海上溢油漂移预测预警系统的实验验证

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(中海石油环保服务(天津)有限公司，天津 300457)

随着海洋石油勘探开发的不断发展，海上石油运输与日俱增，全球已发生多起较大规模的石油泄漏事件[1-4]。面对日益严峻的溢油污染形势，相关政府部门、行业组织及环保企业也在积极应对。从溢油的围控到溢油的回收[5]，从溢油的监测到溢油的漂移预测[6]，海上溢油的应急管理逐步前移，由原来的被动的事故处置应对转变为重在预防和早期预警。一旦发现溢油事故，可以通过海上溢油预测系统来预测溢油漂移的方向和扩散的范围，从而更加有效地对溢油事故进行处置。

关于溢油应急预测系统，在国外，主要有美国开发的OILMAP[7]、英国研制的OSIS遥感监测系统、挪威研发的OSCAR系统等[8]；在国内，浙江海洋大学的陈建鹏等开发的宁波-舟山港油码头溢油预测信息系统及基于色谱技术的油码头海域溢油预警系统研究[9-10]、国家海洋信息中心牟林等开发的渤海海域溢油应急预测预警系统[11]、中国海洋大学的焦俊超等开发的基于GIS的渤海湾溢油预测系统研究[12]、大连海事大学研发的大连海域溢油应急预报信息系统[13]等。中海石油环保服务(天津)有限公司研制的海上溢油预测预警系统，实现了覆盖整个中国近海海域范围的溢油预报与预警[14]。

1 海上溢油预测预警系统

系统基于水动力模型、溢油模型,以及环境敏感资源区图和地理信息数据库，实现油膜的漂移轨迹、环境归宿和敏感区污染的快速预报与预警。

1.1 水动力模型

基于POM模式建立了σ坐标系下的中国近海三维水动力模型。由于系统预报范围涵盖整个中国近海海域，同时又需要重点关注渤海、东海及南海等海域，因此通过大区域模式(水平网格分辨率5′)和小区域模式(水平网格分辨率1′)相结合的方法，大区域模式开边界条件取自全球潮模式结果，小区域的开边界条件则取自大区域模式的模拟结果，实现了全海域预测和确保重点关注海域计算分辨率的完美结合。

1.2 溢油模型

基于“粒子跟踪法”设计溢油三维模型。该模型曾应用于中国海洋石油南海西部公司海上溢油监测决策系统、平湖油气田海上溢油预报系统、南海东北部海上溢油预报系统、渤海海域溢油漂移轨迹实时预报系统和北部湾及文昌海域溢油漂移专家预测系统的研制，同时还在许多海上油气田环境评估中应用过。

在溢油模型中，除了考虑风和流的漂移作用外，还考察了蒸发、风化、乳化以及波浪等的影响，此外，还加入了岛屿和海岸对油膜的绞扭作用。

系统自带包括中国近海的岸线、水深、温度、盐度、流场和气象场资料等数据库(见图1、2)，能够提供中国近海海洋环境的主要信息，对溢油的漂移预测提供可靠的数据支持。

图2 系统数据库中1月和7月的海表流场

由于海上溢油预测预警系统拥有丰富的海洋环境气象信息，通过对溢油模型的修正，使得该系统的溢油漂移预测范围覆盖整个中国近海海域，水平网格分辨率5′，渤海、东海及南海等重点区域水平网格分辨率1′，48 h预报时间小于5 min，结果误差在5 km以内。

2 海上浮标漂移验证试验

溢油跟踪浮标能实现溢油的跟踪定位，具有全天候使用和全程监测能力，是一种海上溢油实时追踪监测的稳定、可靠、成本低廉的技术方法[15]。

因此，为了验证预测结果的准确性，开发海上浮标漂移验证系统，主要由浮标、北斗卫星接收基站以及操作软件组成。浮标是根据溢油的类型，按其密度、风因素定制的，内置有定位芯片，可以对浮标进行定位。北斗卫星基站通过浮标内部芯片获取浮标的经纬度以及流速信息，最后在操作软件中显示出浮标的运动轨迹以及对应的位置信息，见图3。

图3 浮标位置显示信息

1)试验相关信息见表1。

表1 试验信息记录

2)试验区气象信息测量见表2。

表2 试验区气象条件

3)试验过程。打开浮标操作软件，待系统读取的浮标位置信息与实际位置相符时，此时证明系统已与浮标建立了连接。沿下风处投下浮标(见图4)，操作软件每10 min刷新一次浮标位置信息，记录并保存数据。试验结束后，使用回收杆回收溢油跟踪浮标,见图5。

图4 投放浮标

图5 打捞浮标

此外，试验过程中注意利用环保船对浮标进行远程监视，同时定期测量试验区的温度、风速、风向以及海流等信息，以便为海上溢油预测预警系统提供试验现场的气象数据。

3 试验结果分析

3.1 试验结果

试验结束后，技术人员将本次试验的浮标位置信息及漂移数据导出，以2 h为一时间段进行研究，如表3所示。

表3 浮标位置及漂移速度

3.2 对比验证

试验人员从浮标操作软件中导出了溢油跟踪定位浮标的实测漂移轨迹，如图6中轨迹1所示。根据海上监测的风海流等信息，基于海上溢油预测预警系统，计算得到了预测漂移轨迹，如图6中轨迹2所示。通过对比浮标的漂移轨迹和系统的预测轨迹，对浮标实验的漂移路线、漂移趋势等方面进行研究。

图6 浮标漂移路径与预测路径对比

由图6可知，试验过程中浮标的漂移方向发生了3次大的改变，呈类M形曲线。在第一次转变之前，实测漂移路线和预测系统模拟的路线吻合度很高；之后，二者轨迹出现偏差，但从整体趋势上来看，实测的漂移轨迹与系统预测的轨迹保持一致，且累计漂移距离、平均漂移速度也差别不大，最大偏差为2.5 km，试验数据和预测数据有较高的匹配度，见表4。

表4 试验数据与预测数据对比

3.3 误差分析

试验12 h后(21日2时左右)实测的浮标轨迹和预测模拟的轨迹出现偏差，这是由于试验开始12 h后，试验海域风速减小到2 km/s，风力较弱的缘故。由于浮标与溢油相比，密度较重，风速太小时浮标漂移速度必然小于油膜漂移速度，所以导致浮标漂移路径和预测路径出现偏差。由于误差具有累积效应，所以必然导致漂移路径和预测路径之间的误差增大。

4 结论

海上溢油预测预警系统基于水动力模型、漂移扩散模型以及修正的溢油风化模型，同时自带有中国近海的岸线、水深、温度、盐度、流场和气象场资料等完备的数据库，使得海上溢油预测预警系统的溢油漂移预测范围覆盖整个中国近海海域，48 h预报时间小于5 min，结果误差小于5 km。

浮标漂移试验结果表明,虽然浮标的漂移轨迹和系统的预测轨迹两者有一些偏差，但是从试验漂移轨迹趋势、漂移距离、漂移速度整体来看，两者具有高度的一致性，从而验证了系统在溢油漂移预测方面的科学性。

下一步还需要对试验方案继续进行改进，例如加大对风速以及海流信息的测量频率，延长试验时间到48 h以上等。

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