宋莎莎安 偉李建偉趙宇鵬靳衛(wèi)衛(wèi)

(中海油能源發(fā)展股份有限公司安全環(huán)保分公司,天津塘沽300452)

海上溢油量評估方法研究綜述

宋莎莎,安 偉,李建偉,趙宇鵬,靳衛(wèi)衛(wèi)

(中海油能源發(fā)展股份有限公司安全環(huán)保分公司,天津塘沽300452)

近年來,國內(nèi)外海上溢油污染事故的頻發(fā),使得全社會對海洋污染的關(guān)注不斷升溫。海上溢油量是評價(jià)海上溢油事故威脅程度和確定溢油事故等級的重要指標(biāo),也是污染賠償追責(zé)的重要依據(jù),同時(shí)對于現(xiàn)場溢油應(yīng)急處置和科學(xué)決策也有重要作用。本文總結(jié)分析了目前主要的4種海上溢油量初步評估方法,包括質(zhì)量平衡法、工藝流程法、現(xiàn)場觀測法和數(shù)值模擬法。不同溢油量估算方法適用的溢油源和溢油方式各有不同,估算的溢油量也不盡相同。實(shí)際應(yīng)用中,通常根據(jù)具體情況選擇多種方法進(jìn)行溢油量綜合評估。本文從實(shí)際應(yīng)用出發(fā),探討幾種可用的溢油量評估方法,并結(jié)合案例進(jìn)行說明。

海上溢油;溢油量;評估

在溢油事故中,溢油量的確定是事故處置的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一,為污損對象的確定以及損害評估提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持[1-4]。同時(shí),溢油量也是確定溢油事故等級的重要指標(biāo)。國內(nèi)溢油級別按照溢油量確定:溢油量10 t以下為小型溢油事故;10～100 t為中型溢油事故;100 t以上為大型溢油事故。

溢油量估算是一項(xiàng)復(fù)雜而具有挑戰(zhàn)性的工作。一般而言,溢油事故由于原因復(fù)雜,無法直接通過體積計(jì)量等技術(shù)手段對溢油量進(jìn)行精確計(jì)算。通常選用一定的技術(shù)方法來對溢油量進(jìn)行估算。由于實(shí)際溢油事故應(yīng)急處置中所保存和掌握的現(xiàn)場資料有限,并不能滿足所有估算方法對于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的需求,同時(shí)有些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)也因?yàn)闀r(shí)間、地點(diǎn)、海況等多方面原因不能夠完全達(dá)到使用要求。實(shí)際應(yīng)用中,通常根據(jù)事故的具體情況選擇一種或多種估算方法進(jìn)行綜合評估。從墨西哥灣事故溢油量估算的結(jié)果來看,應(yīng)用不同方法得出的結(jié)果有所差異,但基本上分歧不大[5]。如果溢油量估算過程中因方法選擇不同出現(xiàn)最終結(jié)果差別較大,則需進(jìn)一步探討方法選擇以及相應(yīng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之間的匹配性、參數(shù)選擇的合理性等。

海上溢油源主要包括船舶泄漏、管線泄漏、平臺泄漏、儲油設(shè)施泄漏等。不同的溢油源適用的油量估算方法也不同。船舶泄漏可通過事故調(diào)查、沉船點(diǎn)流量動態(tài)方法,利用監(jiān)測結(jié)果評估總體溢油量,也有通過數(shù)值模擬方法精細(xì)計(jì)算船舶溢油過程中的泄漏量[6-7]。管線溢油評估方法包括:基于統(tǒng)計(jì)學(xué)方法、量綱分析法的溢油量總體評估,以及全過程泄漏量預(yù)測[8]。平臺泄漏可通過油藏工程對溢油量進(jìn)行初步評估[9],也可基于現(xiàn)場觀測設(shè)備獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行評估分析。儲罐設(shè)施泄漏可通過泄漏前后儲量差進(jìn)行估算。

1 溢油量評估方法

溢油量評估方法總結(jié)歸納為質(zhì)量平衡法、工藝流程法、觀測評估法、數(shù)值模擬法。各種估算方法的原理、需要的支持?jǐn)?shù)據(jù)和應(yīng)用的溢油類型各不相同。溢油量估算在事故總體評估和應(yīng)急處置中都發(fā)揮著不可忽視的重要作用。

(李 燕 編輯)

1.1 質(zhì)量平衡法

質(zhì)量平衡溢油量估算模型[5],根據(jù)溢油在海洋環(huán)境中的行為與歸宿,溢油總量包括海面殘留量、風(fēng)化過程中減少的量以及回收處理的量。

石油溢入海洋之后,經(jīng)歷漂移、擴(kuò)散和風(fēng)化等復(fù)雜的物理、化學(xué)和生物變化過程,同時(shí)在應(yīng)急反應(yīng)中會采取各種方法對溢油進(jìn)行回收和處理,溢油在整個(gè)過程中遵循質(zhì)量平衡原理,并最終從海洋環(huán)境中消失。

質(zhì)量平衡溢油量估算方法是根據(jù)溢油在海洋環(huán)境中的行為與歸宿,將各個(gè)過程中估算的溢油量相加,得到的油量和即為溢油總量,包括海面的溢油量、回收處理的溢油量以及風(fēng)化(主要指蒸發(fā)、溶解和分散)過程中減少的溢油量,其關(guān)鍵在于對溢油在海洋環(huán)境中去向的分析與估算。

1.1.1 海面現(xiàn)場溢油量估算

海面現(xiàn)場溢油量可根據(jù)海面油膜厚度和監(jiān)測技術(shù)獲取的海面油膜面積以及溢油品種的密度計(jì)算。將海面溢油區(qū)域根據(jù)油膜顏色劃分為若干區(qū)域,基于各區(qū)域油膜面積和對應(yīng)的油膜厚度計(jì)算溢油量,公式為

式中,G為海面現(xiàn)場溢油量;Si為第i種顏色的油膜面積;Hi為第i種顏色的油膜厚度;ρ為油品密度;n為油膜顏色的數(shù)量。

油膜面積通過現(xiàn)場觀測、衛(wèi)星遙感、航空遙感等多種監(jiān)測技術(shù)獲得;基于光學(xué)遙感和超聲波原理的激光聲學(xué)遙感器是最具發(fā)展?jié)摿Φ挠湍ず穸葴y量技術(shù)[10],但目前可操作性差。構(gòu)建油膜擴(kuò)展模型來估算油膜厚度需進(jìn)一步試驗(yàn)應(yīng)用驗(yàn)證[11],目前常用的方法是通過監(jiān)測技術(shù)獲得的油膜顏色,并根據(jù)波恩協(xié)議油膜顏色與厚度的對應(yīng)關(guān)系(表1)獲得厚度。綜上利用監(jiān)視監(jiān)測信息,獲取油膜面積,結(jié)合現(xiàn)場油膜顏色(圖1)對應(yīng)的油膜厚度,計(jì)算海面現(xiàn)場溢油量。

表1 溢油油膜顏色與厚度、體積實(shí)驗(yàn)關(guān)系[12]Table 1 Experimental relationship between the oil slick color and the thickness and volume of the oil spill[12]

圖1 某次溢油過程利用遙感方法識別的油膜和現(xiàn)場油膜顏色Fig.1 The oil slick identified by remote sensing and the in situ color of oil in an oil spill process

1.1.2 風(fēng)化溢油量估算

風(fēng)化溢油量主要考慮蒸發(fā)過程,通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M和數(shù)值模擬方法,建立風(fēng)化溢油量估算方法。根據(jù)國內(nèi)常見油品類型開展實(shí)驗(yàn),對蒸發(fā)模型參數(shù)進(jìn)行校正以彌補(bǔ)模型準(zhǔn)確性的不足。溢油蒸發(fā)模型[13]:

式中,Fv為蒸發(fā)油的體積分?jǐn)?shù);T為環(huán)境溫度;A',B',T0,TG為各種依賴于油品的常數(shù);θ'為揮發(fā)系數(shù)。TG為蒸餾曲線的梯度,T0為油(Fv=0)的初始沸點(diǎn)溫度,這些參數(shù)都取決于油品屬性,通過蒸餾實(shí)驗(yàn)獲得,國內(nèi)油品缺少這兩個(gè)參數(shù),特別是TG,基本沒有提到過。按照經(jīng)驗(yàn)公式得到的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果差距較大,造成蒸發(fā)量計(jì)算結(jié)果誤差較大。利用波浪槽模擬裝置,對中國近海油品進(jìn)行實(shí)驗(yàn),修正蒸發(fā)模型。

通過試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)水中溶解、分散的量較低,通?？梢院雎圆挥?jì)。如果一定需要估算,一方面可以采取試驗(yàn)?zāi)M,另一方面可根據(jù)油品特征,選取經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行估算。

1.1.3 溢油回收量估算

1.2 工藝流程法

在工程數(shù)據(jù)如鉆完井?dāng)?shù)據(jù)可獲取的條件下,工藝流程法是一種快捷、簡單的方法。對于船舶溢油來說,可根據(jù)船舶裝卸載量差計(jì)算泄漏量。如溢油事故發(fā)生在輸油期間,可根據(jù)輸油速率和輸油時(shí)間估算泄露量[14]。當(dāng)然,突發(fā)事故中,常常因資料有限,無法應(yīng)用該方法估計(jì)泄漏量。對于油井平臺泄漏,可采用油藏工程法。應(yīng)用油氣藏地質(zhì)模型、開采日志、鉆完井工程記錄、壓力、體積、溫度數(shù)據(jù)、巖芯樣品和模擬油藏?cái)?shù)據(jù)開展油藏建模,并進(jìn)行溢油量估算。油藏工程方法選用的原則是,根據(jù)實(shí)際資料情況,選用資料豐富、落實(shí)程度較高的方法,盡可能減少方法的假設(shè)前提條件,使估算結(jié)果減少人為因素。經(jīng)典的油藏工程方法參數(shù)包括采油強(qiáng)度、比采油指數(shù)、溢油時(shí)間等。

采油強(qiáng)度是指單位油層有效厚度的日產(chǎn)油量叫采油強(qiáng)度。計(jì)算方法:采油強(qiáng)度=油井日產(chǎn)油量/油井油層有效厚度。比采油指數(shù):單位生產(chǎn)壓差下每米有效厚度的日產(chǎn)油量,是一個(gè)反映油層特性、流體性質(zhì)、完井條件及泄油面積等與產(chǎn)量之間關(guān)系的綜合指標(biāo)。

1.3 觀測評估法

觀測評估法利用海洋觀測設(shè)備,如多波束聲吶、聲學(xué)流速剖面儀等,對溢油面積和溢油速率進(jìn)行測量估算,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行溢油量的估算。觀測評估法對觀測設(shè)備要求較高,同時(shí),在實(shí)際事故中,要考慮與應(yīng)急處置的平衡,盡量不影響應(yīng)急處置。

1.3.1 光學(xué)估計(jì)法

粒子圖像測速法是一種流體動力學(xué)技術(shù),通過對2個(gè)連續(xù)的視頻幀進(jìn)行觀察,并校正觀察角度等因素,分析時(shí)間視頻幀之間的移動距離可以得出流速,并通過在一段時(shí)間和空間內(nèi)重復(fù)測量,獲得平均流速,最后使用平均流速乘以羽流的斷面面積等于體積流量,得到溢油量。

粒子圖像測速技術(shù)使用微小固體顆粒進(jìn)行測量,這些顆粒使用激光照射并在非常短時(shí)間的曝光條件下記錄流速。由于流體中各處流速并不一致,必須對多個(gè)位置進(jìn)行取樣來評估平均流速。同樣,截面面積受時(shí)間、空間和分散邊界的影響,需要根據(jù)測速區(qū)的位置計(jì)算平均截面積。在每個(gè)測速區(qū)計(jì)算矢量流速,計(jì)算平均流速,結(jié)合平均截面積,便可估算出油氣凈流量[5]。

1.3.2 聲學(xué)估計(jì)法

聲學(xué)估計(jì)法利用聲吶測量溢油羽流橫截面面積,用多普勒海流剖面儀測量流速。估計(jì)的流速和面積相乘得出總的體積(原油和天然氣)流量。墨西哥灣溢油中美國海岸警衛(wèi)隊(duì)支持伍茲霍爾海洋研究所研究人員,在工作級水下機(jī)器人上安裝1.8 MHz多波束成像聲納和1.2 MHz聲學(xué)多普勒海流剖面儀,進(jìn)行漏油量估計(jì)[5]。

1.4 數(shù)值模擬法

數(shù)值模擬是建立在水動力基礎(chǔ)之上,包括三維水動力模型、對流散模型、水質(zhì)模型等,該方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于潮流、泥沙輸運(yùn)和沉積等過程的模擬和事故分析中[12,15]:一方面,在已知源強(qiáng)或假設(shè)源強(qiáng)的基礎(chǔ)上,數(shù)值模擬方法可以對不同物理性質(zhì)的污染物的濃度分布及擴(kuò)散范圍進(jìn)行預(yù)測,并探討污染物對事故海域造成的海洋環(huán)境影響;另一方面,在有實(shí)測數(shù)據(jù)的前提下,利用數(shù)值模擬方法可以反推污染物源強(qiáng),解決污染物排放位置和強(qiáng)度等問題。由于海洋水動力環(huán)境和污染物擴(kuò)散過程的復(fù)雜性,必須通過布點(diǎn)合理,多組、連續(xù)的監(jiān)測數(shù)據(jù),才可以利用數(shù)值模擬的方法較為準(zhǔn)確地反推污染物排放源強(qiáng)。

以上溢油量估算方法中,質(zhì)量平衡估算法可操作性高,但更適用于海面溢油量估算,對于水下溢油,特別是深水水下溢油事故,缺乏對于水下羽狀流、沉底油的估算,容易導(dǎo)致估算溢油量偏低。工藝流程法基于工程數(shù)據(jù),不需要開展現(xiàn)場試驗(yàn)采集數(shù)據(jù),但缺乏數(shù)據(jù)則無法應(yīng)用。觀測評估法需在泄漏位置附近開展測量,特別是聲納方法應(yīng)用要求高,需專業(yè)化海洋設(shè)備和水下工作機(jī)器人搭載,且設(shè)備調(diào)配布放均需時(shí)間,適于連續(xù)溢油情況。數(shù)值模擬方法,需配合布控監(jiān)測數(shù)據(jù),才能反推出溢油量,應(yīng)用限制也較多。

此外,上述估算方法一方面可應(yīng)用于溢油事故后評估,估算溢油總量;另一方面,質(zhì)量平衡法中海面現(xiàn)場殘余油量的估算、工藝流程法、觀測評估法都可以為溢油應(yīng)急處置和清污作業(yè)過程中清污資源調(diào)配與決策提供科學(xué)參考。針對各種溢油源,供參考的溢油量估算方法見表2。

表2 不同溢油源對應(yīng)的溢油量估算方法Table 2 Estimation method for oil spill volume corresponding to different oil spill sources

2 溢油量估算案例

為加深對上述溢油量估算方法的理解,下面對質(zhì)量平衡法和工藝流程法給出簡單的溢油量估算應(yīng)用案例。由于觀測評估法需專業(yè)監(jiān)測設(shè)備,數(shù)值模擬法需布控監(jiān)測數(shù)據(jù)的配合,這里就不再具體給出應(yīng)用案例。

2.1 質(zhì)量平衡法案例

假定一簡單溢油場景進(jìn)行應(yīng)用,實(shí)際溢油事故中需根據(jù)具體情況進(jìn)行綜合評估。某一次性溢油事故中,事發(fā)約48 h后獲取了海面溢油遙感影像。此時(shí),現(xiàn)場通過收油機(jī)、吸油材料回收,并經(jīng)油水分離[16],實(shí)際回收溢油約0.5 m3。

1)溢油實(shí)際回收量

考慮現(xiàn)場通過收油機(jī)、吸油材料回收,并經(jīng)油水分離,現(xiàn)場實(shí)際回收溢油約0.5 m3。

2)海面現(xiàn)場殘余油量估算

根據(jù)遙感影像識別油膜面積約為20.8 km2,現(xiàn)場照片顯示除漏油點(diǎn)附近有一黑色細(xì)長油膜條帶,油膜顏色以銀白色和灰色為主,偶見彩虹色油膜。因此海面油量估算時(shí)選取油膜厚度:銀白色油膜厚度0.02～0. 05μm,取高值0.05μm,灰色油膜厚度0.1μm;銀白色油膜占海面油膜約80%,彩虹色約20%。估算海面現(xiàn)場溢油量約為

3)風(fēng)化溢油量估算

為估算風(fēng)化溢油量,綜合考慮各實(shí)驗(yàn)方法,采用在容器中進(jìn)行基礎(chǔ)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)和在波浪槽內(nèi)模擬動態(tài)實(shí)驗(yàn)的方法。對溢油樣品進(jìn)行了48 h實(shí)驗(yàn),綜合靜態(tài)和動態(tài)實(shí)驗(yàn)得到油揮發(fā)率約為55%,即海面現(xiàn)場殘余油量和實(shí)際回收量約為45%。據(jù)此計(jì)算風(fēng)化油量為

綜上,質(zhì)量平衡法估算的總溢油量為1.3+0.5+2.2=4.0 m3。由于未考慮沉底溢油或上岸溢油,估算的溢油量可能偏低。

2.2 工藝流程法案例

2005-01-02,利比亞籍油輪Alyarmouk與新加坡籍散貨船Sinar Kapuas在新加坡海域相撞,導(dǎo)致Alyarmouk油輪一個(gè)油艙受損,管理Alyarmouk的V.Ships UK Ltd公司估計(jì)有4 500 t(33 000桶)的馬都拉原油從油艙中泄漏出來(http:∥www.cnss.com.cn/html/2015/currentevents_0104/166012.html)。其溢油量通過油艙倉容、載貨量、卸貨量估算,一般得到的是最少溢油量,誤差視具體情況而定。

3 結(jié) 論

本文總結(jié)了質(zhì)量平衡法、工藝流程法、觀測評估法、數(shù)值模擬法四種溢油量估算方法?？紤]到溢油事故的復(fù)雜性和極端環(huán)境溢油事故,實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)具體情況進(jìn)行綜合評估,為事故應(yīng)急決策和事故評估提供重要支持。對于船舶、平臺和管線的一次性泄漏,由于調(diào)用觀測設(shè)備時(shí)間較長,需要一定的準(zhǔn)備時(shí)間和設(shè)備調(diào)試時(shí)間,通?？紤]工藝流程法、質(zhì)量平衡法和數(shù)值模擬法;對于連續(xù)性溢油,各種方法都可考慮。船舶和管線泄漏時(shí),首先考慮工藝流程法,其次考慮其他方法。平臺泄漏,特別是溢油量較大時(shí),采用多種方法進(jìn)行估算,綜合比較確定估算的溢油量。對于儲油設(shè)施泄漏,通常基于泄漏前后儲量差估算。

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Review on the Methods for Assessment of Marine Oil Spill Volume

SONG Sha-sha,AN Wei,LI Jian-wei,ZHAO Yu-peng,JIN Wei-wei
(CNOOC EnerTech-Safety&Environmental Protection Co.,Tanggu 300452,China)

In recent years the pollution caused by marine oil spill occurs frequently at home and abroad, which has made the whole society pay much attention to the marine pollution.The marine oil spill volume is not only an important index for evaluating the threat degree of marine oil spill accident and determining the grade of oil spill accident,but also an important basis for pollution compensation and accountability. Also,it plays an important role for the in-situ oil spill response and scientific decision making.Several major methods for preliminary evaluation of marine oil spill volume are summarized and analyzed,which include mass balance method,technical process method,field observation method and numerical simulation method.Different methods are suitable for different sources and ways of oil spill so that the estimated oil spill volume is usually not the same.In the practical application,it is common to select multiple methods for the comprehensive assessment of oil spill volume according to the concrete conditions.For practical application,several methods available for the assessment of oil spill volume are discussed and illustrated by combination with practical cases.

marine oil spill;oil spill volume;assessment

X55

A

1002-3682(2017)01-0083-06

10.3969/j.issn.1002-3682.2017.01.009

2016-11-03

中國海洋石油總公司科技項(xiàng)目——海上溢油衛(wèi)星自動識別和預(yù)警業(yè)務(wù)化系統(tǒng)研發(fā)(CNOOC-KJ 125 ZDXM 25JAB NFCY 2012-01)

宋莎莎(1989-),女,工程師,碩士,主要從事海洋溢油污染防治方面研究.E-mail:songshsh2@cnooc.com.cn

Received:November 3,2016