基于改進的AHP和可拓理論的海上石油平臺溢油污染等級評估

張可 劉曉佳

摘要：

針對海上石油平臺溢油污染評價指標(biāo)與污染程度關(guān)系復(fù)雜，污染等級難以確定等問題，提出一種基于改進的AHP和可拓理論的海上石油平臺溢油污染等級評估方法。構(gòu)建海上石油平臺溢油污染評價指標(biāo)體系，引入物元可拓理論和改進的AHP，建立基于改進的AHP和可拓理論的溢油污染等級評價模型。通過兩個實例進行驗證，結(jié)果表明該方法計算過程簡便、分辨力強，評估結(jié)果更加客觀合理，可為環(huán)境保護及應(yīng)急決策部門采取應(yīng)急對策提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：

溢油; 污染等級; 可拓理論; 層次分析法（AHP）; 石油平臺

中圖分類號： U698.7;X55;X822

文獻標(biāo)志碼： A

Evaluation on oil spill pollution level of offshore oil platform

based on improved AHP and extension theory

ZHANG Ke， LIU Xiaojia

（a. Navigation College; b. Institute of Maritime Traffic Safety， Jimei University， Xiamen 361021， Fujian， China）

Abstract：

In view of the complicated relationship between evaluation indices and pollution levels of oil spill pollution of offshore oil platform， and the difficulties in determining the pollution levels， a method based on the improved AHP and the extension theory is proposed to evaluate the oil spill pollution level of offshore oil platform. The evaluation index system of oil spill pollution of offshore oil platform is constructed. The matter-element extension theory is introduced and AHP is improved. The evaluation model of oil spill pollution level is proposed based on the improved AHP and the extension theory. Two instances are used to validate the method. The results show that the method is of simple calculation process and high resolution， and the evaluation results are more objective and reasonable. The evaluation results can provide scientific basis for environmental protection and emergency decision departments to take emergency measures.

Key words：

oil spill; pollution level; extension theory; analytic hierarchy process （AHP）; oil platform

收稿日期： 2017-06-20

修回日期： 2017-09-27

基金項目： 福建省自然科學(xué)基金（2015J05138）;福建省教育廳項目（JA14176）

作者簡介：

張可（1991—），男，河南周口人，碩士研究生，研究方向為交通運輸規(guī)劃與管理，（E-mail）zhangke_2015@126.com;

劉曉佳（1979—），女，黑龍江富錦人，副教授，碩導(dǎo)，博士，研究方向為交通運輸規(guī)劃與管理、交通安全保障與技術(shù)和應(yīng)急交通決策技術(shù)，（E-mail）happylxj1314@163.com

0 引 言

近年來隨著經(jīng)濟全球化及航運市場的不斷發(fā)展，各國對石油的需求量也在急速增長。我國海關(guān)總署最新數(shù)據(jù)顯示，2016年我國進口原油38 101萬t，同比增長13.6%，石油進口量位居全球第二、亞洲第一。在人類對石油依賴程度越來越高的情況下，一批石油鉆井平臺轉(zhuǎn)移到海洋，海上石油平臺越來越多，隨之也產(chǎn)生了一系列問題，其中尤為嚴(yán)峻的是海上石油平臺溢油污染問題。 2009年8月21日，位于澳大利亞西部的“西阿特拉斯”海上鉆井平臺發(fā)生地下井噴事故，導(dǎo)致每日流入海洋的原油多達2 000桶，泄漏海域污染面積較廣。原油污染可能影響海龜、海蛇及小型藍鯨等多種珍稀生物。 海上重大溢油事故不僅會造成人命傷亡和財產(chǎn)損失，還會嚴(yán)重污染甚至破壞海洋生態(tài)環(huán)境[1]。國內(nèi)外學(xué)者對海上溢油污染清理及污染等級評估等進行了相關(guān)研究：陸夢[2]以最短路徑為基礎(chǔ)，為求得最短應(yīng)急調(diào)度時間建立了應(yīng)急點選址模型;熊德琪等[3]開發(fā)了一種新的預(yù)報信息系統(tǒng)，針對珠江水域特點進行了溢油預(yù)報，通過仿真驗證了其預(yù)報效果較好;劉澤超[4]在對歷史溢油事故總結(jié)的基礎(chǔ)上運用模糊綜合評價模型對長島海域船舶溢油事故進行了評價，并針對長島海域現(xiàn)狀給出了建議及舉措;KANKARA等[5]利用沿海資源信息系統(tǒng)及石油泄漏軌跡模型對海岸風(fēng)險和敏感資源進行了分析;岳漢秋等[6]采用AHP確定指標(biāo)權(quán)重，并利用模糊綜合評價模型對研究海域溢油事故危害進行了評估;WANG等[7]在建立海上石油泄漏應(yīng)急保障能力評估指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上建立了結(jié)構(gòu)方程模型，然后利用該模型分析了各因素對應(yīng)急保障能力的影響，并得到了應(yīng)急保障能力影響指數(shù);XING等[8]利用衛(wèi)星圖像檢測了船舶及海上石油平臺分布情況，得出了研究海域船舶和石油平臺的溢油風(fēng)險地圖;呂妍等[9]運用AHP建立了鉆井平臺的溢油風(fēng)險評價指標(biāo)體系，然后運用多級模糊綜合評價模型對平臺溢油風(fēng)險進行綜合評價。 雖然目前對海上船舶溢油評價有較多研究，但是對海上石油平臺溢油的研究還不多，并且存在研究方法繁瑣、評價指標(biāo)單一帶來的結(jié)果不盡合理的問題。物元可拓理論[10]具有以矛盾問題為研究對象的獨特性質(zhì)，可較好地用于多個領(lǐng)域的方案模型評價。基于此，鑒于海上石油平臺溢油污染評價涉及的指標(biāo)具有多樣性及模糊性特點，且由各個單因素評價得到的結(jié)果存在一定的不相容性，本文應(yīng)用物元可拓理論評價海上石油平臺溢油污染等級，提出一種適用于海上石油平臺溢油污染等級評估的新方法。

1 海上石油平臺溢油污染評價指標(biāo)體系

海上溢油事故的發(fā)生過程是一個動態(tài)的變化過程，對溢油事故污染等級的預(yù)測結(jié)果也是動態(tài)的，其反映的是溢油后對周圍環(huán)境短時間內(nèi)的影響。因此，溢油污染程度評估受到很多因素的影響，具有較大的不穩(wěn)定性。鑒于要考慮的評價指標(biāo)具有多層次、綜合性的特點，為對其統(tǒng)一考量，必須建立統(tǒng)一的評價指標(biāo)體系。從科學(xué)性、可比性和相對獨立性等角度出發(fā)，通過對海上溢油風(fēng)險源的深度分析及對海上溢油事故多種影響因素的識別，選出具有代表性的綜合評價指標(biāo)，構(gòu)建真實反映海上石油平臺溢油污染程度的評價指標(biāo)體系。確定指標(biāo)體系的一般流程為指標(biāo)初選、指標(biāo)初定以及指標(biāo)最終確認。通過咨詢專家進行打分并采用德爾菲法進行確定。通過匿名方式進行幾輪專家意見的咨詢，并對每輪專家意見進行匯總、整理和反饋，在專家意見基本趨于一致的情況下最終確定可靠性較大的評價指標(biāo)體系。

本文在參考文獻[11-12]、其他研究成果及專家咨詢的基礎(chǔ)上，最終選取18個指標(biāo)構(gòu)建海上石油平臺溢油污染評價指標(biāo)體系（見表1），然后用構(gòu)建的基于改進的AHP和可拓理論的評價模型對海上石油平臺溢油污染等級進行評估。

表1 海上石油平臺溢油污染評價指標(biāo)體系

2 海上石油平臺溢油污染等級評估模型

2.1 物元的定義

假設(shè)給定事物為N，特征為c，特征量值為v，用其組成的三元組來描述事物的基本元，稱作物元[13]。物元用R表示，R=（N，c，v），其中，v由N和c確定，記作v=c（N）。事物具有多個特征時，如事物N以n個特征c1，c2，…，cn和相應(yīng)的量值v1，v2，…，vn描述，可表示為

R=Nc1v1

c2v2

cnvn=Nc1c1（N）

c2c2（N）

cncn（N）

2.2 海上石油平臺溢油污染等級可拓體系

在海上石油平臺溢油污染分級中，按照傳統(tǒng)的評判方法不能有效綜合考慮各個因素對事故等級評估結(jié)果的影響，因此本文建立物元可拓模型對各個指標(biāo)進行描述。在咨詢相關(guān)專家及參考文獻[12]的基礎(chǔ)上，確定海上石油平臺溢油污染等級及等級值，見表2。

能見度與當(dāng)時的天氣情況密切相關(guān)，能見度較低時對井口、油氣生產(chǎn)設(shè)施等區(qū)域的觀測及視頻采集等工作受到影響，不僅給應(yīng)急部門的清污帶來很大的困難，也對清污船舶及工作人員的自身安全構(gòu)成嚴(yán)重的威脅，這都有可能導(dǎo)致溢油污染等級的增大。風(fēng)向?qū)σ缬偷挠绊懼饕w現(xiàn)在溢油漂移擴散的方向及地點上。根據(jù)風(fēng)向?qū)σ缬涂赡芷茢U散到的海域的敏感程度進行等級劃分。

參照等級表構(gòu)建3種物元模型：

（1）海上石油平臺溢油污染等級經(jīng)典域物元模型為

表2 海上石油平臺溢油污染等級評估

Rj=Njc1x1j

c2x2j

c18x18j

其中：Nj為所劃分的第j個評價等級;xij=（aij，bij）為Nj的溢油污染評價指標(biāo)ci的量值范圍，i=1，2，…，18。

（2）海上石油平臺溢油污染等級節(jié)域物元模型為

Rp=Nc1x1p

c2x2p

c18x18p

其中：N為待評估對象（海上石油平臺溢油污染事故）的全體;xip=（aip，bip）為N的溢油污染評價指標(biāo)ci的量值范圍，i=1，2，…，18。

（3）針對某一具體海上石油平臺溢油污染事故的待評估物元模型為

R=Pc1x1

c2x2

c18x18

其中：P為某一具體的評估對象;xi為P的溢油污染評價指標(biāo)ci的具體數(shù)值，i=1，2，…，18。

2.3 海上石油平臺溢油污染等級關(guān)聯(lián)矩陣確定

取值為實數(shù)軸上的關(guān)聯(lián)函數(shù)能夠很好地表示可拓集合，用代數(shù)式將定性問題定量化。利用關(guān)聯(lián)函數(shù)把物元中的每個元素都映射到實數(shù)軸上，來表述實數(shù)軸上的一個點x與2個區(qū)間X0=[a，b]和X=[c，d]，X0X。

對于溢油污染等級物元，通過關(guān)聯(lián)函數(shù)的大小確定海上石油平臺溢油污染等級物元與哪一層次更為相符。

關(guān)聯(lián)函數(shù)為

f（x）=ρ（x，x0，X0）ρ（x，X）-ρ（x，X0）， ρ（x，X）-ρ（x，X0）≠0

-ρ（x，x0，X0）-1， ρ（x，X）-ρ（x，X0）=0

其中：ρ（x，x0，X0）為點x與區(qū)間X0關(guān)于給定的點x0∈X0的側(cè)距;ρ（x，X）和ρ（x，X0）為點與區(qū)間的距。

ρ（x，X0）=x-a+b2-b-a2

ρ（x，X）=x-c+d2-d-c2

考慮到絕大多數(shù)評價指標(biāo)為成本型指標(biāo)（即指標(biāo)值越小越好），故本文x0最優(yōu)取值為a，即x0=a時，具有最理想的效果。

簡化公式為

ρ（x，x0，X0）=a-x， x≤a

x-b， x>a

對于本文的18個評價指標(biāo)和5個溢油污染等級，組成一個18×5的關(guān)聯(lián)矩陣，記為F。

2.4 改進的AHP

針對傳統(tǒng)的1-9標(biāo)度AHP存在判斷差異不明顯、判斷標(biāo)度值不易確定且操作起來較繁瑣等問題，本文采用改進的AHP[14]。該方法具有良好的判斷傳遞性和標(biāo)度值合理性，有利于決策者在兩兩比較判斷過程中提高準(zhǔn)確性。

（1）由專家得出比較矩陣A=（aik），其中aik為因素i與因素k的重要性比較。

aik=-1，因素i劣于因素k

0，因素i等于因素k

1，因素i優(yōu)于因素k

（2）計算指標(biāo)的重要性排序指數(shù)ri。

ri=nk=1aik

（3）構(gòu)造最優(yōu)傳遞矩陣B，其中：

bij=1nnk=1（aik-ajk）

（4）求B的一致矩陣即判斷矩陣C，其中：

cij=exp（bij）

（5）層次單排序特征向量滿足

CW=λmaxW

其特征向量利用方根法求得，即

W=（ω1，ω2，…，ωn）

其中：

ωi=nnk=1ciknk=1nnk=1cik

（6）求得C的特征向量，分級求取并進行歸一化處理，即得各指標(biāo)的權(quán)重。

2.5 海上石油平臺溢油污染等級確定

根據(jù)評估要求，在利用改進的AHP確定權(quán)重W的基礎(chǔ)上，求出評估結(jié)果：

P=WF

最終確定的溢油污染等級為矩陣P中的最大值對應(yīng)的溢油污染等級。

3 模型應(yīng)用

3.1 確定指標(biāo)權(quán)重

經(jīng)專家咨詢，首先對一級指標(biāo)進行排序即確定指標(biāo)重要程度，然后對二級指標(biāo)進行排序。用三標(biāo)度法列出各個指標(biāo)的判斷矩陣。

一級指標(biāo)重要性排序為溢油量、氣象要素、油品特性、溢油位置、水文要素，判斷矩陣見表3。

一級指標(biāo)對應(yīng)的二級指標(biāo)判斷矩陣見表4～8。

利用改進的AHP得到一級指標(biāo)權(quán)重，即

W=（0.277 6，0.196 8，0.160 8，0.236 0，0.128 8）。

一級指標(biāo)對應(yīng)的二級指標(biāo)權(quán)重為

W1=（0.271 2，0.319 1，0.225 8，0.183 9）

W2=（0.316 7，0.270 6，0.226 7，0.186 0）

W3=（0.385 7，0.332 7，0.281 6）

W4=（0.385 7，0.332 7，0.281 6）

W5=（0.316 4，0.226 7，0.186 5，0.270 4）

表3 一級指標(biāo)判斷矩陣

表4 溢油量判斷矩陣

表5 油品特性判斷矩陣

表6 溢油位置判斷矩陣

表7 氣象要素判斷矩陣

表8 水文要素判斷矩陣

最終，18個二級指標(biāo)的權(quán)重分別為

0.075 3，0.088 6，0.062 6，0.051 1，0.062 3，0.053 3，0.044 6，0.036 6，0.062 0，0.053 5，0.045 0，0.091 0，0.078 5，0.066 5，0.040 7，0.029 2，0.024 4， 0.034 8。

3.2 構(gòu)建基于改進的AHP和可拓理論的海上石油平臺溢油污染等級評估模型

經(jīng)典域物元R1～R5和節(jié)域物元Rp可具體表示為

R1=N1c1（0，0.6]

c2（0，4]

c18（0，0.5]

R2=N2c1（0.6，3.0]

c2（4，15]

c18（0.5，1.5]

R3=N3c1（3.0，10.0]

c2（15，20]

c18（1.5，3.0]

R4=N4c1（10.0，30.0]

c2（20，30]

c18（3.0，9.0]

R5=N5c1（30.0，180.0]

c2（30，200]

c18（9.0，25.0]

Rp=Pc1（0，180.0]

c2（0，200]

c18（0，25.0]

3.3 案例分析

案例1 已知渤海埕島油田開發(fā)區(qū)CB6A-5井發(fā)生溢油事故，總溢油量為90.7 t。溢油事故發(fā)生時海面風(fēng)速約為6 m/s，能見度為950 m，表層流速為0.52 m/s，表層水溫為13.5 ℃，波高為2.3 m，溢油擴散深度為1.5 m，油膜厚度為500 μm。泄漏原油為中質(zhì)原油，其API度為22，閃點為52 ℃±5 ℃，黏性約為550 mPa·s。該平臺離岸距離約為16.5 km，岸線類型為粗沙海灘，溢油時間跨度為100多天。據(jù)估計，溢油平均速度為0.5 t/d，風(fēng)向與海域敏感資源成一定的角度。沿岸及海上不存在旅游區(qū)。上述數(shù)值為實測值。

基于上述構(gòu)建的模型，構(gòu)建待評估物元R，經(jīng)計算得出最終評估結(jié)果為P=（-0.235 5，-0.242 3，0.095 2，-0.110 3，-0.514 1），其中最大值為0.095 2，故得知CB6A-5井溢油事故污染等級為中度污染。

案例2 渤海綏中36-1平臺溢油，總溢油量為2.6 t，擴散速度一般。溢油事故發(fā)生時海面風(fēng)速約為5 m/s，表層流速為0.51 m/s，表層水溫為10.5 ℃，波高約1.4 m，溢油擴散深度為0.3 m，油膜厚度為30 μm， 能見度較好（大于1 000 m）。泄漏原油為輕質(zhì)原油，其API度約為36，閃點約為122 ℃，黏性為385 mPa·s。該平臺離岸距離約37 km，岸線類型為粗沙海灘。溢油后2 d時間內(nèi)完成了油田附近海面油膜的清理工作。據(jù)估計，溢油速度為1 t/d， 溢油位置基本處于較開闊海域，不存在自然保護區(qū)、養(yǎng)殖區(qū)。沿岸存在旅游區(qū)，但其距岸較遠。該海域存在對油類敏感的成體生長區(qū)，風(fēng)向與海域敏感資源相反。

基于上述構(gòu)建的模型，構(gòu)建待評估物元R，經(jīng)模型計算得出最終評估結(jié)果為P=（-0.144 6，0.284 9，-0.061 8，-0.555 6，-0.694 5），其中最大值為0.284 9，故得知36-1平臺溢油事故污染等級為輕度污染。

通過對比發(fā)現(xiàn)，評估結(jié)果與事故報告結(jié)果一致。構(gòu)建的評價模型具有較好的評估能力且計算過程相對簡單，能夠很好地評估海上石油平臺溢油危害程度，可為相關(guān)部門迅速采取應(yīng)急對策提供參考。

4 結(jié) 論

本文在海上石油平臺溢油污染等級評估相關(guān)研究的基礎(chǔ)上確定了更加全面的評價指標(biāo)體系，并提出一種基于改進的AHP和可拓理論的溢油污染等級評價新方法。改進的AHP具有良好的判斷傳遞性和標(biāo)度值合理性，構(gòu)建的可拓理論模型計算過程簡便、分辨力強，能迅速準(zhǔn)確地評估溢油污染等級。基于改進的AHP和可拓理論的評價模型能夠提供更為準(zhǔn)確的信息，使復(fù)雜情況下的海上石油平臺溢油污染等級評估更加準(zhǔn)確，同時也為海上溢油污染等級評估提供了一個新方法。

參考文獻：

[1]張樹棟， 翁辰， 黃慧琴， 等. 崇明西沙濕地土壤石油類污染物季節(jié)變化特征及其對植被類型的影響[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報， 2016， 25（2）： 300-306. DOI： 10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.02.017.

[2]陸夢. 海上溢油應(yīng)急點選址優(yōu)化[J]. 上海海事大學(xué)學(xué)報， 2008， 29（1）： 23-26.

[3]熊德琪， 楊建立， 嚴(yán)世強， 等. 珠江口區(qū)域海上溢油應(yīng)急預(yù)報信息系統(tǒng)的開發(fā)研究[J]. 海洋環(huán)境科學(xué)， 2005， 24（2）： 63-66.

[4]劉澤超. 長島海域船舶溢油風(fēng)險評價及應(yīng)急對策研究[D]. 大連： 大連海事大學(xué)， 2016.

[5]KANKARA R S， AROCKIARAJ A， PRABHU K. Environmental sensitivity mapping and risk assessment for oil spill along the Chennai Coast in India[J]. Marine Pollution Bulletin， 2016， 106（1/2）： 95.

[6]岳漢秋， 甘鑫平， 牟乃夏， 等. 海上船舶溢油事故模糊評估與決策分析[J]. 環(huán)境工程學(xué)報， 2015， 9（8）： 3780-3784.

[7]WANG H， CHEN H. Analysis of the marine oil spill emergency guarantee ability assessment based on SEM[C]//Intelligent System Design and Engineering Applications （ISDEA）. Third International Conference on Intelligent System Design and Engineering Applications. Hong Kong： IEEE Computer Society， 2013： 329-332. DOI： 10.1109/ISDEA.2012.81.

[8]XING Q， MENG R， LOU M， et al. Remote sensing of ships and offshore oil platforms and mapping the marine oil spill risk source in the Bohai Sea[J]. Aquatic Procedia， 2015， 3： 127-132. DOI： 10.1016/j.aqpro.2015.02.236.

[9]呂妍， 魏文普， 張兆康， 等. 海洋石油平臺溢油風(fēng)險評價研究[J]. 海洋科學(xué)， 2014， 38（1）： 33-38. DOI： 10.11759/hykx20120611002.

[10]辛曼玉. 基于突變-可拓學(xué)的港口物流績效雙層評價模型[J]. 上海海事大學(xué)學(xué)報， 2011， 32（4）： 60-64.

[11]寧庭東. 船舶油污事故的損害評估及應(yīng)急處理[D]. 大連： 大連海事大學(xué)， 2006.

[12]劉潔. 渤海海域海上石油平臺溢油污染等級評估方法研究[D]. 青島： 中國海洋大學(xué)， 2010.

[13]楊春燕， 蔡文. 可拓學(xué)[M]. 3版. 北京： 科學(xué)出版社， 2014.

[14]張衛(wèi)中， 陳從新， 張敬東. 改進的AHP及其在地災(zāi)易發(fā)程度分區(qū)中的實踐[J]. 土木建筑與環(huán)境工程， 2009， 31（2）： 85-89.