围头湾海域溢油风险模拟及对周围环境敏感区的影响研究_赵兴.pdf

第40卷 第1期2023年2月海洋预报MARINE FORECASTSVol.40，No.1Feb.2023收稿日期：2021-09-08；修回日期：2022-02-10。基金项目：中国海洋石油集团公司项目（KJGG-2022-17-06）。作者简介：赵兴（1993-），男，工程师，硕士，主要从事海上溢油应急处置研究。E-mail：围头湾海域溢油风险模拟及对周围环境敏感区的影响研究赵兴1，王宪鑫1，吴亮2，邢成路1，霍然1（1.中海油能源发展股份有限公司安全环保分公司安全环保工程技术研究院，天津 300457；2.中海石油环保服务（天津）有限公司，天津 300457）摘要：基于MIKE21水动力模型对围头湾海域进行潮流数值模拟，对比实测数据来验证模型模拟的潮位、流速及流向的可靠性。基于拉格朗日“油粒子”理论考虑油膜运动过程风化行为，建立了围头湾海域二维溢油扩散模型，模拟预测4个不同条件下油膜扫海面积及油膜对环境敏感区的污染情况。结果表明：溢油事故会对围头湾内环境敏感区均造成严重污染。夏季常风向（最不利风向）条件下油膜抵岸污染严重，72 h残油量高达46.7%，油膜漂移距离短，扫海面积小于60 km2；冬季常风向条件下油膜漂移距离远，扫海面积大于228 km2，但72 h残油量较低，为37.1%。关键词：MIKE21；溢油事故；数值模拟；预测；环境敏感区中图分类号：X55 文献标识码：A文章编号：1003-0239（2023）01-0057-08DOI:10.11737/j.issn.1003-0239.2023.01.0071引言随着世界航运业的迅速发展，船舶溢油事故频频发生1。船舶运输作为海上石油运输的主要手段之一，在航行和码头作业过程中可能会突发事故，导致船舶燃料油、污染性货物、油污水等污染物泄漏，对海洋生态和自然环境造成巨大破坏。为了科学评估溢油事故对生态环境的影响程度，提高溢油事故处置和应急响应能力，通常采用数值模拟方法对溢油自身扩展运动、溢油在水流和风场作用下的漂移和扩散以及各种风化行为进行预测2。溢油扩散受多种因素影响，包括油密度、粘度、挥发性等自身化学性质和温度、风向、潮流等环境因素3-4。国外从20世纪60年代起开展海上溢油扩散数值模拟研究5，预报方法先后经历油膜扩展模拟、对流扩散方程和“油粒子”理论3个阶段6，其中“油粒子”理论已成为当今的主流模式，在溢油模拟进程中具有跨时代意义。我国已针对岛屿7、港口8、航道9、锚地10、沿海近岸11、船舶12和海底管道13等目标，耦合多个模型开展了大量的溢油风险模拟工作。由于围头湾海域溢油漂移模拟的相关文献资料较少，本文基于MIKE21软件中非结构化网格的水动力模型对围头湾海域进行潮流数值模拟，结合“油粒子”模型对该区域进行溢油模拟，以期丰富该地区的溢油研究，更好地保护该海域海洋环境。由于围头湾以潮流为主，环流影响较小，因此只计算潮流即可开展模拟。选取经分析确定的船舶溢油事故多发点为溢油事故点，分析不同情况下油膜的扫海面积及对环境敏感区的危害程度。模拟结果对围头湾港口码头事故多发区潜在的溢油风险防控以及该区域的溢油漂移预测和环境影响评价具有积极的指导意义。2模型和方法2.1海域环境概况围头湾是闽东南沿海重要的海上交通要道，分为5个港口作业区和5条主要航道（见图1）。海域内有较好的养殖条件，沿海均开展了一定规模的海水养殖，养殖品种包括牡蛎、紫菜、梭子蟹等。海域周边有较多的环境敏感资源，包括围头湾养殖区、海洋预报40卷石井滩涂养殖区等。2.2潮流场数值模拟2.2.1 潮流模型及设置利 用 MIKE21 水 动 力 模 型（HydrodynamicModel，HD）对大面积水域进行平面二维的数值模拟计算，利用分步杂交法计算沿深度的平均水流运动控制方程。模型建立的潮位验证点、潮流验证点、溢油点及溢油模拟计算区域见图2a，即为图中岸线以及 A、B、C 点围成的海域，坐标为 2350 2445N，11745 11838E。模拟采用非结构三角网格，整个范围由11 058个节点与19 534个三角网格构成。时间步长依据CFL（Courant-Friedrichs-Lewy）条件动态变化以保证模拟稳定进行，最小时间步长为0.05 s。模型开边界计算收集了A、B、C 3点 M2、S2、K1、O14个分潮的调和常数，以大海域界限、周边岸线作为闭边界。岸线采用福建省最新公布的海岸线为模型计算陆域边界。工程区采用工程实测水深进行小范围的网格加密使用，区域模拟网格分布见图2b。2.2.2 模型验证模型计算得到的海洋动力场决定了油粒子的运动分布14。选择厦门、大担、d1d7共9个潮位验证点来验证模型的可靠性，具体点位分布见图2a。采用附近海域的实测资料（2012年4月28日5月7日）进行潮流验证，仅选取大潮期间（2012 年 5 月67日）d2的结果为代表（见图3和图4，图中时间均为北京时，下同）。图3的模拟结果显示，观测点位的潮位模拟计算结果同实测数据完全吻合，误差可忽略不计。图4的模拟结果显示，观测点位的潮流模拟计算结果同实测数据基本吻合。两者的误差结果见表1，误差在可接受范围内，因此判断模型能够较好地模拟观测点的潮流状况。根据潮流数值模拟结果，提取了大海域大潮涨潮中间时与落潮中间时的潮流场（见图5），两个时刻的流速整体在4090 cm/s之间，流向主要是NWSE向。2.3溢油数值模拟2.3.1 溢油模型及设置本文利用MIKE21模型软件，用随机方法模拟扩散过程，用定性方法模拟平流过程。（1）动力学过程1）漂移过程（平流运动）水动力连续方程：ht+hux+hvy=hS（1）水动力运动方程：图1围头湾环境敏感资源分布Fig.1Distribution of environmentally sensitive resources in Weitou Bay58赵兴等：围头湾海域溢油风险模拟及对周围环境敏感区的影响研究1期图2大海域计算域和验证点位置（a）及网格图（b）Fig.2Large sea area computing domain and verification point location（a）and grid map（b）图3厦门潮位验证曲线Fig.3Verification curve of Xiamen tide level图4d2潮位站（大潮）流速（a）和流向（b）验证曲线Fig.4Verification curves of velocity（a）and direction（b）of d2 tidal level station（spring tide）59海洋预报40卷hut+hu2x+hvuy=fvh-ghx-h0Pax-gh220 x+sx0-bx0-10(Sxxx+Sxyy)+x(hTxx)+y(hTxy)+husShvt+hv2y+hvux=fuh-ghy-h0Pay-gh220y+sy0-by0-10(Syxx+Syyy)+x(hTxy)+y(hTyy)+hvsS（2）式中：t为时间；g为重力加速度；为自由水面水位（单位：m）；h=+d，h为总水深（单位：m），d为海底到静止海面的距离；Sxx、Sxy、Syx、Syy为辐射应力张量的分量值；u、v为x、y方向垂线平均流速分量；为水体密度，0为水体相对密度；Pa为大气压力；S为源汇项流量值；us、vs为源汇项流速值；f=2sin，其中是地球自转角速度，是地理纬度；(sx,sy)、(bx,by)为x、y方向表面风和海底剪切应力的分量；Txx、Txy、Tyx、Tyy为横向应力，包括粘性摩擦、湍流摩擦、平流摩擦。2）扩展过程扩散速度分量在t时间内平均移动为：SrmsL=2 DL tSrmsT=2 DT t（3）式中：SrmsL和SrmsT分别是纵向和横向距离的平均平方根；DL、DT为水平扩散系数，取值为0.5 m2/s；t为时间步长。（2）非动力学过程1）蒸发对于厚油膜部分：F=()1 C lnP0+ln(KmAvtC/RTV+1/P0)（4）式中：F为蒸发量；V为溢出量（单位：m3）；R为空气常数；C为常数；A为厚油膜面积（单位：m2）；T为海面温度（单位：K）；v为摩尔体积；t为时间；Km为质输系图5大潮期间涨潮中间时（a）和落潮中间时（b）潮流场Fig.5Flow field during spring tide at the middle of high tide（a）and at the middle of low tide（b）表1 d2潮流验证点的潮位、潮流模拟结果误差Tab.1 Error of tidal level and tidal flow simulation results at d2 tidal flow verification point点位平均误差标准误差d2涨潮流/（m/s）0.1250.167d2涨潮流向/26.20635.20860赵兴等：围头湾海域溢油风险模拟及对周围环境敏感区的影响研究1期数，与U0.78成比例，U为风速；P0=Crexp(1-T0/T)，其中Cr是常数，T0是沸点（单位：K）。对于薄油膜的部分：Reva=Ceva(t/tcmax)（5）式中：Reva为蒸发率；Ceva为系数；tcmax为蒸发的最大时间，由溢油的组份决定。2）乳化作用乳化物含水量计算公式为：YW=1KB(1-e-KAKB(1+UW)2t)（6）式中：YW是乳化物含水量（单位：%）；KA=4.510-6；UW是风速；KB=1YFW 1.25，其中YFW为含水量；t为时间。密度变化油密度受乳化影响公式为：e=(1-YW)0+YWW（7）式中：e是乳化后密度；0是乳化前密度；W是海水密度；YW是乳化物含水量。油密度受蒸发影响公式为：=(0.6 0-0.34)F+0（8）集合乳化与蒸发对密度影响公式为：=(1-YW)(0.6 0-0.34)F+0+YWW（9）粘性变化蒸发和风化会使溢油粘性增加，此外环境温度也是导致粘性变化的重要因素。=oilexp2.5yw1-0.654yw（10）式中：是油在乳化后的运动粘性系数；oil是油在乳化前的运动粘性系数；yw是乳化物含水量。粘性受蒸发影响公式为：oil=oil0exp(C4Fe)（11）式中：C4为无量纲量（wt%）；Fe为蒸发量。乳化、蒸发因素综合运算公式如下：doildt=C4oil01V0oildVedt+2.5oil(1-ymaxwyw)2dywdt（12）式中：Ve为溢出量（单位：m3）。（3）模型参数设定模型中相关参数取值见表2。表2 部分模型参数设置Tab.2 Partial model parameters参数风漂移系数（cw）油的最大含水率（ymaxw）油的最大含水率（K1）释出系数（K2）传质系数（KSi）蒸发系数（k）油辐射率（loil）水辐射率（lwater）大气辐射率（lair）漫射系数（Albedo）过程对流乳化乳化乳化溶解蒸发热量迁移热量迁移热量迁移热量迁移系数过程取值0.0350.85510-71.210-52.3610-60.0290.820.950.820.1模型中水平（横向和纵向）扩散系数DL和DT的取值非常重要，反映了油粒子在水体中的扩散强度和随机紊动强度，对模拟结果影响较大，而且不同的场合下取值范围相差很大，本次评价中DL和DT取值为0.5 m2/s。模型采用的是“油粒子”模型，其扩散系数概念与常规的对流扩散模型有所不同，体现在：油粒子只在水体表面运动；粒子不按水动力模型中设定的网格运移，而是按实际运移路径准确计算；扩散系数取值与模型网格布置方式和时间步长关系不大。（4）溢油预测时长由于选取的研究位置周边溢油应急力量配备充足，船舶碰撞导致的泄漏溢油量有限，本文参考水上溢油环境风险评估技术导则，选择72 h作为溢油预测时长。2.3.2 溢油模型方案设定根据围头湾溢油事故统计分析，近10 a围头湾发生溢油事故78起，船舶碰撞事故占比达31%。该海域的船舶在由石井支航道进出港时会与另一航道的进出船舶相遇，碰撞事故发生的可能性增大。石井航道与菊江支航道交汇点为事故多发点，坐标为11826 51E，2435 06N。选择涨潮期和落潮期为事故研究时段，油品性质为燃料油，模拟溢油量为 41.5 t，由固定点源瞬时溢出，油粒子数为3 000，模拟时长跨度为72 h。该工程海域夏季盛行风向为 SSW 向，冬季为 NE 向，平均风速分别取4.5 m/s和5.5 m/s。鉴于周围环境敏感区的分布情况，选择最不利风向为SSW（夏季）。本文对两种风况和两种潮时下的4种情景进行溢油模拟（见表3）。61海洋预报40卷3结果与讨论4种典型溢油模拟情况下72 h内溢油扩散范围见图6，72 h油膜扫海面积、扩散距离和残留量见表4。在SSW风向（4.5 m/s风速）涨潮发生溢油的72 h内，油粒子在风和潮流的共同作用下首先向东北方向扩散，少量油粒子在潮流影响下沿石井岸线向西漂移。溢油事故会对围头湾环境敏感资源区造成严重污染，2 h内污染围头湾重要渔业水域、大百屿海洋自然景观与历史文化遗迹生态保护区，24 h内污染石井滩涂养殖区，48 h内大面积污染围头湾养殖区。在SSW风向（4.5 m/s风速）落潮发生溢油的72 h内，在风和潮流的共同作用下油膜主体向东北扩图672 h内4种典型模拟情况下油膜扫海情况Fig.6Oil film sweeping in four typical simulated situations within 72 h表3 4种溢油模拟场景表Tab.3 Four kinds of oil spill simulation scenarios情景1234潮时涨潮落潮涨潮落潮风况SSW夏季常风（最不利风向）SSW夏季常风（最不利风向）NE冬季常风NE冬季常风风速/（m/s）4.54.55.55.562赵兴等：围头湾海域溢油风险模拟及对周围环境敏感区的影响研究1期散。溢油事故会对围头湾环境敏感资源区造成严重污染，1 h内污染围头湾重要渔业水域、大百屿海洋自然景观与历史文化遗迹生态保护区，24 h内大范围污染围头湾养殖区，4872 h内溢油在东林镇海岸附近发生持续抵岸污染。在NE风向（5.5 m/s风速）涨潮发生溢油的72 h内，在风和潮流的共同作用下油膜主体向西南方向扩散。溢油事故会对大百屿海洋自然景观与历史文化遗迹生态保护区、围头湾重要渔业水域、石井滩涂养殖区造成污染；48 h内油膜经过厦门珍稀海洋物种自然保护区，登陆大嶝县、金门县、小金门县海岸线；72 h内油膜越过金门县、小金门县后继续向西南方漂移，对大片海域造成污染。在NE风向（5.5 m/s风速）落潮发生溢油的72 h内，在风和潮流的共同作用下油膜主体向西南扩散。溢油事故会对大百屿海洋自然景观与历史文化遗迹生态保护区、围头湾重要渔业水域与厦门珍稀海洋物种自然保护区造成污染；48 h内油膜在金门县西侧海岸线与小金门岛东侧抵岸；72 h内油膜越过金门县、小金门县后继续向西南方漂移，对大片海域造成污染。由表4还可以得出，在NE风向落潮时72 h残油量最低，为 37.1%，在 SSW 风向涨潮时 72 h残油量最高，为46.7%；NE风向下，72 h内油膜扫海面积超过228 km2，而SSW风向下则小于60 km2。4结论本文利用潮流数据对围头湾附近的溢油情景进行“油粒子”模型模拟。结论如下：（1）水中油粒子运动行为受多种因素共同影响。不同潮流和风况条件下的油膜扫海面积与残油量存在较大差异。（2）风场和潮流是影响围头湾溢油扩散的主要因素。在SSW风向下油膜持续抵岸污染严重，72 h残油量高达46.7%，油膜漂移距离短，扫海面积小于60 km2，油膜会污染围头湾重要渔业水域、大百屿海洋自然景观与历史文化遗迹生态保护区、石井滩涂养殖区与围头湾养殖区；在NE风向下油膜漂移距离远，扫海面积大于228 km2，但72 h残油量较低，为37.1%，油膜会污染大百屿海洋自然景观与历史文化遗迹生态保护区、围头湾重要渔业水域和厦门珍稀海洋物种自然保护区。参考文献：1 交通运输部.2019年交通运输行业发展统计公报R.北京:交通运输部,2020.Ministry of Transport.Statistical bulletin on the development oftransport Industry in 2019R.Beijing:Ministry of Transport,2020.2 王鹏,申霞,王船海,等.复杂河网水系油粒子模型开发及溢油污染模拟J.水利学报,2021,52(6):750-757.WANG P,SHEN X,WANG C H,et al.Development of the oilparticle model for complex river network and numerical simulationof oil spill pollutionJ.Journal of Hydraulic Engineering,2021,52(6):750-757.3 齐庆辉,东培华,曲红玲,等.京杭运河苏北段溢油扩散数值模拟研究J.水道港口,2015,36(3):253-257.QI Q H,DONG P H,QU H L,et al.Oil spill diffusion numericalsimulation research in Subei canal sectionJ.Journal of Waterwayand Harbor,2015,36(3):253-257.4 BI H P,SI H.Dynamic risk assessment of oil 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reliability of the simulated tidal level,velocity and direction is verified by comparingthe measured data.Based on the Lagrangian oil particle theory and considering the weathering processes duringthe movement of the oil film,a two-dimensional oil spill diffusion model in the Weitou Bay area is established tosimulate and predict the sweeping area of oil film and the pollution of oil film to the environmentally sensitiveareas under four oil spill scenarios.The results show that the oil spill accidents could cause serious pollution to allenvironmentally sensitive areas in Weitou Bay.In summer,under normal wind direction(the most unfavorablewind direction),the oil film arrives ashore and the pollution is serious with the residual oil content reaching46.7%in 72 h,the short drift distance and the sea sweeping area less than 60 km2.In winter,the drift distance islong under the normal wind direction with the sweeping sea area more than 228 km2and a lower 72 h residual oilvolume of 36.1%.Key words：MIKE21;oil spill accident;numerical simulation;predict;environmentally sensitive area64