基于模糊綜合評(píng)判的海洋溢油污染評(píng)估模型研究

張 倩，柳 林，2，潘寶玉，董水峰，董景利，范存國(guó)

（1.山東科技大學(xué) 測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島266590；2.海島（礁）測(cè)繪技術(shù)國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島266590；3.山東省地質(zhì)測(cè)繪院，山東 濟(jì)南 250002）

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基于模糊綜合評(píng)判的海洋溢油污染評(píng)估模型研究

張 倩1，柳 林1，2，潘寶玉3，董水峰1，董景利3，范存國(guó)3

（1.山東科技大學(xué) 測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島266590；2.海島（礁）測(cè)繪技術(shù)國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島266590；3.山東省地質(zhì)測(cè)繪院，山東 濟(jì)南 250002）

在分析總結(jié)相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，利用模糊綜合評(píng)估方法，對(duì)溢油污染程度相關(guān)影響因素進(jìn)行深入分析研究，對(duì)溢油污染程度評(píng)估指標(biāo)體系進(jìn)行改進(jìn)和完善，提出溢油量和離岸距離兩個(gè)影響因子新的隸屬度函數(shù)，構(gòu)建新的海域敏感區(qū)隸屬度子集表并計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重。最后，應(yīng)用此模型對(duì)2002年渤海綏中36-1油田中心平臺(tái)溢油事故進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果顯示污染程度評(píng)估等級(jí)有明顯提高，以期為海洋溢油污染評(píng)估提供科學(xué)依據(jù)，并通過提高污染評(píng)估等級(jí)引起人們對(duì)海洋環(huán)境的重視。

溢油污染；等級(jí)評(píng)估；隸屬度函數(shù)；模糊綜合評(píng)估

doi：10.11759/hykx20150517001

溢油事故一旦發(fā)生，海洋生態(tài)必然會(huì)受到嚴(yán)重危害，造成自然經(jīng)濟(jì)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)雙重?fù)p失。2011年和2012兩年間，我國(guó)沿海以及內(nèi)陸水域共發(fā)生船舶溢油污染事故55起，溢油總量約194.5 t［1］。目前，我國(guó)是世界上最大石油進(jìn)口國(guó)，進(jìn)口石油主要通過油輪運(yùn)輸。海洋溢油事件頻繁發(fā)生，已得到國(guó)家相關(guān)部門的高度重視，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)溢油污染評(píng)估也做出了大量深入的研究，如Zhou［2］基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)溢油事故損害進(jìn)行評(píng)估；楊建強(qiáng)［3］構(gòu)建了適用于渤海海域的溢油生態(tài)損害快速預(yù)評(píng)估模式，并應(yīng)用于“塔斯曼海”號(hào)油輪溢油事故進(jìn)行驗(yàn)證，顯示結(jié)果較為符合實(shí)際情況；劉潔［4］初次建立了基于海上石油平臺(tái)的溢油污染程度評(píng)估指標(biāo)體系。本文則通過對(duì)影響溢油污染程度的相關(guān)因素進(jìn)行綜合全面的分析，構(gòu)建更加完善的海洋溢油污染評(píng)估指標(biāo)體系，并提出新的影響因子隸屬度函數(shù)，為海洋溢油污染等級(jí)評(píng)估提供支持。

1 污染評(píng)估指標(biāo)體系的建立

1.1 污染程度相關(guān)因素分析

1.1.1 溢油量因素

在海洋溢油事故中，溢油量直接關(guān)系到污染程度的等級(jí)。通常情況下，溢油量增大，溢油事故的污染等級(jí)就會(huì)升高，危害程度也就越大。確定溢油量的大小是進(jìn)行溢油損失評(píng)估的首要任務(wù)。

1.1.2 油品特性因素

具有不同性質(zhì)的油污對(duì)海域資源造成的損害也存在較大差異，這就涉及油品特性。溢油對(duì)海洋環(huán)境及海洋生物的毒害程度取決于油污中有毒成分的含量。石油含有上百種化合物，烷烴、環(huán)烷烴、芳香烴含量占50%以上， 不同的烴類其毒性不同。一般來說，油污的密度越大，油品的持久性就越強(qiáng)，從而石油留存的時(shí)間就越長(zhǎng)，對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境造成的損害越大。黏度是反映石油流體的內(nèi)摩擦力（或流動(dòng)能力）的一個(gè)參數(shù)，是決定油污在水中運(yùn)動(dòng)行為的重要因素之一。高黏度的石油不易擴(kuò)散也不利于清除，還可能對(duì)海洋生物造成更大的危害。石油的易燃性是油品重要的安全指標(biāo)，通常用閃點(diǎn)值來衡量，閃點(diǎn)越低，易燃性越強(qiáng)而危險(xiǎn)性就會(huì)越大，這種特性給油污處理工作帶來潛在的危險(xiǎn)。

1.1.3 溢油位置因素

從海洋生態(tài)角度考慮，參考楊建強(qiáng)［5］對(duì)海洋生態(tài)敏感區(qū)域的劃分，基于功能區(qū)將海區(qū)分為海洋生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)、亞敏感區(qū)、非敏感區(qū)，溢油位置離敏感區(qū)越近，造成的損害會(huì)越大。而且人類活動(dòng)和生物分布大都集中在近海岸區(qū)域，因此離岸距離是影響溢油污染程度的一個(gè)重要因素。另外，油污接觸不同類型的岸線，清除的難易程度和經(jīng)波浪沖刷后殘留情況不同，由此對(duì)岸線進(jìn)行分類，不同類型的岸線對(duì)溢油污染程度等級(jí)有一定的影響。

1.1.4 氣象環(huán)境因素

風(fēng)一般會(huì)與波浪、海流共同作用于油污，風(fēng)在很大程度上影響油污的漂移、擴(kuò)散行為，進(jìn)而增大污染面積，而且在風(fēng)速較大的情況下，很難對(duì)油污進(jìn)行回收；在有霧的天氣，能見度過低則不利于實(shí)施溢油應(yīng)急計(jì)劃。

1.1.5 水文環(huán)境因素

溢油發(fā)生后，油污會(huì)經(jīng)歷復(fù)雜的物理、化學(xué)以及生物過程，包括蒸發(fā)、漂移、擴(kuò)散、乳化和沉降等。油污在海面上蒸發(fā)會(huì)受表層水溫影響，溫度越高，蒸發(fā)就會(huì)越快，對(duì)海洋產(chǎn)生的危害相對(duì)會(huì)減少。波浪，一方面，海面波浪作用于油膜，油膜破裂產(chǎn)生的油滴會(huì)與水混合，因此波浪直接控制油污的入水率；另一方面，油污的漂移運(yùn)動(dòng)主要受海面紊流的作用。波浪大小常用波高來表示，波高越大說明波浪對(duì)海水面擾動(dòng)越劇烈，就會(huì)導(dǎo)致更多的油污進(jìn)入海水。油污受到表層海流的推動(dòng)作用會(huì)發(fā)生漂移，表層流速越大，油污的漂移和擴(kuò)散現(xiàn)象就越明顯。表層流向決定油污漂移的方向，若油污朝敏感資源區(qū)漂移，則造成的損失就會(huì)更大。

1.1.6 應(yīng)急系統(tǒng)

溢油應(yīng)急系統(tǒng)在一定程度上控制油污的運(yùn)動(dòng)行為，降低污染程度，相關(guān)部門應(yīng)制定海上溢油應(yīng)急計(jì)劃并進(jìn)行備案。該海域是否屬于海域敏感區(qū)，是否可使用分散劑或消油劑以及使用量的限制，這些信息可以為溢油應(yīng)急計(jì)劃的實(shí)施提供支持。建立海區(qū)通訊和遠(yuǎn)程通訊保障系統(tǒng)，以保證各單位之間聯(lián)絡(luò)暢通，確保海上溢油事故的報(bào)警訊息以及溢油應(yīng)急的各類信息數(shù)據(jù)能夠及時(shí)、準(zhǔn)確、可靠地傳輸，為防污、清污工作提供便利［6］。

1.2 污染評(píng)估指標(biāo)體系的建立

海洋溢油污染隨時(shí)間和環(huán)境動(dòng)態(tài)變化，溢油對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境及生物的損害程度受到多種因素的影響。通過綜合分析海洋溢油污染程度相關(guān)影響因素，總結(jié)主要影響因素，構(gòu)建評(píng)估指標(biāo)體系。溢油污染評(píng)估指標(biāo)體系如表1所示。

表1 溢油污染評(píng)估指標(biāo)體系Tab.1 Oil-spill pollution assessment index system

2 影響因子隸屬度確定

本文通過畫出隸屬度函數(shù)曲線圖來確定溢油量、離岸距離兩個(gè)影響因子的隸屬度，構(gòu)造隸屬度函數(shù)；其他影響因子隸屬度的確定則通過構(gòu)造隸屬度子集表。將溢油污染程度劃分為5個(gè)等級(jí)，構(gòu)建評(píng)語集V=｛V1極輕污染，V2輕度污染，V3中度污染，V4重度污染，V5嚴(yán)重污染｝。本文將列出溢油量和離岸距離的隸屬度函數(shù)，以及海域敏感區(qū)和溢油清污設(shè)備的隸屬度子集表。

2.1 溢油量隸屬度函數(shù)構(gòu)建

在突發(fā)性海洋油污事故處理方面，英國(guó)具有較完善的油污處理及防治體系［7］。在其應(yīng)急體制中，溢油量作為溢油事故污染等級(jí)劃分最主要的參考指標(biāo)，并將溢油對(duì)環(huán)境可能造成的影響劃分為6個(gè)等級(jí)，每個(gè)等級(jí)對(duì)應(yīng)于不同的響應(yīng)措施［8］，具體劃分如表2所示。

本研究參考英國(guó)對(duì)于溢油事故評(píng)估5個(gè)分界點(diǎn)的劃分，采用三角形和梯形相結(jié)合繪制隸屬度曲線的方法提出一種新的溢油量隸屬度函數(shù)曲線，如圖1所示。與我國(guó)現(xiàn)有的水上交通事故定級(jí)方法相比，該方法能夠從一定程度上提高溢油污染的評(píng)估等級(jí)，并且避免主觀判斷，提高評(píng)估的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。

表2 英國(guó)溢油事故等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Oil-spill accident grading standards of England

圖1 溢油量隸屬度函數(shù)曲線Fig.1 Membership functions curve of oil spill inventory

由曲線圖得到溢油量t對(duì)于極輕污染的隸屬度函數(shù)為：

t對(duì)于輕度污染的隸屬度函數(shù)為：

t對(duì)于中度污染的隸屬度函數(shù)為：

t對(duì)于重度污染的隸屬度函數(shù)為：

t對(duì)于嚴(yán)重污染的隸屬度函數(shù)為：

2.2 離岸距離隸屬度函數(shù)構(gòu)建

一般情況下，溢油位置離海岸越近，造成的損害就會(huì)越大，污染等級(jí)也越高。本文參考李偉［9］、劉潔［10］等學(xué)者對(duì)離岸距離這一影響因素的研究，確定5個(gè)分界點(diǎn)值，并首次提出離岸距離隸屬度函數(shù)曲線，如圖2所示，更加準(zhǔn)確地體現(xiàn)出離岸距離與其隸屬度之間的關(guān)系。

圖2 離岸距離隸屬度函數(shù)曲線Fig.2 Membership functions curve of offshore distance

離岸距離d對(duì)于極輕污染的隸屬度函數(shù)為：

d對(duì)于輕度污染的隸屬度函數(shù)為：

d對(duì)于中度污染的隸屬度函數(shù)為：

d對(duì)于重度污染的隸屬度函數(shù)為：

d對(duì)于嚴(yán)重污染的隸屬度函數(shù)為：

2.3 海域敏感區(qū)隸屬度確定

參考翁躍宗［11］確定隸屬度模糊子集表的相關(guān)研究，采用專家打分的評(píng)價(jià)方法，客觀地綜合多數(shù)專家經(jīng)驗(yàn)與主觀判斷并參考?xì)v史數(shù)據(jù)，對(duì)難以進(jìn)行定量分析的影響因素做出合理估算，來確定本文涉及的隸屬度子集表。

不同類型的海域受到溢油污染的影響程度是有差異的。本研究對(duì)海域敏感區(qū)進(jìn)行認(rèn)真分析，從保護(hù)生態(tài)環(huán)境的角度出發(fā)，將海域敏感區(qū)分為4類，第一類包括典型海洋生態(tài)、海洋自然保護(hù)區(qū)；第二類包括漁業(yè)用水區(qū)；第三類包括旅游區(qū)、工業(yè)用水區(qū)、工程用海區(qū)；第四類包括港口區(qū)及其他海區(qū)。構(gòu)造海域敏感區(qū)隸屬度子集表，如表3所示，可以得到不同海區(qū)對(duì)于不同污染等級(jí)的隸屬度。

表3 海域敏感區(qū)隸屬度子集表Tab.3 Membership subset scale of ocean-sensitive area

2.4 溢油清污設(shè)備隸屬度確定

常見的海洋溢油處理技術(shù)有物理方法、化學(xué)方法和生物方法，溢油應(yīng)急中經(jīng)常用到的清污設(shè)備包括圍油欄、溢油回收船和吸油材料等。種類齊全的溢油清理設(shè)備以及數(shù)量充足的化學(xué)制劑，能夠快速有效的清理和回收泄漏的油污，控制或減少油污的損害［12］。溢油清污設(shè)備在一定程度上影響了溢油污染的程度，因此建立其隸屬度子集表如表4所示。

表4 清污設(shè)備隸屬度子集表Tab.4 Membership subset scale of cleaning equipment

3 基于權(quán)重的模糊綜合評(píng)估

3.1 評(píng)估指標(biāo)權(quán)重確定

權(quán)重確定是模糊綜合評(píng)估中一個(gè)重要環(huán)節(jié)，權(quán)重分配表示評(píng)估指標(biāo)相對(duì)重要性大小。能否恰當(dāng)?shù)卮_定指標(biāo)權(quán)重，直接影響到綜合評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確性。研究中常用的模糊子集權(quán)重確定方法包括：層次分析法（AHP）、德爾斐（Delphi）法、專家調(diào)查法等。在本研究中，溢油污染原始數(shù)據(jù)定量程度不高，相關(guān)影響因素多為定性因素，而且建立的溢油污染評(píng)估指標(biāo)體系是多層次的指標(biāo)體系，因此，在確定各模糊子集指標(biāo)的權(quán)重時(shí)，采用定性和定量相結(jié)合的層次分析法，基本步驟如下：（l）通過兩兩指標(biāo)相互比較，建立判斷矩陣。判斷矩陣是進(jìn)行各要素優(yōu)先級(jí)權(quán)重計(jì)算的重要依據(jù)，是使用層次分析法時(shí)重要的基本信息。（2）計(jì)算權(quán)重和最大特征根。 （3）一致性檢驗(yàn)。由于客觀世界具有復(fù)雜性，人們認(rèn)識(shí)問題的方法具有多樣性，對(duì)各指標(biāo)之間進(jìn)行兩兩對(duì)比后，可能會(huì)產(chǎn)生不一致的結(jié)論。這需要計(jì)算一致性指標(biāo)和檢驗(yàn)系數(shù)，防止出現(xiàn)有矛盾的結(jié)論。

在此僅列出應(yīng)急系統(tǒng)中4個(gè)子指標(biāo)的權(quán)重計(jì)算，如表5所示。

表5 應(yīng)急系統(tǒng)子指標(biāo)權(quán)重Tab.5 Emergency system sub-index weight

注：W6代表應(yīng)急系統(tǒng)4個(gè)子指標(biāo)的權(quán)重，λmax=4.221，一致性檢驗(yàn) CR=0.082＜0.1，符合要求。

3.2 模糊綜合評(píng)估

在模糊綜合評(píng)估中，B=A○R，其中A代表權(quán)重；R代表隸屬度；“○”代表模糊矩陣合成算子，其主要分類有：有界和取小算子、取大取小算子、取大乘積算子、有界和乘積算子等。為確保利用各評(píng)估指標(biāo)的全部信息，體現(xiàn)出各個(gè)指標(biāo)在評(píng)估中的協(xié)同作用，能夠更準(zhǔn)確地表明評(píng)估對(duì)象的綜合情況，在本研究中，使用有界和乘積算子（，）·⊕。

3.2.1 一級(jí)評(píng)估

海洋溢油事故一旦發(fā)生，采集溢油量、離岸距離、表層流速、表層水溫等數(shù)據(jù)，從基礎(chǔ)資料數(shù)據(jù)庫中獲得海域類型、油污的主要成分、油污閃點(diǎn)、應(yīng)急計(jì)劃等信息。利用二級(jí)指標(biāo)的權(quán)重和對(duì)應(yīng)的一級(jí)指標(biāo)隸屬度矩陣，得到一級(jí)模糊綜合評(píng)估結(jié)果為：

3.2.2 二級(jí)評(píng)估

二級(jí)模糊綜合評(píng)估結(jié)果為：B=A○R，式中A為評(píng)估指標(biāo)體系中一級(jí)指標(biāo)的權(quán)重，R為一級(jí)模糊綜合評(píng)估結(jié)果。二級(jí)綜合評(píng)估結(jié)果，就是溢油污染程度的總體評(píng)估結(jié)果。根據(jù)模糊綜合評(píng)估經(jīng)常使用的最大隸屬度原則，基于對(duì)溢油污染五類等級(jí)的劃分，判斷溢油污染所屬等級(jí)。

3.2.3 實(shí)例分析

利用劉潔［10］實(shí)例二中原始數(shù)據(jù)，使用本研究提出的溢油評(píng)估模型，對(duì)2002年渤海綏中36-1油田中心平臺(tái)溢油事故進(jìn)行評(píng)估。

3.2.3.1 一級(jí)評(píng)估

同理，得到B3，B4，B5，B6。

3.2.3.2 二級(jí)評(píng)估

可見對(duì)于中度污染的隸屬度為0.499，由最大隸屬度原則可以判斷，渤海綏中36-1溢油事故污染等級(jí)為中度污染。而之前學(xué)者得到的二級(jí)評(píng)估B= （0.185 0.704 0.096 0.011 0），評(píng)估結(jié)果為輕度污染。

4 結(jié)語

海洋溢油事故頻繁發(fā)生，給海洋生態(tài)環(huán)境和人類活動(dòng)帶來了巨大的威脅，對(duì)溢油污染等級(jí)進(jìn)行科學(xué)的判斷可以在一定程度上降低事故帶來的損害。

1）本研究利用模糊綜合評(píng)估的方法，對(duì)影響溢油污染程度的因素進(jìn)行認(rèn)真分析，在以往研究的基礎(chǔ)上，增加了溢油應(yīng)急系統(tǒng)這一因素，完善了溢油污染評(píng)估指標(biāo)體系。

2）提出新的影響因子隸屬度函數(shù)和子集表，應(yīng)用此模型進(jìn)行實(shí)例分析，與之前研究進(jìn)行對(duì)比，提高了溢油污染評(píng)估等級(jí)。

3）利用模糊綜合評(píng)估模型對(duì)溢油污染程度進(jìn)行綜合評(píng)判，將相關(guān)影響因素系統(tǒng)化、具體化，能夠增加評(píng)估的可信度，提高評(píng)估的效率。利用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫和在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可快速獲取海洋溢油各類相關(guān)參數(shù)，及時(shí)對(duì)污染等級(jí)進(jìn)行評(píng)估，為溢油應(yīng)急計(jì)劃提供科學(xué)依據(jù)，減少溢油造成的污染和損失。

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Zhang Jiting.Marine oil spill hazard risk assessment and its preventive measures［D］.Dalian：Dalian Maritime University，2012.

（本文編輯：劉珊珊）

Marine oil-spill pollution assessment model based on fuzzy comprehensive evaluation

ZHANG Qian1,LIU Lin1,2,PAN Bao-yu3,DONG Shui-feng1,DONG Jing-li3, FAN Cun-guo3

（1.Geomatics College，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China；2.Key Laboratory of Surveying and Mapping Technology on Island and Reef，National Administration of Surveying，Mapping and Geoinformation，Qingdao 266590，China；3.Geological Surveying and Mapping Institute of Shandong Province，Jinan 250002，China）

May 17，2015

oil-spill pollution；grade evaluation；membership function；fuzzy synthetic evaluation

Based on previously published research from studies using the fuzzy comprehensive evaluation method，we make an in-depth analysis of the impact factors related to oil spills，improve the oil-spill pollution degree evaluation index system，propose new membership functions for the oil spill inventory and offshore distance，construct a new subset table of the ocean-sensitive area degree of membership，and calculate the weight of each index.Lastly，to validate the scientific bases of our oil-spill pollution evaluation，we validate the proposed model using a case-study instance；the results show that the pollution grade is higher than in previous measurements.

X55

A

1000-3096（2016）05-0097-06

2015-05-17；

2015-09-29

山東省自然科學(xué)基金（ZR2012FM015）；山東省“泰山學(xué)者”建設(shè)工程專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)；青島經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)重點(diǎn)科技計(jì)劃項(xiàng)目（2013-1-27）；海島（礁）測(cè)繪技術(shù)國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目（2013B08）；衛(wèi)星測(cè)繪技術(shù)與應(yīng)用國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目（KLAMTA-201407）

［Foundation： Supported by Shandong Provincial Natural Science Foundation，No.ZR2012FM015；Supported by Special Project Fund of TaiShan Scholars of Shandong Province；Supported by the Key Science and Technology ProjectofQingdao Economic and Technological Development Zone，No.2013-1-27；Supported by the Key Laboratory of Surveying and Mapping Technology on Island and Reed，State Bureau of Surveying，Mapping and Geoinformation，No.2013B08；Funded by Key Laboratory of Satellite Mapping Technology and Application，National Administration ofSurveying，Mapping and Geoinformation，No.KLAMTA-201407］

張倩（1992-），女，山東臨朐人，在讀碩士研究生，主要研究地圖學(xué)與地理信息系統(tǒng)，電話：18765929573，E-mail：279604315@qq.com