发布时间：2019-11-28所属分类：科技论文浏览：1次
摘 要： 摘 要 海上船舶运输是全球各地区之间主要的石油运输方式，一旦发生重大溢油污染事故将会给环境和经济造成巨大损失。石油开采、管道输送、储油罐泄漏等也会给周围河流、地下水等造成巨大污染。建立一套完善的溢油应急技术，开发应用先进适用的溢油监视、监测
摘 要 海上船舶运输是全球各地区之间主要的石油运输方式，一旦发生重大溢油污染事故将会给环境和经济造成巨大损失。石油开采、管道输送、储油罐泄漏等也会给周围河流、地下水等造成巨大污染。建立一套完善的溢油应急技术，开发应用先进适用的溢油监视、监测、预测和处置技术，能够有效防治水体污染带来的问题，最大程度地减小溢油事故造成的危害。通过对比研究国内外溢油应急监视、监测、预测，以及应急处置相关技术现状，分析我国目前溢油应急响应技术存在的不足，为今后我国溢油应急技术的发展提出相关建议。
关键词 溢油;应急监视;应急监测;应急预测;应急处置
随着人们对石油资源的大力开发，以及石油分布的地域性等特点，石油运输业务也随之迅猛发展。船舶和管道作为常用的运输方式，有效保障了能源供应，但泄漏事故时有发生，给周围环境带来了不同程度的污染，同时也给经济带来巨大损失[1] 。 20世纪60年代以来，全球万吨以上的溢油污染事故几乎年年发生。据国际海事组织(International， Maritime Organization，IMO)统计，每年由各种污染源排入海洋环境的石油总量至少有 3.2×106 t [2] 。近年来，管道泄漏事故引起的河流污染问题也给社会造成了较大的压力。当溢油大量流入海上、河流、湖泊及地下水时，给水体生态和渔业经济等带来了严重破坏。因此，有必要建立一套完善的溢油应急技术，开发应用先进适用的溢油监视、监测、预测和处置技术，最大程度地减小溢油事故造成的危害[3] 。
1 溢油监视技术
溢油监视是利用各种遥感技术，通过信息传输和处理来判读溢油信息的过程。遥感平台和技术的选用、遥感图像的数字处理工作是影响溢油监测准确性的关键，由于受到天气等影响，遥感数据中存在大量干扰信号，原始数据必须经过计算机图像处理，才能达到监测的要求。目前常用的监视技术包括航空遥感、卫星遥感、雷达遥感、船舶遥感、浮标跟踪遥感和合成孔径雷达监视(SAR)等。其中，航空遥感和卫星遥感应用最为广泛;合成孔径雷达监视效果最好，发展迅速。
相对卫星遥感平台，航空遥感技术通过在飞机上装配溢油监视或监测遥感平台具有启航快和机动灵活的特点，且距离海面的高度适宜可控，更容易获得实时、清晰的溢油监视或监测图像，应用更为广泛。美国通过在飞机上装载合成孔径雷达、红外或紫外扫描仪和红外摄像机等装备对水面进行溢油监视。德国在飞机上装载侧视孔径雷达来确定溢油位置，利用微波辐射计探测油膜厚度，利用激光荧光遥感器确定溢油种类。
我国溢油监视技术应用研究起步较晚，交通部海事局目前通过部署海监飞机对海上溢油进行监视，但与国外相比，设备集成度低，监视水平尚处于定性阶段，数据不能实时传输，信息处理能力弱，缺少适用于航空遥感的专用遥感器。在卫星遥感方面，于2009年首次实现了利用卫星遥感技术对海面溢油进行常规监视，通过对 Landsat- TM、NOAAAVHRR、Terra/Aqua-MODIS 等卫星图像数据的分析来识别海面溢油，可根据煤油、轻柴油、润滑油、重柴油和原油的最佳波段组合及其特征光谱曲线进行监视[4] ，但目前提取溢油信息的理论研究尚不成熟，卫星接收分辨率还较低。在合成孔径雷达监视技术方面，我国也进行了相关研究，可实现溢油的识别、计算溢油面积，以及实时监测等功能，但成本较高，还没有实现大规模应用。
2 溢油监测技术
溢油监测主要包括溢油理化性能测定、溢油量的监测、溢油污染范围监测以及溢油鉴别。其中溢油鉴别是确认溢油源的关键技术，通过分析比较可疑溢油源和溢油样的信息为溢油事故处理提供科学依据，但通常油品组成比较复杂，难以对比分析油品的所有信息，只能从所获数据中提取最能代表油品特征的信息进行分析，而油品暴露在空气中，许多信息存在不稳定性，也导致鉴别准确性存在难度。油指纹法是目前溢油鉴别的主要技术，油指纹鉴别方法有气相色谱法、气相色谱及质谱联用法、高效液相色谱法、红外光谱法和排阻色谱法等。其中，气相色谱和气相色谱及质谱联用法应用最为广泛。
美国、加拿大和日本等都先后建立起较完善的溢油鉴定体系和油指纹库。美国海岸警备队在 20 世纪70年代中期已开始油指纹分析的研究和应用，建立了油品鉴别中心实验室，可实现溢油的有效鉴别。加拿大环保部应急响应中心建立了一套基于气相色谱/质谱联用法的油指纹鉴别体系，探索了内标法定量分析100多种化合物的油指纹分析方法，建立了庞大的油指纹数据库，可对风化溢油进行有效鉴别。日本采用带有火焰离子化检测器的气相色谱、火焰光度检测器的气相色谱、红外光谱及气相色谱和质谱联用法等，可对溢油进行分析鉴别[5] 。
我国开展溢油鉴别技术研究相对较晚，国家海洋局于1996年制定了《海面溢油鉴别系统规范》，并于 2007 年作为国家标准颁布实施(GB/T 21247— 2007)。基于近年来发生的溢油污染事件，国家海洋局、烟台溢油应急技术中心等均在积极开展油指纹鉴别体系的研究，建立了包括部分渤海原油、陆地原油、成品油和一些国外油品的油指纹库，在油指纹鉴别技术上也取得了长足的进步。
3 溢油预测技术
溢油预测是通过计算机运算溢油数学模型预测溢油漂移和扩散轨迹。溢油事故发生后，能在第一时间以及事故抢险过程中预测泄漏油品归宿及现存油量，对于事故控制有着极其重要的作用。另外，通过与溢油监视、监测技术联合使用，可以为溢油应急响应决策提供信息支持，增加决策的科学性。由于溢油不仅受风、流、水动力等因素影响，而且和油品本身的化学性质有关，因此寻求最优的溢油扩散模型和建立溢油扩散预测系统是溢油预测的核心和难点。
国外针对溢油漂移扩散模型的研究始于20世纪60年代初。Fay[6] 在1969年提出了溢油在静水或恒流环境下扩散的三阶段模型，后续学者综合考虑风、流场等实际水环境影响后，对其进行了改进。 Johansen[7] 在1984年提出了油粒子模型，使溢油模型发展到一个新的高度，可较好描述在环境动力作用下油膜的剪变过程和破碎过程，预报油膜边缘的扩展过程以及油膜形状在风向上的明显拉伸现象，油粒子模型是当前研究的主要方向。目前，许多国家根据溢油模型的研究成果已建立起自己的溢油预报系统，比较先进的有美国的 OILMAP 及 SPEARS 系统、英国的OSIS系统、挪威的Oscar系统、比利时的MU-SUCK系统和荷兰MS4系统等[8] 。
我国于 20 世纪 80 年代初基于 Fay 理论开始进行溢油模型的研究，并研究了溢油的风化影响、漂移过程、溶解乳化等方面的预测模型。国家海洋局海洋环境保护研究所与比利时北海数学模型管理署(1989—1991 年)合作开发了基于油粒子概念的二维溢油软件包和三维溢油软件包。辽河油田在二维溢油软件包的基础上开发出了“溢油动态可视系统 OE5YS”，该系统被纳入辽河油田滩海开发区溢油应急计划中。目前，各个重要海域也逐渐建立溢油应急预报信息系统，在溢油模型预测上的研究水平已基本与国际达到同步，已初步具备溢油应急预报的基础条件，但是在数据采集、环境评估及溢油应急预报的系统化、商业化方面与发达国家相比还存在较大差距。
4 溢油处置技术
溢油处置技术主要包括物理方法、现场燃烧和化学制剂方法等。其中，物理清除方法最为理想，可避免处置过程中产生附属物，包括围控、机械回收、吸油材料等处置方法。现场燃烧费用低，但会污染海洋环境和大气，一般应用在远离海岸的公海。化学制剂方法通过播撒分散剂或凝油剂，使用方便，不受天气和海况影响，但存在成本较高、存在 “二次污染”等缺点。研究一套高效、轻便、经济、适应能力强的溢油处置技术是目前国内外溢油处置技术的发展方向。
4.1 围控
溢油围控技术主要采用围油栏法。国外围油栏的研究始于 20 世纪 30 年代，并在技术和装备上不断进行优化。技术方面，研究了围油栏失效模拟、围油栏效果波浪水文等内容，并应用于实践。围油栏装备开发方面，日本开发了圆柱型的固体浮子式围油栏;美国船舶公司开发了可链接型的固体浮子式围油栏;英国维科马公司研制有可充气充水的围油栏。近年来，基于围油栏失效研究的成果，美国开发出了一种双层构造的充气式围油栏，具有密封性好、气体不外泄、持续时间长、占用空间少等优点。另外，新型的聚氨酯围油栏具有抗拉强度高、快速布放、重量轻等优点，是今后快速布放围油栏的发展趋势[9] 。
我国于20世纪80年代开始对围油栏开展选型和改进研究，基于围油栏性能试验研究，于2001年制定了围油栏的行业标准 JT/T 465—2001《围油栏》。近年来有学者对围油栏的水平均匀流作用、波流作用下围油栏的有效深度，以及围油栏的失效过程开展了研究，填补了国内空白，为围油栏的选型和开发提供了理论依据。另外国内也研制了防火围油栏，取得了较好的现场应用效果。但我国在围油栏的模拟研究方面仍比较薄弱，需针对不同结构围油栏开展数值模拟研究，为改进围油栏技术提供理论依据;同时针对围油栏设备布置繁琐、操作人工较多、操作人员需要专门培训等缺点，应加速新型高效围油栏装备的研发。
4.2 机械回收
相对于人工回收和吸油材料回收，机械回收具有效率高、回收效果好等优点，已广泛应用于各类油品的泄漏处置。目前，常用的机械回收装置从工作原理可分为堰式收油机、黏附式收油机、动态斜面式收油机和抽吸式收油机等[10-11] 。国外积极研发溢油机械回收设备，形成了系列产品，其中的典型设备包括英国 Vikma 公司的盘式收油机、美国 SlickBar 公司的动态斜面式(DIP)收油机、芬兰 Lomar公司的刷式收油机、挪威Framo公司的堰式收油机、丹麦Ro-Clean公司的复合式收油机等。
我国从20世纪80年代开始对收油机进行应用研究。近年来开展了收油机的原理、结构优化模拟以及收油效率等性能综合评价方面的研究[12-13] 。为收油机的选型提供了科学依据，但目前国产收油机的回收效率、系统灵活性和自动化程度仍较低，需继续开展收油机性能优化研究。
4.3 吸油材料
吸油材料的一个重要发展为人工合成吸油性树脂，其具有吸油倍率高、油水分离性好、保油性能好、不易漏油等优点。吸油树脂在国外尤其是美国和日本研究起步较早，美国陶氏化学公司于1966年用烷基乙烯为单体生产出了一种非极性高吸油树脂;日本三井石油化学公司于1973年以甲基丙烯酸烷基酯和烷基苯乙烯为单体，生产出一种极性高吸油树脂。1990 年日本又研制出了一种中等极性高吸油树脂[14-15] 。
对乳化剂种类、引发剂用量、交联剂用量、单体组成等影响高性能树脂合成的因素均有较深入的研究。目前，国内外对吸油材料的研究主要集中在聚乙烯、聚氨酯泡沫。如何增强吸油材料的使用次数、吸油效果，以及对高黏度油的吸收能力，是研究的热点问题。此外，可生物降解的吸油材料的研究日益受到关注，是今后发展的趋势。
4.4 现场燃烧
美国和加拿大率先开展了航空点火燃烧和防火围控燃烧技术的研究。20世纪90年代，美国3M 公司和挪威SINTEF公司开展了防火围油栏围控原油 燃 烧 的 研 究 ，并 成 功 应 用 于 1989 年 的 Exxon Valdez号油轮泄漏事故。美国多次将现场燃烧方法应用于湿地、浅湖、内河以及其他方法不适用的场合，结果证明在含水率、油层厚度等适合的情况下就地燃烧是一种有效的溢油处理方式.
目前美国、挪威和加拿大对现场燃烧开展了大量的实验，并制定了相关标准。美国材料与试验协会(ASTM)制定的ASTM F2152—2007《溢油就地燃烧标准指南：防火围油栏》规定了防火围油栏的性能要求与测试方法。ASTM F1788—2008《水上石油泄漏现场燃烧指南：环境和操作事项》规定了环境方面(空气、水和生物)的注意事项和燃烧时的操作注意事项(安全性、监测控制、风和海况、燃烧效率和速度等)。ASTM F2230—2008《冰水环境溢油现场燃烧标准指南》提供了燃烧需要考虑的因素，不同冰情不同水体(海上、河流、湖泊)的燃烧方法。ASTM F2533—2007《海船或其他船舶中溢油现场燃烧标准指南》指出了船舶溢油燃烧受到的限制、燃烧操作注意事项。
国内未对此项技术开展深入研究，仅在溢油应急演习时开展过现场燃烧柴油的实验，对此项技术的研究尚处于实验阶段，需进一步研究此项技术对国内溢油环境的适用性。
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5 结论及建议
目前我国在溢油水体污染管理和技术方面与国外相比还存在差距，还有较大的提升空间。为此，应当进一步加强溢油应急技术的深化研究，加快标准体系建设，提高专业维抢修队伍的溢油应急处置能力，适应经济社会发展和能源安全供给的要求。针对我国目前存在的问题，提出以下几点建议：
1)建立一套系统完善的溢油应急响应技术体系，优化应急监视、监测、预测和处置技术的综合配套应用，为溢油应急响应提供科学先进的决策和技术支持。实现及时发现泄漏事故、精确分析溢油指标、合理预测溢油漂移和扩散，进而采取有效溢油处置措施。
2)加强溢油应急监视技术研究，提高应急监视装备水平，实现设备集成度高、数据实时传输、信息处理能力强、溢油量化精度高等技术要求，从而更利于溢油事故的识别、评估和跟踪。
3)扩大溢油应急监视、监测、预测和处置系统的覆盖范围，针对各个重要海域、港口、内陆河流等建立溢油应急响应系统，满足宽阔水域、狭窄水域等不同水域要求，提高溢油应急响应的时效性。
4)加强溢油应急处置新技术和新装备的研究，在进一步开发使用方便、全天候、无二次污染、效率高的溢油处置方法的同时，将成熟先进的技术纳入法律法规和标准规范，完善相关规范。
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