海洋油氣開發(fā)區(qū)在線監(jiān)測技術研發(fā)與應用示范

司念亭，李耀如，屈植，孫紅棟，張蒙蒙，尹維翰，陳生濤，顧艷鎮(zhèn)，宋鑫

[1.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300450；2.國家海洋局北海環(huán)境監(jiān)測中心，山東青島 266033；3.浙江大學，杭州 310058；4.山東深海海洋科技有限公司，山東 煙臺 265500；5.自然資源部渤海生態(tài)預警與保護修復重點實驗室，山東 青島 266033]

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，海上石油勘探開發(fā)規(guī)模急劇增加，海上交通運輸日益繁忙，溢油事故也隨之頻繁發(fā)生。海洋溢油事故不但給海洋漁業(yè)、海水養(yǎng)殖業(yè)、濱海旅游業(yè)等海洋經(jīng)濟帶來負面影響，也造成海洋環(huán)境污染，使海洋生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)循環(huán)、能量流動受到嚴重干擾，引起海洋生態(tài)系統(tǒng)異常變化，最終可能會影響到生態(tài)安全。同時，隨著公眾環(huán)保意識的增強，對海洋溢油等污染事件的關注度越來越高，這就對海洋溢油應急監(jiān)測與處置提出了更高要求。

近年來發(fā)生的海洋溢油事故反映了我國在溢油預警監(jiān)測和應急處置方面存在技術儲備不足、裝備落后、溢油預警監(jiān)測不及時、溢油點難以連續(xù)監(jiān)測、生態(tài)損害評估滯后等問題。因此，發(fā)展海洋油氣開發(fā)區(qū)在線監(jiān)測技術裝備是護航海洋油氣資源開發(fā)安全生產(chǎn)的迫切需求。中海石油（中國）有限公司天津分公司、國家海洋局北海環(huán)境監(jiān)測中心、浙江大學以及山東深海海洋科技有限公司組成了覆蓋海洋油氣區(qū)在線監(jiān)測技術研發(fā)及示范應用全鏈條的產(chǎn)-學-研-用聯(lián)合團隊，圍繞海洋油氣開發(fā)區(qū)溢油預警監(jiān)測與事故應急處置、海洋生態(tài)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測的需求，通過建設一種海底有纜在線觀測系統(tǒng)，集成了視頻監(jiān)測、水質(zhì)多傳感器，研發(fā)了海底-海上平臺-陸地之間的實時在線監(jiān)測數(shù)據(jù)/視頻穩(wěn)定傳輸技術，可實現(xiàn)水下及海底溢油、環(huán)境要素的連續(xù)在線監(jiān)測，優(yōu)化了海洋生態(tài)環(huán)境損害鑒定評估技術體系，綜合運用溢油在線監(jiān)測和生態(tài)影響監(jiān)測數(shù)據(jù)，解決了傳統(tǒng)海洋溢油監(jiān)測技術存在的發(fā)現(xiàn)溢油不及時、溢油點難以連續(xù)監(jiān)測技術、生態(tài)損害評估滯后等問題。

1 研究背景

1.1 政策背景

為落實黨中央、國務院決策部署，系統(tǒng)科學推進海洋生態(tài)保護工作，相關部委先后發(fā)布了多個重要文件，以推進海洋生態(tài)預警監(jiān)測能力和海洋重大突發(fā)事件應急處置能力建設。

2016年1月，交通運輸部會同國家發(fā)展改革委及相關單位編制了《國家重大海上溢油應急能力建設規(guī)劃（2015—2020年）》（以下簡稱《規(guī)劃》），作為我國首個應對重大海上溢油事故的國家級規(guī)劃，《規(guī)劃》首次將海洋石油勘探開發(fā)企業(yè)、社會清污公司等企業(yè)力量作為重大溢油應急能力的重要組成部分納入國家統(tǒng)一規(guī)劃。2018年12月，生態(tài)環(huán)境部、國家發(fā)展改革委、自然資源部聯(lián)合印發(fā)的《渤海綜合治理攻堅戰(zhàn)行動計劃》要求加強和提升環(huán)境風險監(jiān)測預警和應急處置能力，在海洋生態(tài)災害高發(fā)海域，建立災害監(jiān)測、預警、應急處置及信息發(fā)布體系。2021年7月，自然資源部發(fā)布了《自然資源部辦公廳關于建立健全海洋生態(tài)預警監(jiān)測體系的通知》和《全國海洋生態(tài)預警監(jiān)測總體方案（2021—2025年）》，要求建立健全海洋生態(tài)預警監(jiān)測體系，推進海洋生態(tài)預警監(jiān)測數(shù)據(jù)的高效匯集和規(guī)范管理，全面提高監(jiān)測數(shù)據(jù)服務與共享效能。2022年2月，國務院印發(fā)的《“十四五”國家應急體系規(guī)劃》指出，以防范化解重大安全風險為主線，深入推進應急管理體系和能力現(xiàn)代化，堅決遏制重特大事故，最大限度降低災害事故損失，全力保護人民群眾生命財產(chǎn)安全和維護社會穩(wěn)定，為建設更高水平的平安中國和全面建設社會主義現(xiàn)代化強國提供堅實安全保障。

1.2 市場需求

隨著全球經(jīng)濟的快速發(fā)展，油氣資源需求持續(xù)增加。海洋溢油事故不但給海洋經(jīng)濟帶來巨大損失，也嚴重威脅海洋生態(tài)安全。這就對管理部門的預警防控、污染處置、監(jiān)測評估等能力提出了更高要求。

傳統(tǒng)的海洋觀測主要是以調(diào)查船、潛標和浮標為主的海基觀測和以衛(wèi)星遙感、航空觀測為基礎的天基觀測。常規(guī)海面監(jiān)測措施無法及時發(fā)現(xiàn)海面下幾十米甚至幾百米深的海底溢油，海面浮標等傳統(tǒng)監(jiān)測手段難以確定海底溢油泄漏點；溢油發(fā)生后的傳統(tǒng)海洋調(diào)查只能評估某一狀態(tài)下的生態(tài)災害受損程度，無法直觀展現(xiàn)整個溢油過程生態(tài)系統(tǒng)的響應情況，事故造成的海洋生態(tài)損害被顯著低估。

綜上所述，針對油氣開發(fā)區(qū)，研發(fā)易建設、易維護、經(jīng)濟適用，且能實現(xiàn)長期、穩(wěn)定、連續(xù)、實時、可視化在線監(jiān)測技術裝備，優(yōu)化海洋溢油環(huán)境損害鑒定評估技術體系，對海上溢油事故的預警監(jiān)測以及環(huán)境損害評估具有重要意義。

2 研究進展

隨著海底觀測技術的發(fā)展，借助海底線纜為水下觀測儀器供電并傳輸觀測數(shù)據(jù)，海底有纜觀測真正實現(xiàn)了海洋環(huán)境的原位、長期、連續(xù)、實時觀測，并繼地面/海面和天空之后成為地球觀測的第三個平臺。加拿大、日本、美國等國家均已建設大型有纜海底觀測網(wǎng)絡，實現(xiàn)了海洋環(huán)境的原位、長期、連續(xù)、實時觀測。我國海底觀測網(wǎng)起步較晚，已建成東海小衢山海底觀測系統(tǒng)、東海摘箬山海底觀測系統(tǒng)和南海海底觀測網(wǎng)。但目前的海底觀測網(wǎng)普遍存在建設和維護費用高昂、需要很多參與部門協(xié)調(diào)分工、管理復雜等問題[1，2]，無法滿足小區(qū)域、不同領域?qū)W科研究及海洋資源開發(fā)、污染防治、海洋災害預警、海上突發(fā)事故應急等社會服務的需求，觀測目標較為單一，無法實現(xiàn)可視化監(jiān)測，針對海洋溢油的在線監(jiān)測更是未成體系。

本項目立足于海洋油氣開發(fā)區(qū)溢油風險預警防控能力提升工作需求，順應立體化、多元化和實時化海洋科學觀測發(fā)展趨勢，研發(fā)了一種海底有纜在線觀測系統(tǒng)，攻克了實時在線觀測數(shù)據(jù)/視頻穩(wěn)定傳輸技術，構建了海洋生態(tài)環(huán)境損害鑒定評估技術體系，以解決當前石油平臺溢油監(jiān)測存在的發(fā)現(xiàn)不及時、泄漏點難定位、無法科學評估生態(tài)損害等問題，真正實現(xiàn)海洋環(huán)境及水下生物資源的“可視、可測、可控、可預警、可評估”。海底有纜在線觀測系統(tǒng)總體設計如圖1 所示，主要技術指標如下：

圖1 海底有纜在線觀測系統(tǒng)示意[3]

（1）海底觀測平臺框架采用316L 不銹鋼材料，設計不低于兩層結構，具備防拖曳、防腐蝕、防傾斜、防淤泥、防生物附著、可改造處理等功能，具備傳感器獨立固定裝置、傳感器安裝擴展空間，最大投放深度可達600m（該指標值不包含觀測設備/傳感器）（見圖2）。

圖2 海底觀測子系統(tǒng)效果（a）和實物（b）[3]

（2）海底有纜觀測系統(tǒng)具備32 個儀器接口模塊，可接入國際通用流速剖面儀、多參數(shù)水質(zhì)傳感器、水下高清攝像頭和照明燈等儀器設備。

（3）岸基控制單元輸入電壓220V，可為海底觀測設備提供電壓300V、功率320W；電力信息傳輸線纜最大傳輸速率為6.3Mbps（3km 海纜），LTE 4G傳輸帶寬為10—200Mbps。

（4）創(chuàng)新集成模塊化機房、虛擬化服務器資源池和大屏幕投影系統(tǒng)，建成軟硬件集約集控的智能化數(shù)據(jù)中心，節(jié)約2/3 空間，節(jié)省30%系統(tǒng)總功耗。

3 主要技術創(chuàng)新

（1）基于坐底式海底觀測平臺，集成水下視頻、多水質(zhì)參數(shù)、縮微實驗室等在線監(jiān)測技術，研發(fā)了水下防污損、防附著技術，綜合運用海底電力信息傳輸、微波中繼、LTE4G 通信技術，解決水下-海上平臺-陸地之間多種環(huán)境下的遠距離、高帶寬信息傳輸難題，實現(xiàn)海洋環(huán)境要素的海底原位在線觀測。

與國內(nèi)外同類技術相比，系統(tǒng)在多元數(shù)據(jù)采集控制上采用控制器局域網(wǎng)絡（CAN）總線分布式集成、模塊化控制技術，可擴展支持多達32 個水下儀器接口模塊，遠多于國際觀測網(wǎng)以及我國東海、南海海底觀測網(wǎng)采用的接駁盒定制接口[4]。本項目依托海上油氣平臺放置岸基控制單元，將輸入電力轉(zhuǎn)化為300V 直流輸出，遠低于美國MARS、加拿大NEPTUNE 等大型海底觀測網(wǎng)以及我國三亞海底觀測網(wǎng)的10kV 主干直流電壓[2，5，6]，極大降低了經(jīng)濟成本和實施難度。

（2）基于水下視頻監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)展了嵌入式水下溢油和生物識別技術，可實現(xiàn)溢油的早發(fā)現(xiàn)早識別和長期在線監(jiān)測，同時可實現(xiàn)水下生物在線監(jiān)測。

與國內(nèi)外同類技術相比，國際海底觀測網(wǎng)的水下主干線纜目前均為光電復合纜，存在電纜電力載波信號長距離傳輸衰減嚴重的問題。本項目優(yōu)化了電力載波信號調(diào)制處理算法，研制了通信調(diào)制模塊和電力信息混合傳輸模塊，有效抑制噪聲、降低誤碼率，從而提高信道傳輸效率及傳輸距離；采用的兩芯電纜同時承擔電力和觀測信息傳輸，在3km 距離上供電功率、信息傳輸帶寬速率分別可達320W、6.3Mbps，能有效滿足多元觀測數(shù)據(jù)及水下高清視頻的實時傳輸需求。

（3）優(yōu)化了海洋溢油環(huán)境損害快速評估技術體系，綜合運用溢油在線監(jiān)測和生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)溢油影響范圍和損害程度的快速評估及生態(tài)損害量化。

與國內(nèi)外同類技術相比，美國等發(fā)達國家用于司法索賠較多的溢油損害評估技術主要有自然資源損害評估和生境等價分析，較少使用溢油區(qū)域的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)。很長時間以來，我國對溢油損害的評估主要集中在清污費用、財產(chǎn)損失、漁業(yè)經(jīng)濟損失等方面。雖有學者提出了一種適用渤海海域的海洋溢油生態(tài)損害的快速預評估模式，但這種模式尚未形成完整的技術體系，難以實現(xiàn)對溢油環(huán)境損害的全面、客觀評估。

4 推廣應用情況

項目成果成功應用于中海油秦皇島32-6 等多個油田海洋生態(tài)在線實時監(jiān)測工作，同時廣泛應用于國家和地方自然資源/生態(tài)環(huán)境部門海洋生態(tài)預警監(jiān)測業(yè)務化工作以及企業(yè)/社會團體常態(tài)化環(huán)境保護管理工作等，顯著提高了我國海洋生態(tài)預警監(jiān)測智能化、信息化水平。項目優(yōu)化的溢油環(huán)境損害鑒定評估技術先后在多起大型事故監(jiān)測評估中發(fā)揮了重要的技術支撐作用，為有關部門提供了智力支持和決策支撐。項目成果獲得發(fā)明專利3 項、實用新型專利11 項、軟件著作權2 項，發(fā)表SCI 論文1 篇、核心期刊論文8篇，形成技術規(guī)范3 項，獲得2013年度海洋科技成果二等獎和2021年度山東省海洋與漁業(yè)科學技術獎三等獎，創(chuàng)造經(jīng)濟效益總計超1 億元。