鴨綠江公路大橋溢油漂移擴(kuò)散三維數(shù)值模擬

陳士謙， 朱建榮

（華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200062）

0 引 言

為了增進(jìn)中朝友誼，促進(jìn)中朝交流，鴨綠江浪頭港附近將建造連接中國(guó)和朝鮮的公路大橋（見(jiàn)圖1）.鴨綠江公路大橋建成后，因橋墩的存在，將增大船舶航運(yùn)的危險(xiǎn).若發(fā)生原油泄漏事故，會(huì)對(duì)周?chē)蛏鷳B(tài)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重的后果，特別是會(huì)污染上游丹東市取水口（四道溝取水口、丹東造紙廠取水口和燕窩取水口），影響居民生活及工業(yè)用水的安全.因此，研究鴨綠江公路大橋在發(fā)生溢油事故后油膜漂移擴(kuò)散，可為溢油事故的處理提供油膜面積、到達(dá)取水口時(shí)間和油膜厚度變化等數(shù)據(jù)，對(duì)鴨綠江環(huán)境的保護(hù)和取水的安全具有實(shí)際意義.

圖1 鴨綠江河口示意圖Fig.1 Sketch map of the Yalu Estuary

目前預(yù)測(cè)溢油事故發(fā)生后油膜漂移擴(kuò)散的主要方法是數(shù)值模擬，一般以垂向平均的二維數(shù)值模式為主［1－5］.二維數(shù)值模式不能真實(shí)的反映風(fēng)生流產(chǎn)生的垂向上的顯著變化，從而會(huì)影響模擬油膜擴(kuò)散的精度.近年來(lái)，三維模式也逐漸開(kāi)始運(yùn)用于油膜擴(kuò)散的計(jì)算中［6－10］，三維模式能提供較為真實(shí)的風(fēng)生流垂向變化，能更為準(zhǔn)確地模擬表層流場(chǎng)對(duì)溢油漂移擴(kuò)散的作用.本文基于改進(jìn)的三維數(shù)值模式 ECOM－si［11］，加入油膜計(jì)算模塊［12，13］，計(jì)算鴨綠江大橋發(fā)生溢油事故后油膜的輸移.

2 數(shù)值模式設(shè)置和驗(yàn)證

2.1 模式設(shè)置

模式的計(jì)算區(qū)域包括整個(gè)鴨綠江河口，上邊界位于荒溝水文站，外海開(kāi)邊界西至123.6°E，東至124.6°E，南到39.4°N（見(jiàn)圖2）.模式最高網(wǎng)格分辨率為35 m，網(wǎng)格擬合岸線且具有良好的正交性和光滑性.水深通過(guò)數(shù)字化高分辨率海圖及相應(yīng)海區(qū)1分精度的水深數(shù)據(jù)插值獲得.垂向均勻分為6層，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為5 s.模式采用北京－54坐標(biāo)系，后處理和繪圖時(shí)轉(zhuǎn)為經(jīng)緯度坐標(biāo)系.

圖2 模式計(jì)算區(qū)域、網(wǎng)格及浪頭港局部網(wǎng)格Fig.2 Model calculation domain and grids with detail grid near Langtou Port

考慮潮汐、徑流和風(fēng)應(yīng)力對(duì)油膜漂移擴(kuò)散的作用.外海開(kāi)邊界以潮位驅(qū)動(dòng)，考慮16個(gè)主要分潮 M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1、U2、V2、T2、L2、2N2、J1、M1和 OO1，由各分潮調(diào)和常數(shù)合成給出（調(diào)和常數(shù)來(lái)自全球潮汐模式NAOTIDE，資料來(lái)源網(wǎng)站為http：／／www.miz.nao.ac.jp／staffs／nao99／index＿En.html）：

其中，ζ為潮位，f為節(jié)點(diǎn)因子，Hi為振幅，ωi為角頻率，gi為遲角，Vi＋ui為訂正角（它可以由具體的年、月、日求得）.本文假設(shè)夏季和冬季突發(fā)溢油事故后油膜的漂移擴(kuò)散情況，因主要取水口均位于大橋的上游（見(jiàn)圖1），考慮到對(duì)上游取水口的最壞影響，假定溢油時(shí)間均為落憩時(shí)刻.上游開(kāi)邊界條件以荒溝水文站實(shí)測(cè)多年月平均徑流量給出，分別取8月和2月為夏季和冬季的代表月份.鴨綠江8月平均徑流量為1 400 m3／s，2月平均徑流量為700 m3／s，夏季徑流量明顯大于冬季.風(fēng)場(chǎng)根據(jù)多年月平均風(fēng)資料，夏季為南風(fēng)4.6 m／s，冬季為西北風(fēng)4.9 m／s.初始條件水位、流速均取為零.鴨綠江口及其上游河段存在較大灘涂（潮間帶），模式采用干濕判斷法處理潮灘動(dòng)邊界.

模式運(yùn)行約7 d，水位和流場(chǎng)穩(wěn)定后，開(kāi)始計(jì)算溢油.溢油事故假設(shè)瞬時(shí)溢油100 t，油種為重質(zhì)原油，密度為950 kg／m3，低于海水密度.溢油的漂移軌跡采用質(zhì)點(diǎn)跟蹤的方法計(jì)算，溢油質(zhì)點(diǎn)的移動(dòng)由水流、風(fēng)應(yīng)力和隨機(jī)擴(kuò)散決定.本文模擬溢油擴(kuò)散時(shí)間尺度較短，暫未考慮揮發(fā)、乳化、光化學(xué)氧化分解、沉積和生物降解等長(zhǎng)時(shí)間尺度的物理化學(xué)過(guò)程.每個(gè)質(zhì)點(diǎn)的下一時(shí)刻位置按以下公式計(jì)算：式中，X0、Y0為油粒質(zhì)點(diǎn)的初始坐標(biāo)；U、V 分別為X、Y方向的流速分量；W10為海面上方10 m處的風(fēng)速；A為風(fēng)向；α為修正系數(shù)；r為隨機(jī)擴(kuò)散項(xiàng)，r＝RE，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，B＝2πR.只要質(zhì)點(diǎn)數(shù)足夠多，油膜漂移的模擬就越精確.本文設(shè)置了一百萬(wàn)個(gè)油膜質(zhì)點(diǎn).每個(gè)質(zhì)點(diǎn)代表一個(gè)恒定的體積大小，每步根據(jù)網(wǎng)格的水平面積大小和所含質(zhì)點(diǎn)數(shù)，求出油膜在該網(wǎng)格的厚度值：

2.2 模式驗(yàn)證

采用2000年5月6日到5月7日鴨綠江口門(mén)外實(shí)測(cè)站點(diǎn)流速流向資料驗(yàn)證數(shù)值模式，測(cè)站位置見(jiàn)圖1.從實(shí)測(cè)資料看，鴨綠江河口落潮歷時(shí)遠(yuǎn)長(zhǎng)于漲潮歷時(shí)，漲潮歷時(shí)短（見(jiàn)圖3），這與以往研究結(jié)果一致［14］.從模式驗(yàn)證結(jié)果看，總體上模式計(jì)算的流速和流向與實(shí)測(cè)值吻合良好（見(jiàn)圖3）.誤差主要是由地形、底摩擦、開(kāi)邊界條件誤差和模式計(jì)算誤差等因素造成.驗(yàn)證結(jié)果表明本文建立的數(shù)值模式能較好地模擬鴨綠江河口的水動(dòng)力過(guò)程.

3 油膜漂移擴(kuò)散的數(shù)值模擬

3.1 夏季

鴨綠江河道內(nèi)為不規(guī)則半日潮，落潮歷時(shí)遠(yuǎn)長(zhǎng)于漲潮歷時(shí)，漲潮歷時(shí)短［14］.假設(shè)溢油發(fā)生在落憩轉(zhuǎn)漲時(shí)刻，2 h后已基本處于漲憩狀態(tài)，故考慮溢油后2 h漲潮流期間油膜的漂移擴(kuò)散過(guò)程.夏季在潮流、徑流1 400 m3／s和南風(fēng)4.6 m／s（記為數(shù)值試驗(yàn)A）作用下，油膜向上游漂移擴(kuò)散，在溢油后2 h時(shí)刻油膜分布見(jiàn)圖4左圖.此時(shí)溢油已經(jīng)經(jīng)過(guò)四道溝取水口，影響到丹東造紙廠取水口，丹東造紙廠取水口附近油膜厚度超過(guò)55μm.3個(gè)取水口油膜厚度隨時(shí)間變化（實(shí)線）見(jiàn)圖5.在漲潮過(guò)程中，油膜在溢油發(fā)生后0.9 h到達(dá)四道溝取水口，之后油膜厚度迅速上升至最大值125μm，然后迅速降低，影響持續(xù)至1.5 h.丹東造紙廠取水口約在1.5 h受到油膜影響，略超過(guò)2 h時(shí)油膜厚度達(dá)到最大值160μm，持續(xù)影響至3.2 h.溢油沒(méi)有漂移擴(kuò)散到燕窩取水口.統(tǒng)計(jì)夏季20μm和1μm厚度油膜的面積、相對(duì)于溢油發(fā)生點(diǎn)最遠(yuǎn)和最近距離隨時(shí)間的變化，見(jiàn)表1.在0.5 h至2 h內(nèi)，20μm、1μm油膜距離溢油點(diǎn)的最遠(yuǎn)距離不斷增大，其中2 h時(shí)刻最遠(yuǎn)距離分別為8.93 km、10.21 km.

圖3 垂向平均流速和流向模式計(jì)算值（實(shí)線）和觀測(cè)值（點(diǎn)）的比較測(cè)站Y1（左上），測(cè)站Y2（右上），測(cè)站Y3（左下）和測(cè)站Y4（右下）Fig.3 Comparison of the vertically averaged current speed and direction between the mode1 calculated ones（solid line）and observed ones（point）in the station Y1（left upper），Y2（right upper），Y3（left lower），and Y4（right lower）

圖4 落憩后2 h油膜厚度分布圖Fig.4 Thickness of oil film contour at 2 hours after ebb slack

圖5 落憩后6 h內(nèi)取水口油膜厚度隨時(shí)間變化Fig.5 Temporal variation of oil film thickness at the water intakes inner 6 hours after ebb slack.

表1 夏、冬季落憩后2h內(nèi)油膜面積、漂移最遠(yuǎn)和最近距離Tab.1 The area，the longest and shortest distance of oil film inner 2 hours after ebb slack in the case of summer and winter

3.2 冬季

冬季在潮流、徑流700 m3／s和西北風(fēng)4.9 m／s（記為數(shù)值試驗(yàn)B）作用下，油膜向上游漂移擴(kuò)散，在溢油后2 h時(shí)刻油膜分布見(jiàn)圖4右圖.此時(shí)溢油已經(jīng)經(jīng)過(guò)四道溝取水口，影響到丹東造紙廠取水口，丹東造紙廠取水口附近油膜厚度接近45μm.3個(gè)取水口油膜厚度過(guò)程線（虛線）見(jiàn)圖5.在漲潮過(guò)程中，油膜在溢油發(fā)生后1.2 h到達(dá)四道溝取水口，之后油膜厚度迅速上升至最大值75μm，然后迅速降低，影響持續(xù)至1.8 h.丹東造紙廠取水口約在1.7 h受到油膜影響，2.2 h時(shí)油膜厚度達(dá)到最大值50μm，持續(xù)影響至4.2 h.溢油沒(méi)有達(dá)到燕窩取水口.統(tǒng)計(jì)冬季20μm和1μm厚度油膜的面積、相對(duì)于溢油發(fā)生點(diǎn)最遠(yuǎn)和最近距離隨時(shí)間的變化，見(jiàn)表1.在0.5至2 h，20μm、1μm油膜距離溢油點(diǎn)的最遠(yuǎn)距離不斷增大，其中2 h時(shí)刻最遠(yuǎn)距離分別為7.86 km、9.19 km.

3.3 冬夏季差異

比較夏季和冬季溢油擴(kuò)散的數(shù)值模擬結(jié)果，可以看出在漲潮過(guò)程中，夏季油膜到達(dá)四道溝取水口的時(shí)間比冬季早0.3 h，四道溝取水口最大油膜厚度冬夏季分別為125μm和75 μm；夏季油膜到達(dá)丹東造紙廠取水口的時(shí)間比冬季早0.2 h，丹東造紙廠取水口最大油膜厚度冬夏季分別為160μm和50μm（見(jiàn)圖5）.圖中油膜厚度在丹東造紙廠取水口達(dá)到峰值的時(shí)刻略超過(guò)2 h，這說(shuō)明2 h內(nèi)是一個(gè)持續(xù)的漲潮過(guò)程.

為了直觀的顯示冬夏季油膜向上輸運(yùn)的差異，將冬季漲潮2 h時(shí)刻油膜厚度減去夏季漲潮2 h時(shí)刻油膜厚度，得到油膜厚度差值圖（見(jiàn)圖6）.從圖中可以看出，丹東造紙廠取水口附近及以上區(qū)域油膜厚度變化為負(fù)值，絕對(duì)值最大超過(guò)15μm，說(shuō)明冬季油膜上溯比夏季更近；四道溝取水口到接近丹東造紙廠取水口的區(qū)域油膜變化為正值，說(shuō)明油膜厚度在該河段冬季比夏季厚，因?yàn)槎鞠蛏嫌纹茢U(kuò)散距離比夏季短，而冬夏季溢油總量相同，滿(mǎn)足質(zhì)量守恒的原理.

然而夏季徑流量（1 400 m3／s）遠(yuǎn)大于冬季（700 m3／s），徑流越大對(duì)油膜向上輸運(yùn)的阻礙作用越強(qiáng)，理應(yīng)油膜向上游漂移擴(kuò)散夏季比冬季近.為什么夏季油膜的上溯距離反而更遠(yuǎn)？影響油膜漂移擴(kuò)散的動(dòng)力因子除徑流外，還有潮汐和風(fēng)應(yīng)力.下面對(duì)油膜漂移擴(kuò)散的動(dòng)力機(jī)制作進(jìn)一步的模擬和分析.

圖6 落憩2 h后冬夏季油膜厚度差值圖（數(shù)值試驗(yàn)B－A）Fig.6 Difference of oil film thicknesses at 2 hours after ebb slack（numerical experiment B minus A）

4 機(jī)制分析

4.1 潮汐的影響

本節(jié)設(shè)置一數(shù)值試驗(yàn)，模式動(dòng)力因子為2月大潮，徑流為1 400 m3／s，南風(fēng)4.6 m／s（記為數(shù)值試驗(yàn)A1）.試驗(yàn)A1與試驗(yàn)A區(qū)別僅在于潮的不同.將兩個(gè)數(shù)值試驗(yàn)計(jì)算的漲潮兩小時(shí)后的油膜厚度相減（試驗(yàn)A1減去試驗(yàn)A），可以看到四道溝取水口到丹東造紙廠取水口之間油膜差值為正，丹東造紙廠取水口附近及上游油膜差值為負(fù)（見(jiàn)圖7）.這說(shuō)明在風(fēng)、徑流相同的條件下，夏季大潮溢油上溯距離比冬季大潮溢油上溯更遠(yuǎn).

根據(jù)2007年潮汐表，丹東新港（位置見(jiàn)圖1）8月大潮期間3日平均潮差為5.64 m，2月大潮期間3日平均潮差為4.95 m（見(jiàn)圖8）.夏季潮差比冬季潮差大，潮汐產(chǎn)生的漲潮流更強(qiáng)，說(shuō)明8月漲潮流對(duì)油膜的上溯距離更遠(yuǎn).

圖7 落憩2 h后油膜厚度差值圖（數(shù)值試驗(yàn)A1－A）Fig.7 Difference of oil film thickness at 2 hours after ebb slack（numerical experiment A1 minus A）

圖8 大潮期間丹東新港潮位及平均潮差（單位：米）Fig.8 The tidal level and mean tidal range at Dandong during spring（Unit：m）

4.2 風(fēng)的影響

本節(jié)考慮風(fēng)速和風(fēng)向的變化對(duì)油膜上溯距離的影響.風(fēng)對(duì)油膜的影響前人已做過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)［15－17］，說(shuō)明風(fēng)對(duì)油膜的漂移起著重要作用.為了突出風(fēng)的影響并簡(jiǎn)化討論，潮汐均取為8月大潮，徑流量均為1 400 m3／s.風(fēng)取無(wú)風(fēng)、南風(fēng)9.2 m／s和西北風(fēng)4.6 m／s，分別命名為數(shù)值試驗(yàn)A0、A2和A3，計(jì)算結(jié)果與A0的計(jì)算結(jié)果比較.

4.1 風(fēng)速的影響

從不同南風(fēng)風(fēng)速下的油膜厚度差值圖可以看到（見(jiàn)圖9），無(wú)風(fēng)相對(duì)于南風(fēng)4.6 m／s相同厚度的油膜漂移擴(kuò)散的距離變近，南風(fēng)9.2 m／s相對(duì)于南風(fēng)4.6 m／s相同厚度的油膜漂移擴(kuò)散的距離變遠(yuǎn).這說(shuō)明南風(fēng)風(fēng)速的加大有利于油膜向上游漂移擴(kuò)散更遠(yuǎn)的距離.

本文使用油膜最遠(yuǎn)距離差來(lái)表示不同條件下油膜漂移擴(kuò)散結(jié)果的差別.表2定量說(shuō)明了不同速度的南風(fēng)對(duì)20μm（可代表油膜主體）和1μm（可代表油膜邊緣）的油膜漂移擴(kuò)散距離的影響，可以看出南風(fēng)風(fēng)速對(duì)油膜主體及邊緣向上游運(yùn)移都有促進(jìn)作用.由表2可知，溢油發(fā)生1 h后，油膜邊緣的最遠(yuǎn)距離差絕對(duì)值迅速增大；溢油發(fā)生1.5 h后，油膜主體的最遠(yuǎn)距離差絕對(duì)值顯著增大.這是因?yàn)橐缬桶l(fā)生后，油膜向上游漂移擴(kuò)散，上游河道變?yōu)榻媳弊呦?，使得南風(fēng)對(duì)油膜向上游的促進(jìn)作用加強(qiáng).

表2 溢油后2h內(nèi)20μm和1μm油膜的最遠(yuǎn)距離差Tab.2 The longest distance difference of oil film at 2 hours after oil spill km

圖9 落憩2 h油膜厚度差值圖（左：數(shù)值試驗(yàn)A0－A；右：A2－A）Fig.9 Difference of oil film thicknesses at 2 hours after ebb slack（left：numerical experiment A0－A；right：numerical experiment A2－A）

4.2 風(fēng)向的影響

將數(shù)值試驗(yàn)A3計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)A計(jì)算結(jié)果作比較，得出2 h內(nèi)油膜上溯的距離試驗(yàn)A3要小于試驗(yàn)A（見(jiàn)圖10）.這表明西北風(fēng)相比南風(fēng)，阻礙了油膜的向上輸移.表3定量說(shuō)明了不同風(fēng)向（西北風(fēng)和南風(fēng)）對(duì)20μm和1μm的油膜漂移擴(kuò)散距離的影響.由表3可知，西北風(fēng)與南風(fēng)相比，1.5 h時(shí)刻油膜主體的最遠(yuǎn)距離差絕對(duì)值迅速增至0.94 km.由表2可知，南風(fēng)和無(wú)風(fēng)相比，1.5 h時(shí)刻油膜主體的最遠(yuǎn)距離差絕對(duì)值僅為0.22 km.可以看出，西北風(fēng)在溢油前1.5 h對(duì)油膜向上游的阻礙作用遠(yuǎn)大于南風(fēng)對(duì)油膜向上游的促進(jìn)作用.這是因?yàn)橐缬推茢U(kuò)散初期河段為西北走向，導(dǎo)致西北風(fēng)對(duì)油膜向上游阻礙作用明顯.

表3 溢油2h內(nèi)20μm和1μm油膜的最遠(yuǎn)距離差Tab.3 Difference the longest distance of oil film inner 2 hours after oil spill

圖10 落憩后2 h油膜厚度差值圖（數(shù)值試驗(yàn)A3－A）Fig.10 Difference of oil film thicknesses at 2 hours after ebb slack（numerical experiment A3 minus A）

鴨綠江公路大橋溢油事故發(fā)生后，油膜漂移擴(kuò)散主要由徑流、風(fēng)和潮流共同控制.風(fēng)的變化對(duì)油膜上溯的作用（見(jiàn)圖9左圖）明顯大于冬夏季潮的變化對(duì)油膜上溯的作用（見(jiàn)圖7），是造成夏季油膜上溯距離遠(yuǎn)的主要原因.

5 結(jié) 論

基于三維河口海岸海洋模式ECOM－si，加入油膜輸運(yùn)模塊，計(jì)算并分析鴨綠江浪頭港附近瞬時(shí)溢油100 t情況下，2 h內(nèi)油膜的漂移擴(kuò)散情況，結(jié)論如下.

在漲潮流的作用下，夏季溢油發(fā)生后約0.9 h油膜到達(dá)四道溝取水口，持續(xù)時(shí)間約為0.6 h，取水口油膜厚度最大值為125μm；丹東造紙廠取水口約在1.5 h受到油膜影響，略超過(guò)2 h時(shí)油膜厚度達(dá)到最大值為160μm，油膜持續(xù)影響至3.2 h.冬季溢油發(fā)生后約1.2 h油膜達(dá)到四道溝取水口，持續(xù)時(shí)間約為0.6 h，取水口油膜厚度最大值為75μm；丹東造紙廠取水口約在1.7 h時(shí)受到油膜影響，2.2 h時(shí)取水口油膜厚度達(dá)到最大值50μm，油膜持續(xù)影響至4.2 h.冬夏季燕窩取水口均未受到溢油的影響.盡管鴨綠江夏季徑流量大于冬季，存在著油膜向上游漂移擴(kuò)散夏季比冬季更快和更遠(yuǎn)的現(xiàn)象.

夏季潮汐比冬季強(qiáng)是上述現(xiàn)象的次要原因，風(fēng)是首要原因.鴨綠江大橋上游河道先是西北走向，然后是近南北走向，南風(fēng)促進(jìn)南北走向河道溢油向上游輸運(yùn)，西北風(fēng)阻礙西北向河道溢油的上游輸運(yùn).本文研究結(jié)果對(duì)發(fā)生溢油后的應(yīng)急處理工作具有指導(dǎo)作用和實(shí)踐意義.

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