群岛海域溢油应急处置系统分析

舟山海事局 顾恩凯 边 以



群岛海域溢油应急处置系统分析

舟山海事局 顾恩凯 边 以

摘要：以舟山群岛海域为例，介绍海上溢油模拟技术，分析利用岛、礁等有利地形进行海上溢油快速围控的技术，并设计一种适合于恶劣海况下工作且自动化程度较高的水上溢油清理装置，构建起一个包括前期分析预测-中间过程控制-后期清理的较为完整的溢油应急处置系统。同时，从海事部门角度探讨在信息整合、资源协调和现场处置等方面的对策，为溢油应急处置提供一些有益的参考。

关键词：群岛海域；溢油；模拟；应急处置系统

一、引言

随着海上油气开发步伐的加快和世界海运油品货量的不断攀升，海上溢油事故频发，给海洋环境造成了不可估量的损失。据统计，全球每年生产的32亿t石油中，约有1/1 000即320万t进入海洋环境。［1］以我国为例，在1973—2006年，共发生大小船舶溢油事故2 635起，其中溢油50 t以上的重大船舶溢油事故共69起，总溢油量37 077 t，平均每年发生2起。值得重视的是，近年来海上溢油的发生频率和溢油量呈上升之势。2009—2012年，我国每年发生溢油事件4～12起，年平均发生9.3起；2004年，“现代开拓”和“地中海伊伦娜”轮碰撞导致1 200多吨船舶燃料油溢出，在海上形成一条长9 n mile的溢油带；2011年，渤海蓬莱19-3油田溢油事故造成5 500 km2海域受到污染，大致相当于渤海面积的7%。

二、海上溢油模拟技术

1.概述

海上溢油的模拟是溢油应急处置系统前期预测分析的关键环节，也是整个溢油处置研究的难点。海上溢油行为主要涉及溢油发生时的初期扩展、风化、在风和海流作用下的漂移、在波浪作用下油膜的破碎和结块、沉降和上浮等一系列过程。［2］海上溢油的模拟主要是预测油粒子在风浪流等环境动力作用下的发展趋势，本质上是一个动力学问题，只要掌握了整个动力学原理就能对溢油的运动行为进行较为准确的预报。

近年来，许多国家相继建立了针对本国海域的溢油预报系统，如美国的OILMAP系统、英国的OSIS系统、挪威的OILPILL/STAT系统、比利时的MU-SLICK系统、荷兰SM4系统和日本溢油灾害对策系统等。我国也加快了对溢油模拟、预报的研究步伐，对不同海域的溢油预报模式［3-7］都有所探索。

2.溢油数值模拟过程

溢油的数值模拟一般采用商用软件，如上述OILMAP、OSIS系统等，或者在商用软件基础上进行二次开发。模拟的过程主要包括以下几个步骤：

（1）选定溢油高风险区域作为计算区域，收集该区域的水文、地理等基础数据，利用软件建立计算模型；

（2）选定具有典型意义的不同环境荷载组合，以及溢油的特征属性，如密度、运动黏滞系数等；

（3） 设定溢油位置、溢油量等，计算溢油在不同工况下、不同时刻的运动轨迹。溢油数值模拟的一般流程，如图1所示。

图1 某计算软件溢油模拟流程图

三、群岛海域溢油快速围控技术

在前期预测分析的基础上，接下来是溢油处置方案的制订和现场控制，也就是溢油应急处置系统的中间过程控制环节。

1.海上溢油处置存在的问题

目前，对于海上溢油事故的处置侧重于事故发生后的现场控制，而对于溢油发展轨迹的预测分析、清污设备及力量的规划布置、处置方案的针对性等前期工作未引起足够重视，也未经过系统而全面的研究，贸然出动清污力量进行处置，不但可能无法取得预期的效果，还会延误最有利的处置时机。

溢油在不同类型水域，如开阔水域、群岛水域、海湾水域等均会表现出不同的运动规律，还会受当时环境因素的影响，因而无法简单套用一种处置方案加以解决，必须加大前期研究，才能提高决策的科学性。

2.快速围控技术

如果没有固定的支点作依托，处置发生在开阔水域的溢油事故将面临许多困难，仅靠清污船难以对溢油进行快速有效的围控。与开阔水域不同，群岛水域发生的溢油事故可以充分利用地形优势达到快速围控的目的。对于海上溢油运动轨迹的准确预测是快速围控的前提，再通过合理的分析，在关键的岛、礁上布置一定数量的控制站点，一旦发生溢油事故就能有条不紊地进行处置。

下面以舟山群岛海域为例介绍溢油模拟及快速围控技术，计算区域如图2、图3所示。该海域附近分布有近7年油品吞吐量年均超过2 000万t的岙山大宗油品转运基地（年靠泊大型油轮超百艘）、台风期间锚泊各类船舶达数百艘的沈家门马峙锚地以及进出舟山海域的主航道，因而发生大规模海上溢油的风险较大。

一般流程如下：首先，确定计算区域，利用数值模拟软件建立模型、划分网格、输入各计算要素（包括环境条件、溢油位置、溢油性质等）和边界条件；然后，进行数值模拟计算得到不同时刻的溢油运动轨迹；最后，根据模拟结果和实际条件制定快速围控方案。

图2表示在T时刻海域内某位置发生溢油泄漏。图3表示溢油发生n小时后溢油的扩散以及围控方案。如图3所示，通过连接若干个溢油控制基站和辅助站点，如连接岙山岛和穿山岛（即第一种布放方案），可以将原本连为一体的整个水域分隔开，在围油栏的阻隔下，溢油无法进一步向港内扩散，从而达到控制溢油的目的。如果扩散的速度过快无法及时采取第一种方案，可以采取第二种布放方案，即连接定海—盘峙岛—大猫岛—穿山岛，布放方案应根据模拟结果进行比选。

基于数值模拟的高效性，可以选取足够多的溢油点（特别是溢油事故易发区域），模拟在不同气象海况条件下不同时刻溢油的运动轨迹，从而制定针对性的围控方案，快速控制溢油扩散。溢油控制基站的主要功能是储备围油栏、清污器材等，同时为围油栏提供固定的支点，一般应设在具备维护条件的岛屿上；辅助站点可以仅具备提供固定支点的功能，一般设置在条件较差但是位置较为重要的岛礁。溢油控制基站和辅助站点的设置应综合考虑数值模拟结果、地理条件、维护条件等因素，设置的原则是最大限度地提高溢油围控的便捷性。

这种利用岛、礁地形进行溢油围控的方法不仅适用于区域内的溢油处置，也适用于防止区域外部溢油的侵入，如图4所示。围油栏的布放方案要充分考虑溢油扩散速度、布放速度等关键因素，尽量按照最不利工况进行分析，保证第一时间围控成功。

图4所示布放方式只是一种示意，实际围油栏的布放应根据分析分别研究，通过合理的布放将溢油阻挡在区域外，降低处置的难度。

图2 某一时刻T溢油发生示意图

图3（T+n）时刻溢油发展及围控示意图

四、水上溢油清理技术

溢油的清理是溢油应急处置系统的最后环节，也是难度最大的环节。目前，机械收油法仍是海上溢油处理最为常用的方法，一般过程如下：首先，用围油栏围住溢油，使水面溢油汇聚成较厚的油层；然后，使用撇油器或人工网捞法进行溢油的回收；最后，将收集的污油运回岸上。围油栏布放方式一般分为双船布放法和单船布放法，如图5a、5b所示。

图4 外部溢油围控示意图

图5a 双船布放法

图5b 单船布放法

图6a 撇油器回收法

图6b 人工网捞法

1.现有处理方法存在的不足

溢油的回收是海上溢油处置最为关键的步骤，回收速度直接关系到整个处置的效率。无论是利用撇油器进行溢油回收还是人工网捞回收都存在着许多不足之处，导致海上溢油的清理效率不高。撇油器回收法和人工网捞法如图6a、6b所示。

（1）撇油器回收法的缺点。

大多数的撇油器一般不具备自航能力，需要借助船舶作为载体和支撑，还需要吊机进行吊装，而船舶受气象海况条件影响较大，在恶劣天气条件下撇油器无法正常作业。

（2）人工网捞法的缺点。

人工网捞法一般也需要借助船舶，或只能在岸边进行溢油清理作业，清理效率低下，同时受天气条件的影响也很大。另外，清理人员长时间暴露于溢油环境中会使人体产生很大的伤害，例如在2010年发生的墨西哥湾漏油事故处置过程中，多名参与清理石油的工作人员出现头晕、恶心、头疼、胸痛等症状。

2.一种半潜式水上溢油清理装置

为了克服现有溢油清理技术存在的不足，笔者融合了油水分离技术、波浪能发电技术以及半潜式海洋平台应用技术，设计了一种自动化程度较高的半潜式水上溢油清理装置（专利号CN201420283722）。它主要由船体、油水分离系统、波浪发电系统以及动力系统等几个模块组成，其设计图及构想图如图7a、7b所示。

图7a 半潜式水上溢油清理装置设计图

图7b 半潜式水上溢油清理装置构想图

该装置在海上溢油处置的应用中具有以下优势：

根据《地球化学普查规范(1∶5万)》(DZ/T 0011-2015)以及东天山类似景观区近年来取得的地球化学勘查方法技术研究成果和勘查效果，在东疆地区中低山—丘陵—干旱荒漠戈壁区适宜开展土壤测量，采样截取粒级-4～+20目，采用正规网布设采样点，基本采样网度为500m×250m，可以取得最佳地球化学勘查效果。

（1）具备自航能力，并具有自动定位、导航、检测、处理等功能，工作效率较高。同时，清污人员可以在远离溢油现场的地方对清理装置进行控制，降低了对人员安全的威胁。

（2）波浪发电装置产生的电能可以不断地补充清理装置工作所需的动力，提高了清理装置的持续工作能力，有助于提高溢油清理速度。

（3）采用了半潜技术，装置工作时半潜于水中，一方面便于控制吸水口位置来吸取含油污水；另一方面可以大大减少风浪的影响，使之能够在恶劣的海况下工作，提高了溢油清理效率。

五、海事部门海上溢油处置对策

海事部门肩负着保护海洋环境的重要职责，应充分发挥自身优势，加大对海上溢油预报、控制等技术的研究，提高溢油处理的协调和组织能力，更加科学地进行海上溢油处置。

（1）联合大专院校、科研院所等力量加大对海上溢油预报技术的研究，建立适合自身辖区特点的溢油预报模型，合理规划和设置一定数量的溢油控制站点和辅助站点，特别是针对溢油事故易发区域制定专门的围控方案，提高处置效率；建立包含海洋动力学、气象、石化等专业的专家库，为海上溢油的处置提供充足的智力支持。

（2）发挥溢油处置的枢纽作用，加强与海洋、气象等部门的合作，集成水文、气象、海况等基础数据，建立溢油处置信息数据库；依靠当地政府提高对辖区内各类资源（如当地清污力量、清污器材等）的组织和协调能力，最大限度地发挥其作用。

（3）提高跨辖区区域协同处置能力。大规模的海上溢油往往会涉及周边水域的多个主管部门，例如，舟山和宁波共用一片水域，发生在任何一方辖区的溢油都会不可避免地影响到另一方。因此，对于舟山、宁波水域的溢油处置研究应充分考虑两地协同处置能力建设，在溢油应急设备库及其他溢油处置资源的布局时进行总体规划。

（4）提高溢油应急演习的力度和实战性，模拟各种可能遇到的最不利条件下的处置方案，加强跨区域协同的联合演习，不断提升现场协调处置能力，通过演习及时发现存在的难题并加以解决，提高应急预案的实用性。

六、总结

海上溢油事故由于其环境破坏力强、处置难度大和社会关注度高的特点，一直是困扰各界的难题。海上溢油事故的处置是一个复杂的系统工程，涉及重要数据的收集（包括水文、气象、海况等）、溢油扩散的预测、处置方案的制订、清污力量的调用、现场清污的组织协调等方方面面，另外还有先进溢油清理装置的研制等。

本文针对目前海上溢油事故处置过程中存在的一些问题进行了分析，提出了一套涵盖海上溢油前期分析预测—中间过程控制—后期清理的较为完整的溢油应急处置系统，并提出了一些针对性的对策，如加强海上溢油预报技术、处理技术、清理装置的研究和研制，提高资源的整合能力等，对于提高海上溢油的处置能力有一定的参考意义。

参考文献：

［1］柳婷婷，田珊珊.海上溢油事故处理及未来发展趋势［J］.中国水运，2006（11）:27-29.

［2］刘钦政，张存智，刘煜，等.渤海溢油数值预报研究［J］.海洋预报，2005（5）:70-76.

［3］刘颜呈，殷佩海，林建国，等.基于GIS的海上溢油扩散和漂移的数值研究［J］.大连海事大学学报，2002（3）:41-44.

［4］郭为军.基于POM的溢油数值模拟研究［D］.大连:大连理工大学，2007.

［5］王祥.三峡库区溢油模拟及应急对策研究［D］.武汉:武汉理工大学，2010.

［6］臧士文.基于FVCOM模型的二维海上溢油数值模拟研究［D］.大连:大连理工大学，2011.

［7］黄成，赵利平，肖剑.广西近海溢油扩散数值模拟［J］.水道港口，2013（2）:174-179.

DOI:10.16176/j.cnki.21-1284.2016.01.011