渤海海域溢油應(yīng)急基地多目標優(yōu)化選址方法

李云斌，劉敬賢，魏蕾，許軍輝

(1.武漢理工大學(xué) 航運學(xué)院,湖北 武漢 430062； 2.天津海事局船員考試中心，天津 300451； 3.中海石油環(huán)保服務(wù)有限公司，天津 300451； 4.國家安全水運中心，湖北 武漢 430062)

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渤海海域溢油應(yīng)急基地多目標優(yōu)化選址方法

李云斌1，2，劉敬賢1，4，魏蕾1，許軍輝3

(1.武漢理工大學(xué) 航運學(xué)院,湖北 武漢 430062； 2.天津海事局船員考試中心，天津 300451； 3.中海石油環(huán)保服務(wù)有限公司，天津 300451； 4.國家安全水運中心，湖北 武漢 430062)

摘要：針對渤海海域日益嚴峻的溢油風險問題,在對渤海海域溢油事故歷史數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，將渤海海域溢油源離散為有限個溢油點，采用事件樹分析法確定各溢油點的風險等級，評估各溢油點對應(yīng)急力量的需求,并對渤海周邊可建立應(yīng)急基地的具體位置進行費效分析，確定各應(yīng)急基地的總災(zāi)難轉(zhuǎn)移費用指標。還結(jié)合溢油點和應(yīng)急點的位置關(guān)系，探討了渤海海域溢油應(yīng)急基地的多目標優(yōu)化選址問題，采用遺傳算法對優(yōu)化問題進行求解。研究結(jié)果表明：在現(xiàn)有綏中、塘沽、龍口3個溢油應(yīng)急基地的基礎(chǔ)上，在東營、營口、大連3個地方規(guī)劃建設(shè)溢油應(yīng)急基地，是渤海海域海上應(yīng)急基地設(shè)置的最優(yōu)化方案。

關(guān)鍵詞：海洋溢油；應(yīng)急基地；遺傳算法；優(yōu)化選址；風險評估；溢油應(yīng)急；費效分析;渤海

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20160309.1447.002.html

環(huán)渤海作為我國北方經(jīng)濟、文化最發(fā)達的地區(qū)，具有三面環(huán)陸，東面通過渤海海峽與黃海相連的半封閉特點，其海水循環(huán)周期大約需要40～200年，自身的納污凈化能力非常有限。渤海是我國最早進行油氣開發(fā)的海域，物探工作開展最早、鉆井數(shù)目最多、建成的固定生產(chǎn)平臺占全國同類平臺總數(shù)的90%以上[1]。渤海海域日益頻繁的海上油氣作業(yè)、儲運等導(dǎo)致本海域溢油污染的風險日益增加。同時，隨著環(huán)渤海地區(qū)及其經(jīng)濟腹地的經(jīng)濟迅速增長，越來越高的通航密度使得渤海海域發(fā)生船舶交通事故、船舶與海上石油設(shè)備的碰撞事故頻率越來越高，進一步加大了本海域溢油風險。據(jù)中海石油環(huán)保服務(wù)有限公司統(tǒng)計，2002年-2013年，該公司共處置溢油事件27次，其中渤海區(qū)域18次、南海西部5次、南海東部3次、東海1次[2]?？梢?，渤海是我國海上生態(tài)環(huán)境最為脆弱，海上溢油風險最高，針對石油污染的自身納污凈化能力最差的海域，建立一個布設(shè)合理、資源分配合理以及應(yīng)急迅速有效的環(huán)渤海海上溢油應(yīng)急服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，是應(yīng)對本海域日益嚴峻的溢油風險的重要舉措。

國外學(xué)者20世紀70年代開始應(yīng)急基地選址研究。Araz C等[1]研究了基于模糊多目標覆蓋的應(yīng)急基地設(shè)置的問題，該研究主要側(cè)重于應(yīng)急資源的配置，未對應(yīng)急基地的設(shè)置及選址進行深入研究。近年來國內(nèi)學(xué)者也開展了相關(guān)的研究，朱燕等[3]提出了一種結(jié)合定性和定量分析的通用航空應(yīng)急應(yīng)急基地的資源配置及選址方法，確定了應(yīng)急基地的數(shù)量，對應(yīng)急基地和受災(zāi)點的救援服務(wù)關(guān)系進行網(wǎng)絡(luò)布局，未對各應(yīng)急基地之間的協(xié)同進行系統(tǒng)深入研究。與國外研究相比，國內(nèi)對應(yīng)急基地選址問題研究大多未考慮應(yīng)急資源應(yīng)用效率以及應(yīng)急基地之間的協(xié)作因素，相關(guān)研究工作多集中在陸上應(yīng)急基地選址問題上，對于海上應(yīng)急基地選址的研究還不夠深入。本文在國內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上，分析對比不同的研究方法，提出一種基于遺傳算法的溢油應(yīng)急基地的優(yōu)化選址方法，以期為我國海上溢油應(yīng)急基地的選址提供理論與技術(shù)參考。

1渤海海域溢油風險分析

溢油風險分析是溢油應(yīng)急體系中的重要組成部分，也是應(yīng)急基地布設(shè)、應(yīng)急資源配置和應(yīng)急策略的主要依據(jù)。

1.1渤海海域溢油源分析

根據(jù)調(diào)研，渤海海域溢油源主要包括：

1)海上石油設(shè)施溢油。海上石油設(shè)施指從事海上石油天然氣勘探、開發(fā)生產(chǎn)作業(yè)的海上移動式鉆井平臺(包括鉆井船)、海上固定式平臺、單點系泊、浮式生產(chǎn)儲油裝置、海底管線等。渤海海域現(xiàn)有平臺共128座，F(xiàn)PSO六艘，油氣管線177條/1 653公里，油品儲罐32座。根據(jù)規(guī)劃，渤海海域在2013年-2030年，將新建平臺累計205座，年均探井、鉆井數(shù)約70口，開發(fā)鉆井和調(diào)整井總數(shù)約423口，石油產(chǎn)量將突破5 000萬方/年，新鋪設(shè)海底油氣管道1 890 km[2]。海上石油設(shè)施的破損、密封不良、火災(zāi)與爆炸、操作失誤、井噴等均會導(dǎo)致溢油事件，海上石油設(shè)施是溢油事件的主要風險源。

2)海上石油作業(yè)溢油。海上石油作業(yè)包括石油勘探、開采、石油儲運、石油產(chǎn)品的煉制等相關(guān)的工作。海上石油作業(yè)溢油是在進行石油相關(guān)作業(yè)過程中發(fā)生的溢油，其主要原因是作業(yè)者的環(huán)保意識不強、思想麻痹大意、操作不規(guī)范、誤操作等人為因素所致[3]。

3)海上交通運輸溢油。船舶發(fā)生油污染事件可分為兩大類：人為失誤或有意行為引發(fā)的操作性溢油事件，即船員不遵守有關(guān)規(guī)定，違章排放艙底水、污油、廢機油等，或因裝卸油時的工作失誤，錯開閥門或法蘭盤接頭脫落，加油時滿艙外溢或輸油管破裂等原因造成的污染；海損事件引發(fā)的事件性溢油事件，即船舶因發(fā)生碰撞、擱淺、觸礁、著火爆炸等意外事件，造成貨油或燃油大量泄漏導(dǎo)致的突發(fā)性溢油事件。隨著環(huán)渤海及其輻射區(qū)域的經(jīng)濟增長，渤海海上交通日趨繁忙，船舶溢油事件的發(fā)生率越來越高。

4)終端碼頭及沿岸溢油。終端碼頭是石油、天然氣儲運的中轉(zhuǎn)站。石油、天然氣經(jīng)海上開采及海底輸送管線到達終端碼頭，然后被輸送到相關(guān)的煉油企業(yè)。目前環(huán)渤海地區(qū)擁有陸上終端5座。另外，渤海沿岸有大小港口近百個，沿岸分布著數(shù)百家石油相關(guān)企業(yè)。同時，黃河、小清河、海河、大遼河、灤河等40多條河流常年注入渤海。天津、河北、山東和遼寧沿海城鎮(zhèn)工業(yè)廢水和生活污水直接入海。終端碼頭、沿岸的石油相關(guān)企業(yè)等部分渤海沿岸區(qū)域面臨著較大的溢油風險。

1.2溢油風險評估

事件樹分析(event tree analysis，ETA)是一種按事件發(fā)展的時間順序由初始事件開始推論可能的后果，即一種邏輯的演繹法，它在給定一個初因事件的情況下，分析此初因事件可能導(dǎo)致的各種事件序列的結(jié)果，從而定性與定量地評價系統(tǒng)的特性[4]。圖1為事件樹分叉示意圖。

圖1　事件樹分叉示意圖Fig.1　Bifurcation diagram of ETA

由圖1事件樹的發(fā)展進程可知，事件F2的發(fā)生概率可表示為

(1)

基于ETA方法，本文從探鉆溢油、開發(fā)鉆井溢油、井噴溢油、生產(chǎn)作業(yè)溢油、海底油氣管道溢油、油品儲罐溢油、FPSO溢油、終端碼頭溢油、海上交通溢油等方面對渤海海域溢油事件的發(fā)生概率進行綜合評估。評估數(shù)據(jù)的選取參考了同類海上石油設(shè)施、同類作業(yè)方式、海上交通所發(fā)生溢油事件近10年的歷史數(shù)據(jù)。估算結(jié)果如表1所示。

1)為更直觀地了解渤海海域溢油風險狀況，表1中溢油事件發(fā)生概率換算為n次/年。

2)渤海海域近10年溢油事件數(shù)據(jù)來源于《中國海油重大海上溢油應(yīng)急能力建設(shè)專項規(guī)劃報告》(2014年3月)。

3)不同規(guī)模的年溢油率是基于溢油源特征及事件樹分析的基礎(chǔ)上得到。

根據(jù)表1風險分析，渤海海域中小規(guī)模溢油事故的發(fā)生率高達2.7次/年，大規(guī)模溢油事故的發(fā)生率達0.211次/年；生產(chǎn)作業(yè)、海上交通、油品儲運等方面溢油發(fā)生率較高，且人因因素是發(fā)生海上溢油事故的主要原因；開發(fā)鉆井及井噴造成大型溢油的風險等級較高。

表1　渤海海域溢油率統(tǒng)計

海上油田作為溢油事件的高風險源，與其相關(guān)的溢油包括油田開采、原油駁運、石油設(shè)施破損、井噴等方面的因素，據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計，渤海海域近10年溢油事故中的70%跟油田相關(guān)[2]。為簡化分析，本文以溢油風險等級較高的海上油田為溢油風險分析點，同時，綜合考慮渤海海域油田分布集中度、油田作業(yè)情況、溢油事件發(fā)生頻次等方面的因素，將渤海海域等效到8個油田溢油風險點。按就近原則將油田作業(yè)、FPSO、終端碼頭等溢油源等效到相應(yīng)的溢油風險點。根據(jù)港口海上交通運輸?shù)姆泵η闆r及就近原則，將海上交通運輸溢油風險等效到相應(yīng)的溢油風險點。等效后的溢油風險點分布情況如表2所示。

表2　渤海海域溢油事件點及風險分析

表2中應(yīng)急力量需求是在假設(shè)各基地應(yīng)急力量均等的條件下，根據(jù)海上溢油應(yīng)急作業(yè)慣例估算得到。其中應(yīng)急隊伍8 h內(nèi)到達溢油風險點視為有效救助。溢油點的溢油風險越高、應(yīng)急隊平均到達時間越長，所需應(yīng)急隊越多。

2渤海海域溢油應(yīng)急基地費效分析

海上溢油應(yīng)急基地的費用主要包括應(yīng)急設(shè)備及耗材費用、溢油監(jiān)測設(shè)備及儀器費用、專兼職應(yīng)急人員費用、設(shè)備維護保養(yǎng)費用、基地建設(shè)與運行費用等。效益的評估主要包括減輕溢油對環(huán)境的損害，減少油污清除的費用及對第三者的賠償責任，減輕海上石油設(shè)施或船舶等財產(chǎn)損害及增加設(shè)施或船舶的預(yù)期壽命，減少溢油或應(yīng)急造成的人員傷亡，提高設(shè)備的利用率等方面的獲益。渤海海域應(yīng)急基地的費效分析主要是借助于定量分析的手段，對效益及風險降低值進行處理，使他們能夠變成可衡量的指標，進而研究應(yīng)急基地的建設(shè)、運行成本及獲益的問題。為了使各應(yīng)急基地建設(shè)運行費用和效益具有可比性，這里引入總災(zāi)難轉(zhuǎn)移費用(GCAF)指標[5-6]。

(2)

式中：ΔR為應(yīng)急基地運行期內(nèi)實施溢油應(yīng)急服務(wù)所回收溢油的噸數(shù)，ΔC為應(yīng)急基地建設(shè)及運行期內(nèi)實施溢油應(yīng)急服務(wù)所增加的總費用。

目前渤海地區(qū)已建成了綏中、塘沽、龍口3個溢油應(yīng)急基地，其溢油回收能力926 m3/h，一次性溢油清除能力達到1 460 m3，形成了對渤海遼東灣、渤中區(qū)域、渤西區(qū)域的溢油應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)。然而，一旦海上溢油漂向東部區(qū)域，目前的3個基地都存在距離遠、響應(yīng)時間長等不利因素。另外，考慮到渤海海域溢油風險的增加，氣象、海況等條件對應(yīng)急工作的不利影響。目前的3個基地無法實現(xiàn)對渤海海域溢油有效應(yīng)急的全面覆蓋。本文基于渤海周邊城市分布，在現(xiàn)有3個基地的基礎(chǔ)上，列出了11個備選應(yīng)急基地。綜合考慮應(yīng)急基地建設(shè)費用、運行成本、基地利用率等指標，對溢油應(yīng)急基地進行費效分析，表3為備選基地情況。

表3　備選基地成本評估

注：表中統(tǒng)計數(shù)據(jù)參照《中國海油重大海上溢油應(yīng)急能力建設(shè)專項規(guī)劃報告》(2014年3月)。

3基于多目標優(yōu)化選址方法

渤海海域溢油應(yīng)急基地優(yōu)化選址的含義為：針對渤海海域溢油事故風險的特點及應(yīng)急需求的特征，建立跨區(qū)域的協(xié)同應(yīng)急機制，確保在本海域溢油事故發(fā)生后，相關(guān)應(yīng)急力量能在最短的時間內(nèi)到達事故發(fā)生點，并對溢油事故進行有效地應(yīng)急。本文在對渤海海域可能發(fā)生溢油事故的海域進行系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，針對渤海周邊可建立應(yīng)急基地的具體情況進行初步分析，提出本海域溢油事故應(yīng)急基地的優(yōu)化選址方法，實現(xiàn)應(yīng)急工作全覆蓋、應(yīng)急成本最小化的要求[7]。

(3)

(4)

經(jīng)過上述變換，可將海上溢油事件應(yīng)急服務(wù)設(shè)施點的選取問題轉(zhuǎn)化為一個典型的多目標優(yōu)化問題。傳統(tǒng)的求解多目標優(yōu)化問題的方法主要是將各子目標聚合成一個帶正系數(shù)的單目標函數(shù)，利用成熟的單目標優(yōu)化問題的求解方法求解。而遺傳算法是著眼于所有個體形成的集合，是求解多目標優(yōu)化問題最優(yōu)解集合的有效手段。本文將渤海海域溢油應(yīng)急基地選址問題轉(zhuǎn)化為多目標優(yōu)化問題，并采用遺傳算法進行優(yōu)化求解，具體步驟如下：

1)目標函數(shù)的建立。基于渤海海域溢油應(yīng)急基地優(yōu)化選址問題，建立以下目標函數(shù)及約束條件。

(5)

2)參數(shù)設(shè)定。由表3中各應(yīng)急基地GCAF可得：C=(6.98，4.013，5.995，8，5.018，7.01，6.027，4.998，7，7.987，2.989)；由表2應(yīng)急隊需求數(shù)減去已建立并符合時間要求的救援隊數(shù)，可得各救援點應(yīng)急力量需求向量b=(2,2,1,2,2,3,2,1)；基于事件點的時間上限(t=8 h)及應(yīng)急點到達事件點的時間關(guān)系，可得轉(zhuǎn)化后的時間系數(shù)矩陣A:

3)遺傳算法求解?；谶z傳算法原理[8-11]，采用MATLAB語言編制算法程序。通過程序?qū)Νh(huán)渤海地區(qū)溢油應(yīng)急基地的選址問題進行優(yōu)化求解。對算法的50 、100、150、200代種群進行比較，其優(yōu)化計算結(jié)果如表4所示，計算過程中解及種群均值的變化如圖2所示。

由表4可以看出，為應(yīng)對渤海海域日益增加的溢油風險需求，可考慮在東營、營口、大連3個地方規(guī)劃建設(shè)溢油應(yīng)急基地，進而提高渤海海域溢油應(yīng)急的覆蓋能力，實現(xiàn)各基地的有效聯(lián)動。

表4　遺傳算法優(yōu)化選址結(jié)果

注：1.表示在該處建立溢油應(yīng)急基地;2.表示該基地應(yīng)急力量加倍。

(a)50代

(b)100代

(c)150代

(d)200代圖2　遺傳算法解及種群變化Fig.2　Genetic algorithm solutions and changes of population

由圖2可以看出，遺傳代數(shù)設(shè)置太少，算法沒有完全收斂，計算結(jié)果有一定偏差。實際應(yīng)用中可適當增加遺傳代數(shù)，確保算法完全收斂。

4結(jié)論

1)渤海是我國海上生態(tài)環(huán)境最為脆弱，海上溢油風險最高，針對石油污染的自身納污凈化能力最差的海域。渤海地區(qū)現(xiàn)有的綏中、塘沽、龍口3個溢油應(yīng)急基地無法實現(xiàn)對渤海海域溢油有效應(yīng)急的全覆蓋，難以應(yīng)對該海域日益增加的溢油風險需求。

2) 基于遺傳算法的多目標優(yōu)化選址分析表明，可考慮在東營、營口、大連3個地方規(guī)劃建設(shè)溢油應(yīng)急基地，進而提高渤海海域溢油應(yīng)急的覆蓋能力，實現(xiàn)各基地的有效聯(lián)動。

3)與國內(nèi)外其他學(xué)者的研究相比，綜合考慮各應(yīng)急基地之間的協(xié)同，同時對溢油應(yīng)急反應(yīng)進行了費效分析，在對渤海海域可能發(fā)生溢油事故的海域進行系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，提出本海域溢油事故應(yīng)急基地的優(yōu)化選址方法，實現(xiàn)應(yīng)急工作全覆蓋、應(yīng)急成本最小化的要求。

4)在研究中假定各溢油風險點在溢油發(fā)生后，油膜未發(fā)生大范圍的漂移，在今后的研究工作中需要考慮在風和流的驅(qū)動下，預(yù)測油膜位置，進而使研究結(jié)果更加的精準。

5)基于遺傳算法的溢油應(yīng)急基地選址優(yōu)化研究能有效解決基地的使用頻率、基地之間的協(xié)調(diào)，基地設(shè)置的成本效益等關(guān)鍵問題，可為渤海海域溢油應(yīng)急基地的選址優(yōu)化提供有益參考。

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收稿日期：2014-12-02.

基金項目：國家自然科學(xué)基金面上項目(51479156).

作者簡介：李云斌(1981-), 男, 工程師,博士研究生； 通信作者：魏蕾, E-mail: 13516171828@163.com.

doi:10.11990/jheu.201412004

中圖分類號：X55

文獻標志碼：A

文章編號：1006-7043(2016)04-0533-06

Multi-objective optimization of oil spill assistant site selection in the Bohai Sea

LI Yunbin1，2，LIU Jingxian1，4，WEI Lei1，XU Junhui3

(1. School of Navigation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China; 2. Seafarers Examination Center, Tianjin Maritime Safety Administration, Tianjin 300456, China; 3. COES, Tianjin 300456, China; 4. National Engineering Research Center for Water Transport Safety, Wuhan 430063, China )

Abstract：In response to the increasingly serious risk of oil spill in the Bohai Sea, in this paper, we discretize the oil spill sources into categories based on a historical analysis of oil spill accident data in the Bohai Sea. We use event tree analysis to determine the risk level of each oil-spill point, and evaluate the rescue effort requirements at each point. We develop a total disaster transfer cost index by using cost and benefit analysis to determine the best location in which to build a emergency base in the Bohai Sea. We consider the relations between oil spills and emergency bases, describe the multi-objective optimization model for oil-spill assistant site selection in the Bohai Sea, and adopt the genetic algorithm to solve the problem. Based on the results from three existing oil spill emergency bases at Suizhong, Tanggu, and Longkou, we found the planning of the oil spill emergency bases in Dongying, Yingkou, and Dalian to be the optimal scheme for maritime emergency bases in the Bohai Sea.

Keywords：marine oil spill; emergency base; genetic algorithm; optimization of site selection; risk assessment; oil spill emergency; cost effectiveness analysis; Bohai Sea

網(wǎng)絡(luò)出版日期：2016-03-09.

劉敬賢(1967-), 男, 教授,博士生導(dǎo)師；

魏蕾(1985-), 女, 助教，博士研究生.