冰期海上溢油监测及预测技术

牛志刚，刘连进，宋莎莎，杨静，李明

(1.中海油能源发展采油服务公司，天津，300452;2.中海石油环保服务有限公司，天津，300452)

冰期海上溢油监测及预测技术

牛志刚1，刘连进1，宋莎莎2，杨静1，李明1

(1.中海油能源发展采油服务公司，天津，300452;2.中海石油环保服务有限公司，天津，300452)

结合我国渤海冰期海上石油勘探开发海洋环境保护及减少潜在溢油污染的现实需求，分析目前国内外冰期溢油监测及预测技术的发展现状，探讨我国冰期溢油监测预测技术的研究方向及未来冰期溢油监测预测技术的应用。

渤海;冰期溢油;监测;预测

渤海海域是我国目前最大的海上油气生产基地，而每年冬季渤海和黄海北部约有3个月的冰期，届时该海域将出现不同程度的结冰现象。海冰会对海洋工程、石油开发和交通运输产生很大影响，冰情严重时甚至摧毁海上设施，造成潜在溢油风险。因此，有必要开展冰期海上溢油监测及预测研究，为冰期溢油应急提供有效的技术支持。

1 冰期溢油特点

海面溢油的行为受风、浪、流等动力环境因素及其他非动力环境因素和油品特性等多种因素的影响，发生扩散、漂移、蒸发、分散、乳化、溶解、光氧化，以及相互作用。冰期溢油与海水、大气及海冰相互作用，使得其行为和归宿更加复杂。因此，冰期溢油的监测和预测必须在海冰监测和预测技术的支持下开展，并依赖海冰监测和预测技术。

溢油监测与预测要考虑到行为与归宿。影响冰期溢油行为的各种因素见表1，其中，海冰对溢油行为起主导作用。

一般认为海冰密集度小于30%时，对溢油行为不会产生很大影响，超过30%则会明显影响溢油行为［1］。

表1 冰期溢油行为的影响因素

海冰和低温环境会减缓溢油风化过程，若溢油冻结在冰中，风化过程可能完全停止，直到海冰融化，溢油暴露到空气和海水中，风化过程才会继续。海冰对溢油风化过程的影响见表2。

表2 海冰对溢油风化过程的影响

2 冰期溢油监测及预测技术现状

国外对冰期溢油应急技术的研究较早。2006～2009年，挪威研究院和包括壳牌、雪佛龙、挪威国家石油公司、道达尔、康菲和意大利石油总公司在内的6家油气公司支持开展了JIP(joint indus-try program)项目，研究北极和其他有冰海区的溢油应急技术，主要研究内容包括:冰期溢油的行为与归宿、现场实验、遥感技术、现场燃烧、机械回收及分散剂使用，等。

2．1 冰期溢油监测

国外对冰内或冰下溢油监测的研究开展较早，至今已有近30年的历史。期间进行了一系列室内外实验研究，对各种探测技术如高频脉冲探地雷达、声波检测设备及乙烷气体感应器等的可行性进行了研究［2］。高频脉冲探地雷达和声波检测设备比较有发展前途，已开展了大量实验水槽及现场实验检验该方法冰下溢油检测的适用性。接收器必须对信号强度中的细微变化足够敏感，才能检测到油冰界面，需要设备天线与海冰间有较好的耦合。此外，冰水混合条件下的溢油监测相对容易实施，可借助雷达和激光荧光技术［3］。

卫星遥感图像可以提供大范围海域的冰情和可能的油膜信息，特别是合成孔径雷达(SAR)不受恶劣气候的影响，适用于冰期监测。其不足之处是受分辨率限制，无法检测到小面积油膜。将卫星遥感与浮标跟踪相结合，便可以获得溢油位置周围海域清晰的冰情图。早期研究表明用SAR亮度值检测冰上油或冰中油不可行［4］。原因在于油-冰与油-海水间的后向散射差异不大。油膜对于后向散射的影响相对于冰后向散射强度的变化来说较小，此外，油的后向散射可能会因冰中的电磁波耗散而衰减。可能的冰上油或冰中油监测方法是极化SAR数据、SAR复数据或二者结合。

我国针对有冰海区的溢油监测研究较少，近年来开始采用溢油雷达开展冰区监测研究。但因未获取到冰区溢油的雷达图像，只能从图像中提取海冰信息进行分析［5］。

2．2 冰期溢油预测

为对溢油事故采取相关应急措施提供信息，研究油品入海后的污染范围和运动方向很有必要。冰区溢油的扩散和漂移问题，比无冰海区更为复杂，因为溢油与大气、海水及海冰均有相互作用。国外在冰区溢油扩散、漂移方面开展了一系列研究［6-7］。上世纪80年代加拿大在其东部沿海海域开展了冰区溢油可控试验，将油品分别释放到海冰密集度不同的海域中，观测溢油的扩散、漂移及其与冰漂流之间的关系。冰期溢油漂移预测模型中以冰密集度30%作为分界线，在冰密集度高于30%的冰区中，溢油和冰块一起漂移;在冰密集度低于30%的冰区中，溢油漂移与开阔无冰海域类似。

国内针对冰区溢油行为的研究较少，主要对冰区溢油扩散和漂移模拟做了初步的数值定性研究。国家海洋环境监测中心初步建立了渤海冰区溢油行为的数值计算模式，该模式由海冰数值预报模式和溢油的扩散、漂移模式组成［8］。近年来，结合国外研究成果和渤海冰情，建立了冰区溢油预报数值模型［9］，采用临界密集度值和跟踪粒子流方法进行数值计算。

3 我国冰期溢油监测及预测技术发展

3．1 建立多传感器立体化的冰期溢油监测体系

目前，我国已开展了业务化的海冰监测和溢油监测，但针对有冰海区的溢油监测研究较少。考虑到渤海作为我国目前最大的海上油气生产基地，每年冬季有3个月左右的冰期，有必要集成侧视机载雷达、合成孔径雷达、侧视红外传感器及探地雷达等多传感器，综合先进的卫星、航空、无人机、船载及水(冰)上或水(冰)下探测系统，建立冰期溢油的立体化监测网络。

1)卫星遥感。甚高分辨率光学遥感数据与全天时全天候工作的合成孔径雷达遥感数据相结合。对于海冰密集度较低(低于40%)和油膜面积相对遥感分辨率较大的情况，可采用遥感识别冰期溢油。此外，卫星遥感提供的近实时冰情对于现场溢油应急指挥以及降低海洋作业风险也至关重要。

2)航空遥感。采用多种传感器进行监测，如红外、紫外、激光荧光、雷达、声波传感器，等。激光荧光是一种有效的主动式传感器，但价格昂贵，体积较大。相对而言，声波方法及机载探地雷达有一定的发展潜能。

3)跟踪浮标。可用于跟踪油膜在风、海流和海冰运动作用下的漂移，通过安装GPS，浮标可实时获取油膜的位置和运动信息，并发送到船只或飞机上的接收装置。

4)冰上监测。当冰层厚度足以承受人员及设备重量时，可以采取冰上监测。主要方法有:钻孔、手持红外探测仪、探地雷达、油气嗅探装置，等，甚至尝试采用特别训练的搜索犬进行溢油探测。上述方法配合手持GPS可以记录油膜的位置和范围。

3．2 发展渤海冰期溢油数值预报模型

结合国外研究成果及我国渤海具体环境条件，发展渤海冰期溢油数值预报模型。冰期溢油数值预报模型包括以下几部分。

1)喷发模型。对于发生在一定水深处的溢油需考虑溢油模型，如溢油的喷发及油在水体中的分布。

2)物理环境模型。风、气温、降雪、海流、波浪以及海冰。驱动溢油模型的风、海流、波浪等水动力模型以及海冰模拟的准确度在很大程度上决定着冰期溢油漂移预测的可靠性。利用遥感等观测数据可以改进海冰和水动力模型，进而改进溢油预测模型。

3)溢油模型。解决溢油风化、油与海冰的相互作用以及油与其他环境要素的相互作用。冰期溢油模型中必须要考虑到油与海冰的相互作用，因为某些条件下油随海冰运动，而某些条件油随海水运动。对于分辨率为10 km左右的海冰模型，进行溢油追踪的有效方法是估计近表面随海流运动的油量与随海冰运动的油量。

油在海冰中的状态可能有以下几种。

1)油冻结在海冰中，直到海冰融化。这种情况最为简单，油以与海冰相同速度运动。

2)油被碎冰包围。这种情况稍微复杂，海冰模型估计海冰密集度，可作为油按照海冰轨迹或海水轨迹运动的参考依据。

3)油位于冰下表面的小孔腔中。这种情况最为复杂，冰下表面的小孔腔中的油量与海冰类型、下表面粗糙度及海流速度有关。

此外，充分利用各种观测手段获取现场数据有利于提高溢油预测的准确度。通过遥感、冰信标、航空调查、冰情图等方法可以获取海冰运移、表面油的范围、冰厚、粗糙度及密集度等信息，并用于冰期溢油漂移模拟预测。

3．3 开展冰期溢油监测及预测实验

结合国外研究经验，开展冰期溢油监测及预测实验室和现场实验。大规模现场实验对于验证中小规模的实验室研究结果至关重要。

开展冰期溢油监测实验，一方面对目前适用于开阔水域的各种监测技术方法在冰期监测中的适用性进行评估;另一方面，通过积累实验室条件及现场条件下的溢油监测经验，加强冰期溢油监测技术与设备研究，使得冰期溢油监测技术和设备尽快应用于实际。

开展冰期溢油预测实验，对冰期溢油行为、归宿，溢油风化和扩散，溢油与海冰的相互作用进行研究。目前大多冰期溢油理论主要基于有限次数的小尺度的实验室研究得到，其结果还需要结合实验室可控条件下的一系列中小尺度实验以及大尺度现场实验对其进行验证。

4 结束语

总体来说，我国冰期溢油监测及预测技术相比国际先进水平仍有一定差距，应借鉴国内外研究经验，加强冰期溢油风险监测分析，开展冰期溢油监测及预测关键技术研究，建立冰期溢油监测预测体系，提高我国冰期溢油事故防范和应急处置能力，为我国冰期油气田开发保驾护航。

［1］National Research Council(NRC).Oil in the sea III:inputs，fates and effects［M］.The National Academies Press.Washington，DC，2003.

［2］FINGAS M，BRPWN C.A review of the status of advanced technologies for the detection of oil［J］.Spill Science＆Technology Bulletin，2000，6(5/6):295-302.

［3］王鹏，李志军，王永学.冰区溢油探测技术及其优缺点［J］.中国造船，2002，43(S):299-305.

［4］TUNALEY J K E，MOORCROFT D R.Aspects of the detection of oil under sea ice using radar methods［C］∥Proc.9th Arctic Marine Oil Spill Program Technical Seminar，Edmonton，June 10th-12，1986:463-474.

［5］沈丽兰.冰区溢油雷达监测技术研究［D］.大连:大连海事大学，2010.

［6］ROSS S L，D F DICKINS.Oil spill in leads:land tests and modeling［R］.Report Submitted to Environment Canada，Environment Emergencies Technology Division，1987.

［7］SPAULDING M L.A state-of the-art review of oil spill trajectory and fate modeling［J］.Oil Chem Pollut，1988 (4)39-55.

［8］余加艾，王仁树，陈伟斌，等.有冰海区中的溢油行为［J］.海洋环境科学，1997，16(1):72-78.

［9］王鹏，李志军.冰区溢油行为的初步数值模拟［J］.冰川冻土，2003，25(S2):334-337.

On the Detection and Prediction Technology of Oil Spill in Sea Ice Season

NIU Zhi-gang1，LIU Lian-jin1，SONG Sha-sha2，YANG Jing1，LI Ming1
(1.CNOOC Energy Technology and Services-Oil Production Services Co.，Tanggu Tianjin 300452，China; 2.CNOOC Environmental Services Ltd.，Tianjin 300452，China)

Considering the requirements of marine environment protection and minimization of potential oil pollution during the oil exploration in Bohai sea ice season，the state of the art of the oil spill detection and prediction technologies in ice season is analyzed，and the development direction for the research of oil spill detection and modeling technologies is discussed about，as well as the future application of these technologies.

Bohai sea;oil spill in ice season;detection;prediction

U698.7

A

1671-7953(2015)02-0146-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.02.036

2014-11-11

修回日期:2014-11-27

国家工信部项目(GXB-HBC-ZRS)

牛志刚(1983-)，男，硕士，工程师

研究方向:海上溢油污染防治技术

E-mail:niuzhg@cnooc.com.cn