（载运工具运用工程专业论文）三峡库区溢油危害评价与决策支持系统开发.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 由于船舶溢油事故可能造成的环境影响和社会影响十分巨大，各国政府都 很重视船舶抗溢油工作。我国也积极加入到各种防止船舶污染的国际公约中， 并不断制定和完善各级船舶溢油应急计划和应急预案。近年来，随着西部经济 的快速发展，长江上游油品及其它危险货物运量呈快速增长的趋势。由长江海 事局和交通部环保中心、交通部科学研究院共同组织在三峡库区奉节举行了“三 峡库区船舶溢油应急演习”，对长江库区船舶溢油应急反应体系的建立起到重要 的示范作用。 溢油事故发生后，应立即对溢油事故进行初始评价，根据溢油源的类型、 事故地点、事故原因，评价溢油的可能规模，并对溢油发生火灾、爆炸的可能 性及溢油对人身安全、公众健康构成的威胁进行评估，以不失时机地采取相应 的应急反应。对溢油事故进行评价的问题，涉及到油种、船舶、环境、人等诸 多因素，且其中很多因素只能定性表示。本文通过对三峡库区环境情况及船舶 溢油事故特点进行分析，找出影响溢油事故危害程度的评价指标，即溢油对环 境敏感资源的影响、溢油危害影响、事故船舶自身状况影响和溢油应急响应能 力影响等四大指标，各指标还包括下一级指标，采取模糊推理和神经网络的方 法分别建立溢油事故危害评价模型，该模型能够对溢油事故性质和范围做出初 步的分析和评价，为下一步的事故应急处置提供更有效的依据。然后，系统根 据溢油事故危害评价的结果，结合当时的气象、水文条件和应急响应能力，根 据知识库中产生式规则的推理和人机互动，制定应急决策方案。系统也可以作 为应急人员平时的培训和模拟演习手段。 利用m a t l a b 神经网络工具箱和模糊推理工具箱，建立神经网络模型和模 糊推理模型，对溢油事故危害程度进行评价。但由于m a t l a b 不能脱离其编译 环境运行，其界面编写功能也较简单粗糙；而v b 的图形界面编程能力强大，并 且生成的应用程序可脱离v b 编译环境独立运行。因此，将m a t l a b 强大的工具 箱功能和v b 在图形用户界面开发方面的优势结合起来，实现溢油应急决策支持 系统的无缝集成。 关键词：溢油应急；模糊逻辑推理；b p 神经网络；智能决策支持系统 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t d u et ot h e i rp o t e m i a jd a m a g et oe n v i r o 砌e n ta n ds o c i e t yi sh u g c ，o i ls p i l l a c c i d e m so fs h j p sl l a v eb e e nt a k e ns e r i o u s l yb yg o v e m m e n t sa l lo v e rt h e 、v o r l d c h i n ah a sa l s oj o i n e di ns e v e r a lm t e m a t i o n a lc o n v e n t i o n so nc o m b a t m gp 0 1 l u t i o no f t h eo c e a nb yo i l ，m a d ea n dt a k e na 1 1l e v e l so fo i ls p i l lc o n t i n g e n c yp l a l la n dp r o g r 锄 i n t op r a c t i c e i nr e c e n ty e a r s ，o i it r a j l s p o r t a t i o nt h r o u 曲m eu p p e rc h a n 舀i a n gr i v e rh a sb e e n 母o w i n gs w i n l yw i mt h ed e v e l o p m e n to fw e s t e ma r e a se c o n o m y u n d e rm i s c i r c u m s t a l l c e ，a 1 1o i ls p i l ir e 印o n s ed r i i lmm et h r e eg o r g e sr e s e n ，o i ra r e aw 髂h e l d b yc h a l l 蓟i a l l gm 撕n es a f e t ya g e n c yt o g e t h e r 州t hs c i e n c er e s e 盯c ha c a d e m yo f t h em i n i s n yo fc o m m u n i c a t i o n s t h i sd 川1h a ss e ta ni m p o r t a n ie x a m p i ef o rt h e e s 诅b l i s h m e n to f t h eo i ls p i l lr e s p o n s es y s t c mo f t h en 鹏e g o r g e sr e s e r v o i ra r e a a n e rr e p o r to fa no i ls p i l li n c i d 吼tc o m et 0m e r e 印o i l s eo 唱a 1 1 i z a t i o n ， i n f 0 缸n a t i o na b o u tt l l ei n c i d e n t ，i e r e a s o no f t l l ei n c i d e n t ，p l a c eo f t h ei n c i d e ma n dt h e s o l l r c eo fs p i l l e do i l ，s h o u l db e 觞s e s s e dt ok n o wm ep o t e n t i a ls c a l eo ft 1 1 em c i d e n t a i l d e rt h e r ew i l lb ead a n g e ro ff i r ea n d c x p l o s i o n ，o ra n yd a m a g e 、v i i lb ed o n e t oh 啪a nk j n da 1 1 dp u b l i cs e c 嘣t yt h i si sc r i t i c a li nd e c i s i o n - m a i 【i n go f d e a l i n g 埘m t h ei n c i d e m 。 t h e 船s e s s m e n to fa 1 1o i ls p i l li n c i d e mi sr e i a t e dt om a n yf a c t o r si i k eo 订k i n d ， s h i pi t s e l f ，e n v i r o n m e n ta n dh m a i l ，w m c hi n v o l v em u c hu n c e n a i n t v - s oi ti sf e a s i b i e t ou s ef u z z yi n f b r e n c ea 1 1 dn e u r a ln e t w o r kt oa s s e s st 1 1 e d a i l g c ro fa 1 10 i ls p i l l i n c i d e n ta j l du s et h er e s u l tt 0 s u p p o r tm ed e c i s i o nm a k i n go fr e s p o n s es t a 置t h e i n d i c e si n c l u d ei n n u e n c e so ne n v i r o 蛳e n ts e n s i t i v er e s o u r c e s ，o i lc h a r a c t e r i s t i c s i n f l u e n c e ，t h es 诅t eo fm es h i pa n dm ec 印a b i l 畸o ft h er e s p o n s eo r g a l l i z a t i o n o i l s p i l lr e s p o n s ee x p e r ts y s t e mt a k e st h ea s s e s s m e n tr e s u l t ，t l l ee n v i r o n m e n ti n f o r m a t i o n a n dt h ec a p a b i l i t yo ft h er e s p o n s eo r g a l l i z a t i o ni n t oc o n s i d e r a t i o na n dt h e no 妇向s s u p p o n i n gp l a nf o rr e s p o n s e t h i ss y s t e mc a l la l s ob eu s e da sa 仃a i n i l l gs y s t e mo ri n r e s p o n s ed r i l l w i t ht h en e u r a ln e t w o r kt o o l b o xa 1 1 df u z z yi n f e r e n c e ( f i ) t o o l b o x ，m a t l a b c a nm a l ( et h ec o r r e s p o n d i n gm o d e l se a s i l y ，t h u ss e td e s i g n e r s 疔e e 丹o mt e d i o u s c o m p u t e rp r o 鲋瑚吼i n ga n di m p r o v ee 伍c i e n c yb ym a k i n gt h e mp a ym o s t 甜e n t i o nt o i i 武汉理工大学硕士学位论文 p m b l e ms o l v i n g h o 、v c v e r m a t l a bc 锄o tm 埘m o u t i t sc o m p i l 访ge n v i r o n m e n t a n di t sg u if u n c t i o ni s r e l a t i v e l ym u 曲c o m p a r e dt o s u a lb a s i c s o ，w h e n c o m b i n i n gm a t l a bt 0 0 1 b o xa n dv bg u id e v e l o p m e n tt o g e t h e r ，m eo i ls p i l l r e s p o n s ed e c i s i o ns u p p o ns y s t e mc a nb ei n t e 掣a t e ds e 锄l e s s l y k e yw o r d s ：o i ls p i l lr e s p o n s e ；n l z z yi n f e r e n c e ；b pn e t w o r k ；i n t e l l i g e n td e c i s i o n s u p p o r ts y s t e m i i i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 选题的背景和意义 第二次世界大战期间，发生了许多船舶溢油事故，沿海国家没有任何准备， 也没有任何措施抗御溢油造成的危害，使事故涉及的沿海国水域造成了严重的 溢油污染，带来了巨大的损失，由此，引起了沿海国家、国际社会和联合组织 对海洋环境保护的普遍关注，陆续出台了限制船舶排放油污和处理海上溢油的 国际公约。1 9 5 4 年，第一个防止海洋和沿海环境污染方面的国际公约1 9 5 4 年国际防止海上油污公约获得通过。1 9 8 9 年，美国e x x o n 石油公司的“e x x o n v a l d e z ”号油船在美国阿拉斯加的威廉王子湾触礁搁浅，漏出原油3 6 万t ，致 使1 6 0 9k m 的海岸、7 7 7 0k m 2 海域被污染，威廉王子湾的海洋生态系统遭到了 破坏，大量野生动物死亡，渔业资源受到危害，渔场被迫关闭，影响极大。美 国海岸警备队对该起事故跟踪了3 年，e x x 0 n 石油公司为该起事故污染支付的 罚款、清污费、赔偿费和其它费用约合8 0 亿美元。在保护海洋环境的强大压力 下，美国两院通过了1 9 9 0 油污法，并于1 9 9 0 年8 月1 1 日由布什总统签署颁 布。同年1 1 月，在美国的建议下，i m o 在伦敦召开了“国际油污防备和反应国 际合作”会议，会上顺利通过了1 9 9 0 年国际油污防备、反应和合作公约( 简 称0 p r c l 9 9 0 ) 1 圳。 我国于1 9 9 8 年3 月3 1 日加入o p r c l 9 9 0 ，并于当年6 月3 0 日对我国生效。 2 0 0 0 年4 月1 日新修订的中华人民共和国海洋环境保护法( 简称海环法) 生效，明确规定了各级单位应制定污染事故应急计划。 中华人民共和国海事局子1 9 9 5 年要求船舶配备船上油污应急计划，实 施m a r p o l 7 3 ，7 8 公约( 全称经1 9 7 8 年议定书修订的1 9 7 3 年国际防止船舶造 成污染公约) 的规定，并监督使其处于有效状态。1 9 9 6 年交通部立项投资58 0 0 多万元，在烟台建设北方海区海上船舶溢油防治示范工程，这也是0 p r c l 9 9 0 第四条规定的具体体现。 中华人民共和国海事局在实施船舶油污应急计划和编制北方海区溢 油应急计划的基础上，于2 0 0 0 年2 月又完成了中国海上船舶溢油应急计划 武汉理工大学硕士学位论文 和各海区船舶溢油应急计划的编制工作，并由交通部和国家环保总局联合发布， 于2 0 0 0 年4 月1 日与新海环法实施之日同时生效实施。另有深圳、上海制 定了港口污染应急计划，并得到了当地政府的大力支持，对在全国实施溢油 应急计划起到促进作用。中华人民共和国海事局于2 0 0 0 年6 月5 日，在珠江口 举行了粤、港、澳救助与溢油应急反应大演习，获得了圆满成功，为今后的溢 油应急反应提供了经验。 近年来，随着西部经济的快速发展，长江上游油品及其它危险货物运量呈 快速增长的趋势。船舶数量日益增加导致船舶污染也日盏突出。尤其是由于 船舶触礁、碰撞等交通事故造成有毒货物大量泄漏及由于装卸作业不当造成的 有毒货物溢漏等事故，由于排放量大而集中，给水域环境带来较大破坏，给两 岸人民的生命健康及正常生产生活造成一定影响。1 9 9 7 年1 0 月，江西抚州长 江航运公司所属的赣抚州油0 0 0 5 轮在南京违章装载4 6 4 3t 纯苯，一路躲避过港监 人员的监督检查，于1 0 月8 日上行到万县云阳小庙基触礁，导致1 4 9 3 3 6 t 纯苯泄 漏入江，并造成云阳、奉节等县停水数日的后果。 库区成库后，水流速度大大减小，水自净能力降低，库区面临污染加重的 危险。2 0 0 4 年1 1 月，由长江海事局和交通部环保中心、交通部科学研究院共同 组织在三峡库区奉节举行了“三峡库区船舶溢油应急演习”。参加演习的单位有 国务院三建委、重庆环保局、奉节县政府、规划、科研、环保、船公司、油码 头、环保设备各厂家等的专家、代表。这次演习是长江水域第一次大规模的船 舶溢油应急演习，演习过程完全模拟三峡库区船舶溢油应急计划的模式，进行 实战演练，对长江库区船舶溢油应急反应体系的建立起到重要示范作用。图卜1 、 卜2 所示为溢油应急指挥图和溢油应急反应程序图。 必须说明的是，船舶溢油事故的发生具有很大的不确定性和随机性，尽管 船舶建造水平、船用设备的可靠性及水上通信手段的科学性的提高可以在一定 程度上保障船舶的安全，但是，由于船舶的航行安全除了受船舶条件约束外， 还受到自然条件、交通条件、船员的适任性和船岸管理水平等诸多因素的影响， 船舶遇险并由此导致的溢油事故仍难以避免。三峡工程是世界瞩目的重大工程， “库区无小事”，一旦发生水上交通事故，尤其是重特大污染事故，必将会给库 区乃至整个长江干线的人民生命财产造成损害，使库区的生态环境遭到破坏， 给地区经济发展带来严重影响。因此，通过运用现代信息技术和借鉴国外水运 发达国家的做法并结合长江的实际，可以逐步引进先进的管理设备和手段，运 2 武汉理工大学硕士学位论文 用v t s 、g p s 和i t s 等技术，在主要港口成立救助基地，建立溢油应急反应系 统，并在每个救助基地配备一艘多功能的水上救助指挥艇，配备必须的防污设 备如围油栏等 4 。5 】，避免发生重大船舶溢油事故、有毒货物落江事故对库区水质 的灾难性影响。 图卜1 指挥系统图 3 武汉理工大学硕士学位论文 确定溢油性质及范围 确定优先保护区域 确定溢油事故的处理及人员设备的配备与调动方案 确定回收油及其污染物的运输、储存、处理方案等 采取措施：调动人力物力防火防爆 疏堵溢油、清除油污等 获取认证资料；打捞沉船；请求支援：消息通报；后勤保障 监测数据 上 工作报告 i结柬 图卜2 溢油应急反应程序图 1 2 溢油应急反应研究 应急是指针对安全事故的三个阶段( 事前、事中、事后) 采取适当有效的 应对措施，包括在安全事故发生之前，采取系统科学的预防事故发生的措施； 发生安全事故时，采取消除、减少事故危害和防止事故恶化，最大限度降低事 故损失的措施；以及事故发生后采取合理有效的善后措施。 溢油应急反应的概念，从广义上讲，包含反应战略和反应行动，这两部分 的要素是通过溢油应急计划来体现的。从狭义上讲，溢油应急反应是指按事先 4 武汉理工大学硕士学位论文 制定的应急计划对突发的溢油事故采取迅速有效的控制、清除措施，以减少溢 油对环境的污染危害的活动。人们对突发性溢油事故能迅速、有效地作出应急 反应，控制和减少溢油污染危害，对保护水域环境具有极其重要作用f 】。 船舶溢油的研究内容主要集中在溢油的发生概率、溢油的因素分析、溢油 的动力学模型分析和溢油风险管理几个方面。 ( 1 ) 溢油的发生概率研究 研究船舶溢油事件的发生概率，对于潜在的溢油影响分析、制定溢油响应 的应急计划是非常重要的。通过溢油概率的研究，可以预测在不同的石油输运 量( 或生产量) 时可能发生的不同规模溢油的可能性。 ( 2 ) 溢油的因素分析研究 对于船舶溢油事件而言，面对的是一个由时间、空间、自然因素、船舶因 素、航道因素、交通因素以及船员因素等众多因素所构成的多维空间系统。确 定对船舶发生溢油事故有较大影响的主要因素以及各主要因素之间的关系，是 风险因素分析必须解决的主要任务。利用事件树方法( e 1 1 a ) 分析、鉴别导致溢 油的因素是溢油研究中的常用方法之一。肖景坤等人利用多层次灰色评价方法 对船舶进行溢油潜势分析【6 】，并利用误差反向传播( b p ) 人工神经网络，建立 了海域船舶溢油风险程度甄别的评价模型，能够反映出研究海域各区域发生船 舶溢油事件的风险等级差别j ；杨军等人根据灰色模糊数学理论，给出将隶属度 与灰度结合起来的灰色模糊综合评价方法，对港口船舶溢油风险进行区划f 8 】。 ( 3 ) 溢油的动力学模型分析研究 应用流体力学模型、数值计算方法等手段，可以研究发生溢油时溢入海洋 的油类运动到某一特殊地点的可能性，或对某一研究海域利用溢油轨迹分析技 术研究鉴别溢油对敏感地点的潜在威胁。这对于溢油应急计划是大有帮助的。 从上世纪8 0 年代初开始，为了适应溢油应急决策支持的需要，利用计算机 技术和地理信息系统技术，各发达国家相继开展了溢油预测模拟信息系统研究， 比如美国的o i l m a p 系统 9 l 、英国的o s i s 系统和挪威的o s c a r 【1 1 1 系统等。 另外日本、瑞典、韩国等也相继开发了自己的溢油系统。s e f g e y 等对日本海域 内发生的“n a 姓o d a k a ”溢油事件利用p a n i c l et r a c k m g 粒子追踪模型进行了溢油 运动的模拟研究。该模型中结合了海洋对流、随机扩散、升浮力效应等因素， 并且对油的蒸发、生物降解，以及油的风化等因素进行参数化处理，从而生成 所谓的局部海域环流模型( r e g i o n a lo c e a nc i r c u l a t i o nm o d e l ) 【1 2 】。i p l j g e l l i a 武汉理工大学硕士学位论文 k e r m i t s o g l o u 等人针对地中海地区的溢油事故开发了决策支持系统，主要通过 卫星监测事故海域，采集溢油扩散图像，根据获得的溢油事故信息结合地理信 息系统来评估事故的危害，辅助应急行动的决策【l ”。还有其它一些根据不同海 域特点开发的溢油应急系统f 1 4 4 ”。 我国有关溢油模型的研究是从上世纪9 0 年代初起步的，至9 0 年代中期逐 步发展到溢油模拟预报系统方面的研究，目前已取得一定的成果。大连海事大 学熊德琪、殷佩海等人，在国外溢油应急信息系统基础上，针对大连海域和珠 江口海域各自特点，研究开发了溢油模拟信息系统。该系统综合了三维溢油扩 散模型、应急反应模型、以及电子海图、地理信息系统( g i s ) 、数据库等技术， 不但能够快速准确地预测模拟并可视化显示海上溢油的漂移扩散、性质变化， 还可以同时显示环境敏感区和应急人员设备分布等相关信息 1 7 - 伸 。针对海上溢 油应急反应系统的框架也有不少研究 2 0 。2 1 。 ( 4 ) 溢油风险管理研究p 1 溢油应急响应决策方面的研究发展得较为活跃。这方面的研究主要集中在 溢油应急响应的战略决策、战术决策和操作决策等三个内容。 突发事件响应的战略决策方面研究是从突发事件的响应及防治战略的高 度，宏观地确定突发事件响应中起重要作用的突发事件应急计划的制定、响应 设备的合理布防及其优化问题等。目的是对于可能发生的突发事件以最少的代 价实现对于所有可能突发事件的有效响应，或者以最低的费用达到或超过现有 的响应能力。突发事件响应的战术决策方面研究是从响应战术角度研究探讨突 发事件响应过程中必须采取的组合行动的实施步骤，诸如各种类型响应设备应 该根据何种顺序进入突发事件的发生地，或每一类型响应设备应该在事故现场 工作到什么程度等问题。突发事件响应的操作决策方面研究的是从响应设备的 操作角度出发，对于突发事件响应过程中所必须采取的行动进行深入细致的研 究，诸如围油栏的施放几何构型等问题。 决策的中心目的都是为了以最小代价进行溢油应急响应，最大程度地减小 溢油危害。 1 3 智能决策支持系统概述 智能决策支持系统( i n 翻l i g e n td e c i s i o ns u p p 矾s y s t e m ，i d s s ) 是在决策支持系 6 武汉理工大学硕士学位论文 统( d s s ) 的基础上集成人工智能中的专家系统( e s ) 而形成的。决策支持系 统主要由人机交互系统、模型库系统、数据库系统组成：专家系统主要由知识 库、推理机和动态数据库组成。决策支持系统与专家系统集成为智能决策支持 系统【2 2 1 。 i d s s 是随着计算机技术和信息处理技术的迅速发展而产生的，它能为决策 者提供信息支持、方法支持和智能支持，为正确决策奠定基础。该系统在决策 生成中的大量相关信息都由计算机处理，减少人工干预；在实际指挥过程中， 决策领导或指挥人员结合紧急事件发生时的具体条件，对计算机输出的决策进 行修正。面对险情的“突发性”和处置的“紧急性”，即必须在尽量短的时间内 作出尽可能周密的指挥决策，智能决策支持系统的这种辅助性或参考性对科学、 正确地决策起重要作用【2 3 】。 1 4 本文的主要研究内容 1 4 1 研究目标 三峡库区因其自身特点及重要性，需要根据三峡库区船舶载运油类及其它 有毒物质的情况及发展趋势，建立一套适应三峡库区水域特点的船舶溢油应急 反应体系，编制应急反应处理计划：配备有关监视、监测及清污设备；改进污 染控制、清洁设备等技术，以防止和最大限度地减小船舶污染事故的危害；并 建立起一支专业的应急反应队伍。 本文根据三峡库区船舶溢油的特殊性，探讨三峡库区船舶溢油应急中溢油 事故危害程度的评价问题，并对三峡库区溢油应急决策支持系统进行开发，以 提高三峡库区对于溢油事故的应急反应能力，减少人为因素的干扰，帮助指挥 人员及时准确地做出科学决策。 1 4 2 研究内容 船舶溢油事故发生后，应急人员首先需要根据现场情况评价事故可能造成 的危害，从而有针对性地开展应急行动，修改应急计划。对船舶溢油事故危害 程度进行评价，有助于溢油危害预防、溢油响应准备以及溢油发生后油污赔偿 工作的开展，是一个具有实际意义的研究课题。本文根据溢油事故现场反馈的 7 武汉理工大学硕士学位论文 事故信息，首先通过模糊推理和模糊神经网络建立的溢油事故危害评价模型， 得出溢油事故的等级，从而确定应急级别；然后根据事故现场气象水文条件、 船舶情况及应急响应能力( 如应急设备的数量、性能和适用条件) ，通过决策支 持系统( 存储溢油应急知识、救援方案和救援资源等) 辅助作出应惫决策。 主要研究内容安排如下： ( 1 ) 介绍溢油应急的发展现状，对船舶溢油应急反应研究的主要内容及其 国内外研究现状进行综述： ( 2 ) 对三峡库区气象水文、通航等环境情况及库区溢油特点、溢油动态进 行分析，并提出库区溢油应急反应的主要策略； ( 3 ) 分别用模糊推理和模糊神经网络两种方法建立评价模型，对溢油事故 危害程度进行评价； ( 4 ) 对专家系统部分进行详细分析，包括知识库的设计，推理机的推理方 法等； ( 5 ) 开发三峡库区船舶溢油应急辅助决策支持系统，包括溢油事故管理模 块、辅助决策支持模块( 包括溢油事故危害评价和应急决策支持) 、知识库管理 模块和信息查询模块。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章三峡库区船舶溢油应急分析 2 1 溢油行为动态 溢油进入水中后，形成了非均匀分布的情形中间部分比边缘部分厚， 类似薄透镜形状，并且大部分油聚集在溢油点的下风向。在风、浪、流、水温 及光照等环境因素及自身特性的影响下，要发生扩散、漂移、蒸发、分散、乳 化、光化学氧化分解、沉积以及生物降解等一系列物理化学变化，其中以扩散、 漂移、蒸发和乳化为溢油主要行为动态【1 - 2 。 ( 1 ) 扩散 溢油主要是在油的重力、粘度和表面张力联合作用下产生水平扩散。起初， 重力起主要作用，所以油的扩散受油的溢出形式影响很大。如果油的溢出形式 是瞬间大量溢油，则其扩散要比连续缓慢溢油快得多。油溢出几个小时后，油 层厚度大大减小，此时表面张力作用将超过重力作用，成为导致溢油扩散的主 要因素，溢油在水面将形成镜面似的薄膜，它的中间部分比边缘部分厚。对于 少量高粘度的原油和重燃料油，在环境温度低于其倾点温度时，几乎不扩散。 当溢油扩散在水面上形成薄膜后，进一步的扩散主要是靠水面紊流作用。 ( 2 ) 溢油漂移 由风和河流引起的油膜运动称为漂移。油膜的漂移过程极其复杂，涉及到 许多因素。这一过程可以通过计算机模型进行预测。但是由于溢油现场实时风 和流的数据难以随时获得，或者获得的数据不准确，导致预测的结果也不准确。 一般来讲，利用储存的同一水域大量风和流的历史数据分析溢油漂移，结果是 比较准确的。 ( 3 ) 溢油蒸发 溢油中易挥发组分的蒸发能够导致溢油特性的变化。蒸发后留在水面上的 油比其原来的密度和粘度都要大。蒸发带来了水面溢油量的减少，还影响着溢 油的扩散、乳化等，并且还会引起火灾和爆炸危险。影响蒸发的因素有；油的 组分、油膜厚度、环境温度和风速等。 油的组分对其蒸发的影响最大，它可决定其蒸发速度和总量比。原油及其 9 武汉理工大学硕士学位论文 炼制品中的轻组分含量越高，越容易蒸发。多数原油和其轻质炼制品的轻组分 含量较高，溢出后，蒸发的速度快，蒸发总量比大。溢油中碳原子数小于1 5 的 烷烃可以全部蒸发，c 1 6 c 1 8 的烷烃可蒸发9 0 ，c 1 9 c 2 i 的烷烃可蒸发5 0 。汽 油的主要组分为c 9 c 1 1 的烷烃，可以全部蒸发掉。重质原油和重燃料油轻组分含 量较低，因此蒸发慢，蒸发总量比也很小。 一定量的溢油，油膜越薄，暴露在大气中的油膜面积越大，蒸发就越快； 温度越高，蒸发越快；同一种油，高温时蒸发的总量比大，低温时蒸发的总量 比小：风速越大，蒸发越快。 ( 4 ) 溢油乳化 许多油类易于吸收水而形成油包水乳化液。体积会增加3 4 倍。这种乳状 液通常很粘，不容易消散。多数油都能迅速形成乳化液，其稳定性依赖于沥青 质的含量。沥青质含量大于o 5 ( 质量分数) 的油，易形成稳定的乳状液，即 通常所说的“巧克力冻”，而沥青质含量小于此值的油易于分散。油的乳化速度 取决于油的特性和天气情况，乳化物的含水量只取决于油的本身。溢油一旦乳 化形成“巧克力冻”，对应急处理带来了困难。“巧克力冻”含量越大，溢油分 散剂的作用越小；当乳化液的含水率达5 0 6 0 时，分散剂就完全失去效用。 如果用撇油器回收含有“巧克力冻”的油，由于其粘度的增加，使回收效率降 低，并且大大地增加了运输量。 2 。2 溢油应急反应 2 2 1 溢油清除原则 溢油的地点、当地的水流情况和天气情况是决定反应类型和级别的熏要因 素。比如。溢出的油应该远离一些重要的地域，或者由于自身的特性，在到达 这些重要地域之前应该能够自行消散。但是如果溢油发生在距离敏感区域很近 的地方，那么就必须采取一些有效的应急行动，以避免和减少溢油造成的损害。 油的特性将决定油溢出后的变化、是否采取应急行动以及何种清除技术是 最行之有效的。持久性油类，比如原油、燃料油、重柴油和润滑油，通常是很 难自行消散的，因此需要采取清除行动。非持久性油类在溢出后会很快的蒸发 掉，因此通常不需要采取清除行动。 l o 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 对于非持久性油类，如：汽油、轻质柴油、航空煤油等，一般不采取 回收方式，让其挥发。 当有可能向附近敏感区域扩大时，可使用围油栏拦截和导向； 在有可能引起火灾的情况下，可使用化学消油剂，使其乳化分散，但应 按程序严格控制用量。 ( 2 ) 对持久性油类，如柴油、船舶燃料油，在可能的情况下，采取浮油回 收船、油拖把、油拖网、吸油材料以及人工捞取等方式，尽量进行回收。 ( 3 ) 以下情况可暂不采取清除行动 溢出量较少，岸线或资源不受威胁； 溢油为挥发性( 非持久性) 油类。 ( 4 ) 可暂不采取清除行动的原则 进行清除比自然清除更有害； 不能确定清除方法的有效性。 ( 5 ) 对敏感区和资源优先保护的顺序为 生态自然保护区： 生活用水取水口： 水产养殖区： 工业用水取水口； 风景旅游区； 岸线。 2 2 2 溢油反应策略 油污清除作业包括布设围油栏、回收、分散、固化、沉降、焚烧和生物降 解等处理方法【2 4 啦l 。主要反应策略包括：围油栏围控；岸边水面上溢油回收、 清除；江滩上溢油回收、清除；沼泽地上溢油回收、清除；回收油、粘油物、 污染物的贮存、运输和处理；船舶溢油部位堵漏；驳出事故船舶载油；落实防 火防爆措施；溢油固化、分散、沉降、焚烧处理选择等方面。通常，溢油拦阻 设备和回收设备联合使用，溢油分散剂则根据实际情况可单独使用。 ( 1 ) 溢油清除策略选择 根据不同的环境条件( 风、浪、流、温度) 和溢油特性( 粘度、挥发性、 武汉理工大学硕士学位论文 溶解度、油膜厚度、风化程度等) ，选择适当的水面和岸上清除对策。选择清污 对策时，必须考虑是否具有专门或替代的设备、器材，同时还要考虑相应的辅 助设施及配套设备，如：围油栏、拖带船及指挥船；回收油接收设施； 溢油分散剂喷洒设备和拖带船舶；回收废油及污染物的处置设施等。在 条件允许的情况下，应尽量围控、回收或清除水面溢油，防止其漂及岸边、污 染岸线。 ( 2 ) 急流情况下的反应策略 单向顺流模式，尤其在洪水季节，由于水流流速很快，围油栏等机械回收 设备效率不高，一旦溢油入水，将在短时间内漂移很长的距离。主要的反应策 略是保护可能受到影响的敏感区，改“堵”为“输”，在适当的位置，用机械方 法将部分溢油引入缓水区域或敏感性较小的区域，再进行回收。同时，由于敏 感区的分布较为密集，对其进行预先保护不仅意义重大，而且较海上容易，所 以应对敏感区进行预先保护，如在水浅的情况下，建泥坝来保护岸边的湿地。 ( 3 ) 围油栏控制 这种方式主要是为了阻挡溢油的漂移或尽可能的减小漂移速度。可以使用 一切可能的方式来控制漂移速度，包括围油栏、木材和泥坝等。但一定注意尽 量在离溢油源头较近的地方设置围油栏。围油栏控制的同时，必须考虑回收设 备的使用、溢油的暂时储存设备、储存设备的运输和最后废油的处理等问题。 不同流速和河道特点下围油栏的使用如表2 一l 所列。 表2 1 内河不同流速和河道特点下围油栏的使用 注：1 5m s 以上水流考虑从其它地点设置围油栏。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 要精确的选择设置位置，否则没有拦截到溢油，而且还浪费了其它回收设 备的设置成本，不同流速下围油栏布置的合适交角如表2 2 所列。 表2 2 不同流速下围油栏布置的合适交角 ( 4 ) 不进行人为干预 在溢油量小于5 0 0l ，而且是非持久性油类( 汽油) 时，尤其是还有湍流帮 助分散时，可以适用。但对于长江上的原油溢油不适用( 库区无原油运输) ，除 非溢油量非常小。同时，由于有些挥发性较强的油类会产生一定的反应风险( 火 灾或爆炸) ，可以适用。 ( 5 ) 现场焚烧 当溢油进入并聚集在沼泽等湿地类型时，常规的反应方式不仅很难到达， 而且会破坏原来的环境条件，可以适用现场点燃：焚烧地点应与码头、岸边 设施、环境敏感区隔离，且应防止诱发二次燃烧；如采取现场焚烧，则要在 溢出后1 2d 内( 油包水乳状液中含水量不小于3 0 ) 进行。 ( 6 ) 岸线油污清除 根据油品的种类和数量、污染的地理范围、受到影响的岸线长度和自然状 况制定岸线清除方案。岸线清除通常有以下三个阶段：清除重污染物及浮油； 清除中度污染物、搁浅于岸线的油及被油污染的岸边泥沙；清除轻度污 染岸线污染物及油迹。 大区域的污染清除的方法由岸线类型决定，漂到岸边的浮油应尽快地布放 围油栏防止扩散，以防止流到未被污染的岸线。可使用泵、真空罐车或油罐拖 车来收集浮油，若车辆无法到达，可使用桶、勺，或其他容器捞起溢油，再将 装油的容器用船运走。此外，还可使用适量的吸附材料。待流动的溢油清除后， 对于沙滩可用铲车收集被油污染的砂石；对其他类型的岸线，通常可用高压水 或分散剂清除污油，用凉水或热水冲洗取决于设备性能及油的种类，一般情况 下水温大约加热到6 0 并以1 0 2 0l m i n 的水流喷射冲洗，同时必须将冲洗下 来的油污水收集起来。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 溢油处理设备- | 生能 溢油处理设备的性能决定了溢油处理设备的适用条件，为在何种情况下采 用何种设备提供了依据【1 五，2 4 1 2 6 】。 2 3 1 围油栏 ( 1 ) 围油栏分类及性能 溢油事件发生时，首先采取的措施是应有效地释放围油栏以防止溢油的扩 散，使用围油栏也有助于回收溢油，也可使用围油栏对环境敏感区域采取保护 措施。在清除或回收溢油过程中，防止溢油扩散是整个行动成功的基本前提。 不能对溢油扩散行为进行有效遏制，清除和回收溢油等后续行动的成功性将无 从谈起。根据长江水域的自然条件，应使用适应河流情况的围油栏，包括常规 p v c 和橡胶围油栏、充气式围油栏、吸油式围油栏、防火导向围油栏等。 围油栏最重要的特性是它的围油或使油转向的能力，这是由与水的运动有 关的性能决定的。通常用围油栏使油转向、流入可以回收的相对平静的水域， 而不是把油围起来。围油栏试验以及应用实践表明：影响围油栏滞油效果的主 要因素是潮流和波浪，其次是风。 常见的固体浮子式围油栏，由于材质、结构等原因，其抗风、浪和流的能 力较差，适用于平水水域或风、浪和流较小的场合。它多属于轻、中型围油栏。 该种围油栏具有结构简单、加工制造容易、轻便易操作和价格便宜等特点。 充气式围油栏，因材质性能好，气室浮力大，具有较强的抗风、浪和流的 性能，其乘波性、稳定性和滞油性好，属于中、重型围油栏。尽管其造价较贵， 由于它适应天气状况的能力强，寿命长，还是得到了广泛采用。 由此可见，固体浮子式围油栏适用于天气、水面情况较好，溢油事故威胁 程度低的情况。充气式围油栏适用于天气、水面情况较恶劣，溢油事故威胁程 度高的情况。 ( 2 ) 围油栏围控技术原则 水流流速较大时会影响围油栏的滞油性能，流速对围油栏的垂直分量达到 o 3 5m s 时为临界流速，必须采用减少垂直分量的办法才能提高围油栏的滞油性 能，包括： 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 事故水域流速超过临界流速，避免使围油栏沿与水流流向垂直的方向布 放，应使用“v ”行围控，以降低作用于围油栏的垂直流速分量，使溢 油导向缓流区，便于回收； 事故水域流速低于临界流速，应迎上游方向用“u ”行布栏围控方式； 在使围油栏与水流之间形成一定角度的同时要考虑各阶段围油栏连接 后的整体刚性。 2 3 2 溢油回收设备 ( 1 ) 溢油回收设备分类及性能 对于溢油的回收、清除，主要是通过机械吸收的手段。代表性的溢油回收 设备是收油机。石油分散剂也是清除溢油污染的常用手段，但其二次污染( 生 物毒性等污染) 特点使其使用范围受到限制，因此，溢油清除设备在溢油响应 中的地位越来越重要。应该说明的是，没有围油栏对于浮油的聚集和保留，几 乎不可能有效地使用撇油器、收油机等回收设备。 撇油器是为了在水面，特别是在围油栏或其它障碍物将油层聚集较厚的地 方，回收油或油、水混合物而设计的装置。其工作性能通常用回收速率与回收 效率两个要素来描述。撇油器工作时受很多因素的影响，很难实现理想的回收 速率和回收效率。这些因素主要包括撇油器的工作环境、回收的溢油种类、油 膜厚度、天气状况( 风、浪、流和温度) 和水面垃圾。在天气情况恶劣、油膜 过薄、水面垃圾过多等情况下，撇油器还可能失效。水面比较平静时撇油器回 收效果较好，但在风浪大情况下一般不使用。具体限制如下： 风可以卷起轻质油，使其离开水面： 波浪较大、特别是出现短波和骇浪时，撇油器不能跟随波浪，使其性能 受到影响。或使撇油器的集油机构移动，离开水面油膜，影响回收； 急流使溢油在围栏下面逃逸，高流速使水面溢油太快地移过撇油器的集 油机构，不能有效回收。 溢油粘度是影响撇油器回收效果的主要因素，随着粘度的增加，油回收能 力减小。具体限制为： 溢油运动粘度大于20 0 0m m 2 s 时，一般撇油器不能正常工作： 溢油在风蚀过程中粘度会显著上升，严重乳化的原油粘度甚至能高达 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 00 0 0 1 7 00 0 0m m 2 s ，影响了撇油器的有效性。 溢油粘度对不同类型撇油器的影响也不一样，一般来说，对堰式撇油器影 响比较大，对亲油带式撇油器影响比较小。 撇油器类型不同，其油回收性能也不一样。堰式撇油器容易大型化，油回 收能力高但回收油中含水量大，其油回收率低。粘着式撇油器，由于采用亲油 疏水材料制成的收油部件，回收油中含水量小，其油回收率高。但粘着式撇油 器的收油部件是局部与油膜接触，而且接触时间短，因此油回收能力低。抽吸 式撇油器的油回收能力大小取决于泵的流量，泵的流量越大，则油回收能力就 越大。 由撇油器结构特点及其性能分析可认为，堰式撇油器比较适用于大溢油量、 气象较恶劣的溢油事故或溢油量不大，但要求快速回收的溢油事故。粘着式撇 油器比较适用于小溢油量、不要求快速回收、气象较恶劣的溢油事故。抽吸式 撇油器可根据泵功率的不同适用于不同溢油量的溢油事故，且对溢油的粘度没 有太多要求。 ( 2 ) 撇油器使用技术原则 轻质油或类油化学品溢漏，应采用盘式、堰式、空吸式等撇油器，要求 具备防火防爆性能，以防可燃挥发气体燃烧，要求自带或配套动力； 高粘度重质油溢漏，应采用刷式、带式、堰式撇油器，要求自带或配套 动力： 对于低温原油结块或沥青球，可采用油拖网、手抄网等工具设备收油； 须各有相当容积的储油条件，如橡胶储油囊、污油储运船等。 2 3 3 分散剂 ( 1 ) 分散剂的性能 分散剂的主要作用是将溢油乳化分散在水体中，然而被乳化的微小油粒是 依靠水体净化作用而被消除的。溢油特性对分散剂的使用影响很大，主要体现： 溢油厚度 溢油厚度对分散剂乳化分散溢油的效果有很大影响。通常的溢油处理过程 中，首先应用机械方法，例如使用撇油器，尽量将溢油回收起来，然后再使用 分散剂处理残留的溢油。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 溢油的比重和挥发性 轻燃料油的比重小，易于挥发，其风化的半衰期( 溢油损失一半质量的时 间) 只有十几h ，对这种溢油不需要喷洒溢油分散荆即可自然消散，较重的油 比重大，不易于挥发，其风化的半衰期长达1 0 0 多h ，对这种溢油喷洒溢油分散 剂效果不佳。分散剂主要适用于比重中等而具有挥发性的油种。 溢油的粘度和状态 当油粘度很高时，一般分散剂无效，这是因为溶剂难以渗透到油内部，通 常分散剂能分散大多数运动粘度小于2o o om m 2 s 的流动溢油和油包水乳状物。 不适于处理倾点接近或高于环境温度的粘性乳状液和油。 ( 2 ) 分散剂的使用原则 分散剂的使用受溢油现场环境的影响，能否使用取决于溢油现场的水文、 气象及生态等条件。一般来说，禁止在鱼类产9 口区或幼鱼成长区使用分散剂。 在开阔水域，特别是水面变化大，水流快，温度高的水域，自然净化能力强， 适合使用分散剂。在掩闭水域，如港湾、沼泽及小河，水体小，水流缓慢，自 然净化能力弱，则不适合使用。 内河水域使用的化学消油剂属于分散剂的种，它必须经有资质专业机构 监测化验，鉴定无毒、无害、无二次污染，在海事部门审批后备用。并且，最 好使用专用的喷洒设备喷洒化学消油剂，也可使用船上的消防泵代替。 可以使用分散剂的场合 溢油有发生或可能发生火灾、爆炸等危险，危及人命