冰期海上溢油監(jiān)測及預(yù)測技術(shù)

牛志剛，劉連進，宋莎莎，楊靜，李明

(1.中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津，300452;2.中海石油環(huán)保服務(wù)有限公司，天津，300452)

冰期海上溢油監(jiān)測及預(yù)測技術(shù)

牛志剛1，劉連進1，宋莎莎2，楊靜1，李明1

(1.中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津，300452;2.中海石油環(huán)保服務(wù)有限公司，天津，300452)

結(jié)合我國渤海冰期海上石油勘探開發(fā)海洋環(huán)境保護及減少潛在溢油污染的現(xiàn)實需求，分析目前國內(nèi)外冰期溢油監(jiān)測及預(yù)測技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，探討我國冰期溢油監(jiān)測預(yù)測技術(shù)的研究方向及未來冰期溢油監(jiān)測預(yù)測技術(shù)的應(yīng)用。

渤海;冰期溢油;監(jiān)測;預(yù)測

渤海海域是我國目前最大的海上油氣生產(chǎn)基地，而每年冬季渤海和黃海北部約有3個月的冰期，屆時該海域?qū)⒊霈F(xiàn)不同程度的結(jié)冰現(xiàn)象。海冰會對海洋工程、石油開發(fā)和交通運輸產(chǎn)生很大影響，冰情嚴(yán)重時甚至摧毀海上設(shè)施，造成潛在溢油風(fēng)險。因此，有必要開展冰期海上溢油監(jiān)測及預(yù)測研究，為冰期溢油應(yīng)急提供有效的技術(shù)支持。

1 冰期溢油特點

海面溢油的行為受風(fēng)、浪、流等動力環(huán)境因素及其他非動力環(huán)境因素和油品特性等多種因素的影響，發(fā)生擴散、漂移、蒸發(fā)、分散、乳化、溶解、光氧化，以及相互作用。冰期溢油與海水、大氣及海冰相互作用，使得其行為和歸宿更加復(fù)雜。因此，冰期溢油的監(jiān)測和預(yù)測必須在海冰監(jiān)測和預(yù)測技術(shù)的支持下開展，并依賴海冰監(jiān)測和預(yù)測技術(shù)。

溢油監(jiān)測與預(yù)測要考慮到行為與歸宿。影響冰期溢油行為的各種因素見表1，其中，海冰對溢油行為起主導(dǎo)作用。

一般認(rèn)為海冰密集度小于30%時，對溢油行為不會產(chǎn)生很大影響，超過30%則會明顯影響溢油行為［1］。

表1 冰期溢油行為的影響因素

海冰和低溫環(huán)境會減緩溢油風(fēng)化過程，若溢油凍結(jié)在冰中，風(fēng)化過程可能完全停止，直到海冰融化，溢油暴露到空氣和海水中，風(fēng)化過程才會繼續(xù)。海冰對溢油風(fēng)化過程的影響見表2。

表2 海冰對溢油風(fēng)化過程的影響

2 冰期溢油監(jiān)測及預(yù)測技術(shù)現(xiàn)狀

國外對冰期溢油應(yīng)急技術(shù)的研究較早。2006～2009年，挪威研究院和包括殼牌、雪佛龍、挪威國家石油公司、道達爾、康菲和意大利石油總公司在內(nèi)的6家油氣公司支持開展了JIP(joint indus-try program)項目，研究北極和其他有冰海區(qū)的溢油應(yīng)急技術(shù)，主要研究內(nèi)容包括:冰期溢油的行為與歸宿、現(xiàn)場實驗、遙感技術(shù)、現(xiàn)場燃燒、機械回收及分散劑使用，等。

2．1 冰期溢油監(jiān)測

國外對冰內(nèi)或冰下溢油監(jiān)測的研究開展較早，至今已有近30年的歷史。期間進行了一系列室內(nèi)外實驗研究，對各種探測技術(shù)如高頻脈沖探地雷達、聲波檢測設(shè)備及乙烷氣體感應(yīng)器等的可行性進行了研究［2］。高頻脈沖探地雷達和聲波檢測設(shè)備比較有發(fā)展前途，已開展了大量實驗水槽及現(xiàn)場實驗檢驗該方法冰下溢油檢測的適用性。接收器必須對信號強度中的細微變化足夠敏感，才能檢測到油冰界面，需要設(shè)備天線與海冰間有較好的耦合。此外，冰水混合條件下的溢油監(jiān)測相對容易實施，可借助雷達和激光熒光技術(shù)［3］。

衛(wèi)星遙感圖像可以提供大范圍海域的冰情和可能的油膜信息，特別是合成孔徑雷達(SAR)不受惡劣氣候的影響，適用于冰期監(jiān)測。其不足之處是受分辨率限制，無法檢測到小面積油膜。將衛(wèi)星遙感與浮標(biāo)跟蹤相結(jié)合，便可以獲得溢油位置周圍海域清晰的冰情圖。早期研究表明用SAR亮度值檢測冰上油或冰中油不可行［4］。原因在于油-冰與油-海水間的后向散射差異不大。油膜對于后向散射的影響相對于冰后向散射強度的變化來說較小，此外，油的后向散射可能會因冰中的電磁波耗散而衰減?？赡艿谋嫌突虮杏捅O(jiān)測方法是極化SAR數(shù)據(jù)、SAR復(fù)數(shù)據(jù)或二者結(jié)合。

我國針對有冰海區(qū)的溢油監(jiān)測研究較少，近年來開始采用溢油雷達開展冰區(qū)監(jiān)測研究。但因未獲取到冰區(qū)溢油的雷達圖像，只能從圖像中提取海冰信息進行分析［5］。

2．2 冰期溢油預(yù)測

為對溢油事故采取相關(guān)應(yīng)急措施提供信息，研究油品入海后的污染范圍和運動方向很有必要。冰區(qū)溢油的擴散和漂移問題，比無冰海區(qū)更為復(fù)雜，因為溢油與大氣、海水及海冰均有相互作用。國外在冰區(qū)溢油擴散、漂移方面開展了一系列研究［6-7］。上世紀(jì)80年代加拿大在其東部沿海海域開展了冰區(qū)溢油可控試驗，將油品分別釋放到海冰密集度不同的海域中，觀測溢油的擴散、漂移及其與冰漂流之間的關(guān)系。冰期溢油漂移預(yù)測模型中以冰密集度30%作為分界線，在冰密集度高于30%的冰區(qū)中，溢油和冰塊一起漂移;在冰密集度低于30%的冰區(qū)中，溢油漂移與開闊無冰海域類似。

國內(nèi)針對冰區(qū)溢油行為的研究較少，主要對冰區(qū)溢油擴散和漂移模擬做了初步的數(shù)值定性研究。國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心初步建立了渤海冰區(qū)溢油行為的數(shù)值計算模式，該模式由海冰數(shù)值預(yù)報模式和溢油的擴散、漂移模式組成［8］。近年來，結(jié)合國外研究成果和渤海冰情，建立了冰區(qū)溢油預(yù)報數(shù)值模型［9］，采用臨界密集度值和跟蹤粒子流方法進行數(shù)值計算。

3 我國冰期溢油監(jiān)測及預(yù)測技術(shù)發(fā)展

3．1 建立多傳感器立體化的冰期溢油監(jiān)測體系

目前，我國已開展了業(yè)務(wù)化的海冰監(jiān)測和溢油監(jiān)測，但針對有冰海區(qū)的溢油監(jiān)測研究較少。考慮到渤海作為我國目前最大的海上油氣生產(chǎn)基地，每年冬季有3個月左右的冰期，有必要集成側(cè)視機載雷達、合成孔徑雷達、側(cè)視紅外傳感器及探地雷達等多傳感器，綜合先進的衛(wèi)星、航空、無人機、船載及水(冰)上或水(冰)下探測系統(tǒng)，建立冰期溢油的立體化監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。

1)衛(wèi)星遙感。甚高分辨率光學(xué)遙感數(shù)據(jù)與全天時全天候工作的合成孔徑雷達遙感數(shù)據(jù)相結(jié)合。對于海冰密集度較低(低于40%)和油膜面積相對遙感分辨率較大的情況，可采用遙感識別冰期溢油。此外，衛(wèi)星遙感提供的近實時冰情對于現(xiàn)場溢油應(yīng)急指揮以及降低海洋作業(yè)風(fēng)險也至關(guān)重要。

2)航空遙感。采用多種傳感器進行監(jiān)測，如紅外、紫外、激光熒光、雷達、聲波傳感器，等。激光熒光是一種有效的主動式傳感器，但價格昂貴，體積較大。相對而言，聲波方法及機載探地雷達有一定的發(fā)展?jié)撃堋?/p>

3)跟蹤浮標(biāo)。可用于跟蹤油膜在風(fēng)、海流和海冰運動作用下的漂移，通過安裝GPS，浮標(biāo)可實時獲取油膜的位置和運動信息，并發(fā)送到船只或飛機上的接收裝置。

4)冰上監(jiān)測。當(dāng)冰層厚度足以承受人員及設(shè)備重量時，可以采取冰上監(jiān)測。主要方法有:鉆孔、手持紅外探測儀、探地雷達、油氣嗅探裝置，等，甚至嘗試采用特別訓(xùn)練的搜索犬進行溢油探測。上述方法配合手持GPS可以記錄油膜的位置和范圍。

3．2 發(fā)展渤海冰期溢油數(shù)值預(yù)報模型

結(jié)合國外研究成果及我國渤海具體環(huán)境條件，發(fā)展渤海冰期溢油數(shù)值預(yù)報模型。冰期溢油數(shù)值預(yù)報模型包括以下幾部分。

1)噴發(fā)模型。對于發(fā)生在一定水深處的溢油需考慮溢油模型，如溢油的噴發(fā)及油在水體中的分布。

2)物理環(huán)境模型。風(fēng)、氣溫、降雪、海流、波浪以及海冰。驅(qū)動溢油模型的風(fēng)、海流、波浪等水動力模型以及海冰模擬的準(zhǔn)確度在很大程度上決定著冰期溢油漂移預(yù)測的可靠性。利用遙感等觀測數(shù)據(jù)可以改進海冰和水動力模型，進而改進溢油預(yù)測模型。

3)溢油模型。解決溢油風(fēng)化、油與海冰的相互作用以及油與其他環(huán)境要素的相互作用。冰期溢油模型中必須要考慮到油與海冰的相互作用，因為某些條件下油隨海冰運動，而某些條件油隨海水運動。對于分辨率為10 km左右的海冰模型，進行溢油追蹤的有效方法是估計近表面隨海流運動的油量與隨海冰運動的油量。

油在海冰中的狀態(tài)可能有以下幾種。

1)油凍結(jié)在海冰中，直到海冰融化。這種情況最為簡單，油以與海冰相同速度運動。

2)油被碎冰包圍。這種情況稍微復(fù)雜，海冰模型估計海冰密集度，可作為油按照海冰軌跡或海水軌跡運動的參考依據(jù)。

3)油位于冰下表面的小孔腔中。這種情況最為復(fù)雜，冰下表面的小孔腔中的油量與海冰類型、下表面粗糙度及海流速度有關(guān)。

此外，充分利用各種觀測手段獲取現(xiàn)場數(shù)據(jù)有利于提高溢油預(yù)測的準(zhǔn)確度。通過遙感、冰信標(biāo)、航空調(diào)查、冰情圖等方法可以獲取海冰運移、表面油的范圍、冰厚、粗糙度及密集度等信息，并用于冰期溢油漂移模擬預(yù)測。

3．3 開展冰期溢油監(jiān)測及預(yù)測實驗

結(jié)合國外研究經(jīng)驗，開展冰期溢油監(jiān)測及預(yù)測實驗室和現(xiàn)場實驗。大規(guī)?，F(xiàn)場實驗對于驗證中小規(guī)模的實驗室研究結(jié)果至關(guān)重要。

開展冰期溢油監(jiān)測實驗，一方面對目前適用于開闊水域的各種監(jiān)測技術(shù)方法在冰期監(jiān)測中的適用性進行評估;另一方面，通過積累實驗室條件及現(xiàn)場條件下的溢油監(jiān)測經(jīng)驗，加強冰期溢油監(jiān)測技術(shù)與設(shè)備研究，使得冰期溢油監(jiān)測技術(shù)和設(shè)備盡快應(yīng)用于實際。

開展冰期溢油預(yù)測實驗，對冰期溢油行為、歸宿，溢油風(fēng)化和擴散，溢油與海冰的相互作用進行研究。目前大多冰期溢油理論主要基于有限次數(shù)的小尺度的實驗室研究得到，其結(jié)果還需要結(jié)合實驗室可控條件下的一系列中小尺度實驗以及大尺度現(xiàn)場實驗對其進行驗證。

4 結(jié)束語

總體來說，我國冰期溢油監(jiān)測及預(yù)測技術(shù)相比國際先進水平仍有一定差距，應(yīng)借鑒國內(nèi)外研究經(jīng)驗，加強冰期溢油風(fēng)險監(jiān)測分析，開展冰期溢油監(jiān)測及預(yù)測關(guān)鍵技術(shù)研究，建立冰期溢油監(jiān)測預(yù)測體系，提高我國冰期溢油事故防范和應(yīng)急處置能力，為我國冰期油氣田開發(fā)保駕護航。

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

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［3］王鵬，李志軍，王永學(xué).冰區(qū)溢油探測技術(shù)及其優(yōu)缺點［J］.中國造船，2002，43(S):299-305.

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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

國家工信部項目(GXB-HBC-ZRS)

牛志剛(1983-)，男，碩士，工程師

研究方向:海上溢油污染防治技術(shù)

E-mail:niuzhg@cnooc.com.cn