不同泄漏方式下的海上溢油數(shù)值模擬

于徐華, 孟 云

(中海環(huán)境科技(上海)股份有限公司，上海 200135)

不同泄漏方式下的海上溢油數(shù)值模擬

于徐華, 孟 云

(中海環(huán)境科技(上海)股份有限公司，上海 200135)

采用MIKE21 HD模塊和SA模塊建立營口港海域溢油預報模型，分別模擬瞬時溢油和連續(xù)溢油2種溢油方式下油膜漂移擴展規(guī)律。對比分析結果表明:在不考慮風場的條件下，溢油主要隨潮流往復運動;比較72 h后2種溢油方式下油膜的掃海面積和影響范圍，連續(xù)溢油方式下的掃海面積和影響范圍均比瞬時泄漏方式下的大。綜合考慮實際泄漏事故發(fā)生情況，在對溢油事故影響進行預測時，溢油泄漏應考慮采用連續(xù)泄漏方式。

溢油；瞬時溢油；連續(xù)溢油；數(shù)值模擬

0 引 言

中國是海洋大國，擁有1.8萬km大陸海岸線和1.4萬km島嶼岸線。伴隨著經(jīng)濟社會發(fā)展，我國水路貨物運輸量和港口吞吐量連續(xù)多年穩(wěn)居世界第一。海上運輸業(yè)的發(fā)展致使海上航行船舶密度增大，油輪向大型和超大型化發(fā)展，加劇了海上溢油風險的隱患和危害程度。據(jù)統(tǒng)計，1990年～2010年期間，我國沿海海域共發(fā)生船舶溢油事故(溢油量≥50 t)71起，溢油總量為22 035 t[1]。溢油事故一旦發(fā)生，不僅對海洋生態(tài)環(huán)境造成嚴重的破壞，造成周邊區(qū)域內(nèi)魚蝦貝類中毒甚至死亡,海鳥的生存受到威脅等；如若溢油登岸，則會使海邊浴場、海岸風景旅游區(qū)和濕地保護區(qū)等遭受污染；嚴重的溢油事故會引發(fā)火災和爆炸，破壞船舶或海上設施，甚至造成人員傷亡[2-3]。因此，建立海上溢油的數(shù)學模擬模型，模擬突發(fā)性溢油事故后油膜的軌跡，分析和預報溢油的污染范圍，對科學地制定應急搶險計劃和降低溢油損失具有十分重要的意義。

溢油泄漏入海后，在各種環(huán)境因素的作用下，會發(fā)生復雜的物理、化學和生物過程。FAY[4-5]提出在平靜海面上油膜呈圓形擴展的三階段理論，在不考慮海流、風、波浪等因素的影響，考慮擴展是由重力、表面張力、慣性力和黏滯力的作用而產(chǎn)生的，通過不同階段主要作用力和阻力的平衡求得瞬時溢油油膜擴展規(guī)律。對于連續(xù)溢油過程，F(xiàn)AY認為仍然是上述作用力決定油膜的擴展，油膜擴展階段同瞬時溢油，進而給出了溢油口下游不同距離處的油膜擴展寬度[6]。山口英昭等[7]采用水槽實驗的方法模擬了連續(xù)溢油過程，證實連續(xù)溢油在靜止水面上的擴散存在3個不同階段，油在下游不同距離上的擴散幅度，可假設為溢油口以水流速度的移動，溢油時間為X/U的靜止水面上擴散表示。后來眾多學者研究認為風、流等因素也會影響油膜的擴展[8-11]，并在FAY擴展模型基礎上進行改進，油膜擴展形式也不再以圓形的形式向四周擴展。ELLIOTT等[12]認為不僅風和海流對油膜擴展具有重要作用，同時溢油本身性質(zhì)(如黏度和密度等)的變化也會對溢油擴展產(chǎn)生影響。

這里在國內(nèi)外相關研究的基礎上，以營口港海域溢油事故為例，利用MIKE21建立二維水動力模型，模擬區(qū)域為整個遼東灣海域，采用三角形網(wǎng)格進行剖分，并對營口港周邊海域進行局部加密。采用實測資料驗證模型的可靠性和適用性，利用模擬結果為MIKE21 SA模塊提供水動力基礎數(shù)據(jù)，建立營口港周邊海域的溢油模型，對營口港海域發(fā)生溢油泄漏事故的影響進行預測。從溢油泄漏方式著手，研究在不同的溢油泄漏方式下對營口港前沿海域的影響范圍，分析如何選取合理的溢油泄漏方式，有效地預測溢油污染程度。

1 二維水動力模型

二維水動力模型連續(xù)方程為

(1)

二維水動力模型運動方程為

(2)

(3)

式(1)～式(3)中：x,y為直角坐標系坐標；t為時間；h為水深(基準面到床面的距離)；ζ為潮位(基準面到自由水面的距離)；u,v分別為x,y方向的垂線平均流速分量；f為科氏系數(shù)；g為重力加速度；Ex,Ey分別為x,y方向的水平紊動黏性系數(shù)；τx,τy分別為波流共同作用下床面剪切力在x,y方向的分量；Sxx,Sxy,Syy分別為各方向的波浪輻射應力。

2 溢油模型

MIKE21 SA模塊是基于隨機走動法來模擬粒子運動軌跡。通過對油膜的輸移、風化等過程的模擬，提供油膜隨時間變化的厚度和位置，以及溢油乳化率、蒸發(fā)量和溶解量等。

2.1輸移過程

2.1.1 擴展運動

采用修正的FAY重力-黏力公式計算油膜擴展。FAY重力-黏力公式為

(4)

2.1.2 漂移運動

油粒子漂移的作用力是水流和風拽力，油粒子總漂移速度為

Utot=cw(z)·Uw+Us

(5)

式(5)中:Utot為總漂移速度；Uw為水面以上10m處的風速；Us為表面流速；cw(z)為風漂移系數(shù)，一般在0.03～0.04之間。

2.1.3 紊動擴散

2.1.3.1 水平擴散

假定水平擴散各向同性，一個時間步長內(nèi)α方向上的可能擴散距離Sa為

(6)

2.1.3.2 垂直擴散

從油膜擴散到水體中的油分損失量為

D=DaDb

(7)

油滴返回油膜的速率為

=Da(1-Db)

(8)

2.2風化過程

油粒子的風化包括蒸發(fā)、溶解和乳化等過程，在這些過程中油粒子的組成發(fā)生變化，但油粒子的水平位置沒有變化。

2.2.1 蒸發(fā)

油中較輕的組分能蒸發(fā)到大氣中，減少溢油量，同時改變溢油的密度和黏性等物理性質(zhì)。油膜蒸發(fā)受油分、氣溫、水溫、溢油面積、風速、太陽輻射和油膜厚度等因素的影響。

蒸發(fā)率為

(9)

式(9)中:N為蒸發(fā)率；i為各種油組分；kei為物質(zhì)輸移系數(shù);PSAT為蒸汽壓；R為氣體常數(shù)；T為溫度；M為分子量；ρ為油組分的密度。

(10)

式(10)中:k為蒸發(fā)系數(shù)；Sci為組分i的蒸汽Schmidts數(shù)。

2.2.2 溶解

油有極微弱的溶解于水的特性，溶解量和時間也有一定的規(guī)律可循，溢油最大溶解量發(fā)生在事故后8～12 h內(nèi)，然后溶解量呈指數(shù)線性下降。溶解率為

(11)

2.2.3 乳化

溢油的乳化是指油和水混合在一起形成油水乳化物的過程，該過程取決于油膜的厚度、溢油本身的密度、黏度及風浪大小等因素。

油中含水率變化為

=R1-R2

(12)

3 模型的建立

營口港位于遼東半島中部，面臨渤海。計算區(qū)域選取為營口港區(qū)和鄰近海域，考慮邊界條件選取，計算區(qū)域選取整個遼東灣。模型采用三角形網(wǎng)格對整個計算區(qū)域進行剖分，采用嵌套網(wǎng)格形式對營口港區(qū)域及周邊海域進行加密，其中港區(qū)周邊網(wǎng)格劃分面積為0.15 (km)2。其中，水邊界條件給定水位過程，利用秦皇島及長興島2個站點的水位資料作為模擬海區(qū)開邊界水位，數(shù)據(jù)來自中國人民解放軍海軍司令部航海保證部的潮汐表。潮汐表中秦皇島潮位站既有逐時的數(shù)據(jù)又有高低潮數(shù)據(jù)，而長興島潮位站的數(shù)據(jù)只有高低潮數(shù)據(jù)，所以對長興島潮位站數(shù)據(jù)利用分段三角函數(shù)擬合方法,將其數(shù)據(jù)擬合成間隔0.5 h的數(shù)據(jù)，對秦皇島潮位站的數(shù)據(jù)采用線性插值方法插值成間隔0.5 h的數(shù)據(jù)。

4 模型驗證

為驗證模型的合理性，采用鲅魚圈驗潮站潮位數(shù)據(jù)進行驗證，流速、流向驗證采用仙人島港區(qū)外圍布設的定點監(jiān)測站(見圖1)在大潮(2010年4月16日09時至17日10時)期間同步連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，將模擬值與實測數(shù)據(jù)進行對比。部分測站流速流向驗證曲線見圖3，通過對比，發(fā)現(xiàn)計算值與實測值擬合良好，說明模型計算得到的潮流場是可信的，可用來進行溢油擴散數(shù)值模擬計算研究。

5 模擬結果及分析

計算域為營口港海域，泄漏點選擇鲅魚圈港區(qū)航道與仙人島港區(qū)航道交匯處，經(jīng)緯度坐標為40°16′38″N,121°50′42″E。泄漏量按照油輪災難性溢油事故考慮，總溢油量設定為1萬t。考慮瞬時泄漏和連續(xù)泄漏6 h兩種泄漏方式，泄漏時刻選在漲憩和落憩兩種情況，分別在無風條件下進行溢油模擬計算。比較兩種泄漏方式下溢油分布情況。

5.1瞬時泄漏

瞬時泄漏是溢油在泄漏點很短時間內(nèi)全部泄漏的泄漏方式，如油輪觸礁破損嚴重，導致大量油品迅速泄漏。泄漏進入水體的溢油在重力、表面張力的作用下迅速向四周擴展形成油膜，同時油膜隨水流發(fā)生漂移運動，并不斷發(fā)生蒸發(fā)、溶解等風化過程。無論是在漲憩或落憩時刻發(fā)生泄漏事故，溢油進入水體擴展形成的油膜近似圓形，只在水流方向上的油膜寬度略大于垂直水流方向的油膜寬度，油膜面積隨時間的推移逐漸增大。事故發(fā)生在漲憩(落憩)時，溢油隨著落潮流(漲潮流)向西南(東北)方向漂移，落潮(漲潮)結束后隨漲潮流(落潮流)向東北(西南)方向漂移，在不考慮風場作用下，油膜隨潮流往復漂移(見圖4和圖5)。

5.2連續(xù)泄漏

連續(xù)泄漏是溢油在較長的時間內(nèi)不斷由泄漏點泄漏的泄漏方式，如船舶油艙泄漏、輸油管線破裂和海上鉆井平臺井噴等。連續(xù)溢油與瞬時溢油相似，溢油進入水體后發(fā)生擴展、漂移和風化等過程。但與瞬時溢油不同，在溢油過程中，由于不斷有油溢出，進入水體的溢油會在海面形成近似扇形的狹長油膜，即離溢油點越遠溢油帶越寬。由于選取連續(xù)溢油時間近似為漲(落)潮歷時，故溢油發(fā)生在漲憩(落憩)時，溢油前段隨著落潮流(漲潮流)向西南(東北)方向漂移，形成寬處在泄漏點東北方向的狹長油膜，落潮(漲潮)結束后狹長油膜整體隨漲潮流(落潮流)向東北(西南)方向漂移，在不考慮風場作用下，油膜隨潮流如此往復漂移(如圖4和圖5)。

5.3瞬時泄漏與連續(xù)泄漏比較

在總溢油量相同的情況下，分別進行瞬時溢油和連續(xù)溢油兩種不同溢油方式的數(shù)值模擬，模擬過程中不考慮風場作用，模擬時間為72 h，泄漏事故分別發(fā)生在漲憩和落憩時。溢油發(fā)生72 h后，在溢油量相同的情況下，瞬時泄漏方式下的油膜面積分別為52.61 (km)2(漲憩溢油)和64.09 (km)2(落憩溢油)，連續(xù)泄漏方式下的油膜面積分別為102.58 (km)2(漲憩溢油)和111.61 (km)2(落憩溢油)，可見，連續(xù)溢油情形下溢油擴散面積較瞬時溢油大，與吳曉丹等[13]的研究一致。兩種溢油方式下72 h的掃海圖見圖6，由圖可知，連續(xù)溢油方式下溢油的掃海面積較瞬時溢油大。通過比較兩種溢油方式的污染范圍，漲憩時刻發(fā)生溢油事故時，兩種情形的污染范圍南側(cè)達到的距離基本相同，但連續(xù)溢油北側(cè)影響范圍較瞬時溢油遠約9.5 km；落憩時刻發(fā)生溢油事故時，兩種情形的污染范圍北側(cè)達到的距離基本相同，但連續(xù)溢油南側(cè)影響范圍較瞬時溢油遠約6.0 km，即在溢油量相同的情況下，由于溢油方式的不同，溢油影響范圍也會有很大的不同。

海上溢油事故多因碰撞和觸礁等導致船體破損，油品從船體破損處泄漏入海。如“托雷·卡尼翁”號行駛至英吉利海峽觸礁，10 d內(nèi)溢油100 000 t；“?？松ね郀柕掀潯痹诎⒗辜油踝訛巢疾私干蠑R淺，6 h內(nèi)溢出30 000 t貨油；Hebei Spirit油輪與裝有浮吊的“三星1號”駁輪碰撞，導致油輪左舷水線上2～3處的第1,3,5等3個油艙破損，5號油艙破損200 cm×160 cm，3號油艙破損160 cm×10 cm，1號油艙破損30 cm×3 cm，造成10 500 t原油泄漏入海。由上述案例可知，海上溢油事故多造成船體破損，溢油以連續(xù)泄漏的形式泄漏。建立海上溢油事故預測模型,可精確模擬溢油事故發(fā)生時溢油的影響范圍和位置，為制定及時有效的應急反應提供理論依據(jù)，以最少最有效的資源最快地消除溢油對海域的影響。由模擬結果可知，連續(xù)泄漏在不考慮風場的條件下，影響范圍比瞬時泄漏大，影響距離也較瞬時泄漏遠。為更好地反應港口海域溢油事故對周邊環(huán)境保護目標的可能影響范圍、影響時間及溢油事故發(fā)生后采取應急響應時油膜分布情況，應在建立溢油事故模型時考慮溢油方式對溢油分布的影響，選擇連續(xù)溢油情形進行事故后果分析。

6 結 語

本文建立二維海面溢油預報模型。使用MIKE21 HD模塊模擬遼東灣水域二維潮流場，在此基礎上，基于“油粒子”思想，采用MIKE21/3溢油分析模塊模擬溢油在海面的漂移擴展過程，對比分析瞬時溢油和連續(xù)溢油兩種溢油方式下油膜漂移擴展的規(guī)律。對比分析結果表明，在不考慮風場條件下，溢油主要隨潮流往復漂移；瞬時溢油情況下，油膜形狀近似圓形；連續(xù)溢油情況下，油膜近似呈狹長的扇形。比較溢油發(fā)生72 h后的油膜擴散面積和掃海面積，連續(xù)溢油情形均較瞬時溢油情形大，且由于溢油方式導致油膜形狀及分布的不同，連續(xù)溢油影響范圍較瞬時溢油情形大。根據(jù)實際情況反映，溢油事故以連續(xù)泄漏形式為主，綜上所述，在溢油事故影響預測中，應考慮連續(xù)泄漏溢油方式的后果進行分析。

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NumericalModelingofMarineOilSpillforDifferentLeakingModes

YUXuhua,MENGYun
(China Shipping Environment Technology (Shanghai) Co., LTD., Shanghai 200135, China)

An oil spill model for Yingkou Port is established based on MIKE21 HD and SA modules. The drift and diffusion patterns of the oil film are investigated for both oil spill of pulse nature and continuous oil spill. The analysis shows that the oil film basically moves back and forth along with the tide without wind action. 72-hour observation finds that the continuous oil spill causes more severe environment pollutions than the leakage of pulse nature in terms the sweeping range and pollution area. It leads to the conclusion that the continuous oil spill should be assumed when predicting the effect of oil spill accident.

oil spill; oil spill pulse; continuous oil spill; numerical modeling

2017-03-09

于徐華(1986—)，女,山東萊陽人,助理研究員,碩士,主要從事水動力及風險分析。

1674-5949(2017)02-0067-07

X55

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