楊永俊 趙 騫 張建麗 席彥彬

(國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心,遼寧 大連 116023)

海上突發(fā)環(huán)境事件是指由于溢油、危險(xiǎn)化學(xué)品和放射性泄漏等事故導(dǎo)致有毒有害物質(zhì)進(jìn)入海洋環(huán)境,造成環(huán)境質(zhì)量下降,危及公眾身體健康和財(cái)產(chǎn)安全,需要采取緊急措施予以應(yīng)對(duì)的事件[1]。隨著海洋經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,各種海上突發(fā)環(huán)境事件對(duì)海洋環(huán)境、海洋生物資源、沿海人民生產(chǎn)活動(dòng)的影響也與日俱增,海洋石油工業(yè)、海上運(yùn)輸業(yè)和沿海石油化工業(yè)的快速發(fā)展導(dǎo)致海上溢油事故屢見不鮮。由于海洋環(huán)境的特殊性和復(fù)雜性,海上突發(fā)環(huán)境事件一旦發(fā)生,其發(fā)展演變非常迅速,若能在事件發(fā)生后第一時(shí)間預(yù)測污染物遷移路徑、擴(kuò)散范圍、轉(zhuǎn)化規(guī)律,研判事件對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境的潛在危害,及時(shí)做出風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警,就可以最大限度地減輕事件造成的經(jīng)濟(jì)損失、生態(tài)環(huán)境危害和人員傷亡,因此開展海上突發(fā)環(huán)境事件的預(yù)測預(yù)警工作十分必要。

與發(fā)達(dá)國家相比,中國海上突發(fā)環(huán)境事件預(yù)測預(yù)警工作起步較晚,近幾十年取得了較為長足的發(fā)展,在海洋水動(dòng)力環(huán)境動(dòng)態(tài)研判[2-3]、海上污染物遷移轉(zhuǎn)化模擬預(yù)測[4-5]、海洋環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[6-8]等關(guān)鍵技術(shù)方面的研究成果層出不窮,但仍存在很大的不足,主要表現(xiàn)在各種預(yù)測預(yù)警技術(shù)沒有進(jìn)行有效整合,難以形成合力,導(dǎo)致在海上突發(fā)環(huán)境事件預(yù)測預(yù)警過程中響應(yīng)時(shí)間長,效率低下,延誤應(yīng)急處置的最好時(shí)機(jī),無法滿足海上突發(fā)環(huán)境事件應(yīng)急響應(yīng)及時(shí)高效的迫切需求。因此,為提高中國應(yīng)對(duì)海上突發(fā)環(huán)境事件預(yù)測預(yù)警能力,有必要將相關(guān)技術(shù)進(jìn)行有效的業(yè)務(wù)化整合,建立一套高時(shí)效、高精準(zhǔn)的海上突發(fā)環(huán)境事件預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)。為此,本研究基于中國海上突發(fā)環(huán)境事件預(yù)測預(yù)警工作基本業(yè)務(wù)流程,將海洋水動(dòng)力環(huán)境動(dòng)態(tài)模擬預(yù)測、污染物遷移轉(zhuǎn)化模擬預(yù)測和溯源、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、預(yù)測預(yù)警報(bào)告編報(bào)以及預(yù)測預(yù)警產(chǎn)品動(dòng)態(tài)化展示與個(gè)性化訂制等預(yù)測預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)性優(yōu)化整合,建立中國海上突發(fā)環(huán)境事件預(yù)測預(yù)警系統(tǒng),為海上突發(fā)環(huán)境事件的應(yīng)急處置提供高實(shí)效、高精準(zhǔn)的技術(shù)支撐。

1 海上突發(fā)環(huán)境事件預(yù)測預(yù)警業(yè)務(wù)流程

海上突發(fā)環(huán)境事件發(fā)生后,其預(yù)測預(yù)警工作大體要經(jīng)歷3個(gè)主要階段,即預(yù)測預(yù)警啟動(dòng)判別階段、預(yù)測階段和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警階段,3個(gè)階段的工作基本按順序開展,但又相互交互,直至預(yù)測預(yù)警工作結(jié)束。中國海上突發(fā)環(huán)境預(yù)測預(yù)警工作的基本業(yè)務(wù)流程見圖1。

圖1 中國海上突發(fā)環(huán)境事件預(yù)測預(yù)警基本業(yè)務(wù)流程Fig.1 Basic business process of prediction and early warning of marine environmental emergencies in China

在預(yù)測預(yù)警啟動(dòng)判別階段,通過相關(guān)人員或單位報(bào)告、遙感監(jiān)測、輿情等方式盡可能多地獲取事件信息,比如事件類型、發(fā)生原因、發(fā)生位置以及已泄露或可能泄漏的污染物類型、數(shù)量、組成、理化性質(zhì)、擴(kuò)散范圍等情況,決策者根據(jù)上述信息判斷是否組織力量啟動(dòng)預(yù)測預(yù)警工作。

在預(yù)測階段,首先需要通過資料搜集分析、現(xiàn)場監(jiān)測等手段獲取事故附近海域海底地形、潮位、水文、氣象等基礎(chǔ)資料,啟動(dòng)事故海域水動(dòng)力環(huán)境動(dòng)態(tài)預(yù)測模型,模擬預(yù)測事故海域未來一段時(shí)間的流場情況;然后,將風(fēng)場和流場等海洋水動(dòng)力預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)作為驅(qū)動(dòng)力啟動(dòng)污染物遷移轉(zhuǎn)化預(yù)測模型,根據(jù)啟動(dòng)判別階段獲取到的事件信息預(yù)測研判未來一段時(shí)間污染物漂移路徑、擴(kuò)散范圍、轉(zhuǎn)化過程等動(dòng)態(tài)情況,為污染物搜尋與監(jiān)測提供指引;隨后,決策者根據(jù)這些指引信息,通過海上應(yīng)急監(jiān)測、衛(wèi)星遙感、無人機(jī)偵察等方式組織力量開展海上污染物搜尋、處置等工作,并獲取最新的污染物位置、擴(kuò)散范圍等信息;最后,預(yù)測預(yù)警技術(shù)人員根據(jù)新獲取的事件信息,驗(yàn)證預(yù)測結(jié)果,判斷分析造成預(yù)測結(jié)果與實(shí)際情況有所偏差的原因,并校正水動(dòng)力環(huán)境和污染物遷移轉(zhuǎn)化預(yù)測模型參數(shù),進(jìn)行新一輪的水動(dòng)力環(huán)境和污染物遷移轉(zhuǎn)化模擬。

在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警階段,根據(jù)污染物遷移轉(zhuǎn)化預(yù)測結(jié)果,并結(jié)合污染物漂移路徑周邊海域的功能區(qū)類型、海洋生物種類和數(shù)量等環(huán)境敏感性指標(biāo),定性或定量地對(duì)事件的環(huán)境影響風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià),判斷事件可能導(dǎo)成的環(huán)境危害風(fēng)險(xiǎn),并形成預(yù)測預(yù)警報(bào)告報(bào)送決策者,為事件的應(yīng)急處置和環(huán)境損失評(píng)估提供決策依據(jù)。

2 關(guān)鍵技術(shù)

溢油、危險(xiǎn)化學(xué)品或放射性污染物進(jìn)入海洋后,除了海上風(fēng)、浪、流等自然因素影響輸運(yùn)和擴(kuò)散外,污染物本身還會(huì)在各種環(huán)境因素的作用下產(chǎn)生復(fù)雜的化學(xué)和生物過程,導(dǎo)致污染物的數(shù)量、組成、理化性質(zhì)、存在形態(tài)、擴(kuò)散范圍、漂移路徑等發(fā)生變化,給后續(xù)的應(yīng)急監(jiān)測和處置帶來困難。因此,要求預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)具備強(qiáng)大的高性能數(shù)值計(jì)算能力、科學(xué)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和預(yù)警能力、快速高效的預(yù)測預(yù)警報(bào)告自動(dòng)編報(bào)能力、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)和靈活多樣的信息展示能力以及強(qiáng)有力的系統(tǒng)集成能力。海上突發(fā)環(huán)境事件預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)的技術(shù)流程見圖2。

圖2 中國海上突發(fā)環(huán)境事件預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)技術(shù)流程Fig.2 Technical process of marine environmental emergencies prediction and early warning system in China

2.1 海洋水動(dòng)力環(huán)境動(dòng)態(tài)模擬預(yù)測技術(shù)

海表風(fēng)場、流場、波浪和湍流等海洋水動(dòng)力環(huán)境是影響污染物漂移擴(kuò)散的關(guān)鍵因素,在很大程度上決定著污染物的遷移路徑和擴(kuò)散范圍,而事故發(fā)生后臨時(shí)對(duì)事故海域進(jìn)行水動(dòng)力調(diào)查不切實(shí)際,需要利用成熟的數(shù)值模擬技術(shù)來模擬預(yù)測海洋水動(dòng)力環(huán)境變化過程,實(shí)現(xiàn)對(duì)事故海域水動(dòng)力狀況的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)研判。因此,為了能在海上突發(fā)環(huán)境事件發(fā)生后及時(shí)、快速、有效地預(yù)測污染物的遷移擴(kuò)散情況,預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)集成了水動(dòng)力環(huán)境動(dòng)態(tài)模擬技術(shù)。針對(duì)海上突發(fā)環(huán)境事件高發(fā)海域并結(jié)合《“十四五”海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃》(環(huán)海洋〔2022〕4號(hào))中美麗海灣建設(shè)要求,采用MIKE、FVCOM、ROMS等區(qū)域海洋模型系統(tǒng)構(gòu)建了69個(gè)大、中、小各種尺度的海區(qū)、海灣、河口,以及核電海域的三維水動(dòng)力環(huán)境動(dòng)態(tài)預(yù)測模型,組成了中國管轄海域精細(xì)化的水動(dòng)力環(huán)境動(dòng)態(tài)預(yù)測模型庫(見表1),這些模型在水平方向上采用結(jié)構(gòu)化正交網(wǎng)格(大尺度模型)或非結(jié)構(gòu)化三角網(wǎng)格(中、小尺度模型)擬合岸線,并在關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行局部加密,在垂向上采用σ坐標(biāo),能較好地適應(yīng)近岸海域復(fù)雜多變的海底地形。一旦海上突發(fā)環(huán)境事件發(fā)生,預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)會(huì)在收到事件發(fā)生位置信息后第一時(shí)間啟動(dòng)相應(yīng)海域水動(dòng)力環(huán)境動(dòng)態(tài)預(yù)測模型,并根據(jù)決策需要模擬預(yù)測未來一段時(shí)間事故海域的海流、海浪、水位等水動(dòng)力環(huán)境狀況,為污染物遷移轉(zhuǎn)化模擬預(yù)測提供水動(dòng)力驅(qū)動(dòng)場,極大縮短了響應(yīng)時(shí)間,提高了響應(yīng)效率。

表1 中國近岸海域水動(dòng)力環(huán)境動(dòng)態(tài)預(yù)測模型庫Table 1 Hydrodynamic prediction model library of China offshore area

2.2 污染物遷移轉(zhuǎn)化模擬預(yù)測和溯源技術(shù)

預(yù)測是預(yù)警的前提,只有對(duì)污染物的遷移、擴(kuò)散和轉(zhuǎn)化規(guī)律進(jìn)行科學(xué)預(yù)測才能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確有效的預(yù)警。因此,預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)在海洋水動(dòng)力環(huán)境動(dòng)態(tài)預(yù)測模型的基礎(chǔ)上集成了污染物遷移轉(zhuǎn)化模擬預(yù)測和溯源技術(shù),動(dòng)態(tài)模擬預(yù)測或回推污染物隨海水運(yùn)動(dòng)的遷移擴(kuò)散和轉(zhuǎn)化過程,實(shí)現(xiàn)污染物遷移路徑、擴(kuò)散范圍和形態(tài)轉(zhuǎn)化規(guī)律的動(dòng)態(tài)研判以及污染源頭查找。針對(duì)溢油、危險(xiǎn)化學(xué)品和放射性泄漏等海上突發(fā)環(huán)境事件,預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)集成了拉格朗日粒子追蹤[9]、染色示蹤[10]等污染物漂移擴(kuò)散模擬技術(shù),以及美國應(yīng)用科學(xué)咨詢公司開發(fā)的SIMAP溢油行為歸宿模型[11],將其與水動(dòng)力環(huán)境動(dòng)態(tài)預(yù)測模型相耦合,構(gòu)建了中國管轄海域精細(xì)化的污染物遷移轉(zhuǎn)化預(yù)測和溯源模型。水動(dòng)力環(huán)境動(dòng)態(tài)預(yù)測模型為污染物遷移轉(zhuǎn)化和溯源模型提供計(jì)算網(wǎng)格和水動(dòng)力環(huán)境場,污染物遷移轉(zhuǎn)化模型進(jìn)一步預(yù)測污染物的漂移路徑、擴(kuò)散范圍、轉(zhuǎn)化過程等行為特征,預(yù)測結(jié)果為污染物的搜尋提供指引,搜尋反饋結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化預(yù)測模型參數(shù),提高模擬預(yù)測精度;污染物溯源模型則可以根據(jù)當(dāng)前發(fā)現(xiàn)的污染物位置和范圍,并結(jié)合歷史風(fēng)場、流場和海浪等海洋水動(dòng)力環(huán)境參數(shù),實(shí)現(xiàn)污染物的回推追溯,為查找污染源頭提供依據(jù)。一旦發(fā)生海上突發(fā)環(huán)境事件,預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)在收到事件位置、范圍等信息以及事故海域水動(dòng)力環(huán)境參數(shù)后,迅速啟動(dòng)污染物遷移轉(zhuǎn)化預(yù)測和溯源模型,根據(jù)需要模擬預(yù)測污染物遷移路徑、擴(kuò)散范圍、轉(zhuǎn)化規(guī)律等未來變化趨勢,或回推追溯污染源頭,為事故應(yīng)急提供有效的決策信息,最大程度地降低環(huán)境破壞、經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。

2.3 環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)

海上突發(fā)環(huán)境事件發(fā)生后,應(yīng)急處置措施的制定是由事故的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)程度決定,科學(xué)準(zhǔn)確地評(píng)判事故環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)并及時(shí)進(jìn)行預(yù)警將有助于制定適度的應(yīng)急措施,避免造成不必要的人力、物力和財(cái)力浪費(fèi),因此預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)在海洋水動(dòng)力環(huán)境動(dòng)態(tài)預(yù)測模型以及污染物遷移轉(zhuǎn)化預(yù)測模型的基礎(chǔ)上集成了包含環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系、評(píng)價(jià)方法的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù),根據(jù)污染物遷移轉(zhuǎn)化模擬預(yù)測結(jié)果和周邊海域環(huán)境敏感性來評(píng)價(jià)事件的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)程度,自動(dòng)確定預(yù)警級(jí)別和預(yù)警措施。早期的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)主要根據(jù)污染物量、污染物特性、污染范圍等一些簡單、易獲取的指標(biāo)通過加權(quán)計(jì)算來評(píng)價(jià)事件的環(huán)境危害程度[12]。這種方法只是通過污染物自身的危害程度來評(píng)估事件對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境的危害,缺少事故發(fā)生海域的環(huán)境特征因素等。隨著海上污染物模擬預(yù)測技術(shù)的發(fā)展,結(jié)合污染物行為特征模型和事故海域環(huán)境特征來定量評(píng)估事件對(duì)周圍環(huán)境敏感區(qū)的危害性己經(jīng)成為發(fā)展趨勢[13-14]。本研究采用層次分析法[15],通過搜集資料、專家咨詢、統(tǒng)計(jì)分析等手段,考慮污染物量、擴(kuò)散面積、漂移速度和方向、離岸距離等污染行為特征和周邊海域功能區(qū)類型、岸灘和岸線類型、生物量、生物多樣性等海域環(huán)境敏感性特征,建立具有代表性、可評(píng)價(jià)性的海上突發(fā)環(huán)境事件環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)方法,對(duì)風(fēng)險(xiǎn)因子進(jìn)行疊合分析來評(píng)估事件環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)程度。

2.4 預(yù)測預(yù)警報(bào)告編報(bào)技術(shù)

預(yù)測預(yù)警報(bào)告是決策者處置海上突發(fā)環(huán)境事件過程中最需要的輔助決策文件,自動(dòng)快速生成海上突發(fā)環(huán)境預(yù)測預(yù)警報(bào)告對(duì)提高應(yīng)急效率至關(guān)重要。本研究構(gòu)建的預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)集成了預(yù)測預(yù)警報(bào)告編報(bào)技術(shù),可以自動(dòng)將污染物遷移轉(zhuǎn)化模擬預(yù)測技術(shù)和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)得到的污染物遷移路徑、擴(kuò)散范圍、到達(dá)環(huán)境敏感區(qū)的可能時(shí)間,以及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)危害程度、預(yù)警等級(jí)和措施等預(yù)測預(yù)警數(shù)據(jù)和相關(guān)圖集進(jìn)行整合,并按照標(biāo)準(zhǔn)行文格式進(jìn)行編報(bào),生成海上突發(fā)環(huán)境事件預(yù)測預(yù)警報(bào)告,為事件應(yīng)急處置提供決策支持。該項(xiàng)技術(shù)解決了傳統(tǒng)的由專家匯總信息、集體討論、人工編寫報(bào)告等因素導(dǎo)致的響應(yīng)時(shí)間長、主觀因素強(qiáng)等弊端,大大節(jié)省了時(shí)間,提高了應(yīng)急效率。

2.5 預(yù)測預(yù)警產(chǎn)品動(dòng)態(tài)化展示和個(gè)性化訂制技術(shù)

直觀、動(dòng)態(tài)、靈活、友好的預(yù)測預(yù)警產(chǎn)品展示將有助于決策者更加高效地掌握海上突發(fā)環(huán)境事件發(fā)展演變趨勢,進(jìn)而提高應(yīng)急決策的科學(xué)性和有效性。因此,預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)集成了預(yù)測預(yù)警產(chǎn)品動(dòng)態(tài)化展示和個(gè)性化訂制技術(shù),基于地理信息系統(tǒng)(GIS)平臺(tái),通過GIS技術(shù)為用戶提供對(duì)基礎(chǔ)地理信息、海洋水動(dòng)力環(huán)境要素、海洋功能區(qū)、海洋紅線區(qū)、污染物遷移轉(zhuǎn)化預(yù)測或溯源結(jié)果等各類數(shù)據(jù)的分層疊加可視化集成與展示,使用戶對(duì)事故發(fā)展動(dòng)態(tài)進(jìn)行更為直觀的把握。在水動(dòng)力環(huán)境要素方面,提供未來72 h海域水位和三維流場、水溫、鹽度等水動(dòng)力環(huán)境動(dòng)態(tài)可視化產(chǎn)品,包括不同時(shí)間的水位分布等值圖,不同時(shí)間和剖面水層的歐拉流場、拉格朗日粒子流場和溫鹽分布等值圖,任意點(diǎn)位的剖面海流和溫鹽時(shí)間變化趨勢線,以及任意截面的海流和溫鹽剖面分布圖;在污染物遷移轉(zhuǎn)化預(yù)測和溯源方面,可以根據(jù)需要提供未來(或過去)一段時(shí)間的污染物遷移轉(zhuǎn)化預(yù)測(或溯源)動(dòng)態(tài)可視化產(chǎn)品,包含污染物分布范圍、遷移路徑、外緣線和掃海面積等產(chǎn)品,并集成了遙感應(yīng)急監(jiān)測結(jié)果,用于對(duì)預(yù)測結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證;同時(shí),系統(tǒng)還可以根據(jù)不同用戶的需要,根據(jù)時(shí)段、空間范圍、產(chǎn)品格式和分辨率等選項(xiàng)組合訂制個(gè)性化產(chǎn)品,查詢對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù),生成相應(yīng)的圖集,以滿足不同的個(gè)性化需求。此外,系統(tǒng)還可以疊加海洋功能區(qū)劃、生態(tài)紅線區(qū)、風(fēng)場等信息用于綜合分析決策。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)的軟件開發(fā)嚴(yán)格遵循規(guī)范化、流程化、模塊化、實(shí)用性、易操作、易維護(hù)的基本原則,基于GIS平臺(tái)和Oracle數(shù)據(jù)庫,采用高性能并行計(jì)算、三維時(shí)空大數(shù)據(jù)處理、動(dòng)態(tài)圖形渲染、多任務(wù)同步執(zhí)行、跨平臺(tái)數(shù)據(jù)交互等信息技術(shù)將各類相關(guān)硬件設(shè)備和軟件功能模塊高度集成融合,為海上突發(fā)環(huán)境事件的應(yīng)急決策提供高效精準(zhǔn)的預(yù)測預(yù)警服務(wù)。海上突發(fā)環(huán)境事件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架見圖3。

圖3 海上突發(fā)環(huán)境事件預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架Fig.3 Structural framework of marine environmental emergency prediction and early warning system

系統(tǒng)硬件設(shè)備主要包括高性能計(jì)算集群系統(tǒng)、GIS服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和終端顯示等,其中高性能計(jì)算集群系統(tǒng)強(qiáng)有力地保障了海洋水動(dòng)力環(huán)境動(dòng)態(tài)研判和污染物遷移轉(zhuǎn)化模擬預(yù)測應(yīng)急業(yè)務(wù)工作的快速高效開展;GIS服務(wù)器用于運(yùn)行基于ArcGIS平臺(tái)的各類地圖服務(wù),可動(dòng)態(tài)生成三維水動(dòng)力場、污染物分布場等地圖產(chǎn)品,供應(yīng)急決策查看調(diào)用;數(shù)據(jù)庫服務(wù)器基于Oracle關(guān)系型數(shù)據(jù)管理技術(shù),將海洋水動(dòng)力環(huán)境參數(shù)、污染物遷移轉(zhuǎn)化預(yù)測數(shù)據(jù),以及海域海洋功能區(qū)劃、生態(tài)紅線區(qū)劃、環(huán)境敏感資源分布、污染物特性參數(shù)、相關(guān)法律規(guī)劃預(yù)案等各類數(shù)據(jù)源進(jìn)行科學(xué)化、規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化管理。系統(tǒng)軟件開發(fā)遵循模塊化原則,主要包括水動(dòng)力環(huán)境動(dòng)態(tài)研判、污染物遷移轉(zhuǎn)化模擬預(yù)測、污染物回推溯源、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、預(yù)測預(yù)警報(bào)告自動(dòng)編報(bào)、產(chǎn)品動(dòng)態(tài)化個(gè)性化展示6大功能模塊,各個(gè)模塊功能明確,按照業(yè)務(wù)流程進(jìn)行系統(tǒng)整合,模塊之間通過建立通訊接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,相互獨(dú)立但又相互依賴、相互配合實(shí)現(xiàn)預(yù)測預(yù)警工作的順利開展。系統(tǒng)生成的預(yù)測預(yù)警產(chǎn)品動(dòng)態(tài)發(fā)布在信息平臺(tái)上,內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)授權(quán)用戶登錄平臺(tái)即可查看相關(guān)產(chǎn)品,外部網(wǎng)絡(luò)授權(quán)用戶則需要通過VPN賬號(hào)加密登錄平臺(tái)進(jìn)行查看。

3.2 實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用

3.2.1 事故基本概況

2021年4月27日8:51,雜貨船“義海”輪與油船“交響樂”輪發(fā)生碰撞,事故導(dǎo)致約9 400 t船載貨油泄漏入海,造成海域污染,構(gòu)成特別重大船舶污染事故[16]。事故點(diǎn)位于青島朝連島農(nóng)漁業(yè)區(qū)海洋功能區(qū)內(nèi),水深約35 m,在青島市東南方向約65 km,距朝連島約19 km,距領(lǐng)海外部界限最近距離約4.5 km。事故周邊70 km范圍內(nèi)有6個(gè)海洋保護(hù)區(qū),需要啟動(dòng)突發(fā)事件的預(yù)測預(yù)警響應(yīng)。

3.2.2 預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)運(yùn)行

于2021年4月27日17:00開始海上突發(fā)事件預(yù)測預(yù)警工作,搜集事故海域海面風(fēng)場預(yù)報(bào)數(shù)據(jù),運(yùn)行海上突發(fā)環(huán)境事件預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)。首先,啟動(dòng)水動(dòng)力環(huán)境動(dòng)態(tài)研判模塊,運(yùn)行水動(dòng)力環(huán)境動(dòng)態(tài)預(yù)測模型庫中的黃海大尺度和膠州灣中尺度嵌套水動(dòng)力環(huán)境動(dòng)態(tài)預(yù)測模型,借助高性能計(jì)算集群,17:40左右得到事故海域附近未來7 d的流場、水位和溫鹽等水動(dòng)力環(huán)境參數(shù)預(yù)測結(jié)果。

隨后,啟動(dòng)污染物遷移轉(zhuǎn)化模擬預(yù)測模塊,運(yùn)行SIMAP溢油行為和歸宿模擬系統(tǒng),以4月27日9:00為起報(bào)時(shí)間,根據(jù)獲取到的事故信息設(shè)置油品特征、溢油量、溢油速率等參數(shù),將事故海域風(fēng)場和流場預(yù)測結(jié)果作為驅(qū)動(dòng)力,18:10左右計(jì)算得到未來2 d的油污漂移路徑、擴(kuò)散范圍和轉(zhuǎn)化情況等數(shù)據(jù)和圖集。模擬預(yù)測結(jié)果顯示,在風(fēng)和潮流的共同作用下,溢油入海后污染面積不斷擴(kuò)大,整體向東北向運(yùn)移,12 h后,最遠(yuǎn)擴(kuò)散至偏東北約15.2 km處,擴(kuò)散范圍約35.7 km2,掃海面積約65.1 km2;24 h后,最遠(yuǎn)擴(kuò)散至偏東北約16.0 km處,擴(kuò)散范圍約85.3 km2,掃海面積約206 km2;48 h后,最遠(yuǎn)擴(kuò)散至偏東北約29 km處,擴(kuò)散范圍約166.1 km2,掃海面積約453.7 km2。

然后,啟動(dòng)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模塊,綜合油污遷移轉(zhuǎn)化模擬結(jié)果和周邊海域環(huán)境敏感特征,18:30左右得到事故造成的環(huán)境危害程度和預(yù)警等級(jí);按照預(yù)定好的文本格式集成整合預(yù)測預(yù)警數(shù)據(jù)和主要圖集,18:50左右自動(dòng)編報(bào)生成《黃?！敖豁憳贰陛喴缬褪鹿蕬?yīng)急預(yù)測預(yù)警報(bào)告》;最后,19:10左右預(yù)測預(yù)警產(chǎn)品上傳至預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)平臺(tái)前端進(jìn)行動(dòng)態(tài)化展示。本次預(yù)測預(yù)警工作歷時(shí)約2 h。海上事故應(yīng)急監(jiān)測和處置隊(duì)伍根據(jù)系統(tǒng)提供的油污漂移路徑和擴(kuò)散范圍等指引信息在事故周邊海域開展油污搜尋和環(huán)境監(jiān)測,海上實(shí)測油污分布和預(yù)測結(jié)果有較高的吻合度,充分證明了預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確可靠性。

利用“交響樂”輪溢油事故對(duì)預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行了全面、長時(shí)間的業(yè)務(wù)化實(shí)戰(zhàn)檢驗(yàn),檢驗(yàn)結(jié)果證明,原有零散、不成體系的海上突發(fā)環(huán)境事件預(yù)測預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)按照業(yè)務(wù)流程進(jìn)行系統(tǒng)化、信息化整合后表現(xiàn)出強(qiáng)大的合力,各集成模塊之間銜接順暢,大大縮短了海上突發(fā)環(huán)境事件預(yù)測預(yù)警響應(yīng)時(shí)間,極大提高了應(yīng)急效率,為應(yīng)急處置決策的制定贏得了寶貴時(shí)間,有效保障了應(yīng)急工作的順利開展。

4 結(jié) 語

海上突發(fā)環(huán)境事件預(yù)測預(yù)警是應(yīng)急響應(yīng)的前提和基礎(chǔ),為污染物的搜尋、應(yīng)急監(jiān)測和處置提供指引,在很大程度上影響著應(yīng)急決策的科學(xué)性和有效性。中國海上突發(fā)環(huán)境事件預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)的研發(fā)在很大程度上解決了相關(guān)技術(shù)零散、不成體系的問題,實(shí)現(xiàn)了預(yù)測預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)高度的流程化、系統(tǒng)化整合,大大提高了預(yù)測預(yù)警效率,為應(yīng)急決策提供了科學(xué)有效的支撐作用。目前,系統(tǒng)的有效性和準(zhǔn)確性已在近年發(fā)生的多起海上突發(fā)環(huán)境事件中得到了應(yīng)用和證明,但仍然有待于進(jìn)一步完善,主要包括進(jìn)一步完善水動(dòng)力環(huán)境動(dòng)態(tài)預(yù)測模型庫,建立覆蓋中國管轄海域以及西太平洋等周邊重點(diǎn)海域的高分辨率、精細(xì)的水動(dòng)力環(huán)境動(dòng)態(tài)預(yù)測模型庫;彌補(bǔ)危險(xiǎn)化學(xué)品泄漏和放射性污染遷移轉(zhuǎn)化模擬預(yù)測技術(shù)短板,研發(fā)或引進(jìn)相關(guān)模型產(chǎn)品;進(jìn)一步論證和完善環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系、評(píng)價(jià)方法和預(yù)警等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn),更加科學(xué)定量地評(píng)估事件的環(huán)境危害程度。隨著系統(tǒng)的不斷優(yōu)化完善和大力推廣應(yīng)用,將進(jìn)一步提高中國海上突發(fā)環(huán)境事件預(yù)測預(yù)警能力,為海洋突發(fā)事件的應(yīng)急響應(yīng)保駕護(hù)航。