孫逸宸 魏東澤 盧金樹 吳文峰

【摘 要】 為建立較為完善的海上溢油應(yīng)急處置機(jī)制，以舟山群島海域?yàn)槔?，分析利用島、礁等有利地形進(jìn)行海上溢油快速圍控的技術(shù)，設(shè)計(jì)一種可持續(xù)供能的溢油回收裝置，構(gòu)建包括前期分析預(yù)測、中間過程控制、后期自動(dòng)化清理的較為完整的溢油應(yīng)急處理體系，為區(qū)域溢油應(yīng)急方案的制定及應(yīng)急行動(dòng)提供技術(shù)支撐。該體系的實(shí)現(xiàn)可以為溢油處置的科學(xué)決策提供有益的參考。

【關(guān)鍵詞】 群島海域;舟山群島;海上溢油;快速圍控;應(yīng)急處理;溢油清理回收裝置

0 引 言

海洋油氣開發(fā)工程的迅速發(fā)展和國際海運(yùn)油品量的不斷攀升導(dǎo)致海上溢油事故發(fā)生頻率和溢油量均呈現(xiàn)逐年上升的趨勢，世界經(jīng)濟(jì)因此遭受巨大損失，海洋生態(tài)環(huán)境也受到嚴(yán)重侵害。2003年7月，“塔斯曼精靈”號(hào)油船在巴基斯坦卡拉奇海域附近擱淺，其運(yùn)載的原油有20%溢入海洋，多達(dá)6.2萬t。該事故被認(rèn)為是巴基斯坦歷史上最嚴(yán)重的環(huán)境災(zāi)難。2010年，“深水地平線”號(hào)鉆井平臺(tái)發(fā)生爆炸并引發(fā)大火，溢油事故給石油公司造成了巨額的經(jīng)濟(jì)損失。雖然此次應(yīng)急處理采用了機(jī)械處理、原油燃燒和噴灑分散劑等方法對溢油進(jìn)行處理和回收，但該事故還是對墨西哥灣的海洋生態(tài)系統(tǒng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)造成高達(dá)400億美元的損失。[1]1973―2006年，我國沿海共發(fā)生船舶溢油事故起，其中溢油50 t以上的重大船舶溢油事故69起，總溢油量約3.7萬t。由此可見，研究海上溢油的快速處置技術(shù)、建立較為完善的溢油應(yīng)急處置機(jī)制十分必要。

1 溢油處理常用方法及其利弊

目前，常用的溢油處理方法包括物理機(jī)械回收、化學(xué)制劑分散及燃燒。這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，共同的缺點(diǎn)是對于不同種類原油的處理效果差別大，尤其在處理大面積溢油事故時(shí)作用十分有限。

1.1 物理回收

物理回收是利用清污船和工作人員在溢油區(qū)域現(xiàn)場清污，但存在諸多安全隱患，一旦發(fā)生火災(zāi)，將給清污人員的人身安全造成巨大威脅，且無法在大風(fēng)大霧時(shí)進(jìn)行清污工作。

1.2 化學(xué)消油

化學(xué)消油劑能較快地稀釋溢油，但如果使用不當(dāng)，會(huì)在短時(shí)間內(nèi)增加水體中有害物質(zhì)的成分，造成生態(tài)破壞;因此，國際上對消油劑的使用都持謹(jǐn)慎態(tài)度。

1.3 燃燒法

燃燒法對新鮮溢油的處理較為有效，圍油欄的圍控作用能夠使溢油達(dá)到足夠厚度，以便燃燒，但會(huì)造成嚴(yán)重的空氣污染，影響岸邊的居民生活，且燃燒后海面留有殘?jiān)?/p>

2 海上溢油處理

2.1 現(xiàn)有溢油處理方案

溢油事故發(fā)生后，油污在風(fēng)浪的作用下由發(fā)生位置向外擴(kuò)散，形成面積較大的分散油膜。當(dāng)油膜帶到達(dá)陸地后，溢油處理的難度比海面大大增加。因此，建立完善的溢油應(yīng)急處理機(jī)制對減少環(huán)境污染十分必要。

當(dāng)溢油事故發(fā)生時(shí)，通常的做法是：先定位溢油位置，使用凝油劑將事故油船的溢油裂口堵塞，等待倒載;啟動(dòng)應(yīng)急卸載泵，轉(zhuǎn)移受損船舶上的余油;及時(shí)鋪設(shè)圍油欄，在溢油油膜達(dá)到一定厚度后，使用收油機(jī)進(jìn)行回收;余下分散的薄油層可以使用吸油材料吸收處理，無法回收的油膜用分散劑進(jìn)行乳化使其分散在海水中或用生物方法進(jìn)行降解。

2.2 溢油數(shù)值模擬過程

海上溢油擴(kuò)散過程通常包括在溢油剛發(fā)生時(shí)溢油隨著海流不斷漂移，以及在海浪作用下油膜的擴(kuò)散、蒸發(fā)、分散等過程。溢油數(shù)值模擬是對溢油進(jìn)行分析預(yù)測的重要環(huán)節(jié)，也是整個(gè)溢油處置研究的難點(diǎn)，其主要目的是模擬及預(yù)測在海浪作用下油粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡，本質(zhì)上是根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)對油粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行相對準(zhǔn)確預(yù)測的過程。現(xiàn)今大多采用OILMAP、OSIS等軟件來進(jìn)行溢油擴(kuò)散活動(dòng)的數(shù)值模擬。模擬流程見圖1。溢油運(yùn)動(dòng)軌跡模擬的過程主要有以下3個(gè)步驟：

（1）選定需要計(jì)算的溢油區(qū)域，對此區(qū)域的水文條件等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，再劃分重點(diǎn)溢油區(qū)域，利用數(shù)值模擬軟件建立模型進(jìn)行計(jì)算;

（2）根據(jù)溢油不同的特征（如油膜的厚度等具有明顯的區(qū)分度）組成不同的荷載組合;

（3）記錄溢油量及溢油位置，模擬溢油在不同工況、不同時(shí)間的運(yùn)動(dòng)軌跡。

3 舟山群島海域溢油快速圍控技術(shù)

舟山港區(qū)是我國重要的石油中轉(zhuǎn)及儲(chǔ)運(yùn)基地之一，擁有3 000噸級(jí)及以上碼頭泊位80多個(gè)，其中石油產(chǎn)品碼頭泊位35個(gè)，包括冊子原油中轉(zhuǎn)碼頭、小洋山申港油碼頭等，大多分布在舟山南部海域。除此之外，舟山海域分布著東海平湖海潮港的海底輸油管線。因此，在舟山港區(qū)尤其是在舟山南部海域，溢油防治工作非常重要。

溢油在開闊水域或群島水域會(huì)表現(xiàn)出不同的運(yùn)動(dòng)形式，因而前期要進(jìn)行深入的研究，準(zhǔn)備多套處置方案，以便更加準(zhǔn)確地作出決策。如果溢油發(fā)生在開闊水域，僅依靠清污船很難對溢油進(jìn)行快速圍控。若在舟山群島海域發(fā)生溢油事故，則可以充分利用群島地形來達(dá)到快速圍控的目的：首先對海上溢油的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行數(shù)值模擬，再分析油膜的運(yùn)動(dòng)軌跡，在關(guān)鍵的島、礁石上布置一定數(shù)量的站點(diǎn)，達(dá)到快速圍控的目的。

具體流程如下：

（1）選取較易發(fā)生溢油事故的海域作為數(shù)值模擬的計(jì)算區(qū)域，利用OILMAP等軟件建模，隨后劃分選定的區(qū)域，同時(shí)輸入所需要素（包括溢油位置、溢油性質(zhì)等）及邊界條件;

（2）通過軟件的數(shù)值模擬得出不同油膜在不同時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)軌跡;

（3）基于數(shù)值模擬擬合出運(yùn)動(dòng)軌跡曲線，結(jié)合實(shí)際來制定實(shí)施快速圍控的方案。

由模擬溢油發(fā)生時(shí)的溢油發(fā)展及布置方案（見圖2）可以看出：通過連接多個(gè)搭建在島和礁石上的站點(diǎn)，可分隔開原本連為一體的水域，溢油受到圍油欄的攔截而無法向外擴(kuò)散，從而達(dá)到控制溢油的目的;若擴(kuò)散速度比預(yù)想要快，可采取第二種布置方案（見圖3），即連接定海―盤峙―大貓―穿山等島礁。因此，可基于數(shù)值擬合的運(yùn)動(dòng)軌跡及實(shí)際情況選擇布置方案。

由于采用數(shù)值模擬的效率較高，可選擇多個(gè)溢油事故多發(fā)點(diǎn)，模擬不同環(huán)境及不同時(shí)刻下溢油的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而制定相應(yīng)的快速圍控的預(yù)案。溢油的控制基站一般設(shè)立于多個(gè)島嶼或礁石間較重要且需要連接的位置，設(shè)立基站可為方案的實(shí)施提供部分所必需的器材（如圍油欄等）。這些站點(diǎn)的設(shè)置應(yīng)考慮到環(huán)境條件、水域條件等因素，同時(shí)需保證方案實(shí)施的便捷和高效。

利用群島海域的地形優(yōu)勢進(jìn)行圍控的方法，對溢油區(qū)域內(nèi)溢油的清理及減少外部溢油的滲入十分有效。群島海域快速圍控技術(shù)方案的實(shí)施還需要考慮實(shí)際溢油擴(kuò)散的快慢及布置圍油欄快慢等因素。只有盡可能依據(jù)最不利于圍油欄布置的條件進(jìn)行分析，才能保證在實(shí)際操作中成功實(shí)施快速圍控的方案。

4 一種可持續(xù)供能的溢油清理 回收裝置

鑒于目前常用海上溢油清污方式均存在一定缺陷，本文提出一種可持續(xù)供能的溢油清理回收裝置。安裝在裝置上的新型吸油材料對溢油進(jìn)行回收，回收效率高，并且能夠通過定位系統(tǒng)監(jiān)測溢油運(yùn)動(dòng)軌跡，使工作人員遠(yuǎn)離清污現(xiàn)場。本裝置主要由控制中心、吸油艙室、油水分離艙室、供能艙室等4個(gè)模塊組成（見圖4）。

溢油事故發(fā)生后，位于陸域的控制中心根據(jù)油污發(fā)生的具體定位將此溢油回收裝置遙控至指定海域，吸油口可根據(jù)油膜厚度沿吸油導(dǎo)軌上下移動(dòng)以增大所泵入含油污水的油水比來提高回收效率。油污經(jīng)由吸油管、輸油管、閥門及真空泵進(jìn)入油污處理系統(tǒng)的吸油艙室，艙室由碳納米管（CNT）海綿填充。CNT海綿的超疏水性可實(shí)現(xiàn)油與水的完全分離，隨著海水由艙室后側(cè)排水管排出，油品吸附于CNT海綿上，并通過3個(gè)艙室之間的轉(zhuǎn)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)進(jìn)入擠壓艙室;擠壓艙室前側(cè)安裝有機(jī)械手臂，通過物理擠壓作用，將油品從海綿中分離，并泵入裝置后部的儲(chǔ)油艙室;擠壓后的吸油海綿（此吸油海綿耐高溫性能強(qiáng)，燃燒后吸油性能不受影響）隨轉(zhuǎn)動(dòng)軸承轉(zhuǎn)入供能艙室，并由點(diǎn)燃裝置將殘油點(diǎn)燃，產(chǎn)生的能量可為本裝置在到達(dá)溢油區(qū)域后的回收作業(yè)持續(xù)提供能量。具體技術(shù)路線見圖5。

由于CNT海綿吸油速度快，油污處理系統(tǒng)的3個(gè)艙室可采用定時(shí)的方式自動(dòng)完成其功能，如艙室之間的軸承每10 min轉(zhuǎn)動(dòng)1次，即旋轉(zhuǎn)120埃瓿珊罌賞苯形捅孟蛭筒帳冶萌胗推貳⒒凳直墼詡費(fèi)共帳椅錮砑費(fèi)?、甸b甲爸迷詮┠懿帳業(yè)閎疾杏?。? min后轉(zhuǎn)動(dòng)軸承進(jìn)行下一次旋轉(zhuǎn)，3個(gè)艙室進(jìn)入下一次循環(huán)工作。

此自動(dòng)裝置在海上溢油清理方面具備3個(gè)優(yōu)勢：

（1）艙體安裝有自動(dòng)定位系統(tǒng)，可自動(dòng)導(dǎo)航及上傳實(shí)時(shí)位置至控制中心，提高溢油清理的工作效率。溢油回收過程不需要工作人員親臨溢油現(xiàn)場，只需岸上遙控此裝置即可，保障了清理溢油工作人員的人身安全。

（2）裝置采用了新型吸油材料。CNT海綿是一種非常有效的海洋溢油處理材料，具有高效、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，其密度極小，吸油速度極快，且最大吸油能力為92.30 g/g，是傳統(tǒng)吸油材料聚丙烯纖維和毛氈的12.0～13.5倍。同時(shí)，CNT海綿是超疏水材料，保證了裝置在整個(gè)清理過程中只吸油而不吸水。因此，CNT海綿的應(yīng)用極大提高了裝置的工作效率。

（3）通過擠壓的方式將溢油回收至指定艙室，避免了油品的浪費(fèi)。該裝置以燃燒擠壓后吸油海綿殘留油品為動(dòng)力燃料，既提高了吸油海綿的重復(fù)吸油能力，又減少了裝置自身回收作業(yè)造成的能源損耗。

5 結(jié) 語

海上溢油事故及發(fā)生后如何進(jìn)行溢油處理一直是困擾世界各國的難題，處理方案還涉及實(shí)際環(huán)境條件和水域條件等，需結(jié)合一系列復(fù)雜的數(shù)據(jù)對溢油擴(kuò)散進(jìn)行預(yù)測，制定處置方案等。

本文針對舟山群島海域提出一種群島海域處置溢油事故時(shí)充分利用地形優(yōu)勢達(dá)到快速圍控目的的溢油清理方法。發(fā)生海上溢油后，對溢油進(jìn)行數(shù)值模擬從而擬合出大致的運(yùn)動(dòng)軌跡，再通過在關(guān)鍵島嶼和礁石上布置部分控制站點(diǎn)，為布置圍油欄及清理油污帶來便捷。

一種適用于極端海況的自航式溢油清理回收裝置可在短時(shí)間內(nèi)高效完成溢油清理和回收工作，對海上溢油的處置具有一定的參考意義和工程實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]包木太，皮永蕊，孫培艷，等.墨西哥灣“深水地平線”溢油事故處理研究進(jìn)展[J].中國海洋大學(xué)學(xué)報(bào)，2015（1）：55-62.