基于海洋石油平臺的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究

陳勝利，宋積文，陸 原，顧艷鎮(zhèn)

（1.中海油信息科技有限公司 北京海洋信息化科技中心，北京 100027；2.中海油（天津）油田化工有限公司，天津 300450；3.浙江大學(xué)海洋學(xué)院，浙江 舟山 310030）

近年來，隨著海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)要求的提高，海上石油平臺對海洋生態(tài)環(huán)境的影響監(jiān)測越來越受到關(guān)注，對采油海域的生態(tài)環(huán)保要求監(jiān)管更加嚴(yán)格。2018 年12 月，生態(tài)環(huán)境部、國家發(fā)展改革委、自然資源部聯(lián)合印發(fā)《渤海綜合治理攻堅(jiān)戰(zhàn)行動計(jì)劃》，要求加強(qiáng)提升環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測預(yù)警和應(yīng)急處置能力，確定開展海上石油平臺、油氣管線、陸域終端等風(fēng)險(xiǎn)專項(xiàng)檢查，在海洋生態(tài)災(zāi)害高發(fā)海域，建立災(zāi)害監(jiān)測、預(yù)警、應(yīng)急處置及信息發(fā)布體系。目前，海上生態(tài)環(huán)境監(jiān)測以短周期水文監(jiān)測為主，在線水質(zhì)監(jiān)測在海上應(yīng)用遠(yuǎn)少于內(nèi)河和港口。港口岸線的水質(zhì)在線監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用廣泛，多參數(shù)水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)用于海洋環(huán)境污染[1]、內(nèi)河水質(zhì)監(jiān)測[2-4]、海洋牧場[5]等多方面，技術(shù)手段多以浮標(biāo)[6-7]為主，并配備了北斗[8-11]等通訊手段，對溫度、鹽度、溶解氧、pH、VOC、葉綠素a 等[1-2，4，7]水質(zhì)主要參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)水質(zhì)的參數(shù)變化，研究對海洋生態(tài)的影響。在線監(jiān)測生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)是對海上平臺周邊海域開展生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的最有效最直接手段，本文基于海洋石油平臺的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究，依托平臺的電力和平臺主結(jié)構(gòu)，采用坐底式的布放方式，集成電導(dǎo)率、葉綠素a、溶解氧、pH、VOC、濁度、海流計(jì)等多種傳感器，實(shí)現(xiàn)海洋石油平臺影響海域生態(tài)環(huán)境參數(shù)的長期在線監(jiān)測。

1 概 述

海上油田等設(shè)施會對海水環(huán)境造成一定的生態(tài)環(huán)境污染。比如，發(fā)生在2011 年的蓬萊19-3 油田溢油事故，就對渤海水環(huán)境造成了較大影響，對山東沿海的水產(chǎn)等產(chǎn)生次生災(zāi)害。海上油田一旦發(fā)生溢油事故，油膜將在風(fēng)、潮流的作用下遷移擴(kuò)散至沿海的生態(tài)區(qū)域，破壞生態(tài)區(qū)域內(nèi)的生態(tài)循環(huán)，造成水產(chǎn)死亡等災(zāi)害，形成經(jīng)濟(jì)損失。

通過建立油田區(qū)域海洋環(huán)境在線觀測系統(tǒng)，利用在線觀測設(shè)備，獲取油田附近海域水文、水質(zhì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，開展油田區(qū)域的在線監(jiān)測，同時(shí)開展油田區(qū)域水文水質(zhì)環(huán)境的長期跟蹤觀測，研究海上采油過程對局地生物生態(tài)環(huán)境和水文水質(zhì)環(huán)境的影響，為一旦發(fā)生溢油等事故的應(yīng)急應(yīng)對和環(huán)境影響評估提供支撐。目前，海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)多用海床基和浮標(biāo)兩種，其中海床基利用無線信號進(jìn)行傳輸，利用聲學(xué)釋放器進(jìn)行回收，本系統(tǒng)依托海洋石油平臺進(jìn)行有纜信號傳輸，信號穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)傳輸速率、維護(hù)周期和回收難易度均要優(yōu)于海床基監(jiān)測系統(tǒng)。

2 生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 基本設(shè)計(jì)

生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)包括生態(tài)環(huán)境海底觀測系統(tǒng)和平臺控制采集系統(tǒng)。海底觀測系統(tǒng)通過設(shè)備支架搭載水文、水質(zhì)監(jiān)測傳感器、流速傳感器、水下視頻監(jiān)控?cái)z像頭。監(jiān)測電纜連接海底觀測系統(tǒng)和平臺控制采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水下觀測儀器的電力供給和數(shù)據(jù)傳輸。平臺控制采集系統(tǒng)位于海洋石油平臺中控室，通過監(jiān)測電纜將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)測軟件平臺，通過監(jiān)測軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，以圖表形式展示。平臺控制采集系統(tǒng)還可以將操控指令通過監(jiān)測電纜發(fā)送給海底觀測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備啟停、參數(shù)設(shè)置，同時(shí)可將關(guān)鍵數(shù)據(jù)傳輸至陸地?cái)?shù)據(jù)庫，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

本系統(tǒng)最大投放深度600 m；水下設(shè)施功率大于300 W；接入國際通用流速剖面儀、多參數(shù)水質(zhì)儀和水下高清攝像頭等儀器。主要的監(jiān)測要素指標(biāo)見表1。

表1 監(jiān)測設(shè)備主要參數(shù)表

2.3 系統(tǒng)水下部分

生態(tài)環(huán)境海底觀測系統(tǒng)為水下采集的主要單元，通過水密信號電纜與平臺控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。水下部分由水下框架和搭載傳感器組成。其中搭載傳感器為海流計(jì)、溫鹽、多參數(shù)水質(zhì)儀、視頻攝像頭、電池倉和數(shù)據(jù)采集器等，可根據(jù)需要增加不同傳感器設(shè)備。數(shù)據(jù)采集器預(yù)留10~12 組數(shù)據(jù)水密接口連接采集傳感器，通過水密電纜連接至平臺控制系統(tǒng)工控機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。電池倉為后備供電系統(tǒng)，常規(guī)供電由水密電纜連接平臺供電，一旦發(fā)生臺風(fēng)等平臺電源關(guān)閉情況，啟動電池倉供電。

水下框架采用316 L 不銹鋼制造，整體為四面錐體，重量132~150 kg，框架高1~1.5 m，底座寬1.2~2.2 m，在框架底部加裝犧牲陽極和配重，加裝保證流速剖面儀保持豎直狀態(tài)的常平架，各儀器具備獨(dú)立的固定裝置，儀器和框架之間采用尼龍隔離；水下密封艙耐壓不小于8 MPa，采用鈦合金加工，為供電系統(tǒng)提供散熱裝置。

2.4 系統(tǒng)控制部分

平臺控制采集系統(tǒng)通過海底電纜連接海底觀測系統(tǒng)，輸入電壓AC220 V，輸出電壓DC300 V，輸出功率大于400 W；數(shù)據(jù)備份儲存不小于12 個(gè)月。海洋監(jiān)測電纜用于連接平臺控制采集系統(tǒng)與生態(tài)環(huán)境海底觀測系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)將實(shí)時(shí)觀測數(shù)據(jù)傳輸至平臺控制采集系統(tǒng)，同時(shí)給生態(tài)環(huán)境海底觀測系統(tǒng)供電。

2.5 監(jiān)測系統(tǒng)軟件

監(jiān)測系統(tǒng)軟件在開發(fā)上采用Java 語言編輯，在整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用主流B/S 框架結(jié)構(gòu)，面向?qū)ο蟮拈_發(fā)理念，采用存儲量大、穩(wěn)定的MySQL 數(shù)據(jù)庫，同時(shí)在各子系統(tǒng)功能的規(guī)劃方面，力求全面、實(shí)用。開發(fā)完成的軟件系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)接收和實(shí)時(shí)顯示功能，支持以天、周、月、年平均等方式進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)查詢及曲線分析，以及觀測儀器遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測、數(shù)據(jù)下載和能夠?qū)ΡO(jiān)測指標(biāo)異常報(bào)警等功能。支持多用戶登陸，根據(jù)不同用戶登錄，分配不同權(quán)限，以保證系統(tǒng)安全可靠性，后臺可根據(jù)登錄日志查看系統(tǒng)登錄情況并建立IP 地址庫，記錄所有重要操作的IP 信息；可通過數(shù)據(jù)展示分析中心查看轄區(qū)范圍內(nèi)在線監(jiān)測站點(diǎn)信息、數(shù)據(jù)及評價(jià)產(chǎn)品；可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)整天接入數(shù)據(jù)中心，可查看所有在線監(jiān)測站點(diǎn)信息及數(shù)據(jù)。

3 實(shí)海試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 實(shí)海試驗(yàn)時(shí)間

生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)于2020 年11 月9 日完成布放，自布放完成之日起進(jìn)入試運(yùn)行階段，本文對試運(yùn)行期間（2020 年11 月9 日至2021 年1 月4 日）監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

每組監(jiān)測數(shù)據(jù)包括溫度、鹽度、水位、溶解氧、pH、濁度、葉綠素a 等參數(shù)。

（1）水深

如圖2 所示，觀測期間站點(diǎn)平均水深為27.94 m，標(biāo)準(zhǔn)差0.35 m。水位半日變化特征明顯，發(fā)生在11月19—24 日。在12 月14 日和12 月30 日觀測到兩次水位低值，最低為12 月30 的26.38 m，小于平均水深1.56 m。

圖2 2020 年11 月9 日至2021 年1 月4 日水深時(shí)間序列及水深異常

（2）溫度

如圖3 所示，觀測期間站點(diǎn)平均底層水溫為10.72 ℃，水溫異常標(biāo)準(zhǔn)差為0.10 ℃，具有較強(qiáng)的半日變化特征，隨潮變化特征較強(qiáng)，可推斷短周期溫度變化應(yīng)為潮汐平流導(dǎo)致。整體溫度存在下降趨勢，但降溫幅度在1 月初放緩，觀測的期間整體降溫約為11 ℃。

圖3 2020 年11 月9 日至2021 年1 月4 日水溫時(shí)間序列及水溫異常

（3）鹽度

如圖4 所示，觀測期間站點(diǎn)平均底層海水鹽度為30.35，標(biāo)準(zhǔn)差為0.51。整體鹽度呈現(xiàn)一定的日變化特征。在水位波動較大的3 個(gè)時(shí)間段，即2020 年11 月17—24 日、2020 年12 月13—19 日、2020 年12 月29 日至2021 年1 月1 日，鹽度波動較強(qiáng)。

（4）溶解氧

如圖5 所示，觀測期間，站點(diǎn)處溶解氧充足，變化振幅就總體濃度來說相對較小，呈現(xiàn)一定的隨潮變化趨勢，即低潮—低溫—高氧，推斷站點(diǎn)處于短周期溶解氧濃度變化受平流作用影響較大。整體上溶解氧呈上升趨勢，與溫度變化趨勢相反。

圖5 2020 年11 月9 日至2021 年1 月4 日溶解氧濃度時(shí)間序列及其異常

（5）葉綠素a

如圖6 所示，觀測期間站點(diǎn)底層海水平均葉綠素a 濃度為1.36 μg/L，標(biāo)準(zhǔn)差為0.31 μg/L。相對來看，葉綠素a 濃度存在更高頻的變化特征，且波動振幅相對平均濃度來說較大。除部分極值外，葉綠素a濃度整體處于1~2 μg/L 之間，并無顯著變化趨勢。

圖6 2020 年11 月9 日至2021 年1 月4 日葉綠素a 濃度時(shí)間序列及其異常

（6）濁度

如圖7 所示，觀測期間平均濁度為11.62 NTU，標(biāo)準(zhǔn)差為13.63 NTU。濁度存在很強(qiáng)的高頻波動。濁度在觀測期間也出現(xiàn)了3 個(gè)異常峰值，分別在2020 年11 月17—24 日、2020 年12 月13—19 日、2020 年12 月29 日至2021 年1 月1 日，參考同期的水位、鹽度的異常變化，考慮3 次峰值期間存在短期的強(qiáng)混和。

圖7 2020 年11 月9 日至2021 年1 月4 日濁度時(shí)間序列及其異常

（7）pH

如圖8 所示，觀測期間pH 平均值為8.56，標(biāo)準(zhǔn)差為0.15，觀測期間海水呈弱堿性，但pH 值存在一定的下降趨勢，從2020 年11 月初的約8.8 下降為2021 年1月初的約8.4。海水處于弱堿性，但存在一個(gè)微弱的pH 值降低趨勢。標(biāo)準(zhǔn)差為0.05，表明海水pH 值變化幅度不大。

圖8 2020 年11 月9 日至2021 年1 月4 日pH 值時(shí)間序列及其異常

圖42020 年11月9 日至2021 年1月4日鹽度時(shí)間序列及其異常

（8）多環(huán)芳烴傳感器

如圖9 所示，多環(huán)芳烴傳感器主要開展周邊海域水中油類濃度參數(shù)測量，運(yùn)行期間傳感器正常工作。觀測期間多環(huán)芳烴濃度平均值為5.94 μg/L，標(biāo)準(zhǔn)差為0.62 μg/L。觀測期間多環(huán)芳烴存在較強(qiáng)的高頻波動，總體呈微弱的下降趨勢。

圖9 2020 年11 月9 日至2021 年1 月4 日多環(huán)芳烴濃度時(shí)間序列及其異常

（9）數(shù)據(jù)接收率

數(shù)據(jù)接收率的計(jì)算公式為：接收率=實(shí)際接收數(shù)/應(yīng)接收數(shù)×100%。應(yīng)接收數(shù)根據(jù)采樣周期進(jìn)行計(jì)算，減去設(shè)備維護(hù)、維修、故障應(yīng)接收的數(shù)量。對試運(yùn)行期間數(shù)據(jù)接收率統(tǒng)計(jì)，其結(jié)果如表2 所示。

表2 各參數(shù)接收率統(tǒng)計(jì)表

由于工作海區(qū)海況復(fù)雜，通常情況下，浮標(biāo)要求數(shù)據(jù)接收率應(yīng)不小于95%（依據(jù)海洋觀測浮標(biāo)通用技術(shù)要求），由上表可知，本系統(tǒng)海上生態(tài)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)接收率均大于95%，最低數(shù)據(jù)接收率為97.81%。

4 結(jié) 論

經(jīng)過海上試驗(yàn)表明，基于海洋石油平臺的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)能監(jiān)測海上生態(tài)環(huán)境參數(shù)，將參數(shù)通過信號電纜傳輸至平臺控制終端，形成有效數(shù)據(jù)采集，從而為海上環(huán)保與海上污染監(jiān)測提供有效的數(shù)據(jù)支持，研究結(jié)論如下。

（1）基于海洋石油平臺的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)海上生態(tài)環(huán)境在線監(jiān)測，監(jiān)測電導(dǎo)率、葉綠素a、溶解氧、pH、VOC、濁度6 種海洋生態(tài)環(huán)境參數(shù)和流速、流向、水溫、鹽度4 種海洋環(huán)境傳統(tǒng)參數(shù)，通過信號電纜實(shí)時(shí)傳輸至平臺，經(jīng)平臺軟件系統(tǒng)分析后實(shí)時(shí)顯示。

（2）通過平臺的現(xiàn)場試驗(yàn)，該系統(tǒng)可長期穩(wěn)定運(yùn)行，布防回收方便，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定完整，數(shù)據(jù)采集完整度超過95%，達(dá)到了數(shù)據(jù)接收率要求。