栗寶鵑：海洋探測技術在溢油檢測和識別中的應用

不管是「海上無風時，波濤安悠悠」的海面，還是「海上濤頭一線來，樓前指顧雪成堆」的情景，大海在許多人的印象中都是美麗的。但是，海上石油運輸船隻碰撞或翻沉、海洋採油平台事故、海底輸油管道泄漏等會產生溢油事故。這些泄漏的原油如不及時清除，不僅會破壞大海的美麗畫面，還會對海洋生態環境和海洋生物資源產生重大影響。在對這些原油進行清理之前，需要確定其分布位置及範圍。本文主要探討藉助海洋探測技術對海洋溢油進行檢測和識別的技術方法，其識別結果可為海洋溢油應急提供數據服務和決策支持。

海洋探測技術在海洋資源勘探和開發中發揮著重要的作用，主要集中在海面、水下和空中，具體如下：利用科考船、浮標站等進行海洋表面調查；利用潛水器搭載各種感測器進行水下探測；利用飛機、衛星等在空中進行探測。目前，隨著科學技術的不斷發展，除了海底科學、海洋探測、海洋生態等方面的應用之外，海洋探測技術也在不斷增加著新的應用領域和用途。

一、海洋溢油的產生

以墨西哥灣海洋石油平台泄漏事故（圖1）為例，2010年4月20日，該區域有一石油鑽井平台——「深水地平線」發生事故並起火爆炸，4月22日，根據海下探測器探查結果，海下鑽井隔水導管和鑽探管開始漏油，4月27日，漏油量由最初的5000桶左右升至25000桶左右，逐漸升級為美國歷史上最嚴重的一次漏油事件。這次石油泄漏事故對海洋環境產生重要的影響，後來被彼得·博格拍成著名的災難片《深海浩劫》，最初，泄漏的原油在海面上的漂浮帶長約200公里，寬100公里，後來還在繼續擴散，遠遠超過海洋環境的自凈能力，由此產生海灘被毀、漁業受損、脆弱物種滅絕等一系列嚴重後果，給當地海洋生物和生態環境帶來一場毀滅性的災難。

圖1 墨西哥灣溢油分布圖像

二、海洋溢油的狀態

泄漏的原油並非像「滸苔」那樣漂浮在海面，而是根據油水密度比、洋流和沉積過程相互作用等因素的影響，產生不同的狀態（圖2）。

⑴當油水密度比小於1時，如果在沉積過程分子之間相互作用力比較強大，則存在以下三種情況：①石油擴散到海岸，並且與泥沙混合在一起；②在與泥沙混合之前，由於波浪作用，懸浮在水體之中；③石油與泥沙分離之後，進行再次漂移。

⑵當油水密度比小於1時，如果在沉積過程分子之間相互作用力比較弱，則存在以下三種情況：①快速形成油滴；②由於過度沖刷作用逐漸風化；③在遠離溢油點的海岸，油滴重新聚合在一起。

⑶當油水密度比大於1時、如果洋流作用強，並且在沉積過程中分子間相互作用力也較強，那麼隨著洋流作用減弱，最初形成油滴顆粒可能會沉入水底。

⑷當油水密度比大於1時、如果洋流作用強，但沉積過程中分子間相互作用力較弱，隨著洋流作用減弱，油滴不僅會慢慢下沉，還會在海底大範圍分布。

⑸當油水密度比大於1時、如果洋流作用較弱，則油滴會直接沉在海底。

圖2 海洋溢油的不同狀態

海洋溢油在自身物理性質、波浪和洋流等水動力條件、油品本身與海水相互作用等因素的影響之下，經過擴散、漂移、蒸發、溶解、分散和乳化等作用，最終在海水中以三種狀態存在：漂浮在海面上的稱為「浮油」或「海面溢油」；與水體中的懸浮顆粒物或潮灘沉積物相互作用，具有中等或接近中等的浮力，形成「半潛油」或「水中油」。「半潛油」經過一段時間之後，有的會浮出水面，也有的會沉入海底，在下沉力的作用下，原油直接下沉或在風化一段時間後沉入水底的則稱為「沉底油」。

在對不同狀態的海洋溢油進行清除之前，首先需要確定其分布位置及範圍，因此，針對海面溢油、半潛油和沉底油，需要採用不同的海洋探測技術進行識別和定位。

三、海面溢油探測

海面溢油在海洋表面形成油膜，這層油膜的存在不僅破壞了大海的美麗景色，還給海洋生態環境造成重大影響，比如阻斷正常的海氣交換過程、降低海洋生產力、破壞生態平衡、影響海洋生物鏈的循環等，因此，當海面溢油產生之後，要在盡量短的時間之內進行清除處理，並且盡量快的使海洋生態環境復原。在對海面溢油進行清除之前，首先要明確海面溢油的位置、範圍及漂移趨勢，因此，需要藉助海洋探測技術對海面溢油進行識別和描述。

可用于海面溢油探測的主要包括遙感技術、跟蹤浮標等技術。遙感技術以雷達為主，根據搭載方式，分為星載、機載或船載雷達三種：星載雷達是搭載雷達對地觀測的遙感衛星的統稱；機載雷達，是指利用飛機、飛艇等作為感測器運載工具在空中進行的雷達探測的技術，是由航空攝影偵察發展而來的一種多功能綜合性探測技術；船載雷達指通過發射雷達信號並接收雷達回波來進行探測，這裡主要介紹合成孔徑雷達（SAR）與激光熒光雷達進行海面溢油監測的技術方法。

⒈ SAR探測技術

SAR是一種融合微波、數字信號處理、圖像處理、海圖、網路等多種先進技術的高科技設備，該設備向目標區發射特定頻帶範圍的電磁波信號之後，通過接收到的回波反射信號實現對目標的探測和識別，因此，主要功能包括三部分：向目標發射信號、接收從目標傳回的信號、對信號進行檢測和分析。在對回波反射進行信號處理與分析的基礎之上，最終生成遙感圖像，圖像亮度代表回波反射強度，所以，主要根據回波反射圖像對目標進行解釋和識別。

在探測條件明確的前提下，遙感圖像的亮度與探測目標表面的光滑或粗糙程度、復介電常數、含水量等因素有關，在海面溢油存在的情況下，決定遙感圖像亮度的主要是海面的光滑或粗糙程度。當海面存在油膜時，海水表面被覆蓋，海水的表面張力和粗糙度發生變化，海面變得平滑。由於SAR在光滑的海水表面發生鏡面散射，導致感測器接收到的散射回波減少，在遙感圖像表現為黑色斑塊或條帶狀特徵（圖3）。在遙感圖像識別的基礎之上，進一步藉助風速、航道等現場信息進行驗證，由此實現對海面溢油進行正確識別的目的。

圖3 利用SAR海面溢油探測原理

⒉ 激光熒光雷達探測技術

激光熒光雷達是一種主動感測器，其基礎是物質熒光譜理論，油類物質具有良好的熒光特性，當油類中的化合物受到適當波長和能量的激光照射時，便會激發出更長波長的熒光。其中熒光光譜是由組成油類的有機物成分決定，直接與有機成分的分子結構相關，通過對熒光光譜的解讀，就可以實現對油類的檢測與識別，這也是利用激光誘導熒光的方法對海面溢油進行監測的基礎。

激光熒光雷達系統以專家系統、GPS接收器、測距儀為主，還包括慣導系統、數據存儲、可視化系統及通信裝置。主要組成部分的功能如下：專家系統包括實時處理系統和後處理系統兩部分，主要功能是對激光熒光譜進行分析；GPS接收器用來記錄激光熒光譜的位置；測距儀用於確定激光焦點的位置。激光雷達將溢油探測的結果傳回海洋溢油事故處理指揮中心，可提供有效的數據支持，並輔助進行溢油決策實施。

四、半潛油探測

水下溢油對海洋生物群落與生態環境有著重要的影響，這部分溢油的檢測和處理，對海洋環境的安全和保護髮揮著關鍵作用。目前，在水下溢油的劃分方面存在分歧，這裡需要先引入「沉潛油」的概念，第一種觀點認為，沉潛油等同於水下溢油，包括半潛油和沉底油；第二種觀點認為，沉潛油為半潛油，水下溢油包括沉潛油與沉底油。本文以第一種觀點為準。

相對於海面溢油檢測與識別，水下溢油探測的技術方法更為複雜，主要涉及海底影像探測、聲學探測、紫外熒光探測、化學分析等技術方法。其中，對半潛油的探測以海底影像探測、紫外熒光探測、化學探測方法為主，所需要的海底影像探測設備、紫外熒光感測設備和化學採樣設備均搭載在潛水器上，比如ROV（遙控無人潛水器）、AUV（無纜水下機器人）等。

⒈ 海底影像技術

海底影像技術主要藉助航行器搭載水下影像設備進行探測。在航行器搭載海底影像設備進行水下溢油探測的過程中，航行器以船載ROV或AUV為主，水下影像設備主要是適用於水下拍攝的照相機、攝像機等，通過對攝像、影像記錄進行分析，得出對溢油情況的確定性判斷。

海底影像設備的優點是比較直觀，不僅探測準確，還便於操作，擁有較高的工作效率。不足之處在於對水深和透明度的要求較高，在水下環境較暗、水中含沙量較多、水草或海藻等植被存在的情況下，不利於溢油的準確探測與識別，此時，還需藉助潛水員下潛摸排等方法對目標的準確性進行判斷。

⒉ 紫外熒光探測技術

在對紫外熒光技術進行探討之前，首先了解熒光現象。當某些物質被光照射後，會吸收某些頻率的光，從而發射出波長更長的光；當照射的光停止時，發射的光也隨之消失，這就是熒光現象，發出的光稱之為熒光。

水中油膜具有熒光特性。所謂熒光特性，指的是分子（如芳烴化合物）在被電子激發後至其基態產生的特性。處於基態的分子，當吸收了一定頻率的光之後，便被激發至電子激發態的某個振動能級，然後通過互相碰撞消耗掉這部分振動能級之間的能量，當振動能級下兩道基態不同振動能級之時，就會以熒光的形式發射能量。

如海水中含有原油和溶解油，其中某些特定化合物，如多環芳烴、烷烴分子等，在吸收紫外線之後會發射熒光，由此可以實現對海水中含油化合物的快速檢測。水中油產生熒光除了要產生電子吸收光譜的特徵結構之外，還需要較高的熒光效率，熒光效率指的是發出熒光的光子數與所吸收激光的光子數的比值，因此，在很稀的溶液和固定液層厚度的情況下，熒光強度和溶液濃度成正比，這也是實現熒光定量分析的基本依據。

由此，根據烴類的熒光性及熒光特性的產生條件，利用以紫外熒光技術為基礎的紫外熒光感測器，可實現對水中油的探測與識別。

⒊ 採樣分析技術

通過對水樣進行化學分析，由此達到對水體中含油與否進行判斷的目的。化學分析方法主要通過識別水體組分來確定油的存在，主要包括質譜分析方法和紫外熒光計分析方法。紫外熒光計的方法原理與紫外熒光感測器相同，不同之處在於，紫外熒光計是直接對採樣樣本進行採樣分析。這裡主要介紹質譜分析法實現對水中油的檢測。

質譜分析主要用來探測低分子質量的烴類，該方法通過在高真空系統中測定樣品的分子離子及碎片離子的質量，來確定樣品的相對分子質量和分子結構，當溢油事故發生之後，烴類溶解於水中，質譜分析方法通過對海洋環境中溶解的碳氫化合物進行分析，達到對含油與否進行判斷的目的。

五、沉底油探測

海洋溢油沉入水底，形成沉底油（圖4）。沉底油對海洋生態環境影響嚴重，如不及時清除，還會在波浪、洋流等水動力條件下移動，在更大的範圍之內對生態環境產生影響。在水下溢油探測的技術方法中，用於沉底油檢測和識別的主要有聲吶探測技術和潛水器搭載各種感測器的水下探測技術，其中，聲吶探測技術為沉底油探測的基礎和主要技術手段，水下探測器搭載各類感測器進行探測，對沉底油的探測結果進行驗證。

圖4 沉底油海底狀態

聲吶探測技術以聲波傳播為理論基礎，藉助聲吶探測設備與聲吶圖像實現對海底目標的探測和識別。聲吶探測設備主要有發射器、換能器、目標物、接收器及顯示系統五部分組成，首先，換能器將發射器發出的電信號轉換成聲信號向目標傳播；然後，目標產生的回波反射信號又經過換能器轉換成電信號；最後，這部分電信號經過接收機處理之後，在顯示系統形成聲吶圖像，根據聲吶圖像可以實現對目標的探測和識別。

聲吶探測技術利用聲波對海底目標進行探測和識別，主要根據回波反射特徵的差異性。因為油比沙的反射率低，因此，在利用聲波對沉底油進行識別之時，其回波反射與周圍沉積物存在差異性，聲波遇到這些界面表現為不同的回波反射特徵，在地勢相對比較平坦的前提下，反射率低的表現為陰影區，反射率高則為亮區，依據上述原理，對沉底油進行探測與識別。

圖5 利用聲吶技術進行沉底油探測技術原理

但聲吶探測的結果存在不確定性，因此，需要以水下探測技術為基礎，藉助航行器搭載不同類型的感測器設備對聲吶探測的結果進行驗證，比如影像設備、熒光感測器等，這些與半潛油探測技術類似。

六、結束語

以上就是針對不同類型的海洋溢油進行檢測和識別的技術方法。「面朝大海，春暖花開」，是很多人夢想中的勝地，但是面對什麼樣的大海呢？肯定是蔚藍色的大海。但是目前，石油是當今世界的主要能源之一，其開發和利用程度與社會經濟的發展息息相關，海洋石油又在其中佔有相當大的比重，對這部分石油的開發和利用也自是難免。

「有則因事為制，無則未雨綢繆」，亟待需要加強對海洋溢油探測技術的研究。以海洋探測技術為基礎，對海面溢油、半潛油、沉底油這三種狀態的海洋溢油進行探測，由此得到對溢油分布位置、範圍、特點等確定性的數據，為海洋溢油應急提供數據支持和決策支持，在海洋生態安全和環境保護中發揮著重要的作用。

黨的十八大報告提出，要「提高海洋資源開發能力，發展海洋經濟，保護海洋生態環境，堅決維護國家海洋權益，建設海洋強國」，因此，更需加強海洋探測技術在溢油監測中的應用研究，在開發海洋資源、發展海洋經濟的同時，保護好海洋生態環境，為建設海洋強國而努力。

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