基于改进的AHP和可拓理论的海上石油平台溢油污染等级评估

张可 刘晓佳

摘要：

针对海上石油平台溢油污染评价指标与污染程度关系复杂，污染等级难以确定等问题，提出一种基于改进的AHP和可拓理论的海上石油平台溢油污染等级评估方法。构建海上石油平台溢油污染评价指标体系，引入物元可拓理论和改进的AHP，建立基于改进的AHP和可拓理论的溢油污染等级评价模型。通过两个实例进行验证，结果表明该方法计算过程简便、分辨力强，评估结果更加客观合理，可为环境保护及应急决策部门采取应急对策提供科学依据。

关键词：

溢油; 污染等级; 可拓理论; 层次分析法（AHP）; 石油平台

中图分类号： U698.7;X55;X822

文献标志码： A

Evaluation on oil spill pollution level of offshore oil platform

based on improved AHP and extension theory

ZHANG Ke， LIU Xiaojia

（a. Navigation College; b. Institute of Maritime Traffic Safety， Jimei University， Xiamen 361021， Fujian， China）

Abstract：

In view of the complicated relationship between evaluation indices and pollution levels of oil spill pollution of offshore oil platform， and the difficulties in determining the pollution levels， a method based on the improved AHP and the extension theory is proposed to evaluate the oil spill pollution level of offshore oil platform. The evaluation index system of oil spill pollution of offshore oil platform is constructed. The matter-element extension theory is introduced and AHP is improved. The evaluation model of oil spill pollution level is proposed based on the improved AHP and the extension theory. Two instances are used to validate the method. The results show that the method is of simple calculation process and high resolution， and the evaluation results are more objective and reasonable. The evaluation results can provide scientific basis for environmental protection and emergency decision departments to take emergency measures.

Key words：

oil spill; pollution level; extension theory; analytic hierarchy process （AHP）; oil platform

收稿日期： 2017-06-20

修回日期： 2017-09-27

基金項目： 福建省自然科学基金（2015J05138）;福建省教育厅项目（JA14176）

作者简介：

张可（1991—），男，河南周口人，硕士研究生，研究方向为交通运输规划与管理，（E-mail）zhangke_2015@126.com;

刘晓佳（1979—），女，黑龙江富锦人，副教授，硕导，博士，研究方向为交通运输规划与管理、交通安全保障与技术和应急交通决策技术，（E-mail）happylxj1314@163.com

0 引 言

近年来随着经济全球化及航运市场的不断发展，各国对石油的需求量也在急速增长。我国海关总署最新数据显示，2016年我国进口原油38 101万t，同比增长13.6%，石油进口量位居全球第二、亚洲第一。在人类对石油依赖程度越来越高的情况下，一批石油钻井平台转移到海洋，海上石油平台越来越多，随之也产生了一系列问题，其中尤为严峻的是海上石油平台溢油污染问题。 2009年8月21日，位于澳大利亚西部的“西阿特拉斯”海上钻井平台发生地下井喷事故，导致每日流入海洋的原油多达2 000桶，泄漏海域污染面积较广。原油污染可能影响海龟、海蛇及小型蓝鲸等多种珍稀生物。 海上重大溢油事故不仅会造成人命伤亡和财产损失，还会严重污染甚至破坏海洋生态环境[1]。国内外学者对海上溢油污染清理及污染等级评估等进行了相关研究：陆梦[2]以最短路径为基础，为求得最短应急调度时间建立了应急点选址模型;熊德琪等[3]开发了一种新的预报信息系统，针对珠江水域特点进行了溢油预报，通过仿真验证了其预报效果较好;刘泽超[4]在对历史溢油事故总结的基础上运用模糊综合评价模型对长岛海域船舶溢油事故进行了评价，并针对长岛海域现状给出了建议及举措;KANKARA等[5]利用沿海资源信息系统及石油泄漏轨迹模型对海岸风险和敏感资源进行了分析;岳汉秋等[6]采用AHP确定指标权重，并利用模糊综合评价模型对研究海域溢油事故危害进行了评估;WANG等[7]在建立海上石油泄漏应急保障能力评估指标体系的基础上建立了结构方程模型，然后利用该模型分析了各因素对应急保障能力的影响，并得到了应急保障能力影响指数;XING等[8]利用卫星图像检测了船舶及海上石油平台分布情况，得出了研究海域船舶和石油平台的溢油风险地图;吕妍等[9]运用AHP建立了钻井平台的溢油风险评价指标体系，然后运用多级模糊综合评价模型对平台溢油风险进行综合评价。 虽然目前对海上船舶溢油评价有较多研究，但是对海上石油平台溢油的研究还不多，并且存在研究方法繁琐、评价指标单一带来的结果不尽合理的问题。物元可拓理论[10]具有以矛盾问题为研究对象的独特性质，可较好地用于多个领域的方案模型评价。基于此，鉴于海上石油平台溢油污染评价涉及的指标具有多样性及模糊性特点，且由各个单因素评价得到的结果存在一定的不相容性，本文应用物元可拓理论评价海上石油平台溢油污染等级，提出一种适用于海上石油平台溢油污染等级评估的新方法。

1 海上石油平臺溢油污染评价指标体系

海上溢油事故的发生过程是一个动态的变化过程，对溢油事故污染等级的预测结果也是动态的，其反映的是溢油后对周围环境短时间内的影响。因此，溢油污染程度评估受到很多因素的影响，具有较大的不稳定性。鉴于要考虑的评价指标具有多层次、综合性的特点，为对其统一考量，必须建立统一的评价指标体系。从科学性、可比性和相对独立性等角度出发，通过对海上溢油风险源的深度分析及对海上溢油事故多种影响因素的识别，选出具有代表性的综合评价指标，构建真实反映海上石油平台溢油污染程度的评价指标体系。确定指标体系的一般流程为指标初选、指标初定以及指标最终确认。通过咨询专家进行打分并采用德尔菲法进行确定。通过匿名方式进行几轮专家意见的咨询，并对每轮专家意见进行汇总、整理和反馈，在专家意见基本趋于一致的情况下最终确定可靠性较大的评价指标体系。

本文在参考文献[11-12]、其他研究成果及专家咨询的基础上，最终选取18个指标构建海上石油平台溢油污染评价指标体系（见表1），然后用构建的基于改进的AHP和可拓理论的评价模型对海上石油平台溢油污染等级进行评估。

表1 海上石油平台溢油污染评价指标体系

2 海上石油平台溢油污染等级评估模型

2.1 物元的定义

假设给定事物为N，特征为c，特征量值为v，用其组成的三元组来描述事物的基本元，称作物元[13]。物元用R表示，R=（N，c，v），其中，v由N和c确定，记作v=c（N）。事物具有多个特征时，如事物N以n个特征c1，c2，…，cn和相应的量值v1，v2，…，vn描述，可表示为

R=Nc1v1

c2v2

cnvn=Nc1c1（N）

c2c2（N）

cncn（N）

2.2 海上石油平台溢油污染等级可拓体系

在海上石油平台溢油污染分级中，按照传统的评判方法不能有效综合考虑各个因素对事故等级评估结果的影响，因此本文建立物元可拓模型对各个指标进行描述。在咨询相关专家及参考文献[12]的基础上，确定海上石油平台溢油污染等级及等级值，见表2。

能见度与当时的天气情况密切相关，能见度较低时对井口、油气生产设施等区域的观测及视频采集等工作受到影响，不仅给应急部门的清污带来很大的困难，也对清污船舶及工作人员的自身安全构成严重的威胁，这都有可能导致溢油污染等级的增大。风向对溢油的影响主要体现在溢油漂移扩散的方向及地点上。根据风向对溢油可能漂移扩散到的海域的敏感程度进行等级划分。

参照等级表构建3种物元模型：

（1）海上石油平台溢油污染等级经典域物元模型为

表2 海上石油平台溢油污染等级评估

Rj=Njc1x1j

c2x2j

c18x18j

其中：Nj为所划分的第j个评价等级;xij=（aij，bij）为Nj的溢油污染评价指标ci的量值范围，i=1，2，…，18。

（2）海上石油平台溢油污染等级节域物元模型为

Rp=Nc1x1p

c2x2p

c18x18p

其中：N为待评估对象（海上石油平台溢油污染事故）的全体;xip=（aip，bip）为N的溢油污染评价指标ci的量值范围，i=1，2，…，18。

（3）针对某一具体海上石油平台溢油污染事故的待评估物元模型为

R=Pc1x1

c2x2

c18x18

其中：P为某一具体的评估对象;xi为P的溢油污染评价指标ci的具体数值，i=1，2，…，18。

2.3 海上石油平台溢油污染等级关联矩阵确定

取值为实数轴上的关联函数能够很好地表示可拓集合，用代数式将定性问题定量化。利用关联函数把物元中的每个元素都映射到实数轴上，来表述实数轴上的一个点x与2个区间X0=[a，b]和X=[c，d]，X0X。

对于溢油污染等级物元，通过关联函数的大小确定海上石油平台溢油污染等级物元与哪一层次更为相符。

关联函数为

f（x）=ρ（x，x0，X0）ρ（x，X）-ρ（x，X0）， ρ（x，X）-ρ（x，X0）≠0

-ρ（x，x0，X0）-1， ρ（x，X）-ρ（x，X0）=0

其中：ρ（x，x0，X0）为点x与区间X0关于给定的点x0∈X0的侧距;ρ（x，X）和ρ（x，X0）为点与区间的距。

ρ（x，X0）=x-a+b2-b-a2

ρ（x，X）=x-c+d2-d-c2

考虑到绝大多数评价指标为成本型指标（即指标值越小越好），故本文x0最优取值为a，即x0=a时，具有最理想的效果。

简化公式为

ρ（x，x0，X0）=a-x， x≤a

x-b， x>a

对于本文的18个评价指标和5个溢油污染等级，组成一个18×5的关联矩阵，记为F。

2.4 改进的AHP

针对传统的1-9标度AHP存在判断差异不明显、判断标度值不易确定且操作起来较繁琐等问题，本文采用改进的AHP[14]。该方法具有良好的判断传递性和标度值合理性，有利于决策者在两两比较判断过程中提高准确性。

（1）由专家得出比较矩阵A=（aik），其中aik为因素i与因素k的重要性比较。

aik=-1，因素i劣于因素k

0，因素i等于因素k

1，因素i优于因素k

（2）计算指标的重要性排序指数ri。

ri=nk=1aik

（3）构造最优传递矩阵B，其中：

bij=1nnk=1（aik-ajk）

（4）求B的一致矩阵即判断矩阵C，其中：

cij=exp（bij）

（5）层次单排序特征向量满足

CW=λmaxW

其特征向量利用方根法求得，即

W=（ω1，ω2，…，ωn）

其中：

ωi=nnk=1ciknk=1nnk=1cik

（6）求得C的特征向量，分级求取并进行归一化处理，即得各指标的权重。

2.5 海上石油平台溢油污染等级确定

根据评估要求，在利用改进的AHP确定权重W的基础上，求出评估结果：

P=WF

最终确定的溢油污染等级为矩阵P中的最大值对应的溢油污染等级。

3 模型应用

3.1 确定指标权重

经专家咨询，首先对一级指标进行排序即确定指标重要程度，然后对二级指标进行排序。用三标度法列出各个指标的判断矩阵。

一级指标重要性排序为溢油量、气象要素、油品特性、溢油位置、水文要素，判断矩阵见表3。

一级指标对应的二级指标判断矩阵见表4～8。

利用改进的AHP得到一级指标权重，即

W=（0.277 6，0.196 8，0.160 8，0.236 0，0.128 8）。

一级指标对应的二级指标权重为

W1=（0.271 2，0.319 1，0.225 8，0.183 9）

W2=（0.316 7，0.270 6，0.226 7，0.186 0）

W3=（0.385 7，0.332 7，0.281 6）

W4=（0.385 7，0.332 7，0.281 6）

W5=（0.316 4，0.226 7，0.186 5，0.270 4）

表3 一级指标判断矩阵

表4 溢油量判断矩阵

表5 油品特性判断矩阵

表6 溢油位置判断矩阵

表7 气象要素判断矩阵

表8 水文要素判断矩阵

最終，18个二级指标的权重分别为

0.075 3，0.088 6，0.062 6，0.051 1，0.062 3，0.053 3，0.044 6，0.036 6，0.062 0，0.053 5，0.045 0，0.091 0，0.078 5，0.066 5，0.040 7，0.029 2，0.024 4， 0.034 8。

3.2 构建基于改进的AHP和可拓理论的海上石油平台溢油污染等级评估模型

经典域物元R1～R5和节域物元Rp可具体表示为

R1=N1c1（0，0.6]

c2（0，4]

c18（0，0.5]

R2=N2c1（0.6，3.0]

c2（4，15]

c18（0.5，1.5]

R3=N3c1（3.0，10.0]

c2（15，20]

c18（1.5，3.0]

R4=N4c1（10.0，30.0]

c2（20，30]

c18（3.0，9.0]

R5=N5c1（30.0，180.0]

c2（30，200]

c18（9.0，25.0]

Rp=Pc1（0，180.0]

c2（0，200]

c18（0，25.0]

3.3 案例分析

案例1 已知渤海埕岛油田开发区CB6A-5井发生溢油事故，总溢油量为90.7 t。溢油事故发生时海面风速约为6 m/s，能见度为950 m，表层流速为0.52 m/s，表层水温为13.5 ℃，波高为2.3 m，溢油扩散深度为1.5 m，油膜厚度为500 μm。泄漏原油为中质原油，其API度为22，闪点为52 ℃±5 ℃，黏性约为550 mPa·s。该平台离岸距离约为16.5 km，岸线类型为粗沙海滩，溢油时间跨度为100多天。据估计，溢油平均速度为0.5 t/d，风向与海域敏感资源成一定的角度。沿岸及海上不存在旅游区。上述数值为实测值。

基于上述构建的模型，构建待评估物元R，经计算得出最终评估结果为P=（-0.235 5，-0.242 3，0.095 2，-0.110 3，-0.514 1），其中最大值为0.095 2，故得知CB6A-5井溢油事故污染等级为中度污染。

案例2 渤海绥中36-1平台溢油，总溢油量为2.6 t，扩散速度一般。溢油事故发生时海面风速约为5 m/s，表层流速为0.51 m/s，表层水温为10.5 ℃，波高约1.4 m，溢油扩散深度为0.3 m，油膜厚度为30 μm， 能见度较好（大于1 000 m）。泄漏原油为轻质原油，其API度约为36，闪点约为122 ℃，黏性为385 mPa·s。该平台离岸距离约37 km，岸线类型为粗沙海滩。溢油后2 d时间内完成了油田附近海面油膜的清理工作。据估计，溢油速度为1 t/d， 溢油位置基本处于较开阔海域，不存在自然保护区、养殖区。沿岸存在旅游区，但其距岸较远。该海域存在对油类敏感的成体生长区，风向与海域敏感资源相反。

基于上述构建的模型，构建待评估物元R，经模型计算得出最终评估结果为P=（-0.144 6，0.284 9，-0.061 8，-0.555 6，-0.694 5），其中最大值为0.284 9，故得知36-1平台溢油事故污染等级为轻度污染。

通过对比发现，评估结果与事故报告结果一致。构建的评价模型具有较好的评估能力且计算过程相对简单，能够很好地评估海上石油平台溢油危害程度，可为相关部门迅速采取应急对策提供参考。

4 结 论

本文在海上石油平台溢油污染等级评估相关研究的基础上确定了更加全面的评价指标体系，并提出一种基于改进的AHP和可拓理论的溢油污染等级评价新方法。改进的AHP具有良好的判断传递性和标度值合理性，构建的可拓理论模型计算过程简便、分辨力强，能迅速准确地评估溢油污染等级。基于改进的AHP和可拓理论的评价模型能够提供更为准确的信息，使复杂情况下的海上石油平台溢油污染等级评估更加准确，同时也为海上溢油污染等级评估提供了一个新方法。

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