舟山薄刀咀圍墾工程船舶溢油數(shù)值模擬

謝 挺， 王彬諭， 顧一凡， 倪云林， 陳 維

(1. 國家海洋局 東海分局舟山海洋工作站， 浙江 舟山 316022； 2. 廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 南寧 530023；3. 浙江海洋大學(xué) 港航與交通運(yùn)輸工程學(xué)院， 浙江 舟山 316022)

目前，船舶溢油污染已成為一種全球性海洋污染。[1]海上溢油以其突發(fā)性、污染的嚴(yán)重性和應(yīng)急處理的艱巨性使其在過去的幾十年里成為破壞海洋生態(tài)環(huán)境的因素，且呈現(xiàn)出越來越嚴(yán)重的趨勢。[2]溢油事故一旦發(fā)生，不僅對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的破壞，導(dǎo)致周邊區(qū)域內(nèi)魚蝦貝類中毒甚至死亡，使海鳥的生存受到威脅等，如若溢油登岸，則會(huì)使海邊浴場、海岸風(fēng)景旅游區(qū)和濕地保護(hù)區(qū)等遭受污染；而且嚴(yán)重的溢油事故會(huì)引發(fā)火災(zāi)和爆炸，破壞船舶或海上設(shè)施，甚至造成人員傷亡。[3]因此，建立海上溢油的數(shù)學(xué)模擬模型，模擬突發(fā)性溢油事故后油膜的軌跡，分析和預(yù)報(bào)溢油的污染范圍，對(duì)科學(xué)地制定應(yīng)急搶險(xiǎn)計(jì)劃和降低溢油損失具有十分重要的意義。

許多學(xué)者采用數(shù)學(xué)模擬模型對(duì)溢油擴(kuò)散進(jìn)行模擬，匡翠萍等[4]對(duì)蓬萊19-3溢油事故進(jìn)行模擬，得出溢油漂移方向與主風(fēng)方向一致的結(jié)論。宋澤坤等[5]采用MIKE SA 研究溢油對(duì)長江口水庫的影響，研究結(jié)果表明油膜的運(yùn)動(dòng)軌跡除受漲落潮流的主控外還易受風(fēng)況和長江口水下地形等的影響。黃娟等[6]基于天氣預(yù)報(bào)模式(The Weather Research and Forecasting Model， WRF)和區(qū)域海洋模式系統(tǒng)(Regional Ocean Modeling System，ROMS)研究不同風(fēng)、流系數(shù)及網(wǎng)格分辨率對(duì)渤海灣的溢油擴(kuò)散，以此來提高預(yù)測精度。齊慶輝等[7]基于MIKE 21/SA建立京杭運(yùn)河溢油擴(kuò)散模型，研究結(jié)果表明水動(dòng)力場和風(fēng)場對(duì)內(nèi)河溢油擴(kuò)散有著重要的影響。GORAN等[8]采用Aladin-HR模型研究亞得里亞海北部海洋環(huán)流和溢油污染，研究結(jié)果表明Porec和Rovinj鎮(zhèn)之間的海岸帶遭嚴(yán)重的溢油污染，尤其是持久性布拉風(fēng)后溢油污染持續(xù)好幾天。GUO等[9]采用普林斯頓海洋模式(Princeton Ocean Model，POM)和第3代淺海波浪數(shù)值模擬(Simulating WAves Nearshore，SWAN)模型研究溢油擴(kuò)散、湍流、蒸發(fā)、溶解及沿岸沉降，模擬大連海域溢油事故，采用遙感影像對(duì)預(yù)測進(jìn)行驗(yàn)證，其結(jié)果表明數(shù)模準(zhǔn)確性較高。

薄刀咀島位于舟山小洋山東側(cè)的沈家灣作業(yè)區(qū)，西南與沈家灣隔水相望，呈東北—西南走向，陸域面積約0.61 km2，海岸線長約4.84 km，最高點(diǎn)海拔約95.90 m。嵊泗縣擬于薄刀咀島南側(cè)海域?qū)嵤﹪鷫ǎ纬擅娣e約138×106m2，用于建設(shè)薄刀咀綜合配套園區(qū)，兼顧商務(wù)、休閑和居住等功能。本工程為薄刀咀高端度假區(qū)提供建設(shè)用地，為嵊泗縣薄刀咀高端度假區(qū)提供建設(shè)用地，建設(shè)一條長1 388 m的圍堤，又通過吹填疏浚土形成252 200 m2陸域，其吹填標(biāo)高6.2 m。工程區(qū)域和驗(yàn)證站點(diǎn)位置見圖1。本文基于工程前后的地形和岸線資料，采用MIKE21建立薄刀咀海域的潮流和溢油擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型，研究分析不同風(fēng)況下圍墾作業(yè)船舶溢油的擴(kuò)散路徑和范圍。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 模型簡介

MIKE21是丹麥水力學(xué)研究所(DHI)研發(fā)的通用數(shù)學(xué)模擬系統(tǒng)，主要模擬河流、湖泊、河口、海洋和海岸的水流、波浪、泥沙和環(huán)境變化，為工程應(yīng)用、海岸管理和規(guī)劃提供完備、有效的設(shè)計(jì)環(huán)境。MIKE 21 FLOW MODEL子模塊屬二維潮流模型，根據(jù)Boussinesq假設(shè)、靜水壓力假設(shè)、淺水條件和適定邊界條件，通過控制體積法求解由不可壓縮雷諾平均Navier-Stokes概化的淺水方程。

圖1 工程區(qū)域及驗(yàn)證站點(diǎn)位置

溢出的油體會(huì)根據(jù)油品、水動(dòng)力、氣象條件和環(huán)境狀況發(fā)生復(fù)雜的物理、化學(xué)變化。溢油在海洋中的行為與歸宿可分為擴(kuò)展過程、輸移過程和風(fēng)化過程等3個(gè)過程。本文溢油模型是基于歐拉-拉格朗日理論體系，采用“油粒子”追蹤技術(shù)，通過對(duì)溢油的上述3個(gè)過程的模擬，來預(yù)測溢油的行為與歸宿過程?！坝土Ｗ印蹦Ｐ褪墙陙硇掳l(fā)展的理論，模型的原理是將溢油離散為大量的油粒子，每個(gè)油粒子代表一定的油量，先計(jì)算各個(gè)油粒子的位置變化、組成變化，然后統(tǒng)計(jì)各個(gè)網(wǎng)格上的油粒子個(gè)數(shù)和組分含量，這樣可模擬出油膜的濃度時(shí)空分布和組分變化。MIKE21SA模塊是基于歐拉-拉格朗日理論體系，通過對(duì)“油粒子”在水表面的漂移(水流和風(fēng)的拖曳作用)、擴(kuò)展、紊動(dòng)擴(kuò)散和風(fēng)化等各種過程的模擬。模塊考慮眾多因素對(duì)溢油的行為與歸宿的影響，已成功應(yīng)用于黃浦江、甌江口和長江口等潮汐類河口。[10-12]因此，本文對(duì)此模塊進(jìn)行直接應(yīng)用。

1.2 模型計(jì)算范圍及網(wǎng)格

模型計(jì)算范圍西起鹽官，北到蘆潮港以北，南到象山以南，東到東經(jīng)124°，包含杭州灣、舟山群島海域，計(jì)算區(qū)域的橫向?qū)捈s為378 km，縱向長度為216 km，計(jì)算面積約為81 648 km2。工程區(qū)網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，網(wǎng)格尺度最小為10 m，能夠較好地刻畫項(xiàng)目前沿水下地形及岸線，保證足夠的計(jì)算精度。在外海區(qū)域，網(wǎng)格相對(duì)稀疏，網(wǎng)格分辨率在200～4 000 m，不同尺度網(wǎng)格之間通過設(shè)置實(shí)現(xiàn)平滑過渡。舟山眾多島嶼導(dǎo)致岸線特別曲折，三角形網(wǎng)格更貼合岸線。因此，模型采用SMS構(gòu)造三角形網(wǎng)格，工程前模型共有30 546個(gè)節(jié)點(diǎn)，58 192個(gè)單元。工程后模型共有29 776個(gè)節(jié)點(diǎn)，56 669個(gè)單元，工程后網(wǎng)格見圖2。

a) 大范圍網(wǎng)格

b) 局部網(wǎng)格

圖2 工程后模型區(qū)域和網(wǎng)格

1.3 模型參數(shù)設(shè)置

模型糙率采用曼寧系數(shù)，數(shù)值為0.012～0.014，時(shí)間步長由模型自動(dòng)調(diào)節(jié)，為0.000 1～30 s，模型計(jì)算采用冷啟動(dòng)，柯朗數(shù)限值為0.8。上邊界河流邊界采用流量控制，外海邊界條件采用中國海大模型計(jì)算得到的潮位時(shí)間序列控制。模型運(yùn)用動(dòng)邊界處理技術(shù)，模型中干點(diǎn)臨界水深取0.005 m，濕點(diǎn)臨界水深取0.050 m。中國海數(shù)學(xué)模型的開邊界僅考慮外海的開邊界，且外海開邊界條件為MIKE 21軟件包自帶的全球潮汐模型導(dǎo)出的潮位過程，該潮汐模型是在1992—2002共計(jì)10 a的TOPEX/POSEIDON衛(wèi)星高度計(jì)資料基礎(chǔ)上建立的，其分辨率為0.125°，模型考慮的分潮包含:M2、S2、K2、N2、S1、K1、O1、P1、Q1和M4，共計(jì)10個(gè)分潮。

2 模型驗(yàn)證

潮位和潮流驗(yàn)證選取2015年春季水文測驗(yàn)期觀測資料，驗(yàn)證站位如圖1所示，潮位和流速流向驗(yàn)證結(jié)果見圖3和圖4。由圖3和圖4可知:工程海域各個(gè)實(shí)測值與模擬值之間擬合得較好，模型結(jié)果基本能反映工程區(qū)域的潮流特征，可用于圍墾工程后的溢油預(yù)測模擬。

圖3 薄刀咀站潮位驗(yàn)證示意

a) 1#站點(diǎn)流速

b) 1#站點(diǎn)流向

c) 2#站點(diǎn)流速

d) 2#站點(diǎn)流向

3 計(jì)算條件分析

計(jì)算溢油點(diǎn)個(gè)數(shù)取1個(gè)，位于南防波堤北側(cè)，具體位置如圖1所示，溢油量為45 t。

根據(jù)工程區(qū)附近小洋山氣象站風(fēng)速統(tǒng)計(jì)歷史資料[13]，計(jì)算風(fēng)況包括：靜風(fēng)；最不利風(fēng)向NNW；夏季主導(dǎo)風(fēng)向SE；冬季主導(dǎo)風(fēng)向NNE。

溢油泄漏時(shí)間不同會(huì)造成擴(kuò)散范圍有所不同，因此分別選取漲潮時(shí)刻和落潮時(shí)刻作為典型溢油時(shí)刻。具體的工況設(shè)置見表1，本次溢油擴(kuò)散預(yù)測主要的敏感點(diǎn)有石化碼頭、客運(yùn)碼頭、洋山風(fēng)景區(qū)、洋山石龍景區(qū)、小洋山港口、大洋山鎮(zhèn)、虎嘯蛇島、馬鞍山島等，具體敏感點(diǎn)位置如圖1所示。

表1 溢油計(jì)算工況組合表

4 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)溢油計(jì)算結(jié)果，分別統(tǒng)計(jì)漲潮時(shí)刻溢油和落潮時(shí)刻溢油在4個(gè)風(fēng)況下油粒子到達(dá)敏感點(diǎn)時(shí)間和掃海面積。具體分析如下。

4.1 漲潮時(shí)刻溢油

靜風(fēng)漲潮溢油后，受到灣內(nèi)逆時(shí)針環(huán)流的影響見圖5，油粒子開始沿著逆時(shí)針潮流運(yùn)動(dòng)，首先擴(kuò)散至南防波堤北側(cè)灣內(nèi)，隨后一部分粒子經(jīng)口門往外擴(kuò)散并向東運(yùn)動(dòng)。在口門外往復(fù)流的作用下，先后經(jīng)過客運(yùn)碼頭、虎嘯蛇島、筲箕島、石化碼頭等，約15 h后抵達(dá)小洋山港和大洋山鎮(zhèn)，后在潮流作用下越過島嶼，擴(kuò)散至洋山石龍風(fēng)景區(qū)和洋山風(fēng)景區(qū),見表2。在此過程中，從口門內(nèi)擴(kuò)散出來的油粒子不斷增多，粒子擴(kuò)散范圍不斷增大。12 h后擴(kuò)散面積約為18.41 km2，24 h和48 h的擴(kuò)散面積約為189.50 km2和513.21 km2，最終在72 h擴(kuò)散面積達(dá)到1 040.58 km2，影響范圍較大,見表3。典型時(shí)刻油粒子的擴(kuò)散分布如圖5所示。

a) 12 h

b) 24 h

c) 48 h

d) 72 h

表2 靜風(fēng)漲潮溢油油粒子到達(dá)到敏感點(diǎn)時(shí)間統(tǒng)計(jì) h

表3 靜風(fēng)漲潮溢油典型時(shí)刻油粒子擴(kuò)散面積

在NNW和NNE向風(fēng)漲潮溢油后，在風(fēng)的作用下，油粒子迅速黏附于南側(cè)防波堤上，對(duì)周圍的敏感點(diǎn)無影響；在SE向風(fēng)漲潮溢油后，油粒子迅速黏附于北側(cè)圍墾岸線上，同樣對(duì)周圍的敏感點(diǎn)無影響。3種風(fēng)況下油粒子吸附位置見圖6。

圖6 NNW、NNE和SE向風(fēng)漲落潮時(shí)刻溢油油粒子吸附位置

4.2 落潮時(shí)刻溢油

靜風(fēng)落潮溢油后，受到灣內(nèi)逆時(shí)針環(huán)流的影響，油粒子開始沿著逆時(shí)針潮流運(yùn)動(dòng)，首先向南防波堤運(yùn)動(dòng)，隨后又向圍墾岸線運(yùn)動(dòng)，并隨潮流逐漸擴(kuò)散至口門。極個(gè)別粒子在口門外往復(fù)流作用下向西運(yùn)動(dòng)，先于絕大部分粒子到達(dá)石化碼頭和筲箕島；大量粒子后擴(kuò)散至口門外，先向東運(yùn)動(dòng)后向西擴(kuò)散至筲箕島、虎嘯蛇島、馬鞍山島等，約21.5 h抵達(dá)大洋山鎮(zhèn)。落潮與漲潮溢油類似，在潮流作用下越過島嶼，分別于26.0 h和27.5 h后擴(kuò)散至洋山石龍風(fēng)景區(qū)和洋山風(fēng)景區(qū)，見表4。靜風(fēng)落朝時(shí)刻溢油油粒子擴(kuò)散范圍見圖7。對(duì)比圖5和圖7不難發(fā)現(xiàn)，落潮溢油易導(dǎo)致極少量油粒子短時(shí)間向西運(yùn)動(dòng)，但大量粒子在口門內(nèi)滯留時(shí)間較長，到達(dá)敏感點(diǎn)的時(shí)間要晚于漲潮溢油。

表4 靜風(fēng)落潮溢油粒子到達(dá)到敏感點(diǎn)時(shí)間統(tǒng)計(jì) h

12 h擴(kuò)散面積約為9.69 km2，24 h和48 h的擴(kuò)散面積約為118.21 km2和508.92 km2，最終在72 h擴(kuò)散面積達(dá)到945.12 km2，擴(kuò)散范圍比漲潮溢油大，見表5。典型時(shí)刻油粒子的擴(kuò)散分布如圖7所示。對(duì)比可知，在溢油后72 h，漲潮溢油的擴(kuò)散范圍略大于落潮溢油的擴(kuò)散范圍。

表5 靜風(fēng)落潮溢油典型時(shí)刻油粒子擴(kuò)散面積

在NNW和NNE向風(fēng)落潮溢油后，在風(fēng)的作用下，油粒子迅速黏附于南側(cè)防波堤上，對(duì)周圍的敏感點(diǎn)無影響；在SE向風(fēng)落潮溢油后，油粒子迅速黏附于北側(cè)圍墾岸線上，同樣對(duì)周圍的敏感點(diǎn)無影響。落潮時(shí)3個(gè)風(fēng)況下油粒子吸附位置與漲潮時(shí)相近，如圖7所示。

a) 12 h

b) 24 h

c) 48 h

d) 72 h

圖7 靜風(fēng)落潮時(shí)刻溢油油粒子擴(kuò)散范圍

5 結(jié)束語

基于MIKE 21建立浙江舟山薄刀咀海域潮流數(shù)學(xué)模型和船舶溢油模型，研究分析漲落潮以及不同風(fēng)況情形下薄刀咀圍墾工程疏浚船舶溢油擴(kuò)散趨勢，得到以下主要結(jié)論：

1) 漲落潮時(shí)，溢油粒子達(dá)到敏感點(diǎn)時(shí)間差異明顯，落潮時(shí)到達(dá)敏感點(diǎn)時(shí)間短，漲落潮油粒子擴(kuò)散面積差異也較為顯著，在相同時(shí)間情況下漲潮的擴(kuò)散面積大。

2) 在靜風(fēng)漲潮下溢油粒子擴(kuò)散范圍最大，72 h擴(kuò)散面積最大達(dá)1 040.58 km2，約19～21 h擴(kuò)散至洋山石龍風(fēng)景區(qū)和洋山風(fēng)景區(qū)。

由于防波堤的攔截，在SE、NNE和NNW向風(fēng)漲潮溢油后未擴(kuò)散至口外，油粒子迅速黏附到南防波堤或圍墾工程區(qū)域，對(duì)防波堤口外海域幾乎無影響。