海洋油气开发区在线监测技术研发与应用示范

司念亭，李耀如，屈植，孙红栋，张蒙蒙，尹维翰，陈生涛，顾艳镇，宋鑫

[1.中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津 300450；2.国家海洋局北海环境监测中心，山东青岛 266033；3.浙江大学，杭州 310058；4.山东深海海洋科技有限公司，山东 烟台 265500；5.自然资源部渤海生态预警与保护修复重点实验室，山东 青岛 266033]

随着我国经济的快速发展，海上石油勘探开发规模急剧增加，海上交通运输日益繁忙，溢油事故也随之频繁发生。海洋溢油事故不但给海洋渔业、海水养殖业、滨海旅游业等海洋经济带来负面影响，也造成海洋环境污染，使海洋生态系统中的物质循环、能量流动受到严重干扰，引起海洋生态系统异常变化，最终可能会影响到生态安全。同时，随着公众环保意识的增强，对海洋溢油等污染事件的关注度越来越高，这就对海洋溢油应急监测与处置提出了更高要求。

近年来发生的海洋溢油事故反映了我国在溢油预警监测和应急处置方面存在技术储备不足、装备落后、溢油预警监测不及时、溢油点难以连续监测、生态损害评估滞后等问题。因此，发展海洋油气开发区在线监测技术装备是护航海洋油气资源开发安全生产的迫切需求。中海石油（中国）有限公司天津分公司、国家海洋局北海环境监测中心、浙江大学以及山东深海海洋科技有限公司组成了覆盖海洋油气区在线监测技术研发及示范应用全链条的产-学-研-用联合团队，围绕海洋油气开发区溢油预警监测与事故应急处置、海洋生态环境质量监测的需求，通过建设一种海底有缆在线观测系统，集成了视频监测、水质多传感器，研发了海底-海上平台-陆地之间的实时在线监测数据/视频稳定传输技术，可实现水下及海底溢油、环境要素的连续在线监测，优化了海洋生态环境损害鉴定评估技术体系，综合运用溢油在线监测和生态影响监测数据，解决了传统海洋溢油监测技术存在的发现溢油不及时、溢油点难以连续监测技术、生态损害评估滞后等问题。

1 研究背景

1.1 政策背景

为落实党中央、国务院决策部署，系统科学推进海洋生态保护工作，相关部委先后发布了多个重要文件，以推进海洋生态预警监测能力和海洋重大突发事件应急处置能力建设。

2016年1月，交通运输部会同国家发展改革委及相关单位编制了《国家重大海上溢油应急能力建设规划（2015—2020年）》（以下简称《规划》），作为我国首个应对重大海上溢油事故的国家级规划，《规划》首次将海洋石油勘探开发企业、社会清污公司等企业力量作为重大溢油应急能力的重要组成部分纳入国家统一规划。2018年12月，生态环境部、国家发展改革委、自然资源部联合印发的《渤海综合治理攻坚战行动计划》要求加强和提升环境风险监测预警和应急处置能力，在海洋生态灾害高发海域，建立灾害监测、预警、应急处置及信息发布体系。2021年7月，自然资源部发布了《自然资源部办公厅关于建立健全海洋生态预警监测体系的通知》和《全国海洋生态预警监测总体方案（2021—2025年）》，要求建立健全海洋生态预警监测体系，推进海洋生态预警监测数据的高效汇集和规范管理，全面提高监测数据服务与共享效能。2022年2月，国务院印发的《“十四五”国家应急体系规划》指出，以防范化解重大安全风险为主线，深入推进应急管理体系和能力现代化，坚决遏制重特大事故，最大限度降低灾害事故损失，全力保护人民群众生命财产安全和维护社会稳定，为建设更高水平的平安中国和全面建设社会主义现代化强国提供坚实安全保障。

1.2 市场需求

随着全球经济的快速发展，油气资源需求持续增加。海洋溢油事故不但给海洋经济带来巨大损失，也严重威胁海洋生态安全。这就对管理部门的预警防控、污染处置、监测评估等能力提出了更高要求。

传统的海洋观测主要是以调查船、潜标和浮标为主的海基观测和以卫星遥感、航空观测为基础的天基观测。常规海面监测措施无法及时发现海面下几十米甚至几百米深的海底溢油，海面浮标等传统监测手段难以确定海底溢油泄漏点；溢油发生后的传统海洋调查只能评估某一状态下的生态灾害受损程度，无法直观展现整个溢油过程生态系统的响应情况，事故造成的海洋生态损害被显著低估。

综上所述，针对油气开发区，研发易建设、易维护、经济适用，且能实现长期、稳定、连续、实时、可视化在线监测技术装备，优化海洋溢油环境损害鉴定评估技术体系，对海上溢油事故的预警监测以及环境损害评估具有重要意义。

2 研究进展

随着海底观测技术的发展，借助海底线缆为水下观测仪器供电并传输观测数据，海底有缆观测真正实现了海洋环境的原位、长期、连续、实时观测，并继地面/海面和天空之后成为地球观测的第三个平台。加拿大、日本、美国等国家均已建设大型有缆海底观测网络，实现了海洋环境的原位、长期、连续、实时观测。我国海底观测网起步较晚，已建成东海小衢山海底观测系统、东海摘箬山海底观测系统和南海海底观测网。但目前的海底观测网普遍存在建设和维护费用高昂、需要很多参与部门协调分工、管理复杂等问题[1，2]，无法满足小区域、不同领域学科研究及海洋资源开发、污染防治、海洋灾害预警、海上突发事故应急等社会服务的需求，观测目标较为单一，无法实现可视化监测，针对海洋溢油的在线监测更是未成体系。

本项目立足于海洋油气开发区溢油风险预警防控能力提升工作需求，顺应立体化、多元化和实时化海洋科学观测发展趋势，研发了一种海底有缆在线观测系统，攻克了实时在线观测数据/视频稳定传输技术，构建了海洋生态环境损害鉴定评估技术体系，以解决当前石油平台溢油监测存在的发现不及时、泄漏点难定位、无法科学评估生态损害等问题，真正实现海洋环境及水下生物资源的“可视、可测、可控、可预警、可评估”。海底有缆在线观测系统总体设计如图1 所示，主要技术指标如下：

图1 海底有缆在线观测系统示意[3]

（1）海底观测平台框架采用316L 不锈钢材料，设计不低于两层结构，具备防拖曳、防腐蚀、防倾斜、防淤泥、防生物附着、可改造处理等功能，具备传感器独立固定装置、传感器安装扩展空间，最大投放深度可达600m（该指标值不包含观测设备/传感器）（见图2）。

图2 海底观测子系统效果（a）和实物（b）[3]

（2）海底有缆观测系统具备32 个仪器接口模块，可接入国际通用流速剖面仪、多参数水质传感器、水下高清摄像头和照明灯等仪器设备。

（3）岸基控制单元输入电压220V，可为海底观测设备提供电压300V、功率320W；电力信息传输线缆最大传输速率为6.3Mbps（3km 海缆），LTE 4G传输带宽为10—200Mbps。

（4）创新集成模块化机房、虚拟化服务器资源池和大屏幕投影系统，建成软硬件集约集控的智能化数据中心，节约2/3 空间，节省30%系统总功耗。

3 主要技术创新

（1）基于坐底式海底观测平台，集成水下视频、多水质参数、缩微实验室等在线监测技术，研发了水下防污损、防附着技术，综合运用海底电力信息传输、微波中继、LTE4G 通信技术，解决水下-海上平台-陆地之间多种环境下的远距离、高带宽信息传输难题，实现海洋环境要素的海底原位在线观测。

与国内外同类技术相比，系统在多元数据采集控制上采用控制器局域网络（CAN）总线分布式集成、模块化控制技术，可扩展支持多达32 个水下仪器接口模块，远多于国际观测网以及我国东海、南海海底观测网采用的接驳盒定制接口[4]。本项目依托海上油气平台放置岸基控制单元，将输入电力转化为300V 直流输出，远低于美国MARS、加拿大NEPTUNE 等大型海底观测网以及我国三亚海底观测网的10kV 主干直流电压[2，5，6]，极大降低了经济成本和实施难度。

（2）基于水下视频监测数据发展了嵌入式水下溢油和生物识别技术，可实现溢油的早发现早识别和长期在线监测，同时可实现水下生物在线监测。

与国内外同类技术相比，国际海底观测网的水下主干线缆目前均为光电复合缆，存在电缆电力载波信号长距离传输衰减严重的问题。本项目优化了电力载波信号调制处理算法，研制了通信调制模块和电力信息混合传输模块，有效抑制噪声、降低误码率，从而提高信道传输效率及传输距离；采用的两芯电缆同时承担电力和观测信息传输，在3km 距离上供电功率、信息传输带宽速率分别可达320W、6.3Mbps，能有效满足多元观测数据及水下高清视频的实时传输需求。

（3）优化了海洋溢油环境损害快速评估技术体系，综合运用溢油在线监测和生态监测数据，实现溢油影响范围和损害程度的快速评估及生态损害量化。

与国内外同类技术相比，美国等发达国家用于司法索赔较多的溢油损害评估技术主要有自然资源损害评估和生境等价分析，较少使用溢油区域的在线监测数据。很长时间以来，我国对溢油损害的评估主要集中在清污费用、财产损失、渔业经济损失等方面。虽有学者提出了一种适用渤海海域的海洋溢油生态损害的快速预评估模式，但这种模式尚未形成完整的技术体系，难以实现对溢油环境损害的全面、客观评估。

4 推广应用情况

项目成果成功应用于中海油秦皇岛32-6 等多个油田海洋生态在线实时监测工作，同时广泛应用于国家和地方自然资源/生态环境部门海洋生态预警监测业务化工作以及企业/社会团体常态化环境保护管理工作等，显著提高了我国海洋生态预警监测智能化、信息化水平。项目优化的溢油环境损害鉴定评估技术先后在多起大型事故监测评估中发挥了重要的技术支撑作用，为有关部门提供了智力支持和决策支撑。项目成果获得发明专利3 项、实用新型专利11 项、软件著作权2 项，发表SCI 论文1 篇、核心期刊论文8篇，形成技术规范3 项，获得2013年度海洋科技成果二等奖和2021年度山东省海洋与渔业科学技术奖三等奖，创造经济效益总计超1 亿元。