珠江口區(qū)域海上溢油動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)信息系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

熊德琪，林 奎 ，肖 明 ，楊建立

（1.大連海事大學(xué)，大連 116026；2.廣東海事局，廣州 510230）

珠江口區(qū)域是我國(guó)經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的地區(qū)之一，油品需求量呈不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)。廣州、深圳、珠海港每年油類吞吐量超過(guò)2 400萬(wàn)t，其中大部分在珠江口、大嶼山、沙角、二虎等錨地進(jìn)行水上過(guò)駁，參加過(guò)駁作業(yè)的大小油船約3萬(wàn)3千多艘次，存在非常大的溢油污染風(fēng)險(xiǎn)。為了提高溢油反應(yīng)效率，大連海事大學(xué)與廣東海事局合作，在國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的溢油應(yīng)急信息系統(tǒng)基礎(chǔ)上，針對(duì)珠江口水域的特點(diǎn)研制開(kāi)發(fā)了“珠江口區(qū)域海上溢油動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)信息系統(tǒng)”，作為溢油應(yīng)急指揮的決策支持系統(tǒng)和培訓(xùn)演習(xí)技術(shù)平臺(tái)［1-2］。

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由一系列數(shù)值計(jì)算模型和基于WINDOWS操作系統(tǒng)的用戶圖形界面2大部分組成（圖1）。

1.1 數(shù)值計(jì)算模型

海上溢油行為和結(jié)果受油品本身特性和潮流場(chǎng)等多種環(huán)境因素支配，經(jīng)歷漂移、擴(kuò)散、蒸發(fā)、分散、乳化、溶解、光氧化、生物降解及其相互作用的復(fù)雜過(guò)程。研究這些作用和相互作用過(guò)程，是模擬溢油行為和結(jié)果的基礎(chǔ)，數(shù)值計(jì)算模型是系統(tǒng)的核心，主要包括以下4個(gè)部分。

（1）三維潮流數(shù)值預(yù)報(bào)模塊。潮流、風(fēng)海流以及密度流、壓力梯度流、沖淡水流等組成的合成流速，是油膜漂移運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力，因此流場(chǎng)預(yù)報(bào)是溢油動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)的關(guān)鍵條件之一。珠江口水域動(dòng)力環(huán)境復(fù)雜，課題選用中山大學(xué)在漢堡陸架海HAMSOM三維斜壓方程模式基礎(chǔ)上建立的珠江口潮流數(shù)值預(yù)報(bào)模式，形成珠江口三維潮流快速預(yù)報(bào)模塊，經(jīng)驗(yàn)證滿足預(yù)報(bào)精度。潮流快速預(yù)報(bào)方法借助三維數(shù)模對(duì)預(yù)報(bào)海域進(jìn)行連續(xù)15個(gè)周的潮流計(jì)算，對(duì)每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)進(jìn)行調(diào)和分析，算出各點(diǎn)的潮流調(diào)和常數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)三維潮流的快速預(yù)報(bào)，生成的預(yù)報(bào)結(jié)果可供珠江口水域溢油應(yīng)急預(yù)報(bào)系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)用。

（2）溢油行為模型。系統(tǒng)采用目前國(guó)際上一致認(rèn)同的“油粒子”模型來(lái)模擬海面溢油行為，將溢油用許多粒子代表，反過(guò)來(lái)每一個(gè)粒子代表一組同樣大小和成分的油滴，粒子在表面表現(xiàn)為油膜，在水體中則表現(xiàn)為油滴，表面油膜的大小為表面粒子的疊加。采用表面擴(kuò)散、平移、輸送、乳化和揮發(fā)算法來(lái)模擬計(jì)算海水表面溢油的漂移、風(fēng)化過(guò)程；而水體中油粒子與水體一起運(yùn)動(dòng)，并伴有隨機(jī)行為，可視作拉格朗日粒子，采用隨機(jī)走動(dòng)算法模擬水平和垂直方向的平移以及湍流擴(kuò)散；利用線性平衡理論來(lái)劃分粒子的吸附狀態(tài)和溶解狀態(tài)；由于吸附在固體顆粒上的污染物會(huì)與顆粒一起沉降，底部污染物與沉積物按照生物擾動(dòng)方程混和，會(huì)有一部分返回到水體中。污染物在水中和沉積層中的降解以一級(jí)降解方程表示。與過(guò)去的二維算法相比，應(yīng)用油粒子概念不但較好地解決了油膜在環(huán)境動(dòng)力作用下的剪變和破碎過(guò)程，并能確切預(yù)報(bào)油膜邊緣的擴(kuò)展過(guò)程和油膜形狀在風(fēng)向上的明顯拉伸現(xiàn)象，能切和實(shí)際地模擬油膜的不規(guī)則形狀和漂移軌跡，而且可以有效地消除數(shù)值發(fā)散問(wèn)題。

（3）溢油風(fēng)化模型。海面溢油在其輸運(yùn)擴(kuò)散的過(guò)程中，也同時(shí)經(jīng)歷著蒸發(fā)、分散、溶解、乳化、沉降、光氧化、生物降解等復(fù)雜風(fēng)化過(guò)程，直接導(dǎo)致油膜理化性質(zhì)的改變，溢油的風(fēng)化過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜。本模型主要以風(fēng)化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，考慮溢油的蒸發(fā)、分散、溶解、乳化等過(guò)程，對(duì)于光氧化等長(zhǎng)期過(guò)程等則可忽略。

（4）應(yīng)急反應(yīng)模型。聯(lián)合使用應(yīng)急反應(yīng)模型與溢油行為和風(fēng)化模型，可模擬不同反應(yīng)策略（如機(jī)械回收、使用分散劑等）的溢油清除效果，為溢油應(yīng)急反應(yīng)決策提供參考。

圖1 溢油動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)信息系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)Fig.1 Scheme of oil spill dynamic forecast information system

1.2 圖形界面

（1）圖形界面是為了方便用戶輸入上述數(shù)值計(jì)算所需要的參數(shù)，并且可將預(yù)測(cè)計(jì)算結(jié)果可視化輸出，形象直觀，主要包括：可任意縮放比例的電子海圖，根據(jù)用戶指定的計(jì)算范圍，系統(tǒng)能夠自動(dòng)生成高精度的計(jì)算網(wǎng)格，這樣可以提高計(jì)算準(zhǔn)確性。

（2）包括油品和化學(xué)品的物理化學(xué)性質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)、水深地形數(shù)據(jù)庫(kù)，水文氣象（風(fēng)海流）數(shù)據(jù)文件庫(kù)、資源分布數(shù)據(jù)庫(kù)、溢油人員設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)等。用戶既可以直接選用風(fēng)場(chǎng)和潮流場(chǎng)的數(shù)據(jù)文件，也可以根據(jù)觀測(cè)資料實(shí)時(shí)生成潮流場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)，地形水深情況可自動(dòng)調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)，使應(yīng)急預(yù)測(cè)準(zhǔn)確而迅速。

（3）內(nèi)置有與ArcView系統(tǒng)格式相互兼容的地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)，提高了系統(tǒng)的實(shí)用性和擴(kuò)充性；允許用戶在電子海圖上編輯添加顯示資源保護(hù)區(qū)、環(huán)境敏感區(qū)、應(yīng)急人員設(shè)備分布、水深、航道等信息。并具有開(kāi)放性，允許用戶編輯添加。

（4）系統(tǒng)運(yùn)行由輸入、模擬計(jì)算和輸出3部分構(gòu)成，操作順序?yàn)椋狠斎胍缬皖A(yù)測(cè)所必需的條件，包括油種性質(zhì)數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)和模型控制參數(shù)，其中空間流場(chǎng)數(shù)據(jù)由三維潮流模型計(jì)算產(chǎn)生；預(yù)測(cè)部分以三維溢油動(dòng)態(tài)模型和風(fēng)化模型為主體，依據(jù)輸入數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)未來(lái)時(shí)刻的溢油動(dòng)態(tài)和行為；預(yù)測(cè)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行可視化輸出，計(jì)算結(jié)果可直接輸出至電子海圖上，可視化顯示溢油的漂移軌跡和性質(zhì)變化，因此特別適合溢油現(xiàn)場(chǎng)指揮使用。同時(shí)，由于系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程采用逐步引導(dǎo)式輸入，計(jì)算結(jié)果能夠以動(dòng)畫(huà)、圖形、文本等多種形式詳細(xì)輸出，便于非專業(yè)的管理人員操作使用。還可通過(guò)一機(jī)多屏技術(shù)實(shí)現(xiàn)不同內(nèi)容在雙屏或三屏上分別顯示，以便同時(shí)參考上述相關(guān)信息，提高應(yīng)急反應(yīng)效率。

2 系統(tǒng)功能

（1）用戶在15 min之內(nèi)就可以將事故參數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)方便快速地輸入并完成預(yù)測(cè)模擬計(jì)算，并在海域電子海圖上顯示溢油可能的漂移軌跡、擴(kuò)散范圍、上岸時(shí)間和地點(diǎn)等，有助于確定油膜位置和動(dòng)態(tài)，并及時(shí)調(diào)集應(yīng)急隊(duì)伍和清除設(shè)備到達(dá)適當(dāng)?shù)淖鳂I(yè)地點(diǎn)；

（2）能夠根據(jù)氣象海況條件，計(jì)算預(yù)測(cè)海上溢油在不同時(shí)刻的殘余量、油膜厚度、密度、粘度、含水率、乳化率等溢油性質(zhì)和狀態(tài)變化情況，有助于選擇最有效的控制清除方式；

（3）預(yù)報(bào)溢油漂移軌跡和擴(kuò)展范圍，以便向環(huán)境敏感區(qū)發(fā)布污染預(yù)警，提前防范避免重大污染損失；

（4）系統(tǒng)內(nèi)配備有地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)，可以顯示環(huán)境敏感區(qū)和應(yīng)急人員設(shè)備的地理分布信息，有助于提前發(fā)出污染預(yù)警和進(jìn)行應(yīng)急部署；

（5）具備模擬不同清除方案處理效果的功能，為應(yīng)急反應(yīng)處理提供必要信息和決策支持；

（6）具備模擬不同化學(xué)品污染物在水中的溶解擴(kuò)散情況和沉降作用對(duì)海底底質(zhì)污染程度的功能，可對(duì)各種化學(xué)品在海面、水中、海底的動(dòng)態(tài)和分布全方位地進(jìn)行計(jì)算顯示；

（7）具有文字、圖形、圖表的直接復(fù)制打印輸出功能，方便編輯迅速形成報(bào)告。

3 應(yīng)用案例

1999年3月24日發(fā)生的珠?！?·24”溢油污染事故是歷年來(lái)發(fā)生在珠江口水域溢油量最大、損害最為嚴(yán)重的船舶溢油事故。事故造成珠江口部分水域岸線嚴(yán)重污染，使珠海市在水產(chǎn)養(yǎng)殖和旅游等方面蒙受重大的經(jīng)濟(jì)損失，生態(tài)環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞，教訓(xùn)十分深刻?，F(xiàn)應(yīng)用上述“珠江口區(qū)域溢油動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)信息系統(tǒng)”進(jìn)行事故模擬檢驗(yàn)。

3.1 事故模擬參數(shù)

溢油時(shí)間為 1999 年 3 月 24 日 02：00～03：00 時(shí)，溢油地點(diǎn)位于 22°24′.718N，113°43′.583E，距淇澳島約10 km；溢油種類為180#重質(zhì)燃料油，約586 t。

根據(jù)珠海市氣象站提供的1999年3月24～30日典型時(shí)段的資料，24日和25日以偏東北風(fēng)為主，風(fēng)速約2.0 m/s；26日以偏南風(fēng)為主，風(fēng)速較小，約1.0 m/s；27日下午以后風(fēng)向增強(qiáng)至4～5 m/s，以偏東風(fēng)為主；28日以東北風(fēng)為主，風(fēng)速較大；29～30日，亦以東北風(fēng)為主，風(fēng)速亦較大。

海況條件：當(dāng)天內(nèi)伶仃站位的潮汐高潮時(shí)刻為04：55 和16：36，低潮時(shí)刻為 10：55 和 22：59，事故發(fā)生時(shí)處于漲潮狀態(tài)，流速約為1節(jié)，輕浪（圖2）。

3.2 模擬結(jié)果與分析

溢油漂移的模擬軌跡結(jié)果見(jiàn)圖3。下面對(duì)模擬結(jié)果作一些初步分析。

（1）1999年3月24日2時(shí)事故發(fā)生時(shí)正處于漲潮期，小潮，事故發(fā)生地點(diǎn)附近海域的潮流流速不大，漲急時(shí)約為0.4 m/s，吹輕微的東北風(fēng)。油膜漂移主要受北向漲潮流和南向落潮流的控制作南北往復(fù)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)受約2 m/s的東—東南風(fēng)影響，油膜呈“M”字形軌跡逐漸向淇澳島方向靠近，平均漂移速度0.2 m/s。油膜厚度很快減少到1 mm以下，由于風(fēng)浪不大，乳化程度低，但隨著重油中約10%輕組分的揮發(fā)，油膜的粘度很快增加，達(dá)5 000 Cs以上。溢油于1999年3月25日下午到達(dá)淇澳島附近海域，并有部分在淇澳島南芒灣和唐家灣銅鼓角一帶登陸。這段時(shí)間溢油在偏東北風(fēng)的作用下緩慢向淇澳島漂移。這個(gè)時(shí)間段是最好的應(yīng)急圍堵、回收時(shí)機(jī)。

（2）1999年3月26日，風(fēng)力變小且是南風(fēng)，油膜在漲落流的交替作用下，在銅鼓角附近海域徘徊，并有部分溢油進(jìn)入金星門(mén)。部分油膜漂向南芒灣及輪渡碼頭等岸線。由于落潮流略大于漲潮流，大部分油膜向東南漂移繞過(guò)銅鼓角后，于27日凌晨向南漂移至大塢灣和唐家灣海域，在大塢灣和唐家灣海域作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。這段時(shí)間海面刮南風(fēng)，風(fēng)力較小，使溢油在唐家灣和淇澳島南側(cè)之間海域隨潮流作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，有部分油膜飄上岸。

圖2 伶仃水道附近水域的落急流態(tài)Fig.2 Simulated ebb tide current field around the Lingding waterway

（3）3月27日下午風(fēng)力開(kāi)始增強(qiáng)，轉(zhuǎn)為4級(jí)東風(fēng)，大量溢油在唐家灣和銀坑一帶被吹上岸。剩余油膜于28日凌晨繞過(guò)銀坑進(jìn)入香洲灣。28日繼續(xù)吹較大的東北風(fēng)，油膜在香洲灣海域作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，大部分油膜在香洲港、野貍島及菱角咀等處陸續(xù)抵岸。少量破碎油膜則于29日到達(dá)九州列島附近海域，最終被吹上海岸。突然增強(qiáng)的東北風(fēng)將海面飄浮的剩余油膜陸續(xù)吹上岸。

根據(jù)模擬結(jié)果，此次溢油事故污染比較嚴(yán)重的海岸有：淇澳島東側(cè)與南側(cè)一帶、銅鼓角、唐家灣、銀坑、香州灣、九州港一帶等，模擬結(jié)果與當(dāng)時(shí)實(shí)際監(jiān)測(cè)情況較一致。

圖3 “3.24”事故油膜漂移動(dòng)態(tài)與軌跡模擬結(jié)果Fig.3 Visual display of“3.24”oil film trajectory results

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹的溢油動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)信息系統(tǒng)輸入簡(jiǎn)便快捷、計(jì)算迅速準(zhǔn)確、結(jié)果詳實(shí)可視，無(wú)論是理論技術(shù)性還是實(shí)際應(yīng)用性均比較先進(jìn)。不但能夠?yàn)楦鞲劭诤退虻奈廴臼鹿蕬?yīng)急計(jì)劃和部署提供決策支持，提高應(yīng)急反應(yīng)效率，也可以廣泛應(yīng)用于海上溢油與化學(xué)品污染事故防治的其他領(lǐng)域，如污染事故風(fēng)險(xiǎn)與環(huán)境影響評(píng)價(jià)、應(yīng)急反應(yīng)計(jì)劃的演習(xí)和人員培訓(xùn)、污染損害評(píng)估與索賠等。

［1］Reed M，Ekrol N，Rye H，et al.Oil Spill Contingency and Response（OSCAR）Analysis in Support of Environmental Impact Offshore Namibia［J］.Spill Science and Technology Bulletin，1999，5（1）：29-38.

［2］張波，吳冠，張硯峰，等.中文 Windows環(huán)境下的海上溢油預(yù)報(bào)系統(tǒng)［J］.海洋環(huán)境科學(xué)，1997，16（1）：41-45.ZHANG B，WU G，ZHANG Y F，et al.Oil spill prediction system for Windows［J］.Marine Environmental Science，1997，16（1）：41-45.