發布時間：2019-11-28所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要 海上船舶運輸是全球各地區之間主要的石油運輸方式，一旦發生重大溢油污染事故將會給環境和經濟造成巨大損失。石油開采、管道輸送、儲油罐泄漏等也會給周圍河流、地下水等造成巨大污染。建立一套完善的溢油應急技術，開發應用先進適用的溢油監視、監測
摘 要 海上船舶運輸是全球各地區之間主要的石油運輸方式，一旦發生重大溢油污染事故將會給環境和經濟造成巨大損失。石油開采、管道輸送、儲油罐泄漏等也會給周圍河流、地下水等造成巨大污染。建立一套完善的溢油應急技術，開發應用先進適用的溢油監視、監測、預測和處置技術，能夠有效防治水體污染帶來的問題，最大程度地減小溢油事故造成的危害。通過對比研究國內外溢油應急監視、監測、預測，以及應急處置相關技術現狀，分析我國目前溢油應急響應技術存在的不足，為今后我國溢油應急技術的發展提出相關建議。
關鍵詞 溢油;應急監視;應急監測;應急預測;應急處置
隨著人們對石油資源的大力開發，以及石油分布的地域性等特點，石油運輸業務也隨之迅猛發展。船舶和管道作為常用的運輸方式，有效保障了能源供應，但泄漏事故時有發生，給周圍環境帶來了不同程度的污染，同時也給經濟帶來巨大損失[1] 。 20世紀60年代以來，全球萬噸以上的溢油污染事故幾乎年年發生。據國際海事組織(International， Maritime Organization，IMO)統計，每年由各種污染源排入海洋環境的石油總量至少有 3.2×106 t [2] 。近年來，管道泄漏事故引起的河流污染問題也給社會造成了較大的壓力。當溢油大量流入海上、河流、湖泊及地下水時，給水體生態和漁業經濟等帶來了嚴重破壞。因此，有必要建立一套完善的溢油應急技術，開發應用先進適用的溢油監視、監測、預測和處置技術，最大程度地減小溢油事故造成的危害[3] 。
1 溢油監視技術
溢油監視是利用各種遙感技術，通過信息傳輸和處理來判讀溢油信息的過程。遙感平臺和技術的選用、遙感圖像的數字處理工作是影響溢油監測準確性的關鍵，由于受到天氣等影響，遙感數據中存在大量干擾信號，原始數據必須經過計算機圖像處理，才能達到監測的要求。目前常用的監視技術包括航空遙感、衛星遙感、雷達遙感、船舶遙感、浮標跟蹤遙感和合成孔徑雷達監視(SAR)等。其中，航空遙感和衛星遙感應用最為廣泛;合成孔徑雷達監視效果最好，發展迅速。
相對衛星遙感平臺，航空遙感技術通過在飛機上裝配溢油監視或監測遙感平臺具有啟航快和機動靈活的特點，且距離海面的高度適宜可控，更容易獲得實時、清晰的溢油監視或監測圖像，應用更為廣泛。美國通過在飛機上裝載合成孔徑雷達、紅外或紫外掃描儀和紅外攝像機等裝備對水面進行溢油監視。德國在飛機上裝載側視孔徑雷達來確定溢油位置，利用微波輻射計探測油膜厚度，利用激光熒光遙感器確定溢油種類。
我國溢油監視技術應用研究起步較晚，交通部海事局目前通過部署海監飛機對海上溢油進行監視，但與國外相比，設備集成度低，監視水平尚處于定性階段，數據不能實時傳輸，信息處理能力弱，缺少適用于航空遙感的專用遙感器。在衛星遙感方面，于2009年首次實現了利用衛星遙感技術對海面溢油進行常規監視，通過對 Landsat- TM、NOAAAVHRR、Terra/Aqua-MODIS 等衛星圖像數據的分析來識別海面溢油，可根據煤油、輕柴油、潤滑油、重柴油和原油的最佳波段組合及其特征光譜曲線進行監視[4] ，但目前提取溢油信息的理論研究尚不成熟，衛星接收分辨率還較低。在合成孔徑雷達監視技術方面，我國也進行了相關研究，可實現溢油的識別、計算溢油面積，以及實時監測等功能，但成本較高，還沒有實現大規模應用。
2 溢油監測技術
溢油監測主要包括溢油理化性能測定、溢油量的監測、溢油污染范圍監測以及溢油鑒別。其中溢油鑒別是確認溢油源的關鍵技術，通過分析比較可疑溢油源和溢油樣的信息為溢油事故處理提供科學依據，但通常油品組成比較復雜，難以對比分析油品的所有信息，只能從所獲數據中提取最能代表油品特征的信息進行分析，而油品暴露在空氣中，許多信息存在不穩定性，也導致鑒別準確性存在難度。油指紋法是目前溢油鑒別的主要技術，油指紋鑒別方法有氣相色譜法、氣相色譜及質譜聯用法、高效液相色譜法、紅外光譜法和排阻色譜法等。其中，氣相色譜和氣相色譜及質譜聯用法應用最為廣泛。
美國、加拿大和日本等都先后建立起較完善的溢油鑒定體系和油指紋庫。美國海岸警備隊在 20 世紀70年代中期已開始油指紋分析的研究和應用，建立了油品鑒別中心實驗室，可實現溢油的有效鑒別。加拿大環保部應急響應中心建立了一套基于氣相色譜/質譜聯用法的油指紋鑒別體系，探索了內標法定量分析100多種化合物的油指紋分析方法，建立了龐大的油指紋數據庫，可對風化溢油進行有效鑒別。日本采用帶有火焰離子化檢測器的氣相色譜、火焰光度檢測器的氣相色譜、紅外光譜及氣相色譜和質譜聯用法等，可對溢油進行分析鑒別[5] 。
我國開展溢油鑒別技術研究相對較晚，國家海洋局于1996年制定了《海面溢油鑒別系統規范》，并于 2007 年作為國家標準頒布實施(GB/T 21247— 2007)。基于近年來發生的溢油污染事件，國家海洋局、煙臺溢油應急技術中心等均在積極開展油指紋鑒別體系的研究，建立了包括部分渤海原油、陸地原油、成品油和一些國外油品的油指紋庫，在油指紋鑒別技術上也取得了長足的進步。
3 溢油預測技術
溢油預測是通過計算機運算溢油數學模型預測溢油漂移和擴散軌跡。溢油事故發生后，能在第一時間以及事故搶險過程中預測泄漏油品歸宿及現存油量，對于事故控制有著極其重要的作用。另外，通過與溢油監視、監測技術聯合使用，可以為溢油應急響應決策提供信息支持，增加決策的科學性。由于溢油不僅受風、流、水動力等因素影響，而且和油品本身的化學性質有關，因此尋求最優的溢油擴散模型和建立溢油擴散預測系統是溢油預測的核心和難點。
國外針對溢油漂移擴散模型的研究始于20世紀60年代初。Fay[6] 在1969年提出了溢油在靜水或恒流環境下擴散的三階段模型，后續學者綜合考慮風、流場等實際水環境影響后，對其進行了改進。 Johansen[7] 在1984年提出了油粒子模型，使溢油模型發展到一個新的高度，可較好描述在環境動力作用下油膜的剪變過程和破碎過程，預報油膜邊緣的擴展過程以及油膜形狀在風向上的明顯拉伸現象，油粒子模型是當前研究的主要方向。目前，許多國家根據溢油模型的研究成果已建立起自己的溢油預報系統，比較先進的有美國的 OILMAP 及 SPEARS 系統、英國的OSIS系統、挪威的Oscar系統、比利時的MU-SUCK系統和荷蘭MS4系統等[8] 。
我國于 20 世紀 80 年代初基于 Fay 理論開始進行溢油模型的研究，并研究了溢油的風化影響、漂移過程、溶解乳化等方面的預測模型。國家海洋局海洋環境保護研究所與比利時北海數學模型管理署(1989—1991 年)合作開發了基于油粒子概念的二維溢油軟件包和三維溢油軟件包。遼河油田在二維溢油軟件包的基礎上開發出了“溢油動態可視系統 OE5YS”，該系統被納入遼河油田灘海開發區溢油應急計劃中。目前，各個重要海域也逐漸建立溢油應急預報信息系統，在溢油模型預測上的研究水平已基本與國際達到同步，已初步具備溢油應急預報的基礎條件，但是在數據采集、環境評估及溢油應急預報的系統化、商業化方面與發達國家相比還存在較大差距。
4 溢油處置技術
溢油處置技術主要包括物理方法、現場燃燒和化學制劑方法等。其中，物理清除方法最為理想，可避免處置過程中產生附屬物，包括圍控、機械回收、吸油材料等處置方法。現場燃燒費用低，但會污染海洋環境和大氣，一般應用在遠離海岸的公海。化學制劑方法通過播撒分散劑或凝油劑，使用方便，不受天氣和海況影響，但存在成本較高、存在 “二次污染”等缺點。研究一套高效、輕便、經濟、適應能力強的溢油處置技術是目前國內外溢油處置技術的發展方向。
4.1 圍控
溢油圍控技術主要采用圍油欄法。國外圍油欄的研究始于 20 世紀 30 年代，并在技術和裝備上不斷進行優化。技術方面，研究了圍油欄失效模擬、圍油欄效果波浪水文等內容，并應用于實踐。圍油欄裝備開發方面，日本開發了圓柱型的固體浮子式圍油欄;美國船舶公司開發了可鏈接型的固體浮子式圍油欄;英國維科馬公司研制有可充氣充水的圍油欄。近年來，基于圍油欄失效研究的成果，美國開發出了一種雙層構造的充氣式圍油欄，具有密封性好、氣體不外泄、持續時間長、占用空間少等優點。另外，新型的聚氨酯圍油欄具有抗拉強度高、快速布放、重量輕等優點，是今后快速布放圍油欄的發展趨勢[9] 。
我國于20世紀80年代開始對圍油欄開展選型和改進研究，基于圍油欄性能試驗研究，于2001年制定了圍油欄的行業標準 JT/T 465—2001《圍油欄》。近年來有學者對圍油欄的水平均勻流作用、波流作用下圍油欄的有效深度，以及圍油欄的失效過程開展了研究，填補了國內空白，為圍油欄的選型和開發提供了理論依據。另外國內也研制了防火圍油欄，取得了較好的現場應用效果。但我國在圍油欄的模擬研究方面仍比較薄弱，需針對不同結構圍油欄開展數值模擬研究，為改進圍油欄技術提供理論依據;同時針對圍油欄設備布置繁瑣、操作人工較多、操作人員需要專門培訓等缺點，應加速新型高效圍油欄裝備的研發。
4.2 機械回收
相對于人工回收和吸油材料回收，機械回收具有效率高、回收效果好等優點，已廣泛應用于各類油品的泄漏處置。目前，常用的機械回收裝置從工作原理可分為堰式收油機、黏附式收油機、動態斜面式收油機和抽吸式收油機等[10-11] 。國外積極研發溢油機械回收設備，形成了系列產品，其中的典型設備包括英國 Vikma 公司的盤式收油機、美國 SlickBar 公司的動態斜面式(DIP)收油機、芬蘭 Lomar公司的刷式收油機、挪威Framo公司的堰式收油機、丹麥Ro-Clean公司的復合式收油機等。
我國從20世紀80年代開始對收油機進行應用研究。近年來開展了收油機的原理、結構優化模擬以及收油效率等性能綜合評價方面的研究[12-13] 。為收油機的選型提供了科學依據，但目前國產收油機的回收效率、系統靈活性和自動化程度仍較低，需繼續開展收油機性能優化研究。
4.3 吸油材料
吸油材料的一個重要發展為人工合成吸油性樹脂，其具有吸油倍率高、油水分離性好、保油性能好、不易漏油等優點。吸油樹脂在國外尤其是美國和日本研究起步較早，美國陶氏化學公司于1966年用烷基乙烯為單體生產出了一種非極性高吸油樹脂;日本三井石油化學公司于1973年以甲基丙烯酸烷基酯和烷基苯乙烯為單體，生產出一種極性高吸油樹脂。1990 年日本又研制出了一種中等極性高吸油樹脂[14-15] 。
對乳化劑種類、引發劑用量、交聯劑用量、單體組成等影響高性能樹脂合成的因素均有較深入的研究。目前，國內外對吸油材料的研究主要集中在聚乙烯、聚氨酯泡沫。如何增強吸油材料的使用次數、吸油效果，以及對高黏度油的吸收能力，是研究的熱點問題。此外，可生物降解的吸油材料的研究日益受到關注，是今后發展的趨勢。
4.4 現場燃燒
美國和加拿大率先開展了航空點火燃燒和防火圍控燃燒技術的研究。20世紀90年代，美國3M 公司和挪威SINTEF公司開展了防火圍油欄圍控原油 燃 燒 的 研 究 ，并 成 功 應 用 于 1989 年 的 Exxon Valdez號油輪泄漏事故。美國多次將現場燃燒方法應用于濕地、淺湖、內河以及其他方法不適用的場合，結果證明在含水率、油層厚度等適合的情況下就地燃燒是一種有效的溢油處理方式.
目前美國、挪威和加拿大對現場燃燒開展了大量的實驗，并制定了相關標準。美國材料與試驗協會(ASTM)制定的ASTM F2152—2007《溢油就地燃燒標準指南：防火圍油欄》規定了防火圍油欄的性能要求與測試方法。ASTM F1788—2008《水上石油泄漏現場燃燒指南：環境和操作事項》規定了環境方面(空氣、水和生物)的注意事項和燃燒時的操作注意事項(安全性、監測控制、風和海況、燃燒效率和速度等)。ASTM F2230—2008《冰水環境溢油現場燃燒標準指南》提供了燃燒需要考慮的因素，不同冰情不同水體(海上、河流、湖泊)的燃燒方法。ASTM F2533—2007《海船或其他船舶中溢油現場燃燒標準指南》指出了船舶溢油燃燒受到的限制、燃燒操作注意事項。
國內未對此項技術開展深入研究，僅在溢油應急演習時開展過現場燃燒柴油的實驗，對此項技術的研究尚處于實驗階段，需進一步研究此項技術對國內溢油環境的適用性。
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5 結論及建議
目前我國在溢油水體污染管理和技術方面與國外相比還存在差距，還有較大的提升空間。為此，應當進一步加強溢油應急技術的深化研究，加快標準體系建設，提高專業維搶修隊伍的溢油應急處置能力，適應經濟社會發展和能源安全供給的要求。針對我國目前存在的問題，提出以下幾點建議：
1)建立一套系統完善的溢油應急響應技術體系，優化應急監視、監測、預測和處置技術的綜合配套應用，為溢油應急響應提供科學先進的決策和技術支持。實現及時發現泄漏事故、精確分析溢油指標、合理預測溢油漂移和擴散，進而采取有效溢油處置措施。
2)加強溢油應急監視技術研究，提高應急監視裝備水平，實現設備集成度高、數據實時傳輸、信息處理能力強、溢油量化精度高等技術要求，從而更利于溢油事故的識別、評估和跟蹤。
3)擴大溢油應急監視、監測、預測和處置系統的覆蓋范圍，針對各個重要海域、港口、內陸河流等建立溢油應急響應系統，滿足寬闊水域、狹窄水域等不同水域要求，提高溢油應急響應的時效性。
4)加強溢油應急處置新技術和新裝備的研究，在進一步開發使用方便、全天候、無二次污染、效率高的溢油處置方法的同時，將成熟先進的技術納入法律法規和標準規范，完善相關規范。
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