北海鐵山港西港區(qū)5、6號(hào)碼頭溢油事故模擬仿真研究

賀立 鄧翰京

摘 要：為了科學(xué)、合理地評(píng)估北海鐵山港西港區(qū)5#、6#泊位碼頭船舶溢油事故風(fēng)險(xiǎn)，從而為碼頭開展防治船舶污染海洋環(huán)境能力建設(shè)提供依據(jù)，論文對(duì)碼頭溢油事故進(jìn)行了模擬仿真研究。論文建立了二維潮流模型用以模擬碼頭附近水域的潮流場(chǎng)，采用了OILMAP模型對(duì)15萬噸級(jí)散貨船10t燃料油N風(fēng)和SW風(fēng)特定情境下碼頭溢油事故進(jìn)行了模擬仿真，具體包括對(duì)溢油的漂移、分散、擴(kuò)展、蒸發(fā)、乳化、岸線沉積等系列過程，最后對(duì)模擬仿真結(jié)果進(jìn)行了分析并為碼頭建設(shè)提出了相應(yīng)建議。

關(guān)鍵詞：溢油事故；二維潮流模型；OILMAP模型；模擬仿真

中圖分類號(hào)：U698 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006—7973（2018）9-0027-03

北海港是我國(guó)沿海開放重要港口之一，也是大西南和廣西的重要出海通道，具有沿海沿邊沿江的區(qū)位優(yōu)勢(shì)，逐步發(fā)展為西南地區(qū)的重要出海口和我國(guó)對(duì)東盟國(guó)家海上貿(mào)易的重要口岸，地理位置十分優(yōu)越，并成為重要國(guó)際區(qū)域經(jīng)濟(jì)合作區(qū)，在此背景下，北海港迎來了高速發(fā)展期，但是北海港現(xiàn)有港口通過能力不足，需要新建泊位滿足未來吞吐量增長(zhǎng)的要求。北海港鐵山港西港區(qū) 5 、6 號(hào)泊位工程是廣西積極推進(jìn)的港口建設(shè)項(xiàng)目之一，該泊位為 2 個(gè) 15 萬噸級(jí)通用泊位，占用碼頭岸線 587m，主要貨種為重晶石、鎳礦石、鉻礦石、鐵礦石、鋁土礦和錳礦石，年設(shè)計(jì)吞吐量為800萬噸。為了科學(xué)、合理地評(píng)估北海鐵山港西港區(qū)5、6號(hào)泊位碼頭船舶溢油事故風(fēng)險(xiǎn)、防治船舶污染能力和防污應(yīng)急設(shè)備需求，同時(shí)為碼頭開展防治船舶污染海洋環(huán)境能力建設(shè)提供依據(jù)，本文對(duì)北海鐵山港西港區(qū)5#、6#泊位碼頭溢油事故進(jìn)行模擬仿真研究，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了分析并提出了建議。

1 溢油事故模擬仿真建模

1.1 二維潮流模型

潮流是近岸淺水海域的基本流動(dòng)，潮流數(shù)值計(jì)算是模擬入海溢油隨潮漂移和歸宿的基礎(chǔ)，建立合理的潮流模型是對(duì)碼頭溢油事故模擬仿真研究的第一步。本文采用二維潮流模型來模擬碼頭附近水域的潮流場(chǎng)：

式中：水位；：水深；、：直角坐標(biāo)系（，）與正交曲線坐標(biāo)系（，）的轉(zhuǎn)換系數(shù)；、：和方向上水深平均速度分量；：?jiǎn)挝幻娣e上取排水、蒸發(fā)和降水對(duì)流量的貢獻(xiàn)；、：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)的源和匯。

模擬可能發(fā)生的溢油的區(qū)域?yàn)橐员焙ｈF山港西港區(qū)5#、6#泊位碼頭為中心的海域，計(jì)算范圍為緯度：21°29′17.8980″～21°29′47.3700″N，經(jīng)度109°32′52.2004″～109°33′29.2854″E。碼頭前后流場(chǎng)模擬結(jié)果如圖1-2所示。

1.2溢油事故模擬仿真模型

在碼頭前后流場(chǎng)模擬的基礎(chǔ)上，采用OILMAP模型對(duì)溢油事故進(jìn)行模擬仿真。該模型對(duì)溢油的漂移、分散、擴(kuò)展、蒸發(fā)、乳化、岸線沉積等一系列過程進(jìn)行模擬仿真，從而預(yù)測(cè)油膜漂移軌跡和泄漏原油的歸宿。OILMAP根據(jù)水陸網(wǎng)格確定水陸邊界條件和模擬仿真范圍，在輸入風(fēng)場(chǎng)、溫度等氣象海況資料以及溢油事故現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)后，通過潮流模型、歸宿模型等一系列數(shù)學(xué)模型對(duì)溢油事故進(jìn)行情景模擬仿真，預(yù)測(cè)溢油的漂移軌跡和物理轉(zhuǎn)化過程。

1.2.1漂移模型

假設(shè)溢油可分成許多獨(dú)立溢油粒，將每個(gè)溢油粒看作拉格朗日粒子。溢油粒在t時(shí)刻的位置分量用Xt表示。

式中： Δt：時(shí)間步長(zhǎng)（s）；Xt-1：時(shí)刻溢油粒位置（m）；Uoil：溢油粒漂移速度（m/s）；Ut：水流產(chǎn)生的速度分量（m/s）；Uw：風(fēng)產(chǎn)生的速度分量（m/s）；Udisp：分散過程產(chǎn)生的速度分量（m/s）。水流流場(chǎng)通過環(huán)境流體動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算得到，輸出給溢油模型；是一個(gè)常量，在1-4.5%變化，由實(shí)測(cè)確定；Uwindspeed為風(fēng)速。

1.2.2分散模型

式中：東西方向水平擴(kuò)散系數(shù)（m2/s）；：南北方向水平擴(kuò)散系數(shù)（m2/s）；：時(shí)間步長(zhǎng)（s）；：隨機(jī)系數(shù)（-1到1）；水平擴(kuò)散系數(shù)、通常相等。

1.2.3擴(kuò)展模型

擴(kuò)展模型計(jì)算表面溢油的擴(kuò)展面積。溢油擴(kuò)展面積直接影響溢油蒸發(fā)、溶解、分散和光氧化作用所占比例。擴(kuò)展由波浪、重力、慣性力、粘度、表面張力相互作用產(chǎn)生。擴(kuò)展模型采用經(jīng)Mackay和Kolluru修正的Fay三階段擴(kuò)展理論，F(xiàn)ay的三階段擴(kuò)展理論被廣泛應(yīng)用于溢油擴(kuò)展過程的計(jì)算。Mackay等修正Fay的近似理論，并將溢油描述為厚和薄的油膜。Mackay等假設(shè)厚油膜輸送薄油膜，并且80%～90%的總油膜面積為薄油膜。

假定超過90%的油團(tuán)為厚油膜。厚油膜表面積變化速度（m2/s）定義如下：

式中：獨(dú)立溢油粒表面積（m2）；：擴(kuò)展速度常數(shù)（1/s）；：獨(dú)立溢油粒體積（m3）；：獨(dú)立溢油粒半徑（m）；：表面油膜有效半徑（m）；：時(shí)間（s）；：獨(dú)立溢油粒表面積（m2）；：表面油膜的油粒數(shù)目。

1.2.4蒸發(fā)模型

蒸發(fā)是水面溢油中的石油烴的較輕組分從液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)向大氣進(jìn)行質(zhì)量傳輸?shù)倪^程。它是溢油質(zhì)量傳輸過程的主要部分，蒸發(fā)可使溢油的20%～40%從水面面進(jìn)入到大氣層，特別是輕質(zhì)原油或成品油如汽油、柴油等，蒸發(fā)損失有的可達(dá)溢油總量的一半以上。蒸發(fā)模型采用Stiver & Mackay1984提出的解析法進(jìn)行溢油蒸發(fā)計(jì)算。

Stiver和Mackay提出的蒸發(fā)模型計(jì)算公式如下：

式中：溢油蒸發(fā)體積分量；T：溢油溫度；：油膜面積；：溢油初始體積；：質(zhì)量遷移系數(shù)。

1.2.5乳化模型

乳化的形成是由于存在表面活性劑，就像芳香烴混合物。由于風(fēng)化，芳香烴消耗盡時(shí)，開始沉淀出瀝青，瀝青減少油水表面張力，從而開始乳化過程，Mackay等的指數(shù)增加公式已被許多溢油模擬者使用多年，本文采用上述模型計(jì)算溢油乳化過程。

式中：乳化油的粘度；：蒸發(fā)對(duì)粘度的影響；：溢油混合水速度；：風(fēng)速（m/s）；：乳化常數(shù)（0.65）；：經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，乳化油為2×10-6，其它油為0；：常數(shù)，控制最大水含量，重油和原油為0.7，家用燃料油為0.25；：常數(shù)，輕油為1，重油為10；：油中最大水因子（油特性輸入值）；：時(shí)間（s）；—初始油粘度（cP）；：油膜蒸發(fā)系數(shù)。

（6）岸線沉積模型

岸線沉積模型基于Reedetal提出的計(jì)算方法，計(jì)算不同類型岸線的吸附能力和清除率指數(shù)。吸附能力和清除率指數(shù)依賴于溢油的粘性。到達(dá)岸線邊的溢油其歸宿依賴于溢出油品的特性、岸線的類型和環(huán)境動(dòng)能。

對(duì)不同類型的岸線（m），定義相應(yīng)的最大吸附容量和吸附泄露物速率，泄露物被岸線吸附的動(dòng)力性由公式確定：

式中：為m類岸線的泄漏物吸附量。

2 溢油事故模擬仿真

2.1溢油事故情景設(shè)定

在模擬仿真模型建立好的基礎(chǔ)上，論文對(duì)碼頭操作性船舶溢油事故進(jìn)行模擬仿真。首先需要設(shè)定仿真情境：5、6號(hào)泊位碼頭為15萬噸級(jí)散貨船泊位，故本文仿真船型為15萬噸級(jí)散貨船；考慮到北海鐵山港西港區(qū)海域常年風(fēng)向?yàn)镹風(fēng)，同時(shí)SW向風(fēng)也是對(duì)周邊環(huán)境敏感區(qū)構(gòu)成威脅的風(fēng)向，故選取N、SW兩個(gè)不利風(fēng)向進(jìn)行模擬仿真，N、SW 風(fēng)速取年均風(fēng)速，分別為4.6m/s和2.8m/s。本文文選取溢油事故情景詳見表1。

2.2 溢油事故模擬仿真結(jié)果

根據(jù)上述假定的溢油事故情景，對(duì)15萬噸級(jí)散貨船10t燃料油N風(fēng)和SW風(fēng)特定情境下碼頭溢油事故進(jìn)行模擬仿真，在溢油泄漏后不同時(shí)間段的仿真結(jié)果如圖3至10所示，溢油72h后的預(yù)測(cè)結(jié)果如表2所示，

（1）N風(fēng)向溢油事故模擬仿真結(jié)果

（2）SW風(fēng)向溢油事故模擬仿真結(jié)果

3 結(jié)論及建議

3.1 結(jié)論

由于北海鐵山港西港區(qū)5#、6#泊位碼頭距離自然保護(hù)區(qū)、種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)等環(huán)境敏感目標(biāo)較近，在不利風(fēng)向條件下溢油在短時(shí)間內(nèi)就會(huì)漂移到環(huán)境敏感目標(biāo)。從仿真結(jié)果可以看出：N風(fēng)向下主要對(duì)西南側(cè)的北部灣二長(zhǎng)棘鯛長(zhǎng)毛對(duì)蝦國(guó)家級(jí)水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)造成影響；SW風(fēng)向下可對(duì)海草、東南側(cè)的合浦國(guó)家級(jí)儒艮自然保護(hù)區(qū)、北側(cè)的山口國(guó)家級(jí)紅樹林生態(tài)自然保護(hù)區(qū)等敏感保護(hù)目標(biāo)及其附近岸線造成污染。因此，碼頭必須加強(qiáng)安全營(yíng)運(yùn)與防污染管理，降低污染事故發(fā)生概率，同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)應(yīng)急防備能力，加強(qiáng)區(qū)域應(yīng)急合作，提供應(yīng)急反應(yīng)效率，有效保護(hù)周邊環(huán)境敏感目標(biāo)，減輕污染事故后果。

3.2 建議

根據(jù)碼頭特點(diǎn)和區(qū)域環(huán)境敏感資源的特征，同時(shí)結(jié)合模擬仿真結(jié)果，論文從降低風(fēng)險(xiǎn)事故概率和減輕風(fēng)險(xiǎn)事故后果兩個(gè)方面對(duì)碼頭建設(shè)提出對(duì)應(yīng)建議：

（1）降低事故概率：建立健全碼頭安全與防污染管理體系、海難性事故防范對(duì)策、操作性事故防范對(duì)策和通航安全保障措施。

（2）減輕風(fēng)險(xiǎn)事故后果：配備防污應(yīng)急設(shè)備和器材、制定和完善應(yīng)急預(yù)案、溢油應(yīng)急措施和環(huán)境敏感資源保護(hù)對(duì)策。

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