胡嵐清，彭 云，郭嫣嫣

（1.大連理工大學(xué)海岸與近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連，116023；2.大連理工大學(xué)土木建筑設(shè)計研究院有限公司，遼寧 大連，116086）

引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和貿(mào)易全球化的加深，海上船舶運(yùn)輸頻次逐年增加。研究表明船舶碰撞是海洋溢油的主要原因［1］，而密集的航線增加了船舶相撞的概率，因此海上船舶溢油的風(fēng)險正逐步提高，其將造成生態(tài)環(huán)境巨大的損失。ITOPF（The International Tanker Owners Pollution Federation，國際油輪船東防污聯(lián)盟）的統(tǒng)計結(jié)果顯示，近8成溢油為小規(guī)模溢油事件［2］，小規(guī)模溢油事件發(fā)生頻率高，發(fā)生地點(diǎn)隨機(jī)，國家級的溢油應(yīng)急設(shè)備庫無法及時做出響應(yīng)，應(yīng)為其建設(shè)小規(guī)模應(yīng)急點(diǎn)進(jìn)行防備。小規(guī)模應(yīng)急點(diǎn)配置一定數(shù)量的收油機(jī)以完成溢油回收工作，應(yīng)用收油機(jī)與采用消油劑相比可降低回收過程中對環(huán)境的二次污染，而小規(guī)模溢油發(fā)生的頻率更高，應(yīng)設(shè)立專項(xiàng)應(yīng)急設(shè)備庫進(jìn)行防控。收油機(jī)數(shù)量配置問題涉及收油機(jī)折舊成本和溢油回收速度等因素，僅憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行配置易引發(fā)配置經(jīng)濟(jì)成本和海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)之間的矛盾，因此有必要研究針對小規(guī)模溢油事件的應(yīng)急點(diǎn)收油機(jī)數(shù)量配置問題。

溢油應(yīng)急處理中收油機(jī)數(shù)量配置的相關(guān)研究較少，且主要面向大型溢油事件和多種防控物資的配置問題。劉英偉［3］針對渤海灣油氣田發(fā)生的井控事故的風(fēng)險進(jìn)行分析，綜合區(qū)域?qū)傩约肮δ苄枨?，為該地?yīng)急救援船配置提出建議。楊光勝等［4］分析了溢油風(fēng)險和區(qū)域敏感性，并從業(yè)主單位的角度提出合理配置應(yīng)對重大溢油事故的應(yīng)急物資方案。喬冰等［5］基于我國區(qū)域溢油應(yīng)急設(shè)備庫規(guī)劃框架，采用區(qū)域概率預(yù)測的方法，提出了應(yīng)急設(shè)備庫布局及設(shè)備配置關(guān)鍵技術(shù)。張春昌［6］結(jié)合船舶交通流數(shù)據(jù)，構(gòu)建溢油應(yīng)急能力評估模型，提出港區(qū)應(yīng)急防備能力配置方法。我國根據(jù)相關(guān)研究成果，制定了《船舶溢油應(yīng)急能力評估導(dǎo)則》，對溢油設(shè)備配置能力進(jìn)行了規(guī)定。

國外有關(guān)收油機(jī)配置的相關(guān)研究主要集中在溢油應(yīng)急能力評估的機(jī)械回收能力評估。Yang等［7］人從風(fēng)險評估、溢油檢測、溢油建模、應(yīng)急決策及其優(yōu)化決策等角度出發(fā)綜述了目前溢油管理領(lǐng)域的常用決策支持方法。Ha［8］在層次分析法判定事故概率合事后敏感性的基礎(chǔ)上，提出一個高效通用的溢油回收能力評估模型。Etkin等［9］統(tǒng)計分析了30起溢油事件的機(jī)械回收情況，并認(rèn)為對于海岸附近的泄露事件采用機(jī)械回收有著更好的效率。美國海岸警備隊(duì)認(rèn)為收油機(jī)的日有效回收能力與溢油量相掛鉤，其提出的考慮日有效機(jī)械回收能力的溢油應(yīng)急評估方法被納入《美國聯(lián)邦法規(guī)》［10］。加拿大運(yùn)輸部制定溢油應(yīng)急技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，針對不同等級溢油事件提出應(yīng)急能力要求；挪威政府出臺的規(guī)則和指南考慮了收油機(jī)反應(yīng)時間、回收速率等參數(shù)，提出了應(yīng)急能力的各項(xiàng)功能性要求［11］。

綜上，現(xiàn)有針對海上溢油應(yīng)急物資配置的研究多針對較大型的事故規(guī)模，尚需進(jìn)一步考慮面向小規(guī)模溢油事件的應(yīng)急點(diǎn)物資配置問題。應(yīng)急點(diǎn)配置收油機(jī)數(shù)量越多，溢油清理工作完成越快，然而由于折舊所產(chǎn)生的成本消耗也越多。因此，本文兼顧生態(tài)環(huán)境損失與收油機(jī)折舊成本，構(gòu)建了針對小規(guī)模溢油事件的應(yīng)急點(diǎn)收油機(jī)數(shù)量配置模型，由決策者實(shí)現(xiàn)最優(yōu)配置選取，為小規(guī)模溢油應(yīng)急設(shè)備點(diǎn)的收油機(jī)配置提供理論依據(jù)。

1 考慮生態(tài)損失的小規(guī)模溢油應(yīng)急點(diǎn)收油機(jī)配置模型

1.1 問題描述

由ITOPF的統(tǒng)計結(jié)果可見，近80%的溢油事故的泄漏量很小，我國沿海若發(fā)生小規(guī)模溢油，國家級的應(yīng)急設(shè)備庫無法及時響應(yīng)。油膜會對海洋生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生破壞，因此沿岸需要針對小型溢油事故進(jìn)行專項(xiàng)防控，配置適當(dāng)數(shù)量的收油機(jī)及時對溢油進(jìn)行回收。我國目前沒有對小規(guī)模溢油的情景下溢油量的規(guī)定，由于我國的船舶溢油應(yīng)急防備能力計算方法與美國相似，是全球僅有的兩個根據(jù)事故情景確定溢油量，并給出溢油應(yīng)急防備資源計算模型的國家，故在溢油規(guī)模的界定上，采用美國聯(lián)邦法令對于油船平均最可能溢油量做出規(guī)定，取為50桶原油或油船載貨量1%之中的較小值［6］，其數(shù)量級與ITOPF統(tǒng)計中的小規(guī)模溢油相近，本文選取平均最可能溢油量作為小規(guī)模溢油的泄漏量。根據(jù)污染物泄漏源的形式可將泄漏分為點(diǎn)源泄漏、線源泄漏以及面源泄漏，根據(jù)泄漏過程持續(xù)的時間可將其分為一次泄漏和連續(xù)泄漏。由于本文研究對象范圍和體積和泄露持續(xù)時間都很小，因此可以認(rèn)為是點(diǎn)源一次泄漏。

在上文所定義的小規(guī)模溢油情景下設(shè)立小規(guī)模溢油應(yīng)急點(diǎn)，并為其通過配置一定數(shù)量的收油機(jī)以應(yīng)對溢油的發(fā)生。在小規(guī)模溢油事件情景下，消油劑等設(shè)備的使用會造成二次污染，故本文僅考慮為其配置收油機(jī)進(jìn)行機(jī)械回收。收油機(jī)配置問題受到生態(tài)保護(hù)力度和設(shè)備配置成本兩方面因素的牽制，從生態(tài)保護(hù)的角度考慮，收油機(jī)的配置數(shù)量越多，發(fā)生溢油時的油污清理過程越快，對油膜污染范圍的控制越好，引發(fā)的生態(tài)環(huán)境損失就越少；而從設(shè)備配置成本角度考慮，收油機(jī)的囤積致使其配置成本的時間價值消耗，收油機(jī)的配置數(shù)量越多，因配置收油機(jī)而導(dǎo)致的折舊成本越多。因此本文將針對決策者偏好綜合考慮環(huán)境影響和配置成本給出針對小型溢油事件的應(yīng)急點(diǎn)配置決策方案。

1.2 模型假設(shè)

（1）溶解、蒸發(fā)、乳化等因素一般在油膜破裂之后才會對擴(kuò)散產(chǎn)生影響，而機(jī)械回收應(yīng)在油膜破裂前完成，故假設(shè)不考慮溶解、蒸發(fā)、乳化及氧化等因素對于油膜擴(kuò)散的影響；

（2）本文主要分析溢油擴(kuò)散對海洋生態(tài)損失的影響，故假設(shè)不考慮溢油造成的鹽業(yè)及海產(chǎn)加工業(yè)等行業(yè)的損失；

（3）采用《建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境風(fēng)險評價技術(shù)導(dǎo)則》［12］推薦的Blokker公式計算油膜擴(kuò)散面積，故假設(shè)小規(guī)模溢油事件的泄漏形式為點(diǎn)源一次泄漏。

1.3 多目標(biāo)優(yōu)化模型構(gòu)建

本文以溢油回收階段生態(tài)損失最小、收油機(jī)折舊成本最少為目標(biāo)建立多目標(biāo)優(yōu)化模型，該模型不僅考慮海洋生態(tài)環(huán)境要素對于應(yīng)急設(shè)備配置的影響，同時從防控作業(yè)單位的角度考慮了防控成本的控制，根據(jù)決策者的主觀意愿從候選方案中選取最優(yōu)配置方案。

本文認(rèn)為油膜覆蓋處的魚類品質(zhì)受到污染，選取其經(jīng)濟(jì)價值為海洋生態(tài)損失。本模型僅采用收油機(jī)對溢油進(jìn)行處理，收油機(jī)的溢油回收能力是應(yīng)急點(diǎn)配置所有收油機(jī)每小時可以回收的溢油體積，本文以溢油回收能力描述應(yīng)急點(diǎn)收油機(jī)配置情況。不同收油機(jī)的性能和價格不同，為使模型具有更廣泛的適應(yīng)性，選用應(yīng)急點(diǎn)所配置收油機(jī)回收能力x（m3/h）作為研究問題的決策變量。本模型考慮收油機(jī)折舊成本為設(shè)計使用年限內(nèi)所配置收油機(jī)平均每年的采購?fù)顿Y，而溢油造成的生態(tài)損失為每年由應(yīng)急響應(yīng)抵達(dá)事故現(xiàn)場到完成溢油清理階段油膜擴(kuò)散面積覆蓋范圍內(nèi)平均漁業(yè)資源經(jīng)濟(jì)價值，因此模型目標(biāo)函數(shù)為：

收油機(jī)配置折舊成本最?。?/p>

溢油回收階段海洋生態(tài)損失最?。?/p>

式中c為單位機(jī)械回收能力配置成本，單位為元；y為收油機(jī)使用年限，單位為年；α為每平方千米海域經(jīng)濟(jì)魚類質(zhì)量，單位為kg/km2；p為經(jīng)濟(jì)魚類市場價格，單位為元/kg；n為每年平均發(fā)生最可能溢油量的次數(shù)；ΔD為從應(yīng)急響應(yīng)抵達(dá)事故現(xiàn)場到清理完溢油的擴(kuò)散增量，是兩個時刻油膜面積的差值，單位為m2，其表達(dá)式為：

對于溢油油膜的擴(kuò)散，采用《建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境風(fēng)險評價技術(shù)導(dǎo)則》［12］的規(guī)定選用Blokker公式進(jìn)行計算，其中Darrive為平均到達(dá)事故地點(diǎn)的溢油半徑，由海域地理形狀特征及應(yīng)急點(diǎn)選址情況決定；Dclean為溢油清理完成時刻總擴(kuò)散面積，其表達(dá)式為：

式中V為小規(guī)模溢油體積；K為Blokker系數(shù)，取15000/min；ρw為水的比重，取1.025 g/mm3；ρ為油的比重，取為0.9 g/mm3。

約束條件可以表示為：

配置的機(jī)械回收能力應(yīng)為正數(shù)，而粒子群算法求解需對決策變量設(shè)置搜索上限，由于面向?qū)ο鬄樾∫?guī)模溢油事件，一般應(yīng)急點(diǎn)不需要配置過多的收油機(jī)，因此決策變量上限取為10，使決策變量x在［1，10］之間進(jìn)行搜索。

1.4 模型求解

粒子群算法基于迭代優(yōu)化，其搜索速度快、效率高，算法簡單，適合于非線性模型的求解。在復(fù)雜非線性工程問題模型的求解中有著廣泛的應(yīng)用，閆群民等［13］基于改進(jìn)的多目標(biāo)粒子群算法，平衡網(wǎng)損及儲能等目標(biāo)，完成了有源配電網(wǎng)的儲能優(yōu)化配置。黃江平等［14］利用多目標(biāo)粒子群算法平衡列車運(yùn)動方程和能耗，優(yōu)化地鐵的運(yùn)行控制策略。姚凱［15］應(yīng)用多目標(biāo)粒子群算法，考慮需求與設(shè)備的利用率，分析半導(dǎo)體生產(chǎn)計劃資源配置問題。堵士俊等［16］應(yīng)用多目標(biāo)粒子群算法，綜合考慮備件的損壞率及消耗率，對電梯備件配置問題進(jìn)行了優(yōu)化。Bouchekara等［17］采用粒子群算法均衡地考慮了電力成本及電池?fù)p耗概率的目標(biāo)，優(yōu)化光伏/柴油/電池的混合微電網(wǎng)配置規(guī)模。

鑒于多目標(biāo)粒子群算法在求解非線性模型快速精確的優(yōu)點(diǎn)，選用該方法對模型進(jìn)行求解，并得到包含可能的Pareto最優(yōu)解集。通過粒子描述模型的參數(shù)，不斷更新粒子的速度和位置，計算其適應(yīng)度函數(shù)值，記錄每次迭代的種群最優(yōu)Gbest和歷史最優(yōu)Pbest，并收集到外部檔案集中，根據(jù)Pareto最優(yōu)條件選取非劣解，直至達(dá)到終止條件，此時檔案集中記錄的便為待選取的可能最優(yōu)解集。多目標(biāo)優(yōu)化模型得到的解集需要進(jìn)一步處理，基于TOPSSIS法，依據(jù)決策者偏好為解集賦予不同權(quán)重并選取該偏好情景下的最優(yōu)解。

2 算例分析

2.1 算例背景

本文選取我國北方某碼頭周圍海域小規(guī)模溢油應(yīng)急點(diǎn)作為研究對象，應(yīng)用上文建立的配置模型，對應(yīng)急點(diǎn)收油機(jī)數(shù)量配置方案進(jìn)行研究。該區(qū)域三面環(huán)海，其西南側(cè)是該市重要的自然保護(hù)區(qū)，若有石油泄漏則會造成嚴(yán)重的生態(tài)損失。考慮該區(qū)域附近海域的海洋功能區(qū)劃情況，在地理坐標(biāo)，處設(shè)立針對小規(guī)模溢油的應(yīng)急設(shè)備點(diǎn)，以覆蓋其附近小區(qū)域海域的溢油事件防控。

圖1 算例所在區(qū)域地形圖

2.2 模型參數(shù)

選用ZS-5型堰式收油機(jī)進(jìn)行配置，認(rèn)為配置收油機(jī)回收能力與收油機(jī)的價格正相關(guān)，配置收油機(jī)折舊損耗均勻分?jǐn)偟缴芷谥?，則其單位機(jī)械回收能力配置成本c取33000元，收油機(jī)使用年限y取為8年。該型號收油機(jī)每小時能回收5 m3油水混合物。本文綜合考慮各類油品的差異，將溢油的機(jī)械回收效率參數(shù)取為6%［6］，即其每小時可以回收0.3 m3溢油。根據(jù)該半島當(dāng)?shù)氐暮Ｓ蚩睖y資料，經(jīng)濟(jì)魚類質(zhì)量α取為3800 kg/km2；經(jīng)濟(jì)魚類市場價格取為140元/kg，在溢油事件發(fā)生頻率 的情景下進(jìn)行防控。由于本文借鑒了美聯(lián)邦法令所提出的平均最可能溢油量作為小規(guī)模溢油的泄漏量，參考該處港區(qū)設(shè)計船型中油船最大載貨量為9000噸，則小規(guī)模溢油的泄漏量取最大油船載貨量10%（900噸）或50桶（約8噸），即V取8噸進(jìn)行計算，溢油應(yīng)急船航行速度取為10節(jié)，結(jié)合海域地理?xiàng)l件應(yīng)急船平均到達(dá)事故地點(diǎn)時的溢油半徑Darrive取為1250 m。

2.3 結(jié)果分析

在多目標(biāo)模型求解過程中，應(yīng)急點(diǎn)每小時機(jī)械回收能力作為決策變量代入粒子群算法，以兩個目標(biāo)函數(shù)值為適應(yīng)度函數(shù)值，取粒子種群數(shù)為200，迭代次數(shù)設(shè)置為200，結(jié)合Pareto優(yōu)化理論篩選出非支配解構(gòu)成外部檔案集，檔案集中最終的解集即為本文應(yīng)急配置模型的Pareto前端。

以折舊經(jīng)濟(jì)成本和海洋生態(tài)損失兩個目標(biāo)函數(shù)值為適應(yīng)度函數(shù)值，繪制出溢油機(jī)械回收能力配置的Pareto前端如圖2所示，圖中每個粒子都代表一個可能被選取的較優(yōu)決策。圖2也反映了機(jī)械回收能力配置情況引起的生態(tài)環(huán)境損失量變化情況，機(jī)械回收能力配置x與折舊損失f1是正相關(guān)的，而且隨著設(shè)備配置增加帶來的環(huán)保成果邊際效益遞減。

圖2 溢油回收能力配置的Pareto前端（n=3）

在圖2中的Pareto前沿收錄了較優(yōu)的候選配置方案，然而實(shí)際的配置過程中只有明確一個最優(yōu)的方案才能對決策者的決策起到參考作用。配置決策方案的選取依賴于決策者對各影響因素重要性的判斷，決策者對每種影響因素賦予不同的權(quán)重，如果決策者認(rèn)為海洋生態(tài)損失的重要性為w（0＜w＜1），則收油機(jī)配置成本的重要性為（1-w），決策方案隨著海洋生態(tài)對于決策者的重要程度變化而變化的形式如圖3所示，決策時可通過查閱該圖確定設(shè)計方案。對于環(huán)境保護(hù)決策，取w=0.9；對于成本節(jié)約決策，取w=0.1；而對于均衡決策方案認(rèn)為生態(tài)損失和折舊成本同等重要，取w=0.5。通過查閱圖3可以計算得到均衡決策時的機(jī)械能力約為3，由此可見配置10臺ZS-5型堰式收油機(jī)為此時的最優(yōu)決策。

圖3 決策方案隨生態(tài)權(quán)重變化圖（n=3）

如圖3所示，隨著決策者對海洋生態(tài)的重視，收油機(jī)配置數(shù)量逐漸增加，均衡考慮決策與成本節(jié)約決策相比，收油機(jī)配置成本增加80%，而生態(tài)環(huán)境損失可降低65.9%；環(huán)境保護(hù)決策與均衡考慮決策相比，收油機(jī)配置成本增加44.4%，而生態(tài)環(huán)境損失可降低32.5%。圖3為決策者依據(jù)其偏好進(jìn)行決策提供了參考。同時，隨著決策者對生態(tài)重視程度的提升，應(yīng)急點(diǎn)配置的收油機(jī)數(shù)量也逐漸增加，且增加趨勢的斜率也不斷增大，為提高相同程度生態(tài)保護(hù)力度所付出的邊際成本也不斷增大。

3 結(jié) 語

本文面向沿岸小規(guī)模溢油事件污染防控，應(yīng)用Blokker公式計算油膜面積，綜合考慮海洋生態(tài)環(huán)境損失以及收油機(jī)折舊成本，應(yīng)用粒子群算法給出溢油回收能力非支配解集；然后應(yīng)用理想解法依據(jù)決策者偏好選取最優(yōu)配置決策；最后以某半島海域?yàn)槔瑧?yīng)用該模型對小規(guī)模溢油應(yīng)急設(shè)備點(diǎn)配置方案進(jìn)行決策。算例分析結(jié)果表明，在年均小規(guī)模溢油發(fā)生概率為每年3次的情景下，配置10臺ZS-5型堰式溢油收油機(jī)可均衡控制生態(tài)損失與折舊成本。該模型為小規(guī)模溢油防控機(jī)械配置提供了參考，其中環(huán)境損失與機(jī)械折舊的精細(xì)化估計仍需進(jìn)一步研究來完善。