基于模糊綜合評判的海洋溢油污染評估模型研究

張 倩，柳 林，2，潘寶玉，董水峰，董景利，范存國

（1.山東科技大學 測繪科學與工程學院，山東 青島266590；2.海島（礁）測繪技術國家測繪地理信息局重點實驗室，山東 青島266590；3.山東省地質測繪院，山東 濟南 250002）

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基于模糊綜合評判的海洋溢油污染評估模型研究

張 倩1，柳 林1，2，潘寶玉3，董水峰1，董景利3，范存國3

（1.山東科技大學 測繪科學與工程學院，山東 青島266590；2.海島（礁）測繪技術國家測繪地理信息局重點實驗室，山東 青島266590；3.山東省地質測繪院，山東 濟南 250002）

在分析總結相關研究成果的基礎上，利用模糊綜合評估方法，對溢油污染程度相關影響因素進行深入分析研究，對溢油污染程度評估指標體系進行改進和完善，提出溢油量和離岸距離兩個影響因子新的隸屬度函數，構建新的海域敏感區隸屬度子集表并計算各指標的權重。最后，應用此模型對2002年渤海綏中36-1油田中心平臺溢油事故進行評估，結果顯示污染程度評估等級有明顯提高，以期為海洋溢油污染評估提供科學依據，并通過提高污染評估等級引起人們對海洋環境的重視。

溢油污染；等級評估；隸屬度函數；模糊綜合評估

doi：10.11759/hykx20150517001

溢油事故一旦發生，海洋生態必然會受到嚴重危害，造成自然經濟和社會經濟雙重損失。2011年和2012兩年間，我國沿海以及內陸水域共發生船舶溢油污染事故55起，溢油總量約194.5 t［1］。目前，我國是世界上最大石油進口國，進口石油主要通過油輪運輸。海洋溢油事件頻繁發生，已得到國家相關部門的高度重視，國內外學者對溢油污染評估也做出了大量深入的研究，如Zhou［2］基于人工神經網絡模型對溢油事故損害進行評估；楊建強［3］構建了適用于渤海海域的溢油生態損害快速預評估模式，并應用于“塔斯曼海”號油輪溢油事故進行驗證，顯示結果較為符合實際情況；劉潔［4］初次建立了基于海上石油平臺的溢油污染程度評估指標體系。本文則通過對影響溢油污染程度的相關因素進行綜合全面的分析，構建更加完善的海洋溢油污染評估指標體系，并提出新的影響因子隸屬度函數，為海洋溢油污染等級評估提供支持。

1 污染評估指標體系的建立

1.1 污染程度相關因素分析

1.1.1 溢油量因素

在海洋溢油事故中，溢油量直接關系到污染程度的等級。通常情況下，溢油量增大，溢油事故的污染等級就會升高，危害程度也就越大。確定溢油量的大小是進行溢油損失評估的首要任務。

1.1.2 油品特性因素

具有不同性質的油污對海域資源造成的損害也存在較大差異，這就涉及油品特性。溢油對海洋環境及海洋生物的毒害程度取決于油污中有毒成分的含量。石油含有上百種化合物，烷烴、環烷烴、芳香烴含量占50%以上， 不同的烴類其毒性不同。一般來說，油污的密度越大，油品的持久性就越強，從而石油留存的時間就越長，對海洋生態環境造成的損害越大。黏度是反映石油流體的內摩擦力（或流動能力）的一個參數，是決定油污在水中運動行為的重要因素之一。高黏度的石油不易擴散也不利于清除，還可能對海洋生物造成更大的危害。石油的易燃性是油品重要的安全指標，通常用閃點值來衡量，閃點越低，易燃性越強而危險性就會越大，這種特性給油污處理工作帶來潛在的危險。

1.1.3 溢油位置因素

從海洋生態角度考慮，參考楊建強［5］對海洋生態敏感區域的劃分，基于功能區將海區分為海洋生態環境敏感區、亞敏感區、非敏感區，溢油位置離敏感區越近，造成的損害會越大。而且人類活動和生物分布大都集中在近海岸區域，因此離岸距離是影響溢油污染程度的一個重要因素。另外，油污接觸不同類型的岸線，清除的難易程度和經波浪沖刷后殘留情況不同，由此對岸線進行分類，不同類型的岸線對溢油污染程度等級有一定的影響。

1.1.4 氣象環境因素

風一般會與波浪、海流共同作用于油污，風在很大程度上影響油污的漂移、擴散行為，進而增大污染面積，而且在風速較大的情況下，很難對油污進行回收；在有霧的天氣，能見度過低則不利于實施溢油應急計劃。

1.1.5 水文環境因素

溢油發生后，油污會經歷復雜的物理、化學以及生物過程，包括蒸發、漂移、擴散、乳化和沉降等。油污在海面上蒸發會受表層水溫影響，溫度越高，蒸發就會越快，對海洋產生的危害相對會減少。波浪，一方面，海面波浪作用于油膜，油膜破裂產生的油滴會與水混合，因此波浪直接控制油污的入水率；另一方面，油污的漂移運動主要受海面紊流的作用。波浪大小常用波高來表示，波高越大說明波浪對海水面擾動越劇烈，就會導致更多的油污進入海水。油污受到表層海流的推動作用會發生漂移，表層流速越大，油污的漂移和擴散現象就越明顯。表層流向決定油污漂移的方向，若油污朝敏感資源區漂移，則造成的損失就會更大。

1.1.6 應急系統

溢油應急系統在一定程度上控制油污的運動行為，降低污染程度，相關部門應制定海上溢油應急計劃并進行備案。該海域是否屬于海域敏感區，是否可使用分散劑或消油劑以及使用量的限制，這些信息可以為溢油應急計劃的實施提供支持。建立海區通訊和遠程通訊保障系統，以保證各單位之間聯絡暢通，確保海上溢油事故的報警訊息以及溢油應急的各類信息數據能夠及時、準確、可靠地傳輸，為防污、清污工作提供便利［6］。

1.2 污染評估指標體系的建立

海洋溢油污染隨時間和環境動態變化，溢油對海洋生態環境及生物的損害程度受到多種因素的影響。通過綜合分析海洋溢油污染程度相關影響因素，總結主要影響因素，構建評估指標體系。溢油污染評估指標體系如表1所示。

表1 溢油污染評估指標體系Tab.1 Oil-spill pollution assessment index system

2 影響因子隸屬度確定

本文通過畫出隸屬度函數曲線圖來確定溢油量、離岸距離兩個影響因子的隸屬度，構造隸屬度函數；其他影響因子隸屬度的確定則通過構造隸屬度子集表。將溢油污染程度劃分為5個等級，構建評語集V=｛V1極輕污染，V2輕度污染，V3中度污染，V4重度污染，V5嚴重污染｝。本文將列出溢油量和離岸距離的隸屬度函數，以及海域敏感區和溢油清污設備的隸屬度子集表。

2.1 溢油量隸屬度函數構建

在突發性海洋油污事故處理方面，英國具有較完善的油污處理及防治體系［7］。在其應急體制中，溢油量作為溢油事故污染等級劃分最主要的參考指標，并將溢油對環境可能造成的影響劃分為6個等級，每個等級對應于不同的響應措施［8］，具體劃分如表2所示。

本研究參考英國對于溢油事故評估5個分界點的劃分，采用三角形和梯形相結合繪制隸屬度曲線的方法提出一種新的溢油量隸屬度函數曲線，如圖1所示。與我國現有的水上交通事故定級方法相比，該方法能夠從一定程度上提高溢油污染的評估等級，并且避免主觀判斷，提高評估的科學性和準確性。

表2 英國溢油事故等級劃分標準Tab.2 Oil-spill accident grading standards of England

圖1 溢油量隸屬度函數曲線Fig.1 Membership functions curve of oil spill inventory

由曲線圖得到溢油量t對于極輕污染的隸屬度函數為：

t對于輕度污染的隸屬度函數為：

t對于中度污染的隸屬度函數為：

t對于重度污染的隸屬度函數為：

t對于嚴重污染的隸屬度函數為：

2.2 離岸距離隸屬度函數構建

一般情況下，溢油位置離海岸越近，造成的損害就會越大，污染等級也越高。本文參考李偉［9］、劉潔［10］等學者對離岸距離這一影響因素的研究，確定5個分界點值，并首次提出離岸距離隸屬度函數曲線，如圖2所示，更加準確地體現出離岸距離與其隸屬度之間的關系。

圖2 離岸距離隸屬度函數曲線Fig.2 Membership functions curve of offshore distance

離岸距離d對于極輕污染的隸屬度函數為：

d對于輕度污染的隸屬度函數為：

d對于中度污染的隸屬度函數為：

d對于重度污染的隸屬度函數為：

d對于嚴重污染的隸屬度函數為：

2.3 海域敏感區隸屬度確定

參考翁躍宗［11］確定隸屬度模糊子集表的相關研究，采用專家打分的評價方法，客觀地綜合多數專家經驗與主觀判斷并參考歷史數據，對難以進行定量分析的影響因素做出合理估算，來確定本文涉及的隸屬度子集表。

不同類型的海域受到溢油污染的影響程度是有差異的。本研究對海域敏感區進行認真分析，從保護生態環境的角度出發，將海域敏感區分為4類，第一類包括典型海洋生態、海洋自然保護區；第二類包括漁業用水區；第三類包括旅游區、工業用水區、工程用海區；第四類包括港口區及其他海區。構造海域敏感區隸屬度子集表，如表3所示，可以得到不同海區對于不同污染等級的隸屬度。

表3 海域敏感區隸屬度子集表Tab.3 Membership subset scale of ocean-sensitive area

2.4 溢油清污設備隸屬度確定

常見的海洋溢油處理技術有物理方法、化學方法和生物方法，溢油應急中經常用到的清污設備包括圍油欄、溢油回收船和吸油材料等。種類齊全的溢油清理設備以及數量充足的化學制劑，能夠快速有效的清理和回收泄漏的油污，控制或減少油污的損害［12］。溢油清污設備在一定程度上影響了溢油污染的程度，因此建立其隸屬度子集表如表4所示。

表4 清污設備隸屬度子集表Tab.4 Membership subset scale of cleaning equipment

3 基于權重的模糊綜合評估

3.1 評估指標權重確定

權重確定是模糊綜合評估中一個重要環節，權重分配表示評估指標相對重要性大小。能否恰當地確定指標權重，直接影響到綜合評估結果的準確性。研究中常用的模糊子集權重確定方法包括：層次分析法（AHP）、德爾斐（Delphi）法、專家調查法等。在本研究中，溢油污染原始數據定量程度不高，相關影響因素多為定性因素，而且建立的溢油污染評估指標體系是多層次的指標體系，因此，在確定各模糊子集指標的權重時，采用定性和定量相結合的層次分析法，基本步驟如下：（l）通過兩兩指標相互比較，建立判斷矩陣。判斷矩陣是進行各要素優先級權重計算的重要依據，是使用層次分析法時重要的基本信息。（2）計算權重和最大特征根。 （3）一致性檢驗。由于客觀世界具有復雜性，人們認識問題的方法具有多樣性，對各指標之間進行兩兩對比后，可能會產生不一致的結論。這需要計算一致性指標和檢驗系數，防止出現有矛盾的結論。

在此僅列出應急系統中4個子指標的權重計算，如表5所示。

表5 應急系統子指標權重Tab.5 Emergency system sub-index weight

注：W6代表應急系統4個子指標的權重，λmax=4.221，一致性檢驗 CR=0.082＜0.1，符合要求。

3.2 模糊綜合評估

在模糊綜合評估中，B=A○R，其中A代表權重；R代表隸屬度；“○”代表模糊矩陣合成算子，其主要分類有：有界和取小算子、取大取小算子、取大乘積算子、有界和乘積算子等。為確保利用各評估指標的全部信息，體現出各個指標在評估中的協同作用，能夠更準確地表明評估對象的綜合情況，在本研究中，使用有界和乘積算子（，）·⊕。

3.2.1 一級評估

海洋溢油事故一旦發生，采集溢油量、離岸距離、表層流速、表層水溫等數據，從基礎資料數據庫中獲得海域類型、油污的主要成分、油污閃點、應急計劃等信息。利用二級指標的權重和對應的一級指標隸屬度矩陣，得到一級模糊綜合評估結果為：

3.2.2 二級評估

二級模糊綜合評估結果為：B=A○R，式中A為評估指標體系中一級指標的權重，R為一級模糊綜合評估結果。二級綜合評估結果，就是溢油污染程度的總體評估結果。根據模糊綜合評估經常使用的最大隸屬度原則，基于對溢油污染五類等級的劃分，判斷溢油污染所屬等級。

3.2.3 實例分析

利用劉潔［10］實例二中原始數據，使用本研究提出的溢油評估模型，對2002年渤海綏中36-1油田中心平臺溢油事故進行評估。

3.2.3.1 一級評估

同理，得到B3，B4，B5，B6。

3.2.3.2 二級評估

可見對于中度污染的隸屬度為0.499，由最大隸屬度原則可以判斷，渤海綏中36-1溢油事故污染等級為中度污染。而之前學者得到的二級評估B= （0.185 0.704 0.096 0.011 0），評估結果為輕度污染。

4 結語

海洋溢油事故頻繁發生，給海洋生態環境和人類活動帶來了巨大的威脅，對溢油污染等級進行科學的判斷可以在一定程度上降低事故帶來的損害。

1）本研究利用模糊綜合評估的方法，對影響溢油污染程度的因素進行認真分析，在以往研究的基礎上，增加了溢油應急系統這一因素，完善了溢油污染評估指標體系。

2）提出新的影響因子隸屬度函數和子集表，應用此模型進行實例分析，與之前研究進行對比，提高了溢油污染評估等級。

3）利用模糊綜合評估模型對溢油污染程度進行綜合評判，將相關影響因素系統化、具體化，能夠增加評估的可信度，提高評估的效率。利用基礎數據庫和在線監測系統，可快速獲取海洋溢油各類相關參數，及時對污染等級進行評估，為溢油應急計劃提供科學依據，減少溢油造成的污染和損失。

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Li Wei.The study on harm grade evaluation of oil spill from ships atsea［D］.Dalian：Dalian Maritime University，2008.

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Weng Yuezong.Assessment of marine traffic safety of Xiamen Port and its adjoining waters［D］.Dalian：Dalian Maritime University，2000.

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Zhang Jiting.Marine oil spill hazard risk assessment and its preventive measures［D］.Dalian：Dalian Maritime University，2012.

（本文編輯：劉珊珊）

Marine oil-spill pollution assessment model based on fuzzy comprehensive evaluation

ZHANG Qian1,LIU Lin1,2,PAN Bao-yu3,DONG Shui-feng1,DONG Jing-li3, FAN Cun-guo3

（1.Geomatics College，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China；2.Key Laboratory of Surveying and Mapping Technology on Island and Reef，National Administration of Surveying，Mapping and Geoinformation，Qingdao 266590，China；3.Geological Surveying and Mapping Institute of Shandong Province，Jinan 250002，China）

May 17，2015

oil-spill pollution；grade evaluation；membership function；fuzzy synthetic evaluation

Based on previously published research from studies using the fuzzy comprehensive evaluation method，we make an in-depth analysis of the impact factors related to oil spills，improve the oil-spill pollution degree evaluation index system，propose new membership functions for the oil spill inventory and offshore distance，construct a new subset table of the ocean-sensitive area degree of membership，and calculate the weight of each index.Lastly，to validate the scientific bases of our oil-spill pollution evaluation，we validate the proposed model using a case-study instance；the results show that the pollution grade is higher than in previous measurements.

X55

A

1000-3096（2016）05-0097-06

2015-05-17；

2015-09-29

山東省自然科學基金（ZR2012FM015）；山東省“泰山學者”建設工程專項經費；青島經濟技術開發區重點科技計劃項目（2013-1-27）；海島（礁）測繪技術國家測繪地理信息局重點實驗室資助項目（2013B08）；衛星測繪技術與應用國家測繪地理信息局重點實驗室經費資助項目（KLAMTA-201407）

［Foundation： Supported by Shandong Provincial Natural Science Foundation，No.ZR2012FM015；Supported by Special Project Fund of TaiShan Scholars of Shandong Province；Supported by the Key Science and Technology ProjectofQingdao Economic and Technological Development Zone，No.2013-1-27；Supported by the Key Laboratory of Surveying and Mapping Technology on Island and Reed，State Bureau of Surveying，Mapping and Geoinformation，No.2013B08；Funded by Key Laboratory of Satellite Mapping Technology and Application，National Administration ofSurveying，Mapping and Geoinformation，No.KLAMTA-201407］

張倩（1992-），女，山東臨朐人，在讀碩士研究生，主要研究地圖學與地理信息系統，電話：18765929573，E-mail：279604315@qq.com