基于海洋石油平臺的生態環境監測系統研究

陳勝利，宋積文，陸 原，顧艷鎮

（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.浙江大學海洋學院，浙江 舟山 310030）

近年來，隨著海洋生態環境保護要求的提高，海上石油平臺對海洋生態環境的影響監測越來越受到關注，對采油海域的生態環保要求監管更加嚴格。2018 年12 月，生態環境部、國家發展改革委、自然資源部聯合印發《渤海綜合治理攻堅戰行動計劃》，要求加強提升環境風險監測預警和應急處置能力，確定開展海上石油平臺、油氣管線、陸域終端等風險專項檢查，在海洋生態災害高發海域，建立災害監測、預警、應急處置及信息發布體系。目前，海上生態環境監測以短周期水文監測為主，在線水質監測在海上應用遠少于內河和港口。港口岸線的水質在線監測技術應用廣泛，多參數水質在線監測系統用于海洋環境污染[1]、內河水質監測[2-4]、海洋牧場[5]等多方面，技術手段多以浮標[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]水質主要參數進行監測，根據水質的參數變化，研究對海洋生態的影響。在線監測生態環境監測系統是對海上平臺周邊海域開展生態環境監測的最有效最直接手段，本文基于海洋石油平臺的生態環境監測系統研究，依托平臺的電力和平臺主結構，采用坐底式的布放方式，集成電導率、葉綠素a、溶解氧、pH、VOC、濁度、海流計等多種傳感器，實現海洋石油平臺影響海域生態環境參數的長期在線監測。

1 概 述

海上油田等設施會對海水環境造成一定的生態環境污染。比如，發生在2011 年的蓬萊19-3 油田溢油事故，就對渤海水環境造成了較大影響，對山東沿海的水產等產生次生災害。海上油田一旦發生溢油事故，油膜將在風、潮流的作用下遷移擴散至沿海的生態區域，破壞生態區域內的生態循環，造成水產死亡等災害，形成經濟損失。

通過建立油田區域海洋環境在線觀測系統，利用在線觀測設備，獲取油田附近海域水文、水質實時數據，開展油田區域的在線監測，同時開展油田區域水文水質環境的長期跟蹤觀測，研究海上采油過程對局地生物生態環境和水文水質環境的影響，為一旦發生溢油等事故的應急應對和環境影響評估提供支撐。目前，海洋環境監測系統多用海床基和浮標兩種，其中海床基利用無線信號進行傳輸，利用聲學釋放器進行回收，本系統依托海洋石油平臺進行有纜信號傳輸，信號穩定性、實時傳輸速率、維護周期和回收難易度均要優于海床基監測系統。

2 生態環境監測系統架構

2.1 基本設計

生態環境監測系統包括生態環境海底觀測系統和平臺控制采集系統。海底觀測系統通過設備支架搭載水文、水質監測傳感器、流速傳感器、水下視頻監控攝像頭。監測電纜連接海底觀測系統和平臺控制采集系統，實現水下觀測儀器的電力供給和數據傳輸。平臺控制采集系統位于海洋石油平臺中控室，通過監測電纜將數據傳輸至監測軟件平臺，通過監測軟件對數據進行處理分析，以圖表形式展示。平臺控制采集系統還可以將操控指令通過監測電纜發送給海底觀測系統，實現設備啟停、參數設置，同時可將關鍵數據傳輸至陸地數據庫，設計結構如圖1 所示。

圖1 監測系統設計結構示意圖

2.2 系統技術指標

本系統最大投放深度600 m；水下設施功率大于300 W；接入國際通用流速剖面儀、多參數水質儀和水下高清攝像頭等儀器。主要的監測要素指標見表1。

表1 監測設備主要參數表

2.3 系統水下部分

生態環境海底觀測系統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進行數據傳輸。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、溫鹽、多參數水質儀、視頻攝像頭、電池倉和數據采集器等，可根據需要增加不同傳感器設備。數據采集器預留10~12 組數據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工控機，實現數據傳輸。電池倉為后備供電系統，常規供電由水密電纜連接平臺供電，一旦發生臺風等平臺電源關閉情況，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的常平架，各儀器具備獨立的固定裝置，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，為供電系統提供散熱裝置。

2.4 系統控制部分

平臺控制采集系統通過海底電纜連接海底觀測系統，輸入電壓AC220 V，輸出電壓DC300 V，輸出功率大于400 W；數據備份儲存不小于12 個月。海洋監測電纜用于連接平臺控制采集系統與生態環境海底觀測系統，主要負責將實時觀測數據傳輸至平臺控制采集系統，同時給生態環境海底觀測系統供電。

2.5 監測系統軟件

監測系統軟件在開發上采用Java 語言編輯，在整體系統設計中，采用主流B/S 框架結構，面向對象的開發理念，采用存儲量大、穩定的MySQL 數據庫，同時在各子系統功能的規劃方面，力求全面、實用。開發完成的軟件系統具有實時接收和實時顯示功能，支持以天、周、月、年平均等方式進行歷史數據查詢及曲線分析，以及觀測儀器遠程狀態監測、數據下載和能夠對監測指標異常報警等功能。支持多用戶登陸，根據不同用戶登錄，分配不同權限，以保證系統安全可靠性，后臺可根據登錄日志查看系統登錄情況并建立IP 地址庫，記錄所有重要操作的IP 信息；可通過數據展示分析中心查看轄區范圍內在線監測站點信息、數據及評價產品；可實現系統數據整天接入數據中心，可查看所有在線監測站點信息及數據。

3 實海試驗結果與分析

3.1 實海試驗時間

生態環境監測系統于2020 年11 月9 日完成布放，自布放完成之日起進入試運行階段，本文對試運行期間（2020 年11 月9 日至2021 年1 月4 日）監測數據進行統計分析。

3.2 試驗結果分析

每組監測數據包括溫度、鹽度、水位、溶解氧、pH、濁度、葉綠素a 等參數。

（1）水深

如圖2 所示，觀測期間站點平均水深為27.94 m，標準差0.35 m。水位半日變化特征明顯，發生在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 日水深時間序列及水深異常

（2）溫度

如圖3 所示，觀測期間站點平均底層水溫為10.72 ℃，水溫異常標準差為0.10 ℃，具有較強的半日變化特征，隨潮變化特征較強，可推斷短周期溫度變化應為潮汐平流導致。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 日水溫時間序列及水溫異常

（3）鹽度

如圖4 所示，觀測期間站點平均底層海水鹽度為30.35，標準差為0.51。整體鹽度呈現一定的日變化特征。在水位波動較大的3 個時間段，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。

（4）溶解氧

如圖5 所示，觀測期間，站點處溶解氧充足，變化振幅就總體濃度來說相對較小，呈現一定的隨潮變化趨勢，即低潮—低溫—高氧，推斷站點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 日溶解氧濃度時間序列及其異常

（5）葉綠素a

如圖6 所示，觀測期間站點底層海水平均葉綠素a 濃度為1.36 μg/L，標準差為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，標準差為13.63 NTU。濁度存在很強的高頻波動。濁度在觀測期間也出現了3 個異常峰值，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混和。

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

（7）pH

如圖8 所示，觀測期間pH 平均值為8.56，標準差為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，但存在一個微弱的pH 值降低趨勢。標準差為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 值時間序列及其異常

圖42020 年11月9 日至2021 年1月4日鹽度時間序列及其異常

（8）多環芳烴傳感器

如圖9 所示，多環芳烴傳感器主要開展周邊海域水中油類濃度參數測量，運行期間傳感器正常工作。觀測期間多環芳烴濃度平均值為5.94 μg/L，標準差為0.62 μg/L。觀測期間多環芳烴存在較強的高頻波動，總體呈微弱的下降趨勢。

圖9 2020 年11 月9 日至2021 年1 月4 日多環芳烴濃度時間序列及其異常

（9）數據接收率

數據接收率的計算公式為：接收率=實際接收數/應接收數×100%。應接收數根據采樣周期進行計算，減去設備維護、維修、故障應接收的數量。對試運行期間數據接收率統計，其結果如表2 所示。

表2 各參數接收率統計表

由于工作海區海況復雜，通常情況下，浮標要求數據接收率應不小于95%（依據海洋觀測浮標通用技術要求），由上表可知，本系統海上生態環境監測數據接收率均大于95%，最低數據接收率為97.81%。

4 結 論

經過海上試驗表明，基于海洋石油平臺的生態環境監測系統能監測海上生態環境參數，將參數通過信號電纜傳輸至平臺控制終端，形成有效數據采集，從而為海上環保與海上污染監測提供有效的數據支持，研究結論如下。

（1）基于海洋石油平臺的生態環境監測系統可實現海上生態環境在線監測，監測電導率、葉綠素a、溶解氧、pH、VOC、濁度6 種海洋生態環境參數和流速、流向、水溫、鹽度4 種海洋環境傳統參數，通過信號電纜實時傳輸至平臺，經平臺軟件系統分析后實時顯示。

（2）通過平臺的現場試驗，該系統可長期穩定運行，布防回收方便，數據傳輸穩定完整，數據采集完整度超過95%，達到了數據接收率要求。