海上溢油應(yīng)急物資可達能力研究*

彭 鑫 文元橋 肖長詩 黃 亮* 周春輝 張 帆 元海文 張義萌

(武漢理工大學航運學院1) 武漢 430063) (武漢理工大學智能交通系統(tǒng)研究中心2) 武漢 430063)(武漢理工大學國家水運安全工程技術(shù)研究中心3) 武漢 430063)(武漢理工大學內(nèi)河航運技術(shù)湖北省重點實驗室4) 武漢 430063)

0 引 言

海上溢油是嚴重的海洋生態(tài)災(zāi)害之一，在世界各地，由于船舶造成的溢油災(zāi)害時有發(fā)生.2018年1月，“桑吉”號游船與“長峰水晶”號貨船在長江口相撞[1]，導(dǎo)致11.13萬t凝析油和船用燃油泄漏，造成了嚴重的人員傷亡、財產(chǎn)損失和海洋環(huán)境污染.2002年11月，巴哈馬籍油船“威望”號在西班牙海域內(nèi)擱淺后斷裂沉沒，數(shù)萬噸重油入海，對于西班牙、葡萄牙及法國的海域、海岸線產(chǎn)生嚴重污染.在1996—2016年間，深圳水域共發(fā)生37起海上溢油污染事故.為了更好應(yīng)對日益增加的海上溢油風險，各國學者們越來越關(guān)注如何縮短海上溢油應(yīng)急救援時間，如何合理評估海域溢油應(yīng)急能力，以及如何提高海上溢油應(yīng)急資源管理能力.海域內(nèi)溢油應(yīng)急救援能力的高低直接關(guān)系到海上溢油事件的處理成效，因此，對海上溢油應(yīng)急能力作出準確客觀評價是十分有必要的.

發(fā)達國家，尤其是美國和日本在應(yīng)急力量評價方面取得了較為豐碩的成果.美國是世界上第一個實施政府應(yīng)急能力評價的國家，Wilson等[2-4]對56個州、地方和海島都完成了應(yīng)急能力狀況的評估工作，并對應(yīng)急管理的四個階段(減緩、準備、響應(yīng)、恢復(fù))作了詳細論述，并提出了相應(yīng)的評價指標.在應(yīng)急評價方面，常見的方法有層次分析法和模糊層次分析法.其中，模糊層次分析法(F-AHP)[5-6]結(jié)合了層次分析法(analytic hierarchy process,AHP)和三角模糊分析數(shù)原理，基于這兩種方法建立的應(yīng)急能力評價指標體系和評價模型，減少了個人主觀臆斷所帶來的弊端，更加符合客觀實際情況.海上溢油應(yīng)急能力評估多從風險識別與控制能力、應(yīng)急資源保障能力、應(yīng)急處置能力、應(yīng)急預(yù)案準備能力以及應(yīng)急恢復(fù)能力五個應(yīng)急能力評價指標體系進行[7-9].

海上溢油應(yīng)急物資是進行海上溢油處置工作的基礎(chǔ)，傳統(tǒng)的對于海上溢油應(yīng)急物資保障和處置能力評估方法，多是從應(yīng)急物資的數(shù)量、類型、海域溢油風險等方面進行評估[10-12].本文綜合分析應(yīng)急物資的配置規(guī)模、覆蓋范圍、響應(yīng)速度這三個方面，將溢油應(yīng)急物資分為溢油圍控物資、溢油回收物資、溢油分散物資、溢油吸附物資和溢油清除物資，建立各類溢油應(yīng)急物資應(yīng)急能力評價計算模型.為海事管理部門對于應(yīng)急物資的合理配置提供依據(jù).

1 海上溢油應(yīng)急物資應(yīng)急能力評估模型

1.1 海上溢油應(yīng)急物資

海上溢油應(yīng)急物資主要包含三大類，分別是溢油應(yīng)急現(xiàn)場處置設(shè)備物資類、溢油應(yīng)急物資運輸設(shè)備物資類及其他設(shè)備物資類.其中，海上溢油應(yīng)急現(xiàn)場處置設(shè)備包括四類物資：溢油圍控物資、溢油回收物資、溢油卸載物資和溢油消油物資.應(yīng)急物資的運輸設(shè)備包括兩類物資：汽車和應(yīng)急船舶，見表1.

表1 海上溢油應(yīng)急物資類別列表

溢油圍控物資主要是指不同性能的圍油欄，利用圍油欄等圍控設(shè)備可將溢油控制在有效的范圍內(nèi).溢油回收主要是通過機械回收的方法對中高黏度或油膜較厚的油品進行回收，溢油回收物資主要包括不同性能的收油機，如刷式收油機、真空式收油機、盤式收油機等.卸載物資包括卸載泵等，可用于將臨時儲油設(shè)備中的回收油輸送到油罐車中.溢油消油是采用化學試劑對油層較薄的油品進行處理，消油物資主要包括化學分散劑、吸油氈等.

1.2 海上溢油應(yīng)急物資應(yīng)急能力評估模型

依據(jù)海上溢油應(yīng)急物資應(yīng)急能力計算方法，對應(yīng)急物資中可量化的物資建立相應(yīng)的應(yīng)急能力評估模型，包括溢油圍控能力及溢油清除能力兩大部分，從而建立應(yīng)急物資綜合應(yīng)急能力評估模型.其中，溢油清除能力涉及到了溢油回收能力、溢油分散能力和溢油吸附能力三個維度的能力計算.詳細描述各維度的海上溢油應(yīng)急物資應(yīng)急能力評估計算方法，對于各個維度應(yīng)急物資應(yīng)急能力的計算，建立數(shù)學方程來定量描述不同變量之間的相互關(guān)系.其中，各個維度的海上溢油應(yīng)急物資應(yīng)急能力計算方程如下.

1) 海上溢油圍控能力計算 采用如下公式計算海上溢油應(yīng)急圍控能力.

(1)

式中：W為溢油為控能力，t；B為圍油欄總長度，m.

2) 海上溢油回收能力計算 溢油回收能力評估計算綜合了溢油機械回收能力、溢油儲運能力兩個圍度.

其中，對于溢油機械回收能力可表示為：

M=E×ρ×α×Y×H×ρ2

式中：M為機械實際回收油量，t；E為收油機標定收油速率，m3/h；ρ為油污水的含油量，本計算模型取值為5%；α為溢油回收設(shè)備的完備率；Y為收油機作業(yè)天數(shù)，d；H為設(shè)備每天可工作時間，本計算模型取平均值為6 h；ρ2為油水混合物密度，t/m3.

海上溢油儲運能力的具體計算公式為

C=[C1+C2×(n+1)×ρ×ρ2]

(2)

式中：C為儲運能力，t；C1為溢油儲運設(shè)備的儲運容量，m3；C2為設(shè)備可重復(fù)使用的儲運裝備儲運容積，m3；n為設(shè)備的轉(zhuǎn)運次數(shù)；ρ為油污水含油率，在本模型中將其取定值為5%；ρ2為海上溢油的油品密度，t/m3.

基于上述對溢油機械回收能力和溢油儲運能力的計算，則區(qū)域內(nèi)總溢油應(yīng)急回收能力為

T1=min(M,C)

(3)

式中：T1為區(qū)域總溢油回收能力，t；M為機械回收能力，t；C為溢油儲運能力，t.

3) 海上溢油分散能力計算 對于海上溢油分散能力計算時，按噴灑裝置噴灑速率來計算溢油分散劑實際處理的溢油量；再依據(jù)區(qū)域?qū)嶋H配備的溢油分散劑數(shù)量來計算區(qū)域的實際溢油分散能力；取兩個值的最小值為最后所得海上溢油分散能力.對于按噴灑裝置噴灑速率計算的溢油分散劑實際處理的溢油量為

(4)

式中：T21為分散劑實際處理的溢油量，t；V為溢油分散劑噴灑裝置噴灑速率，L/min；ρ1為溢油分散劑密度，kg/L；R為分散劑與溢油量的用量比，根據(jù)查閱資料，常規(guī)型分散劑用量比例為0.3∶1，對于濃縮型分散劑用量比例為0.1∶0.2；Y為溢油噴灑裝置的作業(yè)天數(shù)，d；H為噴灑裝置每天工作的時間，h/d；n為研究區(qū)域內(nèi)分散劑噴灑裝置總數(shù)量.

按區(qū)域?qū)嶋H配備的溢油分散劑數(shù)量，計算的區(qū)域溢油分散能力為

(5)

式中：G為研究區(qū)域內(nèi)實際配備的溢油分散劑總數(shù)量，t；R同式(4).

對T21和T22取最小值，最終研究區(qū)域海上溢油分散能力為

T2=min(T21，T22)

(6)

4) 海上溢油吸附能力計算 溢油吸附能力可表示為

T3=Q1×J1×Q2×J2

(7)

式中：T3為溢油吸附材料總吸油量，t；Q1為吸油氈的總重量，t；J1為吸油氈吸附油污量與吸油氈自身重量的倍數(shù)關(guān)系，在本計算模型中，取平均倍數(shù)：5；Q2為吸油拖欄的重量，t；J2為吸油拖欄吸附油污量與吸油拖欄自身重量的倍數(shù)關(guān)系，在本計算模型中，取平均值為10.

5) 海上溢油清除能力計算 海上溢油清楚能力評估計算，依據(jù)溢油回收能力、溢油分散能力和溢油吸附能力三個維度計算，為

(8)

6) 海上溢油應(yīng)急物資綜合應(yīng)急能力計算 溢油應(yīng)急物資綜合應(yīng)急能力的計算，依據(jù)溢油圍控能力和溢油清除能力兩個維度，取溢油圍控能力和溢油清除能力較小的值，作為應(yīng)急物資綜合應(yīng)急能力評估計算結(jié)果，為

S=min(W,Z)

(9)

1.3 溢油應(yīng)急物資的可達能力評估可視化

在海上溢油物資管理和溢油應(yīng)急響應(yīng)處置過程中，需要掌握應(yīng)急物資的儲量及應(yīng)急物資可輻射的水域范圍.與此同時，海上溢油應(yīng)急物資到達事故發(fā)生水域的時間也是影響溢油應(yīng)急處置效果的重要因素.基于以上問題，針對研究區(qū)域內(nèi)特殊碼頭和溢油事件高發(fā)危險水域，建立水域范圍內(nèi)任意目標位置的各維度溢油應(yīng)急物資可達應(yīng)急能力可視化模型.具體建模流程見圖1.

圖1 溢油應(yīng)急物資可達能力評估可視化建模流程

研究水域范圍內(nèi)任目標位置在約束時間范圍內(nèi)，可獲取的各維度海上溢油應(yīng)急物資可達能力評估模型的建模過程如下.

步驟1劃定研究區(qū)域邊界，確定水域范圍作為研究對象.

步驟2將研究區(qū)域中的島嶼、障礙物等地理信息從研究區(qū)域中篩除，以作為研究區(qū)域的約束條件.

步驟3按照GIS四叉樹的方法，對研究區(qū)域進行網(wǎng)格化處理，確定劃定網(wǎng)格的數(shù)量和各個網(wǎng)格的大小.

步驟4計算各個網(wǎng)格中心點在約束時間范圍內(nèi)可達到的應(yīng)急設(shè)備庫或碼頭的最短路徑.該模型中的最短路徑水域內(nèi)任意網(wǎng)格中心點到各碼頭的水上可達最短路徑與碼頭至各設(shè)備庫間陸上最短路徑之和，即S=S1+S2，n mile.其中水上最短路規(guī)劃問題，采用了經(jīng)典的A*路徑規(guī)劃算法，遍歷搜索區(qū)域范圍內(nèi)各網(wǎng)格中心點，規(guī)劃出研究區(qū)域范圍內(nèi)各個格網(wǎng)中心點分別到達各個碼頭的最短路徑，即S1.海上最短路徑規(guī)劃問題，調(diào)用百度地圖API，實時規(guī)劃陸上溢油應(yīng)急物資運輸最短路徑，即S2.

步驟5依據(jù)步驟4中計算所得最短路徑距離S，計算各應(yīng)急設(shè)備庫到達研究水域各中心點的時間T，即T=S1/V1+S2/V2，min.其中，V1為船舶行駛平均速度，n mile/min；V2為陸上交通工具行駛的平均速度，n mile/min.

步驟6依據(jù)步驟5中的T值，搜索出各個格網(wǎng)點在30,60,90,120 min時間范圍內(nèi)，可到達的碼頭或應(yīng)急設(shè)備庫，并依據(jù)1.2中對于各項溢油應(yīng)急能力計算方程式中的對于溢油應(yīng)急物資這一變量的要求，獲取在各個設(shè)備庫和碼頭對于各個維度的溢油應(yīng)急資源數(shù)量.

步驟7基于1.2中海上溢油應(yīng)急物資應(yīng)急能力評估計算方法，計算研究水域內(nèi)各個格網(wǎng)中心點在約束范圍內(nèi)的溢油圍控能力、溢油回收能力、溢油分散能力、溢油吸附能力、溢油清除能力以及溢油應(yīng)急物資綜合應(yīng)急能力.

步驟8基于MapV，對步驟7的各維度應(yīng)急物資可達能力計算結(jié)果可視化顯示.

對海上溢油應(yīng)急物資可達能力評估分析，可實時獲取任意位置的應(yīng)急物資可達能力，為海上溢油應(yīng)急資源的配置提供科學的數(shù)據(jù)支持，并提醒相關(guān)海事部門對于應(yīng)急能力薄弱的海域予以重點監(jiān)控.

1.4 應(yīng)急設(shè)備庫可達物資應(yīng)急能力評估可視化模型

在海上溢油應(yīng)急響應(yīng)處置過程中，各個應(yīng)急設(shè)備庫的互聯(lián)、互通的進行應(yīng)急物資的相互協(xié)調(diào)調(diào)配是不可或缺的環(huán)節(jié).海上發(fā)生溢油事故時，應(yīng)急物資多從碼頭運往事故發(fā)生水域，應(yīng)當對各重點碼頭在規(guī)定的時間范圍內(nèi)可獲取的各類溢油應(yīng)急物資應(yīng)急能力實時掌握.因此，基于各維度的海上溢油應(yīng)急物資應(yīng)急能力評估計算模型，建立各個碼頭在規(guī)定時間(30,60,90,120,150 min)范圍內(nèi)可獲取的總的溢油圍控物資、溢油回收物資、溢油分散物資、溢油吸附物資、溢油清除物資(包括應(yīng)急設(shè)備庫和周邊到達的應(yīng)急設(shè)備庫)的應(yīng)急能力評估模型.建模流程見圖2.

圖2 溢油應(yīng)急物資應(yīng)急能力評估建模流程

任意碼頭或應(yīng)急設(shè)備庫在約束時間范圍內(nèi)，可獲取的各維度海上溢油應(yīng)急物資應(yīng)急能力評估模型的建模過程如下：

步驟1劃定研究區(qū)域邊界，顯示碼頭及應(yīng)急設(shè)備庫的地理位置信息.

步驟2將研究區(qū)域中的島嶼、障礙物等地理信息從研究區(qū)域中篩除，作為研究區(qū)域的約束條件.

步驟3基于百度地圖Web服務(wù)API中的路徑規(guī)劃服務(wù)模塊，實時規(guī)劃各個碼頭、設(shè)備庫間的最優(yōu)可達路徑，并記錄最優(yōu)路徑的距離S，km.

步驟4依據(jù)所選交通工具的行駛速度V，km/min,及步驟3中的數(shù)據(jù)集S，確定各個碼頭、設(shè)備庫之間的可達時間T，min.

步驟5判斷任意單一碼頭，在30，60，90，120 min這四個約束時間范圍內(nèi)，可到達的周邊碼頭以及設(shè)備庫這一數(shù)據(jù)集，并搜索此數(shù)據(jù)集中可獲取的相應(yīng)各個維度的應(yīng)急物資數(shù)量.

步驟6依據(jù)各個維度的海上溢油應(yīng)急物資應(yīng)急能力計算方法，確定單一碼頭在規(guī)定時間節(jié)點范圍內(nèi)可獲取的各類應(yīng)急資源的應(yīng)急能力，其中包括溢油圍控能力、溢油回收能力、溢油分散能力、溢油吸附能力、應(yīng)急清除能力以及溢油應(yīng)急物資綜合應(yīng)急能力.

步驟7對步驟6中碼頭可獲取的各維度的應(yīng)急物資應(yīng)急能力的計算結(jié)果可視化顯示.

2 實驗和分析

2.1 實驗區(qū)域和實驗數(shù)據(jù)

以深圳港作為實驗區(qū)域.深圳港位于珠江口東岸，是中國重要的海上運輸大通道，深圳港由東部和西部兩大港口群組成，以集裝箱運輸為主.其中，西部港區(qū)重要的碼頭有蛇口碼頭、赤灣碼頭和大鏟灣碼頭，東部港區(qū)主要以鹽田港為主.從深圳港區(qū)內(nèi)歷史海上溢油事故發(fā)生地理位置統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析，深圳港海上溢油事故主要集中在西部水域，赤灣碼頭和大鏟灣輻射水域范圍為溢油事故多發(fā)區(qū)域.其中，深圳港的水域范圍及港區(qū)內(nèi)重要碼頭見圖3.

圖3 研究區(qū)域范圍

2.2 碼頭可獲取應(yīng)急物資的應(yīng)急能力評估結(jié)果

基于1.3中，任意單一碼頭在規(guī)定時間區(qū)域范圍內(nèi)可獲取應(yīng)急物資應(yīng)急能力評估計算模型，對深圳港區(qū)13個重要碼頭在五個約束時間范圍內(nèi)(30，60，90，120，150 min)，可從周邊溢油應(yīng)急設(shè)備庫以及碼頭內(nèi)存儲的各類溢油應(yīng)急物資綜合應(yīng)急能力評估計算與可視化，見圖4.由圖4可知，研究區(qū)域內(nèi)的各個碼頭可獲取的溢油應(yīng)急物資的綜合應(yīng)急能力具有明顯的差異性.大部分的碼頭在90，120，150 min內(nèi)可獲取的應(yīng)急資源數(shù)量的差異性并不大，在30，60，90 min內(nèi)有明顯的差異性，有些碼頭在5個時間區(qū)域內(nèi)可獲得的應(yīng)急資源具有明顯的差異性，這是由于碼頭到達其他碼頭或設(shè)備庫的可達時間有階梯性差異.

圖4 深圳港區(qū)重點碼頭30～150 min應(yīng)急能力

2.3 應(yīng)急物資可達能力評估及可視化結(jié)果

對于研究水域內(nèi)任意位置的海上應(yīng)急物資可達能力進行計算及可視化.依據(jù)對于海上溢油圍控能力的計算方法，對于深圳港水域任意位置，在30，60，90 min內(nèi)的可獲取的溢油圍控應(yīng)急資源的溢油圍控能力的評估計算及可視化結(jié)果見圖5.

圖5 海上溢油圍控物資30～90 min可達能力可視化

當任意水域發(fā)生溢油事故后，溢油應(yīng)急響應(yīng)指揮及協(xié)調(diào)人員充分掌握該水域可獲取的各類應(yīng)急物資的數(shù)量，對于應(yīng)急預(yù)案的制定和應(yīng)急響應(yīng)行動的開展起著至關(guān)重要的作用.

圖5中由深到淺色溫變化代表的是溢油圍控設(shè)備可達能力從高至低的變化.縱向的比較三幅熱度圖，可以看出隨著容許可達時間范圍增大，溢油應(yīng)急物資的可達海域范圍明顯增加，而且海域內(nèi)任意位置的溢油應(yīng)急圍控物資可達能力明顯增加.橫向比較可視化圖中所包含的信息，可看出深圳港區(qū)的西部水域的溢油應(yīng)急圍控物資可達能力明顯大于東部水域，這是由于西部水域可獲取的溢油圍控物資數(shù)量要明顯大于東部水域.從以上可視化圖中得出的結(jié)論與深圳港的實際情況相符合，因此，海上溢油應(yīng)急響應(yīng)云平臺能夠很好的實現(xiàn)對于區(qū)域應(yīng)急物資可達能力評估可視化研究.

3 結(jié)束語

建立了對于研究水域范圍內(nèi)任意位置的海上溢油應(yīng)急物資可達能力評估計算模型，以及各碼頭可獲取溢油應(yīng)急物資能力評估模型，設(shè)計了能力評估模型計算結(jié)果的可視化分析步驟及方法.為溢油應(yīng)急決策的制定和溢油應(yīng)急物資的配置及管理提供了更為科學、直觀的參考依據(jù).

以深圳港作為研究區(qū)域，進行了溢油應(yīng)急可達能力評估和可視化應(yīng)用示例，示例結(jié)果與深圳港的實際情況相符合，