南海北部海域油氣勘探保障建設選址適宜性研究

武二亮,陳浩東,劉裕光,安永寧

(1.中海油海南能源有限公司,海南 ?？?70206;2.交通運輸部 天津水運工程科學研究院,天津300456)

南海北部海域面積約50多萬km2,分布著許多的島礁,包括22個島嶼、7個沙洲、8座環(huán)礁、1座臺礁和1座暗礁海灘,北起北礁,南至先驅灘,東起西渡灘,西止中建島,其海岸線長達518 km,陸地總面積達10 km2,構成了南海陸地面積最大的群島[1-2]。

近年來,我國政府為了更好地履行海上搜救、氣象觀察、防災減災和環(huán)境保護等國際責任與義務,為航行于南海的各國船只提供必要的服務,逐步將該區(qū)域的開放開發(fā)提上日程。南海北部也成為南海工程建設最為頻繁的區(qū)域[3]。

南海蘊藏著豐富的油氣資源,但大部分區(qū)塊遠離陸域,開發(fā)開采時需要依托島陸終端的支持,提供補給、避風和候泊等保障條件。南海北部島嶼眾多,開發(fā)程度較高,是較為適宜的油氣勘探保障區(qū)。在進行保障建設具體選址時,既應考慮自然條件的適宜性,也應考慮開發(fā)程度、政治敏感度等因素,這需要綜合考量南海北部各島礁的不同特點,對每個島礁就建設選址問題做出恰當?shù)脑u價。也就是說,需要在眾多因素、眾多目標下尋求最優(yōu)方案,篩選出最適宜建設的油氣勘探保障區(qū)[4-5]。

本文通過廣泛收集南海北部各島礁的氣象水文、地形地貌和地質構造等自然條件數(shù)據(jù),結合政治影響、投資開發(fā)和交通輻射等因素,應用層次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)原理,選取典型島礁作為備選區(qū),以自然環(huán)境因素、開發(fā)環(huán)境因素、基礎設施與投資情況、其他因素作為評判準則,構建油氣勘探保障選址評判模型,對各備選區(qū)的建設適宜性進行定量化評價,以期為遠海油氣勘探開發(fā)保障體系的建設提供實施思路和參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

南海北部屬于熱帶海洋性季風氣候,具有高溫高濕、對流旺盛、降水較多、干濕季分明的顯著特征,冬季盛行偏北氣流主導的東北季風,夏季盛行偏南氣流主導的西南季風。此外,熱帶氣旋、暴風雨、干旱等災害性天氣出現(xiàn)頻繁[6]。

南海北部海域波浪普遍較大,以風浪為主,秋冬季平均波高最大,為1.8 m,出現(xiàn)在NNE方向,春夏季平均波高較小,為1.1～1.3 m,出現(xiàn)在SW 方向。當夏季有臺風活動時,臺風引起的最大波高可達9.0 m。南海北部海域潮汐較弱,潮差較小,月最大潮差多年平均為150.9 cm[7-8]。

南海北部在構造上處于“南海地臺”中部、大陸地殼和大洋地殼過渡區(qū)的邊緣。新生代“南海運動”造就了受斷裂切割呈斷塊隆起帶的西沙隆起,晚第三紀早期地殼下沉致使區(qū)域接受了厚達千米的生物礁相灰?guī)r沉積,后來隨著海面下降又發(fā)生了一定規(guī)模的白云巖化作用。第四紀以來地殼間歇性升降運動及其引起的海平面變化,使區(qū)域沉積了較厚的生物礁相灰?guī)r和生物碎屑灰?guī)r。全新世中期海平面基本穩(wěn)定,區(qū)域構造主控因素大為減弱,風、浪和流等外部作用成了地貌塑造的新驅動因子,發(fā)育了沙堤、潟湖、洼地、海灘、礁盤和水下斜坡等多種地貌形態(tài)[9]。

南海北部海域遼闊,島嶼眾多(圖1)。陸域低、平、小,島礁均為海洋型島嶼,絕大部分島礁都是以珊瑚、貝屑為主組成不同巖土的珊瑚島礁,礁盤較大;部分海岸發(fā)育有海灘巖,地形平坦,地貌類型較簡單。根據(jù)島嶼空間屬性和水深情況,可將其地貌劃分為3類:陸域地貌類、潮間帶地貌類和水下地貌類。根據(jù)物質組成、巖性結構和形態(tài)成因,可將這3類地貌分為9種形態(tài),其中,陸域地貌類分為沙堤礫堤、洼地、階地、潟湖、殘丘和火山巖臺地六種形態(tài),潮間帶地貌類分為海灘和礁坪兩種形態(tài),水下地貌類主要有水下斜坡一種形態(tài)[10]。

圖1 南海北部海底地勢圖及備選島礁分布Fig.1 Map of seafloor topography and distribution of candidate island reefs in Northern South China Sea

2 研究方法

層次分析法(AHP)是一種定性與定量分析相結合的綜合性評價方法,是將與決策有關的元素分解成目標、準則、方案等層次,在此基礎之上進行定性和定量分析的決策方法,尤其在目標結構復雜且缺乏必要數(shù)據(jù)的情況下,可以極為有效地將決策者的經(jīng)驗判斷給予量化。AHP在安全、環(huán)境、服務、管理等很多領域被廣泛應用。AHP的關鍵是通過求解判斷矩陣最大特征根及其對應的最大特征向量來決定某一層次各元素相對于上一層某一元素的排序權值。在AHP中,判斷矩陣是通過對元素進行重要性兩兩比較來確定的,通常采用1～9的標度賦值來區(qū)分“同等重要”、“稍微重要”、“較強重要”、“強烈重要”和“極端重要”等判斷重要程度[11]。

應用AHP求解一般的多層次結構問題的基本步驟如下[12]:

1)建立遞階層次結構。將所研究問題涉及的因素進行分類,構造一個各因素之間相互聯(lián)接的遞階層次結構模型,其頂層是問題的預定目標,中間層的元素一般是準則、子準則,底層是決策方案。

2)構造兩兩比較判斷矩陣。將決策者對某元素優(yōu)劣的整體判斷轉變?yōu)閷υ撛氐膬蓛杀容^,然后對該元素的整體優(yōu)劣進行排序判斷,確定各元素的權重。

3)計算單一準則下元素的相對重要性。通過將各判斷矩陣A視為單層次子模型,按單層次模型中的方法求解特征根問題:AW=λmaxW,所得特征向量W經(jīng)歸一化后作為本層次元素A1,A2,…,A n對于上一層元素的排序權值。

4)判斷矩陣的一致性檢驗。根據(jù)所得λmax和W,檢驗各判斷矩陣的一致性。

5)計算各層次元素的組合權重。層次總排序從上到下逐層進行,最高層的層次單排序即為總排序,如果已知上一層所有元素A1,A2,…,A m的組合權重,分別為a1,a2,…,a m,與A i相應的本層次元素B1,B2,…,B n的單排序結果為b1i,b2i,…,b ni(i=1,2,…,m)。此時,可根據(jù)公式b n=∑a ib ni計算出本層次元素的組合權重。若B j與A i無聯(lián)系時,b ji=0。

6)評價層次總排序計算結果的一致性。AHP的最終結果是得到相對于總的目標各決策方案的優(yōu)先順序權重,要評價層次總排序計算結果的一致性,需計算與層次單排序相類似的檢驗量。AHP模型的一致性比例值CR 應小于0.1。

3 選址適宜性評價模型

基于AHP原理,通過分析和篩選影響油氣勘探保障建設中的選址因子,構建建設選址評價模型。選取宣德環(huán)礁的永興島、趙述島和永樂環(huán)礁的晉卿島作為勘探保障建設的3個備選區(qū)。然后,基于AHP建立建設選址模型,從3個備選區(qū)中選出最適宜工程建設的勘探保障區(qū),進而驗證該方法的有效性。

3.1 評價模型層次結構

一般來說,影響海洋活動建設選址的因素主要包括4個方面:自然環(huán)境因素、開發(fā)環(huán)境因素、基礎設施與投資情況以及其他因素[13],將這些因素作為勘探保障建設選址評價的一級評判準則。考慮到勘探保障建設與南海北部特有的環(huán)境條件之間的敏感相關性,本文在一級評價準則的基礎上,將各個影響因素進行了具體化,形成了二級評判準則,然后根據(jù)各級評判準則和各備選區(qū),建立起遞進層次結構(圖2)。

圖2 油氣勘探保障建設選址適宜性評價的遞進層次結構Fig.2 A progressive hierarchy diagram for evaluating the suitability of the sites selected for oil and gas exploration support construction

3.2 評價決策準則因素

3.2.1 自然環(huán)境因素

影響島礁建設選址的自然環(huán)境因素主要包括氣象、水文、地形和地質條件。其中,氣象條件中對建設選址影響較大的因素是風和臺風,水文條件中影響較大的因素包括波浪、潮汐和潮流,地形條件中影響較大的因素有自然地形地貌和人工活動建設形成的人工地貌,地質條件中影響較大的因素包括構造及活動性、斷裂發(fā)育、生物礁發(fā)育、火山活動和地塊演化等。

永興島(圖3a)地貌類型最為多樣,且人工地貌較多,趙述島(圖3b)次之,而晉卿島(圖3c)地貌類型較單一,因其緊鄰水下斜坡,更有利于開辟建設深水碼頭。此外,晉卿島比永興島和趙述島受波浪影響大,但受夏季大浪的影響稍小。在構造活動性、生物礁發(fā)育、火山活動、地塊演化和重力異常等方面,永興島、趙述島所在的宣德環(huán)礁與晉卿島所在永樂環(huán)礁的條件差異不大。

圖3 備選區(qū)衛(wèi)星遙感圖像或航攝圖像Fig.3 Satellite remote sensing images or aerial image of the candidate areas

3.2.2 開發(fā)環(huán)境因素

影響島礁建設選址的開發(fā)環(huán)境因素包括開發(fā)面積、開發(fā)用途和輻射區(qū)域。

永興島面積約2.6 km2,現(xiàn)為海南三沙市行政中心。作為三沙市的主體所在,永興島的建設一直是南海開發(fā)的重點。趙述島面積約0.22 km2,為七連嶼中第三大島。趙述島是七連嶼的重要組成島嶼,其開發(fā)前景較好。晉卿島面積約0.21 km2,是永樂環(huán)礁里最南的橢圓形島,島上設有基層管理組織。綜合來看,永興島是南海北部面積最大的島嶼,趙述島和晉卿島面積相當,但趙述島是七連嶼的組成島嶼,開發(fā)面積具有很大的擴展?jié)摿?晉卿島位于晉卿礁盤尾端,緊鄰水下斜坡和晉卿門水道,開發(fā)面積的可擴展性一般。

就開發(fā)用途而言,3個備選區(qū)均以民用為主,建設目標位于行政中心或交通基地。目前,永興島已經(jīng)建設成為三沙市的行政中心,其開發(fā)用途重要性指數(shù)比趙述島和晉卿島都高。

輻射區(qū)域具體包括軍事輻射、經(jīng)濟輻射和政治輻射等。永興島作為三沙市的行政中心,已經(jīng)擁有完善的交通、氣象和通訊等基礎設施,輻射區(qū)域不光覆蓋了整個南海北部,還延伸到了南海的大部分海域;趙述島的軍事、經(jīng)濟及政治價值較為普通,輻射區(qū)域主要局限在七連嶼所在的宣德環(huán)礁上;晉卿島本身的軍事、經(jīng)濟及政治影響力較小,但因地理位置較優(yōu),距周邊各島嶼的距離相當,其輻射區(qū)域除包括所在的永樂環(huán)礁以外,還包括了周邊其他環(huán)礁的島嶼。

3.2.3 基礎設施和投資因素

主要包括交通條件、現(xiàn)有設施和投資水平等。永興島交通設施完善,條件最優(yōu);晉卿島距琛航島較近,受益于其交通優(yōu)勢,條件次之;趙述島的交通條件相對一般。永興島作為三沙市行政中心,投資水平最優(yōu);趙述島是三沙市七連嶼的重要組成,投資前景較好;晉卿島目前的開發(fā)建設程度和投資水平相對較差。

3.2.4 其他因素

還有些因素如國際環(huán)境和歷史沿革等,對選址的影響也很重要。就國際環(huán)境而言,3個備選區(qū)均位于南海北部海域,我國對其及附近海域擁有無可爭辯的主權。從史料來看,永興島的歷史追溯更久遠,但周邊島嶼均遠離大陸,自成一體,其歷史沿革具有相似性和一貫性,只是有的島嶼面積較大,人類活動遺跡保存較多,戰(zhàn)略意義更大,受侵略程度更深一些?？傮w來說,3個備選區(qū)的其他因素影響條件相當。

3.3 評價結果

二級準則間相對重要性的比較判斷可以由從事相關研究的專家學者評分獲得。各備選區(qū)在各個二級準則下的優(yōu)劣水平的評價流程為:首先,由選址課題的負責人向專家學者介紹備選區(qū)的基本情況,以使專家學者對各備選區(qū)的各項評判準則條件產(chǎn)生明確的了解。然后,由專家學者運用語言變量集合{很高、較高、一般、較低、很低},評價各備選區(qū)在二級準則下兩兩比較的優(yōu)劣程度;根據(jù)專家打分給出的語言變量集,構造梯形模糊判斷矩陣,將定性評價結果轉換為定量的優(yōu)劣評價矩陣;對梯形模糊判斷矩陣進行一致性檢驗,對不符合一致性要求的評價進行反饋調整,直到滿足一致性要求;計算各層次元素的組合權重,分別進行層次單排序和合成總排序。最后,計算得出各備選區(qū)的整體優(yōu)劣指數(shù),同時計算出一致性比例CR 值,評價層次總排序計算結果的一致性。

評價結果(表1)顯示,永興島、趙述島和晉卿島三個備選區(qū)的整體優(yōu)劣指數(shù)依次為:0.587 1,0.212 1,0.200 8。AHP模型的一致性比例值CR=0.020 3＜0.1,表明模型構建合理。

表1 二級準則的權重及各備選區(qū)的優(yōu)劣指數(shù)Table 1 The weights of the second-level criteria and the advantage and disadvantage index of each candidate areas

續(xù)表

4 結 語

海上油氣勘探保障建設選址是一個規(guī)模龐大、結構復雜、功能綜合、因素眾多的具有綜合性、區(qū)域性、空間性的動態(tài)系統(tǒng),常伴有大量的結構化、半結構化和非結構化并存的決策問題,需要采用決策支持系統(tǒng)方法來實現(xiàn)。

結合自然環(huán)境、開發(fā)環(huán)境、基礎與投資以及其他因素,本文結合實例,討論了海上油氣勘探保障建設選址應當考慮的各方面因素,分析了其對選址的影響程度,結果表明這些因素不僅決定油氣勘探保障建設選址的取舍,還是評價最終結果的重要指標。

通過構建合理的AHP法選址評價模型,計算南海北部永興島、趙述島、晉卿島三個備選區(qū)的建設適宜性可知,3個備選區(qū)的整體優(yōu)劣指數(shù)依次為0.587 1,0.212 1和0.200 8,其中,趙述島、晉卿島選址區(qū)的整體優(yōu)劣指數(shù)相差不大,而永興島選址區(qū)的整體優(yōu)劣指數(shù)遠大于這2個選址區(qū),該結果符合國家建設投資水平和公眾普遍認知。建立基于層次分析法的海上油氣勘探保障建設選址模型,不但能夠發(fā)揮專家經(jīng)驗作用,而且可以減少由人為主觀因素導致的評估偏差,使得計算的權重更加科學合理、易于實現(xiàn)。選取的永興島、趙述島、晉卿島三個備選區(qū),在開發(fā)完成度、功能定位,以及公眾認知度、互比層次性和發(fā)展預期等方面都非常鮮明、差異明顯,以其為備選區(qū)得出的選址評價結果,更易與公眾的直觀感受相檢驗,更能體現(xiàn)本研究采用的選址決策方法的可行性與適用性。