作品展示栗宝鹃:海洋探测技术在溢油检测和识别中的应用

一、海洋溢油的产生

以墨西哥湾海洋石油平台泄漏事故（图1）为例，2010年4月20日，该区域有一石油钻井平台——“深水地平线”发生事故并起火爆炸，4月22日，根据海下探测器探查结果，海下钻井隔水导管和钻探管开始漏油，4月27日，漏油量由最初的5000桶左右升至25000桶左右，逐渐升级为美国历史上最严重的一次漏油事件。这次石油泄漏事故对海洋环境产生重要的影响，后来被彼得·博格拍成著名的灾难片《深海浩劫》，最初，泄漏的原油在海面上的漂浮带长约200公里，宽100公里，后来还在继续扩散，远远超过海洋环境的自净能力，由此产生海滩被毁、渔业受损、脆弱物种灭绝等一系列严重后果，给当地海洋生物和生态环境带来一场毁灭性的灾难。

图1 墨西哥湾溢油分布图像

二、海洋溢油的状态

泄漏的原油并非像“浒苔”那样漂浮在海面，而是根据油水密度比、洋流和沉积过程相互作用等因素的影响，产生不同的状态（图2）。

⑴当油水密度比小于1时，如果在沉积过程分子之间相互作用力比较强大，则存在以下三种情况：①石油扩散到海岸，并且与泥沙混合在一起；②在与泥沙混合之前，由于波浪作用，悬浮在水体之中；③石油与泥沙分离之后，进行再次漂移。

⑵当油水密度比小于1时，如果在沉积过程分子之间相互作用力比较弱，则存在以下三种情况：①快速形成油滴；②由于过度冲刷作用逐渐风化；③在远离溢油点的海岸，油滴重新聚合在一起。

⑶当油水密度比大于1时、如果洋流作用强，并且在沉积过程中分子间相互作用力也较强，那么随着洋流作用减弱，最初形成油滴颗粒可能会沉入水底。

⑷当油水密度比大于1时、如果洋流作用强，但沉积过程中分子间相互作用力较弱，随着洋流作用减弱，油滴不仅会慢慢下沉，还会在海底大范围分布。

⑸当油水密度比大于1时、如果洋流作用较弱，则油滴会直接沉在海底。

图2 海洋溢油的不同状态

海洋溢油在自身物理性质、波浪和洋流等水动力条件、油品本身与海水相互作用等因素的影响之下，经过扩散、漂移、蒸发、溶解、分散和乳化等作用，最终在海水中以三种状态存在：漂浮在海面上的称为“浮油”或“海面溢油”；与水体中的悬浮颗粒物或潮滩沉积物相互作用，具有中等或接近中等的浮力，形成“半潜油”或“水中油”。“半潜油”经过一段时间之后，有的会浮出水面，也有的会沉入海底，在下沉力的作用下，原油直接下沉或在风化一段时间后沉入水底的则称为“沉底油”。

在对不同状态的海洋溢油进行清除之前，首先需要确定其分布位置及范围，因此，针对海面溢油、半潜油和沉底油，需要采用不同的海洋探测技术进行识别和定位。

三、海面溢油探测

海面溢油在海洋表面形成油膜，这层油膜的存在不仅破坏了大海的美丽景色，还给海洋生态环境造成重大影响，比如阻断正常的海气交换过程、降低海洋生产力、破坏生态平衡、影响海洋生物链的循环等，因此，当海面溢油产生之后，要在尽量短的时间之内进行清除处理，并且尽量快的使海洋生态环境复原。在对海面溢油进行清除之前，首先要明确海面溢油的位置、范围及漂移趋势，因此，需要借助海洋探测技术对海面溢油进行识别和描述。

可用于海面溢油探测的主要包括遥感技术、跟踪浮标等技术。遥感技术以雷达为主，根据搭载方式，分为星载、机载或船载雷达三种：星载雷达是搭载雷达对地观测的遥感卫星的统称；机载雷达，是指利用飞机、飞艇等作为传感器运载工具在空中进行的雷达探测的技术，是由航空摄影侦察发展而来的一种多功能综合性探测技术；船载雷达指通过发射雷达信号并接收雷达回波来进行探测，这里主要介绍合成孔径雷达（SAR）与激光荧光雷达进行海面溢油监测的技术方法。

⒈ SAR探测技术

SAR是一种融合微波、数字信号处理、图像处理、海图、网络等多种先进技术的高科技设备，该设备向目标区发射特定频带范围的电磁波信号之后，通过接收到的回波反射信号实现对目标的探测和识别，因此，主要功能包括三部分：向目标发射信号、接收从目标传回的信号、对信号进行检测和分析。在对回波反射进行信号处理与分析的基础之上，最终生成遥感图像，图像亮度代表回波反射强度，所以，主要根据回波反射图像对目标进行解释和识别。

在探测条件明确的前提下，遥感图像的亮度与探测目标表面的光滑或粗糙程度、复介电常数、含水量等因素有关，在海面溢油存在的情况下，决定遥感图像亮度的主要是海面的光滑或粗糙程度。当海面存在油膜时，海水表面被覆盖，海水的表面张力和粗糙度发生变化，海面变得平滑。由于SAR在光滑的海水表面发生镜面散射，导致传感器接收到的散射回波减少，在遥感图像表现为黑色斑块或条带状特征（图3）。在遥感图像识别的基础之上，进一步借助风速、航道等现场信息进行验证，由此实现对海面溢油进行正确识别的目的。

图3 利用SAR海面溢油探测原理

⒉ 激光荧光雷达探测技术

激光荧光雷达是一种主动传感器，其基础是物质荧光谱理论，油类物质具有良好的荧光特性，当油类中的化合物受到适当波长和能量的激光照射时，便会激发出更长波长的荧光。其中荧光光谱是由组成油类的有机物成分决定，直接与有机成分的分子结构相关，通过对荧光光谱的解读，就可以实现对油类的检测与识别，这也是利用激光诱导荧光的方法对海面溢油进行监测的基础。

激光荧光雷达系统以专家系统、GPS接收器、测距仪为主，还包括惯导系统、数据存储、可视化系统及通信装置。主要组成部分的功能如下：专家系统包括实时处理系统和后处理系统两部分，主要功能是对激光荧光谱进行分析；GPS接收器用来记录激光荧光谱的位置；测距仪用于确定激光焦点的位置。激光雷达将溢油探测的结果传回海洋溢油事故处理指挥中心，可提供有效的数据支持，并辅助进行溢油决策实施。

四、半潜油探测

水下溢油对海洋生物群落与生态环境有着重要的影响，这部分溢油的检测和处理，对海洋环境的安全和保护发挥着关键作用。目前，在水下溢油的划分方面存在分歧，这里需要先引入“沉潜油”的概念，第一种观点认为，沉潜油等同于水下溢油，包括半潜油和沉底油；第二种观点认为，沉潜油为半潜油，水下溢油包括沉潜油与沉底油。本文以第一种观点为准。

相对于海面溢油检测与识别，水下溢油探测的技术方法更为复杂，主要涉及海底影像探测、声学探测、紫外荧光探测、化学分析等技术方法。其中，对半潜油的探测以海底影像探测、紫外荧光探测、化学探测方法为主，所需要的海底影像探测设备、紫外荧光传感设备和化学采样设备均搭载在潜水器上，比如ROV（遥控无人潜水器）、AUV（无缆水下机器人）等。

⒈ 海底影像技术

海底影像技术主要借助航行器搭载水下影像设备进行探测。在航行器搭载海底影像设备进行水下溢油探测的过程中，航行器以船载ROV或AUV为主，水下影像设备主要是适用于水下拍摄的照相机、摄像机等，通过对摄像、影像记录进行分析，得出对溢油情况的确定性判断。

海底影像设备的优点是比较直观，不仅探测准确，还便于操作，拥有较高的工作效率。不足之处在于对水深和透明度的要求较高，在水下环境较暗、水中含沙量较多、水草或海藻等植被存在的情况下，不利于溢油的准确探测与识别，此时，还需借助潜水员下潜摸排等方法对目标的准确性进行判断。

⒉ 紫外荧光探测技术

在对紫外荧光技术进行探讨之前，首先了解荧光现象。当某些物质被光照射后，会吸收某些频率的光，从而发射出波长更长的光；当照射的光停止时，发射的光也随之消失，这就是荧光现象，发出的光称之为荧光。

水中油膜具有荧光特性。所谓荧光特性，指的是分子（如芳烃化合物）在被电子激发后至其基态产生的特性。处于基态的分子，当吸收了一定频率的光之后，便被激发至电子激发态的某个振动能级，然后通过互相碰撞消耗掉这部分振动能级之间的能量，当振动能级下两道基态不同振动能级之时，就会以荧光的形式发射能量。

如海水中含有原油和溶解油，其中某些特定化合物，如多环芳烃、烷烃分子等，在吸收紫外线之后会发射荧光，由此可以实现对海水中含油化合物的快速检测。水中油产生荧光除了要产生电子吸收光谱的特征结构之外，还需要较高的荧光效率，荧光效率指的是发出荧光的光子数与所吸收激光的光子数的比值，因此，在很稀的溶液和固定液层厚度的情况下，荧光强度和溶液浓度成正比，这也是实现荧光定量分析的基本依据。

由此，根据烃类的荧光性及荧光特性的产生条件，利用以紫外荧光技术为基础的紫外荧光传感器，可实现对水中油的探测与识别。

⒊ 采样分析技术

通过对水样进行化学分析，由此达到对水体中含油与否进行判断的目的。化学分析方法主要通过识别水体组分来确定油的存在，主要包括质谱分析方法和紫外荧光计分析方法。紫外荧光计的方法原理与紫外荧光传感器相同，不同之处在于，紫外荧光计是直接对采样样本进行采样分析。这里主要介绍质谱分析法实现对水中油的检测。

质谱分析主要用来探测低分子质量的烃类，该方法通过在高真空系统中测定样品的分子离子及碎片离子的质量，来确定样品的相对分子质量和分子结构，当溢油事故发生之后，烃类溶解于水中，质谱分析方法通过对海洋环境中溶解的碳氢化合物进行分析，达到对含油与否进行判断的目的。

五、沉底油探测

海洋溢油沉入水底，形成沉底油（图4）。沉底油对海洋生态环境影响严重，如不及时清除，还会在波浪、洋流等水动力条件下移动，在更大的范围之内对生态环境产生影响。在水下溢油探测的技术方法中，用于沉底油检测和识别的主要有声呐探测技术和潜水器搭载各种传感器的水下探测技术，其中，声呐探测技术为沉底油探测的基础和主要技术手段，水下探测器搭载各类传感器进行探测，对沉底油的探测结果进行验证。

图4 沉底油海底状态

声呐探测技术以声波传播为理论基础，借助声呐探测设备与声呐图像实现对海底目标的探测和识别。声呐探测设备主要有发射器、换能器、目标物、接收器及显示系统五部分组成，首先，换能器将发射器发出的电信号转换成声信号向目标传播；然后，目标产生的回波反射信号又经过换能器转换成电信号；最后，这部分电信号经过接收机处理之后，在显示系统形成声呐图像，根据声呐图像可以实现对目标的探测和识别。

声呐探测技术利用声波对海底目标进行探测和识别，主要根据回波反射特征的差异性。因为油比沙的反射率低，因此，在利用声波对沉底油进行识别之时，其回波反射与周围沉积物存在差异性，声波遇到这些界面表现为不同的回波反射特征，在地势相对比较平坦的前提下，反射率低的表现为阴影区，反射率高则为亮区，依据上述原理，对沉底油进行探测与识别。

图5 利用声呐技术进行沉底油探测技术原理

但声呐探测的结果存在不确定性，因此，需要以水下探测技术为基础，借助航行器搭载不同类型的传感器设备对声呐探测的结果进行验证，比如影像设备、荧光传感器等，这些与半潜油探测技术类似。

以上就是针对不同类型的海洋溢油进行检测和识别的技术方法。“面朝大海，春暖花开”，是很多人梦想中的胜地，但是面对什么样的大海呢？肯定是蔚蓝色的大海。但是目前，石油是当今世界的主要能源之一，其开发和利用程度与社会经济的发展息息相关，海洋石油又在其中占有相当大的比重，对这部分石油的开发和利用也自是难免。

“有则因事为制，无则未雨绸缪”，亟待需要加强对海洋溢油探测技术的研究。以海洋探测技术为基础，对海面溢油、半潜油、沉底油这三种状态的海洋溢油进行探测，由此得到对溢油分布位置、范围、特点等确定性的数据，为海洋溢油应急提供数据支持和决策支持，在海洋生态安全和环境保护中发挥着重要的作用。

的报告提出，要“提高海洋资源开发能力，发展海洋经济，保护海洋生态环境，坚决维护国家海洋权益，建设海洋强国”，因此，更需加强海洋探测技术在溢油监测中的应用研究，在开发海洋资源、发展海洋经济的同时，保护好海洋生态环境，为建设海洋强国而努力。

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