基于隨機(jī)數(shù)值模擬的溢油對(duì)敏感資源風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究

鄧 健 孫 浩 謝 澄

(武漢理工大學(xué)航運(yùn)學(xué)院1) 武漢 430063) (內(nèi)河航運(yùn)技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2) 武漢 430063) (交通運(yùn)輸部長(zhǎng)江航運(yùn)技術(shù)行業(yè)研發(fā)中心3) 武漢 430000)

基于隨機(jī)數(shù)值模擬的溢油對(duì)敏感資源風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究

鄧 健1,2,3)孫 浩1)謝 澄1)

(武漢理工大學(xué)航運(yùn)學(xué)院1)武漢 430063) (內(nèi)河航運(yùn)技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2)武漢 430063) (交通運(yùn)輸部長(zhǎng)江航運(yùn)技術(shù)行業(yè)研發(fā)中心3)武漢 430000)

針對(duì)船舶溢油事故對(duì)沿海經(jīng)濟(jì)體系及海洋生態(tài)環(huán)境所造成的嚴(yán)重?fù)p害，以防城港8萬(wàn)t級(jí)化工碼頭為研究對(duì)象，基于潮流擴(kuò)散、漂移等模型，采用隨機(jī)統(tǒng)計(jì)模擬法，在變化潮流、風(fēng)力等影響溢油運(yùn)行軌跡的相關(guān)因素情況下，對(duì)港口區(qū)域溢油污染的概率及溢油污染的最短時(shí)間2個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，確定評(píng)價(jià)碼頭發(fā)生溢油事故后對(duì)環(huán)境敏感資源的風(fēng)險(xiǎn)大小.

安全工程；隨機(jī)模擬；溢油風(fēng)險(xiǎn)；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

0 引 言

隨著航運(yùn)業(yè)的不斷發(fā)展，溢油事故時(shí)有發(fā)生，其對(duì)軌跡覆蓋區(qū)域內(nèi)養(yǎng)殖區(qū)、水域環(huán)境等造成重大影響，所造成的直接或間接損失不可估量.溢油事故一般為船舶碰撞或擱淺的次生事故，具有突發(fā)性，事故發(fā)生后，溢油將迅速擴(kuò)散，對(duì)岸線及相關(guān)水域造成嚴(yán)重污染，因此，對(duì)溢油行為的預(yù)測(cè)研究一直是各學(xué)者研究的熱點(diǎn).李穎等[1]利用數(shù)值建模結(jié)合地理信息系統(tǒng)(GIS)分析了在墨西哥灣油品泄漏對(duì)岸線及生態(tài)的影響預(yù)測(cè).Mohammad[2]結(jié)合環(huán)境因素、船舶交通事故等因素建立了一個(gè)動(dòng)態(tài)的風(fēng)險(xiǎn)模型，來(lái)確定區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)狀況，并在實(shí)時(shí)海況下對(duì)船舶溢油事故進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià).目前許多學(xué)者的研究主要集中于單次油粒子的擴(kuò)散模型，忽略風(fēng)場(chǎng)流場(chǎng)等因素的隨機(jī)性，將復(fù)雜多變的隨機(jī)輸入、輸出關(guān)系以確定性的輸入和輸出求解數(shù)學(xué)模型,得到確定性的輸出,對(duì)輸出的確定性結(jié)果也不作概率統(tǒng)計(jì)方面的分析,這種模擬方法與真實(shí)結(jié)果存在較大誤差.

隨機(jī)數(shù)值模擬是一種通過(guò)設(shè)定隨機(jī)過(guò)程，反復(fù)生成序列，研究其分布的方法，主要用于易變指標(biāo)(如風(fēng)、流等多變條件)的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè).Bardossy等[3]使用隨機(jī)數(shù)值模擬和ARMA過(guò)程的參數(shù)，將德國(guó)西南32個(gè)降水站的40年歷史觀察與100個(gè)匹配時(shí)間進(jìn)行對(duì)比，使用大量不同的診斷從而對(duì)德國(guó)降水量進(jìn)行估計(jì).隨機(jī)模擬在水上交通也早有相關(guān)應(yīng)用.Moonjin[4]采用油粒子模型,基于隨機(jī)模擬的方法，對(duì)溢油到達(dá)指定區(qū)域的概率和時(shí)間進(jìn)行了分析，得出了韓國(guó)大山港的溢油評(píng)價(jià)總體結(jié)論.從國(guó)內(nèi)外研究可知，在溢油的預(yù)測(cè)方面，研究目標(biāo)以溢油的到達(dá)指定區(qū)域的概率和最短時(shí)間為主.

隨機(jī)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果只依賴于隨機(jī)過(guò)程中序列的分布，受人為和特定自然環(huán)境因素影響較小，能得到較為客觀、全面的預(yù)測(cè)結(jié)果.文中選取國(guó)內(nèi)典型港口作為樣本，分析其敏感資源分布情況，以300次隨機(jī)溢油擴(kuò)散場(chǎng)景為序列基礎(chǔ)，得到溢油事故污染影響的概率分布、到達(dá)敏感區(qū)域擴(kuò)散時(shí)間分布，以期為溢油風(fēng)險(xiǎn)快速預(yù)測(cè)提供理論支撐.

1 評(píng)價(jià)模型的建立

1.1 潮流模型

潮流是近岸淺水海域的基本流動(dòng)，潮流數(shù)值計(jì)算是模擬入海溢油隨潮漂移和歸宿的基礎(chǔ).文中采用三維DELFT潮流模型來(lái)模擬評(píng)價(jià)碼頭附近水域的潮流場(chǎng).三維潮流模型用于描述正壓海洋的深度平均運(yùn)動(dòng)，方程組由連續(xù)性方程和動(dòng)量方程組成[5].

沿水深積分的連續(xù)方程：

(1)

ξ和η方向的動(dòng)量方程：

ξ方向：

(2)

η方向：

(3)

式中：ζ為水位；d為水深；Gζζ，Gη為直角坐標(biāo)系與正交曲線坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換系數(shù)；U，V為ζ和η方向上的水深平均速度分量；Q為單位面積上取排水、蒸發(fā)和降水對(duì)流量的貢獻(xiàn)；f為柯氏力系數(shù)；Fζ，F(xiàn)η為ζ和η方向的紊動(dòng)動(dòng)量通量；Pζ，Pη為ζ和η方向的水壓力梯度；Mζ，Mη為ζ和η方向的動(dòng)量的源或匯；Vv為垂向渦動(dòng)系數(shù).

1.2 溢油事故后果預(yù)測(cè)模型

事故后果采用油粒子模型對(duì)溢油的漂移、風(fēng)化、擴(kuò)散等一系列過(guò)程進(jìn)行模擬.其采用的數(shù)值模型主要包括：漂移模型和擴(kuò)散模型.

假設(shè)溢油可分成許多獨(dú)立溢油粒，將每個(gè)溢油?？醋骼窭嗜樟Ｗ?溢油粒在t時(shí)刻的位置分量用Xt表示.

(4)

式中：Δt為時(shí)間步長(zhǎng)；Xt-1為t-1時(shí)刻溢油粒子位置；Uoil為溢油粒漂移速度.

溢油粒子漂移速度Uoil可定義為

(5)

式中：Ut為水流產(chǎn)生的速度分量；Uw為風(fēng)產(chǎn)生的速度分量；Udisp為分散過(guò)程產(chǎn)生的速度分量.

風(fēng)產(chǎn)生的速度分量Uw可定義為

(6)

式中：風(fēng)漂移因子C1是一個(gè)常量，在1%～4.5%變化，由實(shí)測(cè)確定，3%～3.5%對(duì)開(kāi)闊海域較合適.對(duì)封閉或半封閉海域，C1值較小；Uwindspeed為風(fēng)速.

東方向擴(kuò)散速度分量可定義為

(7)

北方向擴(kuò)散速度分量可定義為

(8)

式中：Dx為東西方向水平擴(kuò)散系數(shù)；Dy為南北方向水平擴(kuò)散系數(shù)；Δt表示時(shí)間步長(zhǎng)；r為隨機(jī)系數(shù)(-1～1).水平擴(kuò)散系數(shù)Dx，Dy通常相等.

1.3 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法

依據(jù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究情況，溢油污染風(fēng)險(xiǎn)可以根據(jù)水面遭受溢油污染的概率和溢油污染的最短時(shí)間兩方面進(jìn)行評(píng)價(jià).

溢油污染的概率是評(píng)定敏感區(qū)域是否受到溢油污染的重要指標(biāo)，該信息可以為有效的分配溢油應(yīng)急資源提供支持.溢油影響的概率可定義為溢油粒子到達(dá)網(wǎng)格區(qū)域的次數(shù)與模擬總次數(shù)的比值，可以用公式

(9)

式中：P為溢油影響的概率；n為溢油達(dá)到網(wǎng)格區(qū)域的次數(shù)；N為模擬總次數(shù).

溢油污染的最短時(shí)間可以提供優(yōu)先響應(yīng)信息，為提前應(yīng)對(duì)溢油污染做準(zhǔn)備.溢油達(dá)到的最短時(shí)間可定義為溢油粒子從事故地點(diǎn)到達(dá)到每個(gè)網(wǎng)格區(qū)域所需要的時(shí)間，可以用公式

t=T-T0

(10)

式中：t為溢油污染的最短時(shí)間；T為溢油達(dá)到網(wǎng)格的時(shí)間；T0為發(fā)生事故時(shí)間.由于在不同條件下進(jìn)行每次隨機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)溢油達(dá)到同一區(qū)域的時(shí)間均不相同，因此取其最小值.

2 典型碼頭實(shí)例分析

2.1 評(píng)價(jià)區(qū)域概述

防城港背靠大西南、面向東南亞、東臨粵港澳，是我國(guó)沿海主要港口之一[6].港區(qū)內(nèi)有危險(xiǎn)品碼頭、水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)、環(huán)境保護(hù)區(qū)等敏感資源.一旦發(fā)生溢油事故，將會(huì)對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境和港口經(jīng)濟(jì)造成難以挽回的巨大損失.港區(qū)內(nèi)化工碼頭眾多，因其貨種的高風(fēng)險(xiǎn)性，油品泄漏后可能遇熱源產(chǎn)生爆炸等連鎖事故.風(fēng)險(xiǎn)性相較于其他散貨碼頭更高，因此文中選取防城港東灣8萬(wàn)t級(jí)化工碼頭作為事故發(fā)生的模擬位置.

碼頭主要為周邊地區(qū)的企業(yè)提供成品油、化學(xué)品等原材料和產(chǎn)品運(yùn)輸服務(wù).據(jù)統(tǒng)計(jì)，碼頭年吞吐量147萬(wàn)t，主力船型為5萬(wàn)t級(jí)原油船.據(jù)海事部門統(tǒng)計(jì)，1994—2013年防城港及其附近海域共發(fā)生船舶交通事故33起，船舶交通流量共計(jì)66 667艘次，港口貨物吞吐量共計(jì)43 478萬(wàn)t.在此時(shí)間內(nèi)，防城港港海域發(fā)生操作性船舶溢油事故1起，海難性船舶溢油事故2起.可計(jì)算出船舶污染次數(shù)發(fā)生的概率,見(jiàn)表1.

表1 船舶污染事故發(fā)生頻率

根據(jù)《船舶污染海洋環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》給出的預(yù)測(cè)方法，操作性事故最可能發(fā)生溢油量以3分鐘泄漏量為準(zhǔn)，海難性最可能發(fā)生泄漏量以主力船型單個(gè)艙室油品泄漏量為準(zhǔn)，結(jié)合本碼頭的運(yùn)輸船舶的主要船型、噸位和實(shí)載率，確定本碼頭最可能發(fā)生的操作性溢油量約為25 t，最可能發(fā)生事故溢油量原油360 t.

2.2 環(huán)境敏感資源概述

根據(jù)《防城港市海洋功能區(qū)劃》《廣西壯族自治區(qū)海洋功能區(qū)劃》對(duì)各類海洋資源的劃分[7]，可得防城港區(qū)環(huán)境敏感目標(biāo)如表2

表2 環(huán)境敏感目標(biāo)

環(huán)境敏感指數(shù)圖與溢油事故應(yīng)急響應(yīng)息息相關(guān)，是選擇溢油污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)區(qū)域的重要因素.根據(jù)《船舶污染海洋環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范(試行)》中環(huán)境資源敏感性分類表，將評(píng)價(jià)區(qū)域環(huán)境敏感度分為5檔(見(jiàn)圖1)，其中環(huán)境敏感系數(shù)0表示環(huán)境敏感程度很低，1表示環(huán)境敏感程度低，5表示環(huán)境敏感程度中等，20表示環(huán)境敏感程度高，50表示環(huán)境敏感程度非常高.環(huán)境敏感程度非常高區(qū)域主要為紅樹(shù)林保護(hù)區(qū)，環(huán)境敏感程度高的區(qū)域主要為海洋保護(hù)區(qū)和國(guó)家級(jí)的養(yǎng)殖區(qū)，環(huán)境敏感程度中等區(qū)域主要為一般的風(fēng)景旅游區(qū)和潮間帶等，環(huán)境敏感程度低的區(qū)域主要為敏感度的岸線，環(huán)境敏感程度很低的區(qū)域主要為開(kāi)闊的海域.

圖1 海域環(huán)境保護(hù)目標(biāo)敏感系數(shù)及網(wǎng)格分布圖

2.3 隨機(jī)數(shù)值模擬方法

圖2為評(píng)價(jià)區(qū)域漲潮表層流場(chǎng)圖，由圖2可知，對(duì)評(píng)價(jià)碼頭及其周邊評(píng)價(jià)區(qū)域自西向東，自南向北劃分了51×53個(gè)網(wǎng)格.確定各環(huán)境敏感資源所在網(wǎng)格，根據(jù)風(fēng)、潮流、溢油泄漏數(shù)量等不同條件下，依據(jù)1.3方法進(jìn)行評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)的溢油模擬.

2.3.1 隨機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)參數(shù)選擇

通過(guò)查詢國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究可知，對(duì)于船舶溢油污染的影響為流場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)、時(shí)間、地點(diǎn)、數(shù)量的集合[8-9]，為此，在隨機(jī)模擬參數(shù)的選取可按如下函數(shù)表示.

通過(guò)美國(guó)地球物理數(shù)據(jù)中心(NGDC)提供的高精度海岸線邊界數(shù)據(jù)，基于1.1潮流模型，采用曲線正交網(wǎng)格剖分的方法模擬評(píng)價(jià)區(qū)域范圍內(nèi)的潮流情況，見(jiàn)圖2～3.

圖2 評(píng)價(jià)區(qū)域漲潮表層流場(chǎng)圖

圖3 評(píng)價(jià)區(qū)域落潮表層流場(chǎng)圖

由模擬結(jié)果可見(jiàn)評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)大潮時(shí)落潮流速大于漲潮流速，防城港灣外海域漲潮以偏NE向?yàn)橹鳎涑币云玈W向?yàn)橹?，外海潮流流速比?nèi)灣大，灣頸處達(dá)最大.模擬結(jié)果與2013年11月大潮期觀測(cè)結(jié)果吻合較好.

圖4為防城港市的風(fēng)玫瑰圖，由圖4可知，全年常風(fēng)向?yàn)镹NE，頻率為30.5%，次常風(fēng)向?yàn)镾SW，其頻率為8.4%；強(qiáng)風(fēng)向?yàn)镋，頻率為4.9%，其最大風(fēng)速為36 m/s，次強(qiáng)風(fēng)向?yàn)镹NE，其最大風(fēng)速為27 m/s.多年平均風(fēng)速約為5 m/s.

圖4 防城港風(fēng)玫瑰圖

結(jié)合時(shí)間、地點(diǎn)等影響因素，給出如表3所示隨機(jī)模擬參數(shù).

表3 隨機(jī)統(tǒng)計(jì)模擬計(jì)算參數(shù)表

2.3.2 隨機(jī)模擬個(gè)例分析

隨機(jī)選取夏季SW風(fēng)向落潮，風(fēng)速2.9 m/s，原油15 t，等相關(guān)條件進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果見(jiàn)圖5.

圖5 溢油軌跡

2.3.3 溢油風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

根據(jù)2.3.2模擬方法進(jìn)行隨機(jī)條件下300次的隨機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出水面受到溢油污染的概率及最短時(shí)間分布，見(jiàn)圖6～7.

由圖可見(jiàn)，事故發(fā)生后，72 h內(nèi)可能污染的面積范圍較大，其中污染概率較大的為本工程岸線所在水域，概率超過(guò)70%以上.溢油對(duì)環(huán)境敏感資源影響的概率及時(shí)間具體見(jiàn)表4.

圖6 水面溢油污染概率分布圖

圖7 水面受污染最短時(shí)間分布圖

環(huán)境敏感資源溢油污染概率/%溢油污染最短時(shí)間/h工程所在岸線902東灣海洋保護(hù)區(qū)307江山半島東岸旅游休閑娛樂(lè)區(qū)208江山半島南部農(nóng)漁業(yè)區(qū)209企沙半島南部農(nóng)漁業(yè)區(qū)1020東灣紅樹(shù)林528

2.3.4 整體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

風(fēng)險(xiǎn)為概率與風(fēng)險(xiǎn)后果的乘積：

風(fēng)險(xiǎn)R=概率P×后果C

其風(fēng)險(xiǎn)概率由溢油污染概率可知，而風(fēng)險(xiǎn)后果除與遭受溢油污染的最短時(shí)間有關(guān)外，敏感資源自身的敏感系數(shù)也起著相當(dāng)重要的作用.因此我們可定義評(píng)價(jià)碼頭的風(fēng)險(xiǎn)為

R=Pn/T

式中：R為風(fēng)險(xiǎn)；P為溢油影響的概率；n為敏感系數(shù)；T為溢油影響的時(shí)間.

得出各敏感區(qū)域的溢油風(fēng)險(xiǎn)，見(jiàn)表5.

通過(guò)表5所計(jì)算出風(fēng)險(xiǎn)大小，確定該工程所在海域的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域?yàn)楣こ趟诎毒€、東灣海洋保護(hù)區(qū)、江山半島東岸旅游休閑娛樂(lè)區(qū)、江山半島南部農(nóng)漁業(yè)區(qū).

表5 敏感區(qū)域溢油風(fēng)險(xiǎn)

3 結(jié) 論

1) 溢油污染風(fēng)險(xiǎn)受到實(shí)時(shí)海況下的潮流、風(fēng)等因素的影響.利用潮流模型和預(yù)測(cè)模型對(duì)漂移、分散、擴(kuò)展等一系列過(guò)程進(jìn)行模擬，分析溢油泄漏后的運(yùn)行軌跡.由于海洋環(huán)境變化性，為提高模擬系統(tǒng)的精確性，引入隨機(jī)模擬理論，在不同條件下對(duì)模擬事故發(fā)生地點(diǎn)進(jìn)行300次的隨機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)，分析水面遭受溢油污染的概率和溢油污染的最短時(shí)間，很好的反應(yīng)出評(píng)價(jià)區(qū)域里的敏感資源的風(fēng)險(xiǎn)情況

2) 溢油風(fēng)險(xiǎn)研究雖已十分成熟，但因其受特定環(huán)境(特定風(fēng)速、流場(chǎng)等)因素較大，不具備普遍的適用性和預(yù)測(cè)性.隨機(jī)模擬在評(píng)價(jià)過(guò)程中只考慮所有序列的分布情況，其溢油影響預(yù)測(cè)可借鑒程度高，為制定港口溢油污染對(duì)策及建立溢油應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制提供有力的支持.

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Study on the Risk Assessment of Oil Spill Based on Stochastic Numerical Simulation for the Pollution Risk of Sensitive Resources

DENG Jian1,2,3)SUN Hao1)XIE Cheng1)

(Schoolofnavigation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)1)(HubeiInlandShippingTechnologyKeyLaboratory,Wuhan430063,China)2)(TheMinistryoftransportandshippingoftheYangtseRiverTechnologyIndustryResearchandDevelopmentCenter,Wuhan430000,China)3)

Aiming at the serious damage of the coastal economic system and marine ecological environment caused by the oil spill accidents of ships and taking the 80 000-ton chemical port in Fang Cheng-gang as an example, two risk factors including the probability of oil spill pollution in the port area and the shortest time of oil spill pollution are analyzed on the condition that the related factors of the running track of oil spill are affected by the changed flow and wind. Meanwhile, the analysis is based on the model of tidal current diffusion and drift, and the stochastic simulation method is used. Thereby, the risk of environmental sensitive resources after the oil spill accidents can be evaluated and determined.

safety engineering; stochastic simulation; oil spill risk; risk assessment

2016-10-25

U698.7

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.01.007

鄧健(1977—)：男,博士,副教授，主要研究領(lǐng)域?yàn)樗辖煌ò踩c防污染