“油粒子”模型在三沙灣溢油軌跡模擬中的應(yīng)用

林建偉

(福建省水產(chǎn)研究所，福建 廈門 361013)

近岸海域是人類活動最頻繁的區(qū)域。隨著海上運輸業(yè)的發(fā)展，出入近岸海域的船只增多，船型也往大型化方向發(fā)展，這一方面促進了海上貿(mào)易的發(fā)展，另一方面也增加了船舶發(fā)生碰撞的概率，加大了海上溢油事故的風(fēng)險。一旦發(fā)生海上溢油事故，浮油會在風(fēng)、浪、流的作用下漂向海岸或漁區(qū)，將影響海洋生態(tài)環(huán)境和破壞漁業(yè)健康發(fā)展。據(jù)陳亞瞿等[1]對20號燃料油的毒性實驗結(jié)果，表明石油會破壞浮游植物細胞、損壞葉綠素及干擾氣體交換，從而妨礙浮游植物的光合作用；宋廣軍等[2]對19-3油田溢油影響的研究，也表明溢油泄漏入海將影響浮游植物群落。若發(fā)生溢油事故，石油烴對魚、蝦、貝、紫菜、海帶等造成污染，使水產(chǎn)品產(chǎn)生油臭，降低了其產(chǎn)品質(zhì)量，進而影響漁民的經(jīng)濟收入；而且大量油膜隨流漂浮，若進入沿岸定制漁業(yè)區(qū)，油塊將沾污網(wǎng)具，使網(wǎng)具損壞報廢，影響沿海漁民正常作業(yè)。

三沙灣是寧德市重要的港灣，也是全國最大的大黃魚網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)。根據(jù)《福州港總體規(guī)劃(2035年)》[3]，白馬港區(qū)位于寧德市福安市(圖1)，是福州港八大港區(qū)之一，其功能定位主要服務(wù)臨港工業(yè)發(fā)展。白馬港區(qū)包括灣塢、坪崗和賽江3個作業(yè)區(qū)，分別規(guī)劃建設(shè)通用泊位14個(其中2萬噸級及以下7個，5萬噸級及以下7個)、通用泊位6個(3～10萬噸級)和中小型泊位12個。目前，白馬港區(qū)灣塢作業(yè)區(qū)6～7#泊位、14#泊位、海和5萬噸碼頭泊位和大唐煤碼頭已建成并運營，白馬港區(qū)灣塢作業(yè)區(qū)1#泊位、5#泊位、8#泊位、9～10#泊位、12～13#泊位仍在建設(shè)中，各主要泊位分布如圖2所示。未來區(qū)域內(nèi)將形成紅土礦、煤炭、焦炭、石材、礦石原料和集裝箱等多樣化物流集散中心。福安市的臨港工業(yè)主要集聚在白馬港兩岸，目前有大唐火電廠等33個大型工業(yè)項目落戶。可見，為提高福安市海上溢油應(yīng)急反應(yīng)能力和技術(shù)水平，開展三沙灣白馬港溢油擴散影響趨勢研究刻不容緩。因此，本文參考國內(nèi)外溢油模擬方法，選取粒子追蹤法，對溢油漂移軌跡進行模擬預(yù)測，并在三沙灣潮流場研究的基礎(chǔ)上，假定白馬港海域發(fā)生輕油泄漏，同時考慮風(fēng)場與流場的共同作用，模擬分析不同風(fēng)況條件下溢油的漂移軌跡，并統(tǒng)計其影響范圍，以期為保護三沙灣海域環(huán)境安全提供技術(shù)支撐，也為完善白馬港區(qū)的應(yīng)急管理體系提供參考。

1 研究方法

1.1 模型選用背景

溢油在水環(huán)境中的輸移軌跡及歸宿是一個非常復(fù)雜的過程，受到風(fēng)、浪、流等動力因素，環(huán)境因素以及油品特性等多種因素的影響，發(fā)生擴展、漂移等運動行為，以及蒸發(fā)、溶解、沉積、光解氧化和乳化等風(fēng)化過程[4]。因此，牟林等[5]將溢油在海洋中的行為和歸宿分為3大類：1)擴展過程，指海面油膜因受到自身重力、慣性力、表面張力、黏性力的作用而導(dǎo)致面積增大的過程；2)輸移過程，指溢油在海洋環(huán)境動力要素(如潮流、波浪和風(fēng)應(yīng)力等外界動力)作用下的遷移運動，包括水平方向的漂移、擴散以及垂直方向的參混、懸浮過程；3)風(fēng)化過程，指能夠引起溢油組成性質(zhì)改變的所有過程，主要包括蒸發(fā)、溶解、乳化、光氧化、生物降解、吸附沉降、水體的混合擴散以及生物體內(nèi)的代謝作用等過程。周群群等[6]根據(jù)國內(nèi)外溢油研究建立和完善的多種溢油模型，歸納了基礎(chǔ)溢油模型(溢油擴展模型、溢油漂移模型、油粒子模型和溢油風(fēng)化模型)的發(fā)展，結(jié)合最新研究成果分析溢油數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀，認(rèn)為：通過耦合環(huán)境動力場與溢油模型模擬油粒子的行為與歸宿，并添加隨機游走算法，可以更加準(zhǔn)確地表征湍流作用下油粒子的運動規(guī)律，其成為目前溢油模擬的主流方法。

所謂“油粒子”，是把海上溢油離散為大量油粒子，每個油粒子代表一定的油量。拉格朗日粒子追蹤模型能夠?qū)σ缬偷倪w移軌跡進行描述，將溢油看作由很多運動質(zhì)點組成，每一質(zhì)點都在一定的動力作用下運動[7]。這種動力主要是表層海流動力和風(fēng)應(yīng)力的合力。油粒子在這種外界應(yīng)力作用下的運動過程分為平流過程和擴散過程，可以用確定性方法模擬油粒子的平流過程，用隨機運動來模擬擴散過程[8-9]。該種方法在油膜迎風(fēng)壓縮和主風(fēng)向拉伸方面具有很強的合理性，以及粒子跟蹤法溢油漂移預(yù)測模型能有效適用于渤海海域[10]。

本文將根據(jù)上述模型理論研究成果，在前期三沙灣水動力的研究基礎(chǔ)上，綜合考慮風(fēng)場對油粒子的作用和油粒子的隨機擴散，運用拉格朗日油粒子模型預(yù)測三沙灣白馬港溢油的漂移軌跡。

1.2 數(shù)學(xué)模型

通過灣塢、湖塘等圍墾工程的實施，人為改變了白馬港早期大肚子彎曲岸線的形態(tài)，使得白馬港兩岸呈微彎岸線，縮窄了海床的過水?dāng)嗝?；但白馬港的主槽在白馬門強勁的潮汐動力和賽江徑流的共同作用下，水動力條件得到了一定的加強；白馬港的理基水深一般小于10 m，主槽位置水深較大[11]。根據(jù)實測水文資料分析[12]，白馬港海域的潮汐類型屬于正規(guī)半日潮，平均潮差約為6.2 m；潮流為規(guī)則半日潮流。

前期三沙灣水動力研究采用開源模式ROMS水動力模型[13]，模擬了三沙灣的余環(huán)流特征。本文在此水動力模型的基礎(chǔ)上，耦合拉格朗日粒子追蹤模型，并添加隨機算法，進行溢油軌跡數(shù)值模擬。

拉格朗日粒子追蹤模型：

(1)

Vt=k×W+V

(2)

(3)

式(3)中：Δα為α方向上的隨機運動距離(α代表x、y或z方向)；R為[-1，1]之間的均勻分布隨機數(shù)；Kα為α方向上的擾動系數(shù)；Δt為時間步長。

1.3 模擬條件

由圖2可知，白馬港碼頭眾多，在營運期間，船舶進出港和貨艙裝卸過程發(fā)生碰撞、觸礁、擱淺、船損等意外事故的風(fēng)險較大，而發(fā)生的溢油事故對海域水環(huán)境和海洋生態(tài)環(huán)境均可能造成重大影響。假設(shè)在白馬港航道發(fā)生溢油事故(溢油點如圖3中紅色點所示)，溢油量取80 t。三沙灣全年東南風(fēng)(SE，風(fēng)速1.4 m/s)最多，頻率為18%[14]；為便于對比研究，本實驗再選取一個不利風(fēng)向：東北風(fēng)(NE，風(fēng)速1.4 m/s)。本實驗?zāi)M油粒子在海洋水動力環(huán)境、氣象環(huán)境綜合條件下的漂移、擴散過程(計算時不考慮黏結(jié)與揮發(fā))，模擬風(fēng)況如表1所示。

表1 油粒子漂移軌跡模擬風(fēng)況表Tab.1 The simulated condition for trajectory of oil particles

2 結(jié)果與分析

2.1 白馬港潮流場

運用前述ROMS水動力模型模擬計算了三沙灣白馬港在大潮4個典型潮時的流場分布情況。

由圖3白馬港4個典型潮時的流場分布圖可見，漲急時，漲潮流從白馬口門漲入白馬港，并上溯至頂部；在白馬港航道的流場較強，流速較大，一般大于0.6 m/s，是主要的漲潮通道，其余海域的漲潮流速均較小，近岸淺灘流速小于0.1 m/s；漲潮流向主要受地形影響，大體呈NNE方向。高潮時，該海域的流場基本處于憩流狀態(tài)，流速較小，一般小于0.1 m/s。落急時，落潮流沿著漲潮流的反方向由白馬港頂向口門退潮；白馬港航道上的流場較強，流速較大，一般大于0.7 m/s，是主要落潮通道，其余海域的落潮流速均較小，近岸淺灘流速小于0.1 m/s；落潮流向主要受地形影響，大體呈SSE方向。低潮時，該海域的流場基本處于憩流狀態(tài)，流速較小，除了主航道上的落潮流速較大外(一般為0.1 m/s)，其余海域的流速均小于0.1 m/s，而且部分淺灘地區(qū)有大面積的灘涂露出(圖3中灰色區(qū)域)。

2.2 溢油軌跡數(shù)值模擬結(jié)果

2.2.1 SE風(fēng)向條件下溢油

在SE風(fēng)條件下，漲、落急時發(fā)生溢油泄漏經(jīng)1 h、6 h、12 h、24 h、36 h以及72 h的掃海情況分別見圖4和圖5(圖中黑色區(qū)域，下同)，油粒子各典型時刻的分布范圍如表2所示。

表2 不同時刻油粒子分布范圍Tab.2 The distribution range of oil particles at different hours

1)漲急時刻

由圖4可見，漲急時發(fā)生溢油，油粒子受潮流場與SE風(fēng)場的共同作用發(fā)生遷移和擴散。經(jīng)1 h，由于漲潮流方向與風(fēng)場方向一致，油粒子迅速朝漲潮流的方向往白馬港灣頂漂移，少量溢油附著于白馬港東側(cè)岸邊，大部分油粒子未散開，擴散范圍較小，此時油粒子分布范圍約3.02 km2。經(jīng)6 h，潮流場流向發(fā)生變化，油粒子遷移方向也由白馬港灣頂轉(zhuǎn)向灣口，小部分溢油停滯于白馬港西側(cè)沿岸，大部分溢油隨著潮流做遷移運動，同時隨機擴散范圍也變大，此時油粒子分布范圍約19.28 km2。經(jīng)12 h，油粒子隨著潮流經(jīng)一個潮周的運動主要在白馬港發(fā)生上下遷移與隨機擴散，擴散范圍進一步變大，此時油粒子分布范圍約32.77 km2。經(jīng)24 h，部分油粒子開始擴散出白馬港，擴散范圍進一步擴大，約為43.78 km2，由于風(fēng)場方向與落潮流方向相反，大部分油粒子仍留在溢油點附近海域，少量溢油擴散出白馬港外。經(jīng)36 h，在漲落潮流的帶動下，遷移出白馬港外的溢油增多，這部分溢油在SE風(fēng)場的作用下，漂向更遠的漳灣鎮(zhèn)東側(cè)海域，此時油粒子分布范圍進一步擴大，約為73.14 km2?？梢?，溢油在周期性潮流的帶動下，除大部分溢油留在白馬港外，越來越多的溢油則遷移并擴散至漳灣鎮(zhèn)東側(cè)和鹽田港西南側(cè)海域。經(jīng)統(tǒng)計，在SE風(fēng)況下，油粒子在72 h內(nèi)的影響范圍約為139.50 km2，對白馬港內(nèi)和三都鎮(zhèn)北側(cè)重要的漁業(yè)水域產(chǎn)生較大的影響，對三都鎮(zhèn)周邊的歷史文化遺跡保護區(qū)和海洋保護區(qū)產(chǎn)生小范圍的影響。

2)落急時刻

由圖5可見，落急時發(fā)生溢油，油粒子受潮流場與SE風(fēng)場的共同作用發(fā)生遷移和擴散。經(jīng)1 h，油粒子主要往落潮流的方向遷移，由于落潮流方向與風(fēng)場方向相反，少量溢油漂向溢油點的北側(cè)，大部分油粒子未散開，擴散范圍較小，此時油粒子分布范圍約2.84 km2。經(jīng)6 h，潮流場流向發(fā)生變化，油粒子遷移方向也發(fā)生變化，少量溢油停滯于白馬港東西側(cè)沿岸，大部分溢油隨著潮流做遷移運動，同時隨機擴散范圍也變大，此時油粒子分布范圍約20.49 km2。經(jīng)12 h，油粒子隨著潮流經(jīng)一個潮周的運動主要在白馬港發(fā)生上下遷移與隨機擴散，擴散范圍進一步變大，此時油粒子分布范圍約36.59 km2。經(jīng)24 h，部分油粒子開始隨機擴散出白馬港，擴散范圍更大，約為62.38 km2，大部分油粒子仍停留在溢油點附近海域，少量溢油擴散出白馬港外。經(jīng)36 h，在漲落潮流的帶動下，遷移出白馬港外的溢油增多，這部分溢油在SE風(fēng)場的作用下，主要漂向更遠的漳灣鎮(zhèn)東側(cè)海域，此時油粒子分布范圍約為64.60 km2?？梢?，溢油在周期性潮流的帶動下，除大部分溢油停留在白馬港外，越來越多的溢油則遷移并擴散出白馬港外海域。經(jīng)統(tǒng)計，在SE風(fēng)況下，油粒子在72 h內(nèi)的影響范圍約為144.50 km2，對白馬港內(nèi)和三都鎮(zhèn)北側(cè)重要的漁業(yè)水域產(chǎn)生較大的影響，對三都鎮(zhèn)周邊的濕地水禽紅樹林自然保護區(qū)、歷史文化遺跡保護區(qū)和海洋保護區(qū)產(chǎn)生小范圍的影響。

2.2.2 NE風(fēng)向條件下溢油

在NE風(fēng)條件下，漲、落急時發(fā)生溢油泄漏經(jīng)1 h、6 h、12 h、24 h、36 h以及72 h的掃海情況分別見圖6和圖7，油粒子各典型時刻的分布范圍詳見表2。

1)漲急時刻

由圖6可見，漲急時發(fā)生溢油，油粒子受潮流場與NE風(fēng)場的共同作用發(fā)生遷移和擴散，其遷移擴散規(guī)律大體與SE風(fēng)向條件下的一致。溢油1 h，油粒子朝漲潮流的方向漂移，擴散范圍較小，約為3.54 km2。6 h時，潮流場流向發(fā)生變化，除隨著潮流做遷移運動外，溢油隨機擴散范圍變大，此時油粒子分布范圍約23.18 km2。12 h時，經(jīng)一個潮周的運動，油粒子主要在白馬港及NE下風(fēng)向發(fā)生遷移與隨機擴散，油粒子遠離溢油點，擴散范圍也進一步變大，已擴散出白馬港，此時油粒子分布范圍約37.82 km2。24 h時，除部分溢油附著于白馬港西側(cè)沿岸，大部分油粒子受風(fēng)場的作用較為明顯，隨潮流遷移與隨機擴散至漳灣鎮(zhèn)東側(cè)、三都鎮(zhèn)北側(cè)海域，擴散范圍進一步擴大，約為65.33 km2。36 h，大部分溢油在潮流場和風(fēng)場的帶動下，滯留于沿岸；部分溢油則繼續(xù)在海上遷移與隨機擴散，此時這部分溢油主要在三都鎮(zhèn)的西北側(cè)和西側(cè)海域，油粒子分布范圍進一步擴大，約為84.75 km2。可見，溢油在周期性潮流的帶動下，除部分溢油附著于白馬港沿岸外，大部分溢油擴散出白馬港外、NE的下風(fēng)向。經(jīng)統(tǒng)計，在NE風(fēng)況下，油粒子在72 h內(nèi)的影響范圍約為344.50 km2，對白馬港內(nèi)和三都鎮(zhèn)北側(cè)重要的漁業(yè)區(qū)，三都鎮(zhèn)周邊的濕地水禽紅樹林自然保護區(qū)、歷史文化遺跡保護區(qū)及海洋保護區(qū)產(chǎn)生較大的影響。

2)落急時刻

由圖7可見，落急時發(fā)生溢油，油粒子受潮流場與NE風(fēng)場的共同作用發(fā)生遷移和擴散，其遷移擴散規(guī)律大體與SE風(fēng)向條件下的一致。溢油1 h，由于落潮流方向與風(fēng)場方向一致，油粒子迅速朝落潮流的方向往白馬港灣口漂移，溢油未散開，擴散范圍較小，約為3.03 km2。6 h時，潮流場流向發(fā)生變化，溢油遷移和隨機擴散范圍變大，約為20.20 km2。12 h時，經(jīng)一個潮周的運動，油粒子主要在白馬港及NE下風(fēng)向發(fā)生遷移與隨機擴散，擴散范圍進一步變大，約為36.46 km2。24 h時，除部分溢油附著于白馬港西側(cè)沿岸，大部分油粒子受風(fēng)場的作用較為明顯，開始擴散出白馬港，并隨潮流遷移與擴散至漳灣鎮(zhèn)東側(cè)海域，擴散范圍進一步擴大，約為63.23 km2。36 h，大部分溢油在潮流場和風(fēng)場的帶動下，滯留于沿岸；部分溢油則繼續(xù)在海上遷移與隨機擴散，此時這部分溢油主要在三都鎮(zhèn)的西北側(cè)和西側(cè)海域，油粒子分布范圍進一步擴大，約為74.77 km2?？梢姡缬驮谥芷谛猿绷鞯膸酉?，除部分溢油附著于白馬港沿岸外，大部分溢油擴散出白馬港外、NE的下風(fēng)向。經(jīng)統(tǒng)計，在NE風(fēng)況下，油粒子在72 h內(nèi)的影響范圍約為371.80 km2，對白馬港內(nèi)和三都鎮(zhèn)北側(cè)重要的漁業(yè)區(qū)，三都鎮(zhèn)周邊的濕地水禽紅樹林自然保護區(qū)、歷史文化遺跡保護區(qū)及海洋保護區(qū)產(chǎn)生較大的影響。

3 結(jié)論

本文參考了國內(nèi)外學(xué)者對溢油擴散的研究進展，假定白馬港航道發(fā)生溢油事故，運用油粒子的溢油研究方法，結(jié)合三沙灣的潮流場，對其影響趨勢進行模擬研究，得到以下結(jié)論：1)油粒子的漂移軌跡主要受潮流場與風(fēng)場的共同作用，并反映了三沙灣地形特點，其軌跡符合潮流場的變化規(guī)律和風(fēng)場的方向；建立的“油粒子”模型能夠模擬三沙灣海域的溢油擴散趨勢。2)白馬港海域一旦發(fā)生溢油事故，將受到嚴(yán)重影響；在東北風(fēng)的影響下，影響面積進一步擴大，將對三都鎮(zhèn)北側(cè)重要的漁業(yè)區(qū)、三都鎮(zhèn)周邊的濕地水禽紅樹林自然保護區(qū)、歷史文化遺跡保護區(qū)以及海洋保護區(qū)產(chǎn)生較大的影響。開展本次應(yīng)用研究，模擬的油粒子軌跡基本可以反演溢油影響趨勢，能夠反映模型區(qū)域的地形特點和擴散漂移情況，下一步將深入開展溢油影響研究，比如運用本模型，以一定海面面積內(nèi)油粒子的個數(shù)和質(zhì)量計算油膜厚度分布，為溢油事故造成的漁業(yè)資源損失評估等研究提供參考。