海上溢油污染溯源方法综述
(1. 青岛科技大学 数据科学学院, 青岛 266061
2. 中国电波传播研究所, 青岛 266107)
摘要: 海上溢油事故频发, 对海洋环境、区域经济及人类健康造成了深远影响。海上溢油溯源作为确定海洋污染责任主体的有效手段, 对及时阻断溢油源头、减少溢油量以及解决海洋污染责任纠纷具有重要意义。本文主要分析海上溢油污染溯源的多种技术手段, 分别总结化学法和物理法溢油溯源的发展现状。化学法又称油指纹鉴别法, 主要通过现场采集溢油样本, 化验分析油品信息, 并与周边海域的潜在油种进行比对, 推测海面溢油的来源。物理法主要利用历史海洋环境数据驱动溢油溯源数值模型, 反向推演溢油污染的时空迁移规律。本文最后探讨了溢油溯源领域的当前挑战和未来方向。油指纹分析在多源污染辨识方面会导致溯源准确性下降。溢油溯源数值模型在复杂海洋环境下的溯源误差会增大。建立“AI +数值模型”混合溯源系统、发展多源监测技术、推动全球油指纹数据库共享等方面具有广阔的发展前景。
引用格式: 陈清菡, 代明月, 谭艺雯, 等. 海上溢油污染溯源方法综述[J]. 交叉科学学报, 2025, 2(2): 71-77.
文章类型: 综 述
收稿日期: 2025-03-17
接收日期: 2025-03-20
出版日期: 2025-06-28
1 引言
石油作为全球经济的核心能源支柱，对人类的生产与生活具有举足轻重的地位。石油资源在全球范围内的非均衡分布及其供需矛盾，推动了石油贸易的迅速发展，海上油轮成为国际贸易中石油运输的主要载体，承担着庞大的运输任务。然而，由于海洋环境的复杂性和油轮操作的精密性，油轮碰撞引发的溢油事故时有发生，成为海洋溢油污染的主要来源[1]。与此同时，随着陆地石油资源的日益短缺，海上钻井平台成为石油开采的关键阵地。由于其作业环境复杂且敏感，日常生产操作不当或自然灾害等突发事件导致的石油泄漏也成为了海洋溢油污染的重要来源之一[2]。
近年来，全球海上溢油事故频发，对海洋生态环境、区域经济发展及人类健康造成了深远影响，成为全球环境保护领域亟待解决的重要问题。2007年，香港油轮“河北精神号”与韩国驳船在韩国西北海域的相撞事故，导致超过1万吨原油泄漏，对当地渔业和旅游业造成了巨大冲击[3]。2010年，墨西哥湾发生重大溢油事故，“深水地平线”钻井平台爆炸后将大量原油泄入墨西哥湾，污染了约1609千米的海岸线，对当地生态系统和野生动物自然保护区造成了不可逆转的损害[4]。同年7月，大连新港特大输油管线爆炸事故导致大量原油泄漏，污染面积超过100km2海域，对渤海湾区域的生态环境构成了严重威胁[5]。2011年6月，蓬莱19-3油田的溢油事故污染面积达840km2，进一步加剧了海洋生态环境的压力[6]。2018年1月，巴拿马籍油船“桑吉”轮在我国东部海域发生碰撞并沉没，致使大量凝析油泄漏到海面，对海面及大气环境造成严重污染，溢油漂移扩散面积达到332k
。同年10月，一艘来自突尼斯的滚装船与一艘塞浦路斯籍的集装箱船在地中海区域发生碰撞，导致了数百吨燃油泄漏，对地中海海域的生态环境造成了严重破坏[8]。2021年4月，巴拿马籍货船“义海”轮与利比里亚籍油船“交响乐”轮在青岛海域的碰撞事故，导致大量原油泄漏，对当地海洋环境和港口运输造成了巨大影响，海面溢油处置回收工作持续数月之久[9]。
海上溢油事故发生带来的危害极为深远。溢油本身的毒性能够导致海洋中大量浮游动植物死亡[10]。此外，溢油中的有毒物质会在食物链中不断累积，最终对人类的身体健康构成威胁[11]。溢油在海岸线搁浅后，由于难以清理，将破坏海岸线的生态环境，严重影响当地旅游业发展。而部分沉入海底的溢油还存在二次污染的隐患，使得海洋生态的恢复周期可能长达数年甚至数十年。鉴于这些严重危害，各国政府一直高度重视溢油防灾减灾工作，国际上也制定了一系列相关公约以应对海洋溢油问题。数十年来，全球海洋领域的专家学者对此进行了深入研究，旨在开发科学有效的应急处置方案，以期减轻溢油对海洋环境的破坏，并减少经济损失。
2022年3月，我国发布实施《国家重大海上溢油应急能力发展规划(2021—2035年)》，其中重点强调海面溢油危害深远，及时追溯溢油源头是对溢油应急处置的首要任务。然而，由于我国海域广阔且卫星重访周期长，目前尚无法实现全方位的实时监管。多数情况下，通过遥感手段监测到的海面溢油被归类为“无主溢油”，需要借助多种科学手段来追溯其源头。
溢油溯源作为确定海洋污染责任主体的有效手段，对及时阻断溢油源头、减少溢油量以及解决海洋污染责任纠纷具有重要意义。当遥感手段检测到海面未知来源的溢油时，溢油溯源成为追溯源头的必要环节，为依法追究海洋污染责任提供了重要依据。结合不同溯源方法提供的溢油轨迹信息、历史遥感观测数据及船舶自动识别系统，可以追溯到更可靠的溢油源头，为海洋管理部门寻找无主溢油来源提供科学依据。然而，海洋环境的复杂性和多变性以及溢油物理化学性质的多样性，给海上溢油溯源研究带来了诸多挑战，如环境因素的复杂性、溢油性质的变化以及观测数据的缺乏等均限制了该领域的发展。
本文旨在分析总结海上溢油溯源研究的发展现状，探讨当前面临的挑战和未来的发展趋势。通过梳理相关研究成果，有望为该领域的研究提供技术思路，帮助海洋应急管理部门在溢油溯源工作中做出更加精准的判断，并有效调配应急资源，尽量减少对海洋经济的损失。
2 溢油溯源方法
溢油溯源即根据当前可获得的溢油信息追溯溢油源头的过程。在通过遥感监测等技术手段发现海面溢油后，如何根据检测到的溢油位置或油品采样快速追溯溢油的历史轨迹是及时切断溢油源头、尽量减轻污染程度的关键。溢油溯源作为溢油漂移预测的逆过程，近年来受到海洋领域众多专家学者的广泛关注，一系列溢油溯源的研究成果被先后提出，主要分为化学法[12]和物理法[13]两大类，二者也可结合使用。
2.1 化学法
化学法主要通过现场采集溢油样本，化验分析油品信息，并与周边海域的潜在油种进行比对，推测海面溢油的来源。该方法又称油指纹鉴别法，即以油品的化学成分及分布特征为依据，进行油品种类和溢油源鉴别。聂宁等[12]通过对油品品类、风化程度、沾染环境介质均不相同的油品进行总组分的碳稳定性同位素比值测定和分析，发现具有时空关联性的样品测定结果的差异性，提供了一种新的溢油溯源鉴别技术。白红妍[14]对海水中苯系物进行定性和定量测定，采用固相微萃取(SPME)及顶空(HS)两种样品富集技术，分别构建了顶空固相微萃取结合气相色谱-质谱联用(HS-SPME-GC/MS)和静态顶空与气相色谱-质谱联用(HS-GC/MS)两种分析方法，用于检测海水中常见的痕量苯系物，建立了不同来源苯系物的溯源技术。研究表明，由于原料、生产工艺的差别，不同来源油品所含微量特征组分种类和含量不同，据此能够以微量特征组分的信息作为沿海油田泄漏溯源的依据。杨世莉等[15] 在340天的室外模拟风化实验中，选取两种典型原油和两种船用燃油作为研究对象，采用气相色谱-火焰离子化检测器(GC-FID)和同步荧光光谱法对风化后的漂浮油和沉底油的特性进行分析。研究结果为沉底油的溯源以及海上溢油事故的监管工作提供了新的思路和方法。张乐[16] 针对杭州塘和长山河的水体中石油类污染物开展了油指纹分析及多元统计鉴别研究。同时，选取两种具有代表性的轻质柴油进行风化实验，深入探究了正构烷烃和多环芳烃在风化过程中的变化特性。研究结果显示，石油污染物中正构烷烃的抗风化能力随着碳数的增加而显著增强，而多环芳烃的抗风化能力则普遍高于正构烷烃。此外，在地表水中，当石油污染物的初始浓度低于0.5mg/L时，难以实现有效的油指纹鉴别;而当浓度达到或超过1mg/L时，可通过特征比值和风化时间等参数作为油指纹鉴别的关键指标。郭亮[17]基于高灵敏的紫外荧光法，利用油类物质在紫外光照射下产生的荧光特性不同开展研究。通过判断紫外荧光法的重要参数荧光强弱与油膜厚度的比例关系确定油膜厚度，从而实现对溢油事故的鉴别与定位。
目前，油指纹分析技术通过提高检测灵敏度至ppm(百万分之一)级，实现了对不同油品来源的精细区分。基于先进的化学分析手段，能够捕捉到油品中极其微量的特征化合物，从而准确追溯污染源。检测灵敏度的显著提升，使得油指纹分析技术在法律追责、环境损害评估等方面发挥了更加关键的作用，增强了溯源的精准性和权威性，为环境保护和司法公正提供了强有力的技术支撑。
2.2 物理法
物理法主要利用历史海洋环境数据驱动数值模型，重构污染物的时空迁移规律[18-19]。该方法通过整合历史海面风场和流场数据，运用拉格朗日粒子追踪模型模拟油污轨迹，从而推断潜在污染源位置。近年来的研究重点聚焦于数值模型的优化与海洋环境要素的准确度校正方面。
在溯源机理研究方面，专家学者们通过数值模拟实验揭示了关键影响因素。Chen等[20]通过设计二维海面源与三维水下源的溯源实验，证实海洋动力场精度对溯源效果的决定性作用，得出融合卫星遥感、石油设施定位等多源数据可提升溯源效能。Ciappa等[21,22]以地中海海域的海洋保护区为研究对象，结合多年海况数据建立风险评估模型，发现目标区域的溢油风险与邻近油轮航线分布呈显著相关性。Putman等[23]针对墨西哥湾溢油事件，创新性地将生物迁徙概率模型与溢油扩散模型耦合，评估了海龟种群受污染影响程度。
为提高实际溢油溯源的准确度，研究者们提出了多种创新解决方案。高松等[24]建立集合预报修正模型，通过误差校正与多情景集成实现了秦皇岛沙滩溢油源的准确定位。曹雅静等[25]在此基础上构建了时序分析框架，实现污染历史轨迹的逐月重构。Breivik等[26]研发的BAKTRAK迭代模型采用观测数据动态修正机制，有效控制了误差累积问题。Tian等[27-28]通过改进拉格朗日模型参数化方案，结合卫星影像动态校准技术，成功应用于渤海重大溢油事故的溯源分析。Suneel等[29]基于数值溯源模型对印度西海岸沉积焦油球的源头进行追溯，溯源结果揭示了印度西海岸不同年份油污的差异化来源，证实不同年份沉积的焦油球分别来自油轮航线和孟买高地油田。Li等[30]提出一种自注意力时间卷积网络(SaTCN)模型，用于历史风场智能校正。经过训练的SaTCN模型输入可获取的历史风场时序数据，可输出接近再分析风场的校正后的历史风场。基于校正后的历史风场驱动溢油溯源数值模型，可以实现精确的溢油实时溯源。
在溢油溯源系统开发领域，国际上多个科研团队构建了一系列特色化溢油溯源平台。Ambjörn等[31]开发的Seatrack Web系统整合AIS船舶轨迹与遥感监测数据，为波罗的海油污监管提供可视化解决方案。Al-Salem等[32]研发的B-Oil模型与区域水动力模型无缝对接，提升阿拉伯湾溢油应急响应能力。Janeiro等[33]设计的SOMA系统实现CleanSeaNet污染检测与船舶轨迹的智能关联，显著提高伊比利亚海域溯源效率。Abascal等[34,35]创新性地融合高频雷达实时流场数据，构建的TESEO-OMA系统在欧洲大陆架验证了新型观测技术对溯源精度的提升作用。该研究领域呈现多学科交叉融合趋势，未来发展方向将聚焦于多源数据同化、智能算法集成以及“实时监测-预警-溯源”一体化平台建设，为海洋环境保护提供更精准的技术支撑。
3 当前挑战与未来方向
3.1 当前挑战
(1)当多起溢油事故或自然渗漏叠加时，油指纹分析易受干扰，导致溯源准确性下降，多源污染辨识是目前的一大难题。另外，在溢油溯源结果应用方面仍存在一定的发展空间，特别是将研究成果应用于溢油污染治理、损害评估以及肇事责任追究等领域，转化为相应的处理技术和证据获取方法。
(2)由于海洋环境多变，风、浪、流等环境要素均影响油膜漂移扩散，现有的溢油溯源数值模型在复杂海洋环境(如湍流、潮汐交互作用)下的溯源误差较大。油品在漂移扩散过程中经历蒸发、乳化等过程，导致其物理化学性质变化，影响溯源准确性。由于数据获取的局限性，尤其在溢油事故发生的初期阶段，再分析的海洋环境要素具有多天的延迟，无法实时获取用于驱动溢油溯源数值模型。
(3)现有遥感技术难以实时、精准监测大面积海域的溢油情况。当涉及多国管辖时，法律和责任的界定复杂，各国和机构间的信息共享和应急响应协调不足，影响溯源效率。
3.2 未来方向
(1)随着人工智能(AI)技术的飞速发展，开发“AI + 数值模型”混合系统刻不容缓，利用大数据和AI技术可优化溢油溯源数值模型，提升复杂场景下的溯源能力。
(2)发展卫星、无人机等多源监测手段，提升海上溢油实时监测能力。构建全域海洋环境监测网络，通过5G传输实时数据，支持动态溯源决策。
(3)在国际合作与标准化方面，建立跨国溢油应急响应机制，促进信息共享和技术交流。推动全球油指纹数据库共享，建立统一的溯源技术标准，以应对跨国溢油事故。加强对海上石油开采和运输的监管，进一步提升对石油类污染物含量较高的行业废水的分析与鉴别水平。
利益冲突: 作者声明无利益冲突。
[③] *通讯作者 Corresponding author:李永庆，liyongqing@qust.edu.cn
收稿日期:2025-03-17; 录用日期:2025-03-20; 发表日期:2025-06-28
基金项目:国家自然科学基金项目(42406216)、山东省自然科学基金项目(ZR2024QD031)资助。
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Review of Backtracking Methods for Marine Oil Spill Pollution
(1. School of Data Science, Qingdao University of Science and Technology, Qingdao 266061, China
2. China Research Institute of Radiowave Propagation, Qingdao 266107, China)
Abstract: The frequent occurrence of offshore oil spills has a profound impact on the marine environment, regional economy and human health. As an effective means to determine the subject of marine pollution responsibility, the backtracking of marine oil spills is of great significance for timely blocking the source of oil spills, reducing the amount of oil spillage and solving marine pollution liability disputes. This paper mainly analyzes the various technical means of oil spill backtracking research at sea, summarizes the development status of oil spill backtracking by chemical and physical methods. Chemical method, also known as oil fingerprint identification method, mainly collects oil spill samples on site, tests and analyzes oil information, and compares them with potential oil species in the surrounding sea to infer the source of oil spill on the sea surface. The physical method mainly uses the historical marine environmental data to drive the numerical model of oil spill backtracking, and reverse deduce the spatio-temporal migration law of oil spill pollution. The paper concludes with a discussion of current challenges and future directions in the field of oil spill backtracking. Oil fingerprint analysis will lead to a decrease in the accuracy of traceability in the identification of multi-source pollution. The error of oil spill traceability numerical model will increase in complex ocean environment. The establishment of "AI + numerical model" hybrid backtracking system, the development of multi-source monitoring technology, and the promotion of global oil fingerprint database sharing have broad development prospects.
Keywords: Oil spill backtracking, oil fingerprint, numerical model, marine pollution
Citation: CHEN Qinghan, DAI Mingyue, TAN Yiwen, et al. Review of backtracking methods for marine oil spill pollution[J]. Acta Interdisciplinary Science, 2025, 2(2): 71-77.