福寧灣海域溢油擴(kuò)散影響的數(shù)值模擬研究

張海文，趙懿珺，紀(jì) 平

(中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038)

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人類對(duì)海洋、海岸和近海地區(qū)的開發(fā)日益增多，由此造成事故溢油的風(fēng)險(xiǎn)不斷增大.溢油污染會(huì)嚴(yán)重影響海洋及近岸海域生態(tài)環(huán)境、威脅污染源近區(qū)的正常工業(yè)及漁業(yè)生產(chǎn).近年來(lái)，海上溢油事故時(shí)有發(fā)生，引起了社會(huì)廣泛關(guān)注.對(duì)海域事故溢油擴(kuò)散影響的研究，對(duì)于防護(hù)和治理溢油污染對(duì)周邊生態(tài)保護(hù)區(qū)等溢油敏感區(qū)域的危害具有重要意義.

海上溢油事故發(fā)生后，溢油在海域內(nèi)的運(yùn)動(dòng)及變化是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程，它是海洋環(huán)境問(wèn)題的難點(diǎn)之一.溢油在海面上的運(yùn)動(dòng),受其物理、化學(xué)和生物等過(guò)程的影響,且與石油的性質(zhì)、海洋水動(dòng)力環(huán)境及海洋氣象環(huán)境等密切相關(guān)，這些過(guò)程包括漂移、擴(kuò)散、蒸發(fā)、溶解、乳化和沉降以及浮油和海岸線的相互作用等;其中漂移、擴(kuò)散等動(dòng)力學(xué)過(guò)程是國(guó)內(nèi)外溢油研究的重點(diǎn)[1-6].國(guó)內(nèi)的學(xué)者在長(zhǎng)江、珠江等河口地區(qū)以及遼東灣、渤海灣、膠州灣、湄州灣等不同海域開展了大量的溢油數(shù)值模擬預(yù)報(bào)研究工作[7-16].目前，用數(shù)學(xué)模型模擬和預(yù)測(cè)溢油時(shí)空分布的方法在工程中得到了廣泛應(yīng)用.

本研究采用丹麥DHI開發(fā)的MIKE軟件中非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格形式的MIKE21[17]水動(dòng)力模型(HD)及溢油模塊(OS)建立福寧灣海域海工工程施工期溢油擴(kuò)散的數(shù)學(xué)模型,以期為海洋環(huán)境影響評(píng)價(jià)和溢油事故應(yīng)急措施的制定提供科學(xué)依據(jù).

1 福寧灣海域潮流模型

1.1 控制方程

MIKE21HD中描述的現(xiàn)象主要包括潮汐演進(jìn)、紊動(dòng)擴(kuò)散、風(fēng)場(chǎng)、底部糙率等，它為其他模塊的應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ).在平面直角坐標(biāo)系下計(jì)算模型控制方程如下：

連續(xù)方程：

(1)

x方向運(yùn)動(dòng)方程：

(2)

y方向運(yùn)動(dòng)方程：

(3)

1.2 數(shù)值模擬

本研究的計(jì)算區(qū)域?yàn)榘帪吃趦?nèi)以工程區(qū)溢油點(diǎn)為中心，沿岸方向約200km，離岸方向約100km的海域，計(jì)算域地形及溢油點(diǎn)位置如圖1所示.模型采用三角型計(jì)算網(wǎng)格，外海疏，近岸及工程區(qū)密，最小網(wǎng)格尺度約10～30m(圖1).模型開邊界潮位條件由全球潮汐預(yù)報(bào)模型得到.

圖1 計(jì)算域地形、網(wǎng)格布置及溢油點(diǎn)位置Fig.1 Bathymetry in the modelling domain, grid and the location of oil spill source

通過(guò)對(duì)比潮位、流速和流向的實(shí)測(cè)值與潮流模型的計(jì)算結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行了率定和驗(yàn)證.實(shí)測(cè)潮位站共3個(gè)，海流觀測(cè)站共13個(gè).受篇幅所限，在此給出工程區(qū)附近的1個(gè)潮位站(T1)及3個(gè)海流觀測(cè)站(N1、N2、N3)的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較，T1及N1、N2、N3的位置如圖2所示.大潮期間潮位及流速、流向的實(shí)測(cè)值與計(jì)算結(jié)果的比較如圖3和圖4所示.實(shí)測(cè)值與計(jì)算值吻合良好，驗(yàn)證了潮流模型的準(zhǔn)確性.驗(yàn)證后的潮流模型可作為溢油模型的基礎(chǔ).

圖2 實(shí)測(cè)潮位站及海流觀測(cè)站位置Fig.2 Locations of the tide station and the current stations

福寧灣及外海區(qū)域?qū)儆谡?guī)半日潮流區(qū)，總體上漲潮時(shí)來(lái)自外海的潮波經(jīng)潮汐通道進(jìn)入灣區(qū)，并向?yàn)稠敺较騻鞑?；退潮時(shí)，大致沿漲潮相反方向退出.在正常水文、氣象條件下福寧灣內(nèi)受地形影響近岸呈現(xiàn)往復(fù)流的潮流特性，而外海區(qū)域表現(xiàn)為旋轉(zhuǎn)流性質(zhì).工程海域大潮期間典型潮時(shí)(漲急、漲憩、落急、落憩)的流場(chǎng)分布如圖5所示，圖中可見(jiàn)落憩時(shí)刻的北向流速大于漲憩時(shí)刻的南向流速，反映出一個(gè)潮周期內(nèi)北向余流的存在.

2 福寧灣海域溢油影響預(yù)測(cè)

2.1 溢油模型方程

MIKE21OS可模擬溢油發(fā)生后的輸移和風(fēng)化

圖3 潮位站大潮期間計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較Fig.3 Comparison of calculated water levels with observations at the tide station during the spring tide

圖4 海流觀測(cè)站大潮期間計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較Fig.4 Comparison of the calculated current speed and direction with observations at the current stations during the spring tide

圖5 福寧灣工程海域大潮典型潮時(shí)流場(chǎng)分布Fig.5 Distribution of the flow field in the project area at typical moments during the spring tide in Funing Bay圖中數(shù)值為流速等值線數(shù)值，單位為m/s

等過(guò)程，它是在水動(dòng)力學(xué)模型解耦前提下運(yùn)行的一種拉格朗日模型,即首先通過(guò)水動(dòng)力學(xué)模型得到全計(jì)算域內(nèi)水深和流場(chǎng)的時(shí)間和空間變化，在此基礎(chǔ)上通過(guò)“油粒子”的方式對(duì)溢油的輸移和風(fēng)化過(guò)程進(jìn)行計(jì)算，模擬油粒子隨時(shí)間變化的運(yùn)移位置、油量的濃度及油膜厚度等.本研究中油粒子模擬過(guò)程主要有擴(kuò)展過(guò)程、漂移過(guò)程、紊動(dòng)擴(kuò)散等.

油膜擴(kuò)展運(yùn)動(dòng)采用修正的 Fay 重力-粘力公式:

(4)

式(4)中：Aoil為油膜面積(m2)，Voil為油塊體積(m3),Ka為系數(shù)，t為時(shí)間(s).

導(dǎo)致油粒子漂移的主要作用力是潮流和風(fēng)應(yīng)力，根據(jù)拉格朗日觀點(diǎn)，油粒子總漂移速度Utot計(jì)算如下:

Utot=Cw·Uw+Us

(5)

式(5)中：Utot為油粒子總漂移速度(m/s);Uw為海面以上10m處的風(fēng)速(m/s)；Cw為風(fēng)導(dǎo)系數(shù);Us為海表面流速(m/s).

油類入海后在重力作用下迅速向各個(gè)方向擴(kuò)散，形成油膜，可用隨機(jī)走動(dòng)方法進(jìn)行模擬.假定水平擴(kuò)散各向同性，一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)α方向上隨機(jī)擴(kuò)散距離(Sα)的計(jì)算為:

(6)

油膜覆蓋水體油濃度的變化可由Mackay 公式估算：

(7)

式(7)中：C為水體的油濃度(mg/dm3)；V為溢油的體積(m3)；ρoil為溢油的密度(mg/m3)；A為油膜面積(m2)；KH為油膜所處海域的垂向擴(kuò)散系數(shù)；t為時(shí)間(s).

2.2 溢油參數(shù)及工況條件

本項(xiàng)研究的福寧灣海域海工工程施工期溢油發(fā)生在工程區(qū)航道拐點(diǎn)，海工工程位于長(zhǎng)表島，溢油點(diǎn)位置如圖6所示.福寧灣及附近海域內(nèi)的主要敏感目標(biāo)包括3個(gè)養(yǎng)殖區(qū)(養(yǎng)殖區(qū)1、養(yǎng)殖區(qū)2、養(yǎng)殖區(qū)3)和2個(gè)保護(hù)區(qū)(保護(hù)區(qū)1、保護(hù)區(qū)2)，具體位置如圖5所示，其中養(yǎng)殖區(qū)2和保護(hù)區(qū)1有較大部分的重疊.溢油品種為燃料油，比重為940kg/m3[5,8]，溢油事故設(shè)置為100t燃料油持續(xù)泄露時(shí)間30min，在模型中溢油量由18000個(gè)“油粒子”來(lái)表示.溢油發(fā)生的起始時(shí)刻選擇4種典型潮時(shí)(漲急、漲憩、落急、落憩).根據(jù)當(dāng)?shù)仫L(fēng)況資料，考慮3種不同風(fēng)況：靜風(fēng)；全年主導(dǎo)風(fēng)，NNE風(fēng)向，風(fēng)速5.4m/s；不利風(fēng)，W風(fēng)向，風(fēng)速2.2m/s.溢油風(fēng)險(xiǎn)分析預(yù)測(cè)共計(jì)12種工況，數(shù)值模擬計(jì)算的模擬時(shí)長(zhǎng)為24h.

圖6 福寧灣海工工程施工期溢油點(diǎn)位置及附近 海域內(nèi)主要敏感目標(biāo)Fig.6 Location of the oil spill source during construction of the marine project and key sensitive objects in Funing Bay

2.3 溢油擴(kuò)散影響預(yù)測(cè)分析

本研究重點(diǎn)關(guān)注溢油發(fā)生24h內(nèi)溢油濃度的分布、影響范圍，以及對(duì)周邊海域內(nèi)的環(huán)境敏感目標(biāo)

的影響.

2.3.1瞬時(shí)油濃度的分布 以靜風(fēng)條件為例，不同潮時(shí)情形下溢油發(fā)生后24h瞬時(shí)油濃度分布的比較如圖7所示，可見(jiàn)不同潮時(shí)的溢油起始時(shí)刻對(duì)瞬時(shí)油濃度分布影響較大.以漲急時(shí)刻發(fā)生溢油情形為例，不同風(fēng)況條件下溢油發(fā)生后24h瞬時(shí)油濃度分布的比較如圖8所示，可見(jiàn)不同風(fēng)況條件對(duì)瞬時(shí)油濃度的分布影響比較顯著.受潮周期內(nèi)北向余流的影響，不同溢油情景下油粒子均主要在長(zhǎng)表島北側(cè)海域擴(kuò)散.

2.3.2溢油影響范圍 不同風(fēng)況條件、不同潮時(shí)情形下發(fā)生溢油后24h內(nèi)溢油濃度影響范圍如圖9所示.在靜風(fēng)條件下溢油發(fā)生后，油膜在潮流作用下總體上在溢油點(diǎn)附近(偏東側(cè)和北側(cè))的長(zhǎng)表島及短表島周邊區(qū)域擴(kuò)散運(yùn)移.在NNE風(fēng)況條件下，與靜風(fēng)條件相比，除潮流作用外，在NNE風(fēng)的影響下油膜向西南方向有所壓縮和偏移.而W風(fēng)況條件下，與靜風(fēng)條件相比，由于風(fēng)速相對(duì)較小，油膜影響范圍總體差異不大，但受風(fēng)向影響，油膜范圍向東略有偏移.

圖7 靜風(fēng)條件下不同潮時(shí)溢油發(fā)生后24 h瞬時(shí)油濃度分布Fig.7 Distribution of oil concentration after 24 hours of oil spill starting at different moments under the condition of calm wind

圖8 不同風(fēng)況條件下漲急時(shí)刻發(fā)生溢油后24 h瞬時(shí)油濃度分布Fig.8 Distribution of oil concentration after 24 hours of oil spill starting at the maximum flood under different wind conditions

圖9 不同工況下溢油24 h的濃度影響范圍Fig.9 Impacted area of the spilled oil within 24 hours in different scenarios

不同溢油工況下24h內(nèi)溢油濃度超過(guò)一類(或二類)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值0.05mg/dm3(≥0.05mg/dm3)的影響面積見(jiàn)表1.在靜風(fēng)條件下，漲憩時(shí)發(fā)生溢油泄漏的影響面積最大，為85.4km2；落憩時(shí)溢油泄漏的影響面積最小，為54.5km2.在NNE風(fēng)況條件下，受風(fēng)速和風(fēng)向的影響，與靜風(fēng)條件相比溢油泄漏的影響面積大幅度下降，最大影響面積發(fā)生在漲憩時(shí)溢油泄漏，為69.0km2；最小影響面積發(fā)生在落憩時(shí)溢油泄漏，為41.8km2，它也是所有工況中影響面積的最小值.在W風(fēng)況條件下，由于風(fēng)速相對(duì)較小，與靜風(fēng)條件下的溢油泄漏影響面積接近，漲憩時(shí)發(fā)生溢油泄漏的影響面積最大，為90.3km2，這也是所有工況中影響面積的最大值；漲急時(shí)溢油泄漏的影響面積最小，為54.5km2.

2.3.3溢油對(duì)環(huán)境敏感目標(biāo)的影響 溢油事故的發(fā)生會(huì)對(duì)周邊海域內(nèi)的環(huán)境敏感目標(biāo)造成影響，對(duì)溢油發(fā)生后油膜到達(dá)主要環(huán)境敏感目標(biāo)的時(shí)間預(yù)測(cè)可為溢油事故應(yīng)急措施的制定提供科學(xué)依據(jù).不同風(fēng)況條件、不同潮時(shí)情形下溢油發(fā)生后24h內(nèi)油濃度為0.05mg/dm3的油膜到達(dá)福寧灣內(nèi)各主要敏感目標(biāo)的時(shí)間見(jiàn)表2.

表1 不同溢油工況24 h內(nèi)溢油濃度高于0.05 mg/dm3 的影響面積Tab.1 Impacted area of the spilled oil with the concentration above 0.05mg/dm3 within 24 hours in different scenarios

由表2可知，溢油事故發(fā)生后，在潮流及風(fēng)的作用下油濃度為0.05 mg/dm3油膜在24 h內(nèi)可到達(dá)養(yǎng)殖區(qū)1、養(yǎng)殖區(qū)2和保護(hù)區(qū)1，而對(duì)位于北部的養(yǎng)殖區(qū)3和西北部的保護(hù)區(qū)2均沒(méi)有影響.靜風(fēng)條件下油膜在潮流作用下最快5.8 h到達(dá)距離溢油點(diǎn)最近的位于西南部的養(yǎng)殖區(qū)1，7.7 h到達(dá)中西部的養(yǎng)殖區(qū)2及保護(hù)區(qū)1；在NNE風(fēng)的條件下油膜最快會(huì)在5.5 h到達(dá)養(yǎng)殖區(qū)1，19.3 h到達(dá)養(yǎng)殖區(qū)2及保護(hù)區(qū)1；在W風(fēng)條件下，油膜最快會(huì)在6.0 h到達(dá)養(yǎng)殖區(qū)1，7.7 h到達(dá)養(yǎng)殖區(qū)2及保護(hù)區(qū)1.

表2 不同工況溢油發(fā)生后24 h內(nèi)油膜(濃度0.05 mg/dm3)到達(dá)敏感目標(biāo)的時(shí)間Tab.2 Time for the spilled oil (in concentration of 0.05 mg/dm3)reaching the sensitive objects within 24 hours in different scenarios

注：“-”表示24 h內(nèi)油膜未到達(dá)敏感目標(biāo)

通過(guò)對(duì)12種代表工況溢油影響的預(yù)測(cè)模擬，結(jié)果可以看出，發(fā)生在福寧灣海域的溢油擴(kuò)散主要受潮流和風(fēng)的影響，其中潮流占主導(dǎo)作用.不同潮時(shí)的溢油起始時(shí)刻直接影響油膜周圍的水動(dòng)力環(huán)境，導(dǎo)致油膜的運(yùn)動(dòng)路徑和瞬時(shí)的油濃度空間分布不同，到達(dá)主要環(huán)境敏感目標(biāo)的時(shí)間差異較大，油濃度影響范圍也存在一定的差異.風(fēng)對(duì)溢油運(yùn)移路徑的影響較大，在靜風(fēng)情況下，受灣內(nèi)近岸往復(fù)流、外海旋轉(zhuǎn)流的潮流特性影響，油膜主要在溢油點(diǎn)附近偏東側(cè)和北側(cè)的長(zhǎng)表島及短表島周邊區(qū)域擴(kuò)散運(yùn)移.NNE風(fēng)況下，由于風(fēng)的作用，油膜向西南方向漂移并逐漸吸附于岸線，因此油濃度影響范圍相對(duì)較小.W風(fēng)況下，受風(fēng)向影響油膜向外海略有漂移，導(dǎo)致所有工況中最大的溢油影響范圍發(fā)生在此風(fēng)況條件，但由于風(fēng)速較小，與靜風(fēng)條件的結(jié)果相比差別不大.需要說(shuō)明的是，溢油事故發(fā)生后油膜的運(yùn)移路徑、油濃度空間分布及影響范圍等與溢油量、溢油發(fā)生時(shí)刻、發(fā)生地點(diǎn)及風(fēng)況條件等密切相關(guān)，不同情況下模擬結(jié)果會(huì)差別較大.

3 結(jié)論

(1)在非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格形式的MIKE 21水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，建立福寧灣海域海工工程施工期溢油擴(kuò)散的數(shù)學(xué)模型，對(duì)靜風(fēng)、全年主導(dǎo)風(fēng)及不利風(fēng)等3種不同風(fēng)況條件下，漲憩、落急、落憩、漲急的4個(gè)典型潮時(shí)分別在工程區(qū)航道拐點(diǎn)發(fā)生100 t燃料油持續(xù)泄露30 min的事故溢油工況進(jìn)行24 h的溢油擴(kuò)散數(shù)值模擬.

(2)計(jì)算結(jié)果顯示，發(fā)生在福寧灣海域的溢油在海面運(yùn)移過(guò)程主要受潮流和風(fēng)的影響，其中潮流起著主導(dǎo)作用.靜風(fēng)條件下，油膜在工程區(qū)周邊福寧灣海域擴(kuò)散，24 h內(nèi)溢油濃度高于0.05 mg/dm3(一類或二類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn))的影響面積達(dá)到85.4 km2；全年主導(dǎo)風(fēng)NNE風(fēng)況下，油膜向西南方向漂移并逐漸吸附于岸線，超一類(或二類)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的影響面積為69.0 km2；不利風(fēng)W風(fēng)況下，超一類(或二類)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的影響面積為90.3 km2.溢油發(fā)生后油濃度為0.05 mg/dm3的油膜最快到達(dá)各主要敏感目標(biāo)的時(shí)間分別為5.5 h到達(dá)養(yǎng)殖區(qū)1，7.7 h到達(dá)養(yǎng)殖區(qū)2及保護(hù)區(qū)1，溢油發(fā)生后在24 h內(nèi)未影響到北部的養(yǎng)殖區(qū)3和西北部的保護(hù)區(qū)2.數(shù)值模擬預(yù)測(cè)的結(jié)果為海洋環(huán)境影響評(píng)價(jià)和溢油事故應(yīng)急措施的制定提供了科學(xué)依據(jù).