“海洋环境损害行为及生态效应模拟实验技术平台”扫描

作者:特约记者袁伟  来源:中国海洋报   发布时间:2017-09-01 13:12:32   [打印本页] [关闭窗口]

  “中了!”2016年夏天的一个下午,国家海洋局北海海洋环境监测中心鞠莲博士、于庆云博士收到了该中心副主任宋文鹏发来的一条微信。收到同一条微信的还有该中心生态修复专家温国义、办公室副主任赵玉慧、溢油检测专家王鑫平、海洋经济与战略专家张继明等。其实,这是一个研究团队,平均年龄只有30多岁,有朝气,有激情,充满着浪漫的情怀,也有着一股子“舍我其谁”的冲劲。这个团队,初生牛犊不怕虎,在国家重大科研项目招标中迎难而上。这个团队,经过几个月的奋战,成功中标科技部“海洋安全保障”重大专项“海上交通溢油监测预警与防控技术研究及应用”项目。宋文鹏微信所说的“中了”,就是指的这次中标。责任就是压力。中标“海上交通溢油监测预警与防控技术研究及应用”项目对这个团队来说,只是一个开始,他们盯上的是更大的目标。

  他们不仅要搞好项目研究,拿出高水平的研究成果,还要利用该项目的研究,搭建一个平台,跳出项目搞研究,为更多类型的海洋环境及生态灾害研究创造条件。

  2017年初,“溢油海洋环境损害行为及生态效应模拟实验技术平台”通过验收,一项重大科研成果就此诞生,它的意义已经超出了催生项目本身,将为今后解决一系列海洋环境及生态问题创造条件。

  花开两枝   好事成双

  冰冻三尺非一日之寒。

  国家海洋局北海海洋环境监测中心关于海洋溢油的研究是从“油指纹”开始的。不同盆地、不同区块甚至不同油井生产的原油都有一些特殊的组份,这些组份与其他组份的相关性,就像人的指纹一样具有唯一性,是识别污油来源的主要指标。从上个世纪80年代开始,美国、北欧和加拿大等国家和地区的油指纹得到司法认可。

  时势造英雄。国家海洋局北海分局管辖的近岸海域是我国石油工业最发达的地区,从我国最北端的辽宁丹东港到位于山东的日照岚山港,每年都有大量的原油进出港。同时,渤海和黄海海域也是我国海上石油勘探开发主战场。一旦发生石油泄漏,往往都是灾难性的。2006年的长岛原油泄漏以及此后的蓬莱19-3原油泄漏、大连7·16事故、中石化黄岛11·22管道爆炸事故、天津8·12重大火灾爆炸事故等一系列重大涉海污染事故,对海洋石油及其他危险化学品泄漏的应急、抢险救灾、事故分析定性、理赔、污染治理等重大应对,都提出了严峻的挑战。北海监测中心迎难而上,在这些事故的处理中发挥了重要的作用。尤其是在事后的海洋生态环境损害评估中,出具了权威的报告。也正是在这一过程中,该中心积累了处理海洋溢油、应对海洋环境损害行为及生态修复方面的丰富经验。

  海上交通溢油监测预警与防控技术研究及应用项目是科技部立项的国家重大科研项目,国内相关研究机构众多,可谓强手如林。在这种情况下,北海监测中心能一举拔得头筹,强大的海上溢油研究实力、长期的积累和深厚的基础发挥了关键作用。在现场答辩中,宋文鹏仅用了28分钟就彻底征服了评委。

  然而,答辩下来,大家心里明白,征服评委易,征服海洋生态灾害难。近年来,在应对多起重大溢油、危化品及黄海绿潮等海洋生态灾害中,凸显出我国在环境损害行为和生态效应研究技术方面的储备不足,实验装置的落后严重制约了应急响应及处置工作的开展。团队认为,就国内海洋生态灾害的评估、应急乃至修复而言,需要一个高水平、开放式、具备不同仿真模拟条件的海洋环境损害行为及生态效应模拟实验技术平台。有了这个平台,相关实验装置不以海水为介质、学科单一、布局分散、开放性和集成度低等问题就迎刃而解。可以说,他们挑战的是国家海洋生态灾害研究的最前沿技术。

  “海上交通溢油监测预警与防控技术研究及应用”项目所提供的资金,不仅可以使北海监测中心建设海洋环境损害行为及生态效应模拟实验技术平台,高质量地进行项目本身的研究,而且可为相关海洋生态环境的研究创造条件,产生“花开两枝,好事成双”的效果。

  这个研究团队要建设的是一个开放、合作、发展的国际化技术服务平台。其重大技术创新之处在于,将首次建成以海水为介质的污染物水平/垂直环境行为模拟装置,实现规则波、破碎波精确模拟;创新性集成从单一物种到局地小型生态系统的多营养级可控培养/实验装置及在线监控技术,开展从个体到种群的毒性实验;首次成功将物联网技术运用于海洋实验室建设,实现了对实验装置、环境、安防及配套设施的实时控制和信息集成;创新集成模块化机房、虚拟化服务器资源池和大屏幕投影系统,建成软硬件集约集控的智能化数据中心。

  也就是说,北海监测中心这次要挑战的是海洋环境损害行为及生态效应实验研究的新突破、新高度。

  技术领先   多项首创

  石油在海水里一定是漂浮状态吗?不一定。它可以悬浮在不同层位的海水中,也可以沉入海底。当然,在正常情况下,石油因其密度小于水而浮在水面上。但油滴或油块由于具有黏性,当混入其他物质后,其密度就会发生变化,有一些会沉入水面之下,悬浮于水中,有一些则会逐渐沉入海底。石油在海水中的不同状态,决定了溢油处理的方法也不相同。影响石油在海水中存在状态的因素很多,比如温度。在一定温度下,石油溢出时呈牙膏状,而换一种温度环境,石油溢出则呈雾状。全面而深入地解答这一系列复杂多变的问题,没有一个强大的模拟实验平台是难以想象的。

  北海监测中心创新打造的海洋环境损害行为及生态效应模拟实验技术平台正是解决这一系列问题的“金钢钻”。此前,国内相关技术平台风浪流水槽只能以淡水作为模拟介质,不允许开展溢油等污染物模拟实验,垂向模拟装置多用于压力实验,管理模式仍为人工管理,尚未实现集控化管理。海洋环境损害行为及生态效应模拟实验技术平台建成后,成为国内首个高水平、开放式的综合性海洋生态灾害模拟研究平台。所建立污染物水平/垂直环境行为模拟装置经过特殊防腐设计和处理,均可采用海水进行溢油实验,模拟实验可通过计算机软件进行精确控制,配备自主研发的可加热油雾喷射装置、全自动分层采样系统等。

  该平台的多营养级海洋生物可控实验装置,可设定环境条件,支持自动环境监测和调控,并改进了不同实验设施。实验室配备的水质和摄像在线监控系统以及集约集控的智能化实验室管理模式均为国内首创,其数据中心机房的部署方式也采用最新的模块化部署方式,可灵活扩容且不影响现有设备运行。

  海洋环境损害行为及生态效应模拟实验技术平台与国外先进水平保持同步,能够提供符合我国海洋环境损害生态灾害应急管理需求的技术研究成果。

  该平台的垂向模拟装置可再现溢油的垂向运动规律及不同条件下溢油羽流轨迹、形态,可以研究发生水下溢油时,油品、原油喷射速率、油气比、是否加入消油剂、消油剂与原油比例等因素对水下溢油行为及归宿的影响。

  除了溢油研究,该平台的生态效应模拟实验平台可满足浮游植物、浮游动物、底栖生物、鱼类、小型生态等各个营养级生物的实验需求,可从种群、个体、组织、细胞等不同角度开展实验。同时,营造鱼类少光生长环境,为小型生态模拟系统配备水质在线监测仪和水下摄像仪,可以实时监控水质,实时监测生物行为。所有的培养/实验装置均配备温控设备、自动水循环系统、生物净化设备、紫外线消毒机和泡沫分离器,可实现自动温控、水循环和消毒。

  该平台首次成功将物联网技术运用于海洋实验室,结合地理信息系统技术、数据库技术、无线通信技术等,集成了平台内所有可被独立寻址的设备,包括污染物水平/垂直环境行为模拟装置、多营养级海洋物种和局部生境模拟装置、环境传感器、门禁、视频监控、空调、风机、大屏幕等,实现了各集成设备信息的实时获取、动态监控、异常情况自动预警等功能,实现了海洋溢油生态效应模拟实验室的一体化综合管理。实现对实验装置、环境、安防及配套设施实时监测、控制,达到了可视、智能的实验室管理效果。创新集成模块化机房、虚拟化服务器资源池和大屏幕投影系统,建成软硬件集约集控的智能化数据中心。

  该平台还拥有智能数据中心,由模块化机房、拼接屏显示系统及服务器集组组成。其中,模块化机房实现了模块化机房空间的最大集约,在模块机房中集成了电源、空调、各类服务器、网络设备、通信设备和高性能计算机,可节约2/3空间,节省30%系统总功耗。

  拼接屏显示系统由自主研发控制软件集中控制,可自由控制被展示信息在单屏或多屏上切换,支持多路信号源同时显示及独立控制。服务器集组引进虚拟化技术,组成虚拟化服务器资源池,将应用程序和操作系统从底层硬件分离出来,允许一台设备上同时运行多个操作系统并对应多个服务。

  该平台还建成了首个采用海水介质的污染物水平/垂直环境行为模拟装置,突破了国内同类设备只能采用淡水进行实验。自动化控制造波系统可通过软件对实验所需的波型进行精确模拟;创新设计全自动分层采样系统,可4层同步采样;自主设计的垂向模拟装置,配备可加热功能的油雾喷射装置,可模拟多工况消油剂加入方式。

  在生态毒理学方面,该平台创新性地建成了从单一物种到局部小型生态系统的多营养级集成化可控培养/实验装置,配备自动控温、水循环、消毒系统,全面支持海洋生物生态效应以及污染物在食物链中的传递的研究,实现从个体到种群的生态效应研究。首次将水质和水下摄像等在线监测设备用于实验系统,实现培养/实验环境实时监控。

  该平台建设过程中,获得实用新型专利6项,发表论文6篇,获得软件著作权1项,取得应用推广证明6份。一切都彰显着海洋环境损害行为及生态效应模拟实验技术平台技术的先进性和创新性。

  牛刀小试   大有作为

  2017年6月5日,第三方青岛华慧泽知识产权代理有限公司受北海监测中心委托,对“海洋环境损害行为及生态效应模拟实验技术平台”项目进行评价。青岛华慧泽知识产权代理有限公司出具的报告认为,该项目属于海洋环境保护领域,针对我国在重大海洋污染事故、生态灾害的应急处置、生态影响评估、生态修复等方面存在的主要技术问题,充分借鉴国际上的先进实验研究技术,集成创新,有效弥补我国在上述领域存在的不足,认为该成果整体水平达到国际领先。

  评价认为,该项目建设的实验平台紧紧围绕我国海洋溢油、绿潮等海洋环境损害的处置与评估的管理需求,建成基于海水介质的污染物运移水动力模拟水槽以及垂向水槽,用于开展仿真实验,研究污染物在复杂海洋环境中的物理化学变化及漂移、扩散、沉降规律;建设生态效应模拟实验平台,包括基于食物链的各种海洋生物可控培养/实验装置,以及小型生态系统模拟装置,实现对仿真生境下各营养级海洋生物从种群到分子水平的污染物生态效应研究;建设基于集约集控物联网技术的智能数据中心和实验室信息综合管理系统,为平台运行提供开放、信息化的基础环境,达到可视化、科学化和智能化的实验室管理效果。

  目前,该模拟实验技术平台已应用于水下溢油形态研究、沉潜油行为特征研究、绿潮应急研究、核电站温排水效应研究等工作中,成为国家海洋局海洋溢油鉴别与损害评估技术重点实验室和山东省海洋生态环境与防灾减灾重点实验室依托研究平台。在近两年溢油生态损害评估与修复、绿潮联防联控、海洋生物生态修复等工作中发挥了重要作用。

  在经济效益方面,该平台衍生的各项成果已推广应用至多家科研院所和企业单位,已取得经济效益近3000万元。该平台为应对海洋生态灾害提供技术支撑,能够有效减轻经济损失。

  在生态效益方面,该平台紧紧围绕海洋生态灾害处置与评估的管理需求,建设具备模拟多环境介质及可控海洋环境特征的仿真实验设施,具备开展污染物对多营养级海洋生物个体、组织、细胞和分子水平影响、损害的研究能力,为深入开展相关研究和成果转化提供技术平台,为海洋生态灾害应急响应提供技术支持。

  在社会效益方面,该平台已正式运行,其研究成果为北海分局在海洋灾害应急管理工作提供了重要的技术支撑,在蓬莱19-3溢油污染环境修复实践中发挥了重要作用;与中海油能源发展股份有限公司建立了战略合作关系,与加拿大贝德福德研究所和澳大利亚联邦科学与工业研究组织开展了科研合作;中国海洋大学、中国科学院烟台海岸带研究所等均通过本实验平台开展了大量科学研究,获得了宝贵的实验结果。填补我国采用海水开展海洋环境损害行为及生态效应模拟实验研究领域的空白。实行开放实验平台管理机制和人才交流制度,成为立足国内、面向国际的高水平、开放式海洋环境损害行为及生态效应研究平台和成果转化基地,具有显著的社会效益。该平台目前为全国海洋科普教育基地的重要组成部分,积极推进海洋科普教育宣传,提高了社会公众对海洋生态灾害的认识和防范意识。