大亞灣消防船碼頭海域溢油模擬分析

韓春陽(yáng) 廣東海蘭圖環(huán)境技術(shù)研究有限公司

1.引言

大亞灣消防船碼頭位于惠州大亞灣北側(cè)海域，是大亞灣海域確保消防船隨時(shí)具備快速抵達(dá)事故海域的重要交通基礎(chǔ)設(shè)施。本工程部分用海位于廣東大亞灣水產(chǎn)資源省級(jí)自然保護(hù)區(qū)的北部實(shí)驗(yàn)區(qū)，由于工程所在海域的海灣半封閉水域特征，溢油事故發(fā)生后，其負(fù)面影響在短時(shí)間內(nèi)難以消除。

由于溢油擴(kuò)散過(guò)程十分復(fù)雜，溢油預(yù)測(cè)的結(jié)果同時(shí)受到外部氣象條件與油自身化學(xué)性質(zhì)的共同作用影響。海上溢油預(yù)測(cè)模擬發(fā)展至今，由溢油3階段擴(kuò)散理論發(fā)展至基于拉格朗日隨機(jī)游走理論的“油粒子”模型，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)已開(kāi)展了許多研究。張海文等基于MIKE 21水動(dòng)力模型及溢油模塊建立溢油擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型，預(yù)測(cè)分析福寧灣海域溢油影響。顧恩慧等在二維潮流數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，建立采用“油粒子”方法的溢油模型，對(duì)樂(lè)清灣北港區(qū)溢油風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)模擬。黃娟等用數(shù)值模擬方法，對(duì)在渤海發(fā)生的溢油進(jìn)行預(yù)測(cè)。婁安剛等建立了膠州灣內(nèi)的預(yù)報(bào)潮流場(chǎng)，考慮風(fēng)場(chǎng)對(duì)海面溢油的影響，給出了預(yù)測(cè)膠州灣溢油飄移軌跡的數(shù)值模型，對(duì)膠州灣溢油的油膜漂移軌跡進(jìn)行了數(shù)值模擬。

本次采用DHI開(kāi)發(fā)的MIKE 21 HD模塊和MIKE21OS模塊對(duì)大亞灣北側(cè)海域溢油事故進(jìn)行數(shù)值模擬預(yù)測(cè)。

2.溢油模型

海上的溢油行為受氣象條件和潮流特性等環(huán)境條件以及溢油本身化學(xué)性質(zhì)的影響，會(huì)經(jīng)歷十分復(fù)雜的物理化學(xué)變化過(guò)程。溢油運(yùn)動(dòng)包括自身擴(kuò)展、漂移和風(fēng)化。油膜的擴(kuò)展過(guò)程是由于其自身的重力、慣性力、粘性力以及表面張力相互作用的結(jié)果，可按主導(dǎo)作用力的不同將其劃分為三個(gè)階段。漂移運(yùn)動(dòng)是指溢油在風(fēng)、潮流等環(huán)境因素作用下的對(duì)流過(guò)程和紊動(dòng)擴(kuò)散。風(fēng)化作用包括了溢油的蒸發(fā)、乳化和溶解等生化反應(yīng)。本溢油模型根據(jù)模擬得到的水動(dòng)力基礎(chǔ)數(shù)據(jù)建立項(xiàng)目所在海域溢油擴(kuò)散預(yù)測(cè)模型。模擬溢油在海上的擴(kuò)展、漂移和風(fēng)化過(guò)程。

在潮流場(chǎng)計(jì)算的基礎(chǔ)上，采用拉格郎日法計(jì)算溢油漂移擴(kuò)散影響范圍，控制方程如下：

式中：x、y為某質(zhì)點(diǎn)初始坐標(biāo)（m）；U、V為流速（m/s）；w為風(fēng)速（m/s）；A為風(fēng)向；α為修正系數(shù)；r=RE，R為隨機(jī)擴(kuò)散項(xiàng)，R為0～1之間的隨機(jī)數(shù)；E為擴(kuò)散系數(shù)；B為隨機(jī)擴(kuò)散方向。

模型同時(shí)還考慮了包括蒸發(fā)、溶解和形成乳化物等過(guò)程，在這些過(guò)程中油粒子的組分發(fā)生改變，但其水平位置沒(méi)有發(fā)生變化。

3.事故溢油影響預(yù)測(cè)分析

3.1 計(jì)算海域選擇

本工程所處的大亞灣北側(cè)海域，是大亞灣海域確保消防船隨時(shí)具備快速抵達(dá)事故海域的重要交通基礎(chǔ)設(shè)施。本工程部分用海位于廣東大亞灣水產(chǎn)資源省級(jí)自然保護(hù)區(qū)的北部實(shí)驗(yàn)區(qū)，該海域發(fā)生溢油將對(duì)周邊敏感區(qū)域產(chǎn)生較大影響。因此，本文對(duì)工程所在海域開(kāi)展溢油事故模擬分析。

3.2 模型建立

本次計(jì)算海域?yàn)槲髂稀獤|北方向長(zhǎng)約85km，項(xiàng)目所在岸線—東南方向長(zhǎng)約65km。計(jì)算域大范圍水深由國(guó)家海洋科學(xué)數(shù)據(jù)中心發(fā)布水深數(shù)據(jù)及電子海圖進(jìn)行確定，擬建工程附近水域水深參考設(shè)計(jì)單位提供的實(shí)測(cè)地形數(shù)據(jù)修正，工程所在岸線根據(jù)Google Earth衛(wèi)星圖提取。

為提高數(shù)值模擬計(jì)算效率，同時(shí)又確保工程附近海域有足夠分辨率，擬合項(xiàng)目所在水域復(fù)雜岸線、島嶼以及其他水工建筑物等邊界，計(jì)算模式采用非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格對(duì)計(jì)算域進(jìn)行劃分，工程附近局部加密。模型計(jì)算采用國(guó)家1985高程。外海區(qū)域空間步長(zhǎng)較大，在開(kāi)邊界約為500m，工程區(qū)域空間步長(zhǎng)約為5～10m。其中現(xiàn)狀工況計(jì)算域共計(jì)生成計(jì)算節(jié)點(diǎn)29239個(gè)，網(wǎng)格53389個(gè)。

工程海域潮流模型開(kāi)邊界潮位從調(diào)和分潮預(yù)測(cè)的潮汐結(jié)果中提取，并根據(jù)潮汐預(yù)報(bào)和實(shí)測(cè)水位進(jìn)行調(diào)整以使計(jì)算水位與實(shí)測(cè)水位盡量重合。

計(jì)算范圍內(nèi)的潮位站和流速點(diǎn)的計(jì)算潮位、流速、流向和實(shí)測(cè)值基本吻合，所建立的工程范圍海域潮流數(shù)學(xué)模型合理可信，基本反映了項(xiàng)目所在海域整體的潮流運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

3.3 溢油參數(shù)選取

溢油事故發(fā)生位置設(shè)定在擬建碼頭前沿停泊水域；溢油量設(shè)置溢油12t，燃料油的密度（柴油）按845kg/m考慮，從環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的最不利影響角度出發(fā)，燃料油以連續(xù)點(diǎn)源的形式泄漏，在1小時(shí)內(nèi)泄漏完畢；模型忽略油膜的初始重力擴(kuò)展階段，油膜初始半徑取為100m；溢油擴(kuò)散參數(shù)a和b分別取為0.07和0.7；海底粗糙長(zhǎng)度取為0.02m；風(fēng)拖曳系數(shù)取為3%；油膜蒸發(fā)率為0.1m/d；校準(zhǔn)參數(shù)取為2000；預(yù)測(cè)選取夏季盛行風(fēng)（SE）、冬季盛行風(fēng)（NNE），以及不利風(fēng)向（NE），計(jì)算風(fēng)速考慮各風(fēng)向全年平均風(fēng)速（項(xiàng)目所在區(qū)域年平均風(fēng)速為3.2m/s）與不利風(fēng)速（六級(jí)風(fēng)，此處取 13.8m/s）；分別對(duì)大潮漲潮初期和落潮初期發(fā)生泄漏事故的情景進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果給出72h的預(yù)測(cè)結(jié)果，統(tǒng)計(jì)油膜厚度大于0.0001mm的影響范圍和掃海面積。

3.4 溢油污染影響預(yù)測(cè)分析

本次預(yù)測(cè)溢油事故發(fā)生后72h，共設(shè)置6個(gè)計(jì)算工況，預(yù)測(cè)結(jié)果如下。

3.4.1 碼頭前沿風(fēng)險(xiǎn)溢油模擬結(jié)果

在夏季風(fēng)向平均風(fēng)速工況條件下，夏季主導(dǎo)風(fēng)（SE，3.2m/s）作用下，受到潮流和風(fēng)的共同影響，油膜漂移范圍主要在工程附近海域。油膜主要影響到大亞灣水產(chǎn)資源省級(jí)自然保護(hù)區(qū)北部實(shí)驗(yàn)區(qū)、霞涌—稔山休閑娛樂(lè)區(qū)。漲初時(shí)刻和落初時(shí)刻溢油影響范圍不大，72h最大污染影響范圍為2.35km。

在冬季風(fēng)向平均風(fēng)速工況條件下，冬季主導(dǎo)風(fēng)（NNE，3.2m/s）作用下，受到潮流和風(fēng)的共同影響，油膜漂移范圍主要在工程附近及工程西南側(cè)海域。油膜主要影響到大亞灣水產(chǎn)資源省級(jí)自然保護(hù)區(qū)北部實(shí)驗(yàn)區(qū)、大亞灣西北部產(chǎn)卵場(chǎng)。漲初時(shí)刻和落初時(shí)刻溢油影響范圍不大，72 h 最大污染影響范圍為4.82km。

在不利風(fēng)向不利風(fēng)速工況條件下，不利風(fēng)向不利風(fēng)速（NE，13.8m/s）作用下，受到潮流和風(fēng)的共同影響，油膜漂移范圍主要在工程西南側(cè)海域。油膜主要影響到大亞灣水產(chǎn)資源省級(jí)自然保護(hù)區(qū)北部實(shí)驗(yàn)區(qū)、大亞灣西北部產(chǎn)卵場(chǎng)、大亞灣水產(chǎn)資源省級(jí)自然保護(hù)區(qū)中部緩沖區(qū)、大亞灣水產(chǎn)資源省級(jí)自然保護(hù)區(qū)中部核心區(qū)、大亞灣水產(chǎn)資源省級(jí)自然保護(hù)區(qū)西北部核心區(qū)、大亞灣中部產(chǎn)卵場(chǎng)、大亞灣水產(chǎn)資源省級(jí)自然保護(hù)區(qū)西南部核心區(qū)。漲初時(shí)刻和落初時(shí)刻溢油影響范圍不大，72h最大污染影響范圍為59.89km。

影響范圍見(jiàn)圖1～圖3，油膜漂移路程和海域掃海面積見(jiàn)表1。

表1 油膜漂移路程和掃海面積

圖1 溢油掃海范圍（夏季風(fēng)向SE、風(fēng)速3.2m/s、72時(shí)）

圖2 溢油掃海范圍（冬季風(fēng)向NNE、風(fēng)速3.2m/s、72時(shí)）

圖3 溢油掃海范圍（不利風(fēng)向NE、風(fēng)速13.8m/s、72時(shí)）

3.4.2 環(huán)境敏感目標(biāo)影響分析

溢油到達(dá)項(xiàng)目周邊敏感目標(biāo)時(shí)間見(jiàn)表2。

表2 溢油到達(dá)時(shí)間統(tǒng)計(jì)表

4.結(jié)論

本文利用MIKE21HD模塊建立水動(dòng)力模型，通過(guò)模型驗(yàn)證對(duì)模型相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，能夠反應(yīng)該海域潮流特征。并基于水動(dòng)力模型利用MIKE21OS模塊對(duì)項(xiàng)目附近溢油事故進(jìn)行模擬分析，得到結(jié)論如下：①溢油發(fā)生72h后，油膜最大掃海面積為59.89km，漂移路程為22.61 k m，出現(xiàn)在漲潮期最不利風(fēng)狀況下。②發(fā)生溢油時(shí)，在冬季風(fēng)NNE風(fēng)和最不利風(fēng)NE風(fēng)的狀況下，溢油漂移擴(kuò)散至西南側(cè)海域，將會(huì)產(chǎn)生一定的環(huán)境影響。