舟山海事局 顧恩凱 邊 以

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群島海域溢油應(yīng)急處置系統(tǒng)分析

舟山海事局 顧恩凱 邊 以

摘要：以舟山群島海域為例，介紹海上溢油模擬技術(shù)，分析利用島、礁等有利地形進(jìn)行海上溢油快速圍控的技術(shù)，并設(shè)計一種適合于惡劣海況下工作且自動化程度較高的水上溢油清理裝置，構(gòu)建起一個包括前期分析預(yù)測-中間過程控制-后期清理的較為完整的溢油應(yīng)急處置系統(tǒng)。同時，從海事部門角度探討在信息整合、資源協(xié)調(diào)和現(xiàn)場處置等方面的對策，為溢油應(yīng)急處置提供一些有益的參考。

關(guān)鍵詞：群島海域；溢油；模擬；應(yīng)急處置系統(tǒng)

一、引言

隨著海上油氣開發(fā)步伐的加快和世界海運油品貨量的不斷攀升，海上溢油事故頻發(fā)，給海洋環(huán)境造成了不可估量的損失。據(jù)統(tǒng)計，全球每年生產(chǎn)的32億t石油中，約有1/1 000即320萬t進(jìn)入海洋環(huán)境。［1］以我國為例，在1973—2006年，共發(fā)生大小船舶溢油事故2 635起，其中溢油50 t以上的重大船舶溢油事故共69起，總溢油量37 077 t，平均每年發(fā)生2起。值得重視的是，近年來海上溢油的發(fā)生頻率和溢油量呈上升之勢。2009—2012年，我國每年發(fā)生溢油事件4～12起，年平均發(fā)生9.3起；2004年，“現(xiàn)代開拓”和“地中海伊倫娜”輪碰撞導(dǎo)致1 200多噸船舶燃料油溢出，在海上形成一條長9 n mile的溢油帶；2011年，渤海蓬萊19-3油田溢油事故造成5 500 km2海域受到污染，大致相當(dāng)于渤海面積的7%。

二、海上溢油模擬技術(shù)

1.概述

海上溢油的模擬是溢油應(yīng)急處置系統(tǒng)前期預(yù)測分析的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是整個溢油處置研究的難點。海上溢油行為主要涉及溢油發(fā)生時的初期擴展、風(fēng)化、在風(fēng)和海流作用下的漂移、在波浪作用下油膜的破碎和結(jié)塊、沉降和上浮等一系列過程。［2］海上溢油的模擬主要是預(yù)測油粒子在風(fēng)浪流等環(huán)境動力作用下的發(fā)展趨勢，本質(zhì)上是一個動力學(xué)問題，只要掌握了整個動力學(xué)原理就能對溢油的運動行為進(jìn)行較為準(zhǔn)確的預(yù)報。

近年來，許多國家相繼建立了針對本國海域的溢油預(yù)報系統(tǒng)，如美國的OILMAP系統(tǒng)、英國的OSIS系統(tǒng)、挪威的OILPILL/STAT系統(tǒng)、比利時的MU-SLICK系統(tǒng)、荷蘭SM4系統(tǒng)和日本溢油災(zāi)害對策系統(tǒng)等。我國也加快了對溢油模擬、預(yù)報的研究步伐，對不同海域的溢油預(yù)報模式［3-7］都有所探索。

2.溢油數(shù)值模擬過程

溢油的數(shù)值模擬一般采用商用軟件，如上述OILMAP、OSIS系統(tǒng)等，或者在商用軟件基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)。模擬的過程主要包括以下幾個步驟：

（1）選定溢油高風(fēng)險區(qū)域作為計算區(qū)域，收集該區(qū)域的水文、地理等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用軟件建立計算模型；

（2）選定具有典型意義的不同環(huán)境荷載組合，以及溢油的特征屬性，如密度、運動黏滯系數(shù)等；

（3） 設(shè)定溢油位置、溢油量等，計算溢油在不同工況下、不同時刻的運動軌跡。溢油數(shù)值模擬的一般流程，如圖1所示。

圖1 某計算軟件溢油模擬流程圖

三、群島海域溢油快速圍控技術(shù)

在前期預(yù)測分析的基礎(chǔ)上，接下來是溢油處置方案的制訂和現(xiàn)場控制，也就是溢油應(yīng)急處置系統(tǒng)的中間過程控制環(huán)節(jié)。

1.海上溢油處置存在的問題

目前，對于海上溢油事故的處置側(cè)重于事故發(fā)生后的現(xiàn)場控制，而對于溢油發(fā)展軌跡的預(yù)測分析、清污設(shè)備及力量的規(guī)劃布置、處置方案的針對性等前期工作未引起足夠重視，也未經(jīng)過系統(tǒng)而全面的研究，貿(mào)然出動清污力量進(jìn)行處置，不但可能無法取得預(yù)期的效果，還會延誤最有利的處置時機。

溢油在不同類型水域，如開闊水域、群島水域、海灣水域等均會表現(xiàn)出不同的運動規(guī)律，還會受當(dāng)時環(huán)境因素的影響，因而無法簡單套用一種處置方案加以解決，必須加大前期研究，才能提高決策的科學(xué)性。

2.快速圍控技術(shù)

如果沒有固定的支點作依托，處置發(fā)生在開闊水域的溢油事故將面臨許多困難，僅靠清污船難以對溢油進(jìn)行快速有效的圍控。與開闊水域不同，群島水域發(fā)生的溢油事故可以充分利用地形優(yōu)勢達(dá)到快速圍控的目的。對于海上溢油運動軌跡的準(zhǔn)確預(yù)測是快速圍控的前提，再通過合理的分析，在關(guān)鍵的島、礁上布置一定數(shù)量的控制站點，一旦發(fā)生溢油事故就能有條不紊地進(jìn)行處置。

下面以舟山群島海域為例介紹溢油模擬及快速圍控技術(shù)，計算區(qū)域如圖2、圖3所示。該海域附近分布有近7年油品吞吐量年均超過2 000萬t的岙山大宗油品轉(zhuǎn)運基地（年靠泊大型油輪超百艘）、臺風(fēng)期間錨泊各類船舶達(dá)數(shù)百艘的沈家門馬峙錨地以及進(jìn)出舟山海域的主航道，因而發(fā)生大規(guī)模海上溢油的風(fēng)險較大。

一般流程如下：首先，確定計算區(qū)域，利用數(shù)值模擬軟件建立模型、劃分網(wǎng)格、輸入各計算要素（包括環(huán)境條件、溢油位置、溢油性質(zhì)等）和邊界條件；然后，進(jìn)行數(shù)值模擬計算得到不同時刻的溢油運動軌跡；最后，根據(jù)模擬結(jié)果和實際條件制定快速圍控方案。

圖2表示在T時刻海域內(nèi)某位置發(fā)生溢油泄漏。圖3表示溢油發(fā)生n小時后溢油的擴散以及圍控方案。如圖3所示，通過連接若干個溢油控制基站和輔助站點，如連接岙山島和穿山島（即第一種布放方案），可以將原本連為一體的整個水域分隔開，在圍油欄的阻隔下，溢油無法進(jìn)一步向港內(nèi)擴散，從而達(dá)到控制溢油的目的。如果擴散的速度過快無法及時采取第一種方案，可以采取第二種布放方案，即連接定海—盤峙島—大貓島—穿山島，布放方案應(yīng)根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行比選。

基于數(shù)值模擬的高效性，可以選取足夠多的溢油點（特別是溢油事故易發(fā)區(qū)域），模擬在不同氣象海況條件下不同時刻溢油的運動軌跡，從而制定針對性的圍控方案，快速控制溢油擴散。溢油控制基站的主要功能是儲備圍油欄、清污器材等，同時為圍油欄提供固定的支點，一般應(yīng)設(shè)在具備維護(hù)條件的島嶼上；輔助站點可以僅具備提供固定支點的功能，一般設(shè)置在條件較差但是位置較為重要的島礁。溢油控制基站和輔助站點的設(shè)置應(yīng)綜合考慮數(shù)值模擬結(jié)果、地理條件、維護(hù)條件等因素，設(shè)置的原則是最大限度地提高溢油圍控的便捷性。

這種利用島、礁地形進(jìn)行溢油圍控的方法不僅適用于區(qū)域內(nèi)的溢油處置，也適用于防止區(qū)域外部溢油的侵入，如圖4所示。圍油欄的布放方案要充分考慮溢油擴散速度、布放速度等關(guān)鍵因素，盡量按照最不利工況進(jìn)行分析，保證第一時間圍控成功。

圖4所示布放方式只是一種示意，實際圍油欄的布放應(yīng)根據(jù)分析分別研究，通過合理的布放將溢油阻擋在區(qū)域外，降低處置的難度。

圖2 某一時刻T溢油發(fā)生示意圖

圖3（T+n）時刻溢油發(fā)展及圍控示意圖

四、水上溢油清理技術(shù)

溢油的清理是溢油應(yīng)急處置系統(tǒng)的最后環(huán)節(jié)，也是難度最大的環(huán)節(jié)。目前，機械收油法仍是海上溢油處理最為常用的方法，一般過程如下：首先，用圍油欄圍住溢油，使水面溢油匯聚成較厚的油層；然后，使用撇油器或人工網(wǎng)撈法進(jìn)行溢油的回收；最后，將收集的污油運回岸上。圍油欄布放方式一般分為雙船布放法和單船布放法，如圖5a、5b所示。

圖4 外部溢油圍控示意圖

圖5a 雙船布放法

圖5b 單船布放法

圖6a 撇油器回收法

圖6b 人工網(wǎng)撈法

1.現(xiàn)有處理方法存在的不足

溢油的回收是海上溢油處置最為關(guān)鍵的步驟，回收速度直接關(guān)系到整個處置的效率。無論是利用撇油器進(jìn)行溢油回收還是人工網(wǎng)撈回收都存在著許多不足之處，導(dǎo)致海上溢油的清理效率不高。撇油器回收法和人工網(wǎng)撈法如圖6a、6b所示。

（1）撇油器回收法的缺點。

大多數(shù)的撇油器一般不具備自航能力，需要借助船舶作為載體和支撐，還需要吊機進(jìn)行吊裝，而船舶受氣象海況條件影響較大，在惡劣天氣條件下撇油器無法正常作業(yè)。

（2）人工網(wǎng)撈法的缺點。

人工網(wǎng)撈法一般也需要借助船舶，或只能在岸邊進(jìn)行溢油清理作業(yè)，清理效率低下，同時受天氣條件的影響也很大。另外，清理人員長時間暴露于溢油環(huán)境中會使人體產(chǎn)生很大的傷害，例如在2010年發(fā)生的墨西哥灣漏油事故處置過程中，多名參與清理石油的工作人員出現(xiàn)頭暈、惡心、頭疼、胸痛等癥狀。

2.一種半潛式水上溢油清理裝置

為了克服現(xiàn)有溢油清理技術(shù)存在的不足，筆者融合了油水分離技術(shù)、波浪能發(fā)電技術(shù)以及半潛式海洋平臺應(yīng)用技術(shù)，設(shè)計了一種自動化程度較高的半潛式水上溢油清理裝置（專利號CN201420283722）。它主要由船體、油水分離系統(tǒng)、波浪發(fā)電系統(tǒng)以及動力系統(tǒng)等幾個模塊組成，其設(shè)計圖及構(gòu)想圖如圖7a、7b所示。

圖7a 半潛式水上溢油清理裝置設(shè)計圖

圖7b 半潛式水上溢油清理裝置構(gòu)想圖

該裝置在海上溢油處置的應(yīng)用中具有以下優(yōu)勢：

根據(jù)《地球化學(xué)普查規(guī)范(1∶5萬)》(DZ/T 0011-2015)以及東天山類似景觀區(qū)近年來取得的地球化學(xué)勘查方法技術(shù)研究成果和勘查效果，在東疆地區(qū)中低山—丘陵—干旱荒漠戈壁區(qū)適宜開展土壤測量，采樣截取粒級-4～+20目，采用正規(guī)網(wǎng)布設(shè)采樣點，基本采樣網(wǎng)度為500m×250m，可以取得最佳地球化學(xué)勘查效果。

（1）具備自航能力，并具有自動定位、導(dǎo)航、檢測、處理等功能，工作效率較高。同時，清污人員可以在遠(yuǎn)離溢油現(xiàn)場的地方對清理裝置進(jìn)行控制，降低了對人員安全的威脅。

（2）波浪發(fā)電裝置產(chǎn)生的電能可以不斷地補充清理裝置工作所需的動力，提高了清理裝置的持續(xù)工作能力，有助于提高溢油清理速度。

（3）采用了半潛技術(shù)，裝置工作時半潛于水中，一方面便于控制吸水口位置來吸取含油污水；另一方面可以大大減少風(fēng)浪的影響，使之能夠在惡劣的海況下工作，提高了溢油清理效率。

五、海事部門海上溢油處置對策

海事部門肩負(fù)著保護(hù)海洋環(huán)境的重要職責(zé)，應(yīng)充分發(fā)揮自身優(yōu)勢，加大對海上溢油預(yù)報、控制等技術(shù)的研究，提高溢油處理的協(xié)調(diào)和組織能力，更加科學(xué)地進(jìn)行海上溢油處置。

（1）聯(lián)合大專院校、科研院所等力量加大對海上溢油預(yù)報技術(shù)的研究，建立適合自身轄區(qū)特點的溢油預(yù)報模型，合理規(guī)劃和設(shè)置一定數(shù)量的溢油控制站點和輔助站點，特別是針對溢油事故易發(fā)區(qū)域制定專門的圍控方案，提高處置效率；建立包含海洋動力學(xué)、氣象、石化等專業(yè)的專家?guī)?，為海上溢油的處置提供充足的智力支持?/p>

（2）發(fā)揮溢油處置的樞紐作用，加強與海洋、氣象等部門的合作，集成水文、氣象、海況等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，建立溢油處置信息數(shù)據(jù)庫；依靠當(dāng)?shù)卣岣邔爡^(qū)內(nèi)各類資源（如當(dāng)?shù)厍逦哿α?、清污器材等）的組織和協(xié)調(diào)能力，最大限度地發(fā)揮其作用。

（3）提高跨轄區(qū)區(qū)域協(xié)同處置能力。大規(guī)模的海上溢油往往會涉及周邊水域的多個主管部門，例如，舟山和寧波共用一片水域，發(fā)生在任何一方轄區(qū)的溢油都會不可避免地影響到另一方。因此，對于舟山、寧波水域的溢油處置研究應(yīng)充分考慮兩地協(xié)同處置能力建設(shè)，在溢油應(yīng)急設(shè)備庫及其他溢油處置資源的布局時進(jìn)行總體規(guī)劃。

（4）提高溢油應(yīng)急演習(xí)的力度和實戰(zhàn)性，模擬各種可能遇到的最不利條件下的處置方案，加強跨區(qū)域協(xié)同的聯(lián)合演習(xí)，不斷提升現(xiàn)場協(xié)調(diào)處置能力，通過演習(xí)及時發(fā)現(xiàn)存在的難題并加以解決，提高應(yīng)急預(yù)案的實用性。

六、總結(jié)

海上溢油事故由于其環(huán)境破壞力強、處置難度大和社會關(guān)注度高的特點，一直是困擾各界的難題。海上溢油事故的處置是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及重要數(shù)據(jù)的收集（包括水文、氣象、海況等）、溢油擴散的預(yù)測、處置方案的制訂、清污力量的調(diào)用、現(xiàn)場清污的組織協(xié)調(diào)等方方面面，另外還有先進(jìn)溢油清理裝置的研制等。

本文針對目前海上溢油事故處置過程中存在的一些問題進(jìn)行了分析，提出了一套涵蓋海上溢油前期分析預(yù)測—中間過程控制—后期清理的較為完整的溢油應(yīng)急處置系統(tǒng)，并提出了一些針對性的對策，如加強海上溢油預(yù)報技術(shù)、處理技術(shù)、清理裝置的研究和研制，提高資源的整合能力等，對于提高海上溢油的處置能力有一定的參考意義。

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