海洋溢油光学遥感原理与应用实践

第1章 海洋石油的来源与特征 海洋石油具有复杂的来源，在海洋环境动力等作用下，会有一系列的风化、扩散、漂移过程，形成复杂多样的溢油污染类型，对海洋与海岸带生态环境产生不同的危害。复杂多样的溢油污染类型具有丰富的目视特征，可被识别与估算，并需采用不同的应急处理对策。本章简要介绍海洋石油的来源、风化扩散过程和典型目视特征。 1.1 海洋石油的来源 进入海洋的石油烃物质主要有人为和天然两种来源，如图1.1所示。人为来源主要是人类在石油开采、加工、运输等诸多过程中的各类溢油污染(Zhong and You，2011；Wang and Shen，2010；Leifer et al.，2012；Lu et al.，2013)；天然来源包括天然烃渗漏、微生物合成等，海洋烃渗漏油膜主要由海底具有工业开采价值的油气藏天然渗漏形成(O’Brien et al.，2005；MacDonald et al.，1993，2002；Howari，2004)。据不完全估算，全球进入海洋中的石油烃物质约有47%来源于自然界(估计可以达到600000t/a)，53%来源于各类型溢油污染事件(Kvenvolden and Cooper，2003)；特大型的海洋溢油污染事件显著增加了人为来源(如美国墨西哥湾2010年“深水地平线”钻井平台溢油、中国蓬莱19-3油田溢油等事件)，会改变上述比例。 图1.1 海洋石油来源 烃渗漏是海底油气藏存在的自然现象。埋藏于海底深部的具有工业开采价值的油气藏，内部存在着巨大的压力，油气藏与地表(或其上部海洋)之间存在着压力差。在这种压力差下，油气藏中的烃类物质会通过运移通道，沿着压力梯度方向持续地向地表(或其上部海洋)渗漏运移(Tedesco，1995；Donovan，1974；Hubbard and Crowley，2005)，会改变其上方地表的特征，形成不同的海底地表形态(Klusman，1993；Saunders et al.，1999；Philp and Crisp，1982)。油气藏的烃渗漏会引起海底某些区域表面特征的变化，进一步影响海底地质地貌与海洋底栖生物，如使海底松散沉积物形成“贝丘”状凸起，四周发育各种喜烃生物群落；烃渗漏也可以形成海底“冷泉”，甚至以气泡、油珠的形态喷发，进一步影响其上部海水的特性。有些地质特征表明，海底油气藏的烃类渗漏可稳定持续几百年，因此海底烃渗漏可以指示沉积层中的烃类聚集带。当海底烃类物质达到相对饱和状态时，会在浮力的作用下继续垂直向上运移，形成富烃的海水柱；烃类物质进一步改变海水柱中各种理化特性，如喜烃浮游生物的富集、海水柱中叶绿素异常等。一些烃类物质以连续不断的小油珠或气泡(其直径一般小于1mm)浮向海面，会在海表面形成彩色浮油膜；不同厚度的薄油膜具有不同的色泽，经几秒钟后即变成银灰色的浮油膜，通常为单分子膜(厚度小于0.01μm)(Philp，1987；Plummer，1992)；此外，一部分气态烃会进入海表低层大气(Solomon et al.，2009；Whelan et al.，1994；Bradley et al.，2011)。天然烃渗漏形成海面薄油膜和近海表富集的碳氢化合物气体，可被光学遥感所探测(Hu et al.，2009；Bradley et al.，2011；Jackson and Alpers，2010；Lu et al.，2016)。 人类在石油开采、加工、运输等过程中，各类型事故会导致不同程度的海洋溢油污染。特大型溢油污染事件会对海洋与海岸带环境造成巨大危害，如2010年4月位于美国墨西哥湾的英国石油公司(British Petroleum，BP)“深水地平线”(Deepwater Horizon，DWH)钻井平台爆炸事故，是近些年来*大的环境灾难性事件(Jernel?v，2010；Kessler et al.，2011；Mariano et al.，2011；Leifer et al.，2012；Murawski et al.，2018)。该溢油事故共持续了约87天，造成大约4400000桶/ 700000m3(±20%)原油泄漏到美国墨西哥湾海域(Crone and Tolstoy，2010)。2010年7月，大连新港的输油管道起火爆炸并引起原油泄漏，事故溢油量超万吨，受污染海域约430km2(Guo et al.，2016)，对海洋渔业、滨海旅游业等沿海产业造成了直接经济损失，也对海洋生态环境造成持久的损害。2011年6月4日和17日，中国渤海19-3B、C石油钻井平台分别发生溢油事故，造成700桶原油和2500桶矿物油基泥浆溢出(Xu et al.，2013)，导致钻井平台周围840km2海域的海水由Ⅰ类水体下降至劣Ⅳ类水体，周边3400km2海域的海水由Ⅰ类水体下降为Ⅲ、Ⅳ类水体(马军，2011)；6月4日至8月23日累计污染水域5500km2，水产养殖损失超过10亿元，海洋生态遭到损害的价值约16.83亿元(曹阳，2014)。 根据国际油轮船东防污联盟(International Tanker Owners Pollution Federation，ITOPF)的统计数据，1967～2016年，海上石油运输事故造成的石油泄漏次数和总量呈逐年下降趋势，小型溢油事故(溢油量700t)却占了绝大比例。2010～2016年，共发生47起中型和大型溢油事故(溢油量>7t)，导致39000t石油泄漏，其中85%的溢油来自10起大型溢油事故。大型油轮溢油事故与石油钻井平台事故一样，虽具有偶然性，一旦发生，却会在短时间内对海洋生态环境造成极大危害。泄漏的原油在海洋风、浪、流等环境动力作用下，可形成多种类型的污染，有黑色浮油、非乳化油膜和油水混合物等(Lu et al.，2013)。这些污染物不仅会破坏底栖生物环境(马媛等，2005)，还会影响海洋浮游植物的生长状况，进而可能引发藻类异常暴发(沈南南等，2006)；石油中的烷烃、芳香烃及含硫化合物等物质，对海洋生物及人类健康具有一定的危害；高黏度的乳化油附着在海洋生物上，还会使其丧失生存能力甚至窒息死亡(曹阳，2014)。复杂多样的溢油污染，不仅给海洋生态环境带来了不同的负面影响，也给海洋溢油的应急处理与灾损评估带来更多的挑战。 海面油膜会降低海水与大气的氧气交换速度，从而降低海洋生产力，破坏海洋的生态平衡。大规模的溢油污染事故能引起大面积海域严重缺氧，使大量鱼虾死亡；浮油被海浪冲到海岸，会造成海滩荒芜、破坏海产养殖和盐田生产，并毁坏滨海旅游区。由于海上情况复杂，一旦发生溢油污染，消除其危害及影响的成本巨大，风险极高(Kessler et al.，2011；Mariano et al.，2011；Zhong and You，2011)。因此，高效的海洋溢油污染监测，对于海洋生态环境保护、灾后溢油清理和评估至关重要。 近年来，随着我国经济的快速发展，能源需求增长旺盛，海洋石油勘探与开发、海底输油管线铺设、海洋石油运输等海洋经济活动规模不断扩大；会增加海洋溢油污染事件发生的概率，海洋溢油污染风险与日俱增。如何防止并减少海洋溢油污染导致的灾害损失，已成为我国海洋环境保护的重点与难点之一。科学开展海洋溢油的应急响应辅助决策和生态恢复评估，是贯穿海洋溢油防灾减灾的关键环节。面对海洋溢油污染对生态、经济所构成的诸多威胁，《国家重大海上溢油应急处置预案》明确了溢油应急处理中的指挥体系、预警监测以及应急响应和处置等工作内容。《国家重大海上溢油应急能力建设规划（2015—2020年）》也明确指出了通过加强航空航天遥感等监视手段为主体的海上溢油监视系统和覆盖度，提升我国沿海的海上溢油监视监测能力。目前，海洋溢油污染的光学遥感机理研究取得了突破，其目标体系、理论方法、应用实践均有较为丰富的研究成果，光学遥感技术将为海洋溢油污染的识别、分类与定量估算提供重要的技术支持。 1.2 溢油的风化过程 溢油事故发生后，在海洋环境动力作用下，溢油的物理化学性质会随时间发生一系列变化，这一过程称为“风化”(Zhong and You，2011)。石油风化过程包括短期和长期风化过程。其中，短期风化过程包括蒸发、乳化、溶解和扩散等，长期风化过程包括光氧化、生物降解和沉淀等(Zhong and You，2011；Mendelssohn et al.，2012)。 溢油进入海洋后，在原油自身重力作用与海洋风、浪、流等环境动力作用下，浮油水平扩散，可形成厚度0.1mm，甚至更薄的油膜(Zhong and You，2011)，溢油扩散程度主要受原油黏度、表面张力等因素影响。在溢油事故初期，轻质原油蒸发量可达70%，中等分子质量的原油蒸发量可达40%，而重质油蒸发量不超过10% (National Research Council，2003)。在海洋环境动力作用下，原油中部分油滴会被裹挟扩散入水体，部分石油烃组分也能溶解于水并能稳定存在其中。扩散和溶解在石油损失中所占比例较小，但其影响不容忽视，因为原油中的可溶解物质，尤其是多环芳烃(polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs)对水生生物危害极大(Mendelssohn et al.，2012；Khursigara et al.，2016)。溢油与海水混合还会形成不同浓度的油包水状、水包油状的溢油乳化物(Shi et al.，2018；Lu et al.，2019)。若海水以小液滴的形式分散存在于连续的原油中，称之为油包水状溢油乳化物；若连续的海水中存在分散的原油小液滴，则称之为水包油状溢油乳化物(Lu et al.，2013；过杰等，2016；张欣欣等，2016)。油包水状溢油乳化物的目视特征常被描述为“巧克力色慕斯状”或“慕斯状”，油包水状溢油乳化物的稳定状态取决于其含水量，稳定乳化物含水量约为60%～85%，乳化过程会导致溢油的理化性质改变(如密度与黏度)(National Research Council，2003)。乳化作用显著降低了原油蒸发速率，且对溢油回收方法的选择有直接影响。海洋石油中高沸点、难溶物质的聚集易形成沥青球，轻质烃会蒸发进入近海表大气中(Bradley et al.，2011；Salem，2003)。此外，其他的风化过程还包括溢油的微生物降解、光氧化与沉积等。 1.3 溢油的目视特征 1.3.1 海洋溢油的常见目视特征 海洋溢油一旦发生，进入海洋的石油就会立刻进入风化过程中，在风、浪、流等因素的影响下，其物理性质及化学性质都随着时间不断地发生变化，形成复杂多样的溢油污染类型。这些复杂海洋溢油污染类型具有不同的目视特征、存在状态与形态特征。图1.2展现了海洋溢油风化过程中各种污染类型，如银色亮油膜、彩虹亮油膜、条纹状浮油、巧克力色慕斯状溢油和黑色浮油等。 图1.2 海洋溢油污染的复杂目视特征 美国国家海洋大气局(National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA)基于海洋溢油事故发生后海面污染类型存在的一系列目视特征、混合状态与形态特征，将海洋溢油污染划分为如表1.1所示的不同类型。有些是用来表述油膜目视特征的，如亮油膜、银色亮油膜、彩虹亮油膜等，描述了海面薄油膜的光泽特征；有些是用来表述溢油与海水混合状态的，如棕色浮油、慕斯状浮油等，是指溢油与海水混合形成的不同浓度溢油乳化物；条纹状浮油描述了海面油膜以条带状的形式存在；还有些用来说明海面溢油风化产物，如各类型的沥青球是海面溢油物质等形成的团聚体类型(Salem，2003；Lu et al.，2009，2013)。 表1.1 海面溢油不同