船舶溢油计算

海上溢油的来源与类型
水中溢油大致主要来自含油污水的排放、操作性溢油、操作性溢油三个方面：含油污水的排放
油船的机舱油污水、压载水、洗抢水，这些废水中均含有大量石油，浓度可达15000mg/L，如直排即对水体造成油污染，另外，船舶进厂修理前，必须将货油和燃料油舱的残油清洗干净，油气排放后才能进厂修理。

当油船改装油品时，也必须先清洗货油舱，这些也成为水域的一个污染源。

操作性溢油
即船舶在加装燃料油和油船油舱装货期间的溢油。

日常装卸储运中石油产品的零星跑冒滴漏，对水、陆地、作业机械容器均造成轻微污染；船岸双方驳油速度不协调和联系不及时，或封闭式装货标示不准确而造成溢油；货油驳运时，输油软管在高压下工作，软管的残旧、老化及伸缩接头、阀门的松动等也会造成油渗漏。

（1）加装燃油时溢油，是非油轮产生油污的最主要途径。

加装燃油的频繁性和港内操作，增大了油污事故的可能性及危害程度。

常见的溢油有：○1加装燃油时输油管道连接不牢，法兰接头松脱。

一般接管由供油方负责，船员未作检查；
○2输油管道老化，一旦加装压力加大时，管道破洞；
○3输油管盲板或加油口盲板松动，盲封不严或两舷加油管截止阀未关严，一舷加油时另一舷加油口溢油。

加装燃油结束后，往往供油方负责上妥加油口盲板，认为加装燃油已经结束，上不紧加油口盲板是经常的事，而下次加装燃油又未检查并上紧盲板，一旦供油压力加大即产生溢油。

○4不加油的舱或已加满的舱阀门未关死，燃油部分进入非指定油舱造成溢油;
○5供油方擅自或偶然加大泵量，导致满舱或空舱内排气不及，从透气孔产生溢油;
○6燃油舱分配阀开错;
○7舱内存油计算错误，量油不准。

（2）内部驳油产生的溢油也时有发生，尤其是老龄船，下列原因是造成船
舶舱内驳油产生溢油的顽症:
○1从燃油舱往日用油柜驳油，自动停止装置失灵从透气管产生溢油;
○2燃油舱间驳油操作不当，因满舱柜或速度过快从透气管溢油;
○3对驳燃油的舱情况不了解，过分自信油舱的完好性。

某轮因向已长久不用的油舱驳油，大量燃油从破舱处溢向货舱，造成巨大损失;
○4燃油舱间输油管破洞;
○5调拨阀开错。

（3）燃油舱与相邻污水舱，压载水舱之间产生破舱，排压载水或污水时，油污随水排出。

某轮压载水舱与油舱上下布置，油舱量油孔下方因量油尺冲击而产生破洞，50吨燃油漏入其下方的压载水舱，幸亏排压载水时及时发现了浮油，才未出现油污事故。

（4）含油污水处理不当，海上排污时油污超标。

现在世界各国都通过飞机、遥感技术及巡逻艇、渔船报告等方法实行监控，违规排污的风险越来越大，责任人将负刑事责任。

（5）含油污水排岸时，与接受装置之间连接不当或管系破裂，导致含油污水溢出。

海损事故溢油
一般是指突发性的泄漏事故，即溢油事故。

船舶或油轮因碰撞、触损、搁浅等事故的原因造成对水域的油污染，特别是油轮发生事故后油箱的泄漏溢油。

它造成大量的石油泄漏到水域或陆地，对环境造成很大的污染，危害极大。

溢油物理化学过程
油的属性、水动力条件、环境条件决定了物理化学变化过程。

这些过程决定了油层的传输和归宿。

图2.1介绍了油层传输和风化过程。

溢油运动主要影响因素
1.由流场和风场引起的对流;
2.油层的扩展包括紊流扩散和由重力、惯性力、粘性力、表面张力形成的平衡力决定的机械扩展;
3.乳化及垂向上紊流混合;
4.由蒸发、溶解等风化过程引起的质量和物化性质的改变;
5.油与岸线的相互作用，某些悬浮油滴可能附着在悬浮颗粒物质上而慢慢下沉到底部;
6.在长时间内，光化学反应和微生物降解也可以改变油的性质和减少油的量。

油层传输风化过程
油层传输和风化过程
漂移
漂移即平流或对流，是控制表面油层和悬浮油层输运的主要过程。

漂移模拟在整个溢油动态模拟中占据着最重要的地位，只有精确的模拟漂移，才能够对溢入水体的油团进行准确跟踪、定位，这是迅速清除溢油污染、最大限度降低对环境危害程度的先决条件。

表面油层漂移运动的驱动力来自于水体的表层流场和表面风场，而悬浮油层对流运动是悬浮油滴随着水流一起运动。

因此，表面风场对表面油层漂移的影响和表面流场求解是表面油层漂移数值模拟研究的重点。

在几乎所有的模型中，表面油层漂移运动是使用权系数法模拟的。

风
扩展和扩散
溢油刚进入水体后，由于油膜很厚，会迅速向四周扩展，当油层变薄和破裂为碎片可以认为机械扩展停止了。

油层的机械扩展增加了油层面积并加强了风化过程例如蒸发、溶解和乳化。

在溢油最初的数hr内，扩展是影响溢油归宿的主
要过程。

该过程的长短与油的种类、品质、粘性、温度等自身性质密切相关，同时溢油量越大持续时间也越长。

Fay首先提出了在平静水面油膜的自身扩展理论，
该理论认为溢油进入水体后在重力、惯性力、粘性力和表面张力作用下迅速扩展，并根据扩展期间主导力的不同而将扩展划分为三个阶段。

起始阶段，重力、惯性力是主导作用力;中间阶段，重力、豁性力是主导作用力;终了阶段，表面张力、茹性力是主导作用力。

Fay扩展模型以平静水面为背景，认为油膜成圆形扩展，这与实际观测情况相差较大。

实际上，在感潮河流中，由于受上游径流、潮流、复杂的河道形态等多重因数的影响水体运动特别复杂，仅考虑扩展过程的溢油计算往往得不到令人满意的结果。

Johansen、Elliot、Hurfoul以及Pem提出了描述油滴大小和分布的油扩散模型。

这些模型能够较为正确地预测溢油扩散的实际情况，比如，在风向上，油膜成直线并延伸，整个油膜形成带状等。

尽管如此，对在流场和风场作用下油扩展和扩散的机理还需要作进一步研究。

蒸发
蒸发是石油烃的较轻组分从液态变为气态向大气进行质量传输的过程。

石油主要是由碳氢化合物组成的，包括烷烃系碳氢化合物、烯烃系碳氢化合物、环烷烃系碳氢化合物、芳香烃系碳氢化合物等。

低碳组分是非常容易蒸发的，一般含C原子数在14以下的组分绝大部分是可以蒸发的。

石油的这种自身组成特点决定了石油是一种易挥发的物质。

因此蒸发是溢油风化的主要过程之一，是溢油质量传输过程的主要部分，对于轻质原油、柴油、汽油其蒸发量可以达到溢油总量的50%~90%，甚至全部蒸发。

蒸发在改变油层总量、影响油层组成的同时，也改变着油的性质，使油的密度、粘度、表面张力等增加，倾点上升。

此外蒸发还影响着其它风化过程，如扩散、乳化、溶解等。

了解蒸发过程有助于溢油残留量的预报、应急决策的制定和环境损害的评估等。

溢油的蒸发速率受油的组分、饱和蒸汽压、空气和海面温度、溢油面积、风速、太阳辐射和油膜厚度等因素的影响，另外蒸发速率也受到溢油量的影响，溢油量越大，挥发速度越慢。

蒸发作用使油挥发到在大气中，它发生在溢油后的很短的时间内。

油的机械扩展增加了表面油层面积，从而增加了蒸发的速度。

油种、风条件、温度、表面油层面积决定了蒸发量和蒸发速率。

油是复杂的碳氢化合物的混合物，而蒸发速率和油的成分是密切相关的。

在现有的数学模型中模拟蒸发过程的方法主要有单组分法和多组分法两种。

单组分法是通过经验对每种油给出一套相应的油蒸发速率曲线。

多组分法是将油假设为多种碳氢化合物组成的混合物，对各个单独组分分别计算然后
求出总的油蒸发速率。

不管怎样，油的组分变化范围过大，要精确地区分各个组分几乎不太可能，一般是将油的组分划成几个性质相近的区间。

研究表明这个方法可以对油蒸发给出合理的评估。

两种方法都是由Maeky和他的同伴提出的。

在实验室条件下，后一种方法得出更优的结果。

由于现场实际蒸发量很难测量，而现场条件与实验条件有区别，现在还无法验证这些计算方法的准确度。

溶解
石油有极微弱的溶解于水的特性，溶解对溢油动态模拟的物质平衡计算影响甚小，大多数情况下可以忽略。

但由于进入水中的石油烃无论是烷烃还是芳香烃对水生生物都有一定的毒性，另外石油中苯和多环芳烃类都是致癌物质，而很多内陆河流都承担着饮用水水源地的功能。

因此，尽管溶解量与蒸发量相比较小，但考虑到模拟溢油溶解过程、预测其在水体中的浓度有很大的生态学和社会安全意义，一般溢油模型中都会计算溶解量。

石油中的可溶解组分随着扩散过程不断溶解于水体中，影响水体中油的溶解量主要有油源位置、时间和油的组分等。

首先，溢油的溶解量取决于溢油排放源的位置，如穿越河道的输油管道的泄漏，溢油在上浮过程中，大部分低分子芳香烃组分溶解在水中，其中尤其以苯类烃最明显。

另外，溶解量和时间也有一定的规律可循，溢油最大溶解量发生在事故后
8~12h内，然后溶解量呈指数直线下降，这表明挥发和油团运动影响了溶解过程，以总芳烃为例，发生溢油几小时内浓度可达0.01~0.1mg/L，由于油团运动和扩散，浓度很快降低解性能还取决于油的组分，通常轻质的碳氢化合物较易溶于水，水中芳烃。

而油的溶同样，它也蒸发的更快。

Cohen等给出了计算溶解量的方法。

正如蒸发一样可以使用多组分和单组分法计算溶解量，原理相似。

垂向混合和乳化
垂向混合是溢油形成颗粒进入水体的过程，主要包括3个过程：（1）成粒过程，在紊流作用下油膜破碎后形成油粒子的过程;(2)分散过程，油粒子在紊流作用下进入水体的过程;(3)油粒子在水体内的聚合过程，多种物理化学变化过程。

垂向混合能够减少漂浮在水面上的油膜量。

油水界面的表面张力是影响垂向混合程度的重要因素，油的粘度也能影响垂向混合过程，粘度越大，垂向混合能力越差，另外油密度越大，油水之间的密度差就越小，小油粒越容易形成，垂向混合程度越高。

油的乳化是指石油和水混合在一起，经过扰动作用(人工搅动或自然环境中风、流、浪的扰动)，油粒子不断向水相分散，同时水滴也不断侵入油相，形成油包水或水包油乳化物。

油包水乳化物是水滴被分散到油滴里，呈黑褐色粘性泡沫状，它可长期漂浮于水面。

由于吸收大量的水(稳定的油水乳化液一般含水量在50%-60%以上，体积比原来增大，比重和粘度也比原来大的多，乳化物体积、密度、粘度有不同程度的增加，致使蒸发和溶解过程受到极大影响，严重妨碍溢油的清除工作。

乳化过程一般发生在溢油后数小时，因为在溢油之初油膜较厚，水动力条件和外界其他条件不足以破坏油膜的整体性，油膜很难分散形成油粒子，从而不具备乳化的先决条件，随着油膜的不断扩展，油膜面积逐渐增大，厚度不断减小，在风切应力、湍流、波浪等作用下，油膜被分散，此时乳化开始发生。

影响乳化的因素包括油的组成、油膜厚度以及水体紊动程度、温度等环境条件，试验表明，乳化油在水体中垂直分布主要取决于紊流作用。

在紊流的水体中，一些油以悬浮油滴的形式垂向混合到水体中，这些混合到水体中的油滴可以形成乳化油。

一般来说，河流溢油中油的垂向混合和形成乳化油的程度相对海洋溢油较小。

一方面，统计资料表明海洋溢油大多数为原油，而大多数河流溢油为精制油，精制油很难形成稳定的乳化油。

另一方面，波浪、海岸潮汐作用及海洋环境可以促进海洋溢油油层的碎裂，它们是海洋中形成乳化油的主要因数。

在河流中，潮汐和波浪一般比海洋环境少，促进油层破裂的作用力相对较少，但河流中拐弯处的激流与人工构筑物、天然障碍物周围的水流激起大量的紊流，这些紊流也可以令油层破裂并完全混合到水体中。

船舶溢油计算方法
1根据船舶破损计算溢油量
溢油事故发生后，可以根据船舶的破损情况，并结合MARPOL 公约的附则I 中的有关规定计算溢油量。

具体计算方法如下:
①在船侧损坏(c O )和船底损坏(O s )时，如沿船长的一切可设想位置的损坏而 致破舱，达到附则I 第22条所规定的范围，其假定的流出油量应按下列公式计算:
I 、对于船侧损坏:
i i i c W C K O =+∑∑ (1-1)
II 、对于船底损坏:
()13i i i i s Z W Z C O
=+∑∑ (1-2) 1/i i c
K b t =－；i c b t ≥时，i K 取值为0； 1/i i s Z h v =－；i s h v ≥时，i Z 取值为0。

式中:i W 一假定由于附则I 第22条所规定的损坏而致破裂的一边舱的容积(m 3)，对于专用压载舱，i W 可取为零;
i C 一假定由于附则I 第22条所规定的损坏而致破裂的一中间舱的容积(m 3);对于专用压载舱，i C 可取为零;
bi 一所考虑的边舱的宽度(m);在相当于堪定的夏季干舷水平，自船侧向船内中心线垂直计量;
hi 一所考虑的双层底的最小深度(m);如无双层底，则i h 应取为零。

①如果长度小于附则I 第22条所指c l 的一个空舱或专用压载舱，位于两个边舱之间，公式(1-1)中Oc 的计算，可按容积i W 等于与之相邻接的两个边舱之一的实际容积(如果它们的容量相等)或其中较小者的实际容积(如果它们的容量不等)，乘以下列的S i ，对在该次碰撞涉及的所有其他边舱，则取实际的全部容积的值。

1
/i i c S l l ＝－ (1-3) 式中:
i l =所考虑的空舱或专用压载舱的长度(m)。

I 、对于双层底舱，当其上面的舱内装有货油时，只有空载或装载清洁水才能作数。

II 、如果双层底没有延伸到所设计的舱柜的全长或全宽，则该双层底应视为不存在。

船底损坏区域之上的舱柜，即使由于这种局部双层底的设置而未破损，其容积仍应计入公式(1-3)中。

III 、在核定h i 值时，吸阱高度可以略去，只要这类阱的面积不太大，在舱柜下只延伸了一个很小的距离，并且不超过双层底深度的一半。

如果这种阱的高度超过双层底深度的一半，则应等于双层底的深度减去阱的高度。

①如果船底损坏同时涉及四个中间舱，则O s 值可按下式计算:
()14i i i i s Z W Z C O =+∑∑ （1-4）
①如果所设置的货油转驳系统在每个货油舱内有一个应急的较高吸口，能够从一个或几个破舱中将油转驳到专用压载舱或多余舱容的货油舱(如能保证这些货油舱留有充分的空间，则主管机关可认为该系统在船底损坏时能减少油类的流出量。

对于该系统的这种信任，取决于在两小时运转中其所能转驳的油量，相当于所涉及的破舱中最大的一个破舱容量的一半，并且在压载舱或货油舱中能有同等的接收容量。

这种信任应限于允许公式(1-1)计算O s 。

2波恩协议与现场调查法估算溢油量
《波恩协议》是一个关于北海沿岸国家和欧共体处理北海溢油和其他有害物质的国际性的协议，已经有了30多年的历史，取得了卓有成就的成绩，它使得签署国家的利益受到保护，而且仍在发挥作用。

《波恩协议》中对溢油量的判断的理论依据是，凡能造成水色差异或引起海水浑浊度变化的油污染物，均对水体的光谱反射率和发射率有影响。

即从可见光至远红外至微波波段，均可获得不同程度的油污染探测效果。

油膜可以在可见光内获得，随着油膜种类与厚度的不同其光谱反射特征将发生变化，在可见光成像图中油膜表面颜色呈现从灰色至深褐色或黑色的不同颜色。

根据颜色的不同判断油膜的厚度，进而估算溢油量。

溢油进入海后，在重力、风浪的作用下，会不断扩散。

在溢油量固定的情况
下，油膜的面积不断扩大，油膜的厚度不断减小，而且各处油膜的厚度不尽相同，所以简单靠面积或厚度是不能完全反映溢油量的，必须知道各种厚度油膜的面积，才能得到总的现场溢油量。

目前溢油量中油膜的厚度是通过颜色来估算的;溢油
的面积是通过目测油膜的长度与宽度来计算的;各种不同厚度油膜的面积是通过
各种不同颜色油膜在总油膜面积中所占比例来计算的。

从实验中得知，不同厚度的油膜，其对不同可见光谱段的反射率是不同的，所以不同厚度的油膜在肉眼中呈现不同的颜色。

它们之间的关系如表2-1所示。

油膜面积的估算:如油膜形状接近椭圆形，可取长短半径乘积的80%作为油
膜面积。

长短半轴的长度，在油膜面积很大时，可借助测视雷达估算，可让飞机沿油膜边界飞行连续定位求得。

在油膜面积一般时，直接用目估即可。

为提高目估的准确性，可和已知长度的参考物比较。

如某型号的船舶，其长度是己知的，就可作为参考物。

监视现场溢油量，应根据溢油经历的时间，考虑蒸发、乳化等因素推算原始溢油量。

在一般环境下，考虑到有一部分油蒸发到空气中和乳化到海水中，但也有相当多的乳化到海水中后，使油的体积增大。

所以，可把上述结果看成是原始溢油量。

目估溢油量法适用于各种厚度和各种面积的溢油，对于有经验的海洋检查员来讲，可以估算的很准。

表2-1溢油油膜颜色与厚度、体积实验关系
目前，海面溢油量的估算方法一般采用《波恩协议》中建议的油膜厚度估算方法，即利用油膜色彩与油膜厚度的对应关系(表2-1)，再根据原油密度
（0.9431g/cm3）计算出该时间段的溢油量。

其海面溢油量计算公式为:
=⨯⨯⨯（2—1）
G S P Yρ
式中，G为海面溢油量；S为海面溢油面积;P为各色彩油膜所占溢油总面积之比;Y为油膜色彩对应油膜厚度与体积的关系;ρ为原油密度。

3 根据NO.4BD.B.T(S)数据推算
根据NO.4BD.B.T(S)每日测深数据的变化来对燃油舱燃油泄漏量的推算。

首先推测出船舶发生渗漏的时间，然后查阅NO.4BD.B.T(S)的测深记录，找出探测数据在哪天发生突变。

然后询问船长和轮机长造成数据变化的原因，推测出是什么原因造成的。

如果是因为从NO.4BH.F0(S)渗NO.4BD.B.T(S)H.F.O造成的。

则可以通过查阅NO.4BD.B.T(S)的SOUNDING TABLES，在根据船长经验确定出TRIM，然后计算出NO.4BH.FO(S)溢油量。

4 H.F.O变换量计算
根据前后船上的H.F.O总库存量变化与H.F.O正常消耗量的比较来计算出溢油量。

首先根据第三种方法中的前部分分析出漏油时间，然后查阅BUNKERING PLAN得到此时(泵入原油后)在船上H.F.OTANK的燃油油库存量为多少，再查阅轮机日志，在其它的SERVICE TANK (P)为多少，SERVICE TANK(S)有多少，SETT TANK(P)有多少，OVERFLOW TANK有多少，然后把上述量相加。

查出最终的OIL TANKS STATEMENT此时船土的H.F.O存量为多少，用上面的加和
减去H.F.O存量，在乘以H.F.O的比重，得出总共减少的油量。

然后根据轮机日志记载，查出这段时间的船舶消耗H.F.O，用上面的减少的油量减去船舶消耗的油量，就得出NO.4BH.F0(S)的泄漏量。

5遥感技术判定溢油量
卫星图像是利用卫星遥感方式获得的资料，客观真实的记录了地球表面的地物辐射(包括反射和发射)电磁波的强弱变化。

对于海域而言，大面积的海水在性质、表面特征、成分、状态等方面产生的不同就导致了卫星影像灰度上的差异，而卫星影像灰度的差异对用户而言，最直接的反映就是影像色调的差异。

油信息的解译过程中基本上采用了上述方法。

但根据溢油污染的特殊性，反映在影像上其灰度值不同，因而表现在颜色、纹理等方面存在着很大的差异。

一般溢油图像解译过程包括:
①根据影像色调直接判定油膜污染物;
①采用海图和地理信息基础数据对污染物进行定位;
①利用连续几天的卫星影像资料，分析污染海域灰度值异常区是否随时空漂移、扩散，从而确定是否为污染物;
①利用三原色反射率的大小来分辨污染物和海水，这种方法比目视解译更客观、更科学、更精确。

海上溢油卫星遥感监测除了受到云雾的影响外，在晴天条件下还受到光线入射角、风浪、海流、潮汐、水色和海面温度等因素的影响，不同的油种图像反映也有较大的差别，因此，海上遥感图像解译要比陆地复杂得多，至今为止国内外对海上溢油图像解译没有形成统一的模式。

利用卫星溢油图像计算溢油面积采用了两种方法。

方法一是利用遥感图像处理软件，将溢油异常区域勾画出来，处理软件直接计算出所勾画溢油异常区的像元点数，然后输入卫星的水平分辨率和单位，最后计算出溢油面积。

方法二是利用海图或电子海图，先将卫星溢油图像叠加在海图或电子海图上，利用海图计算出溢油面积。

通过计算实验比较，两种方法的计算误差不超过5%。

首先在卫星溢油图像上，对溢油异常区按颜色精细划分成各个小区，计算出各小区溢油面积，然后利用油膜颜色和灰度值与油膜厚度之间的对应关系表确定出各小区溢油厚度，最后根据溢油品种的密度计算出溢油量。

计算溢油量的基本
表达式为:
1n i i i G S
H ρ==⨯⨯∑ （3-1）
式中，G -溢油量;i S 一各小区溢油面积;i H 一各小区溢油厚度;ρ一溢油的密度；n 为小区数。

6在精细计算方面，许多学者应用流体力学计算软件FLUENT ，用数值模拟的方法模拟出油舱内的油在静止海面上、在正弦波作用下的有风的海面上以及海面上的溢出过程，并计算油船破损处的溢油量及该溢油量在海面上运动过程。

油污治理方法
1.物理方法
一般来说，处理水面溢油的最理想的方法是物理清除，采用物理清除可以避免对环境的进一步污染，但不适合清除乳化油。

大致分为围栏法、吸附法和油拖把法。

（1）围栏法
石油泄漏到海面后，应首先用围栏将其围住，阻止其在海面扩散，然后再设法回收。

围油栏的种类很多，较为常见的是乙烯柏油防水布制作的带状物，在紧急的情况下，也可用泡沫塑料、稻草捆、大木料、席子、金属管等物替代。

正规的围油栏在构造上分为浮体、垂帘和重物三部分。

浮体部分浮在水面，防止浮油越过;垂帘位于浮体下面，形成围栏，防止油从下面溢走;重物垂在垂帘下而，使其保持垂直稳定。

在较平静的水域正确使用围油栏，能够有效地防止浮油进一步扩散。

但在有波浪的情况下，当浪头涌起的时候，浮油可能被冲过围油栏，使收集在围油栏同的浮油被冲走，当风浪很大时，用锚定位的围油栏常常会没入水中。

不管何种形式的围油栏，都要靠机械方法来回收栏内的浮油，且最终回收的油水，都需采取进一步分离措施并且要防止产生火灾或爆炸的危险。

（2）吸附法
回收水面浮油，主要采用吸油性能良好的亲油材料。

制作吸油材料的原料有高分子材料，无机材料和纤维。

对于聚合物用的比较多的是由聚丙烯或聚亚安酷做的人工合成吸收剂。

它的抗水性能和亲油性能都很好，但是最大的缺点是用后不能生物降解。

作为溢油清洁物质，很多天然吸收剂，如棉花、羊毛、乳草属植。