船舶溢油GIS 系统避险设计

李成海 冯曰林 胡甚平

（1.山东交通职业学院航海系，山东潍坊 261206；2.上海海事大学商船学院，上海 201306 ）

0 引言

随着航运科技的迅速发展，船舶大型化、高速化引发的溢油事故频发，对海洋环境污染后果愈发严重。2021 年4月，青岛海域发生的巴拿马籍“义海”轮与利比里亚籍“交响乐”轮碰撞事故造成了约9 400 t 原油入海，溢油面积达4 360 km2，生态损失债权达37.4 亿元。为方便应急管理部门尽最大可能降低事故危害的目的，实时掌控溢油扩散范围及移动趋势信息，以方便部署应急救助力量，通知事故点附近船舶施救或撤离，并确认事故风险性质后告知货轮和客轮等船舶避免进入溢油事故影响海域，以方便消防救助团队实施指挥中心部署的任务。通过查阅相关研究成果及预估溢油扩散系统的溢油油膜扩散移动模型，可取得较精确的预估结果，但系统缺少溢油事故扩散海域及其附近的船舶信息及其数据显示，难以实现科学施救指挥。为了实现船舶溢油扩散移动动态可实时监视和预警的目的，以及溢油事故点附近船舶搜寻和调度目标，运用空间地理信息平台和平台上的信息，使用模型模拟方式对船舶溢油扩散面、移动趋势的预估，以及溢油事故海区及其附近海域船舶信息的搜寻，实现对事故信息的显示，并形成避险图。研究系统以“义海”轮和“交响乐”轮碰撞溢油案例进行模型模拟分析，模拟结果为完善应急策略的制定和施救措施科学化，提供应急指导。

1 空间管理信息优势

1.1 空间数据融合能力

含有SDX+、Spatialware 和AreSDE 技术引擎，是空间引擎数据库信息系统的重要技术。为实现ArcTocControl 的融合显示及分层管理[1]，利用空间数据AreSDE 引擎将各类型数据储存在船舶溢油GIS 避险系统，从而使空间系统数据库即可提供相应的属性信息，又可提供与船舶溢油空间特征的相关数据。

GIS 可对各数据源进行数据融合，发挥强大有效融合能力的优势，避免单数据源提供的数据信息不详的缺失，增强数据源相互特长的互补。将GIS 界面中叠加融合多源数据，并进行空间计算，系统计算结果证明船舶溢油GIS 系统的可靠性。通过空间校正和地理配准技术构建拓扑结构，实现对异源数据的多方式处置，使其保障逻辑关系和空间位置的详尽和可信性。

1.2 分析数据空间属性

GIS属性数值和空间数据的空间分析为前提，加以拓展、分割和叠加后搜索和挖掘潜在的数据信息，以转换空间数据方式回复查询。GIS 具有900 多地理处置（geoprocessing,GP）手的强大功能空间分析库，以ArcToolbox 形式对地理处置手进行管理，选用时直接键入参数输出相应的地理处置结果[2]，也可对更多GP 手进行组合，以取得更系统的功能分析技术。

2 船舶溢油系统的开发

运用Arcgis Engine 与Net 架构及Visual Studio 技术和GIS 技术相结合的船舶溢油避险系统模型设计。Arcgis Engine运用COM 组件技术参考集，Visual Studio 全面面向参考对象语言，具有高效编程、可移植的优点，利用其优点可实行对ArcGIS Desktop 剥离的应用编程[3]，设计流程如图1 所示。

图1 系统编程流程图

数据阶次利用融合方式加入溢油数据库的信息，即运行模型的键入数据。为了预处理数据以使输出的数据较准确，需对多源数据进行融合。原始纸质海图无详细空间信息，对纸质海图加载数据后，根据海图图框标注的经纬度和图号等信息进行地理校准到准确位置，使图层形成基础海图。根据GIS 界面显示的经纬度地理信息，对速度和方向信息及风浪信息图层数据进行插值计算。空间数据经过自动识别系统（Automatic Identification System,AIS）按规则提取后，进入数据库，形成含有船速、船艏向和船位的信息点，形成空间数据分布图。叠加数据方式，如图2 所示。

图2 叠加的数据显示方式

模型阶次为避险模型与溢油预估模型，科学运算船舶溢油避险系统方法。避险模型是提取溢油海区周围船舶构建事故影响缓冲海区，并对缓冲海区船舶按船舶类型分类。溢油预估模型是实现溢油移动方向预估与溢油扩散面预估的功能，溢油移动方向预估是根据当时海面上风流信息对溢油移动方向的预估，并计算和预估给定溢油重量的扩散面积。

逻辑阶次是模型计算船舶溢油实际发生事故的流程。系统通过海上气象数据、扩散模型给定的扩散海区面积和溢油事故具体位置进行船舶溢油方向的预估，然后运用分析法叠加、分析的缓冲海区结果和避险模型，取得较准确的避险范围和溢油影响海区范围，对系统界面模型结果综合分析后，形成船舶溢油避险预案。

应用阶次是含有溢油信息、溢油预估和信息融合3 个模块的系统设计。溢油信息模块含有事故海域及其附近海区船舶查询，可快速锁定溢油海区船舶及发送接口预留溢油信息，以警示船舶避险；溢油预估模块是对海上环境要素和溢油时间准确信息条件下，预估溢油扩散面积；信息融合模块是通过船舶信息、溢油总量和溢油位置的数据，为系统提供实时数据支持。

3 系统避险技术

3.1 溢油预估模型

船舶受损发送溢油事故时，溢油油层厚且向四周快速扩散，表明事故初期处于扩散最快阶段，当油层变成薄而碎的油膜时，通常认为结束了溢油扩散。溢油海面扩散阶段，在海上风浪作用下油膜在海上漂移扩散，海面上形成带状油污区块。

针对辽阔海面船舶瞬时溢油，选用Fay 研究成果表明，油膜受张力、重力、粘滞力和惯性力的作用，并向四周呈环形扩散的过程，当出现圆形分布的油污时，表明扩散终结。根据溢油扩散时期不同作用力不同，FAY 法将粘滞力—张力、重力—黏滞力和重力—惯性力划分为3 个时间段，在各时间段内，2 种力的方向趋于平衡后，向下一时间段发展，溢油油膜扩散尺度计算公式，见表1。

表1 船舶溢油油膜尺度扩散公式

表1 中，C1、C2和C3代表各时间段扩散油膜的直径，h1、h2和h3代表各时间段油膜扩散经验系数，海上环境决定事故的具体数值；k 代表计算的溢油开始时间，W代表海上溢油总量；γ代表水的沾滞系数；s代表重力加速度；ρ代表水密度；σ代表张力系数；β是常数，由密度和溢油密度来决定。

根据Fay 法及大量结果分析，在海上溢油完成扩散后，溢油量与溢油面积具有的关系为：

式（1）中，B 代表油污扩散面积；W 代表溢油总量。船舶溢油扩散面积在刚开始时扩散速度最快，当扩散第三时间段结束后，即沾滞力和张力平衡时，油污面不再扩散，时间段与溢油面关系，如图3 所示。

图3 随时间段变化溢油面关系

选用文献[4]宋朋远教授的分析溢油扩散模型，海流和海风因素决定油膜在海上的扩散。油膜不再扩散后，厚度变小，扩散的变化过程是持续的。扩散运动距离和移动速度为：

式（2）式（3）中，wojl、wd和wv代表溢油扩散速度、海上流速和风速，h 代表风力系数，取值为3%～4%，本研究取中间值3.5%；E 代表溢油扩散距离；Δk 代表溢油扩散的时间；k 代表溢油扩散开始的时间。溢油油膜向海风和海浪作用力的方向扩散，其扩展图，如图4 所示。

图4 溢油油膜移动示意图

3.2 构建避险模型

通过叠加分析和分析缓冲海区的形式，构建船舶溢油避险模型。分析缓冲海区是辨识某地理位置，根据点、线、面地理性质，构建具有一定宽度的多边形形状范围的地理缓冲海区，以便确定地理要素各异的相邻空间及接近程度的分析法[5]。设定目标B，其定义缓冲海区为：

式（4）中，B 代表目标标的；y 代表在某时间段缓冲海区地理位置；c 代表目标标的B 和y 之间的距离；V 代表缓冲距离，可将小于V 的距离B 海区筛选出来。在船舶溢油避险模型内由海事监督部门依据职责和事故性质、危害程度和事故性质，划分溢油事故造成的影响范围，确认溢油事故影响半径V 的范围，半径数值键入系统构建溢油海区影响范围的缓冲海区。

实时发送船舶溢油事故影响海区避险信息法，避险模型选用相交算法的叠加分析法，分析过程是键入要素与相交算法叠加分析结果的交集过程。因为点、线、面三要素可相互交错操作，所以，交集分析分为七大类[6]。对面积要素事故地理位置和AIS 船舶要素数据进行影响海区地理交集处理，取得在溢油避险海区内船舶。计算原理为：

式（5）中，Eship代表船舶集合，Fship代表溢油事故附近的船舶，Fship代表溢油事故的缓冲海区。同时，根据事故危险程度以类型区分及溢油事故的地理范围，发送救助信息和避险请求，如图5 所示。根据溢油缓冲海区和船舶航经海区进行分类[7]，在图5 中，椭圆形状代表溢油事故影响范围的缓冲海区，三角形代表船舶溢油影响范围外的船舶，十字形代表溢油事故海区紧急避险事故的船舶形式，方形代表溢油事故提供救助的救援船类型。

图5 溢油船舶避险图

4 溢油船舶实例事故的验证

4.1 青岛外海两艘外轮碰撞造成溢油事故

系统以巴拿马籍“义海”轮与利比里亚籍“交响乐”轮碰撞溢油作为事故研究对象模型实例计算，计算结果证明系统运行的准确程度[8]。据山东海事局调查，2021 年4 月27 日9：00 许，在青岛朝连岛东南海域距离青岛港40 n mile 海域发生碰撞事故，事故造成约9 400 t 溢油入海。经初步估算两轮破损修理费约3 500 万元，泄露货油价值2 200 万元，溢油面积达4 360 km2，生态损失债权37.4亿元。事故发生时，“义海”轮存有1 046.09 t 自用燃油，“交响乐”轮存有481.6 t自用燃油。两轮碰撞事故溢油中有以挥发很强的自用轻燃油，这对大气环境有污染危害，而船用重柴油不易挥发，溢油入海持续污染，这是海洋污染的主要因素。为了方便评估溢油72 h 扩散轨迹，查询青岛海域4 月27 日9：00 的海上气象、潮流信息，并对青岛海域近海面10 m 上空海上风力、风向和海面流速、流向制成数据栅格图，数据信息加入溢油信息库，青岛海域72 h 的海风和海流信息[9]，见表2。

表2 青岛海域风流信息表

4.2 两外轮溢油预估模型

运用GIS 的处置力进行溢油扩散海域模拟[10]。首先以输入的地理经纬度事故点确认要素的圆心，溢油预估模型中导入溢油量预估油膜扩散范围，确认溢油膜面最大时的半径，在海上标绘系统建立对应面要素。

在溢油扩散模型中输入海上风、流参数并进行计算，取得油膜扩散的距离，在溢油扩散海区建立同一的溢油油膜扩散面要素，运用要素编辑具有扩散的功能，依据溢油油膜扩散移动距离，取得新要素移动Y、X 数值，依次生成此后时间段的油膜扩散海域，从而对溢油油膜扩散轨迹的预估和模拟[11]。此后生成的24 h、48 h 和72 h 的溢油油膜扩散移动轨迹模拟图，如图6 所示。

图6 溢油油膜扩散轨迹模拟图

4.3 两外轮溢油避险模型模拟

因为船舶溢油污染海上环境，为尽量减少事故扩散的风险，应第一时间通知事故现场附近船舶采取应急措施避险。溢油油膜扩散移动预估完成后，须确认系统内溢油事故的影响范围，参照《船舶油污染事故等级》划分标准[12]，运用溢油避险模拟模型，根据溢油泄漏量和事故造成的经济损失，将溢油事故分为4 个等级，见表3。

表3 船舶溢油污染事故级别表

国家应急管理部门根据行业规定，科学设置事故影响控制范围。模拟系统两外轮碰撞溢油事故影响范围为5 n mile和10 n mile 半径的海域[13]，此海域设定为影响较危险或非常危险的海域，从而形成多环状缓冲海区，为了划分溢油事故影响程度，系统根据AIS 数据在青岛朝连岛海域模拟的船舶，各模拟船舶信息，能满足系统模拟的要求[14]。根据系统模拟的各船舶和两外轮溢油扩散情况，将船舶信息数据和形成的缓冲海区的结果作为参数键入模拟模型中，运用GIS 法进行分析和计算，根据影响范围内船舶类型对其符号化并显示，其分为消防救助船舶和撤离此海区船舶两大类，如果是货轮、客轮应令其避险，系统显示十字形，如果是消防救助船舶令其施救并使其获得救助信息[15]，最后形成避险图，方便应急救助部门施救。

5 结束语

本研究针对船舶溢油事故应急施救策略的缺失部分，运用船舶溢油扩散和溢油油膜移动模型，构建了船舶避险模型模拟。利用GIS法技术研发设计了船舶溢油扩散避险模型，并以在青岛海域“义海”轮和“交响乐”轮外籍船舶碰撞溢油入海事故作为案例对关键的系统技术和模型模拟结果进行了分析，同时在模型中初步完善应急系统，验证结果为修订应急救助措施提供理论支持。