海洋溢油調(diào)研

1、海上溢油調(diào)研 1 海洋溢油調(diào)研 嚴(yán)聿啥，何苗苗，超明，孔夢桐 （中國海洋大學(xué) 海洋環(huán)境學(xué)院2011級） 隨著人類對海洋認(rèn)識與應(yīng)用的不斷深入，海洋污染日益嚴(yán)峻。海洋溢油污染作為主要且常見的污染形式之一, 理應(yīng)也已經(jīng)引起人們足夠重視。本文就溢油的危害、觀測、預(yù)測與處理四方面展開調(diào)研。 1 .危害 1.1. 2.探測 海上溢油監(jiān)測的手段大都利用傳感器接受來自海面上的信息。 2.1傳感器分類及特點 溢油監(jiān)測傳感器 優(yōu)缺點 光學(xué)傳 感器 可見光傳感器 易受到水以外的其他背景信息的干擾，不宜黑 夜工作 紅外傳感器 不受光線的影響，可以在白天和夜間進(jìn)行溢 油識別 紫外傳感器 測量精準(zhǔn)，但受諸多限制和外界以及

2、太空干擾 激光（熒光）傳感器 主動式，干擾小，晝夜工作 微波傳 感器 輻射計 全天候探測，分辨率低 雷達(dá) 全天候監(jiān)控，水面過丁平靜或過于粗糙都會影 響其效果 地磁能量吸收傳感器 識別水槽中漂浮的油層，省電 2.2代表傳感器簡介 2.2.1輻射計 海上溢油調(diào)研 2 輻射計的監(jiān)測原理為：水表面和油層表面均會發(fā)射微波輻射，油的微波發(fā)射率比水高（水的發(fā)射率為0. 4左右，而油的發(fā)射率為0. 8左右），輻射計能感受這種差異，并通過在圖像上水和油的灰度不同 （水暗油 亮）顯示出來。由于油膜的比輻射率隨油膜的厚度變化而變化 ，在微波輻射計圖像上體現(xiàn)為灰度值隨油膜 的厚度變化而變化，所以微波輻射器理論上可以測

3、量油膜的厚度 do 接收相應(yīng)頻率的微波輻射功率，該功率的大小可用微波輻射計天線溫度 Ta來表示。由于照射面比較 小，因此在主波束照射面內(nèi)油膜厚度可看成是均勻的 ，即： ? TBO -T B屈一:-_- rjmb （1 Tsky To） ZTo = TA（-T AW 式中： TO為油和水的物理溫度 ； TBW為水的亮度溫度； TBO為覆蓋在水面上油膜的亮度溫度； Y mb為天線主波效率； Tsky為在鏡面反射方向上的天空向下輻射的亮度溫度； Ta為大線溫度變化； TAO為油膜的大線溫度； TAW為在溢油區(qū)外背景水的天線溫度。 當(dāng)8毫米微波輻射計對準(zhǔn)某一水面溢油區(qū)掃描時可測得 Ta用某一入射角對準(zhǔn)

4、天空，可測得相應(yīng)的 Tsky天線的主波束效率Y mb是已知的，而TBW按經(jīng)驗公式求得，T。可現(xiàn)場測得，因此油、水亮度溫度 TBO（A TBO=TBO-TBW得。 TBO是油膜厚度d的函數(shù)，根據(jù)實驗室作出的油膜厚度 d與ATBO的變化曲 線（如下圖），可將在動態(tài)條件下測得的方位角與大線溫度的變化曲線轉(zhuǎn)化為方位角與油膜厚度的變化曲線。 2.2.2光譜遙感 染遙感監(jiān)測的研究 迄今，國內(nèi)外利用衛(wèi)星遙感技術(shù)監(jiān)測海洋溢油已有許多成功的例子 這些工作分別利用微波或雷達(dá)圖像 ，Landsat衛(wèi)星的專題掃描儀（TM）圖像和NOAA衛(wèi)星的改進(jìn)型高 分辨率輻射計（AVHRR）圖像. 本文分析海上溢油波譜特征的測試結(jié)

5、果 ，結(jié)合幾次海上溢油事故，利用AVHRR和TM資料對油膜圖 像進(jìn)行處理和解譯，得到較為清晰的溢油圖像，它與事故現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果相吻合 . 2.2.1 海上溢油波譜特征 海上溢油波譜特征的測試分析是溢油污染遙感監(jiān)測研究的基礎(chǔ)性工作，研究發(fā)現(xiàn) ，海上 油膜的波譜特征除受外部環(huán)境因素 （太陽高度角、海風(fēng)、海流、海浪、海溫和水色等 ）影響外，還與溢 油的種類和組成、油污和海水的融合度及化學(xué)反應(yīng)程度等有直接關(guān)系。 1998年11月5日，大連海事大學(xué)衛(wèi)星遙感研究室在大連灣外海進(jìn)行了油膜波譜特征 測試試驗， 試驗波段為0. 389 1.040 Lm，主要為可見光波段（0. 4 0. 7 Lm），因此光譜測試儀

6、是 以接收目標(biāo)物反射的自然光為媒介 ，反映不同種類、不同厚度的油膜與海水之間反射率的差 異.在海面溢油遙感圖像上能否識別出油水 ，其反射強(qiáng)度的差別最為重要 .由于油膜是依附 于背景海水而存在的，油膜與背景海水間的反射率差異越大，則成像后遙感影像間的反差越 顯著，從而識別出溢油. 結(jié)果如下:海上溢油調(diào)研 3 A/nm 表1 不同種類不同厚度油膜的反射率 （% ） 厚度 100 Lm 300 Lm 500 Lm 1000 Lm 1500 Lm 2000 Lm 2500 Lm 煤油 2. 50 3. 46 1. 88 1. 94 1.93 1.87 1.90 潤滑油 1.62 1.48 1. 73

7、1. 92 3. 30 2. 19 2. 60 輕柴油 1. 75 1. 94 2. 20 2. 12 1.69 1.78 1.62 重柴油 1.47 0. 63 0. 62 0. 60 0. 59 0. 56 0. 55 實驗表明： 1四種油膜最大反射率均出現(xiàn)在 0. 50 0. 58 Lm波譜段內(nèi) 2膜反射率的大小與油膜厚度有關(guān) .其中輕油種（如 煤油、潤滑油、輕柴油 的反射率首先隨油膜厚度的增加而增加 ，達(dá)到極大值后又隨油膜厚度的增加而降低 . 重柴油厚度越薄，反射率越大，隨著油膜厚度的增加反射率降低 . 解釋： 粘稠的油膜與水體比較是更亮還是更暗 ，主要取決于油膜對陽光是強(qiáng)吸收 （亮）

8、或弱吸收（暗） 越薄的油膜在水體中不產(chǎn)生熱差信息，因此薄油膜對熱紅外是不可見的，尤其是輕油種. 對于輕油類，油膜厚度小于最大反射率對應(yīng)的厚度 ，它的低輻射率產(chǎn)生較低的表面紅外溫度 ，從而使 油膜溫度低于海水；隨著油膜厚度增加，反射率降低，而吸收太陽輻射增加，油膜的溫度會高于海水溫度. 對于重油類，隨著油膜厚度的增加，輻射增強(qiáng)，在陽光充足的白天，厚油膜的溫度會比海水高；而在晴 夜，由于厚油膜釋放熱量比海水快，油膜溫度要比海水低一些. 應(yīng)用： 從水體的 吸收光譜分布圖像得知，在可見光波譜段，水體的吸收最小，即透過率最大.由此，通過分 析水體和油膜的吸收光譜，可以分辨出海水和油膜. 綜上，良好光照條

9、件下，可見光波譜段，可探測薄油膜，特別是輕油膜。 熱紅外光譜用于探測厚油膜。全天候。 海上溢油調(diào)研 4 實際應(yīng)用： 1)N O A A極軌衛(wèi)星 A V HRR 設(shè)有五個通道，拍攝可見光和紅外圖像，局地分辨率為 1. 1 k m. 1通道(0. 58 0. 68 Lm)位于可見光譜區(qū)的黃紅波段 ，在良好的光照條件下，利用油膜 的反射特性 探測溢油，但只能對輕類油種的薄油膜起作用 .2通道(0. 725 1. 10 Lm )處于近紅外波段，來自油膜對 陽光的反射成分仍大于輻射成分 ，1、2通道合成可以探測薄油膜. 3通道(3.55 3.93 Lm)處于中紅外波段，對溫度的靈敏度高，多用于夜間溫度的

10、觀測， 4通道(10. 3 11.3 Lm )和5通道(11 . 5 12. 5 Lm)處于熱紅外波段，常用于探測海表面溫度，可 以根據(jù)厚油膜與背景海水溫度的差異分辨出溢油 2)Landsat 衛(wèi)星 T M 設(shè)有7個通道，局地分辨率均為 3 0m，它用16天時間對地球觀測一遍. 1通道(0.45 0. 52 Lm)、2通道(0. 52 0. 6 0 Lm )和3通道(0.63 0. 69 Lm)均位于可見光譜 區(qū)，可以探測到較薄油膜形成的反射信息。 4通道(0.76 0.90 Lm )近紅外，5通道(1 .55 1.75 Lm)和7通道(2. 0 8 2.35 Lm)短波紅外， 合起來又叫反射

11、紅外，原因是在這個波段 內(nèi)，來自太陽光的反射成分大于油膜的輻射成分 ，多用于探測薄 油膜. 6通道(10. 4 12.5Lm)處于熱紅外波段，利用油層與背景海水之間的溫度的差異 ，可以探測重油類 和厚油層. 3.關(guān)于海面溢油擴(kuò)散的計算方法 探討溢油的遷移擴(kuò)散運(yùn)動規(guī)律，分析擴(kuò)散機(jī)理非常重要。 海面溢油的遷移擴(kuò)散十分復(fù)雜如油品的比重、運(yùn)動粘度、流動點等內(nèi)在因素以及溢油處的海洋條件和 氣象條件：風(fēng)浪、潮流、潮汐、逕流、水深、溫度等外界因素。 本文在探討溢油遷移變化規(guī)律時 ，擬不考慮油中較輕成分的蒸發(fā)、可溶成分的溶解及生物降解等自然 凈化所引起的變化，只計風(fēng)、潮流、逕流等因素對溢油遷移擴(kuò)散的影響。 簡

12、單介紹一下溢油點源擴(kuò)散的機(jī)理，有關(guān)的擴(kuò)散模式及計算方法. 3.1點源擴(kuò)散機(jī)理及計算模式。 即以自由狀態(tài)下的油的點源瞬間擴(kuò)散作為油污染源擴(kuò)散的最基本形式。 由實驗得知，靜水水面上有限量的油在擴(kuò)散過程中受重力、表面張力、慣性力和粘滯力 場作用。 1重力作用是向下的，但由于油與周圍水之間產(chǎn)生了不平衡的壓力分布 ，因而引起了浮油層向四周擴(kuò) 散。 2油膜前沿存在著水一空氣間的表面張力與油一空氣、油一水間的表面張力的不平衡 .也迫使油向外 擴(kuò)散。 3油膜的性力以及油膜擴(kuò)散時所拖曳的一薄層水的粘滯力。5 海上溢油調(diào)研 重力與水的表面張力是導(dǎo)致油擴(kuò)散的二個主要作用力。 水的粘滯力是阻止擴(kuò)散的作用力。 擴(kuò)散三階

13、段 1第一階段，重力占優(yōu)勢，油膜因其勢能和運(yùn)動能的作用在水面上急速擴(kuò)散。 而阻止擴(kuò)散的主要力是慣 性力。即該階段為重力和慣性力所控制 ,稱為慣性擴(kuò)散。 2第二階段，經(jīng)過一定時間后.油層厚度減小.勢能和動能逐步減弱.油層慣性力也減小，這時，油層 厚度減小.勢能和動能逐步減弱.油層慣性力也減小，因而該階段油的勢能和水的粘性抵抗力成為主要因素 即重力一粘滯力狀態(tài).稱粘性擴(kuò)散。 3第三階段，隨著油勢能進(jìn)一步消耗減小.油膜擴(kuò)散范圍增大，表面張力為主要影響因素，粘滯力為主 要阻力，稱表面張力擴(kuò)散。 每個階段的擴(kuò)散尺度都是時問 t、溢油體積和油水物理性質(zhì)的函數(shù)。這幾個階段的擴(kuò)散規(guī)律如下所示。 一維油液孕.

14、T板琳二二方向轄對再擴(kuò)敞、 R - U 刑 Wi1 1 R - I,侮Mgv% m/vk七 1 也 關(guān)于溢油點源連續(xù)擴(kuò)散規(guī)律國內(nèi)外有些作者也作了一些探討。實驗表明連續(xù)溢油在靜止 水面上的擴(kuò)散仍然存在重力一慣性力、重力一粘滯力、表面張力一粘滯力為主的三個階段。 同時也得到了各階段擴(kuò)散尺度與連續(xù)溢油量 Q、時間t的關(guān)系式。結(jié)果如下. 慨性擴(kuò)慨性擴(kuò)敝階段敝階段I 1 = L35（ Ag）1/1 粘性擴(kuò)散粘性擴(kuò)散階段：階段：1 = 1. |（1- 表面張力擴(kuò)散階段表面張力擴(kuò)散階段; ;【二二隊隊4時時町町 式中：。為單位時間連絨溢油式中：。為單位時間連絨溢油 沖沖.g.g 力力油油和水的密度和水的密度

15、. .u為表面張力系數(shù)為表面張力系數(shù) - -為水的蔚粘滯系數(shù)為水的蔚粘滯系數(shù) 連續(xù)溢油和瞬間溢油在第三階段的擴(kuò)散關(guān)系是一樣的 ，與溢油量均無關(guān)系。在靜止水面 上連續(xù)溢油的擴(kuò)散，很快自1階段進(jìn)入2階段.長期處于2階段，因而可按以重力和粘滯力為主要決定因 素的第二階段擴(kuò)散規(guī)律來計算。在恒定流水面上的連續(xù)溢油 .當(dāng)水流紊動弱.對油擴(kuò)散影響可以忽略不計 時，仍以第2階段擴(kuò)散為主。若單位時間溢油量為 Q，溢油口水流速度為 U，離溢油口的下游距離為 x，溢 油時間為t =x/ U，則擴(kuò)散尺度為： 第一階段 1 = （AgQxb 1 U 第二階段 l=（AgQxf f I 第三階段I二（。如.|）EU，）

16、3.2遷移擴(kuò)散的計算 線性疊加計算為例： 溢油的擴(kuò)散只在開始階段才與時間有關(guān) ， 歷經(jīng)數(shù)秒到數(shù)十秒.以后，油膜就不再擴(kuò)大，只隨風(fēng)流和水流作遷移運(yùn)動.呈帶狀或其他不規(guī)則形 2狀，在波油膜的慣性力以及油膜擴(kuò)散時所拖曳的一薄層 擴(kuò)讖階段 慣性0散階段 牯性擴(kuò)靛階段 奩血雅力擴(kuò)散階以 -fit E油被-維方冏擴(kuò)枷 1 = I -1, 1 p 1 1 6 海上溢油調(diào)研 浪或其他障礙物的沖擊下，油膜被分割或粉碎成小塊油膜分散開來了（海洋環(huán)境件 ）朝流、波浪、逕流等是 溢油遷移運(yùn)動的外界因素。通常將風(fēng)、潮流所引起的遷移運(yùn)動簡單地疊加在油于靜水中的擴(kuò)散運(yùn)動下即油 膜在海流、海風(fēng)、重力影響下不同時間不同位置時的

17、漂移速度為 v擴(kuò)、v流、v風(fēng)的矢量和。海流對油膜 漂移的影響是主要的，油膜大致沿海流方向作等速運(yùn)動。油膜具有海流流速 V流。風(fēng)在海面上朝著某一個 方向持續(xù)地吹，對表層海水產(chǎn)生剪切應(yīng)力，導(dǎo)致海水運(yùn)動，這種海流（風(fēng)生流）對油膜漂移有一定的影響。 經(jīng)許多學(xué)者研究指出,油膜漂移速度取為當(dāng)?shù)仫L(fēng)速的 3.5%是比較適宜的。潮汐呈周期性水位變化 ,對溢 油遷移的影響較弱。波浪的影響也比較小。由于波浪的周期性 ，波浪產(chǎn)生的振動力一平均值為零 ，因而波 浪的影響也可以被忽略。雖然波浪不能使海水前進(jìn)，但海水的上下跳動有利于分散油膜及微，量油溶解于海 水之中 綜上所述,油膜的漂移速度為：V - vx + K VX

18、+ 擴(kuò)，K為風(fēng)力系數(shù).3,5們 擴(kuò)放半 漂移方向為 g 寸云云兩-一油膜 漂移方向與流向夾角,小為風(fēng)向與流向夾伯 4溢油處理 4.1漏油處理與持續(xù)時間的關(guān)系 在漏油事件發(fā)生后我們又有什么清理油污的技術(shù)手段呢？根據(jù)美國國家海洋局 2010年發(fā)布的海上 漏油事故應(yīng)急指南 （Characteristics of Response Strategies:A Guide for Spill Response Planning in Marine Environments）,海上漏油事故發(fā)生后，應(yīng)該根據(jù)漏油的種類、地點、方式、泄漏規(guī)模、軌跡、持續(xù)時間以 及近期的天氣情況幾個方面的具體情況采取應(yīng)對措施， 同

19、時還要考慮到漏油事件影響的環(huán)境范圍及影響程 度，如圖所示。 漏油事故持續(xù)時間的長短，對補(bǔ)救措施的選擇至關(guān)重要 ，應(yīng)該根據(jù)漏油發(fā)展情況，適當(dāng)選擇方法處理漏油事 故。 諭哽段 補(bǔ)救策略 穩(wěn)定 水上擴(kuò)散 到達(dá)沿岸地帶 物理方法 g e 人工出油，圍油，吸附劑，機(jī)械除油，真 皿.叭土 人土 美閉閥門，修理 序口、出吸附劑，人工除油，機(jī)械除油 空吸油，攔油 徑為R=JVdL擴(kuò)散面稅為s二 vdtdO油膜 0 7 海上溢油調(diào)研 化學(xué)方法 - 海岸線清潔劑，分散劑，孚L化液處理 尸山、士卻 田d 地海序清潔劑，固化劑 劑，固化劑，集聚劑等 其它措施 - 就地燃燒 生物分解 垃圾處理 - f 航林樣 f 后林

20、小 穩(wěn)定化，回收，填埋，焚化，生物分 就地焚臧，回收，焚化 解 4.2處理方法 處理漏油有很多方法，圍油法、分散劑法以及生物分解法作為物理，化學(xué)，生物三個領(lǐng)域的代表方法，在墨 西哥灣、大連以及渤海漏油事故中有很廣泛的應(yīng)用。 2.1物理方法 圍油法是一種常見的漏油事故的應(yīng)急處理手段，在墨西哥灣漏油事件，大連新港漏油事件，中海油渤 海灣油田漏油事件中都有采用。簡單來說，圍油法就是用圍欄將漂浮在水面上的油圈起來，在防止其擴(kuò)散 的同時，使用船只牽引，將其聚攏，方便下一步的漏油回收再利用。自渤海灣油田在 6月發(fā)生泄露以來， 通過拖船拖曳圍油欄清理漏油的圍油作業(yè)已持續(xù)至少 20天。圍油法適用范圍很廣，但受天氣因素的影響 比較大，能見度過低以及其他不佳氣象條件都會限制除油工作的順利進(jìn)行。不過，圍油法能最大限度的減 少除油作業(yè)對海洋生態(tài)環(huán)境的二次影響。 2.2化學(xué)方法 分散劑法是海上漏油事故中用得最多的一種方法， 其原理是降低油/水的界面張力，借助海浪的力量， 在