基于隨機情景模擬統計的海洋溢油污染風險分析
——以濱州貝殼堤島與濕地國家級自然保護區為例

廖國祥，代麗利，盧偉志，葉金清，劉長安

（1.國家海洋環境監測中心，遼寧　大連　116023；2.大連科技學院，遼寧　大連　116052）

基于隨機情景模擬統計的海洋溢油污染風險分析
——以濱州貝殼堤島與濕地國家級自然保護區為例

廖國祥1，代麗利2，盧偉志1，葉金清1，劉長安1

（1.國家海洋環境監測中心，遼寧大連116023；2.大連科技學院，遼寧大連116052）

定量分析敏感資源環境遭受突發性溢油事故的污染風險，對加強海洋溢油風險管理和應急響應具有現實意義。通過參考國內外現有研究成果，構建了溢油隨機情景模擬統計方法，并利用GIS技術實現數據管理及可視化分析。考慮到海洋保護區是典型生物多樣性和生態環境保護的敏感區域，以濱州貝殼堤島與濕地國家級自然保護區為例進行案例研究。首先根據對保護區附近的黃驊港、濱州港海港碼頭、進港航道、錨地及埕北油田石油平臺等溢油風險源的分析，選取3個代表性泄漏地點。然后在經驗證的潮流場模擬數據和2004-2005年風玫瑰圖數據基礎上，對每個地點分別進行450次隨機溢油事故情景（即不同泄漏時間、風速風向、潮流場等）的模擬計算。統計結果顯示，全年所有風向條件下保護區遭受以上泄漏地點的最大溢油污染概率分別為22.9%、9.7%、3.0%，海面油膜最快到達時間分別為2 h、5 h、40 h。與典型情景模擬法的比較可知，隨機情景模擬法是前者的重要補充，能夠彌補大量遺漏的事故情景，有助于更客觀全面地分析與評價海洋保護區遭受溢油事故的污染風險。

溢油；隨機模擬統計；風險分析；污染概率；最快到達時間；海洋保護區

海洋溢油污染風險分析通常需要事故發生概率和事故造成的危害后果兩方面的分析（中國海事局，2011）。溢油事故發生概率通常采用概率論、模糊數學等數理統計方法來估算或預測，國內外已有大量的研究報道（肖景坤，2001；韓俊松等，2010）。而溢油事故危害后果的分析，目前國內研究主要通過溢油漂移擴散數值模擬方法來預測典型水文氣象條件下事故性溢油污染對海洋資源環境的影響（施欣等，2007；楊紅等，2013；袁春光等，2014）。但是這種典型情景模擬方法會遺漏不同水文氣象條件組合情況下溢油擴散影響的分析，難以客觀全面地體現溢油事故污染風險的不確定性。近年來，國內外學者與相關管理部門開始應用隨機模擬統計方法分析和評價海上船舶運輸、石油勘探開發溢油事故對海洋環境（尤其是敏感保護目標）的污染風險，得到污染概率、最快到達時間等重要統計信息，定量化的預測結果對溢油風險管理和事故應急響應具有重要的指導價值（Skognes et al，2004；French-McCay et al，2005；陳榮昌，2014；張學慶等，2014）。

海洋保護區是生物多樣性和生態環境保護的敏感區域，因而通常是溢油污染的重要保護目標。在我國，保護著珍稀瀕危海洋物種、海洋自然遺跡和景觀資源以及重要海洋生態系統的海洋保護區基本分布在近岸濱海地區（國家海洋局，2013），但近年來因港口碼頭建設、海上船舶運輸、海洋石油勘探開發引起的突發性溢油事故頻繁發生（如2010年大連“7.16”溢油事故、2011年“蓬萊19-3”海底溢油事故），對海洋保護區造成巨大生態損害威脅。在此背景下，科學分析海洋保護區等敏感保護目標遭受突發性溢油事故的污染風險，對有效保護海洋生態環境具有重要的現實意義。

濱州貝殼堤島與濕地國家級自然保護區位于渤海西南部的濱海濕地區域，屬于海洋自然遺跡類保護區。隨著保護區東西兩側的黃驊港和濱州港的港口建設和船舶運輸量增加，突發性溢油事故已成為威脅該保護區的一項風險源（廖國祥等，2015）。為此，本文選擇該保護區作為研究對象，應用隨機情景模擬統計法來分析潛在溢油污染風險，以期為保護區管理機構加強應急能力建設和生態風險管理評估提供參考。

1　模型與方法介紹

筆者曾設計和開發了一套溢油可視化數值模擬系統（SIMPACT），該系統集成了水下油氣輸移預測模型和海上溢油行為歸宿模型，具有強大的地理信息系統（GIS）數據管理和可視化功能（廖國祥等，2010、2011a、2011b）。在SIMPACT基礎上，參考國內外現有研究成果，應用Visual C++編程語言開發了溢油隨機情景模擬統計模塊，實現了模型數據前處理、溢油模擬與統計分析、結果可視化等應用功能。下面簡要介紹溢油漂移擴散模擬模型和隨機情景模擬統計方法。

1.1溢油漂移擴散模擬模型

溢油進入海洋后，在海風、海流等環境動力作用下，經歷著漂移、擴散、蒸發、乳化、溶解、分散、油膜性質變化等運動和風化過程。其中，海面漂移擴散是溢油最基本的運動過程，主要包括平流過程和擴散過程。根據拉格朗日觀點，單個油粒子在Δt內的三維空間位移可以表達為：

1.2隨機情景模擬統計方法

對于所研究的海洋溢油事故高發區，首先根據歷史事故和溢油源的空間位置選取多個潛在溢油事故地點，并將影響區域離散為一定數量的計算網格，收集該區域的歷史風向風速監測數據和模擬計算海區潮流場。然后，對每個溢油地點進行數百次隨機情景組合的漂移擴散軌跡模擬，每次事故情景發生時間不確定，隨機選取過去幾年的任一時刻風速風向和流場數據。每一次事故模擬均計算并記錄各個網格的污染物漂移經過時間、油膜厚度、污染物濃度等數據。最后，統計得到每個計算網格的污染概率、最快污染時間、最大油膜厚度、最大（或平均）污染物濃度等影響程度信息。部分統計指標計算如下：

式中：i、j分別為網格的編號；P為該網格遭受污染的概率；M為N次模擬中，該網格海域內受污染的次數；N為總模擬次數；T為N次模擬中污染物到達該網格的最短時間；h為N次模擬中經過該網格的最大油膜厚度；C為N次模擬中經過該網格的最大污染濃度。

2　應用案例分析

2.1研究區概況

2.1.1海洋保護區概況

濱州貝殼堤島與濕地國家級自然保護區（以下簡稱為“保護區”）位于山東省濱州市無棣縣城北60 km處。保護區功能分區包括核心區、緩沖區、實驗區，總面積為43 644.65 hm2，主要保護對象是貝殼堤島和濱海濕地生態系統。保護區內有兩列平行于海岸線的新、老貝殼堤。其中，第二列（新貝殼堤）位于保護區北部，屬裸露開敞型，距今2000-1500年，該貝殼堤仍不斷生長。兩列貝殼堤之間的濕地和向海的潮間濕地與潮下濕地組成了世界罕見的貝殼堤島與濕地系統。保護區內物種豐富，保護區內有文蛤、四角蛤、扁玉螺等貝類和魚、蝦、蟹等海洋生物50余種。此外，保護區是東北亞內陸和環西太平洋鳥類遷徙的中轉站和越冬、棲息、繁衍地，保護區內各種鳥類96種（中國海洋大學，2008）。

2.1.2溢油事故高風險區

隨著海洋經濟社會的快速發展，保護區的東西兩側逐漸建成了兩個現代化港口，分別是河北省的黃驊港和山東省的濱州港。其中，黃驊港的綜合港區以一般散雜貨、集裝箱和成品油、液體化工品運輸為主；散貨港區以鐵礦石、原油等大宗散貨物資運輸為主；港口規劃預測綜合港區及散貨港區2015年、2020年和2030年吞吐量為1.17×108t、1.55×108t和 1.9×108t（滄州市港航管理局，2012）。濱州港現有碼頭設施主要分布在套兒河港區和大口河港區，共有16個200～3 000噸級泊位，年通過能力約300×106t；海港港區一期工程依托西導堤向外延伸，建設2個3×104t級通用泊位；港口規劃預測2015年、2020年和2030年濱州港貨物吞吐量為1.47×107t、2.450×107t和4.95×107t（濱州市人民政府，2012）。

研究顯示，船舶溢油事故多發生在港口碼頭、航道、錨地等區域（韓俊松等，2010）。黃驊港和濱州港的建設發展，使得保護區不可避免地面臨著突發性船舶溢油污染事故的高風險。此外，保護區外海區域還存在埕北油田石油開采平臺。鑒于此，通過對不同碼頭、航道、錨地、石油平臺位置的比較，選取3個潛在溢油事故地點開展溢油隨機情景模擬統計分析（見表1和圖1）。

表1　保護區周邊海域代表性溢油事故地點的選取

2.2潮流場模擬與結果驗證

2.2.1模擬參數設置

圖1　濱州貝殼堤島與濕地國家級自然保護區及周邊潛在溢油事故地點

潮流場是溢油漂移擴散的重要環境動力條件之一。為溢油行為歸宿模擬預測提供較為準確可靠的環境動力數據，本文建立渤海灣的二維潮流場數值模擬模型。采用交錯式矩形網格對方程進行離散，離散過程中采用隱式方向交替差分格式（ADI法）對連續方程和動量方程進行求解計算，并采用“干濕法”模擬灘涂區域隨潮汐漲落而“淹沒”“干出”的情況。表2給出了渤海灣潮流場的數值模擬參數。

表2　渤海灣潮流場的數值模擬參數

2.2.2流速流向驗證

采用保護區及周邊海域4個站位（HH1#、7#、10#、P1）的大潮期25 h潮流連續觀測數據，與潮流場模型計算的流速流向數據進行驗證（圖3）。結果表明，流速流向計算值與實測值吻合良好、變化趨勢一致，基本能夠反映研究區潮流運動狀況。

圖2　渤海灣潮流場計算區域和流速流向驗證站點

圖4給出了渤海灣一個潮周期內的四個時刻（高潮、落急、低潮、漲急）的潮流運動狀態。圖4（a）為高潮時潮流場，渤海灣處于轉流時刻，流速普遍較小。圖4（b）是落急時潮流場，渤海灣中間區域流向呈W-E方向，其他區域潮流沿岸運動；黃驊港和濱州港之間水域流向呈SW-NE向，兩個港口防波堤北側平行于海岸的潮流轉為沿堤運動，并在口門處變為向南的繞流運動，形成口門橫流。圖4（c）是低潮時潮流場，渤海灣處于轉流時刻，流速也普遍較小，流速整體為沿岸運動。圖4（d）是漲急時潮流場，與落急時的流向基本相反，其中渤海灣中間區域流向呈E-W方向，黃驊港和濱州港之間水域流向呈NE-SW向。

圖3　渤海灣4個站位的流速流向驗證

2.3溢油情景模擬與結果分析

為了深入分析隨機情景模擬法與典型情景模擬法的計算結果的差異，本研究分別利用這兩種方法，對表1中的3個代表性溢油事故地點進行模擬計算和結果比較分析。

2.3.1溢油情景設置

風速風向是溢油漂移擴散的另一個重要環境動力因素。黃驊站2004年和2005年二年資料統計顯示：研究區的常風向為WSW、SW風，次常風向為SSW、E向風；全年N向平均風速最大，為7.0m/s；ENE向風次之，平均風速為6.4 m/s（濱州市人民政府，2012）。

圖4　渤海灣不同時刻潮流場模擬結果

圖5　黃驊站風玫瑰圖

綜合前面分析的水文氣象數據，設置溢油事故的典型情景模擬和隨機情景模擬參數，具體見表3。其中，考慮到保護區位于濱州港、黃驊港碼頭航道南面，典型情景模擬時主要選取不利風向N、NE、ENE。

2.3.2結果比較分析

根據表3設置的參數，利用SIMPACT系統進行典型情景和隨機情景的模擬計算，得到濱州貝殼堤島與濕地國家級自然保護區的溢油污染影響預測結果圖。

圖6是A點（代表濱州港碼頭）溢油事故48h內的影響模擬結果。圖6（a）的典型情景模擬結果顯示，風速為6.4 m/s的ENE風條件下，漲潮期、落潮期時發生溢油后油膜到達保護區的時間分別為6 h、8 h。圖6（b）的隨機情景模擬結果顯示，溢油污染影響范圍主要集中在濱州港的東西兩側，其中西側（即黃驊港和濱州港中間口門處）受污染的概率比東側的高。保護區遭受的最大污染概率約22.9%，油膜最快到達時間為2 h。

圖7是B點（代表黃驊港航道）溢油事故48 h內的影響模擬結果。圖7（a）的典型情景模擬結果顯示，風速為7.0 m/s的N風條件下，漲潮期、落潮期時發生溢油后油膜到達保護區的時間分別為16 h、20 h。圖7（b）的隨機情景模擬結果顯示，污染影響范圍主要集中在黃驊港的東西兩側。當風向為北風時，溢油將能夠快速漂移至保護區海域內。保護區遭受的最大污染概率約9.7%，油膜最快到達時間為5 h。

表3　突發性溢油事故典型情景和隨機情景的模擬參數

（圖待續）

圖6　A點溢油事故污染影響模擬結果

（圖待續）

圖7　B點溢油事故污染影響模擬結果

圖8是C點（代表黃驊港錨地和海上石油平臺）溢油事故72 h內的影響模擬結果。圖8（a）的典型情景模擬結果顯示，風速為5.4 m/s的NE風條件下，漲潮期、落潮期時發生溢油后油膜到達保護區的時間分別為42 h、46 h。圖8（b）的隨機情景模擬結果顯示，受渤海灣E-W向漲落潮流和兩個港口碼頭防波提的影響，溢油進入保護區的概率總體較低。保護區遭受的最大污染概率約3.0%，油膜最快到達時間為40 h。

表4給出了A、B、C 3個地點的溢油隨機情景模擬統計分析結果。由表可知，事故地點離保護區越近，保護區遭受污染的概率越高，油膜到達時間越短。由于保護區位于3個事故地點的南面，當北風為主導風向時，保護區遭受溢油污染的概率將明顯升高。

圖6（a）-圖8（a）還可知，典型情景模擬法能夠直觀地給出主導風向、不利風向條件下某次事故的溢油漂移軌跡、潛在影響范圍、溢油質量分布等預測結果。而隨機情景模擬法通過數百次的模擬計算，彌補了典型情景法可能遺漏的其他事故情景，獲得更為全面的溢油最短到達時間、污染概率、總體影響范圍。兩種方法的結合使用，可互為有效的補充，由此得到海洋保護區等生態環境敏感目標的溢油污染風險分析與評價結果將更為全面客觀。

表4　基于隨機情景模擬統計的保護區溢油污染風險分析結果

（圖待續）

圖8　C點溢油事故污染影響模擬結果

3　結束語

本文研究構建了海洋溢油污染風險的隨機情景模擬統計方法，并選擇濱州貝殼堤島與濕地國家級自然保護區進行了應用。模擬統計結果顯示：全年所有風向條件下，若在濱州港的海港碼頭發生溢油事故，保護區遭受污染的最大概率約22.9%，油膜最快到達時間約2 h；若黃驊港航道發生溢油事故，保護區遭受污染的最大概率約9.7%，海面油膜最快到達時間約5 h；若在黃驊港錨地和海上石油平臺發生溢油事故，由于距離較遠及黃驊港和濱州港防波堤的阻擋，保護區遭受污染的概率約3.0%，油膜最快到達時間約40 h。需指出的是，本文采用了2004-2005年風玫瑰圖數據，前述的溢油模擬統計結果難免存在一定的局限。今后工作將盡量收集和采用長時間序列的歷史監測風速風向數據（即3 a以上逐小時記錄的數據），以期進一步提高溢油風險分析結果的可靠性。

目前我國正在加強對海洋保護區的規范化建設與管理（國家海洋局，2014），同時也在加強涉及自然保護區的生態影響評估（環境保護部，2014）。通過本文應用研究表明，隨機情景模擬統計法能夠以定量方式給出溢油污染概率、最快到達時間等重要信息，還可通過GIS技術直觀展示其空間分布；如與典型情景模擬法相結合，可以更為客觀全面的溢油污染風險分析與評價結果，能為海洋保護區的應急能力建設和生態影響評估工作提供重要參考和依據。

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（本文編輯：袁澤軼）

Risk analysis of marine oil spill pollution using a stochastic simulation approach:a case study of Binzhou chenier plain and national wetland nature reserve

LIAO Guo-xiang1,DAI Li-li2,LU Wei-zhi1,YE Jin-qing1,LIU Chang-an1
（1.National Marine Environmental Monitoring Center,Dalian 116023,China; 2.Dalian Institute of Science and Technology,Dalian 116052,China）

Quantitative analysis on the risks of sensitive resources and environments being polluted by oil spill accidents is significant to strengthen the marine oil spill risk management and emergency response.Based on the previous studies,an oil spill stochastic scenario simulation approach was developed,and the GIS technology was employed to facilitate data management and visualization.Considering that marine protected areas(MPAs)are typical sensitive areas for the biodiversity and ecology protection,the MPA(namely Binzhou chenier plain and national wetland nature reserve)located in Bohai Sea of China was selected for the case study.Following the analysis of the oil spill risk sources near the MPA,including sea ports, approach channels,anchorages and oil platforms,three potential spill sites were selected.On the basis of current field data generated by hydrodynamic model and wind rose diagram data during 2004-2005,450 times of stochastic simulation for each spill site were carried out.The results show that the maximum probabilities of the MPA being polluted by oil spills are 22.9% ,9.7%,3.0%,respectively,and the shortest arrival time are 2 h,5 h,40 h,respectively.The comparison between the typicalscenario simulation approach and the stochastic scenario simulation approach was also studied.And the result shows that the latter approach,which is an important supplement of the former,can make up a number of missing spill scenarios,and provide more objective and overall oil spill pollution risk analysis results for marine special protected targets(e.g.MPAs).

oil spill;stochastic simulation;risk analysis;pollution probability;shortest arrival time;marine protected areas

P731.2，X55

A

1001-6932（2016）04-0467-13

10.11840/j.issn.1001-6392.2016.04.015

2015-06-01；

2015-07-10

國家自然科學基金（41306099）；山東省海洋生態環境與防災減災重點實驗室開放基金（2012008）；國家海洋局近岸海域生態環境重點實驗室開放基金（201303）。

廖國祥（1979-），男，博士，副研究員，主要從事海洋溢油數值模擬與風險評估、海洋保護區建設與管理研究。電子郵箱：liaogx2008@126.com。