（环境科学专业论文）石化码头溢油风险评价实例研究.pdf

3 溢油事故的危害程度 本文选用的模糊综合评价的方法预测溢油事故危害程度级别。通过建立包 括溢油量、油品特性、海域敏感度、溢油应急响应能力等4 个指标的模糊综合 评价体系，利用层次分析方法计算各个指标的权重，最后根据反模糊化得出评 价结果。 通过以上方法的计算，可得出威海港石化码头的溢油风险等级为一般。并在 此基础上结合威海港现状提出本项目的风险防范措施和应急预案，从而减少其对 环境可能造成的影响，为项目开发的安全高效发展提供科学依据。 关键词：溢油风险；溢油模型；模糊评价 s t u d yo noi ls pi llris ka s s e s s m e n to fp e t r o c h e mic ai w h a r fb a s e do na ne x a m pie a b s t r a c t w i 也t 1 1 ed e v e l o p m e n to fp e 们砒e m i c a li n d u “e s ，t h en 啪b e ro fo i lw h 瓶a n d o i lt h r o u g h p u ti n c r e a s e s ，w l l i c hl e a dt ot 1 1 ei n c i d e n c eo fo i ls p i l l sm o r ea i l dm o r em g h ， 锄ds e r i o u s l yc o n t 锄i n a t et h em a r i n el i v i n gr e s o u r c e sa i l dm a r i n ee c o l o g y t h e r e f o r e ， ni sm o r e 锄dm o r ei m p o n 觚tt h a th o wt om a l ( i n gq u a l i t a t i v eo rq p a l l t i t a t i v ea n a l y s i s t oa s s e s so i ls p i l lr i s ko fp e 们c h e m i c a lp 叫e c ta saw h o l es y s t e m ，a 1 1 db a s e do nw 1 1 i c h t om a k ep r e v e n t i v em e a s u r e s ，r i s km a n a g e m e n t b u tt l l er i s ka s s e s s m e m 、r ki no u rc o 咖h a sj u s ts t a r t e d ，t h eo i ls p i l lr i s k e v a l u a t i o ns y s t e mo fr e s e a r c ha 1 1 dc a s es t u d i e sa l s or e l a t i v e l yl e s s t h e r e f o r e ，i no r d e r t oa s s i s ta n ds u p e i s e l er i s ka s s e s s m e n tw o 血i ti sn e c e s s a d rt h a tc a n y i n go u to i l s p i l lr i s ka s s e s s m e n ts t u d ya ss o o na sp o s s i b l ea n de s 讪1 i s m n gt l l e 印p r o p r i a t er i s k m a n a g e m e n tm s t i t u t i o n s ，m a l 【i n ge n v i r o 珈n e n t a lr i s ke v a j n i o ni n d e xs y s t e m 趾d e v a l u a t i o ng u i d e l i n e sw t l i c hc o u l d 矗tm ec h a r a c t e r i s t i c so fo u rc o u n t 阱 o i ls p i u 鼬s ka s s e s s m e n ta l sas y s t e mh a sc h a m c t e r i s t i c so fc o m p l e x i t y ， o p e l l l l e s sa 1 1 dr a n d o m n e s s t l l i sr e q u i r e ss t u d y i n go i ls p i l lr i s ka u s s e s s m e n t 丘o mt h e p e r s p e c t i v eo ft h es y s t e m t h i sp 印e re s t a b l i s h e so i ls p i l lr i s ka s s e s s m e n ts y s t e mf 如m m ep r o b a b i l i 够o fo i l s p i l l t o o kp l a c ea n dt l l e d e 伊e eo fd a m a g eo nm a r i n e e n v i r o 【l i i l e n t ，a n dap r e l i m i n a 巧a s s e s s m e n to ft h eo i ls p i l l 订s kr a t i n gi ss t u d u e do nt h e g u l fg a t e w a yw e i h a ip o r tt e 册i n a lp e t r o c h e m i c a lp r o j e c t s 硼1 eo i ls p i l lr i s ka l s s e s s m e n ti sc a l c u l a t e db yt h ep r o d u mo f 佩的一d i m e n s i o n a l m a t r i xw h i c hi sc o m p o s e do ft h ec o m p r e h e n s i v ep o s s i b i l i 够o fc o n t a c i n gs e n s i t i v e r e g i o n ( t h a ti sc o m b i n e dt l l eb a s i sp r o b a b i l i 哆o ft h eo i ls p i l la n d t l l ep r o b a b i l i 够o f c o n t a c t i n gt t l es e n s i t i v et a r g e t sa r e rt h eo c c l l r r e n c e ) a n dt h er a t eo fd a m a g ec a u s e db y o i ls p i l l s t h em a i nc o n t e m si n c l u d e ： 1 o i l 印i l l o c c u l l r e da sb a s i cp r o b a b i l i 何 t h i sp a p e rp r e d i c tt h eo i l s p i l l h a p p e n e da t5 0 t ，10 0 t ，5 0 优，10 0 0 tb yt l ：i ew a yo fp o i s s o nd i s 仃i b u t i o n ，b a s e do nn a t i o n a l s t a t i s t i c a ld a t aa i l de x p e c t e dt h r o u g h p mo f2 0 4 4m i l l i o nt o n s 2 o i ls p i l lc o n t a c t i n gs e n s i t i v ea r e a sa sc o n d i t i o np r o b a b i l i 够i nt h i sp 印e r ， t h r o u 曲”o i l 一p a r t i c l e ”m e t h o ds 甜i n gu p 让l eo i ls p i l ls i m u l a t i o nm o d e l ，i ts i m u l a t e s o i ls p i l lt r 句e c t o 巧w h e nh 印p e n e sa td i 虢r e n tp o i n t ss e p a r a t e l ya n dk i n d sc o m b i n a t i o n o fw a v e 觚d 、析n d ，a 1 1 dc a l c u l a t e st l l ep r o b a _ b i l i 够o fc o n t a c t i n g s e n s i t i v ea r e a s c o m b i n a t e dt h eo i ls p i l lo c c u r r e d ，i tc a l c m a t e s 廿1 ec o m p r e h e n s i v ep r o b a b i l 毋o f i m p a u c t i n gs e n s i t i v ea r e a u s 3 t h e d e g r e eo fd 锄a g eo nm 撕n e i nm i sp a p e r ，如z z yc o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o ni ss e l e c t e dt o p r e d i c tt 1 1 ed e 铲s sr a ：t eo fo i ls p i l l s t 1 1 i se s t a b l i s h e d 龟z z y c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o ns y s t e mm c l d e s4i n d e c e s ，i n c l u d i n g 啪u 曲t l l eo ft l l e v 0 1 啪eo fo i l s p i l l s ，o i lc h a r a c t 谢s t i c s ，s e n s i t i v 匆a 1 1 d 也ea b i l 毋o fo i ls p i l l r e p o n s e i i lt h j ss y s t e m ，t 1 1 ev a r i o u s 、e i 曲t si sa i l a l y s e db ya h p ，a n df i n a l l yg e tt t l e e v a l u a t i o nr e s u l t sb y 觚t i - m z z ym e t h o d n 们u 曲t l l ea b o v ec a l c u l a t i o n ，i tc a i lb ec o n c l u d e dw e i h a ip o r tp e t r o c h e m i c a l t e n n i n a lo i ls p i l li u s kl e v e l i sg e n e r a l a n di ta d v i s es o m er i s kp r e v e m i o nm e a s u r e s t or e d u c i n gi t sp o t e n t i a le n v i r o r h n e n t a li m p a c t sa i l df o rp r o v i d es c i e n t i f i cb a s i sf o r p r o j e c td e v e l o p m e n ts a f e l ya 1 1 de m c i e n t l y k e yw o r d s ：o ii s p ii ir i s k ，o ii s p iim o d e i ，f u z z ye v a i u a t i o n 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 ( 注! 麴递查墓丝霞蔓缱型应堕的! 奎拦卫窒) 或其他教育机构的学位或证书使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：城钎 签字日期：伊吁7 ，年歹月胡 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者虢缄姆 签字日期：w 研年彳月f 2 ，日 导师签字： 签字日期：侈卵年万月1 日 石化码头溢油风险评价实例研究 1 绪论 1 1 研究的背景及意义 石油化工产业是我国的经济支柱产业，对国民经济的发展起着举足轻重的作 用，但石油化工行业本身具有原料及产品多为易燃、易爆和有毒、有害物质，生 产过程多处于高温、高压或低温、负压等苛刻条件，生产和储运过程中易发生火 灾和排放有毒有害污染物等特点，石化项目安全风险事故往往会同时引发环境风 险事故。 由于石化项目中有毒、有害、易燃、易爆物质大量存在，其环境风险事故一 般包括火灾、爆炸、泄露、有毒物质扩散等方面，而因油品泄露引起的溢油事故 将会造成火灾和海洋环境污染，对人员、环境和生态都会造成巨大的威胁和破坏 作用。 一 i 据统计，1 9 7 6 2 0 0 6 年，中国沿海平均每四天发生一起溢油事故。其中，溢 油量在5 优以上的溢油事故6 0 多起n 】。随着油品码头的增多和石油吞吐量的增大， 重大船舶油污事故屡屡发生。2 0 0 2 年1 1 月2 3 日，马耳他籍“塔斯曼海 轮与 中国籍“顺凯l 轮在天津海域发生碰撞导致近2 0 优原油泄漏，出现长4 6 k m 、 宽2 6 k m 的原油漂流带；2 0 0 3 年8 月5 日，在上海黄浦江准水源保护区发生的 “8 5 污染事故，导致约8 5 t 燃油泄漏，导致经济损失达1 7 0 0 多万元；2 0 0 4 年1 2 月7 日，巴拿马籍“现代促进 轮与德国籍“m s c 伊伦娜 轮在珠江口海 域发生碰撞，导致后者1 2 0 0 多吨燃油泄漏；2 0 0 5 年4 月3 日载运近1 2 万吨原 油的葡萄牙籍油轮“阿提哥 轮在大连海域触礁，右舷第三舱破损，造成附近海 域受到污染。 但我国的溢油风险评价还处于起步阶段，而将溢油风险评价作为一个系统整 体进行定性或定量的评价分析以及防范对策，风险管理，目前很少系统的研究实 例。再加上石化工业在加快发展的趋势下，建设项目一般都具有规模大、多种工 业生产集成、外排污染物种类多、数量大等特点，石化行业环境和安全保护工作 面临的压力越来越大，形势也越来越严峻，因此，对于石化项目的溢油风险评价 显得越来越重要。 本研究通过威海港威海湾港区石化码头工程实例，主要讨论石化码头项目中 石化码头溢油风险评价实例研究 的溢油对海洋环境造成的损害，对该种风险的预测及评价方法进行研究和探讨， 并在其基础上提出风险防范对策和建议，以及风险应急预案，以期减少其对环境 可能造成的影响，有助于项目开发的安全高效发展。 1 2 溢油风险评估的概念 环境风险可以定义为通过环境介质传播的、由白发的自然原因或人类行动引 起的一类有灾难性后果事件的发生概率【2 】。发生这种灾难事故的概率虽然很小， 但影晌的程度往往是巨大的。环境风险评价就是评估与项目联在一起的突发性灾 难事故的发生概率以及在不同概率下事故后果的严重性，并制定适宜采取的对 策。 溢油一旦发生，危害严重。大量的石油释放入海，随风浪和水流的扩散，造 成大面积的污染。海洋生物大量死亡，海洋环境资源遭受严重破坏，人类生命受 到威胁。船舶的溢油主要有2 种方式：操作性排放和事故性排放。操作性排放在 港区研究中发生的概率小，主要研究是事故性排放，如船舶的碰撞、搁浅、触礁 等造成的装载原油泄漏溢入海中；或者供受油作业造成的漏油污染【3 j 。 溢油风险评价就是评估与项目相关的溢油事故的发生概率以及在不同概率 下事故后果的严重性，并制定适宜采取的对策。其目的是分析和预测建设项目存 在的潜在危险、有害因素，建设项目建设和运行期间可能发生的溢油事件引起的 环境事故，所造成的环境影响和损害程度，提出合理可行的防范、应急与减缓措 施，以使建设项目事故率、损失和环境影响达到可接受水平。 其风险值即风险评价表征量，包括事故的发生概率和事故的危害程度【4 】，定 义为概率和危害程度的二维矩阵，即： 风险值( 需 = 概文淼 危韶度( 靠) 1 3 溢油风险评价的研究现状 船舶的海洋溢油事故，是突发性的环境污染事故，没有固定的排放方式和途 径，具有随机性。与其他评价体系相比，船舶溢油和与其相关联的海洋、地域、 气象等因素构成了一个开放性、复杂性高的系统。因此必须从系统的观念出发， 研究系统各个子系统或因素间的相互关系与相互影响，这也决定了研究本身的难 一2 一 石化码头溢油风险评价实例研究 度巨大。 船舶发生溢油事故的自身特点使得在因素的取舍、评价方法选取、数学模型 构建上遇到的困难更大，阐释这种“随机性 、“不确定性”将是船舶溢油风险 评价中的一个重要内容【5 1 【6 】。 溢油风险评价的研究主要集中在溢油事件的发生概率、对于导致溢油事件的 因素分析和溢油风险的动力学模型。 1 3 1 溢油事件概率的研究 溢油时间概率目前主要有以下2 种方法： 一是利用统计数据和随机理论方法、通过求条件概率的方法计算溢油发生概 率，如国外d e a n e y 等人利用贝叶斯分析对溢油统计数据进行了溢油事故发生 次数、发生规模等概率特征的初步研究。国内肖景坤【5 】利用泊松二次分布对我国 海域的船舶溢油发生次数的概率进行了预测，分析了溢油量为5 0 t 以上、1 0 0 t 以 上，1 5 c y t 以上以及1 0 0 c i t 以上的船舶溢油时间在发生次数上的概率特点。但目前 我国船舶溢油事故统计资料和数据还不够准确和充分，结果可能会存在一定的误 差和局限性： r o b e nh s c h u l z e 【7 】等人通过将研究范围内的船舶通量与船舶事故的概率、溢 油概率相关联的方式，分析了能见度这个环境因素对油船事故的影响，并给出了 该区域溢油发生的概率表示。这是通过求条件概率而得到溢油概率的方法，并在 实际中得到应用。 二是利用条件概率和基础概率结合求出溢油发生的概率，如竺诗忍【8 1 等在研 究舟山海域的突发性溢油事故环境风险评价中假定航行的船舶中油船的比例为 r ，在航行的油轮中，半数载油半数空载，载油的油轮在航道、泊位、或锚地分 别发生碰撞、搁浅、或船身破损后溢油的概率各为5 0 。在以上的假定条件下， 并结合离散型二项概率分布计算的溢油基础概率得到的溢油概率为： 尸( 溢油) = 笋础+ 丢础+ 丢础= 旦础，其中p 为船舶溢油的基础概 率。李品芳例也应用此方法对厦门港进行了溢油事故概率的计算，但此模型是简 单的也是粗糙的。 不同于上面对溢油事故条件概率的研究，美国d o i 开发的溢油风险分析 ( 0 s r a ) 模型【1 0 1 利用溢油模型进行的溢油轨迹模拟，并以在给定时间和某一地点 石化码头溢油风险评价实例研究 能够溢油影响敏感区域的条件作为条件概率，最后结合利用泊松分布进行的溢油 基础概率的计算结果进行了溢油影响环境资源综合概率的计算。 1 3 2 溢油动力学模型的研究 建立正确的溢油预测模型不仅可以准确预测溢油将要影响的区域，为重要的 敏感资源的防护发出预警，还可准确的预测溢油运动的趋势。因此为合理模拟溢 油的漂移、扩散、蒸发等行为，必须建立一个合理的溢油模型。 溢油运动是一个非常复杂的过程，它不但包括油膜在自身扩展运动，在潮流 和风场作用下的漂移、扩散运动，而且在运动过程中，油膜本身的物理性质也不 断发生变化包括挥发性、密度、乳化等。这也就决定了准确模拟溢油运动是一项 庞大而复杂的工程。 早期的溢油模型多采用油膜质心轨迹结合油膜扩展经验公式方法，由于其多 方面的局限性，现已很少应用。而计算溢油漂移的另一类模式油膜动力学模 式 1 l 】，在一定程度上有其优越性和实用性，但也有其不足。例如：该模型的前提 是假定油膜的变化和运动都是连续的，因而它不能考虑到油膜的破裂；该模式的 另一基本假定便是对于油膜内的水平动量交换过程采用b o u s s i i l e s q 近似，在实际 情况中，该假定有很大的局限性。若因某一油种溢油的凝固点低于海水温度而使 溢油发生凝固时，也就破坏了该方法的前提假设而无法适用。 近年来在国际上得到广泛应用的是8 0 年代j o h a l l s e n 、e l l i o t 等提出的基于随 机理论的“油粒子 模型。该模式是将整个溢油看成大量小体积油滴微元的集 合，用质点运动近似水体中油的漂移扩散过程【1 2 1 。“油粒子”概念打破了采用对 流扩散方程模拟溢油的传统方法，直接模拟导出扩散方程的实际物理现象，可以 更确切地表述溢油对各种海洋动力因素的响应过程。这类模式不仅避免了上述数 值方法本身带来的数值扩散问题，同时还可以正确重现海上油膜的破碎分离现 象，能准确地描述溢油的真实扩散过程。且使用粒子概念研究对流扩散过程，系 统总质量是守恒的，跟踪的是粒子的路径，而不用求解方程组，其本质是稳定的。 经国内外众多致力于溢油研究学者的应用与观测验证，证实该模式更为合理和精 确【1 3 l5 1 。 一4 一 石化码头溢油风险评价实例研究 1 3 3 溢油危害程度的研究 1 国外研究 荷兰学者w k o o p s 提出的用于界定溢油事故污染等级的d l s a 评价模型 【1 6 】，用9 个单项指标来对溢油事故可能引起的污染进行分析评价，其采用的指 标为： ( 1 ) 油在水体中的毒性；( 2 ) 生物体的积累性；( 3 ) 油的持久性；( 4 ) 空气中的毒 性；( 5 ) 爆炸的危险性；( 6 ) 火灾的危险性；( 7 ) 放射性危害；( 8 ) 腐蚀性危害；( 9 ) 致癌危险性。 针对每起事故中油的特性定量给出以上9 个指标的分值况，由下面这个公式 来计算溢油事故的污染程度： 9 三e 吼= 墨形 式中：s 各个指标的分值； 形专家根据对指标在溢油事故污染危害中的重要性给出的指标权重 值。但该方法只就油类本身特性来评价石油污染的程度，它只是溢油后危害程度 的一部分。 英国对溢油的影响评价中对溢油污染事故进行分级时主要是以溢油量大小 的评价参数，将溢油对环境可能造成的影响从“极小 到“重大 划分为6 个等 级，不同的影响程度对应于不同的响应措施【1 7 】。 美国的s p a u l d i n g 提出了一个基于计算机运算的溢油对渔业的损害耦合 模型，该模型包含用于模拟潮流状态的潮流模型，用于预测油品入海后的时空 分布及其理化状态变化的溢油模型、用于预测各类生物的不同年龄段的生物时 空分布的生物种群模型和损害评估模型等子模型。该模型可以较准确的评估溢 油对生物种群的危害，但所输入的数据多为现场监测、或从资料所得。评估过 程相对较慢。 而弗罗里达州评估公式【1 9 】，则将流出油的加仑数、地理位置系统( 离岸距离) 、 环境敏感系数、污染物的毒性、溶解性、持久性与消失性等作为溢油评估的影响 因子。华盛顿评估模型【2 们，将溢油量、溢油的短期毒性、敏感等级、溢油的持久 性、溢油的粘附等级作为主要影响因子。但这2 种评估模型对溢油后所导致的危 一5 一 石化码头溢油风险评价实例研究 害程度评估提供了部分重要指标信息，只适用于计算自然资源损害。 2 国内研究 相对国外的研究而言，我国对于溢油风险评价的研究起步比较晚，缺乏系统 的的研究方法和实例研究。对溢油危害研究主要有两种情况，一是专注于对生态 环境价值影响的研究，二是通过筛选评价因子建立指标评价体系，对溢油危害进 行等级评价。 2 0 0 7 年4 月9 日，我国国家海洋局发布了海洋溢油生态损害评估技术导 则根据溢油的类型、溢油量及受影响海域的生态敏感程度，确定评估工作等级。 评估等级不同所调查的内容也有差异。 表卜1 评估工作等级 划分依据 油的性质评估工作等级 溢油量影响海域的生态类型 海洋生态环境非敏感区 4 5 0 t 以下 海洋生态环境亚敏感区 4 海洋生态环境敏感区 3 海洋生态环境非敏感区3 非持久性油类5 0 2 0 0 t 海洋生态环境亚敏感区 2 海洋生态环境敏感区 2 海洋生态环境非敏感区 2 2 0 0 t 以上 海洋生态环境亚敏感区 1 海洋生态环境敏感区 1 海洋生态环境非敏感区 4 5 0 t 以下海洋生态环境亚敏感区 3 海洋生态环境敏感区 2 海洋生态环境非敏感区 3 持久性油类 5 0 2 0 0 t 海洋生态环境亚敏感区2 海洋生态环境敏感区 1 海洋生态环境非敏感区 2 2 0 0 唯以上海洋生态环境亚敏感区 1 海洋生态环境敏感区 1 于桂峰利用生境等价分析计算了塔斯曼事故因溢油造成的溢油生态服务 功能价值损失，周玲玲【2 1 】贝i j 建立了生态损失指标体系对溢油造成的海洋生态损失 一6 一 石化码头溢油风险评价实例研究 进行了核算。 肖景坤【5 j 利用人工神经网络系统建立了船舶溢油风险程度甄别的评价模型， 该模型包括了溢油发生的地域分析、油品分析、事故船舶分析和溢油响应成功性 影响分析4 个子系统，构造了可对海域不同区域之间发生船舶溢油危险横向比较 的神经网络系统。对于模型当中所包含的评价指标，比较合理地建立了相应的量 化准则，神经网络系统的训练过程中，除了激励函数的引入以外，没有任何其它 的人为引入，减小了模型的人为性、主观性。 麻亚东【2 2 1 通过多层次灰色评价模型建立了以船舶自身因素、环境因素、人的 因素和管理因素等作为基础指标的指标体系对溢油事故进行等级评价，弥补了以 往只考虑船舶和环境因素，而将人和管理因素影响引入了评价指标体系。 耿晓辉【2 3 】通过模糊神经网络建立溢油事故等级评价的数学模型，根据溢油位 置、溢油量、油种的毒性、持久性、易燃性、船舶破损状况、船龄、船吨位8 个 影响因素来对溢油事故的等级进行评价。 对于溢油危害程度的等级评价，运用模糊综合评价方法进行研究并提出油污 染事故评估的一般程序和技术的文献【2 4 】，【2 5 】也不在少数。 然而，作为海洋油污染主要来源的船舶溢油事故有其特殊性，故有些具体的 针对性指标没有提出，从而影响针对海上船舶溢油危害评价的科学性。 1 4 溢油风险评价的不足 溢油风险评价是一个有机整体，并且它的发生具有随机性和不确定性，如危 害事件是否会发生，发生的概率有多大，何时何地发生? 什么人或生态会受到影 响? 影响范围有多大? 影响程度如何，持续的时间有多久等，这也就要求应从系 统的角度来考虑风险的大小。但在整个突发型污染事故的环境风险评价研究中， 目前关于海上船舶溢油风险的分析大多为统计基础的定性分析，或是研究对象较 为狭窄、往往局限于子系统对象分析，未能总揽全局。所以只有不断完善系统研 究，才能加强对环境风险决策管理的研究，以便对可能引起环境污染或灾害的事 件进行更好预测和管理。 石化码头溢油风险评价实例研究 1 5 论文工作框架 1 5 1 研究内容 溢油风险分析不仅是由研究区域的气象和水温条件决定，还包括可能受到溢 油影响的区域环境敏感目标和溢油量，油品运输量，溢油发生的地点等。 而肖景坤等的模式比较适合于事故发生后的船舶溢油污染影响评估，对于事 故发生前或发生期间的污染影响评估，如果仍然沿用上述模式，则花费时间较长， 而且由于无法全面把握事故相关信息，因此也难以建立事故全方位评价指标体 系。 基于上述考虑，本文提出：对于事故发生前或发生期间的污染影响评估，可 通过溢油模型的多次模拟，来观察不同情景下( 包括风向、风速、潮流场、溢油 地点) 的船舶溢油行为。在此基础上结合溢油发生的基础概率和溢油危害后程度 进行溢油风险的综合评价。 鉴于现实状况和可操作性，本文基本上在风险评价的理论基础上参考上述几 个环境风险评价程序，并以威海港区石化码头为例，进行环境风险评价如下： 1 分析潜在风险因子，并通过我国海域的溢油事件数据统计，结合石化码头 的吞吐量，预测出溢油发生的基础概率； 2 通过建立溢油模型，对不同风潮和溢油点组合进行溢油轨迹预测； 3 在溢油轨迹预测的基础上，对溢油事故的危害程度进行模糊综合评价； 4 结合溢油综合概率( 即溢油基础概率与影响到敏感区域的概率的乘积) 和事 故危害程度对威海港石化码头的风险值进行计算，并进行评价。并在此基础上提 出风险防范对策。 1 5 2 技术路线 根据研究内容，本文溢油风险的评价技术路线见图卜1 。 石化码头溢油风险评价实例研究 图卜1溢油风险评价技术路线 一9 一 石化码头溢油风险评价实例研究 2 溢油风险概率 溢油发生的概率是研究溢油风险时主要关心的问题。本文的溢油风险概率是 指溢油影响环境资源的综合风险概率，包括溢油发生的基础概率和溢油发生后能 够影响环境资源的条件概率2 个部分。 2 1溢油发生的基础概率 突发事故的概率估算是近年发展较快的一门新技术。它采用系统工程的方法 评估生产过程中的不安全因素，以便预先采取措施防止重大灾害的发生。危险源 发生事故的概率，是突发性事故风险评价的核心，评估发生概率的方法主要有后 验概率估算和先验概率估算2 种方法【2 6 1 。 先验概率是建立在各种时间概率分布形式已知的情况下，先计算得出各基本 事件发生概率，结合事故树分析( f t a ) ，估算得出危险源事故发生概率。而后验 概率是建立在大量历史资料的归纳、统计基础上，有已有的或相似的大量事故案 例积累，直接统计出这类事故的发生概率。现今溢油基础概率主要是后验概率估 算。 通过对我国船舶溢油事件历史资料的分析表明，船舶发生溢油事故的表现形 式为负二项分布。从模型原始意义上看，负二项分布描绘波努利实验恰好出现聆 次“成功”所需实验的次数，近似符合泊松分布5 1 。即满足： m i 舻导p 础1 ，2 ，) 式中：玎发生的溢油次数； ，油品吞吐量或运输量； 兄泊松分布参数，在这里的五代表的是每单位时间内某事件出现的最 可能次数，可称兄为泊松事件流的强度。 根据密度函数的选取原则，g a m m a 密度函数可作为旯的密度函数。g a m m a 密度的形式为： 厂m j 禹广缸洲 乃( x ) = y = l 石化码头溢油风险评价实例研究 当将参数之一口以，l ( 整数) 代换时，则g a m m a 分布转化为另一种分布，即 e r l a l l g 分布，其密度可以直接写为如下的形式： 由此可得出： f 以功= t 志 痧o ( 刀一1 ) ! x 7 7 u ox o 删砂一= 景蒜等 式中：旯= y fy 观测到的溢油次数； f 与，次溢油事件对应的所处理油的体积量度。 2 2 溢油风险概率 r 0 b e r th s c h u l z e 将不同的船舶事故和环境因子能见度作为溢油概率的条件 概率，竺诗忍将航行的船舶中油船的比例和载油的油轮在航道、泊位、或锚地分 别发生碰撞、搁浅、或船身破损后溢油的概率作为溢油概率的条件概率。而本文 是将溢油发生后在不同地点和给定时间内影响环境敏感区域的概率组成了条件 概率，并且这个条件概率是假定在溢油发生的基础上的。而表征溢油到达环境资 源的指标则是溢油轨迹。如果油粒子轨迹在给定时间内能够影响环境敏感区域， 这个概率便被记录下来。溢油轨迹是通过在假定条件下的溢油模型模拟得到的， 将在下章进行详细介绍。 本文的溢油风险概率是采用将溢油的基础概率和条件概率相结合的方法，通 过以下步骤进行计算【1 0 】： 1 假定有刀个环境敏感区域，聊个溢油点，那么条件概率可以表示为 m 的 矩阵c ，其中表示的是在第歹个溢油点位上溢油能够影响第i 个环境敏感区域 的概率。即： c = 刭 一 2 2 2 l q 巳： o q 巳：厶 。l 石化码头溢油风险评价实例研究 率。 2 溢油发生的基础概率用矩阵s 表示，代表的是在聊个溢油点分别发生的概 s =刘 3 溢油影响环境敏感区域的概率矩阵p ，则定义为尸= c s 。 石化码头溢油风险评价实例研究 3 溢油动力学模型 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或地域的可能性以及到达时间，或对某研究海域利用 溢油轨迹分析技术研究鉴别溢油对敏感地点的潜在威胁。 3 1 潮流模型 潮流场模型是溢油预测模型的基础，也是溢油预测模型的核心部分，它的精 度直接影响到溢油预测的精度，因此，潮流场模型的建立对溢油模型是非常重要 的。 3 1 1 潮流数值计算的研究现状 潮流数值模拟是海洋数值模拟的基础，也是海洋数值模型中难度最大，最难 建立的模型。潮流数值模拟就是利用数值离散通过求解潮流运动控制方程组来模 拟潮流运动。它始于2 0 世纪2 0 年代，在国内始于7 0 年代，并于近二十年来有 大量的研究成果问世。 流场数学模型可分为一维模型、二维模型和三维模型，目前一、二维模型得 到广泛的应用，已经到达实用化的程度。但随着计算机技术和计算技术的发展， 三维模型成为潮流数值模式的主流，如张越美口7 1 利用三维动边界模型模拟了胶州 湾海域和渤海湾的潮流，孙洪亮口8 1 使用p o m 模拟了北部湾潮汐潮流和热盐环流 等。目前主要的三维模型有美国普林斯顿大学m e l l o r 【2 9 】，【3 0 】等提出的河口、大陆 架和海洋模式的p o m 模型、e c o m 模型；由美国r g i n j a 海洋研究所根据多个 数学模型进行集成开发研制的综合模型【3 l 】环境流体动力学数学模型( e f d c 模 型) ；美国麻州大学f v c o m 模型；德国汉堡大型海洋研究所汉堡陆架模式 h a n s o m ；美国r a n d 公司的r a l l d 模型；美国陆军工程兵团的( c h 3 d ) ；意大利 的m 3 d 模型；荷兰的d e l r 水利学实验室的d e l r 模型。 在己有的数值模型中，按空间离散方法可分为有限元，有限差分，有限体积 等；按差分网格形状又可分为三角形、矩形、四边形、多边形、曲线坐标网格和 无网格等，按时间离散格式还可分为显式、隐式、半隐半显式等，按边界处理方 式可以分为定边界和动边界2 种处理方式。我们将简单介绍一下潮流数值模拟的 石化码头溢油风险评价实例研究 部分常用的方法【1 】【3 2 】： 1 有限差分法( f d m ) 水流运动的计算机数值模拟起初采用的就是有限差分方法。有限差分法是将 微分方程中的微分项以差商代替，通过求解差分方程组得到网格点上的近似解。 它以泰勒级数展开为工具，用有限差商逼近微分方程的导数。有限差分方法根据 是否需要耦合求解可以分为显式、隐式、半隐半显格式3 种类型。显格式简单易 懂，计算效率高，但收敛性、稳定性较差，计算精度往往不令人满意。隐格式则 稳定性好，时间步长可以取得较大，计算精度较显式格式大为提高，但计算量较 大。半隐半显格式结合了显格式与隐格式两者的优点，在实际中得到了更为广泛 的应用，其中具有代表性的是a d i 法。该法对于处理二维水流问题是一种比较 经济而且行之有效的方法。 2 有限元法( f e m ) 有限元法是将给定的连续介质划分成许多具有合适形状的微小单元，在单元 内选定一些适当的节点，将微分方程中的变量改写成由各变量或其导数的节点值 与所选用的插值函数组成的线性表达式，借助于变分原理或加权余量法，将控制 微分方程转换成控制所有孤立单元的有限元方程。然后将所有局部单元上的方程 汇集成总体的微分方程组或代数方程组，再换上应有的边界条件和初始条件，变 成一个完备的代数方程组，解此方程组，可以求得各节点的函数值，从而求得微 分方程在整个计算域的数值解。有限元法解题能力强，可以适应复杂的几何形状， 统一处理各种边界条件，但该法方程组庞大、编程困难、计算效率低，这些都限 制了有限元法在实际中的应用。 3 有限体积法( f v m ) 有限体积法是近几年来应用的比较广泛、最为成功的方法，它的基本原理是 将计算域划分为一系列不重复的单元，以网格点上的因变量为未知数，并假设其 在网格点之间的分布规律，将控制方程对每个控制体积分，合成一组离散方程， 结合边界条件和初始条件求得数值解。和有限元法不同的是，在控制体积中所采 用的离散格式只考虑网格点上某物理量构成的解而不管其问的变化规律，因而推 导离散后的方程可以方便地采用不同节点各物理量的分布假设。由于对任意控制 体积都体现出准确的守恒原则，所以数值的稳定性好，收敛也快。与其他方法相 石化码头溢油风险评价实例研究 比，它适用于任意的不规则网格，对边界的处理灵活性强；是对于原始微分方程 推导所用控制体积的回归，能够保持方程的守恒特性，减小误差；能够将二维问 题简化成局部一维问题，简化计算，计算效率高效率。近年来，随着无结构网格 的发展以及数值通量的各种先进算法的不断提出，有限体积法得到了迅速发展， 在气动力学、水力学的数值计算中发挥着重要作用。 4 特征线法( m o c ) 特征线法又称特征理论法或特征差分法。特征线在求解双曲线偏微分方程时 能够获得很高的精确度，它主要在于利用沿特征成立的特征方程，而不是利用一 般的空间坐标的原始方程。其基本思想在于潮流控制方程属一阶拟线性双曲型偏 微分方程，利用二维空间的特征理论，可导出两族特征曲面和相应的特征关系式， 对待征关系式进行离散求解可得到变量( 速度、水深等) 的数值解。 特征方程反映了双曲问题中信息沿特征传播的性质，因而符合水流的物理机 制。特征线法在水位、流速变化剧烈的强潮河口、海湾潮流计算中会取得较好的 效果。 5 分步法 分步法又称为破开( 分裂) 算子法，该法是由前苏联学者y 觚c 1 1 1 ( o 等于2 0 世 纪5 0 年代中期提出的，我国在8 0 年代才开始使用其解决潮流问题。它是将原来 比较复杂的( 具有高维或复杂物理过程) 问题分解成若干具有简单物理过程、低维 问题的连续求解过程，进而求得原方程的解。分步法可以分成3 种类型： ( 1 ) 空间概念上的分步 将多维问题分解成一系列低维问题，一般分解成一维问题求解。 ( 2 ) 物理概念上的分步 将原始的包含若干个物理性质不同的复合过程分解成只具有单一性质物理 过程的时间序列求解。 ( 3 ) 解析上的分步 将原始解析方程分解求解。分步法是求解二维潮流问题的一种简单、有效的 数值方法，在处理上具有相当的灵活性，对于如何分步、分步后对每一步采用何 种格式都没有严格限制。但分步法时间步长有限制，当计算的时间步长较大时， 沿坐标轴方向分步将产生轴化效应，另外对边界的处理能力亦不够强。 石化码头溢油风险评价实例研究 3 1 2 潮流模型 由于近海海域多为宽浅型海域，水平尺度远大于垂直尺度。因此，由三维模 型简化得到的二维模型能在一定程度上较为准确的给出所要研究海域的潮流特 征。本论文采用的方法是将各分潮的数值模拟采用基于三角形网格的分步杂交法 【3 3 1 对二维潮波的控制方程进行计算，在前半步长用特征线法，后半步长用集中质 量有限元方法求解方程。对于沿岸浅海，特别是半封闭海湾，其基本运动是由外 来潮波引起的潮汐运动，即协振潮。因此，我们主要研究潮波、潮流及潮致余流 世 奇o 1 潮波控制方程 描写潮波运动的参考系被置于所谓的“厂一平面”，即不考虑地球曲率的影 响，这种近似描述显然适用于水平范围远小于地球半径的海域，这对于沿岸海域 和海湾无疑是适当的。选用一个固着于“厂一平面”上的直角坐标系d 】，平面) 和静止海面重合，组成右手坐标系，z 轴向上为正，于是描写正压海洋深度平均 的运动方程组为【3 2 】： ( 1 ) 连续方程 堕+ 旦燮+ 旦盟：o a t瓠 却 ( 2 ) 动量方程 詈+ 甜罢+ v 考+ g 篆一少+ 舌五甜= 。 害+ 材罢+ v 考+ g 爹+ 乃+ 舌五v = 。 式中：f 从平均海面算起的水面高度； h = f + h o 为水深( h o 为从平均海面算起的水体深度) ； 厂= 2 ( ) s i n 为科氏系数( 缈为地球自转角速度，为地理纬度) ； g = 9 8 1 州s 2 为重力加速度； 甜、v 对应于x 、y 轴的流速分量； 石化码头溢油风险评价实例研究 f 时间坐标； c c h e z y 系数( c l l l s ) ，主要取决于海底粗糙度，同时依赖于水深，目 前普遍应用m a l l n i n g 公式： c ：丝日 刀 式中：”表征海底粗糙度的m a l l n i n g 系数。 ( 3 ) 计算边界条件 在陆边界： ；丢：o ( 沿岸移动，荔为边界法线) 在开边界： = 拿 ( 4 ) 初始条件 f = 0 时，哥= 瓦，f = 厶 由以上方程构成了完整的二维浅海潮波的闭合定解方程组。 在实际计算中，无论二维还是三维，由于浅海较强的湍耗散作用，总是取零 值作为初始条件，因为任何初始能量，经过一定时间后，总要耗散掉，故当计算 达到一定时间长度以后，初始效应总会消失，而只有彳这一协振潮的唯一强迫 函数( 水界输入) 在起作用，显然对于f 的取值，要求具有满意的精度。 2 潮致余流 海水微团经过一