海上溢油量獲取的技術方法

吳曉丹，宋金明 ，李學剛 ，袁華茂 ，李 寧

（1.中國科學院海洋研究所海洋生態與環境科學重點實驗室，山東 青島266071；2.中國科學院研究生院，北京100039）

海上溢油量獲取的技術方法

吳曉丹1,2，宋金明1，李學剛1，袁華茂1，李 寧1

（1.中國科學院海洋研究所海洋生態與環境科學重點實驗室，山東 青島266071；2.中國科學院研究生院，北京100039）

海上溢油近年來已成為惡化海洋生態環境、導致重大海洋資源損失的一種重要海洋災害。海面溢油量是評價海上溢油事故威脅程度和確定溢油事故等級的重要指標，而溢油面積和油膜厚度的準確獲得是評估溢油量的基礎。文中系統總結了當今國內外海洋溢油面積和油膜厚度的監測方法，認為航空遙感和衛星遙感技術是獲取海上油膜面積的有效手段，基于光學遙感和超聲波原理的激光聲學遙感器是最具發展潛力的油膜厚度測量技術。此外，通過構建油膜擴展模型來估算油膜厚度也不失為一種簡單而有效的方法，其最大特點是應用范圍廣，不受時空、氣候條件影響，實例分析驗證結果有很高的準確性（高達96%），這種方法將有望于業務化監測運行來獲取油膜厚度，從而比較準確地獲得溢油量。

獲取方法；油膜厚度；溢油面積；溢油量

在全球性海上運輸業及海洋石油開采業迅速發展的同時，海上溢油污染事故的發生也越來越頻繁，不僅給世界海洋生態環境帶來了嚴重的危害，也使人類的生存環境受到了嚴重威脅，更重要的是這些污染損害事故造成了巨大經濟損失，如何客觀、公正、科學地評估這些損失，盡快處理溢油事故，保護事故雙方的合法權益，已經越來越受到人們的關注。

雖然溢油事故規模分級涉及的因素較多，如溢油位置的敏感性、油品特性、海洋狀況等，但這些均屬于定性方面的因素，而溢油量卻可以用數值具體表示大小，因此常按照溢油量多少來劃分事故等級，如英國，對溢油的影響評價中主要以溢油量大小作為評價參數進行定級，將溢油對環境可能造成的影響從“極小”到“重大”劃分為6個等級，根據不同的影響程度對應不同的響應措施[1]。

海洋溢油發生后，比較準確獲得溢油量是評估溢油規模和生態損失的前提。目前，已有一些較為實用和有效的溢油量估計方法。當溢油是因為油輪或輪船受到某種損害，例如碰撞或擱淺，可根據其裝載能力和損壞范圍、程度，對溢油量進行估算。而如果溢油事故發生在輸油期間，泵率和開始漏油至閉泵時隔已知，則總溢油量可利用最大泵率與出事到關泵時隔之積來估算[2]。在精確知道溢油源的情況下，如輸油管線的泄漏，可以根據泄漏的速率和時間確定溢油量，船舶的泄漏可以根據泄漏前后船舶所儲存油量的差值來計算，沉船溢油量的估算，可根據發生事故時的載油量和尚存量之差來計算。

海上溢油量主要受控于溢油密度、油膜厚度、溢油面積三個因素，在實際外海，由于環境條件和動力條件的復雜性，溢油密度、油膜厚度和溢油面積均易受到多種因素的影響。總的來說，溢油密度的變化相對穩定，而隨著遙感技術的進步，外海溢油油膜面積的獲得也不再是一個難題，因此油膜厚度的確定是估算溢油量的關鍵參數之一，是一個尚未解決的國際性難題。油膜厚度的確定是海洋環境管理不可缺少的工作之一，在海洋石油污染監視、監測和溢油的治理方面，都需要油膜厚度的準確、可靠的數據。

目前，各國普遍采用的探測油膜存在與否的方法主要有兩種，一種是直接探測方法，另一種是遙感方法[3]。而探測油膜面積和油膜厚度的方法主要由光學監測技術和非光學監測技術兩種。光學監測技術中應用最多的是遙感技術，但其易受環境因素影響，仍有許多不足。而非光學監測技術雖具有經濟、方便、準確性高等特點，但因應用范圍受限也并未得以推廣。因此，當前還沒有一種方法能夠對不同油種、不同厚度的油膜進行測定，實際探測工作中常需將幾種方法配合使用，以期擴大其對不同油種、不同厚度油膜測定的適應性[4]。

本文系統總結了當今溢油污染事故中溢油量評估重要參數溢油面積和油膜厚度的方法，比較了它們的優缺點比較，以期為今后發展更快速、準確有效地評估溢油量方法奠定基礎。

1 溢油面積的獲取方法

溢油面積的大小直接決定著受污范圍的大小，它不僅是清除手段選擇的關鍵依據，更重要的是溢油量評估不可或缺的因素之一。海面溢油面積的獲得最初多以實際測量計算為主，隨著遙感技術的發展成熟，全天候、準確度高、不受時空限制的溢油面積估算方法在實際溢油事故中也逐以推廣應用。就目前來講，溢油面積的估算主要總結有如下方法。

1.1 現場估測溢油面積

為確定溢油面積，可以采取船舶、飛機等現場巡航的方式，根據人的描述以及各種攝錄像設備取證來描述污染的情況、范圍等信息，這種信息一般局限于某一小范圍內，匯總這些小范圍的污染情況得到總體的污染情況。實際上，這種方法僅適用于較小范圍的溢油，如污染范圍很大時，費用太高。此外，該法較大程度地受控于溢油事故發生時的氣候狀況和海況。

1.2 數值模擬預測溢油面積

在當今高科技發展的年代里，我們還可以采取一定的技術手段達到監視溢油的目的，掌握溢油的污染范圍。借助數值模擬中相關模塊來預測溢油面積就是其中的方法之一，然而該法所預測只是海面溢油可能到達的區域，而不是實際到達的范圍，但由于其計算科學、合理，具有極大的參考價值，在實際案例中也有一定的應用[5]。

1.3 利用航空遙感和衛星遙感評估溢油面積

航空遙感通過航空器（目前主要是飛機）攜帶各種傳感器，在空中可大范圍監測海洋溢油面積，是海洋環境監測的重要手段之一。航空遙感綜合應用了紫外、可見、近紅外、短波紅外、熱紅外、亞毫米波、微波遙感和激光遙感等各項技術，研制出多種用于海洋監測專用傳感器，同時建立了適用不同監測對象的監測系統和信息處理系統。其中標準的航空遙感器包括：機載側視雷達（SLAR）、紅外/紫外（IR/UV）掃描儀、微波輻射計（MWR）、航空攝像機、電視攝影機以及與這些儀器相匹配的具有實時圖像處理功能的傳感器控制系統[6]。

衛星遙感監視海面溢油，是利用專業的圖像處理系統計算出衛星成像時刻的溢油面積，這種方法具有費用低廉，準確度高的特點，而且衛星的高度和分辨率特別適合監測大規模的溢油事故。國外較早開展了該方面的工作：1972-1975年美國與南歐有關國家合作，用MSS衛星資料對地中海油污染進行了總體監測，通過800多幅衛星影像處理分析，確定了溢油面積；1985年美國Harry和G Stumpe等人利用ERTS-1號衛星資料，對弗吉尼亞州阿薩蒂格島東南海域100多km2長的油膜進行了監視，不僅在衛星資料中提取了油膜信息，還估算了面積，推斷了油污的來源[7]；國內在衛星遙感監視溢油污染方面也有應用，如在2002年的 “塔斯曼海”輪污染案件中，就利用衛星遙感計算了溢油面積[8]；2007年12月，“Hebei Spirit”油輪在韓國忠清南道泰安郡大山港外因碰撞事故導致溢漏原油約10 500 t，中國海事局煙臺溢油應急技術中心購置并處理了大量衛星圖片，對事故溢油漂移分布情況、溢油面積等信息進行了處理[9]。

綜上，借助外物估算溢油面積僅適用于污染面積較小且氣候條件良好的溢油事故，而通過溢油模擬評估的是可能的溢油源可能到達的區域，而不是實際的溢油源實際到達的區域，所以評估結果在實際案例中只能起一定的參考作用。相比較而言，利用航空遙感和衛星遙感來獲取溢油面積是當前費用低、專業性強、準確度高、應用范圍廣的首選方案，雖然在計算溢油面積時仍存在一定的技術誤差，但在實際案例中具有重要的參考價值。

2 溢油厚度的獲取方法

2.1 油色目測法

不同厚度的油膜對不同可見光譜段的反射率不同，因此不同厚度的油膜在肉眼呈現不同的顏色。當前，油膜厚度確定中較為常用的是油色目測法。該法是根據《波恩協議》油膜色彩與油膜厚度的對應關系（表1）并結合船舶現場調查情況來進行計算的[10]。

表1 油膜色彩與油膜厚度的對應關系

該方法主要依據現場調查結果，具有很高的準確性，但因未能考慮其他海域的油污，故估算的結果應屬保守值。油色目測法評估誤差主要是由于油膜厚度和油膜顏色的對應產生的，此工作受評估人個人經驗的主觀影響較大，需要受特殊訓練、有經驗的人員來操作實施，同時還受不同光線和色彩背景條件影響較大，通常認為當厚度大于0.25 mm，難以從外觀上區別其厚度的差異[2]。

2.2 遙感法

遙感技術是目前國際上監測海洋溢油最主要的方法，國外研究起步較早，由20世紀80年代的可見光和紅外遙感研究轉向90年代的微波遙感，再到當前多種遙感技術耦合使用監測海洋溢油災害。同樣，國內也相繼開展了一系列海面溢油遙感監測方法的研究，取得了許多可喜的成果，但就總體而言，研究程度還很低，尤其是在應用領域，跟不上時代的要求。很多遙感系統對海上溢油的探測僅限于對其是否存在及各定性、半定量參數（位置、面積等）的確定，對油膜厚度的定量研究較少，因此對現有儀器的定標是非常困難的。用于探測油膜相對厚度的遙感設備還處于研制階段，微波遙感器雖已研究了多年，但由于低空間分辨率還難以實用化和業務化[11]。基于應用原理的不同，本文總結了當前正在使用的包括光學遙感器、微波遙感器在內的幾種油膜厚度遙感探測技術。

2.2.1 光學遙感法

利用光學遙感主要是根據油膜在光譜區內的不同反射、散射 吸收特性，將油膜厚度和波譜特征相結合來確定油膜厚度[10]。目前來講，用來探測油膜厚度的光學遙感技術主要有紅外遙感法、紫外遙感法和激光遙感法三種。

紅外遙感對海上油污的探測多位于8～14 μm的熱紅外波段，油膜在一定厚度情況下吸收太陽輻射，并將一部分的輻射能量以熱能的形式釋放出去。因此，厚油膜表現為“熱”特征，中等厚度油膜表現為“冷”特征，而薄油膜不能被檢測出來[12]。Fingast等[13]的研究證明，發生“冷”“熱”轉換的油膜厚度在 50～150 μm 之間，最小探測厚度在 20～70 μm 之間。 但Bolus[14]認為紅外遙感傳感器在大多數情況下不能探測到乳化油（油水混合物），這是由于乳化油中含有70%左右的水，其較強的熱傳導能力使得溫度的差異并不明顯。

紫外遙感探測波段一般在0.05～0.38 μm之間，主要適用于在甚薄油膜的探測，這是因為與海水相比，油膜對紫外輻射的反射很高，即使厚度小于0.05 μm的油膜也有極強的反射。另外，通過紫外與紅外圖像的疊加分析，可以得到比單一波段探測更好的效果，獲得溢油層的相對厚度[15]。

由于油膜在海風和海浪的影響下，時常呈現 “帶狀”或“條狀”分布特征，這就對紅外遙感分辨率要求很高。盡管紅外遙感探測海面油污染易受天氣狀況、海況等因素的影響，但是由于技術較為成熟，數據價格的低廉，重量也越來越輕，無需對飛機進行改造，使它仍然是目前世界各國采用最多的全天候溢油探測工具[16]。而紫外遙感器易受外界環境因素（如太陽耀斑、風產生的海表亮斑以及生物物質）的干擾而產生虛假信息，因此盡管價格不貴，但是由于其影像難以與其他遙感影像配準而無法廣泛應用[13]。

激光遙感是一種主動（遙感器本身提供光源）遙感技術，可以全天候、全氣象進行監測。溢油激光遙感器發射的激光束的波長多在紫外區：0.30～0.35 μm，目前利用激光進行油膜厚度探測的主要有激光熒光遙感技術和激光聲學遙感技術兩種。

由飛機攜帶的激光器向水面發射激光束，誘發海水表面物質發生熒光。水生植物與溢油的激光誘發的熒光光譜具有明顯的不同，激光熒光技術就是利用該原理準確探測并分類溢油[17]。在潔凈水體中，紫外激光束可引起拉曼散射，油膜厚度可以利用拉曼散射進行估算。當油膜厚度小于10～20 μm時則有部分紫外光進入水體誘導拉曼散射，當存在較厚油膜時（＞10～20 μm)，紫外激光束完全被油膜吸收而無法進入水體，因而無法檢測到拉曼散射信號，因此可利用拉曼信號受抑制的程度可判別油膜厚度。但由于厚油膜的強烈吸收，拉曼信號完全受到抑制，因此該法只能測定較薄油膜厚度。但由于其可能是目前唯一能夠區別海草油污染和探測海灘溢油并是唯一能夠探測冰、雪油污染的可靠手段，激光熒光技術仍有著巨大應用潛力，是各種溢油應用中的強有力工具。

結合激光和聲學的激光聲學技術是一種很有發展前景的油膜厚度獲取方法，可以準確探測小范圍、水面平靜油膜的絕對厚度。其原理是，油層吸收CO2激光能量產生熱脈沖，在吸收能量的油層表面發生快速的熱膨脹，同時產生高頻的聲脈沖。聲脈沖向下傳播直達油水界面，一部分繼續向下，另一部分返回油氣界面。聲脈沖透過油層又返回油層表面，所需時間是油層厚度和聲波在油中的傳播速率的函數，油層厚度可以通過聲波在油層上、下表面間的傳遞時間確定，其精確度可達1%[18]。試驗證明激光聲學遙感技術是一種能夠直接對厚度進行測量的有效方法，而超聲波在油膜中傳播速度的不確定性是影響該技術計算精度的主要因素。同時，實驗室試驗指出這一技術有一定的作用距離，但早期的機載試驗表明，在現場觀測條件下，這一探測率足以完成對油膜厚度的描繪[18]。

激光遙感是全天候、全氣象、應用范圍廣的遙感技術，但激光遙感器自身的重量及高昂的價格限制了這種遙感技術的推廣應用。

2.2.2 微波遙感法

微波遙感是一種被動式遙感技術，在海洋溢油監測中具有重要意義。海洋本身發射微波輻射，而海面油層會發射比水體本身更強的微波信號（水的發射率為0.4，而油為0.8），因而使之呈現為暗背景下的亮信號[19]，由于信號本身隨油層厚度而變化，因此理論上可以用來量測油層厚度，目前微波遙感技術中較為常用的是輻射計和各種性能的雷達。

瑞士空間局已研制了類似系統，包括雙波段（22.4 GHz和 31 GHz）以及單波段儀器（37 GHz）。 但 Mussetto[20]等人的研究表明，信號與油膜厚度間呈弱相關，除油厚之外，其他因素也可以影響信號的強度。國際上研究了微波輻射計應用的新方法，即在兩個正交極化方向上測量極化對比強度，以測量油層厚度[16]。另外，已成功進行了實驗室試驗的頻率掃描微波輻射計可以用來探測油層厚度并進行分布制圖，美國國家安全部研究開發中心開展了試驗研究來驗證其探測效果，結果表明，在良好海況下該輻射計可以對油層厚度、油乳化程度等進行測量。

微波遙感器對于全天候監測溢油具有很大的潛力，但該儀器的空間分辨率較低，并易受周期性影響，一個亮信號往往會對應不止一個油膜厚度，因而該方法在實際應用中受到一定的限制。

利用遙感技術測定油膜的厚度還有許多技術難題，尤其是天氣條件、非油膜水色干擾等極大限制了測量準確性，此外，遙感監測波段的選擇也是影響探測油膜厚度的重要因素。隨著高光譜遙感技術的發展，高光譜海洋油膜遙感監測已成為國內外關注的熱點[21-26]。Palmer[21]指出440～900 nm是可以用來進行溢油油膜信息提取的有效譜段。Foudan[22]的研究也表明反射紅外600～900 nm具有最大的油膜遙感探測可能性。美國的Herndon[23]發現中東石油油膜在580 nm處的反射率最高。國內也進行過諸多海面油膜遙感研究，趙冬至[24]指出736 nm和774 nm對不同的油類具有相同的吸收特征，張永寧[25]表明500～580 nm是不同油膜最高反射率的所在位置。陸應誠[26]等研究表明以550 nm和645 nm為中心的綠光、紅光波段的油膜光譜響應表現最優，可作為海面油膜多/高光譜遙感探測與評估的最佳選擇波段。

2.3 溢油擴展模型法

通過建立溢油擴展的數學模型來研究海面油膜厚度是一種嶄新的思路，對于解決油膜厚度這一國際性難題具有重要意義。在所有溢油擴展模型中，應用最多的是Fay模型及其改進型。Fay[27]針對油在水面的實際受力情況，首先提出平靜海面油膜為圓形擴展，提出了油膜擴展經歷的重力-慣性力平衡、重力-黏性力平衡和表面張力-黏性力平衡三個階段。Mackay[28]在Fay溢油擴展模型中加入了風的影響，分別建立了厚油膜和薄油膜的擴展方程。Elliott等[29]的研究表明，風連同由海流引起的湍流對油膜擴展都具有重要作用，同時溢油本身性質（如黏度和密度等）變化也會對溢油擴展產生影響。Lehr等[30-31]對 Fay溢油擴展模型進行了修正，考慮了流場及風場對油膜擴展的影響，提出了油膜橢圓擴展模型。MIT模式在Fay傳統模式的基礎上，考慮了油膜自身特征所致的擴展以及環境動力形成的油膜分散，建立了油膜擴展分散微分方程。吳曉丹等[32]以Fay模型為基礎，轉化Lehr等[33]油膜橢圓擴展模型表達式，并考慮到溫度的影響，構建了如下海洋溢油油膜厚度理論模型：

式中：S 為溢油面積（m2）；W 為風速（m/s）；t為溢油時間（min）；h為油膜厚度 （m）；ρo，ρw分別為溢油密度和海水密度（g/cm3）；ρo,T為對應溫度 T（℃）時的原油密度（g/cm3）；x1為與密度有關的模數；INT為取整函數。

該模型綜合了前人研究擴展過程中所考慮包括風速、溢油密度、海水密度等各種參數，能夠比較全面的反映實際溢油的環境條件，并且利用該模型對2003年9月13日發生在山東省東營市勝利油田106段的溢油事件進行了溢油量評估，實際溢油為150 t，模型計算為144 t，準確度高達96%。因此，該類模型的建立對確定一種比較準確、實時、全天候的海洋油膜厚度獲取方法，最終獲取溢油量具有重要科學意義和實際價值。

2.4 其他方法

在海面油膜的監測中，有光學和非光學兩類方法，由于后者不受海洋物理因素變化的影響，故準確度較高。但在國內用非光學方法對油污進行定量分析的相關報導很少，至今還沒有一種能夠準確測定漂浮在海上油膜厚度的自動化裝置。石愛平[34]針對傳統電容式液體傳感器的缺點，基于電場感應原理，研制了一種新型多電極電容傳感器的液位測量系統來探測油膜厚度。該設備具有結構簡單，實用性好，可靠性高，成本低，抗干擾能力強，攜帶方便等顯著優點。

除上面提及的幾種海面油膜厚度的獲取方式，相關研究還涉及到了油膜厚度的快速探測裝置。其中最具代表性的是李速等[4]設計完成的油膜厚度測量器，該儀器包括一個雙筒采樣器和三種型式的測量器（增厚測量器、聚集測量器和吸留測量器）。增厚測量器和聚集測量器是由玻璃制成的漏斗型圓錐體，一端是標有刻度的讀數管，使用時利用該儀器于一定厚度油污水面切取油膜，利用液體在玻璃圓錐體內不可壓縮性，增大樣品厚度，在樣品全部進入讀數管后，根據讀數管油柱體積換算樣品厚度。吸留測量器是由有機玻璃制成的鑲嵌吸油材料的裙筒形正方體，吸油材料接觸樣品后重量改變，根據其吸油重量換算樣品的厚度。總的來說，這套海面油膜厚度的快速探測裝置由于其簡單原理和構造僅限于實驗室或小范圍溢油使用，難以走向業務化。

3 小結與展望

溢油量的多少取決于油膜的面積和厚度，它們的準確獲得是評估溢油量的基礎。通過總結當前國內外海洋溢油面積和油膜厚度的監測方法，認為專業性強、準確度高、應用范圍廣的航空遙感和衛星遙感是探測油膜面積的最有效方法，也是將來研究中定會繼續推廣使用的方法。相對來說，油膜厚度的監測雖然方法眾多，但是效果卻并不理想，基于光學遙感和超聲波原理的激光聲學遙感器則被視為解決油膜厚度這一國際難題的有效手段，是國內外被寄予厚望的原位測量技術；此外，通過構建擴展模型來實現油膜厚度的估算是解決這一問題的全新方向和嶄新思路，不僅實例分析驗證結果有很高的準確性，更重要的是，該法不受天氣和海況的影響，這對確定一種比較準確、實時且全天候的海洋油膜厚度獲取方法，最終獲取溢油量具有重要科學意義和實際價值，也是較為適合推廣到業務化應用的技術。

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Technical Methods for Marine Oil Spill Quantity Capture

WU Xiao-dan1,2,SONG Jin-ming1,LI Xue-gang1,YUAN Hua-mao1,LI Ning1
（1.Key laboratory of Marine Ecology&Environmental Science,Institute of Oceanology,Chinese Academy of Sciences,Qingdao Shandong 266071,China;2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100039,China）

In recent years,marine oil spill has been an important disaster for marine environment and marine resources.Marine oil spill quantity is the important indicator for evaluating the threat and the level of oil spill,with the oil spill area and film thickness are the key parameters for it.The present detection methods for these two parameters are introduced in detail,resulting that the remote sensing technology is the most effective means for oil spill area and the laser-acoustic sensor which based on principles of optical remote sensing and ultrasonic is the most promising measurement for oil slick thickness.Moreover,as a new method,constructing a spreading model for estimating the film thickness has a great potential to be widely used in large-scale business promotion due to its wide range of applications and high accuracy up to 96%.With the development of this technology,assessment of marine oil spill quantity will become increasingly standardized and systematic in future.

capture method;oil slick thickness;oil spill area;oil spill quantity

X55

B

1003-2029（2011）02-0050-06

2010-11-16

國家海洋公益性項目（20080513）；國家海洋局海洋溢油鑒別與損害評估重點實驗室開放基金（200912）

吳曉丹（1985–），女，山東膠南人，在讀研究生，從事海洋生物地球化學研究。E-mail：wuxiaodan07@ms.qdio.ac.cn

宋金明，E-mail：jmsong@ms.qdio.ac.cn