中國海上突發(fā)環(huán)境事件預測預警系統(tǒng)研究及應用*

楊永俊 趙 騫 張建麗 席彥彬

(國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心,遼寧 大連 116023)

海上突發(fā)環(huán)境事件是指由于溢油、危險化學品和放射性泄漏等事故導致有毒有害物質進入海洋環(huán)境,造成環(huán)境質量下降,危及公眾身體健康和財產安全,需要采取緊急措施予以應對的事件[1]。隨著海洋經濟的高速發(fā)展,各種海上突發(fā)環(huán)境事件對海洋環(huán)境、海洋生物資源、沿海人民生產活動的影響也與日俱增,海洋石油工業(yè)、海上運輸業(yè)和沿海石油化工業(yè)的快速發(fā)展導致海上溢油事故屢見不鮮。由于海洋環(huán)境的特殊性和復雜性,海上突發(fā)環(huán)境事件一旦發(fā)生,其發(fā)展演變非常迅速,若能在事件發(fā)生后第一時間預測污染物遷移路徑、擴散范圍、轉化規(guī)律,研判事件對海洋生態(tài)環(huán)境的潛在危害,及時做出風險預警,就可以最大限度地減輕事件造成的經濟損失、生態(tài)環(huán)境危害和人員傷亡,因此開展海上突發(fā)環(huán)境事件的預測預警工作十分必要。

與發(fā)達國家相比,中國海上突發(fā)環(huán)境事件預測預警工作起步較晚,近幾十年取得了較為長足的發(fā)展,在海洋水動力環(huán)境動態(tài)研判[2-3]、海上污染物遷移轉化模擬預測[4-5]、海洋環(huán)境風險評價[6-8]等關鍵技術方面的研究成果層出不窮,但仍存在很大的不足,主要表現(xiàn)在各種預測預警技術沒有進行有效整合,難以形成合力,導致在海上突發(fā)環(huán)境事件預測預警過程中響應時間長,效率低下,延誤應急處置的最好時機,無法滿足海上突發(fā)環(huán)境事件應急響應及時高效的迫切需求。因此,為提高中國應對海上突發(fā)環(huán)境事件預測預警能力,有必要將相關技術進行有效的業(yè)務化整合,建立一套高時效、高精準的海上突發(fā)環(huán)境事件預測預警系統(tǒng)。為此,本研究基于中國海上突發(fā)環(huán)境事件預測預警工作基本業(yè)務流程,將海洋水動力環(huán)境動態(tài)模擬預測、污染物遷移轉化模擬預測和溯源、環(huán)境風險評價、預測預警報告編報以及預測預警產品動態(tài)化展示與個性化訂制等預測預警關鍵技術進行系統(tǒng)性優(yōu)化整合,建立中國海上突發(fā)環(huán)境事件預測預警系統(tǒng),為海上突發(fā)環(huán)境事件的應急處置提供高實效、高精準的技術支撐。

1 海上突發(fā)環(huán)境事件預測預警業(yè)務流程

海上突發(fā)環(huán)境事件發(fā)生后,其預測預警工作大體要經歷3個主要階段,即預測預警啟動判別階段、預測階段和環(huán)境風險預警階段,3個階段的工作基本按順序開展,但又相互交互,直至預測預警工作結束。中國海上突發(fā)環(huán)境預測預警工作的基本業(yè)務流程見圖1。

圖1 中國海上突發(fā)環(huán)境事件預測預警基本業(yè)務流程Fig.1 Basic business process of prediction and early warning of marine environmental emergencies in China

在預測預警啟動判別階段,通過相關人員或單位報告、遙感監(jiān)測、輿情等方式盡可能多地獲取事件信息,比如事件類型、發(fā)生原因、發(fā)生位置以及已泄露或可能泄漏的污染物類型、數(shù)量、組成、理化性質、擴散范圍等情況,決策者根據(jù)上述信息判斷是否組織力量啟動預測預警工作。

在預測階段,首先需要通過資料搜集分析、現(xiàn)場監(jiān)測等手段獲取事故附近海域海底地形、潮位、水文、氣象等基礎資料,啟動事故海域水動力環(huán)境動態(tài)預測模型,模擬預測事故海域未來一段時間的流場情況;然后,將風場和流場等海洋水動力預報數(shù)據(jù)作為驅動力啟動污染物遷移轉化預測模型,根據(jù)啟動判別階段獲取到的事件信息預測研判未來一段時間污染物漂移路徑、擴散范圍、轉化過程等動態(tài)情況,為污染物搜尋與監(jiān)測提供指引;隨后,決策者根據(jù)這些指引信息,通過海上應急監(jiān)測、衛(wèi)星遙感、無人機偵察等方式組織力量開展海上污染物搜尋、處置等工作,并獲取最新的污染物位置、擴散范圍等信息;最后,預測預警技術人員根據(jù)新獲取的事件信息,驗證預測結果,判斷分析造成預測結果與實際情況有所偏差的原因,并校正水動力環(huán)境和污染物遷移轉化預測模型參數(shù),進行新一輪的水動力環(huán)境和污染物遷移轉化模擬。

在環(huán)境風險預警階段,根據(jù)污染物遷移轉化預測結果,并結合污染物漂移路徑周邊海域的功能區(qū)類型、海洋生物種類和數(shù)量等環(huán)境敏感性指標,定性或定量地對事件的環(huán)境影響風險進行評價,判斷事件可能導成的環(huán)境危害風險,并形成預測預警報告報送決策者,為事件的應急處置和環(huán)境損失評估提供決策依據(jù)。

2 關鍵技術

溢油、危險化學品或放射性污染物進入海洋后,除了海上風、浪、流等自然因素影響輸運和擴散外,污染物本身還會在各種環(huán)境因素的作用下產生復雜的化學和生物過程,導致污染物的數(shù)量、組成、理化性質、存在形態(tài)、擴散范圍、漂移路徑等發(fā)生變化,給后續(xù)的應急監(jiān)測和處置帶來困難。因此,要求預測預警系統(tǒng)具備強大的高性能數(shù)值計算能力、科學的環(huán)境風險評價和預警能力、快速高效的預測預警報告自動編報能力、實時動態(tài)和靈活多樣的信息展示能力以及強有力的系統(tǒng)集成能力。海上突發(fā)環(huán)境事件預測預警系統(tǒng)的技術流程見圖2。

圖2 中國海上突發(fā)環(huán)境事件預測預警系統(tǒng)技術流程Fig.2 Technical process of marine environmental emergencies prediction and early warning system in China

2.1 海洋水動力環(huán)境動態(tài)模擬預測技術

海表風場、流場、波浪和湍流等海洋水動力環(huán)境是影響污染物漂移擴散的關鍵因素,在很大程度上決定著污染物的遷移路徑和擴散范圍,而事故發(fā)生后臨時對事故海域進行水動力調查不切實際,需要利用成熟的數(shù)值模擬技術來模擬預測海洋水動力環(huán)境變化過程,實現(xiàn)對事故海域水動力狀況的實時動態(tài)研判。因此,為了能在海上突發(fā)環(huán)境事件發(fā)生后及時、快速、有效地預測污染物的遷移擴散情況,預測預警系統(tǒng)集成了水動力環(huán)境動態(tài)模擬技術。針對海上突發(fā)環(huán)境事件高發(fā)海域并結合《“十四五”海洋生態(tài)環(huán)境保護規(guī)劃》(環(huán)海洋〔2022〕4號)中美麗海灣建設要求,采用MIKE、FVCOM、ROMS等區(qū)域海洋模型系統(tǒng)構建了69個大、中、小各種尺度的海區(qū)、海灣、河口,以及核電海域的三維水動力環(huán)境動態(tài)預測模型,組成了中國管轄海域精細化的水動力環(huán)境動態(tài)預測模型庫(見表1),這些模型在水平方向上采用結構化正交網格(大尺度模型)或非結構化三角網格(中、小尺度模型)擬合岸線,并在關鍵區(qū)域進行局部加密,在垂向上采用σ坐標,能較好地適應近岸海域復雜多變的海底地形。一旦海上突發(fā)環(huán)境事件發(fā)生,預測預警系統(tǒng)會在收到事件發(fā)生位置信息后第一時間啟動相應海域水動力環(huán)境動態(tài)預測模型,并根據(jù)決策需要模擬預測未來一段時間事故海域的海流、海浪、水位等水動力環(huán)境狀況,為污染物遷移轉化模擬預測提供水動力驅動場,極大縮短了響應時間,提高了響應效率。

表1 中國近岸海域水動力環(huán)境動態(tài)預測模型庫Table 1 Hydrodynamic prediction model library of China offshore area

2.2 污染物遷移轉化模擬預測和溯源技術

預測是預警的前提,只有對污染物的遷移、擴散和轉化規(guī)律進行科學預測才能夠實現(xiàn)準確有效的預警。因此,預測預警系統(tǒng)在海洋水動力環(huán)境動態(tài)預測模型的基礎上集成了污染物遷移轉化模擬預測和溯源技術,動態(tài)模擬預測或回推污染物隨海水運動的遷移擴散和轉化過程,實現(xiàn)污染物遷移路徑、擴散范圍和形態(tài)轉化規(guī)律的動態(tài)研判以及污染源頭查找。針對溢油、危險化學品和放射性泄漏等海上突發(fā)環(huán)境事件,預測預警系統(tǒng)集成了拉格朗日粒子追蹤[9]、染色示蹤[10]等污染物漂移擴散模擬技術,以及美國應用科學咨詢公司開發(fā)的SIMAP溢油行為歸宿模型[11],將其與水動力環(huán)境動態(tài)預測模型相耦合,構建了中國管轄海域精細化的污染物遷移轉化預測和溯源模型。水動力環(huán)境動態(tài)預測模型為污染物遷移轉化和溯源模型提供計算網格和水動力環(huán)境場,污染物遷移轉化模型進一步預測污染物的漂移路徑、擴散范圍、轉化過程等行為特征,預測結果為污染物的搜尋提供指引,搜尋反饋結果進一步優(yōu)化預測模型參數(shù),提高模擬預測精度;污染物溯源模型則可以根據(jù)當前發(fā)現(xiàn)的污染物位置和范圍,并結合歷史風場、流場和海浪等海洋水動力環(huán)境參數(shù),實現(xiàn)污染物的回推追溯,為查找污染源頭提供依據(jù)。一旦發(fā)生海上突發(fā)環(huán)境事件,預測預警系統(tǒng)在收到事件位置、范圍等信息以及事故海域水動力環(huán)境參數(shù)后,迅速啟動污染物遷移轉化預測和溯源模型,根據(jù)需要模擬預測污染物遷移路徑、擴散范圍、轉化規(guī)律等未來變化趨勢,或回推追溯污染源頭,為事故應急提供有效的決策信息,最大程度地降低環(huán)境破壞、經濟損失和人員傷亡。

2.3 環(huán)境風險評價技術

海上突發(fā)環(huán)境事件發(fā)生后,應急處置措施的制定是由事故的環(huán)境風險程度決定,科學準確地評判事故環(huán)境風險并及時進行預警將有助于制定適度的應急措施,避免造成不必要的人力、物力和財力浪費,因此預測預警系統(tǒng)在海洋水動力環(huán)境動態(tài)預測模型以及污染物遷移轉化預測模型的基礎上集成了包含環(huán)境風險評價指標體系、評價方法的環(huán)境風險評價技術,根據(jù)污染物遷移轉化模擬預測結果和周邊海域環(huán)境敏感性來評價事件的環(huán)境風險程度,自動確定預警級別和預警措施。早期的環(huán)境風險評價技術主要根據(jù)污染物量、污染物特性、污染范圍等一些簡單、易獲取的指標通過加權計算來評價事件的環(huán)境危害程度[12]。這種方法只是通過污染物自身的危害程度來評估事件對海洋生態(tài)環(huán)境的危害,缺少事故發(fā)生海域的環(huán)境特征因素等。隨著海上污染物模擬預測技術的發(fā)展,結合污染物行為特征模型和事故海域環(huán)境特征來定量評估事件對周圍環(huán)境敏感區(qū)的危害性己經成為發(fā)展趨勢[13-14]。本研究采用層次分析法[15],通過搜集資料、專家咨詢、統(tǒng)計分析等手段,考慮污染物量、擴散面積、漂移速度和方向、離岸距離等污染行為特征和周邊海域功能區(qū)類型、岸灘和岸線類型、生物量、生物多樣性等海域環(huán)境敏感性特征,建立具有代表性、可評價性的海上突發(fā)環(huán)境事件環(huán)境風險評價指標體系和評價方法,對風險因子進行疊合分析來評估事件環(huán)境風險程度。

2.4 預測預警報告編報技術

預測預警報告是決策者處置海上突發(fā)環(huán)境事件過程中最需要的輔助決策文件,自動快速生成海上突發(fā)環(huán)境預測預警報告對提高應急效率至關重要。本研究構建的預測預警系統(tǒng)集成了預測預警報告編報技術,可以自動將污染物遷移轉化模擬預測技術和環(huán)境風險評價技術得到的污染物遷移路徑、擴散范圍、到達環(huán)境敏感區(qū)的可能時間,以及環(huán)境風險危害程度、預警等級和措施等預測預警數(shù)據(jù)和相關圖集進行整合,并按照標準行文格式進行編報,生成海上突發(fā)環(huán)境事件預測預警報告,為事件應急處置提供決策支持。該項技術解決了傳統(tǒng)的由專家匯總信息、集體討論、人工編寫報告等因素導致的響應時間長、主觀因素強等弊端,大大節(jié)省了時間,提高了應急效率。

2.5 預測預警產品動態(tài)化展示和個性化訂制技術

直觀、動態(tài)、靈活、友好的預測預警產品展示將有助于決策者更加高效地掌握海上突發(fā)環(huán)境事件發(fā)展演變趨勢,進而提高應急決策的科學性和有效性。因此,預測預警系統(tǒng)集成了預測預警產品動態(tài)化展示和個性化訂制技術,基于地理信息系統(tǒng)(GIS)平臺,通過GIS技術為用戶提供對基礎地理信息、海洋水動力環(huán)境要素、海洋功能區(qū)、海洋紅線區(qū)、污染物遷移轉化預測或溯源結果等各類數(shù)據(jù)的分層疊加可視化集成與展示,使用戶對事故發(fā)展動態(tài)進行更為直觀的把握。在水動力環(huán)境要素方面,提供未來72 h海域水位和三維流場、水溫、鹽度等水動力環(huán)境動態(tài)可視化產品,包括不同時間的水位分布等值圖,不同時間和剖面水層的歐拉流場、拉格朗日粒子流場和溫鹽分布等值圖,任意點位的剖面海流和溫鹽時間變化趨勢線,以及任意截面的海流和溫鹽剖面分布圖;在污染物遷移轉化預測和溯源方面,可以根據(jù)需要提供未來(或過去)一段時間的污染物遷移轉化預測(或溯源)動態(tài)可視化產品,包含污染物分布范圍、遷移路徑、外緣線和掃海面積等產品,并集成了遙感應急監(jiān)測結果,用于對預測結果的對比驗證;同時,系統(tǒng)還可以根據(jù)不同用戶的需要,根據(jù)時段、空間范圍、產品格式和分辨率等選項組合訂制個性化產品,查詢對應的數(shù)據(jù),生成相應的圖集,以滿足不同的個性化需求。此外,系統(tǒng)還可以疊加海洋功能區(qū)劃、生態(tài)紅線區(qū)、風場等信息用于綜合分析決策。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)及應用

3.1 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

預測預警系統(tǒng)的軟件開發(fā)嚴格遵循規(guī)范化、流程化、模塊化、實用性、易操作、易維護的基本原則,基于GIS平臺和Oracle數(shù)據(jù)庫,采用高性能并行計算、三維時空大數(shù)據(jù)處理、動態(tài)圖形渲染、多任務同步執(zhí)行、跨平臺數(shù)據(jù)交互等信息技術將各類相關硬件設備和軟件功能模塊高度集成融合,為海上突發(fā)環(huán)境事件的應急決策提供高效精準的預測預警服務。海上突發(fā)環(huán)境事件系統(tǒng)結構框架見圖3。

圖3 海上突發(fā)環(huán)境事件預測預警系統(tǒng)結構框架Fig.3 Structural framework of marine environmental emergency prediction and early warning system

系統(tǒng)硬件設備主要包括高性能計算集群系統(tǒng)、GIS服務器、數(shù)據(jù)庫服務器和終端顯示等,其中高性能計算集群系統(tǒng)強有力地保障了海洋水動力環(huán)境動態(tài)研判和污染物遷移轉化模擬預測應急業(yè)務工作的快速高效開展;GIS服務器用于運行基于ArcGIS平臺的各類地圖服務,可動態(tài)生成三維水動力場、污染物分布場等地圖產品,供應急決策查看調用;數(shù)據(jù)庫服務器基于Oracle關系型數(shù)據(jù)管理技術,將海洋水動力環(huán)境參數(shù)、污染物遷移轉化預測數(shù)據(jù),以及海域海洋功能區(qū)劃、生態(tài)紅線區(qū)劃、環(huán)境敏感資源分布、污染物特性參數(shù)、相關法律規(guī)劃預案等各類數(shù)據(jù)源進行科學化、規(guī)范化和標準化管理。系統(tǒng)軟件開發(fā)遵循模塊化原則,主要包括水動力環(huán)境動態(tài)研判、污染物遷移轉化模擬預測、污染物回推溯源、環(huán)境風險評價、預測預警報告自動編報、產品動態(tài)化個性化展示6大功能模塊,各個模塊功能明確,按照業(yè)務流程進行系統(tǒng)整合,模塊之間通過建立通訊接口進行數(shù)據(jù)交互,相互獨立但又相互依賴、相互配合實現(xiàn)預測預警工作的順利開展。系統(tǒng)生成的預測預警產品動態(tài)發(fā)布在信息平臺上,內部網絡授權用戶登錄平臺即可查看相關產品,外部網絡授權用戶則需要通過VPN賬號加密登錄平臺進行查看。

3.2 實戰(zhàn)應用

3.2.1 事故基本概況

2021年4月27日8:51,雜貨船“義海”輪與油船“交響樂”輪發(fā)生碰撞,事故導致約9 400 t船載貨油泄漏入海,造成海域污染,構成特別重大船舶污染事故[16]。事故點位于青島朝連島農漁業(yè)區(qū)海洋功能區(qū)內,水深約35 m,在青島市東南方向約65 km,距朝連島約19 km,距領海外部界限最近距離約4.5 km。事故周邊70 km范圍內有6個海洋保護區(qū),需要啟動突發(fā)事件的預測預警響應。

3.2.2 預測預警系統(tǒng)運行

于2021年4月27日17:00開始海上突發(fā)事件預測預警工作,搜集事故海域海面風場預報數(shù)據(jù),運行海上突發(fā)環(huán)境事件預測預警系統(tǒng)。首先,啟動水動力環(huán)境動態(tài)研判模塊,運行水動力環(huán)境動態(tài)預測模型庫中的黃海大尺度和膠州灣中尺度嵌套水動力環(huán)境動態(tài)預測模型,借助高性能計算集群,17:40左右得到事故海域附近未來7 d的流場、水位和溫鹽等水動力環(huán)境參數(shù)預測結果。

隨后,啟動污染物遷移轉化模擬預測模塊,運行SIMAP溢油行為和歸宿模擬系統(tǒng),以4月27日9:00為起報時間,根據(jù)獲取到的事故信息設置油品特征、溢油量、溢油速率等參數(shù),將事故海域風場和流場預測結果作為驅動力,18:10左右計算得到未來2 d的油污漂移路徑、擴散范圍和轉化情況等數(shù)據(jù)和圖集。模擬預測結果顯示,在風和潮流的共同作用下,溢油入海后污染面積不斷擴大,整體向東北向運移,12 h后,最遠擴散至偏東北約15.2 km處,擴散范圍約35.7 km2,掃海面積約65.1 km2;24 h后,最遠擴散至偏東北約16.0 km處,擴散范圍約85.3 km2,掃海面積約206 km2;48 h后,最遠擴散至偏東北約29 km處,擴散范圍約166.1 km2,掃海面積約453.7 km2。

然后,啟動環(huán)境風險評價模塊,綜合油污遷移轉化模擬結果和周邊海域環(huán)境敏感特征,18:30左右得到事故造成的環(huán)境危害程度和預警等級;按照預定好的文本格式集成整合預測預警數(shù)據(jù)和主要圖集,18:50左右自動編報生成《黃海“交響樂”輪溢油事故應急預測預警報告》;最后,19:10左右預測預警產品上傳至預測預警系統(tǒng)平臺前端進行動態(tài)化展示。本次預測預警工作歷時約2 h。海上事故應急監(jiān)測和處置隊伍根據(jù)系統(tǒng)提供的油污漂移路徑和擴散范圍等指引信息在事故周邊海域開展油污搜尋和環(huán)境監(jiān)測,海上實測油污分布和預測結果有較高的吻合度,充分證明了預測結果的準確可靠性。

利用“交響樂”輪溢油事故對預測預警系統(tǒng)進行了全面、長時間的業(yè)務化實戰(zhàn)檢驗,檢驗結果證明,原有零散、不成體系的海上突發(fā)環(huán)境事件預測預警關鍵技術按照業(yè)務流程進行系統(tǒng)化、信息化整合后表現(xiàn)出強大的合力,各集成模塊之間銜接順暢,大大縮短了海上突發(fā)環(huán)境事件預測預警響應時間,極大提高了應急效率,為應急處置決策的制定贏得了寶貴時間,有效保障了應急工作的順利開展。

4 結 語

海上突發(fā)環(huán)境事件預測預警是應急響應的前提和基礎,為污染物的搜尋、應急監(jiān)測和處置提供指引,在很大程度上影響著應急決策的科學性和有效性。中國海上突發(fā)環(huán)境事件預測預警系統(tǒng)的研發(fā)在很大程度上解決了相關技術零散、不成體系的問題,實現(xiàn)了預測預警關鍵技術高度的流程化、系統(tǒng)化整合,大大提高了預測預警效率,為應急決策提供了科學有效的支撐作用。目前,系統(tǒng)的有效性和準確性已在近年發(fā)生的多起海上突發(fā)環(huán)境事件中得到了應用和證明,但仍然有待于進一步完善,主要包括進一步完善水動力環(huán)境動態(tài)預測模型庫,建立覆蓋中國管轄海域以及西太平洋等周邊重點海域的高分辨率、精細的水動力環(huán)境動態(tài)預測模型庫;彌補危險化學品泄漏和放射性污染遷移轉化模擬預測技術短板,研發(fā)或引進相關模型產品;進一步論證和完善環(huán)境風險評價指標體系、評價方法和預警等級劃分標準,更加科學定量地評估事件的環(huán)境危害程度。隨著系統(tǒng)的不斷優(yōu)化完善和大力推廣應用,將進一步提高中國海上突發(fā)環(huán)境事件預測預警能力,為海洋突發(fā)事件的應急響應保駕護航。