基于MIKE 軟件處理海上泄漏事故模擬仿真的研究

鄧秀瓊 王丹丹 紀(jì)紅兵

（1. 浙江環(huán)龍環(huán)境保護(hù)有限公司，浙江杭州 310012；2. 中山大學(xué)惠州研究院，廣東惠州 516000）

1 引言

目前，海上危險(xiǎn)化學(xué)品的泄漏可分為水溶性化學(xué)品與油溶性化學(xué)品兩大類，其中油溶性化學(xué)品泄漏對(duì)環(huán)境造成的危害比較嚴(yán)重。油溶性化學(xué)品泄漏災(zāi)害對(duì)海洋生態(tài)造成的危害主要表現(xiàn)在3 個(gè)方面：第一，海洋生物大量死亡。油溶性化學(xué)品泄漏事故產(chǎn)生的油膜會(huì)大面積覆蓋海域，造成海體中生物缺氧，嚴(yán)重時(shí)大量藻類和魚蝦貝類等出現(xiàn)死亡現(xiàn)象，或者使經(jīng)濟(jì)魚、蝦和貝類等因富集石油烴而產(chǎn)生異味。第二，海洋生態(tài)失衡。海上產(chǎn)生的油膜阻斷了光合作用和“?！?dú)狻敝g的交換，因而降低了海洋初級(jí)生產(chǎn)力，使海洋的生態(tài)平衡遭到破壞。第三，海岸帶嚴(yán)重受損。泄漏的油類抵岸，污染海灘，不僅給灘涂動(dòng)植物資源帶來危害［1-3］，還嚴(yán)重影響海洋水產(chǎn)養(yǎng)殖，造成海產(chǎn)品大量污染，而清除這些污染又需要大量的人力、物力和財(cái)力，且處理周期長(zhǎng)，浪費(fèi)時(shí)間。油溶性危險(xiǎn)化學(xué)品污染還將對(duì)濱海度假旅游、沿岸風(fēng)景、紅樹林等產(chǎn)生污染等影響，造成不可避免的經(jīng)濟(jì)損失。因此，必須開展系列危險(xiǎn)化學(xué)品海上泄漏的相關(guān)研究，為海上污染事故及海洋綜合管理提供必要的技術(shù)支持［4-8］。

2 MIKE 軟件簡(jiǎn)介

MIKE 系列軟件是由丹麥水力研究所（DHI）開發(fā)的，主要是用來進(jìn)行數(shù)值模擬，其中的MIKE 21 系列軟件是平面二維自由表面流模型，經(jīng)常被用在有關(guān)水域的工程與環(huán)境問題上，國(guó)家機(jī)構(gòu)和地方水行政機(jī)構(gòu)常常用它提供管理和決策依據(jù)。該軟件包括水質(zhì)、泥沙、水動(dòng)力、對(duì)流擴(kuò)散以及粒子追蹤模塊等，主要通過控制輸入文件進(jìn)行不同模塊的模擬。前處理主要是根據(jù)實(shí)際的岸線水深資料，進(jìn)行計(jì)算網(wǎng)格的邊界擬合。它還可以制作動(dòng)畫和演示流場(chǎng)動(dòng)態(tài)，對(duì)不同的方案進(jìn)行比較，計(jì)算斷面流量，這些主要是其處理分析功能的運(yùn)用。開邊界處可以定義不同種類型的邊界條件。MIKE 系列軟件廣泛地應(yīng)用于潮汐、水質(zhì)、水流和船運(yùn)等二維水力學(xué)現(xiàn)象的研究，因此被推薦為河流、河口、湖泊和海洋近岸水域的仿真模擬軟件。

3 大亞灣近海區(qū)域過氧化叔丁醇泄漏事故模擬

本文結(jié)合大亞灣石化工業(yè)區(qū)石油化工產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展關(guān)于加強(qiáng)化學(xué)品海上運(yùn)輸?shù)陌踩碍h(huán)境管理的實(shí)際需要，運(yùn)用MIKE ZERO 軟件系列OSM（Oil Spill Module）模塊模擬過氧化叔丁醇在海洋環(huán)境中的泄漏行為，建立了大亞灣附近海域油溶性化學(xué)品泄漏模型，模擬靜風(fēng)、常年主導(dǎo)風(fēng)向（東北風(fēng)）和不利風(fēng)向（東南風(fēng)）3 種風(fēng)場(chǎng)條件下，發(fā)生10 t 過氧化叔丁醇泄漏后油膜的漂移路徑和影響范圍。

3.1 地形文件模擬的構(gòu)建

從海圖中提取模擬海域的水深和海岸線的x，y，z 數(shù)據(jù)，岸線利用908 調(diào)查岸線數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，通過MIKE ZERO 的網(wǎng)格創(chuàng)建器生成網(wǎng)格文件，如圖1，MIKE ZERO 的網(wǎng)格創(chuàng)建器在地形復(fù)雜的重點(diǎn)區(qū)域可進(jìn)行局部網(wǎng)格加密處理。創(chuàng)建的網(wǎng)格文件中包含3 類信息：計(jì)算網(wǎng)格、水深、邊界資料。

圖1 網(wǎng)格生成器生成的網(wǎng)格

海底地形圖，插值以后由MIKE ANIMATOR 成圖，如圖2。

圖2 海底地形圖

3.2 參數(shù)選取與模擬情景

利用MIKE 21 模型建立大亞灣海域的潮流場(chǎng)，計(jì)算海域包括整個(gè)大亞灣海域在內(nèi)的區(qū)域。采用三角形網(wǎng)格，在海陸交界處、復(fù)雜地形處和研究附近海域進(jìn)行網(wǎng)格加密，模型的三角形網(wǎng)格單元為6 682個(gè)，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)為3 528 個(gè)，最大網(wǎng)格邊長(zhǎng)約為1 000 m，最小網(wǎng)格邊長(zhǎng)約50 m。模型外海開邊界采用潮水位作為開邊界控制點(diǎn)的水位驅(qū)動(dòng)，如圖3，黑色邊界為開邊界，即驅(qū)動(dòng)邊界。

圖3 大亞灣邊界

假設(shè)泄漏點(diǎn)在大亞灣辣甲島附近，輪船途經(jīng)附近海域不幸發(fā)生觸礁，導(dǎo)致10 t 過氧化叔丁醇泄漏，泄漏模型由風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)。具體參數(shù)設(shè)置如下：泄漏點(diǎn)經(jīng)緯度22. 62°N，114. 61°E（圖4）。

圖4 泄漏位置圖

泄漏物品種為過氧化叔丁醇，比重為930 kg/m3；泄漏量設(shè)置10 t（瞬時(shí)泄漏），在泄漏模型中用1 000個(gè)“油粒子”來表示；設(shè)定3 種泄漏情景進(jìn)行模擬，見表1。情景一是無外界影響因素下的泄漏物泄漏模擬，情景二為存在常年主導(dǎo)風(fēng)向（東南風(fēng)向，風(fēng)速10.0 m/s）對(duì)泄漏物擴(kuò)散的影響，情景三是存在不利風(fēng)向（東北風(fēng)向，風(fēng)速4.0 m/s）對(duì)泄漏物擴(kuò)散的影響。

表1 不同情景參數(shù)設(shè)定

參數(shù)設(shè)定：模擬時(shí)間定為2014 年4 月1 日，總共模擬了5 d；泄漏速度根據(jù)伯努利方程計(jì)算；泄漏持續(xù)時(shí)間則根據(jù)泄漏總量與泄漏速度計(jì)算；風(fēng)速分別設(shè)定為10.0 m/s（夏季臺(tái)風(fēng)季多年平均風(fēng)速）和4.0 m/s（多年冬季平均風(fēng)速）；風(fēng)向分別設(shè)定為夏季（東南140°）和秋冬（東北45°）主導(dǎo)風(fēng)向，模擬時(shí)不考慮蒸發(fā)、降雨及泄漏物自身微溶的影響。

4 泄漏污染結(jié)果分析與預(yù)測(cè)影響

散裝化學(xué)品泄漏后在海中的輸移和擴(kuò)散行為模式，主要受兩方面的影響：一是外部環(huán)境因素，如泄漏點(diǎn)附近的水文、地理和氣象等；二是內(nèi)部因素，即化學(xué)品的物化性質(zhì)。影響化學(xué)品在水中行為的主要因素是化學(xué)品本身的3 個(gè)主要物理性質(zhì)：相對(duì)密度、飽和蒸氣壓（在環(huán)境溫度下的飽和蒸氣壓）、相對(duì)溶解度。根據(jù)這3 個(gè)因素，散裝液態(tài)化學(xué)品泄漏后在水中的行為主要有4 種：在大氣中、浮于水面、溶于水體中、沉于水底?；瘜W(xué)品性質(zhì)多樣，在海洋環(huán)境中的分布可能不止是以上的一種形式。作為應(yīng)急反應(yīng)技術(shù)，可以分別對(duì)4 種形式的化學(xué)品的擴(kuò)散、漂移進(jìn)行研究，加以整合后得出一個(gè)比較有實(shí)用價(jià)值的結(jié)果。

過氧化叔丁醇泄漏后在水中的行為方式主要為浮于水面（本研究忽略其微溶量）。根據(jù)一年中3 種風(fēng)速狀況，分別模擬了10 t 過氧化叔丁醇泄漏后5 d時(shí)間內(nèi)的行為途徑。不同情景下過氧化叔丁醇的濃度分布見圖5。

圖5 泄漏后不同情景下過氧化叔丁醇的濃度分布

由上述各個(gè)情景中的對(duì)比圖可以看出：情景一，無風(fēng)狀況下，過氧化叔丁醇泄漏后在水中的行為途徑主要受潮位場(chǎng)的影響，污染面積可控在一個(gè)范圍內(nèi)；情景二，10.0 m/s 的東南風(fēng)況下，過氧化叔丁醇在泄漏后在潮位場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)的共同作用下，行為途徑變化很大，污染區(qū)域沿著馬灣—大水坑灣—大深灣的海岸線漂移，對(duì)海岸線附近的水域和環(huán)境造成了很大的破壞；情景三，4.0 m/s 的東北風(fēng)況下，過氧化叔丁醇泄漏后由潮位場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)推動(dòng)，污染區(qū)域從泄漏點(diǎn)一直延伸至大鵬澳。大鵬澳的自然條件非常好，水深不淤，是建設(shè)大型深水碼頭的優(yōu)良港址。該灣無污染，水產(chǎn)資源豐富，主要有石斑、龍蝦、青蟹、馬氏珍珠貝、鮑魚、海參、馬尾藻等，為水產(chǎn)資源繁殖保護(hù)區(qū)。若發(fā)生泄漏將對(duì)該區(qū)的養(yǎng)殖業(yè)和水生態(tài)平衡造成無法估計(jì)的損失。

在研究了各種泄漏情景下過氧化叔丁醇在水中的行為途徑后，對(duì)其污染面積采取7 個(gè)樣點(diǎn)，分析其隨時(shí)間的變化，見圖6。

圖6 污染物擴(kuò)散面積隨時(shí)間的變化

模型動(dòng)力場(chǎng)的ramp-up days 設(shè)置為2 d，前2 d為模型的過渡期。情景一由于處于無風(fēng)狀況下，污染區(qū)域沒有很大的變化，隨著時(shí)間的推移，加上海洋本身的自凈化和調(diào)節(jié)能力，污染面積沒有太大的變化，區(qū)域可控。情景二由于風(fēng)場(chǎng)的影響，污染面積在3 d后逐漸開始變大，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，油膜面積越來越大。情景三處于在東北風(fēng)的影響下，過氧化叔丁醇在泄漏后，朝著西南方向漂移至大鵬澳附近，同時(shí)由于風(fēng)速較小，所以擴(kuò)散的速度比較緩慢，但同樣隨著時(shí)間的推移，油膜在逐漸增加。

5 預(yù)測(cè)泄漏后產(chǎn)生的影響及建議

根據(jù)以上各種情景下泄漏的情況可以看出，風(fēng)場(chǎng)對(duì)泄漏后過氧化叔丁醇的泄漏行為有很重要的影響。在情景一的狀況下，過氧化叔丁醇泄漏后，主要在泄漏點(diǎn)附近遷移擴(kuò)散，且隨著時(shí)間的推移，泄漏物會(huì)在一定程度的海洋的凈化能力下降解，污染面積在一定的可控范圍內(nèi)。如發(fā)生這種情況下的泄漏事故，要及時(shí)組織應(yīng)急隊(duì)伍進(jìn)行油膜的收復(fù)，避免其長(zhǎng)時(shí)間覆蓋，造成海洋生物缺氧、窒息死亡等現(xiàn)象。在情景二和三的狀況下，發(fā)生泄漏事故后，由于風(fēng)速影響很大，首先要根據(jù)風(fēng)向及時(shí)判斷出可能受到污染的沿海邊界、重點(diǎn)養(yǎng)殖區(qū)域以及珍稀生物資源保護(hù)區(qū)，第一時(shí)間對(duì)這些區(qū)域做出保護(hù)措施；其次要盡快對(duì)泄漏物進(jìn)行回收，避免因?yàn)轱L(fēng)向造成污染面積的擴(kuò)大；最后要對(duì)未能及時(shí)清理且已經(jīng)波及的重點(diǎn)保護(hù)區(qū)域進(jìn)行修復(fù)，對(duì)可能受到后續(xù)影響的區(qū)域提前采取應(yīng)對(duì)措施。

6 結(jié)語(yǔ)

本文以假設(shè)大亞灣海域發(fā)生10 t 過氧化叔丁醇的泄漏事故為模擬，針對(duì)大亞灣海域建立了泄漏模型，分別在無風(fēng)、10.0 m/s 東南風(fēng)、4.0 m/s 東北風(fēng)3種風(fēng)況下，對(duì)過氧化叔丁醇泄漏事故進(jìn)行構(gòu)建模型并針對(duì)具體情況進(jìn)行模擬，其中在無風(fēng)狀況下，10 t過氧化叔丁醇泄漏主要在泄漏點(diǎn)附近擴(kuò)散，且區(qū)域不是很大，只要及時(shí)進(jìn)行清理回收，其影響可以大大降低。但是有風(fēng)影響的情況下，由于風(fēng)場(chǎng)的影響，污染區(qū)域根據(jù)風(fēng)向以及風(fēng)速逐漸擴(kuò)大，污染面積也變得比無風(fēng)狀況下大得多，并且風(fēng)速的影響力很重要。此次研究不但為泄漏事故的預(yù)警、處理以及完善海域安全事故管理體系提供了必要的技術(shù)支持，還為最大程度降低近岸海域化學(xué)品泄漏事故對(duì)環(huán)境與資源造成的損失提供了依據(jù)，對(duì)于海洋環(huán)境的保護(hù)具有非常重要的意義。