，，，，

(中海石油環(huán)保服務(wù)(天津)有限公司，天津 300457)

隨著海洋石油勘探開(kāi)發(fā)的不斷發(fā)展，海上石油運(yùn)輸與日俱增，全球已發(fā)生多起較大規(guī)模的石油泄漏事件[1-4]。面對(duì)日益嚴(yán)峻的溢油污染形勢(shì)，相關(guān)政府部門、行業(yè)組織及環(huán)保企業(yè)也在積極應(yīng)對(duì)。從溢油的圍控到溢油的回收[5]，從溢油的監(jiān)測(cè)到溢油的漂移預(yù)測(cè)[6]，海上溢油的應(yīng)急管理逐步前移，由原來(lái)的被動(dòng)的事故處置應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)變?yōu)橹卦陬A(yù)防和早期預(yù)警。一旦發(fā)現(xiàn)溢油事故，可以通過(guò)海上溢油預(yù)測(cè)系統(tǒng)來(lái)預(yù)測(cè)溢油漂移的方向和擴(kuò)散的范圍，從而更加有效地對(duì)溢油事故進(jìn)行處置。

關(guān)于溢油應(yīng)急預(yù)測(cè)系統(tǒng)，在國(guó)外，主要有美國(guó)開(kāi)發(fā)的OILMAP[7]、英國(guó)研制的OSIS遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、挪威研發(fā)的OSCAR系統(tǒng)等[8]；在國(guó)內(nèi)，浙江海洋大學(xué)的陳建鵬等開(kāi)發(fā)的寧波-舟山港油碼頭溢油預(yù)測(cè)信息系統(tǒng)及基于色譜技術(shù)的油碼頭海域溢油預(yù)警系統(tǒng)研究[9-10]、國(guó)家海洋信息中心牟林等開(kāi)發(fā)的渤海海域溢油應(yīng)急預(yù)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)[11]、中國(guó)海洋大學(xué)的焦俊超等開(kāi)發(fā)的基于GIS的渤海灣溢油預(yù)測(cè)系統(tǒng)研究[12]、大連海事大學(xué)研發(fā)的大連海域溢油應(yīng)急預(yù)報(bào)信息系統(tǒng)[13]等。中海石油環(huán)保服務(wù)(天津)有限公司研制的海上溢油預(yù)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了覆蓋整個(gè)中國(guó)近海海域范圍的溢油預(yù)報(bào)與預(yù)警[14]。

1 海上溢油預(yù)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)

系統(tǒng)基于水動(dòng)力模型、溢油模型,以及環(huán)境敏感資源區(qū)圖和地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)油膜的漂移軌跡、環(huán)境歸宿和敏感區(qū)污染的快速預(yù)報(bào)與預(yù)警。

1.1 水動(dòng)力模型

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。由于系統(tǒng)預(yù)報(bào)范圍涵蓋整個(gè)中國(guó)近海海域，同時(shí)又需要重點(diǎn)關(guān)注渤海、東海及南海等海域，因此通過(guò)大區(qū)域模式(水平網(wǎng)格分辨率5′)和小區(qū)域模式(水平網(wǎng)格分辨率1′)相結(jié)合的方法，大區(qū)域模式開(kāi)邊界條件取自全球潮模式結(jié)果，小區(qū)域的開(kāi)邊界條件則取自大區(qū)域模式的模擬結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了全海域預(yù)測(cè)和確保重點(diǎn)關(guān)注海域計(jì)算分辨率的完美結(jié)合。

1.2 溢油模型

基于“粒子跟蹤法”設(shè)計(jì)溢油三維模型。該模型曾應(yīng)用于中國(guó)海洋石油南海西部公司海上溢油監(jiān)測(cè)決策系統(tǒng)、平湖油氣田海上溢油預(yù)報(bào)系統(tǒng)、南海東北部海上溢油預(yù)報(bào)系統(tǒng)、渤海海域溢油漂移軌跡實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)系統(tǒng)和北部灣及文昌海域溢油漂移專家預(yù)測(cè)系統(tǒng)的研制，同時(shí)還在許多海上油氣田環(huán)境評(píng)估中應(yīng)用過(guò)。

在溢油模型中，除了考慮風(fēng)和流的漂移作用外，還考察了蒸發(fā)、風(fēng)化、乳化以及波浪等的影響，此外，還加入了島嶼和海岸對(duì)油膜的絞扭作用。

系統(tǒng)自帶包括中國(guó)近海的岸線、水深、溫度、鹽度、流場(chǎng)和氣象場(chǎng)資料等數(shù)據(jù)庫(kù)(見(jiàn)圖1、2)，能夠提供中國(guó)近海海洋環(huán)境的主要信息，對(duì)溢油的漂移預(yù)測(cè)提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

圖2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中1月和7月的海表流場(chǎng)

由于海上溢油預(yù)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)擁有豐富的海洋環(huán)境氣象信息，通過(guò)對(duì)溢油模型的修正，使得該系統(tǒng)的溢油漂移預(yù)測(cè)范圍覆蓋整個(gè)中國(guó)近海海域，水平網(wǎng)格分辨率5′，渤海、東海及南海等重點(diǎn)區(qū)域水平網(wǎng)格分辨率1′，48 h預(yù)報(bào)時(shí)間小于5 min，結(jié)果誤差在5 km以內(nèi)。

2 海上浮標(biāo)漂移驗(yàn)證試驗(yàn)

溢油跟蹤浮標(biāo)能實(shí)現(xiàn)溢油的跟蹤定位，具有全天候使用和全程監(jiān)測(cè)能力，是一種海上溢油實(shí)時(shí)追蹤監(jiān)測(cè)的穩(wěn)定、可靠、成本低廉的技術(shù)方法[15]。

因此，為了驗(yàn)證預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，開(kāi)發(fā)海上浮標(biāo)漂移驗(yàn)證系統(tǒng)，主要由浮標(biāo)、北斗衛(wèi)星接收基站以及操作軟件組成。浮標(biāo)是根據(jù)溢油的類型，按其密度、風(fēng)因素定制的，內(nèi)置有定位芯片，可以對(duì)浮標(biāo)進(jìn)行定位。北斗衛(wèi)星基站通過(guò)浮標(biāo)內(nèi)部芯片獲取浮標(biāo)的經(jīng)緯度以及流速信息，最后在操作軟件中顯示出浮標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡以及對(duì)應(yīng)的位置信息，見(jiàn)圖3。

圖3 浮標(biāo)位置顯示信息

1)試驗(yàn)相關(guān)信息見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)信息記錄

2)試驗(yàn)區(qū)氣象信息測(cè)量見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)區(qū)氣象條件

3)試驗(yàn)過(guò)程。打開(kāi)浮標(biāo)操作軟件，待系統(tǒng)讀取的浮標(biāo)位置信息與實(shí)際位置相符時(shí)，此時(shí)證明系統(tǒng)已與浮標(biāo)建立了連接。沿下風(fēng)處投下浮標(biāo)(見(jiàn)圖4)，操作軟件每10 min刷新一次浮標(biāo)位置信息，記錄并保存數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)束后，使用回收桿回收溢油跟蹤浮標(biāo),見(jiàn)圖5。

圖4 投放浮標(biāo)

圖5 打撈浮標(biāo)

此外，試驗(yàn)過(guò)程中注意利用環(huán)保船對(duì)浮標(biāo)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視，同時(shí)定期測(cè)量試驗(yàn)區(qū)的溫度、風(fēng)速、風(fēng)向以及海流等信息，以便為海上溢油預(yù)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)提供試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的氣象數(shù)據(jù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)束后，技術(shù)人員將本次試驗(yàn)的浮標(biāo)位置信息及漂移數(shù)據(jù)導(dǎo)出，以2 h為一時(shí)間段進(jìn)行研究，如表3所示。

表3 浮標(biāo)位置及漂移速度

3.2 對(duì)比驗(yàn)證

試驗(yàn)人員從浮標(biāo)操作軟件中導(dǎo)出了溢油跟蹤定位浮標(biāo)的實(shí)測(cè)漂移軌跡，如圖6中軌跡1所示。根據(jù)海上監(jiān)測(cè)的風(fēng)海流等信息，基于海上溢油預(yù)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，計(jì)算得到了預(yù)測(cè)漂移軌跡，如圖6中軌跡2所示。通過(guò)對(duì)比浮標(biāo)的漂移軌跡和系統(tǒng)的預(yù)測(cè)軌跡，對(duì)浮標(biāo)實(shí)驗(yàn)的漂移路線、漂移趨勢(shì)等方面進(jìn)行研究。

圖6 浮標(biāo)漂移路徑與預(yù)測(cè)路徑對(duì)比

由圖6可知，試驗(yàn)過(guò)程中浮標(biāo)的漂移方向發(fā)生了3次大的改變，呈類M形曲線。在第一次轉(zhuǎn)變之前，實(shí)測(cè)漂移路線和預(yù)測(cè)系統(tǒng)模擬的路線吻合度很高；之后，二者軌跡出現(xiàn)偏差，但從整體趨勢(shì)上來(lái)看，實(shí)測(cè)的漂移軌跡與系統(tǒng)預(yù)測(cè)的軌跡保持一致，且累計(jì)漂移距離、平均漂移速度也差別不大，最大偏差為2.5 km，試驗(yàn)數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)有較高的匹配度，見(jiàn)表4。

表4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

3.3 誤差分析

試驗(yàn)12 h后(21日2時(shí)左右)實(shí)測(cè)的浮標(biāo)軌跡和預(yù)測(cè)模擬的軌跡出現(xiàn)偏差，這是由于試驗(yàn)開(kāi)始12 h后，試驗(yàn)海域風(fēng)速減小到2 km/s，風(fēng)力較弱的緣故。由于浮標(biāo)與溢油相比，密度較重，風(fēng)速太小時(shí)浮標(biāo)漂移速度必然小于油膜漂移速度，所以導(dǎo)致浮標(biāo)漂移路徑和預(yù)測(cè)路徑出現(xiàn)偏差。由于誤差具有累積效應(yīng)，所以必然導(dǎo)致漂移路徑和預(yù)測(cè)路徑之間的誤差增大。

4 結(jié)論

海上溢油預(yù)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)基于水動(dòng)力模型、漂移擴(kuò)散模型以及修正的溢油風(fēng)化模型，同時(shí)自帶有中國(guó)近海的岸線、水深、溫度、鹽度、流場(chǎng)和氣象場(chǎng)資料等完備的數(shù)據(jù)庫(kù)，使得海上溢油預(yù)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的溢油漂移預(yù)測(cè)范圍覆蓋整個(gè)中國(guó)近海海域，48 h預(yù)報(bào)時(shí)間小于5 min，結(jié)果誤差小于5 km。

浮標(biāo)漂移試驗(yàn)結(jié)果表明,雖然浮標(biāo)的漂移軌跡和系統(tǒng)的預(yù)測(cè)軌跡兩者有一些偏差，但是從試驗(yàn)漂移軌跡趨勢(shì)、漂移距離、漂移速度整體來(lái)看，兩者具有高度的一致性，從而驗(yàn)證了系統(tǒng)在溢油漂移預(yù)測(cè)方面的科學(xué)性。

下一步還需要對(duì)試驗(yàn)方案繼續(xù)進(jìn)行改進(jìn)，例如加大對(duì)風(fēng)速以及海流信息的測(cè)量頻率，延長(zhǎng)試驗(yàn)時(shí)間到48 h以上等。

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