基于海洋石油平台的生态环境监测系统研究

2022-07-08陈胜利宋积文顾艳镇

海洋技术学报 2022年3期

陈胜利，宋积文，陆原，顾艳镇

（1.中海油信息科技有限公司北京海洋信息化科技中心，北京 100027；2.中海油（天津）油田化工有限公司，天津 300450；3.浙江大学海洋学院，浙江舟山 310030）

近年来，随着海洋生态环境保护要求的提高，海上石油平台对海洋生态环境的影响监测越来越受到关注，对采油海域的生态环保要求监管更加严格。2018 年12 月，生态环境部、国家发展改革委、自然资源部联合印发《渤海综合治理攻坚战行动计划》，要求加强提升环境风险监测预警和应急处置能力，确定开展海上石油平台、油气管线、陆域终端等风险专项检查，在海洋生态灾害高发海域，建立灾害监测、预警、应急处置及信息发布体系。目前，海上生态环境监测以短周期水文监测为主，在线水质监测在海上应用远少于内河和港口。港口岸线的水质在线监测技术应用广泛，多参数水质在线监测系统用于海洋环境污染[1]、内河水质监测[2-4]、海洋牧场[5]等多方面，技术手段多以浮标[6-7]为主，并配备了北斗[8-11]等通讯手段，对温度、盐度、溶解氧、pH、VOC、叶绿素a 等[1-2，4，7]水质主要参数进行监测，根据水质的参数变化，研究对海洋生态的影响。在线监测生态环境监测系统是对海上平台周边海域开展生态环境监测的最有效最直接手段，本文基于海洋石油平台的生态环境监测系统研究，依托平台的电力和平台主结构，采用坐底式的布放方式，集成电导率、叶绿素a、溶解氧、pH、VOC、浊度、海流计等多种传感器，实现海洋石油平台影响海域生态环境参数的长期在线监测。

1 概述

海上油田等设施会对海水环境造成一定的生态环境污染。比如，发生在2011 年的蓬莱19-3 油田溢油事故，就对渤海水环境造成了较大影响，对山东沿海的水产等产生次生灾害。海上油田一旦发生溢油事故，油膜将在风、潮流的作用下迁移扩散至沿海的生态区域，破坏生态区域内的生态循环，造成水产死亡等灾害，形成经济损失。

通过建立油田区域海洋环境在线观测系统，利用在线观测设备，获取油田附近海域水文、水质实时数据，开展油田区域的在线监测，同时开展油田区域水文水质环境的长期跟踪观测，研究海上采油过程对局地生物生态环境和水文水质环境的影响，为一旦发生溢油等事故的应急应对和环境影响评估提供支撑。目前，海洋环境监测系统多用海床基和浮标两种，其中海床基利用无线信号进行传输，利用声学释放器进行回收，本系统依托海洋石油平台进行有缆信号传输，信号稳定性、实时传输速率、维护周期和回收难易度均要优于海床基监测系统。

2 生态环境监测系统架构

2.1 基本设计

生态环境监测系统包括生态环境海底观测系统和平台控制采集系统。海底观测系统通过设备支架搭载水文、水质监测传感器、流速传感器、水下视频监控摄像头。监测电缆连接海底观测系统和平台控制采集系统，实现水下观测仪器的电力供给和数据传输。平台控制采集系统位于海洋石油平台中控室，通过监测电缆将数据传输至监测软件平台，通过监测软件对数据进行处理分析，以图表形式展示。平台控制采集系统还可以将操控指令通过监测电缆发送给海底观测系统，实现设备启停、参数设置，同时可将关键数据传输至陆地数据库，设计结构如图1 所示。

图1 监测系统设计结构示意图

2.2 系统技术指标

本系统最大投放深度600 m；水下设施功率大于300 W；接入国际通用流速剖面仪、多参数水质仪和水下高清摄像头等仪器。主要的监测要素指标见表1。

表1 监测设备主要参数表

2.3 系统水下部分

生态环境海底观测系统为水下采集的主要单元，通过水密信号电缆与平台控制系统进行数据传输。水下部分由水下框架和搭载传感器组成。其中搭载传感器为海流计、温盐、多参数水质仪、视频摄像头、电池仓和数据采集器等，可根据需要增加不同传感器设备。数据采集器预留10~12 组数据水密接口连接采集传感器，通过水密电缆连接至平台控制系统工控机，实现数据传输。电池仓为后备供电系统，常规供电由水密电缆连接平台供电，一旦发生台风等平台电源关闭情况，启动电池仓供电。

水下框架采用316 L 不锈钢制造，整体为四面锥体，重量132~150 kg，框架高1~1.5 m，底座宽1.2~2.2 m，在框架底部加装牺牲阳极和配重，加装保证流速剖面仪保持竖直状态的常平架，各仪器具备独立的固定装置，仪器和框架之间采用尼龙隔离；水下密封舱耐压不小于8 MPa，采用钛合金加工，为供电系统提供散热装置。

2.4 系统控制部分

平台控制采集系统通过海底电缆连接海底观测系统，输入电压AC220 V，输出电压DC300 V，输出功率大于400 W；数据备份储存不小于12 个月。海洋监测电缆用于连接平台控制采集系统与生态环境海底观测系统，主要负责将实时观测数据传输至平台控制采集系统，同时给生态环境海底观测系统供电。

2.5 监测系统软件

监测系统软件在开发上采用Java 语言编辑，在整体系统设计中，采用主流B/S 框架结构，面向对象的开发理念，采用存储量大、稳定的MySQL 数据库，同时在各子系统功能的规划方面，力求全面、实用。开发完成的软件系统具有实时接收和实时显示功能，支持以天、周、月、年平均等方式进行历史数据查询及曲线分析，以及观测仪器远程状态监测、数据下载和能够对监测指标异常报警等功能。支持多用户登陆，根据不同用户登录，分配不同权限，以保证系统安全可靠性，后台可根据登录日志查看系统登录情况并建立IP 地址库，记录所有重要操作的IP 信息；可通过数据展示分析中心查看辖区范围内在线监测站点信息、数据及评价产品；可实现系统数据整天接入数据中心，可查看所有在线监测站点信息及数据。

3 实海试验结果与分析

3.1 实海试验时间

生态环境监测系统于2020 年11 月9 日完成布放，自布放完成之日起进入试运行阶段，本文对试运行期间（2020 年11 月9 日至2021 年1 月4 日）监测数据进行统计分析。

3.2 试验结果分析

每组监测数据包括温度、盐度、水位、溶解氧、pH、浊度、叶绿素a 等参数。

（1）水深

如图2 所示，观测期间站点平均水深为27.94 m，标准差0.35 m。水位半日变化特征明显，发生在11月19—24 日。在12 月14 日和12 月30 日观测到两次水位低值，最低为12 月30 的26.38 m，小于平均水深1.56 m。

图2 2020 年11 月9 日至2021 年1 月4 日水深时间序列及水深异常

（2）温度

如图3 所示，观测期间站点平均底层水温为10.72 ℃，水温异常标准差为0.10 ℃，具有较强的半日变化特征，随潮变化特征较强，可推断短周期温度变化应为潮汐平流导致。整体温度存在下降趋势，但降温幅度在1 月初放缓，观测的期间整体降温约为11 ℃。

图3 2020 年11 月9 日至2021 年1 月4 日水温时间序列及水温异常

（3）盐度

如图4 所示，观测期间站点平均底层海水盐度为30.35，标准差为0.51。整体盐度呈现一定的日变化特征。在水位波动较大的3 个时间段，即2020 年11 月17—24 日、2020 年12 月13—19 日、2020 年12 月29 日至2021 年1 月1 日，盐度波动较强。

（4）溶解氧

如图5 所示，观测期间，站点处溶解氧充足，变化振幅就总体浓度来说相对较小，呈现一定的随潮变化趋势，即低潮—低温—高氧，推断站点处于短周期溶解氧浓度变化受平流作用影响较大。整体上溶解氧呈上升趋势，与温度变化趋势相反。

图5 2020 年11 月9 日至2021 年1 月4 日溶解氧浓度时间序列及其异常

（5）叶绿素a

如图6 所示，观测期间站点底层海水平均叶绿素a 浓度为1.36 μg/L，标准差为0.31 μg/L。相对来看，叶绿素a 浓度存在更高频的变化特征，且波动振幅相对平均浓度来说较大。除部分极值外，叶绿素a浓度整体处于1~2 μg/L 之间，并无显著变化趋势。

图6 2020 年11 月9 日至2021 年1 月4 日叶绿素a 浓度时间序列及其异常

（6）浊度

如图7 所示，观测期间平均浊度为11.62 NTU，标准差为13.63 NTU。浊度存在很强的高频波动。浊度在观测期间也出现了3 个异常峰值，分别在2020 年11 月17—24 日、2020 年12 月13—19 日、2020 年12 月29 日至2021 年1 月1 日，参考同期的水位、盐度的异常变化，考虑3 次峰值期间存在短期的强混和。