長江干線船舶事故性溢油應急處置模式與應急站點選址研究*

文元橋 宋榮鑫 張 帆3,* 韓 棟 隋忠義 陳華龍

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

0 引 言

針對事故性溢油，傳統的應急處置模式主要包括：溢油事故發生后溢油的圍控、溢油的回收兩方面.前者是當溢油事故發生后，為防止溢油的進一步擴散，溢油應急圍控力量在第一時間趕到事故發生點并開展圍控工作.后者是在溢油擴散得到控制之后，應急清污力量對溢油開展的回收和對水面的清污工作等.

對于應急站點的選址，相關的研究主要包括：對選址模型及其算法的研究.水上應急選址模型方面，劉益等[1]針對水網地區特殊的地理特征，利用k-means聚類算法確定需求點的位置，進一步完成該地區危化品的選址及優化配置；計明軍等[2]提出基于點狀需求的設施選址模型，構建了全覆蓋模型下的最小成本選址模型；田書冰等[3]建立了溢油應急需求水域風險評價體系，構建了以加權距離最小為目標的溢油應急設備點選址模型等.對選址算法的研究中，傳統的選址模型包括：p-中值模型、p-中心模型、覆蓋模型(包括集合覆蓋模型和最大覆蓋模型)[4-7]等.基本模型可以解決較為簡單的實際問題，而應急救援選址通常與多方面因素有關，如應急救援時間，成本，覆蓋率等，在解決大規模應急救援的選址方面還存在很多的不足，因此需要建立多目標的決策模型進行求解[8].在多目標決策模型的求解中，典型的算法包括：加權求和法[9]、ε-約束法、遺傳算法等.

目前的水上溢油應急選址模型主要參考海上的溢油應急選址模型.海洋具有水面寬闊，流速較小的特點，易于對溢油進行圍控、回收.而長江干線具有寬面窄，流速大的特點，當溢油發生后，在水流的作用下，溢油會快速向下游和周圍水域擴散，不利于對溢油的應急圍控及進一步的回收，如果處置不當，將會對長江沿線的生態環境造成嚴重的影響.因此，亟須針對長江干線的環境特征，提出科學合理的溢油應急處置模式，合理的選擇應急救援點.

針對長江干線的地理、水文等要素特征，以長江干線各緩流區為節點劃分航段，對每一航段提出以應急時間最短、成本最小為目標函數的多目標決策優化模型，提出相應的算法流程，利用LINGO軟件進行優化求解，得到模型的最優解，最終建立長江干線的溢油應急選址模型.

1 長江干線溢油應急處置模式設計

1.1 應急處置模式基本思路

1) 敏感水資源保護區進行分區分級 根據《飲用水水源保護區污染防治管理規定》對長江干線敏感水資源水域進行分級并設置保護點，分為一級保護點、二級保護點，以及一般保護點.一級保護點與二級保護點分別對應飲用水水源保護區分級標準，一般保護點為長江干線沿線分布的各取水口附近水域.針對敏感保護區的重要程度設置不同的應急響應時間，保證在最短的時間內敏感保護區采取與其重要程度相對應的行動，避免其被溢油污染.

2) 溢油應急設備站點選址與配置策略 根據國家水上交通安全監管和救助系統對長江干線風險水域的劃分，可將長江干線的風險程度劃分為高風險水域、較高風險水域與一般風險水域三種類型，根據風險等級可對不同水域設置不同的權重進行選址，最后根據不同的各應急點不同的功能需求配置相應的應急設備.溢油應急處置模式示意圖見圖1.

圖1 長江干線溢油“圍控-引導-回收”模式示意圖

將溢油應急救援區劃分為圍控區、引導區及回收區三部分，各區域在溢油應急救援時發揮不同的作用，功能見表1.

1.2 應急站點選址影響因素

長江干線溢油應急救援點的選址與多方面因素有關，見圖2.

表1 各區域功能示意圖

圖2 應急救援點選址影響因素示意圖

1.3 選址要素

選址要素主要包括需求點和救援點兩方面因素，見圖3.

圖3 選址要素示意圖

1.4 選址目標

針對溢油應急救援的選址要素需求，確定應急選址的原則及目標函數如下.

1) 時效性原則 溢油事故發生后，防止溢油對敏感資源保護區的污染，應急力量應該在第一時間趕到事發水域展開圍堵，防止溢油對敏感水域造成進一步的污染.

2) 經濟性原則 溢油應急救援點的選取和候選點的建設成本有關，在保證應急救援的時效性的前提下應該保證設備點的建設成本最小.

3) 全覆蓋原則 保證溢油應急救援網絡可以全面覆蓋整個應急救援水域，實現在規定時間內對負責水域的救援.

基于上述溢油應急選址原則，提出長江干線溢油應急救援模式的選址要求如下.首先應保證應急救援的緊迫性要求，使得救援需求點的加權最大距離最小，保證事故發生后的應急處置；其次是在救援水域所有需求點被覆蓋的前提下，使得設備點建設總成本最小.

長江海事局在“十一五”規劃中提出，當所轄水域發生溢油事故時，應急清污力量在方案啟動后1 h內抵達現場，即應急響應時間為60 min，由文獻[2]可知，應急救援船的平均航速為20 km/h，因此，設定溢油應急配置點的救援半徑為20 km.而當溢油發生后，溢油應急布置力量應盡快趕到保護區，開展防護作業，此處設定保護區應急響應時間為20 min，根據應急救援船的平均航速，保護區配置點的救援半徑應設置為7 km.

2 選址優化模型

2.1 選址建模方法

針對長江干線溢油應急處置模型，分區域建立溢油應急設備點選址模型，見圖4.

圖4 選址建模流程圖

2.2 參數設置

S={S1,S2,…,Sn}為應急救援點備選點點集；A={A1,A2,…,Am}為事發水域需求點點集；W={W1,W2,…,Wl}為保護區集合；pi1,pi2為設定的應急設備配置點數目；ci為應急設備庫建設成本,萬元;dij為應急救援點i到需求點j的距離;dik為應急救援點i到保護區k的距離；wi為需求點的相對權重；r1為溢油應急救援點的圍控半徑,km;r2為溢油應急救援點的平均救援半徑,km;xij為需求點j由應急救援點i來提供服務，則，否則xij=0，其中i∈N,j∈M;xik為需求點k由應急救援點i來提供服務，則xik=1，否則xik=0，其中i∈N,k∈L；yi1為如果保護區應急救援點設置在i則yi1=1，否則yi1=0，其中i∈N；yi2為如果溢油應急救援點設置在i則yi2=1，否則yi2=0，其中i∈N；dik為應急救援點i到保護區k的距離；xik為保護區k由應急救援點i來提供服務，則xik=1，否則xik=0，其中i∈N,k∈L.

2.3 建立模型

1) 保護點選址模型的目標函數為Z1在應急救援時間內，應急救援力量在最短的時間內趕到保護區進行圍控及防護.利用LINGO軟件對目標函數進行求解，得到保護區應急資源配置點的選址位置.

(1)

(2)

(3)

xikdik≤r1

(4)

xik≤yi1

(5)

2) 溢油應急救援配置點模型為

(6)

(7)

(8)

(9)

xijdij≤r2

(10)

xij≤yi2

yi=yi1+yi2

式(1)使得保護區應急配置點到各個保護區的距離之和最小，保證對救援水域內給保護區應急救援的公平性與快速性.溢油應急救援配置點選址目標準則函數為min[Z2,Z3].

式(2)使應急救援點服務需求區域的加權最大距離最小，保證應急救援的快速反應.

式(3)使得應急設備庫的建設成本最小，體現其經濟性原則.

式(4)和式(7)保證設備庫的建設數量，保證救援水域內的設備庫可以覆蓋全部水域.

式(5)和式(8)保證在發生事故時每個保護區或需求點有應急配置點對其進行救援.

式(6)和式(9)保證每個保護區或需求點在應急響應時間內都有應急點可對其救援.

3 模型求解

該模型為雙目標決策問題，多目標規劃中最常用的解為非劣解或有效解，也稱為Pareto最優解.考慮到該問題的實際應用，此處,采用線性加權和法進行求解，分別配以一定的權重，權重采用經驗法來確定，決策者根據多目標的相對重要程度進行確定權重k1,k2.

對決策目標量綱一化得：

Vi=(Zi-Zimin)/(Vimax-Vimin)

(11)

基于不同權重的線性加權評價函數為V=k1V1+k2V2;(k1+k2=1).

對k1，k2附以不同的值，通過改變兩目標的相對權重，對不同的權重組合進行比較，探究應急響應時間最短和成本最小二者之間的相對變化關系，當線性評價函數取最小值時的取值為最優解.

LINGO是一款用于求解優化模型的軟件，方便靈活，執行速度快，便捷性和可靠性，因此利用LINGO軟件來實現模型的求解.

4 算例驗證

4.1 算例說明

選取長江干線某航段水域作為溢油應急選址水域進行算例驗證，該水域設有一座小型溢油應急設備庫及兩個溢油應急設備配置點，現從該行段段沿線的碼頭中選出10個碼頭作為溢油應急救援點備選點，碼頭備選點的分布服從均勻分布，武漢段水域示意圖見圖5.

圖5 某航段溢油應急選址需求點-救援點示意圖

武漢地處長江中下游地段，根據武漢海事局轄區2012—2017年的水上交通事故統計資料，可得備選點碼頭屬性、需求水域屬性及權重詳見表3～6.

表3 備選點到保護區的距離(dik)列表 單位：km

表4 備選點到事故水域點的距離(dij)列表單位：km

表5 備選點的建設成本列表 單位：元/m3

表6 事故水域需要的最少設備庫覆蓋數量及相對權重

4.2 算例結果

由Google地球測量得：武漢航段總長度Li=45 km，根據溢油應急救援流程圖，利用LINGO程序對建立的模型進行求解.

4.2.1保護區應急設備配置點

通過對保護區應急配置點選址模型進行迭代，可得，當p<4時無解，則當p=4時為設備配置點配置數的最優解，通過LINGO程序運行可得，此時應急配置點應為S1,S4,S6,S10.各自救援區域見表7.

表7 保護區應急設備配置點配置表

4.2.2溢油應急設備配置點

因為2r

表8 原始單一目標求解結果 單位：km

由單一目標函數優化求解結果可得，應急響應時間最短時的結果和成本最小時的結果不同，因此，通過對兩目標賦予不同權重，對線性加權求和評價函數進行優化求解，得到不同權重下的線性加權求和評價函數結果.

隨著權重k1的增大，溢油應急配置點的建設成本變化和救援點到需求點的加權距離之和的變化關系見圖6.

圖6 成本、加權距離及評價函數隨權重k1的變化關系圖

4.3 算例分析

由程序結果可得，隨著應急救援時間權重的增大，溢油應急設備配置點的建設成本有上升的趨勢，而設備配置點到需求點的加權距離有下降的趨勢，符合模型的假設和實際情況.并且當權重k1=0.55時，線性加權評價函數取得最小值，即選址點為選址最優解，此時目標函數取最小值.

由算例結果可知，保護區溢油應急設備配置點模型在應急響應時間優先的情況下具有較好的適應性，圍控救援力量在規定的時間范圍內可以對水域內覆蓋的保護點進行應急救援，既保護了保護區水域不被污染，又為溢油應急救援力量對溢油的疏導贏得了時間.溢油應急設備配置點模型在應急響應時間和建設成本的雙重約束下具有較好的適應性，在實際應用中，決策者可以根據自身對不同的決策指標的需求，確定兩目標函數的相對權重進行求解.同時，決策者還可根據自身需求對溢油應急選址模型設定不同的參數，包括設備點的個數、應急救援半徑等，通過LINGO程序即可對目標函數進行求解.

5 結 論

1) 文中針對長江干線獨特的地理特征提出了相應的溢油應急處置模式，并建立選址模型，運用LINGO軟件對提出的選址優化模型進行算例驗證并求解，證明模型的可行性與穩定性.

2) 當兩模型有相同選址結果時，為應急設備庫的總體建設節約了成本.

3) 文中的決策指標只包括了應急響應時間和設備庫的建設成本，在實際的工程應用中，溢油應急救援點的選取還與其他因素有關，包括：設備配置點到需求點的救援成本、需求點需要達到的最小覆蓋率以及設備配置點的設備存儲量等.

4) 文中模型主要針對溢油應急設備庫的選址優化，在溢油應急配置點的配置及應急救援時的設備調度等還需進一步研究，不斷完善提高溢油應急救援效率.