè)經(jīng)驗(yàn)，加強(qiáng)冰期溢油監(jiān)測(cè)技術(shù)與設(shè)備研究，使得冰期溢油監(jiān)測(cè)技術(shù)和設(shè)備盡快應(yīng)用于實(shí)際。

開(kāi)展冰期溢油預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)，對(duì)冰期溢油行為、歸宿，溢油風(fēng)化和擴(kuò)散，溢油與海冰的相互作用進(jìn)行研究。目前大多冰期溢油理論主要基于有限次數(shù)的小尺度的實(shí)驗(yàn)室研究得到，其結(jié)果還需要結(jié)合實(shí)驗(yàn)室可控條件下的一系列中小尺度實(shí)驗(yàn)以及大尺度現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。

4 結(jié)束語(yǔ)

總體來(lái)說(shuō)，我國(guó)冰期溢油監(jiān)測(cè)及預(yù)測(cè)技術(shù)相比國(guó)際先進(jìn)水平仍有一定差距，應(yīng)借鑒國(guó)內(nèi)外研究經(jīng)驗(yàn)，加強(qiáng)冰期溢油風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)分析，開(kāi)展冰期溢油監(jiān)測(cè)及預(yù)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究，建立冰期溢油監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)體系，提高我國(guó)冰期溢油事故防范和應(yīng)急處置能力，為我國(guó)冰期油氣田開(kāi)發(fā)保駕護(hù)航。

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On the Detection and Prediction Technology of Oil Spill in Sea Ice Season

NIU Zhi-gang1，LIU Lian-jin1，SONG Sha-sha2，YANG Jing1，LI Ming1
(1.CNOOC Energy Technology and Services-Oil Production Services Co.，Tanggu Tianjin 300452，China; 2.CNOOC Environmental Services Ltd.，Tianjin 300452，China)

Considering the requirements of marine environment protection and minimization of potential oil pollution during the oil exploration in Bohai sea ice season，the state of the art of the oil spill detection and prediction technologies in ice season is analyzed，and the development direction for the research of oil spill detection and modeling technologies is discussed about，as well as the future application of these technologies.

Bohai sea;oil spill in ice season;detection;prediction

U698.7

A

1671-7953(2015)02-0146-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.02.036

2014-11-11

修回日期:2014-11-27

國(guó)家工信部項(xiàng)目(GXB-HBC-ZRS)

牛志剛(1983-)，男，碩士，工程師

研究方向:海上溢油污染防治技術(shù)

E-mail:niuzhg@cnooc.com.cn