孫逸宸 魏東澤 盧金樹 吳文峰

【摘 要】 為建立較為完善的海上溢油應(yīng)急處置機制，以舟山群島海域為例，分析利用島、礁等有利地形進行海上溢油快速圍控的技術(shù)，設(shè)計一種可持續(xù)供能的溢油回收裝置，構(gòu)建包括前期分析預(yù)測、中間過程控制、后期自動化清理的較為完整的溢油應(yīng)急處理體系，為區(qū)域溢油應(yīng)急方案的制定及應(yīng)急行動提供技術(shù)支撐。該體系的實現(xiàn)可以為溢油處置的科學決策提供有益的參考。

【關(guān)鍵詞】 群島海域;舟山群島;海上溢油;快速圍控;應(yīng)急處理;溢油清理回收裝置

0 引 言

海洋油氣開發(fā)工程的迅速發(fā)展和國際海運油品量的不斷攀升導致海上溢油事故發(fā)生頻率和溢油量均呈現(xiàn)逐年上升的趨勢，世界經(jīng)濟因此遭受巨大損失，海洋生態(tài)環(huán)境也受到嚴重侵害。2003年7月，“塔斯曼精靈”號油船在巴基斯坦卡拉奇海域附近擱淺，其運載的原油有20%溢入海洋，多達6.2萬t。該事故被認為是巴基斯坦歷史上最嚴重的環(huán)境災(zāi)難。2010年，“深水地平線”號鉆井平臺發(fā)生爆炸并引發(fā)大火，溢油事故給石油公司造成了巨額的經(jīng)濟損失。雖然此次應(yīng)急處理采用了機械處理、原油燃燒和噴灑分散劑等方法對溢油進行處理和回收，但該事故還是對墨西哥灣的海洋生態(tài)系統(tǒng)和社會經(jīng)濟造成高達400億美元的損失。[1]1973―2006年，我國沿海共發(fā)生船舶溢油事故起，其中溢油50 t以上的重大船舶溢油事故69起，總溢油量約3.7萬t。由此可見，研究海上溢油的快速處置技術(shù)、建立較為完善的溢油應(yīng)急處置機制十分必要。

1 溢油處理常用方法及其利弊

目前，常用的溢油處理方法包括物理機械回收、化學制劑分散及燃燒。這些方法各有優(yōu)缺點，共同的缺點是對于不同種類原油的處理效果差別大，尤其在處理大面積溢油事故時作用十分有限。

1.1 物理回收

物理回收是利用清污船和工作人員在溢油區(qū)域現(xiàn)場清污，但存在諸多安全隱患，一旦發(fā)生火災(zāi)，將給清污人員的人身安全造成巨大威脅，且無法在大風大霧時進行清污工作。

1.2 化學消油

化學消油劑能較快地稀釋溢油，但如果使用不當，會在短時間內(nèi)增加水體中有害物質(zhì)的成分，造成生態(tài)破壞;因此，國際上對消油劑的使用都持謹慎態(tài)度。

1.3 燃燒法

燃燒法對新鮮溢油的處理較為有效，圍油欄的圍控作用能夠使溢油達到足夠厚度，以便燃燒，但會造成嚴重的空氣污染，影響岸邊的居民生活，且燃燒后海面留有殘渣。

2 海上溢油處理

2.1 現(xiàn)有溢油處理方案

溢油事故發(fā)生后，油污在風浪的作用下由發(fā)生位置向外擴散，形成面積較大的分散油膜。當油膜帶到達陸地后，溢油處理的難度比海面大大增加。因此，建立完善的溢油應(yīng)急處理機制對減少環(huán)境污染十分必要。

當溢油事故發(fā)生時，通常的做法是：先定位溢油位置，使用凝油劑將事故油船的溢油裂口堵塞，等待倒載;啟動應(yīng)急卸載泵，轉(zhuǎn)移受損船舶上的余油;及時鋪設(shè)圍油欄，在溢油油膜達到一定厚度后，使用收油機進行回收;余下分散的薄油層可以使用吸油材料吸收處理，無法回收的油膜用分散劑進行乳化使其分散在海水中或用生物方法進行降解。

2.2 溢油數(shù)值模擬過程

海上溢油擴散過程通常包括在溢油剛發(fā)生時溢油隨著海流不斷漂移，以及在海浪作用下油膜的擴散、蒸發(fā)、分散等過程。溢油數(shù)值模擬是對溢油進行分析預(yù)測的重要環(huán)節(jié)，也是整個溢油處置研究的難點，其主要目的是模擬及預(yù)測在海浪作用下油粒子的運動軌跡，本質(zhì)上是根據(jù)運動學對油粒子的運動軌跡進行相對準確預(yù)測的過程?，F(xiàn)今大多采用OILMAP、OSIS等軟件來進行溢油擴散活動的數(shù)值模擬。模擬流程見圖1。溢油運動軌跡模擬的過程主要有以下3個步驟：

（1）選定需要計算的溢油區(qū)域，對此區(qū)域的水文條件等數(shù)據(jù)進行分析，再劃分重點溢油區(qū)域，利用數(shù)值模擬軟件建立模型進行計算;

（2）根據(jù)溢油不同的特征（如油膜的厚度等具有明顯的區(qū)分度）組成不同的荷載組合;

（3）記錄溢油量及溢油位置，模擬溢油在不同工況、不同時間的運動軌跡。

3 舟山群島海域溢油快速圍控技術(shù)

舟山港區(qū)是我國重要的石油中轉(zhuǎn)及儲運基地之一，擁有3 000噸級及以上碼頭泊位80多個，其中石油產(chǎn)品碼頭泊位35個，包括冊子原油中轉(zhuǎn)碼頭、小洋山申港油碼頭等，大多分布在舟山南部海域。除此之外，舟山海域分布著東海平湖海潮港的海底輸油管線。因此，在舟山港區(qū)尤其是在舟山南部海域，溢油防治工作非常重要。

溢油在開闊水域或群島水域會表現(xiàn)出不同的運動形式，因而前期要進行深入的研究，準備多套處置方案，以便更加準確地作出決策。如果溢油發(fā)生在開闊水域，僅依靠清污船很難對溢油進行快速圍控。若在舟山群島海域發(fā)生溢油事故，則可以充分利用群島地形來達到快速圍控的目的：首先對海上溢油的運動軌跡進行數(shù)值模擬，再分析油膜的運動軌跡，在關(guān)鍵的島、礁石上布置一定數(shù)量的站點，達到快速圍控的目的。

具體流程如下：

（1）選取較易發(fā)生溢油事故的海域作為數(shù)值模擬的計算區(qū)域，利用OILMAP等軟件建模，隨后劃分選定的區(qū)域，同時輸入所需要素（包括溢油位置、溢油性質(zhì)等）及邊界條件;

（2）通過軟件的數(shù)值模擬得出不同油膜在不同時刻的運動軌跡;

（3）基于數(shù)值模擬擬合出運動軌跡曲線，結(jié)合實際來制定實施快速圍控的方案。

由模擬溢油發(fā)生時的溢油發(fā)展及布置方案（見圖2）可以看出：通過連接多個搭建在島和礁石上的站點，可分隔開原本連為一體的水域，溢油受到圍油欄的攔截而無法向外擴散，從而達到控制溢油的目的;若擴散速度比預(yù)想要快，可采取第二種布置方案（見圖3），即連接定海―盤峙―大貓―穿山等島礁。因此，可基于數(shù)值擬合的運動軌跡及實際情況選擇布置方案。

由于采用數(shù)值模擬的效率較高，可選擇多個溢油事故多發(fā)點，模擬不同環(huán)境及不同時刻下溢油的運動軌跡，從而制定相應(yīng)的快速圍控的預(yù)案。溢油的控制基站一般設(shè)立于多個島嶼或礁石間較重要且需要連接的位置，設(shè)立基站可為方案的實施提供部分所必需的器材（如圍油欄等）。這些站點的設(shè)置應(yīng)考慮到環(huán)境條件、水域條件等因素，同時需保證方案實施的便捷和高效。

利用群島海域的地形優(yōu)勢進行圍控的方法，對溢油區(qū)域內(nèi)溢油的清理及減少外部溢油的滲入十分有效。群島海域快速圍控技術(shù)方案的實施還需要考慮實際溢油擴散的快慢及布置圍油欄快慢等因素。只有盡可能依據(jù)最不利于圍油欄布置的條件進行分析，才能保證在實際操作中成功實施快速圍控的方案。

4 一種可持續(xù)供能的溢油清理 回收裝置

鑒于目前常用海上溢油清污方式均存在一定缺陷，本文提出一種可持續(xù)供能的溢油清理回收裝置。安裝在裝置上的新型吸油材料對溢油進行回收，回收效率高，并且能夠通過定位系統(tǒng)監(jiān)測溢油運動軌跡，使工作人員遠離清污現(xiàn)場。本裝置主要由控制中心、吸油艙室、油水分離艙室、供能艙室等4個模塊組成（見圖4）。

溢油事故發(fā)生后，位于陸域的控制中心根據(jù)油污發(fā)生的具體定位將此溢油回收裝置遙控至指定海域，吸油口可根據(jù)油膜厚度沿吸油導軌上下移動以增大所泵入含油污水的油水比來提高回收效率。油污經(jīng)由吸油管、輸油管、閥門及真空泵進入油污處理系統(tǒng)的吸油艙室，艙室由碳納米管（CNT）海綿填充。CNT海綿的超疏水性可實現(xiàn)油與水的完全分離，隨著海水由艙室后側(cè)排水管排出，油品吸附于CNT海綿上，并通過3個艙室之間的轉(zhuǎn)動軸旋轉(zhuǎn)進入擠壓艙室;擠壓艙室前側(cè)安裝有機械手臂，通過物理擠壓作用，將油品從海綿中分離，并泵入裝置后部的儲油艙室;擠壓后的吸油海綿（此吸油海綿耐高溫性能強，燃燒后吸油性能不受影響）隨轉(zhuǎn)動軸承轉(zhuǎn)入供能艙室，并由點燃裝置將殘油點燃，產(chǎn)生的能量可為本裝置在到達溢油區(qū)域后的回收作業(yè)持續(xù)提供能量。具體技術(shù)路線見圖5。

由于CNT海綿吸油速度快，油污處理系統(tǒng)的3個艙室可采用定時的方式自動完成其功能，如艙室之間的軸承每10 min轉(zhuǎn)動1次，即旋轉(zhuǎn)120埃瓿珊罌賞苯形捅孟蛭筒帳冶萌胗推貳⒒凳直墼詡費共帳椅錮砑費?、甸b甲爸迷詮┠懿帳業(yè)閎疾杏??？0 min后轉(zhuǎn)動軸承進行下一次旋轉(zhuǎn)，3個艙室進入下一次循環(huán)工作。

此自動裝置在海上溢油清理方面具備3個優(yōu)勢：

（1）艙體安裝有自動定位系統(tǒng)，可自動導航及上傳實時位置至控制中心，提高溢油清理的工作效率。溢油回收過程不需要工作人員親臨溢油現(xiàn)場，只需岸上遙控此裝置即可，保障了清理溢油工作人員的人身安全。

（2）裝置采用了新型吸油材料。CNT海綿是一種非常有效的海洋溢油處理材料，具有高效、經(jīng)濟的特點，其密度極小，吸油速度極快，且最大吸油能力為92.30 g/g，是傳統(tǒng)吸油材料聚丙烯纖維和毛氈的12.0～13.5倍。同時，CNT海綿是超疏水材料，保證了裝置在整個清理過程中只吸油而不吸水。因此，CNT海綿的應(yīng)用極大提高了裝置的工作效率。

（3）通過擠壓的方式將溢油回收至指定艙室，避免了油品的浪費。該裝置以燃燒擠壓后吸油海綿殘留油品為動力燃料，既提高了吸油海綿的重復吸油能力，又減少了裝置自身回收作業(yè)造成的能源損耗。

5 結(jié) 語

海上溢油事故及發(fā)生后如何進行溢油處理一直是困擾世界各國的難題，處理方案還涉及實際環(huán)境條件和水域條件等，需結(jié)合一系列復雜的數(shù)據(jù)對溢油擴散進行預(yù)測，制定處置方案等。

本文針對舟山群島海域提出一種群島海域處置溢油事故時充分利用地形優(yōu)勢達到快速圍控目的的溢油清理方法。發(fā)生海上溢油后，對溢油進行數(shù)值模擬從而擬合出大致的運動軌跡，再通過在關(guān)鍵島嶼和礁石上布置部分控制站點，為布置圍油欄及清理油污帶來便捷。

一種適用于極端海況的自航式溢油清理回收裝置可在短時間內(nèi)高效完成溢油清理和回收工作，對海上溢油的處置具有一定的參考意義和工程實用價值。

參考文獻：

[1]包木太，皮永蕊，孫培艷，等.墨西哥灣“深水地平線”溢油事故處理研究進展[J].中國海洋大學學報，2015（1）：55-62.