張 登，張 濤，馬云龍，金 穎

(1.自然資源部第二海洋研究所，浙江 杭州 310012；2.衛(wèi)星海洋環(huán)境動力學國家重點實驗室，浙江 杭州 310012)

0 引言

人類活動導致每年約1000萬噸的石油排入海洋，不僅破壞了濱海風景，還嚴重危害海洋生態(tài)環(huán)境。隨著石化行業(yè)的迅速發(fā)展，運油船舶和碼頭、儲運基地的原油運輸、裝卸更加頻繁，儲油罐、輸油管道、油碼頭、船舶及其相關作業(yè)活動越發(fā)繁忙，發(fā)生油類和油性混合物泄漏等溢油事故造成海洋生態(tài)環(huán)境污染的風險日益加大，溢油事故的發(fā)生給我國的經濟發(fā)展與環(huán)境保護帶來了嚴重的不利影響[1]。溢油對海洋的污染已經引起世界各國的重視[2]，海洋溢油災害監(jiān)測防治工作意義重大[3]。

溢油事故一旦發(fā)生，油污將隨著風浪流在水面擴散或沉降至海底，通?？梢圆扇蜋?、吸附和撇浮等物理方法，燃燒、消散劑、集油劑、凝油劑等化學方法和生物凈化方法控制或減輕污染，溢油污染范圍大、持續(xù)時間長，要完全清除難度大[4]。從國內外的大規(guī)模溢油事故來看，盡管采取了各種方法，但都不可避免地對海洋生態(tài)環(huán)境造成長期的嚴重污染，而溢油事故一旦對海洋生態(tài)環(huán)境造成污染，補救措施和效果都十分有限。研究表明，溢油快速應急反應尤其是海上溢油快速回收是制約溢油事故順利處置的關鍵因素，因此，快速準確地對海上溢油事故進行預警，是海上溢油事故處置中的關鍵環(huán)節(jié)[5]。

對于石油化工業(yè)的溢油風險，應當堅持預防為主的方針，一方面通過加強石化行業(yè)本身的安全生產，另一方面通過對海洋油污的先進監(jiān)測和預警手段，及時發(fā)現(xiàn)海面油污異常并循跡追查事故源頭，排除事故隱患，防范大規(guī)模溢油事件發(fā)生。世界各國對海上溢油的監(jiān)測手段主要有衛(wèi)星遙感、浮標跟蹤、航空遙感、固定點監(jiān)測等(表1)[6]，單一的監(jiān)測方法有著各自的特點[7]。其中衛(wèi)星遙感、航空遙感和漂流浮標跟蹤適用于溢油事故后的監(jiān)測，定點浮標適用于對重點海域進行預防性監(jiān)測。

1 工作流程

由于溢油發(fā)生后的補救措施有限，對海洋生態(tài)環(huán)境的污染將會長期持續(xù)，因此，應當堅持預防為主的方針。海洋溢油監(jiān)測預警系統(tǒng)是一種有效的預防溢油、保護海洋生態(tài)環(huán)境的手段，它由海上監(jiān)測和數(shù)模預警兩個子系統(tǒng)組成。海上監(jiān)測子系統(tǒng)獲取海洋油污、海流、風等海洋要素，并將數(shù)據(jù)實時傳輸給數(shù)模預警子系統(tǒng)；數(shù)模預警子系統(tǒng)根據(jù)海上監(jiān)測數(shù)據(jù)，判斷監(jiān)測海域海洋油污是否異常，如有異常，則向有關部門發(fā)出預警；有關部門接收到預警信息后，可以根據(jù)需要調整海上監(jiān)測子系統(tǒng)的檢測范圍和頻率，并根據(jù)油污、海流和風場的信息，綜合判斷異常油污來源，排查溢油隱患，防止事故發(fā)生，從而達到預防溢油，保護海洋環(huán)境的目的。溢油監(jiān)測預警系統(tǒng)工作流程如圖1所示。

表1 海上溢油監(jiān)測技術現(xiàn)狀對比

圖1 溢油監(jiān)測預警系統(tǒng)工作流程圖Fig.1 Work flow chart of oil spill monitoring and early warning system

1.1 海上監(jiān)測子系統(tǒng)

由表1可看出，衛(wèi)星遙感、航空遙感和漂流浮標主要用于溢油事故發(fā)生后的施救，只有定點浮標適用于溢油高風險海域的預警監(jiān)測。為彌補定點浮標監(jiān)測范圍小的缺點，需要利用具備一定范圍內機動觀測能力的設備作為補充。近年新發(fā)展的無人艇，可在用戶遠程控制下在目標海域進行巡航監(jiān)測工作，并實時傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)，正好彌補了定點浮標監(jiān)測的不足。

本系統(tǒng)擬在岙山島和外釣島附近各布設一個海上監(jiān)測站(岙山島和外釣島儲備大量石油)，每個站配備1套油污定點監(jiān)測浮標和2艘油污監(jiān)測無人艇。海上監(jiān)測子系統(tǒng)布設如圖2所示。

圖2 海上監(jiān)測子系統(tǒng)布設示意圖Fig.2 Sketch map of the layout of maritime monitoring subsystem

基于搭載多傳感器的定點浮標和無人艇構建的海上監(jiān)測系統(tǒng)，由定點浮標保證監(jiān)測時間上的連續(xù)性，由巡航無人艇保證觀測空間上的廣泛性，充分結合了浮標定點靜態(tài)觀測和無人艇巡航動態(tài)觀測的優(yōu)勢。浮標和無人艇均搭載接觸和非接觸式傳感器，可以把目標海域的水中油，海流、溫鹽、和海表面風速風向等海洋生態(tài)環(huán)境關鍵參數(shù)，通過4G網(wǎng)絡實時傳輸至岸基的數(shù)模預警子系統(tǒng)，從而大幅提高監(jiān)測準確率和實時性，降低誤報警率，實現(xiàn)對可能發(fā)生的原油泄漏進行全天候監(jiān)測。

1.2 數(shù)模預警子系統(tǒng)

本系統(tǒng)擬開發(fā)溢油數(shù)模預警軟件，實時接收海上監(jiān)測子系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，計算監(jiān)測海域的流場和風場情況，判斷監(jiān)測海域的油污是否異常。如果出現(xiàn)異常，數(shù)模預警子系統(tǒng)立刻向有關部門發(fā)出油污異常預警信息，同時向海上監(jiān)測子系統(tǒng)發(fā)送指令，要求其加大頻率加大范圍進行監(jiān)測，并根據(jù)加強監(jiān)測的數(shù)據(jù)，判斷油污來源，以便于相關部門排查事故隱患，消除大規(guī)模溢油風險，從而達到防范事故，保護海洋生態(tài)環(huán)境的目的。數(shù)模預警子系統(tǒng)還能進行溢油擴散軌跡預測，以便處置海上油污。

2 系統(tǒng)設備介紹

2.1 浮標

海洋浮標是一種現(xiàn)代化的海洋觀測設備[8-9]，它可以全天候穩(wěn)定可靠的收集水文氣象資料，并能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動采集，前期預處理和自動發(fā)送功能，可根據(jù)需求集成多參數(shù)的傳感器，并且可依靠自身的太陽能板發(fā)電保證搭載的傳感器長期穩(wěn)定的工作。浮標主要由數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)傳輸單元和測量傳感器單元構成。數(shù)據(jù)采集單元主要負責定時喚醒傳感器單元的各傳感器、下達數(shù)據(jù)采集指令并收集各傳感器單元所采集的數(shù)據(jù)，包括參數(shù)類型、采集頻率等關鍵信息和采集日期、地點等輔助信息；數(shù)據(jù)采集單元也負責整個浮標系統(tǒng)的能源管理，根據(jù)檢測需要喚醒或者休眠各傳感器和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。信息采集后，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)按照一定的編碼規(guī)則，將數(shù)據(jù)打包交給數(shù)據(jù)傳輸單元。數(shù)據(jù)傳輸單元通過4G網(wǎng)絡，將數(shù)據(jù)傳送給數(shù)模預警子系統(tǒng)。在必要時，數(shù)模預警子系統(tǒng)可以通過數(shù)據(jù)傳輸單元反向控制浮標。隨著信息技術、網(wǎng)絡技術的發(fā)展，移動通信網(wǎng)絡流量持續(xù)增加，我國已實現(xiàn)5G通信。5G網(wǎng)絡具有高速率、低時延、高可靠等特點，可以實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)、高清視頻的實時傳輸，以及遠程操作的實時控制[10]。以后可利用5G通信對本系統(tǒng)進行升級，譬如在浮標本體搭載攝像機、紅外熱成像系統(tǒng)等設備，為相關部門實時提供清晰圖像等詳實資料，從而對海洋環(huán)境、海洋資源、漂浮物等進行全天候觀察和監(jiān)視。

本系統(tǒng)選用的浮標可以監(jiān)測水中油、風速、風向、氣壓、氣溫、濕度、海流、水溫、鹽度等多種參數(shù)，并在遭到破壞或者位移時能夠自動報警，以保證浮標本身的安全。定點監(jiān)測浮標示意圖見圖3。

2.2 無人艇

本系統(tǒng)選擇的無人艇是一款遠程控制電動水面艇，體積小、重量輕，具備太陽能充電功能，設計搭載的熒光傳感器實現(xiàn)了對水面溢油的實時機動無人監(jiān)測。對于計算機、GPS、測深儀和其他儀器和傳感器實現(xiàn)定制化搭載，可以遠程設定路線自主航行，同時還可以根據(jù)溢油情況編入特殊的使命程序，可以對溢油進行實時跟蹤測量，實現(xiàn)自主智能化的全天候機動監(jiān)測。

圖3 定點監(jiān)測浮標示意圖Fig.3 Sketch map of the fixed point monitoring buoy

船體由堅固、輕量級的鋁和碳纖維建造。最大航速可達7.78節(jié)，具備在重點海域的強潮流區(qū)航行能力，水密電子艙十分寬敞，模塊化設計，方便各種儀器的裝配，整船質量控制在30kg內，運輸方便，采用4G網(wǎng)絡通訊，也可根據(jù)需要選擇其它通訊方式。無人艇如圖4所示。

圖4 巡航監(jiān)測無人艇Fig.4 Cruise monitoring unmanned boat

2.3 溢油監(jiān)測傳感器

光學傳感器和激光傳感器是沿海監(jiān)測溢油的首選[11]。光學傳感器主要利用油品和海水在吸收激發(fā)器發(fā)射的光后，探測器接收到的光譜值的不同來判別是否有溢油現(xiàn)象，例如可見光傳感器探測溢油就是利用油品在可見光譜范圍內與海水存在明顯的反射率來實現(xiàn)溢油監(jiān)測，但是與探測角度有重大關系，且相比海水油品在可見光譜段沒有明顯的特征光譜，海水中有很多浮游類物質等很多干擾因素影響其準確性，且受天氣影響很大。而激光熒光法就是利用石油中芳烴化合物在接收激發(fā)光是發(fā)出的熒光特性和強度，進行定量分析，準確率較高，我國港口碼頭設立的溢油監(jiān)測預警系統(tǒng)均采用此原理傳感器，可靠性強，維護方便。

本系統(tǒng)搭載在定點浮標和無人挺的溢油監(jiān)測傳感器選擇基于激光熒光法研制的傳感器，體積小、重量輕、靈敏度高、操作簡單、維護方便，適合長時間監(jiān)測，可集成浮標和無人艇等多個平臺。溢油監(jiān)測傳感器如圖5所示。

圖5 溢油監(jiān)測傳感器Fig.5 Oil spill monitoring sensor

圖6 多普勒聲學測流計Fig.6 Doppler acoustic flowmeter

2.4 多普勒聲學測流計

聲學多普勒測流計是一種利用多普勒原理、能夠在船舶走航或者浮標錨定等條件下測量不同深度層海流流速流向的設備(如圖6所示)。本系統(tǒng)將聲學多普勒測流計固定安裝在浮標本體水面下某一水深處使用。

海流剖面觀測，不同深度海流大小方向的變化，反映出不同方向來源的海水影響該點的時間和水層(圖7示意夏季到秋季沿岸流轉向的過程)。

圖7 多普勒聲學測流計海流實時監(jiān)測結果Fig.7 Monitoring results of doppler acoustic flowmeter current

2.5 風速風向儀

風速風向儀用于測量瞬時風速風向和平均風速風向(圖8)。風速風向儀安裝在浮標本體頂部，風速風向傳感器的風杯采用碳纖維材料，強度高、起動好。風速風向儀廣泛用于氣象、海洋、環(huán)境、機場、港口、工農業(yè)及交通等領域。

圖8 風速風向儀Fig.8 Wind speed and direction instrument

海面波浪和氣象觀測，可實時提供海上氣象條件，為海上執(zhí)法、漁業(yè)、防災減災等工作提供應急參考數(shù)據(jù)。海面氣象實時監(jiān)測結果如圖9所示。

圖9 海面氣象實時監(jiān)測結果Fig.9 Real-time monitoring results of sea surface meteorological

2.6 溫鹽深測量儀

溫鹽深測量儀用于海水溫度、鹽度、壓力、溶解氧等參數(shù)的長時間序列的測量(錨系及浮標系統(tǒng))，也可用于便攜式觀測，測量水體包括：近岸海域，河口灣，湖泊和水庫，河流和小溪等(圖10)。本系統(tǒng)將溫鹽深測量儀固定安裝在浮標本體水面下某一水深處使用。

海水溫度、鹽度的觀測，不同深度溫度、鹽度的差別隨著時間的變化反映出海水混合強度的變化(如圖11和圖12所示)。

圖10 溫鹽深測量儀Fig.10 Temperature and salt depth measuring instrument

2.7 數(shù)模預警子系統(tǒng)

數(shù)模預警子系統(tǒng)硬件系統(tǒng)包括服務器、計算機、網(wǎng)絡設備、數(shù)據(jù)通信平臺；軟件系統(tǒng)包括服務器系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫軟件、辦公軟件、驅動器、數(shù)值預警軟件等。其中的核心業(yè)務軟件主要是數(shù)值報警監(jiān)測管理系統(tǒng)，包括電子海圖動態(tài)顯示系統(tǒng)，可以疊加顯示監(jiān)測水域的溢油熒光值，以及顯示各傳感器實時觀測數(shù)據(jù)，還包括實時模擬流場和無人艇控制終端。

圖11 溫鹽深測量儀海水溫度實時監(jiān)測結果Fig.11 Real-time monitoring results of seawater temperature by temperature and salt depth measuring instrument

圖12 溫鹽深測量儀海水鹽度實時監(jiān)測結果Fig.12 Real-time monitoring results of seawater salinity by temperature and salt depth measuring instrument

該系統(tǒng)可根據(jù)設定的采樣頻率連續(xù)實時自動監(jiān)測海面溢油，自動采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)并進行閾值分析，將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)繪制在監(jiān)控界面的電子海圖內，不受天氣條件限制，方便查看。同時顯示水文和氣象觀測數(shù)據(jù)以及監(jiān)測區(qū)域的流場。監(jiān)測點位一旦出現(xiàn)報警，電子海圖系統(tǒng)可以直觀、準確的顯示發(fā)生溢油事故的空間地理信息，并顯示報警點位置，同時進行粒子跟蹤定位。

監(jiān)控系統(tǒng)可以控制浮標和無人艇搭載的傳感器采樣頻率，無人艇的巡航路線，同時實時接收現(xiàn)場觀測信息，并進行數(shù)據(jù)融合和實時處理。監(jiān)控系統(tǒng)具備系統(tǒng)管理、電子海圖、終端管理、溢油監(jiān)測等幾個主要模塊，通過各子模塊可以實現(xiàn)海面溢油自動監(jiān)測、電子地圖操作、采樣頻率設置、報警閾值設置等功能。數(shù)模預警子系統(tǒng)溢油預警圖如圖13所示。

圖13 數(shù)模預警子系統(tǒng)溢油預警圖Fig.13 Warning map of oil spill by digital model warning subsystem

3 結論與討論

無論國內外，石化行業(yè)的溢油事故無法完全避免，事故風險始終存在。我國將長期面臨臨港石化行業(yè)發(fā)展所帶來的溢油風險及海洋生態(tài)環(huán)境保護的巨大壓力。本文提出的基于浮標與無人艇的溢油監(jiān)測預警系統(tǒng)，可實時監(jiān)測來預警海洋油污異常，以便及時排查油污源頭，消除大規(guī)模溢油事故隱患，化解事故風險，保護石油化工業(yè)的健康發(fā)展，促進海洋生態(tài)環(huán)境保護與修復，進而保障臨港工業(yè)、濱港旅游業(yè)和捕撈業(yè)等海洋經濟的持續(xù)健康發(fā)展。由于本系統(tǒng)還處在方案設計階段，還未進行試驗性應用，其溢油監(jiān)測預警作用效果還有待考證。隨著5G通信技術的發(fā)展，利用5G通信高速率、低時延、高可靠等特點，以后可對系統(tǒng)進行升級，為相關部門實時提供清晰圖像等詳實資料，從而對海洋環(huán)境、海洋資源、漂浮物等進行全天候觀察和監(jiān)視。希望本系統(tǒng)能夠在溢油監(jiān)測應用領域發(fā)揮重要的作用。