溢油擴展、漂移及擴散預(yù)測技術(shù)研究進展

李歡，邵偉增，李程，張松，李文善，徐珊珊

（1.國家海洋信息中心，天津300171；2.河海大學(xué)江蘇省海岸海洋資源開發(fā)與環(huán)境安全重點實驗室，江蘇南京210098；3.浙江海洋大學(xué)，浙江舟山316022；4.國家海洋技術(shù)中心，天津300112）

溢油擴展、漂移及擴散預(yù)測技術(shù)研究進展

李歡1,，2，邵偉增3，李程1，張松4，李文善1，徐珊珊1

（1.國家海洋信息中心，天津300171；2.河海大學(xué)江蘇省海岸海洋資源開發(fā)與環(huán)境安全重點實驗室，江蘇南京210098；3.浙江海洋大學(xué)，浙江舟山316022；4.國家海洋技術(shù)中心，天津300112）

海上溢油災(zāi)害會嚴重破壞中國近海海洋環(huán)境，還會直接危害我國經(jīng)濟發(fā)展。因此，開展溢油預(yù)測預(yù)警技術(shù)研究是非常有必要的，能夠為海上溢油應(yīng)急響應(yīng)提供技術(shù)支撐。本文綜述了溢油擴展、漂移及擴散數(shù)值預(yù)測技術(shù)的發(fā)展過程及相關(guān)研究成果，包括溢油擴展模型、溢油漂移與擴散模型、溢油預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)，為未來開展溢油應(yīng)急工作提供了理論依據(jù)和參考。

海上溢油；溢油擴展模型；溢油漂移與擴散模型；溢油預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)

我國能源需求的不斷擴大促使海洋石油運輸業(yè)和開采業(yè)飛速發(fā)展，油輪不斷增多，海上石油勘探、開發(fā)、海底管線鋪設(shè)規(guī)模不斷加大，同時海上溢油事故，尤其是重特大事故的風(fēng)險亦隨之大大增加。各種海上溢油災(zāi)害，不僅會嚴重破壞我國近海海洋生態(tài)環(huán)境，還會直接危害我國社會經(jīng)濟的正常發(fā)展。因此，開展海上溢油應(yīng)急關(guān)鍵技術(shù)尤其是溢油漂移與擴散預(yù)測預(yù)警技術(shù)研究，為溢油事故應(yīng)急響應(yīng)、處置提供決策支持的技術(shù)平臺，提升溢油應(yīng)急響應(yīng)能力和技術(shù)水平是非常緊迫和必要的。不僅為保護我國海洋環(huán)境安全提供技術(shù)支撐，也將促進我國海上航運業(yè)的安全穩(wěn)定發(fā)展，為我國經(jīng)濟社會的持續(xù)穩(wěn)定保駕護航。

本文從溢油擴展、漂移及擴散的變化特點入手，描述已有的數(shù)值預(yù)測方法、模型系統(tǒng)，綜述溢油主要物理行為變化預(yù)測研究，為廣大溢油應(yīng)急相關(guān)部門工作人員提供有益的參考。

1 溢油擴展、漂移及擴散預(yù)測

其中，D0為初始時刻油膜直徑；dw、do分別為水和油的比重；Kr為Blokker常數(shù)；V為溢油總體積；為時間。該模型雖然可以初步反映油膜的物理擴展狀態(tài)，但由于其忽略了表面張力和粘性力的作用，對于油膜擴展的刻畫較為片面。針對其缺陷，F(xiàn)ay（1969）提出了自己的油膜擴展理論。該理論成立的前提條件是海面平靜的狀態(tài)下，大體積溢油在擴展過程中油的性質(zhì)不變且在垂向受力平衡，油膜以圓形擴展，擴展范圍可以用圓的直徑來衡量。在此

溢油的擴展指油膜由自身物理特性引發(fā)的面積增大；溢油的漂移與擴散指油在海面風(fēng)、海流以及海浪等海洋環(huán)境動力要素的共同作用下發(fā)生的遷移輸運。對于溢油本身，以上幾個過程緊密相關(guān)，實際過程中因考慮到海洋環(huán)境的不斷變化而較為復(fù)雜，也給針對這些過程的數(shù)值預(yù)測帶來了較大的難度和挑戰(zhàn)性，目前國際上主流的方法是對上述過程進行階段性模擬，雖然可以在一定程度上完成溢油主要物理行為的預(yù)測，但是結(jié)果與真實情況仍存在較大的誤差。下文將針對溢油的幾種主要物理變化過程及預(yù)測技術(shù)進行重點闡述。

1.1 溢油擴展預(yù)測

油溢至海面時，受到表面張力、慣性力、重力和粘性力的共同作用，會向四周進行擴展，重力和表面張力為驅(qū)動力，慣性力和粘性力為阻力。重力在初始階段起主要作用，油的擴展情況很大程度上由溢出方式?jīng)Q定。靜止點源瞬時大量溢油的擴展速率遠快于靜止或者移動點源連續(xù)溢油的。隨著時間推移，油層厚度的逐漸減小，表面張力逐漸成為影響溢油擴展的主要因素，油在水面形成了中間比邊緣厚的膜。擴展后的油膜在海洋環(huán)境動力要素的非線性作用下，形態(tài)隨時間變化不斷改變，最終以碎片、油滴等形式存在于海水中。

早期，Blokker（1964）建立了自由面上油膜擴展的數(shù)學(xué)模型：前提下，油膜擴展過程根據(jù)各種力在不同階段所起的作用劃分為3個階段，即重力和慣性力共同作用階段、重力和粘性力共同作用階段以及表面張力和粘性力共同作用階段。

Fay三階段模型表達式如下：

上式中，D為油膜直徑；K1、K2、K3分別為各擴展階段的經(jīng)驗系數(shù)；g為重力加速度；V為溢油體積；t為時間；ρw為海水密度；vw為水的運動粘滯系數(shù)；β=1-ρ0/ρw，ρ0為油的密度；δ為凈表面張力系數(shù)，即水與空氣間、油與空氣間、油與水間的表面張力系數(shù)。上述各階段的時間區(qū)分點根據(jù)相鄰兩階段擴展直徑相等的狀態(tài)來確定。當(dāng)δ為0時，表示油膜擴展直徑達到穩(wěn)定態(tài)，擴展過程結(jié)束，油膜面積由如下公式得出：

對于連續(xù)溢油的油膜擴展，仍然可以用Fay三階段模型表示：

上式中，Q為單位時間的溢油量；u為流速；δ為凈表面張力系數(shù)；ρw為海水密度；vw為水的運動粘滯系數(shù)；Δ=1-ρ0/ρw，ρ0為油密度。Fay三階段模型提出之后，諸多研究涉及對其的優(yōu)化與改進，衍生出許多新的溢油擴展模型。Mackay（1980a，b）在Fay三階段模型中考慮了風(fēng)的影響，并基于觀測數(shù)據(jù)分別建立了針對厚油膜和薄油膜的擴展模型。Lehr等（1984）針對Fay三階段模型全面考慮了海面風(fēng)場、流場對油膜的影響，發(fā)現(xiàn)油膜在海面實際是以橢圓而非圓形的形式擴展，且長軸的方向與風(fēng)向保持一致。趙文謙等（1992）基于Fay理論提出了的油膜擴展模型中考慮了油膜擴展和各項異性擴散作用以及油膜邊緣的消失過程，通過建立油膜在主要擴展方向和與之垂直的次要擴展方向上的尺度公式，從而獲得油膜的擴展面積。

1.2 溢油漂移與擴散預(yù)測

海面溢油的漂移與擴散過程主要受海洋動力環(huán)境要素變化的影響。溢油漂移與擴散預(yù)測的首要工作是獲得精確的海洋動力環(huán)境預(yù)報參數(shù)，重點考慮以下兩點：（1）表層海流和海面風(fēng)場的直接影響；（2）非線性波產(chǎn)生的Stokes流的影響。因此，針對海流、海浪以及海面風(fēng)場的精細化預(yù)報尤為重要，通過三維海流數(shù)值模型、海浪數(shù)值模型以及大氣數(shù)值模型獲得精準的海洋環(huán)境動力要素是溢油漂移與擴散預(yù)測的根本保證。

1.2.1 海洋和大氣數(shù)值模型

目前，國內(nèi)外已開發(fā)了多種三維海流數(shù)值模型，根據(jù)空間離散方法的不同，可將這些模型分為有限差分類、有限元類和有限體積類。有限差分類模型發(fā)展較早，較為成熟，這一類模型通過有限差分將各控制方程中的導(dǎo)數(shù)用網(wǎng)格節(jié)點上的函數(shù)值的差商代替進行離散，從而建立以網(wǎng)格節(jié)點上的值為未知數(shù)的代數(shù)方程組，直接將微分問題變成代數(shù)問題的近似數(shù)值解法。這類模型計算速度快，應(yīng)用廣泛，其中具有代表性的有POM（Mellor，1998）、ECOM（張越美等，2001）、ROMS（Moore et al，2001）等。然而，這類模型也存在明顯缺點，即對不規(guī)則區(qū)域的適應(yīng)性較差，岸界彌合的能力明顯不足。與有限差分類模型不同，有限元類模型將計算域劃分為有限多個互不重疊的單元，在每個單元內(nèi)，選擇一些合適的節(jié)點作為求解函數(shù)的插值點，將微分方程中的變量改寫成由各變量或其導(dǎo)數(shù)的節(jié)點值與所選用的插值函數(shù)組成的線性表達式，借助于變分原理或加權(quán)余量法，生成有限元離散方程，最后結(jié)合邊界條件和初始條件，求解由各個單元的離散方程組成的總體方程組的近似解。這類模型最大的優(yōu)點是網(wǎng)格剖分靈活，能夠精確擬合復(fù)雜岸線，進行局部網(wǎng)格加密，計算精度比有限差分類模型高，具有代表性的有SHYFEM（Umgiesser，2014），但這類模型計算所需存儲量大，計算效率相對較低（圖1所示）。與有限元類模型類似，有限體積類模型的設(shè)計思路是將計算區(qū)域劃分為一系列互不重疊的控制體，這些控制點均以網(wǎng)格點為中心，將待解的微分方程對每一個控制體積分得到離散方程，結(jié)合邊界條件和初始條件求得數(shù)值解。由于這類模型在水平方向上采用了非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格，吸收有限差分和有限元類模型的優(yōu)點，不僅可以對復(fù)雜的岸線精確的擬合，進行局部網(wǎng)格加密，還因為便于對原始方程組進行離散差分，很大程度上確保了較高的計算效率，這類模型中具有代表性的有FVCOM（Chen et al，2003；Zheng et al，2003）、SELFE（Zhang et al，2008）等。有限體積類模型的諸多優(yōu)點使其發(fā)展成為精細化海流預(yù)報的主要模型之一，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于溢油漂移與擴散預(yù)測中。

圖1 SHYFEM模型的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格配置（Umgiesser，2014）

對于海浪數(shù)值模型，目前國際上主流的有WaveWatch III和SWAN等（徐麗麗等，2015），這類模型能夠?qū)＠诉M行精細化預(yù)報。尤其是非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的SWAN，同樣確保了海浪預(yù)報的精準度。

對于大氣數(shù)值模型，目前主流的仍然是WRF（章國材，2014）。該模型的WRF-ARW版本，擁有先進的資料三維變分同化技術(shù)，能充分有效地將各種資料信息同化到模型初始場中，為模型提供更高質(zhì)量的初始值，達到明顯改進數(shù)值預(yù)報質(zhì)量的目的。

1.2.2 溢油漂移動態(tài)預(yù)測模型

溢油漂移動態(tài)預(yù)測模型發(fā)展至今，只存在兩類模型：一是基于歐拉-拉格朗日漂移理論建立的軌跡追蹤模型。這類模型中，油膜在表面流場和風(fēng)的共同作用下發(fā)生平移輸運，通過歐拉-拉格朗日方法可以預(yù)測水面溢油的全動力軌跡。這類模型發(fā)展較早，具有代表性的有Miller等（1977）研發(fā)的Coast Guard模型、Williams等（1975）研發(fā)的SEADOCK模型以及Webb等（1970）研發(fā)的美國海軍Navy模型等。二是基于蒙特卡羅方法的溢油漂移與擴散軌跡預(yù)測模型。這類模型中，油膜被劃分為多個質(zhì)點，質(zhì)點的擴散看作是在湍流作用下的隨機擴散，表現(xiàn)為質(zhì)點群沿著復(fù)雜軌跡進行的布朗運動，其運動方向在某一時刻是隨機的，但這種隨機性又受到整個運動場的控制?？梢栽诮o予隨機數(shù)的同時，給定湍流強度、時間尺度和質(zhì)點數(shù)，可以獲取標識質(zhì)點的位移（婁安剛等，2000）。這類模型中最有代表性的為油粒子模型。

油粒子模型中，油膜被離散化成大量的粒子，每個粒子代表一定油量，在海洋環(huán)境動力要素的作用下漂移，剪切流和湍流對溢油運動產(chǎn)生的作用通過粒子的隨機運動實現(xiàn)。而油的蒸發(fā)、乳化等風(fēng)化過程則由油粒子的質(zhì)量損失來體現(xiàn)；油膜厚度分布通過一定水面面積內(nèi)的油粒子的個數(shù)、體積、質(zhì)量來體現(xiàn)。這些質(zhì)點相互獨立的運動，在進行下一步前所有粒子團都必須跟蹤到同一時刻。油膜的擴散即為粒子群的輸運擴散，受到油粒子尺寸分布、剪切流和湍流過程的控制，也可看作粒子群在湍作用下進行的拉格朗日運動，通過粒子的隨機運動來實現(xiàn)。使用粒子概念研究對流擴散過程，系統(tǒng)總質(zhì)量是守恒的，計算原理是跟蹤粒子的路徑，而不是求解方程組，因此油粒子模型可直接模擬擴散方程的實際物理現(xiàn)象（牟林等，2011）。

油粒子模型將油膜漂移和擴散聯(lián)系在一起，通過油粒子質(zhì)點坐標的追蹤即可計算溢油漂移軌跡和影響區(qū)域。溢油污染影響面積通過油膜掃海面積確定，即所有油粒子在一定時間內(nèi)經(jīng)過的海域面積。目前，已有研究將油膜擴展和漂移擴散幾個階段進行了銜接，預(yù)測結(jié)果更為合理（劉偉峰等，2009）。

1.3 溢油預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)

目前國際上主流的溢油預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)有美國的OILMAP（http：//www.asascience.com/software/ oilmap/）、英國的OSIS（http：//osisinternational. com/the-osis-oil-spill-solution）、挪威的OSCAR（http：//www.oscar-insurance.com/）、意大利的BOOM（http：//www.medess4ms.eu/）以及西班牙的MOHID-TESEO（http：//www.mohid.com/）等（De Dominicis et al，2013）。國內(nèi)則有國家海洋信息中心的中國海洋溢油一體化多節(jié)點協(xié)同預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)、中海石油環(huán)保服務(wù)有限公司的中國近海海上溢油預(yù)測與應(yīng)急決策支持系統(tǒng)、大連海事大學(xué)的海上溢油應(yīng)急預(yù)報信息系統(tǒng)、國家海洋環(huán)境預(yù)報中心的渤海溢油應(yīng)急預(yù)報系統(tǒng)（http：//www.nmefc.gov.cn/ cgofs/oilspill.aspx）等。以上溢油預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)的總體架構(gòu)大同小異，具體表現(xiàn)在如下幾點：

（1）系統(tǒng)均實現(xiàn)了模塊化集成。將系統(tǒng)根據(jù)功能的不同分為若干模塊，每個模塊間既相互獨立又相互關(guān)聯(lián)，例如：海流模塊負責(zé)海流的預(yù)報，海浪模塊負責(zé)海浪的預(yù)報，大氣模塊負責(zé)海面風(fēng)場的預(yù)報，溢油預(yù)測模塊負責(zé)預(yù)測溢油的行為預(yù)測，且各模塊間相互傳遞著信息，表現(xiàn)在：大氣模塊預(yù)報的風(fēng)場驅(qū)動海流模塊和海浪模塊運行，預(yù)報的流場和風(fēng)場信息同時傳遞給溢油預(yù)測模塊進行溢油行為預(yù)測。模塊化集成的最大優(yōu)點可以使系統(tǒng)高效運行，因各模塊分工運作，且彼此間進行有序的信息傳遞，大大提高了溢油應(yīng)急響應(yīng)的速度。

（2）油粒子模型在各系統(tǒng)中的廣泛采用。油粒子模型已成為溢油預(yù)測的主流模型，并且在各系統(tǒng)中，預(yù)測溢油風(fēng)化的不同經(jīng)驗方程已與油粒子模型完全耦合，使溢油行為與歸宿預(yù)測結(jié)果與實際更為接近。

（3）系統(tǒng)均實現(xiàn)了可視化。由于各系統(tǒng)均以GIS平臺作為支撐，GIS技術(shù)可以向應(yīng)急人員提供各類溢油數(shù)據(jù)的可視化信息，主要方式是將基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、海洋環(huán)境動力要素數(shù)據(jù)、溢油漂移與擴散預(yù)測結(jié)果等信息進行分層疊加展示（見圖2），使應(yīng)急人員可以更直觀地獲得溢油的現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢。

圖2 中國海洋溢油一體化多節(jié)點協(xié)同預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)展示界面

以上系統(tǒng)之間的區(qū)別則主要表現(xiàn)在海域針對性和附加功能上。對于OILMAP這樣的商業(yè)系統(tǒng)，或者GNOME這樣的開源系統(tǒng)，只要能夠提供相應(yīng)的基礎(chǔ)地理信息，在任何海域均可以進行溢油應(yīng)急預(yù)測預(yù)警。但對于OSIS、BOOM、MOHID這樣非商業(yè)和開源的系統(tǒng)，幾乎只用來針對其所屬國家近海海域的溢油預(yù)測預(yù)警任務(wù)，包括我國的渤海溢油應(yīng)急預(yù)報系統(tǒng)、中國海洋溢油一體化多節(jié)點協(xié)同預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)以及中國近海海上溢油預(yù)測與應(yīng)急決策支持系統(tǒng)，也具有特定的針對性。在附加功能上，有些系統(tǒng)，除了能夠進行溢油預(yù)測預(yù)警，還增加了有關(guān)溢油環(huán)境敏感區(qū)域預(yù)警功能，例如中國海洋溢油一體化多節(jié)點協(xié)同預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)。還有一些系統(tǒng)可依據(jù)應(yīng)急計劃和應(yīng)急反應(yīng)專家的知識和經(jīng)驗，根據(jù)溢油預(yù)測結(jié)果，形成應(yīng)急反應(yīng)決策輔助方案，例如OSIS、中國近海海上溢油預(yù)測與應(yīng)急決策支持系統(tǒng)等。

綜上所述，不同的溢油預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)在各沿海國家溢油應(yīng)急響應(yīng)工作中的作用極其重要，也代表了海上溢油應(yīng)急預(yù)測預(yù)警領(lǐng)域的最高水準。

2 結(jié)論

本文從本文從溢油擴展、漂移及擴散的變化特點入手，描述已有的數(shù)值預(yù)測方法、模型系統(tǒng)，綜述溢油主要物理行為變化預(yù)測研究，得出以下結(jié)論：

（1）針對溢油物理擴展的預(yù)測，F(xiàn)ay理論及其數(shù)值模型起到了重要作用，眾多新擴展模型都是在其基礎(chǔ)上的優(yōu)化與改進。

（2）針對溢油漂移和擴散預(yù)測，首要工作是海洋環(huán)境動力參數(shù)的精細化預(yù)報，選取合適的數(shù)值預(yù)報模型十分重要；其次是油粒子模型的采用，使溢油漂移與擴散的預(yù)測更加合理。

（3）國內(nèi)外溢油預(yù)測預(yù)警模型系統(tǒng)大同小異，均實現(xiàn)了模塊化，幾乎都采用了油粒子模型且均以GIS平臺作為支撐平臺來展示溢油的現(xiàn)狀和未來的發(fā)展動態(tài)，不同的溢油預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)在各沿海國家溢油應(yīng)急響應(yīng)工作中的作用極其重要，也代表了海上溢油應(yīng)急預(yù)測預(yù)警領(lǐng)域的最高水準。

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（本文編輯：袁澤軼）

Research on numerical prediction technologyof oil spill spreading，drift and diffusion

LI Huan1,2,SHAO Wei-zeng3,LI Cheng1,ZHANG Song4,LI Wen-shan1,XU Shan-shan1
（1.National MarineData and Information Service,Tianjin300171,China;2.Jiangsu Key Laboratory of Coast Ocean Resources Development and Environment Security,Hohai University,Nanjing210098,China;3.ZhejiangOcean University,Zhoushan 316022,China;4.National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China）

Marine oil spill may bring irreversible damage to the marine environmentof China Seas,and will cause immeasurable economical loss.Therefore,there is strong needs to study on oil spill prediction and early warning technology, providing technical support for marine oil spill response.This paper briefly introduced the development and achievements of the numerical prediction technology of oil spill spreading,drift and diffusion,including the oil spill spreading model,the oil spill drift and diffusion model,and the oil spill prediction and early warning system,which provide theoretic criterions for the future work on oil spill response.

Marine oil spill;Oil spill spreading model;Oil spill drift and diffusion model;Weathering Model;Oil spill prediction model system

X55

A

1001-6932（2017）04-0379-06

10.11840/j.issn.1001-6392.2017.04.003

2015-12-14；

2016-07-26

天國家科技支撐計劃項目（2014BAB12B02）；浙江省公益性技術(shù)應(yīng)用研究工業(yè)項目（2015C31021）；天津市科技支撐計劃項目（14ZCZDSF00012）；江蘇省海岸海洋資源開發(fā)與環(huán)境安全重點實驗室開放基金資助項目（JSCE201505）

李歡（1983-），碩士，助理研究員，主要從事海洋防災(zāi)減災(zāi)研究。電子郵箱：usher02@126.com。

張松，碩士，助理研究員。電子郵箱：zhangsong1006@163.com