（轮机工程专业论文）基于vbmapx的船舶溢油预报地理信息系统的研究.pdf

中文摘要 摘要 随着海上石油运输量的增加，发生溢油事故的风险也相应增大，为了合理地 预报事故风险并采取措施以降低发生泄露事故后的损失，需要我们对海上溢油行 为进行合理、可信的数值模拟并将其结果直观地显示，给相关的决策者提供判断 依据并调动相应的应急力量做出补救措施。因此，我们利用地理信息系统( g i s ) 强大的空间数据分析显示功能，结合先进的数学预报模型，进行基于g i s 的海上 溢油行为数值模拟研究具有重要的理论意义和现实意义。 本文的海上溢油行为方程是以三维对流扩散方程为基本控制方程，采用马尔 科夫随机理论建立油类的扩散漂移轨迹，三维潮流场预数值预报模型采用美国普 林斯顿大学的p o m ( p r i n c e t o no o m nm o d e l ) 模型，为系统提供三维潮流场数据。 为了使系统方便实用，本文采用了面向对象开发语言( v i s u a lb a s i c ) 和g i s 组件技术( m a p x ) 相结合的开发环境。以m a p i n f op r o f e s s i o n 8 5 作为空间地理信息 建立和处理工具，v i s u a lb a s i c6 0 作为系统用户界面开发与计算模块编程工具， a c c e s s2 0 0 0 作为有关数据库开发与管理工具，m a p i n f om a p x 5 0 地理信息系统地 图控件作为计算机模拟显示控件，通过o l e 技术，通过文件传递的方式，将上 述数值计算模型与地理信息系统进行了嵌入式紧密集成，初步形成了船舶溢油预 报信息系统。系统实现了g i s 支持下的地图坐标和投影变换，计算网格的自动划 分，潮流场显示，溢油轨迹显示等功能。从而使系统达到直观，快速的可视化效 果。为相关的海事部门做出应急决策提供参考。 关键词：溢油；地理信息系统；p o m ；克里格内插法；数值模拟 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n gt r a n s p o r t a t i o no fo i li nb u l l sb ys h i p s ，t h er i s ko ft h eo i l s p i l li sg e t t i n gh i g h e ra n dh i g h e r f o rr e a s o n a b l e l yf o r e c a s t i n gr e l e a s i n g r i s ka n d t a k i m ga c t i o nt or e d u c el o s e ，ar e a s o n a b l en u m e r i c a lm o d e lf o rt h es p i l l e do i la ts e a i s d e m a n d e df o rt h er i s ka s s e s s m e n t ，c o n t i n g e n c yd e c i s i o n - m a k i n g j u d g e m e n t 百s ta n d r e m e d i a t i o nm e a s u r e b yt a k i n ga d v a n t a g eo ft h ec a p a c i t i e so fg l si na n a l y s i s i n ga n d v i s u a le x p r e s s i o n0 1 1s p a t i a ld a t a , a n dc o m b i n i n gt h ea d v a n c e dm a t hf o r e c a s tm o d e l ，a n u m e r i c a ls i m u l a t i o ns y s t e mt oc a l c u l a t ea n dd i s p l a yt h ef a t e sa n db e h a v i o r so fo i l s p i l l e da ts e aw a sd e v e l o p e d i nt h et h e s i s ，t h eo i ls p i l l a g em o d e la d o p t e dt h r e e - d i m e n s i o n a la d v o z t i o nd i f f u s i o n x l u a t i o nt os i m u l a t et h ec h e m i c a l ss p i l ld i f f u s i o n a c c o r d i n gt om a r k o v i a nt h e o r y ，t h e s p r e a d i n go fc h e m i c a l sw a ss i m u l a t e db yl a g r a n g ea n df o k k e r - p l a n c ke q u a t i o n 。t h e t h r e e - d i m e n s i o n a lt i d e l c u r r e n tf i e l dm o d e lu s e s p o m ( p r i n c e t i o n o c e a n m o d e l ) w h i c hd e v e l o p e df r o mt h ep r i n c e t i o nu n i v e r s i t yo fu s a t om a k et h ea p p l i c a t i o no ft h es y s t e m , a l lo b j e c t - o r i e n t e d p r o g r a m m i n g e n v i r o n m e n t ( v i s u a lb a s i c ) a n dt h eg i sc o m p o n e n t ( m a p x ) a se x p l o i t u r e e n v i r o n m e n t w e r ea d o p t e di nt h i sp a p e r , m a p i n f op r o f e s s i o n8 5w a sa p p l i e dt o b u i l da n dm a n a g es p a c eg e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o n ；v i s u a lb a s i ca sa no b j e c t - o r i e n t e d p r o g r a m m i n gt o o lw a su s e dt oi n t e g r a t eb ym e a n so ft h ea s s e m b l e d a c e s s2 0 0 0a s a nd a t a b a s ee x p l o i t a t i o na n dm a n a g e m e n tt 0 0 1 m a p i n f om a p x5 0w a su s e da sa a c t i v e xc o n t r o lt om o d e la n dv i s u a ld i s p l a y b yt h et e c h n o l o g yo fo l e ，t h i sp a p e r s u c c e s s f u l l ys i m u l a t e dt h er e s u l t so ft h ef a t ea n db e h a v i o r so ft h eo i ls p i l l e di ns p a c e a n dt i m e w i t ht h eh e l po ft h eg i sm o d u l e ，t h ec o n v e r s i o n so fp r o j e c t i o na n d c o o r d i n a t e ，t h ea u t o m a t i cd i v i s i o no fc a l c u l a t i o ng r i d ，t h ef i d e lc u r r e n td i s p l a y ， p l o t t i n gt h et r a c ko fo i ls p i l la n do t h e rf u n c t i o n sc a nb ea p p r o v e d t h es i m u l a t i o n r e s u l t sc a nb ev i s u a l l ya n dq u i c k l ye x p r e s s e do nc o m p m e r i tc a l lb em a d ea sa r e f e r e n c et oa s s e s s m e n ta n de m e r g e n c yd e c i s i o n m a k i n gf o rc o r r e l a t i v em a r i t i m e 英文摘要 k e yw o r d s ：o hs p i l l ；g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ；p o m ；s r f k r i g i n g ； n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文= = 基王迪丛璺卫苎的魈舶鲎迪亟拯地理信息丕缠的班 塞= = 。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他 个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：移毕州年3 月巧日 l ，一彳 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法 ，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 论文作者签名： 导师签名：亥暂 日期：州年3 月万日 基于v b + m a p x 的船舶溢油预报地理信息系统的研究 第1 章绪论 1 1 研究背景 随着世界经济的快速发展，作为历史悠久的运输手段和重要运输方式的水上 运输得到迅猛发展，海上货运量大幅度增长，船舶海上运输更被称为“世界贸易 载体 ，由于海洋运输成本相对其他运输成本很低，仅为铁路运输的4 0 0 5 5 0 ， 因此世界上总的货运量的7 0 - 8 0 0 5 是由海洋运输负担的。随着人类对能源的消费增 长，国际海上石油运输量急剧增加，油船的数量和吨位也越来越大，油船进出港 口次数的增加也导致了全球海上重大溢油事故的频频发生，对海洋环境和当地海 洋生态带来了严重的污染【1 1 。特别是随着海上石油化学工业的迅速发展，油井井喷、 油船及散化船舶事故也频繁发生，严重污染了海洋环境口1 。 国际上发生过多起较大规模的溢油事故。1 9 6 7 年3 月，载运1 2 万吨原油的利 比里亚籍油轮“托雷卡尼翁”号从波斯湾驶往美国米尔福港，该轮行驶到英吉 利海峡触礁，造成船体破损，在其后的1 0 天内溢油1 0 万吨。溢油造成附近海域 和沿岸大面积严重的污染，使英、法两国蒙受了巨大损失。事件发生后，国际海 事组织( i m 0 ) 为此召开特别会议就安全技术和法律问题进行讨论，专门成立了一 个常设的“立法委员会一，并且为了防止船舶污染海域出台了著名的国际船舶防 污染公约m a r p o l7 3 7 8 防污染公约；1 9 8 9 年3 月2 4 日，载有约1 7 万吨 原油的美国油轮“埃克森瓦尔迪兹”在阿拉斯加瓦尔迪兹驶往加利福尼亚洛 杉机途中，为了避开冰块而航行到了正常的航道外面，在阿拉斯加威廉王子湾布 菜礁上搁浅，导致该轮的1 1 个油舱中的8 个破损。在搁浅后的6 个小时内，从 “埃克森瓦尔迪兹 溢出了3 万多吨货油，导致阿拉斯加11 0 0 公里的海岸线上 布满石油，对当地造成了巨大的生态破坏，约4 0 0 0 头海獭死亡，1 0 , - - , 3 0 万只海鸟 死亡，专家们认为生态系统恢复时间要长达2 0 多年，事故造成的全部损失近8 0 亿美元。这次事故之后，美国又发生了几起重大溢油事故，引起了美国各界的强 烈反响，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，同年， 国际海事组织在伦敦通过了1 9 9 0 年国际油污防备、反应和合作公约，并于1 9 9 5 第1 章绪论 年5 月1 3 日生效，它标志着人类对溢油事故开始由被动防御转为积极应对。2 0 0 2 年1 1 月1 3 日，装有7 7 万吨燃料油、船长2 4 3 米的巴拿马籍老龄单壳油轮“威 望号 在从拉脱维亚驶往直布罗陀的途中，遭遇强风暴，与不明物体发生碰撞， 并在强风和巨浪的作用下失去控制，船体损坏导致燃料油泄漏。，近四千吨燃油从 舱底流出，形成一条宽5 公里、长3 7 公里的油带。1 1 月1 9 日船体发生断裂，随 后沉没在约3 ，6 0 0 米深的海底，到油轮沉没时约有1 7 ，0 0 0 吨燃料油已经泄漏，给 西班牙和法国海岸带来了巨大的经济损失。鉴于以“威望号”为代表的单壳油轮 灾难性污染事故频发，国际海事组织修订了国际海上防污染公约相关附则条 款，大幅度缩短了单壳油轮的使用年限，确定了对单壳油轮进行淘汰的时间表。 自1 9 9 3 年我国从石油出口国转为石油净进口国以来，石油进口数量不断上升， 沿海的石油运输量大幅增加。我国进口的石油9 0 是通过海上船舶运输来完成的， 2 0 0 6 年我国沿海石油运输量达到4 3 l 亿吨，其中运输原油1 8 7 亿吨。石油进口 量的迅速增加，使港口和沿海油船密度增加，2 0 0 6 年航行于我国沿海水域的船舶 已达到4 6 4 万艘次，平均每天1 2 ，7 0 0 艘次，其中各类油船达到1 6 2 ，9 4 9 艘次，平 均每天4 4 6 艘次。油船特别是超大型油船在我国水域频繁出现，使得原已十分繁 忙的通航环境更加复杂。 据统计1 9 7 3 2 0 0 6 年，我国沿海共发生大小船舶溢油事故2 ，6 3 5 起，其中溢 油5 0 吨以上的重大船舶溢油事故共6 9 起，总溢油量3 7 ，0 7 7 吨，平均每年发生2 起，平均每起污染事故溢油量5 3 7 吨。特别是自2 0 0 5 年以来，全国沿海和内河水 域共发生船舶污染事故2 5 3 起，较大船舶油污事故也时有发生，其中溢油量5 0 吨 以上的事故9 起。1 9 8 3 年1 1 月2 5 日，船长2 0 7 米的巴拿马籍“东方大使 油轮 在青岛港黄岛油区装载4 3 ，0 0 0 多吨原油出港途中，行驶到中沙礁搁浅，导致货舱 受损，漏出原油3 ，3 4 3 吨。经济损失达数千万元，损害赔偿1 ，7 7 5 万元；1 9 9 9 年 3 月2 4 日，福建省厦门港油轮“闽燃供2 号( 船长5 9 米) 装载重油1 ，0 3 2 吨 从厦门驶往东莞途中，与离开广州虎门电厂码头驶往上海港途中的浙江省台州港 “东海2 0 9 号”轮( 船长9 9 米) ，在珠江口伶仃水道发生碰撞，“东海2 0 9 号” 轮船艏插入“闽燃供2 号”右舷2 、3 舱处，“闽燃供2 号”船体受损后座底沉 2 基于v b + m a p x 的船舶溢油预报地理信息系统的研究 没，溢出重油5 8 9 7 吨，珠海、深圳、中山、金星门、淇澳岛等3 0 0 多平方公里 海域及5 5 公里岸线遭到污染，溢油事故给当地造成直接经济损失4 ，0 0 0 多万元； 2 0 0 4 年1 2 月7 日，船长为1 8 2 米的巴拿马籍集装箱船“现代促进”轮由深圳盐田 港驶往新加坡途中，与由深圳赤湾驶往上海的船长为3 0 0 米德国籍集装箱船“地 中海伊伦娜轮发生碰撞，“地中海伊伦娜”轮燃油舱破损，导致1 ，2 0 0 多吨船 舶燃料油溢出，在海上形成一条长9 海里( 约1 6 5 公里) 的油带，成为我国船舶 碰撞造成的最大的一次溢油事故，造成珠江口海域污染，全部损失达6 ，8 0 0 万元b 1 ； 2 0 0 5 年装载1 2 万吨原油的“阿提哥 号由于大雾在大连港附近触礁搁浅，所幸经 大连海事局相关部门及时采取措施，未造成重大污染。 屡屡发生的海上溢漏事故以及对海洋生态、渔业、养殖业、旅游业等的触目 惊心的污染和破坏，引起了国际社会的强烈关注。国际海事组织( i m o ) 制定了 一系列的国际公约、议定书和修正案，以求防止或减少海上溢漏事故所造成的危 害。具体有经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 ( m a i 冲o l 7 3 7 8 ) 、国际海上人命安全公约( s o l a s ) 、散装运输危险化学品 船舶结构和设备规则( b c hc o d e ) 、1 9 7 3 年国际干预公海油污公约( c s i ) 、 1 9 7 3 年干预公海非油类物质污染议定书( c s ip r o t o c o l1 9 7 3 ) 、 国际油污防备、反 应与合作公约( o p r c ) 和1 9 9 6 年通过的国际海运有害物质损害赔偿责任公约 ( h n s ) 等等h 匐。 1 2 研究必要性和研究意义 面对日益增大的海上溢油污染的威胁，污染物在海上输运、扩散的研究也在 不断地展开，作为海上污染应急反应系统的关键技术之一，能否正确预测和掌握 海上溢油动态显得尤为重要。由于目前还无法仅依靠实时观测提供海上污染应急 反应所需的全部数据。在这种情况下，计算机模拟成为现今海上污染预报研究的 主流，因其具有较准确的预测性能和强大的数据处理、数值计算、决策支持功能 而被人们所接受。近年来，世界各国相继开发出了一些具有很大实用价值的海上 污染预报系统- 引，对有效防止海洋污染，保护海洋环境起到了巨大的推动作用。 3 第1 章绪论 我国在这方面起步较晚，和国外的研究水平还有相当大的差距。 地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称g i s ) 具有便捷、强大的数 据管理功能和友好的人机交互环境等优点阻1 。利用g i s 在空间分析和空间数据处理 的优势，加上利用标准编程语言( 如v b ，v c + + ，d e l p h i ，p o w e rb u i l d e r 等) 或应用 g i s 组件进行应用开发，可以较好的解决数值预测模型在空间数据输入难、空间数 据分析和管理功能弱、结果可视化程度低、系统界面不友好等问题，因此，g i s 技 术作为一个信息平台和载体，越来越多地被应用到应急反应系统或者环境影响评 价系统中。 本文在v b 开发环境中引入了m a p x 组件技术，紧密集成了三维污染物数值计 算模块，开发了茂名海域船舶溢油预报地理信息系统，以期提高相关海事部门的 应急反应能力，减轻溢油事故带来的危害。 1 3 主要研究内容 本文主要研究以g i s 为平台，在v b 的开发环境下实现后台数据库模块，溢 油数值计算模块和g i s 显示平台的集成。三维潮流数值模拟采用p o m ( p r i n c e t o n o c e a nm o d e l ) 模式，将其应用到茂名海域，生成了茂名海域三维潮流场数据库，并 在p o m 架构的基础上嵌入了基于对流扩散方程的粒子追踪技术的海上溢油输运模 型，供系统调用。在用户设定好初始事故参数后，系统后台进行溢油数值模拟的 计算，然后在电子海图上显示模拟结果，以直观动态地显示溢油轨迹及污染物扩 散范围。 4 基于v b + m 印x 的船舶溢油预报地理信息系统的研究 第2 章海上溢油行为及国内外研究进展 2 1 油类入水后的行为及归宿 石油在进入水体后，其运动和归宿不仅受到油品特性等物理性质影响，还受 到多方面的环境因素影响，如风、浪、流、光照、气温、水温和生物活动等无论 在数量上、化学组成上、物理性质及化学性质方面都随着时间不断地发生变化 9 1 。 引起这些变化的主要过程是扩散、漂移、蒸发、分散、乳化光化学氧化分解、颗 粒物质的吸附沉降以及微生物降解等。国外对石油进入海洋后的变化过程做了大 量的研究工作1 m 1 1 1 。图2 1 是科学家们描绘的海上油膜变化过程示意图。下文分别 介绍相关的作用因素及相关作用过程。 风同 图2 1 海上溢油的风化过程 f i g 2 1 t h ee f f l o r e s c e n c ep r o c e s so fo i l - s p i l la tt h es e a 5 第2 章海上溢油行为归宿及国内外研究进展 2 1 1 漂移 由于受风、海流及海况的影响而导致的溢油平行运动过程叫漂移。它是影响 溢油运动的主要因素之一。 风场一般采用下述方法之一来表达： ( 1 ) 随机移动过程( r a n d o mw a l kp r o c e s s ) ； ( 2 ) 马尔可夫链过程； ( 3 ) 气象模型； ( 4 ) 上面几种方法的联合； 前两种方法一般依赖近岸气象站台的气象观测，这些数据要经过一定程序校 正后方可使用。第三种是预测风场最精细复杂的方法，但往往受计算复杂性的限 制和溢油区域的不定性的制约，因此，并未获得广泛的应用。根据专家使用经验， 美国海军数据中心的风场模型是目前屈指可数的先进模型之一。本文所用模型使 用的是第四种方法，采用气象台提供的海上风力预报数据。 溢油的漂移过程受风力、潮汐、密度及压力梯度等因子的制约，可表示为这 些因子的矢量和。从海流的影响来分，风海流是最重要的因素，它可以在溢油发 生2 4 小时内制约表面的油膜漂移方向。在计算模拟中，一般假定海流的移动速度 是风速的3 4 ，这是目前大多数模型采纳的方法( 如下图2 2 ) 变异漂移角 ( v a r i a b l ed r i f t a n g l e ) 随风速大小而变，一般位于o 2 0 。区间内。 图2 2 海流和风海流的欠量迭加示意图 f i g 2 2t h ev e c t o rs y n t h e s i z e so ft h eo c e a nc u r r e n ta n d t h ew i n do c e a nc u r r e n t 一6 基于v b + m a p x 的船舶溢油预报地理信息系统的研究 2 1 2 扩散 扩散是海面溢油在某些海洋环境条件影响下产生的水平扩散过程。它一方面 决定了溢油扩散面积的大小；另一方面，由于其表面积增大，溢油的风化、挥发、 溶解、分散和光氧化还原过程都会受到不同程度的影响，是溢油模型中重要组成 部分。 目前研究已经证明，扩散受地球引力、表面张力、惯性力和粘滞力四种因素 的制约。许多研究人员毕生致力于这几种因素的探讨，其中较经典，也是最常使 用、最值得借鉴的扩散理论是f a y 的三阶段论( n 嘣州t e g i l i l e ) 扩散理论【1 2 】。即： 静水中厚度均匀的圆形油膜的扩散过程，可分为重力与惯力阶段起主要作用的初 始阶段、重力和粘性力起主要作用的中间阶段、表面张力与粘性力相平衡的最后 阶段。后人根据f a y 的原理，在一些方面做了限定性改进，如：m u r r a y 的涡动扩 散理论；随机f i c h i a n 扩散方程；经验回归法：厚一薄油膜技术等。近年来在溢油 扩散理论方面作出杰出贡献的是j o h a n s c n ，他第一次把溢油的扩散过程逻辑化：海 面溢油发生后，海水一溢油相互接触，油膜在海流的作用下，开始扩散、破碎， 形成无数个微小的油粒；这些小油粒一旦进入水中，在表面流的影响下，它们便 会平行移动和分散。由于油粒总比水轻，且有一定的浮力，绝大部分的油粒最终 会再浮海表面。也就是说，溢油的扩散过程不仅受油粒大小的影响，也受海面流 的控制。从j o h a n s e n 的计算结果来看，较厚的油层向外边界扩伸，油膜边界随风 向扩散，结果与现场实验相吻合。 2 1 3 风化 石油或烃类溢散到海面后其组分和性质随时间变化，最后从海面消失的过程 即为溢油的风化，这是物理作用、化学氧化和生物降解等在自然状态下综合作用 的结果，它包括蒸发、溶解、乳化、分散、沉降、光氧化和生物降解等过程。从 短期来看，蒸发和乳化过程是重要的风化过程，对溢油的残留量及其组成、性质、 状态起决定性作用，影响溢油应急响应决策和经济损害评估。从长期来看，光氧 化和生物降解作用越来越重要，决定海上溢油最终归宿，并在全球海洋环境影响 7 第2 章海上溢油行为归宿及国内外研究进展 评价中意义重大。 2 1 4 蒸发 蒸发是海面溢油中的石油烃的较轻组分从液态变为气态向大气进行质量传输 的过程。 蒸发过程在石油风化研究中是十分重要的内容。它是溢油质量传输过程的主 要部分，特别是轻质原油或成品油如汽油、柴油等，蒸发损失有的可达溢油总量 的一半以上。一方面蒸发在改变海面上的溢油总量的同时也改变了油的物化性质。 使油密度、粘度、表面张力等增加，倾点上升。另一方面蒸发组份在太阳光的作 用下，由于光氧化而生成各种复杂的化合物，又随着降雨和干降而重返海洋，有的 随风漂移而落入陆地造成各种不同的危害。由石油的组成可知，石油中的各组份 其沸点不同。而不同的溢油其蒸发组份不同，蒸发过程也有差别。许多科学家研 究证明溢油的蒸发率与温度、风速、光照和溢油的大小以及溢油本身的性质有关。 一般认为沸点低于3 7 的石油分镏物几天之内就可以全部蒸发掉，新鲜原油在 2 3 h 内可以蒸发掉2 5 3 0 ，石油中不易蒸发的高沸点组份残留于海上，这些细 小残油颗粒互相凝集，最后形成焦油亦称沥青球。 蒸发过程主要受溢油的种类、溢油时间、区域、油膜厚度、环境温度、风速 及其它海况的影响。 2 1 5 分散 分散是海上溢油形成小的油滴进入水体的过程。它是导致油从海面移去的重 要过程，一般分三步：在破碎波作用下从膜形成油滴的成球过程；破碎波和上升 力的净作用使油滴进入水体的分散过程；部分油滴和膜再结合的过程。这种油的 分散造成了油的表面积增大，能促进生物降解和沉降过程。 自然分散率很大程度上取决于油的特性及海况，在碎浪出现时分散过程进展 很快。低粘度油在保持流动、不受其他风化过程阻碍的情况下，数天内能完全分 散，如汽油，柴油。而高粘度油或能形成稳定油包水乳化液的油，容易在水面下 形成不容易分散的厚油层。这类油可在水面存留数周，如重质原油。 8 基于v b + m a p x 的船舶溢油预报地理信息系统的研究 2 1 6 溶解 溶解是溢油在一定能量的搅动下，形成油粒均匀进入海水中的过程。这是漂 浮或者悬浮石油烃进入水体的质量传输过程。相对于蒸发量，溢油溶解量要小得 多，虽然目前尚难以确定其确切数值，但是一般认为二者相差2 3 个数量级，因 此一些溢油预报系统忽略此过程，但由于溶解多是有毒的芳烃，所以在环境影响 预测中溶解量的计算又很重要。 2 1 7 乳化 为了使原来不能混合的两种液体混合起来，把其中一种液体变成微小的颗粒 分散在另一种液体中，这种过程叫乳化。 油水的乳化会出现两种情况： ( 1 ) 形成水包油乳化液，这是化学分散剂分散溢油的情况。 ( 2 ) 形成油包水乳化液，生成类似。巧可力奶油冻 的粘液，最终形成沥青块。 溢油的乳化通常指第二种情况，它会使油的表观粘性增加几个数量级和体积 增大数倍，严重影响其它风化过程和清除操作决策。这是因为“巧可力奶油冻一 的含量越大，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 就完全失去作用。如果用集油器回收含有。巧可力奶油冻一的油，由于其粘度的 增加，使回收率降低，并且大大降低了运输量。据报到，“巧克力奶油冻 形成， 有的可使回收油的量增加1 0 倍。“巧克力奶油冻在海洋环境中很难自然消失， 如任其漂流，碰到固体物资或海滩就会粘附在上面，很难消除。 2 1 8 沉降 由于一系列环境因素的影响，溢油附着在悬浮颗粒或自身絮凝沉入海底的过 程，谓之沉降。 它可以通过两种方法进行： ( 1 ) 随着溢油风化时间和程度的延续，溢油粘度增加，发生沉降。 ( 2 ) 溢油和悬浮颗粒物质絮凝，沉入海底。 浅水区和江河口处经常夹杂着大量的悬浮颗粒，这会促使溢油的沉降。油的 9 第2 章海上溢油行为归宿及国内外研究进展 沉降有时也会受温度的影响，在很冷的天气里，油漂浮于水面；当晚上气温下降 得更低时油又会沉到水面以下；当白天气温回升时它又重新回到水面。沉积在海 底( 或河床) 的石油经过一定的时问之后，一部分被生物降解，一部分在沉积矿化作 用下得到净化。 2 1 9 光氧化过程 这是溢油在太阳光下，经历氧化、磁化、水解并产生氧化物的降解过程。光 氧化由于日晒而加剧，并伴随着油膜扩散的始终，但是相对于其他各种变化过程， 氧化的量微不足道。氧化的速度较慢，特别是高粘度、厚油层或油包水的乳化物 氧化很慢。 2 1 1 0 生物降解 海洋中到处存在着分解烃类的微生物，由于它们的代谢以分解石油作为碳素 和能量的来源，海洋环境中的烃类残留物才不至于大量积累。生物降解决定海上 石油最终归宿。溢油发生之后，该过程一般可延续数年之久，其吞噬石油的能力， 多因生物细菌不同而异。由于生物降解过程极其复杂，绝大多数生物碳氢化 合物相互作用的研究仍然只能在围割条件下进行实验，其结果不能应用在海洋环 境中，至今人们还不能用数学公式定量地描述原油生物降解的速率。 2 2 海上溢油污染模型的研究 面对日益严重的海上溢油污染，各主要国家都开展了相关方面的溢油预报研 究。海上溢漏污染物的输运、扩散研究是从溢油漂移和扩散的研究开始的。油膜 在水面的扩散、输运过程研究最早，也是最成熟的一个方面。1 9 6 9 年，f a y 和h o u r 1 3 】 提出了净水或紊流情况下油膜在水面的三阶段扩展理论，做出了杰出的贡献。后 又由b l o c k e r t l 4 1 等人将上述模型进行了改进，应用的较为广泛。1 9 8 2 年，m a c k a y _ 【1 5 】 模式在f a y 模式的第二阶段公式中加上了风的影响，分别建立了厚油膜和薄油膜 的计算公式；l e h e r ( 1 9 8 4 ) 1 6 】也是在f a y 的第二阶段模式中加上风的影响，并调整 了算法。s c 0 1 7 1 则在全面改进f a y 模式的基础上，建立了连续油膜环境行为和性 质的预报方法( m u - s l i c k 模式) 。至此，基于f a y 理论的油膜行为预报模式发展到 1 0 基于v b + m a p x 的船舶溢油预报地理信息系统的研究 了完美的阶段。m i t 模式突破了f a y 理论的传统模式，将油膜自身特性所致与环 境动力形成的油膜分散一并考虑，建立了油膜扩展一分散微分方程和相应的数值 模式。还有一些代表性的模型如：n a r y 模型【1 4 1 、d e l a w a r e 模型1 4 1 、s e a d o c k 模 型【1 4 , 1 8 1 、b a t t e e l e 模型【1 4 1 、黄贤模型等【1 9 1 。美国a s a 公司开发的预报海上溢油的 o i l m a p 模型，预报海上泄漏化学品的c h e m m a p 模型，挪威的o s c a r 溢油预 报模型，美国大气海洋局的g n o m e 等。 我国的溢油行为和归宿研究始于8 0 年代初，大多数预测模型属于改进型啪1 。 如中科院吴永城等( 1 9 9 1 ) 胶州湾溢油范围预测模型；中国海洋大学娄安刚等 ( 1 9 9 4 ) 海面溢油轨迹的分析预报模型；成都科技大学赵文谦乜h 缘纠等( 1 9 9 1 ) 溢油行为预测组合模型等。国家海洋局海洋环保所与比利时北海数学模型管理署 对溢油预报模型进行了全面研究，推出了“油污染环境风险评估”的合作研究成 果( 1 9 8 9 - 1 9 9 1 ，o p e r a ) 幽1 ，该项合作研究建立了o p e r a 二维溢油软件包和三维溢 油软件包。其中，二维软件包已在辽河油田浅海开发区推广应用，建立了“溢油 行为可视系统0 i l s y s 一，并纳入辽河油田滩海开发区溢油应急计划。国家海洋局 海环所窦振兴( 1 9 9 0 1 9 9 5 ) “渤海溢油微机化预报体系 ，基于油粒子群的随机 运动建立了以三维溢油综合预报模型为核心、以微机为支持硬件的溢油微机化预 报体系，特别适合溢油现场使用。俞济清，黄立文等在应用美国a s a 公司的0 i l m a p 标准系统软件的基础上，自己开发的舟山港风场软件和舟山港水动力模型，对中 国舟山港的溢油和环境动力进行了预报。1 9 9 5 - 1 9 9 7 年大连理工大学的晁晓波n 钔 博士后以大连湾为例，采用混合长理论，利用三维扩散模型对溢油在水域中的扩 散输运特性进行了研究；大连海事大学的殷佩海等研制的“大连地区海上溢油应 急反应专家系统乜7 h ，考虑了风和海流的影响，在水面油膜输运、扩散过程中采 用f a y 改进模式，采用了多媒体技术成功地模拟了溢油行为和归宿。熊德琪在国 外先进的溢油应急信息系统基础上，针对大连海域的特点研究开发了“大连海域 溢油模拟信息系统嘲h ，模型计算部分包括以实验数据为基础的溢油风化模型、 模拟溢油漂移扩散或化学品行为的三维“油粒子 模型、可模拟不同反应方案( 如 第2 章海上溢油行为归宿及国内外研究进展 机械清除、使用分散剂等) 清除效果的溢油应急反应模型，并在随后的研究中向g i s 与g p s ，g s m 结合方向有所发展。 1 2 基于v b + m a p x 的船舶溢油预报地理信息系统的研究 第3 章地理信息系统在溢油预报中的应用现状 地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称g i s ) 是2 0 世纪6 0 年代初期 发展起来的一种计算机技术系统。它是- f 集计算机科学、信息科学、现代地理 学、测绘遥感学、环境科学、城市科学、空间科学和管理科学为一体的新兴边缘 科学。地理信息系统的迅速发展不仅为地理信息现代化管理提供了契机，而且有 利于其他高新技术产业的发展。地理信息系统作为一种空间决策支持系统，它不 仅拥有地理系统所具备的一般特征，而且具备处理和分析空间信息的能力。因此 地理信息系统的应用越来越广泛。 3 1 地理信息系统( g i s ) 的特点 地理信息系统以地理空间数据库为基础，采用地理模型分析方法，适时提供 多种空间的和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统， 具有以下三个方面的特征 2 9 - 3 1 1 ： ( 1 ) 具有采集、管理、分析和输出多种地理空间信息的能力，具有空间性和动 态性； ( 2 ) 以地理研究和地理决策为目的，以地理模型方法为手段，具有区域空间分 析、多要素综合分析和动态预测能力，产生高层次的地理信息； ( 3 ) 由计算机系统支持进行空间地理数据管理，并由计算机程序模拟常规的或 专门的地理分析方法，作用于空间数据，产生有用信息，完成人类难以完成的任 务。地理信息系统从外部来看，它表现为计算机软硬件系统；而其内涵是由计算机 程序和地理数据组织而成的地理空间信息模型，是一个逻辑缩小，高度信息化的 地理信息系统。 3 2 地理信息系统的发展 3 2 1 地理信息系统在国外的发展状况 地理信息系统是2 0 世纪6 0 年代中期开始逐渐发展起来的一门新的技术。纵 观地理信心系统的发展，尤其是地理信息系统发展较早的地区如北美地区的实际 1 3 第3 章地理信息系统在溢油预报中的应用现状 情况，可将地理信息系统的发展分为一下四个阶劂3 2 】： ( 1 ) 6 0 年代为地理信息系统开拓期，注重于空间数据的地学处理 6 0 年代是地理信息系统的摇篮时期，这一时期的地理信息系统系统注重与空 间数据的地学处理。如1 9 6 2 年t o m l i n s o n 提出利用数字计算机处理和分析大量的 土地利用地图数据，并建议加拿大土地调查局建立加拿大地理信息系统( c g i s ) ， 以实现专题地图的叠加、面积量算等。这被认为是世界上第一个较为完善的地理 信息系统。c g i s 在技术上取得了重大突破，如地图数据的扫描输入、栅格矢量数 据转换；在系统设计上，提出空间分块、专题分层的数据结构，空间数据与属性数 据相联接等思想。这对后来地理信息系统的发展有重要的影响。 ( 2 ) 7 0 年代为地理信息系统的巩固发展期，注重与空间地理信息的管理 这个时期地理信息系统发展的总体特点是：地理信息系统在继承6 0 年代技术 基础之上，充分利用了新的计算机技术。软件方面，第一套利用管系数据库管理 系统的软件问世，一些商业性的咨询服务公司也开始从事地理信息系统工作，如 成立于1 9 6 9 年的美国环境系统研究所( e s r i ) 。计算机技术的全面发展，促使地 理信息系统向使用的方向飞速发展，但系统的数据分析能力仍然很弱：在地理信息 系统技术方面未有新的突破；系统的应用与开发多限于某个机构：专家个人的影响 削弱，而政府影响增强。 ( 3 ) 8 0 年代为地理信息系统技术大发展时期，注重与空间决策支持分析 8 0 年代是地理信息系统的普及发展阶段，随着计算机的迅速发展和普及，地 理信息系统也逐渐走向成熟。应用软件开始研制，先后出现了一些性能较好的软 件，如a r c i n f o ，g e n a m a p ，m g e ，s y s t e m 9 等，地理数据的处理开始通数 学模型、模拟决策想结合，应用不断向横向及纵向深入。这一时期的地理信息系 统的应用领域迅速扩大，从资源管理、环境规划到应急反映，从商业服务区域划 分到政治选取区从比较单一功能的、分散的系统到多功能的、共享的综合性地理 信息系统，并向智能化方向发展。商业化实用的地理信息系统开始大量进入市场。 ( 4 ) 9 0 年代为地理信息系统的用户时代 2 0 世纪9 0 年代是g i s 应用的大发展时期，一方面，g i s 作为一种通用的工具 1 4 基于v b + m a p x 的船舶溢油预报地理信息系统的研究 被广泛使用，g i s 已经成为许多机构必备的工作系统，并在一定程度上改变了传统 的工作模式，提高了工作效率。另一方面，社会对地理信息系统认识普遍提高， 需求大幅度增加，从而导致地理信息系统应用领域的扩大和应用水平的提高。 ( 5 ) 2 1 世纪是地理信息系统社会时代 现代信息技术的发展及知识经济的形成，促进了整个信息社会的发展，地理 信息系统作为信息基础设施的重要组成部分，提供有关自然、社会、文化、军事 等方面的各种空间信息，成为关系到每个人日常生活所必要的基本信息。 3 2 2 地理信息系统在我国的发展状况 地理信息系统的研究与应用在我国起步较晚，虽然历史较短，但是发展势头 迅猛。g i s 在我国的发展可以分为四个阶段【3 3 1 ： 第一阶段从1 9 7 0 年到1 9 8 0 年，为准备阶段，主要进行舆论准备，正式提出 倡议，开始组建队伍，培训人才，组织个别实验研究。 第二阶段从1 9 8 1 年到1 9 8 5 年，为起步阶段，完成了技术引进、数据规范和 标准的研究、空间数据库的建立、数据处理和分析方法及应用软件的开发等，对 g i s 进行了理论探索和区域性的实验研究。在全国大地测量和数字地面模型建立的 基础上，建成了各种信息系统。 第三阶段从1 9 8 6 年到1 9 9 5 年，为初步发展阶段，为我国g i s 的研究和应用 进入有组织、有计划、有目标的阶段，逐步建立了不同层次、不同规模的组织机 构、研究中心和实验室。中国科学院于1 9 8 5 年开始筹建国家资源与环境系统实验 室，它是一个新型的开放性研究实验室。1 9 9 4 年中国g i s 协会在北京成立。 第四阶段从1 9 9 5 年至今，为我国地理信息产业化阶段，在这一阶段研发和使 用了大量的g i s 系统，每2 到3 年就翻一番，g i s 市场的年增长率达3 5 以上， 从事o l s 的厂家已超过干家。 o l s 研究逐步与国民经济建设和社会生活需求相结合，并取得了重要进展和实 际应用效益。主要表现在四个方面：( 1 ) 制订国家地理信息系统规范，解决信息 共享和系统兼容问题，为全国地理信息系统的建立做准备。( 2 ) 应用性g i s 发展 1 5 第3 章地理信息系统在溢油预报中的应用现状 迅速。( 3 ) 在引用的基础上扩充和研制了一批软件。( 4 ) 开始出版有关地理信息 系统理论、技术和应用等方面的书籍，并积极开展国际合作，参与全球性地理信 息系统的讨论和实践。1 9 9 2 年l o 月联合国经济发展部在北京召开了城市g i s 学术 讨论会，对指导、协调和推动我国g i s 发展起了重要的作用。目前国内开发出比 较流行的g i s 软件由：中国地质大学的m a p g i s 、北京大学的c i t y s t a r 、武汉大学的 g e o s t a r 、中国林业科学研究院的v i e w g i s 等，这些国产g i s 软件的出现打破了国 外g i s 软件对我国市场的垄断，开创了计算机编制地学图件的新时代，他们必将 对搞活我国的国民经济、提高我国综合国力起到积极的推动作用。 3 3 地理信息系统的组成 从系统中数据处理看，地理信息系统是由数据输入子系统、数据存储与检索 子系统、数据处理与分析子系统和输出子系统组成l 。其组成如图3 1 。 图3