长江干线船舶事故性溢油应急处置模式与应急站点选址研究*

文元桥 宋荣鑫 张 帆3,* 韩 栋 隋忠义 陈华龙

(国家水运安全工程技术研究中心1) 武汉 430063) (武汉理工大学智能交通系统研究中心2) 武汉 430063)(内河航运技术湖北省重点实验室3) 武汉 430063) (武汉理工大学航运学院4) 武汉 430063)

0 引 言

针对事故性溢油，传统的应急处置模式主要包括：溢油事故发生后溢油的围控、溢油的回收两方面.前者是当溢油事故发生后，为防止溢油的进一步扩散，溢油应急围控力量在第一时间赶到事故发生点并开展围控工作.后者是在溢油扩散得到控制之后，应急清污力量对溢油开展的回收和对水面的清污工作等.

对于应急站点的选址，相关的研究主要包括：对选址模型及其算法的研究.水上应急选址模型方面，刘益等[1]针对水网地区特殊的地理特征，利用k-means聚类算法确定需求点的位置，进一步完成该地区危化品的选址及优化配置；计明军等[2]提出基于点状需求的设施选址模型，构建了全覆盖模型下的最小成本选址模型；田书冰等[3]建立了溢油应急需求水域风险评价体系，构建了以加权距离最小为目标的溢油应急设备点选址模型等.对选址算法的研究中，传统的选址模型包括：p-中值模型、p-中心模型、覆盖模型(包括集合覆盖模型和最大覆盖模型)[4-7]等.基本模型可以解决较为简单的实际问题，而应急救援选址通常与多方面因素有关，如应急救援时间，成本，覆盖率等，在解决大规模应急救援的选址方面还存在很多的不足，因此需要建立多目标的决策模型进行求解[8].在多目标决策模型的求解中，典型的算法包括：加权求和法[9]、ε-约束法、遗传算法等.

目前的水上溢油应急选址模型主要参考海上的溢油应急选址模型.海洋具有水面宽阔，流速较小的特点，易于对溢油进行围控、回收.而长江干线具有宽面窄，流速大的特点，当溢油发生后，在水流的作用下，溢油会快速向下游和周围水域扩散，不利于对溢油的应急围控及进一步的回收，如果处置不当，将会对长江沿线的生态环境造成严重的影响.因此，亟须针对长江干线的环境特征，提出科学合理的溢油应急处置模式，合理的选择应急救援点.

针对长江干线的地理、水文等要素特征，以长江干线各缓流区为节点划分航段，对每一航段提出以应急时间最短、成本最小为目标函数的多目标决策优化模型，提出相应的算法流程，利用LINGO软件进行优化求解，得到模型的最优解，最终建立长江干线的溢油应急选址模型.

1 长江干线溢油应急处置模式设计

1.1 应急处置模式基本思路

1) 敏感水资源保护区进行分区分级 根据《饮用水水源保护区污染防治管理规定》对长江干线敏感水资源水域进行分级并设置保护点，分为一级保护点、二级保护点，以及一般保护点.一级保护点与二级保护点分别对应饮用水水源保护区分级标准，一般保护点为长江干线沿线分布的各取水口附近水域.针对敏感保护区的重要程度设置不同的应急响应时间，保证在最短的时间内敏感保护区采取与其重要程度相对应的行动，避免其被溢油污染.

2) 溢油应急设备站点选址与配置策略 根据国家水上交通安全监管和救助系统对长江干线风险水域的划分，可将长江干线的风险程度划分为高风险水域、较高风险水域与一般风险水域三种类型，根据风险等级可对不同水域设置不同的权重进行选址，最后根据不同的各应急点不同的功能需求配置相应的应急设备.溢油应急处置模式示意图见图1.

图1 长江干线溢油“围控-引导-回收”模式示意图

将溢油应急救援区划分为围控区、引导区及回收区三部分，各区域在溢油应急救援时发挥不同的作用，功能见表1.

1.2 应急站点选址影响因素

长江干线溢油应急救援点的选址与多方面因素有关，见图2.

表1 各区域功能示意图

图2 应急救援点选址影响因素示意图

1.3 选址要素

选址要素主要包括需求点和救援点两方面因素，见图3.

图3 选址要素示意图

1.4 选址目标

针对溢油应急救援的选址要素需求，确定应急选址的原则及目标函数如下.

1) 时效性原则 溢油事故发生后，防止溢油对敏感资源保护区的污染，应急力量应该在第一时间赶到事发水域展开围堵，防止溢油对敏感水域造成进一步的污染.

2) 经济性原则 溢油应急救援点的选取和候选点的建设成本有关，在保证应急救援的时效性的前提下应该保证设备点的建设成本最小.

3) 全覆盖原则 保证溢油应急救援网络可以全面覆盖整个应急救援水域，实现在规定时间内对负责水域的救援.

基于上述溢油应急选址原则，提出长江干线溢油应急救援模式的选址要求如下.首先应保证应急救援的紧迫性要求，使得救援需求点的加权最大距离最小，保证事故发生后的应急处置；其次是在救援水域所有需求点被覆盖的前提下，使得设备点建设总成本最小.

长江海事局在“十一五”规划中提出，当所辖水域发生溢油事故时，应急清污力量在方案启动后1 h内抵达现场，即应急响应时间为60 min，由文献[2]可知，应急救援船的平均航速为20 km/h，因此，设定溢油应急配置点的救援半径为20 km.而当溢油发生后，溢油应急布置力量应尽快赶到保护区，开展防护作业，此处设定保护区应急响应时间为20 min，根据应急救援船的平均航速，保护区配置点的救援半径应设置为7 km.

2 选址优化模型

2.1 选址建模方法

针对长江干线溢油应急处置模型，分区域建立溢油应急设备点选址模型，见图4.

图4 选址建模流程图

2.2 参数设置

S={S1,S2,…,Sn}为应急救援点备选点点集；A={A1,A2,…,Am}为事发水域需求点点集；W={W1,W2,…,Wl}为保护区集合；pi1,pi2为设定的应急设备配置点数目；ci为应急设备库建设成本,万元;dij为应急救援点i到需求点j的距离;dik为应急救援点i到保护区k的距离；wi为需求点的相对权重；r1为溢油应急救援点的围控半径,km;r2为溢油应急救援点的平均救援半径,km;xij为需求点j由应急救援点i来提供服务，则，否则xij=0，其中i∈N,j∈M;xik为需求点k由应急救援点i来提供服务，则xik=1，否则xik=0，其中i∈N,k∈L；yi1为如果保护区应急救援点设置在i则yi1=1，否则yi1=0，其中i∈N；yi2为如果溢油应急救援点设置在i则yi2=1，否则yi2=0，其中i∈N；dik为应急救援点i到保护区k的距离；xik为保护区k由应急救援点i来提供服务，则xik=1，否则xik=0，其中i∈N,k∈L.

2.3 建立模型

1) 保护点选址模型的目标函数为Z1在应急救援时间内，应急救援力量在最短的时间内赶到保护区进行围控及防护.利用LINGO软件对目标函数进行求解，得到保护区应急资源配置点的选址位置.

(1)

(2)

(3)

xikdik≤r1

(4)

xik≤yi1

(5)

2) 溢油应急救援配置点模型为

(6)

(7)

(8)

(9)

xijdij≤r2

(10)

xij≤yi2

yi=yi1+yi2

式(1)使得保护区应急配置点到各个保护区的距离之和最小，保证对救援水域内给保护区应急救援的公平性与快速性.溢油应急救援配置点选址目标准则函数为min[Z2,Z3].

式(2)使应急救援点服务需求区域的加权最大距离最小，保证应急救援的快速反应.

式(3)使得应急设备库的建设成本最小，体现其经济性原则.

式(4)和式(7)保证设备库的建设数量，保证救援水域内的设备库可以覆盖全部水域.

式(5)和式(8)保证在发生事故时每个保护区或需求点有应急配置点对其进行救援.

式(6)和式(9)保证每个保护区或需求点在应急响应时间内都有应急点可对其救援.

3 模型求解

该模型为双目标决策问题，多目标规划中最常用的解为非劣解或有效解，也称为Pareto最优解.考虑到该问题的实际应用，此处,采用线性加权和法进行求解，分别配以一定的权重，权重采用经验法来确定，决策者根据多目标的相对重要程度进行确定权重k1,k2.

对决策目标量纲一化得：

Vi=(Zi-Zimin)/(Vimax-Vimin)

(11)

基于不同权重的线性加权评价函数为V=k1V1+k2V2;(k1+k2=1).

对k1，k2附以不同的值，通过改变两目标的相对权重，对不同的权重组合进行比较，探究应急响应时间最短和成本最小二者之间的相对变化关系，当线性评价函数取最小值时的取值为最优解.

LINGO是一款用于求解优化模型的软件，方便灵活，执行速度快，便捷性和可靠性，因此利用LINGO软件来实现模型的求解.

4 算例验证

4.1 算例说明

选取长江干线某航段水域作为溢油应急选址水域进行算例验证，该水域设有一座小型溢油应急设备库及两个溢油应急设备配置点，现从该行段段沿线的码头中选出10个码头作为溢油应急救援点备选点，码头备选点的分布服从均匀分布，武汉段水域示意图见图5.

图5 某航段溢油应急选址需求点-救援点示意图

武汉地处长江中下游地段，根据武汉海事局辖区2012—2017年的水上交通事故统计资料，可得备选点码头属性、需求水域属性及权重详见表3～6.

表3 备选点到保护区的距离(dik)列表 单位：km

表4 备选点到事故水域点的距离(dij)列表单位：km

表5 备选点的建设成本列表 单位：元/m3

表6 事故水域需要的最少设备库覆盖数量及相对权重

4.2 算例结果

由Google地球测量得：武汉航段总长度Li=45 km，根据溢油应急救援流程图，利用LINGO程序对建立的模型进行求解.

4.2.1保护区应急设备配置点

通过对保护区应急配置点选址模型进行迭代，可得，当p<4时无解，则当p=4时为设备配置点配置数的最优解，通过LINGO程序运行可得，此时应急配置点应为S1,S4,S6,S10.各自救援区域见表7.

表7 保护区应急设备配置点配置表

4.2.2溢油应急设备配置点

因为2r

表8 原始单一目标求解结果 单位：km

由单一目标函数优化求解结果可得，应急响应时间最短时的结果和成本最小时的结果不同，因此，通过对两目标赋予不同权重，对线性加权求和评价函数进行优化求解，得到不同权重下的线性加权求和评价函数结果.

随着权重k1的增大，溢油应急配置点的建设成本变化和救援点到需求点的加权距离之和的变化关系见图6.

图6 成本、加权距离及评价函数随权重k1的变化关系图

4.3 算例分析

由程序结果可得，随着应急救援时间权重的增大，溢油应急设备配置点的建设成本有上升的趋势，而设备配置点到需求点的加权距离有下降的趋势，符合模型的假设和实际情况.并且当权重k1=0.55时，线性加权评价函数取得最小值，即选址点为选址最优解，此时目标函数取最小值.

由算例结果可知，保护区溢油应急设备配置点模型在应急响应时间优先的情况下具有较好的适应性，围控救援力量在规定的时间范围内可以对水域内覆盖的保护点进行应急救援，既保护了保护区水域不被污染，又为溢油应急救援力量对溢油的疏导赢得了时间.溢油应急设备配置点模型在应急响应时间和建设成本的双重约束下具有较好的适应性，在实际应用中，决策者可以根据自身对不同的决策指标的需求，确定两目标函数的相对权重进行求解.同时，决策者还可根据自身需求对溢油应急选址模型设定不同的参数，包括设备点的个数、应急救援半径等，通过LINGO程序即可对目标函数进行求解.

5 结 论

1) 文中针对长江干线独特的地理特征提出了相应的溢油应急处置模式，并建立选址模型，运用LINGO软件对提出的选址优化模型进行算例验证并求解，证明模型的可行性与稳定性.

2) 当两模型有相同选址结果时，为应急设备库的总体建设节约了成本.

3) 文中的决策指标只包括了应急响应时间和设备库的建设成本，在实际的工程应用中，溢油应急救援点的选取还与其他因素有关，包括：设备配置点到需求点的救援成本、需求点需要达到的最小覆盖率以及设备配置点的设备存储量等.

4) 文中模型主要针对溢油应急设备库的选址优化，在溢油应急配置点的配置及应急救援时的设备调度等还需进一步研究，不断完善提高溢油应急救援效率.