海上溢油漂移預測預警系統的實驗驗證

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(中海石油環保服務(天津)有限公司，天津 300457)

隨著海洋石油勘探開發的不斷發展，海上石油運輸與日俱增，全球已發生多起較大規模的石油泄漏事件[1-4]。面對日益嚴峻的溢油污染形勢，相關政府部門、行業組織及環保企業也在積極應對。從溢油的圍控到溢油的回收[5]，從溢油的監測到溢油的漂移預測[6]，海上溢油的應急管理逐步前移，由原來的被動的事故處置應對轉變為重在預防和早期預警。一旦發現溢油事故，可以通過海上溢油預測系統來預測溢油漂移的方向和擴散的范圍，從而更加有效地對溢油事故進行處置。

關于溢油應急預測系統，在國外，主要有美國開發的OILMAP[7]、英國研制的OSIS遙感監測系統、挪威研發的OSCAR系統等[8]；在國內，浙江海洋大學的陳建鵬等開發的寧波-舟山港油碼頭溢油預測信息系統及基于色譜技術的油碼頭海域溢油預警系統研究[9-10]、國家海洋信息中心牟林等開發的渤海海域溢油應急預測預警系統[11]、中國海洋大學的焦俊超等開發的基于GIS的渤海灣溢油預測系統研究[12]、大連海事大學研發的大連海域溢油應急預報信息系統[13]等。中海石油環保服務(天津)有限公司研制的海上溢油預測預警系統，實現了覆蓋整個中國近海海域范圍的溢油預報與預警[14]。

1 海上溢油預測預警系統

系統基于水動力模型、溢油模型,以及環境敏感資源區圖和地理信息數據庫，實現油膜的漂移軌跡、環境歸宿和敏感區污染的快速預報與預警。

1.1 水動力模型

基于POM模式建立了σ坐標系下的中國近海三維水動力模型。由于系統預報范圍涵蓋整個中國近海海域，同時又需要重點關注渤海、東海及南海等海域，因此通過大區域模式(水平網格分辨率5′)和小區域模式(水平網格分辨率1′)相結合的方法，大區域模式開邊界條件取自全球潮模式結果，小區域的開邊界條件則取自大區域模式的模擬結果，實現了全海域預測和確保重點關注海域計算分辨率的完美結合。

1.2 溢油模型

基于“粒子跟蹤法”設計溢油三維模型。該模型曾應用于中國海洋石油南海西部公司海上溢油監測決策系統、平湖油氣田海上溢油預報系統、南海東北部海上溢油預報系統、渤海海域溢油漂移軌跡實時預報系統和北部灣及文昌海域溢油漂移專家預測系統的研制，同時還在許多海上油氣田環境評估中應用過。

在溢油模型中，除了考慮風和流的漂移作用外，還考察了蒸發、風化、乳化以及波浪等的影響，此外，還加入了島嶼和海岸對油膜的絞扭作用。

系統自帶包括中國近海的岸線、水深、溫度、鹽度、流場和氣象場資料等數據庫(見圖1、2)，能夠提供中國近海海洋環境的主要信息，對溢油的漂移預測提供可靠的數據支持。

圖2 系統數據庫中1月和7月的海表流場

由于海上溢油預測預警系統擁有豐富的海洋環境氣象信息，通過對溢油模型的修正，使得該系統的溢油漂移預測范圍覆蓋整個中國近海海域，水平網格分辨率5′，渤海、東海及南海等重點區域水平網格分辨率1′，48 h預報時間小于5 min，結果誤差在5 km以內。

2 海上浮標漂移驗證試驗

溢油跟蹤浮標能實現溢油的跟蹤定位，具有全天候使用和全程監測能力，是一種海上溢油實時追蹤監測的穩定、可靠、成本低廉的技術方法[15]。

因此，為了驗證預測結果的準確性，開發海上浮標漂移驗證系統，主要由浮標、北斗衛星接收基站以及操作軟件組成。浮標是根據溢油的類型，按其密度、風因素定制的，內置有定位芯片，可以對浮標進行定位。北斗衛星基站通過浮標內部芯片獲取浮標的經緯度以及流速信息，最后在操作軟件中顯示出浮標的運動軌跡以及對應的位置信息，見圖3。

圖3 浮標位置顯示信息

1)試驗相關信息見表1。

表1 試驗信息記錄

2)試驗區氣象信息測量見表2。

表2 試驗區氣象條件

3)試驗過程。打開浮標操作軟件，待系統讀取的浮標位置信息與實際位置相符時，此時證明系統已與浮標建立了連接。沿下風處投下浮標(見圖4)，操作軟件每10 min刷新一次浮標位置信息，記錄并保存數據。試驗結束后，使用回收桿回收溢油跟蹤浮標,見圖5。

圖4 投放浮標

圖5 打撈浮標

此外，試驗過程中注意利用環保船對浮標進行遠程監視，同時定期測量試驗區的溫度、風速、風向以及海流等信息，以便為海上溢油預測預警系統提供試驗現場的氣象數據。

3 試驗結果分析

3.1 試驗結果

試驗結束后，技術人員將本次試驗的浮標位置信息及漂移數據導出，以2 h為一時間段進行研究，如表3所示。

表3 浮標位置及漂移速度

3.2 對比驗證

試驗人員從浮標操作軟件中導出了溢油跟蹤定位浮標的實測漂移軌跡，如圖6中軌跡1所示。根據海上監測的風海流等信息，基于海上溢油預測預警系統，計算得到了預測漂移軌跡，如圖6中軌跡2所示。通過對比浮標的漂移軌跡和系統的預測軌跡，對浮標實驗的漂移路線、漂移趨勢等方面進行研究。

圖6 浮標漂移路徑與預測路徑對比

由圖6可知，試驗過程中浮標的漂移方向發生了3次大的改變，呈類M形曲線。在第一次轉變之前，實測漂移路線和預測系統模擬的路線吻合度很高；之后，二者軌跡出現偏差，但從整體趨勢上來看，實測的漂移軌跡與系統預測的軌跡保持一致，且累計漂移距離、平均漂移速度也差別不大，最大偏差為2.5 km，試驗數據和預測數據有較高的匹配度，見表4。

表4 試驗數據與預測數據對比

3.3 誤差分析

試驗12 h后(21日2時左右)實測的浮標軌跡和預測模擬的軌跡出現偏差，這是由于試驗開始12 h后，試驗海域風速減小到2 km/s，風力較弱的緣故。由于浮標與溢油相比，密度較重，風速太小時浮標漂移速度必然小于油膜漂移速度，所以導致浮標漂移路徑和預測路徑出現偏差。由于誤差具有累積效應，所以必然導致漂移路徑和預測路徑之間的誤差增大。

4 結論

海上溢油預測預警系統基于水動力模型、漂移擴散模型以及修正的溢油風化模型，同時自帶有中國近海的岸線、水深、溫度、鹽度、流場和氣象場資料等完備的數據庫，使得海上溢油預測預警系統的溢油漂移預測范圍覆蓋整個中國近海海域，48 h預報時間小于5 min，結果誤差小于5 km。

浮標漂移試驗結果表明,雖然浮標的漂移軌跡和系統的預測軌跡兩者有一些偏差，但是從試驗漂移軌跡趨勢、漂移距離、漂移速度整體來看，兩者具有高度的一致性，從而驗證了系統在溢油漂移預測方面的科學性。

下一步還需要對試驗方案繼續進行改進，例如加大對風速以及海流信息的測量頻率，延長試驗時間到48 h以上等。

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