溢油事故中漁業(yè)資源損失的數(shù)值模擬評(píng)估模式

宋協(xié)法,畢研軍,董登攀,周廣軍

1 中國(guó)海洋大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院, 青島 266003 2 即墨區(qū)自然資源局海洋發(fā)展服務(wù)中心, 青島 266200 3 煙臺(tái)市海洋捕撈增殖管理站, 煙臺(tái) 264003

海上突發(fā)性溢油事故導(dǎo)致石油泄漏進(jìn)入海洋,影響浮游植物群落[1],進(jìn)而影響其他海洋生物,而且在養(yǎng)殖區(qū),還會(huì)影響?zhàn)B殖業(yè)的產(chǎn)量和品質(zhì),進(jìn)而影響人類(lèi)的健康。同時(shí)溢油事故對(duì)當(dāng)?shù)貪O業(yè)資源數(shù)量以及恢復(fù)會(huì)造成巨大的影響。

海上突發(fā)性溢油事故發(fā)生后,受地理位置、季節(jié)等因素影響,污染物的漂移軌跡很難確定,很難準(zhǔn)確地鑒定溢油的范圍,進(jìn)而給漁業(yè)資源評(píng)估和恢復(fù)工作也帶來(lái)了不小的難題。傳統(tǒng)的漁業(yè)資源損失評(píng)估方法具有一定的局限性,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,可以采用計(jì)算機(jī)模擬的手段加以彌補(bǔ)和輔助。錢(qián)琴等[2]采用湄洲灣案例證明了GNOME和EFDC模型模擬的準(zhǔn)確性。國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)數(shù)值模擬的方面模擬溢油范圍,并通過(guò)不同的案例證明了數(shù)值模擬溢油的可行性[3- 17]。本文參照采用數(shù)值模擬確定溢油范圍的思路,結(jié)合漁業(yè)資源評(píng)估的技術(shù)辦法,形成一種針對(duì)溢油事故中漁業(yè)資源損失的數(shù)值模擬評(píng)估模式,從而輔助確定漁業(yè)資源的損失,進(jìn)一步完善業(yè)務(wù)化評(píng)估體系。

1 數(shù)值模擬評(píng)估模式

1.1 評(píng)估模式框架

漁業(yè)資源損失的數(shù)值模擬評(píng)估模式如圖1所示,主要由模型選擇、參數(shù)獲取、模型計(jì)算、數(shù)據(jù)輸出四部分構(gòu)成。

圖1 溢油事故中漁業(yè)資源損失的數(shù)值模擬評(píng)估模式圖Fig.1 Diagram of numerical simulation evaluation model of fishery resources loss in oil spill

1.2 海洋溢油模型選擇

現(xiàn)代海洋溢油模型根據(jù)模型的數(shù)學(xué)計(jì)算理論不同,可分為基于歐拉-拉格朗日方法的溢油模型和基于蒙特卡羅方法的溢油模型兩大類(lèi)?；诿商乜_方法的溢油模型在拉格朗日方法基礎(chǔ)上采用蒙特卡羅方法隨機(jī)生成擴(kuò)散系數(shù),來(lái)計(jì)算湍流的大小和油膜三維擴(kuò)展情況[18]?；跉W拉-拉格朗日方法的溢油模型是借助歐拉-拉格朗日方程組對(duì)事故發(fā)生后的油膜漂移擴(kuò)散和油膜消失后的溶解態(tài)分布趨勢(shì)進(jìn)行計(jì)算預(yù)測(cè),包括全動(dòng)力軌跡模型和溢油歸宿模型。這兩類(lèi)模型都可以借助風(fēng)場(chǎng)、流場(chǎng)數(shù)據(jù)模擬出溢油漂移擴(kuò)散趨勢(shì),進(jìn)而計(jì)算出溢油濃度分布和溢油污染面積?？梢酝ㄟ^(guò)基于歐拉-拉格朗日方法和基于蒙特卡羅方法的數(shù)學(xué)計(jì)算理論構(gòu)建具有對(duì)應(yīng)海域特征的海洋溢油模型,也可以運(yùn)用相對(duì)比較成熟的專(zhuān)業(yè)溢油模型。代表性的溢油模型有：OILMAP[19- 20]、CWCM[21]、GNOME[22]、MIKE21SA溢油模塊[23]等。OILMAP對(duì)瞬時(shí)溢油和持續(xù)性的溢油都能快速地預(yù)測(cè)軌跡,常用于溢油應(yīng)急和預(yù)警預(yù)案支持；CWCM模型不僅可以模擬石油溢出漂移,而且可以模擬化學(xué)品溢出歸宿及影響；GNOME模型標(biāo)準(zhǔn)模式用于模擬溢油泄漏和溢油演習(xí),以及特定位置的溢油軌跡,診斷模式可以根據(jù)具體的溢油情況來(lái)模擬追蹤溢油擴(kuò)散軌跡,具有最佳預(yù)測(cè)和最小遺憾預(yù)測(cè)功能；MIKE21SA溢油模塊模擬懸浮物質(zhì)的擴(kuò)散和風(fēng)蝕,僅用于預(yù)報(bào)溢油問(wèn)題、評(píng)估意外溢油預(yù)案分析。

1.3 參數(shù)獲取

需要獲取的參數(shù)有模型經(jīng)緯度范圍、岸線(xiàn)數(shù)據(jù)、水深數(shù)據(jù)、開(kāi)邊界條件數(shù)據(jù)、氣候數(shù)據(jù)等運(yùn)行水動(dòng)力模型、風(fēng)場(chǎng)模型所需的參數(shù),以及模型運(yùn)行時(shí)間、溢油點(diǎn)、油品類(lèi)型、溢油量等海洋溢油模型所需的參數(shù)。

事故發(fā)生區(qū)域的岸線(xiàn)數(shù)據(jù)可以通過(guò)GSHHG全球地理信息數(shù)據(jù)集獲??；水深數(shù)據(jù)可以采用由美國(guó)NOAA的國(guó)家環(huán)境信息中心(NCEI)官網(wǎng)提供的ETOPO1全球水深的再分析數(shù)據(jù)；開(kāi)邊界點(diǎn)數(shù)據(jù)通常采用由俄勒岡大學(xué)提供的開(kāi)邊界點(diǎn)調(diào)和常數(shù),從OTPS (OSU Tidal Prediction Software)預(yù)報(bào)的時(shí)間水位中提取主要分潮。模型運(yùn)行時(shí)間、溢油點(diǎn)、油品類(lèi)型、溢油量根據(jù)具體溢油案例獲取。

1.4 模型計(jì)算

1.4.1水動(dòng)力與風(fēng)場(chǎng)模型運(yùn)算

以FVCOM水動(dòng)力模型為例,首先確定模型計(jì)算范圍區(qū)域,結(jié)合具體案例提取岸線(xiàn)數(shù)據(jù),在溢油發(fā)生區(qū)域內(nèi)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。采用表面水動(dòng)力模型SMS生成非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格模型,控制網(wǎng)格質(zhì)量使三角形單元最小內(nèi)角30°,最大內(nèi)角130°,最大斜率為0.1,相鄰三角形單元面積比小于0.5,頂點(diǎn)連接三角形單元的個(gè)數(shù)小于等于8。在網(wǎng)格點(diǎn)上插值水深,設(shè)置開(kāi)邊界條件構(gòu)建好模型進(jìn)行模擬運(yùn)算。模擬的流場(chǎng)可以根據(jù)具體站位點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)或《潮汐表》等數(shù)據(jù)驗(yàn)證校準(zhǔn)。將模擬的流速誤差控制在20%以?xún)?nèi),流向誤差控制在20°以?xún)?nèi)。

1.4.2溢油污染范圍計(jì)算

分別以水動(dòng)力模型來(lái)模擬事故海域附近的流場(chǎng)變化、以風(fēng)場(chǎng)模型模擬事故海域附近的風(fēng)場(chǎng)變化,將模擬的流場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)輸入到海洋溢油模型當(dāng)中,也可直接采用監(jiān)測(cè)站實(shí)際監(jiān)測(cè)的風(fēng)場(chǎng)、流場(chǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換格式后輸入海洋溢油模型。將構(gòu)建的模型或通過(guò)專(zhuān)業(yè)溢油模型建立的相對(duì)應(yīng)海域的溢油模型通過(guò)具體溢油案例進(jìn)行驗(yàn)證和校準(zhǔn)。可以采用衛(wèi)星遙感技術(shù)[24-29]將溢油事故區(qū)域影像進(jìn)行幾何校正、大氣校正、去“蝴蝶結(jié)”處理、圖像增強(qiáng)處理,通過(guò)直方圖均衡化和高斯對(duì)比度拉伸處理,調(diào)節(jié)圖像灰度值、對(duì)比度。根據(jù)侯懿峰[30]實(shí)驗(yàn)結(jié)論：在平均反射率上輕油種大于潔凈海水,遙感影像中表現(xiàn)為較亮區(qū)域；而平均反射率上重油種(重柴油、大慶原油等)小于潔凈海水,重油種在遙感影像中為較暗區(qū)域。結(jié)合油品性質(zhì)提取溢油信息,將其與模型模擬的油膜漂移位置、面積進(jìn)行比對(duì)驗(yàn)證,根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果對(duì)模型進(jìn)一步校準(zhǔn),直到模擬結(jié)果與驗(yàn)證案例相吻合。

通過(guò)模型模擬得到污染海域表層、中層、底層油粒子的分步規(guī)律,通過(guò)運(yùn)算得出污染海域表層、中層、底層各個(gè)位置的油濃度分布情況。根據(jù)《漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》[31]中對(duì)油類(lèi)污染物濃度要求,可以直接計(jì)算出不同污染程度下的溢油污染范圍。

1.4.3海域調(diào)查監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算

海域調(diào)查監(jiān)測(cè)參照《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范》[32]中站位的設(shè)置、拖網(wǎng)的規(guī)格要求、分析鑒定規(guī)范等要求進(jìn)行實(shí)際的海域調(diào)查監(jiān)測(cè)。將采集到的樣本計(jì)數(shù)采用公式(1)、(2)分別計(jì)算魚(yú)卵、仔稚魚(yú)密度與游泳動(dòng)物資源密度。

魚(yú)卵、仔稚魚(yú)密度的計(jì)算采用濾水體積法。計(jì)算公式如下：

(1)

式中,V為魚(yú)卵、仔稚魚(yú)分布密度(胞/m3,個(gè)/m3)；N為平均每網(wǎng)魚(yú)卵、仔稚魚(yú)數(shù)量(胞,個(gè))；S為網(wǎng)口面積(m2)；L為水平拖網(wǎng)為拖網(wǎng)距離,垂直拖網(wǎng)為繩長(zhǎng)(m)。

游泳動(dòng)物資源密度計(jì)算采用公式：

(2)

1.4.4漁業(yè)資源損失計(jì)算

(1)魚(yú)卵、仔稚魚(yú)經(jīng)濟(jì)損失

根據(jù)SC/T 9110—2007《建設(shè)項(xiàng)目對(duì)海洋生物資源影響評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程》[34]對(duì)于污染事故中魚(yú)卵和仔稚魚(yú)損失的計(jì)算方法,將其按比例折算成魚(yú)苗,魚(yú)卵生長(zhǎng)成商品魚(yú)苗的成活率按照1%計(jì)算,仔稚魚(yú)生長(zhǎng)成商品魚(yú)苗的成活率按照5%計(jì)算。參照《漁業(yè)污染事故經(jīng)濟(jì)損失計(jì)算方法》[33]運(yùn)用公式(3)(4)計(jì)算魚(yú)卵、仔稚魚(yú)折算成商品魚(yú)苗后損失：

魚(yú)卵、仔稚魚(yú)損失量=(對(duì)照海區(qū)密度—污染海區(qū)密度)×污染體積

(3)

魚(yú)卵、仔稚魚(yú)直接經(jīng)濟(jì)損失=當(dāng)?shù)厣唐访缡袌?chǎng)價(jià)格×損失量

(4)

(2) 漁業(yè)資源損失計(jì)算

由于不同種類(lèi)游泳動(dòng)物受污染物刺激影響不同,參照《山東省海洋生態(tài)損害賠償和損失補(bǔ)償評(píng)估方法》[35]中油類(lèi)污染物對(duì)不同種類(lèi)游泳動(dòng)物的損害系數(shù)要求,魚(yú)類(lèi)損害系數(shù)為0.2—0.4,無(wú)脊椎動(dòng)物為0.3—0.6,浮游動(dòng)物為0.5—0.8,底棲動(dòng)物為0.2—0.8。按照污染重取高值,污染輕取低值的取值原則。根據(jù)對(duì)照海域的海域調(diào)查監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),將對(duì)照海域漁業(yè)資源密度作為事發(fā)前漁業(yè)資源密度。參照《漁業(yè)污染事故經(jīng)濟(jì)損失計(jì)算方法》[33]分別計(jì)算魚(yú)類(lèi)、甲殼類(lèi)、頭足類(lèi)等游泳動(dòng)物直接經(jīng)濟(jì)損失,運(yùn)用公式(5)(6)得到漁業(yè)資源直接經(jīng)濟(jì)損失。運(yùn)用公式計(jì)算：

漁業(yè)資源損失量=事發(fā)前漁業(yè)資源密度×污染面積×損害系數(shù)

(5)

漁業(yè)資源直接經(jīng)濟(jì)損失=當(dāng)?shù)厮a(chǎn)市場(chǎng)價(jià)格×漁業(yè)資源損失量

(6)

根據(jù)《漁業(yè)污染事故經(jīng)濟(jì)損失計(jì)算方法》[32],漁業(yè)資源的恢復(fù)費(fèi)用取直接經(jīng)濟(jì)損失的3倍,計(jì)算漁業(yè)資源的恢復(fù)費(fèi)用。則漁業(yè)資源損失為直接經(jīng)濟(jì)損失與漁業(yè)資源的恢復(fù)費(fèi)用的和。

1.5 數(shù)據(jù)輸出

評(píng)估模式主要輸出的數(shù)據(jù)有各種類(lèi)的單位生物量,魚(yú)卵、仔稚魚(yú)和游泳動(dòng)物損失量,造成的漁業(yè)資源的經(jīng)濟(jì)損失。

2 總結(jié)與分析

隨著科學(xué)技術(shù)越來(lái)越先進(jìn)成熟,越來(lái)越多的技術(shù)與設(shè)備投入到海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)與海洋環(huán)境治理當(dāng)中來(lái),溢油事故中的漁業(yè)資源損失評(píng)估不再單純依靠實(shí)地檢測(cè)。本文通過(guò)海洋動(dòng)力學(xué)、流體力學(xué)、海洋生物學(xué)、環(huán)境化學(xué)等多個(gè)學(xué)科建立了漁業(yè)資源的數(shù)值模擬評(píng)估模式。漁業(yè)資源損失的數(shù)值模擬評(píng)估模式就是將流場(chǎng)風(fēng)場(chǎng)模型、溢油模型、衛(wèi)星遙感技術(shù)等計(jì)算機(jī)手段與海域調(diào)查監(jiān)測(cè)、毒性效應(yīng)和漁業(yè)資源損失評(píng)估等理論方法相結(jié)合,將各自獨(dú)立的部分串聯(lián)成一個(gè)整體,形成一套成熟的評(píng)估模式方法。以墨西哥灣溢油事故為例,原油泄露伴隨著爆炸火災(zāi),原油持續(xù)泄露了87天才得到控制,司法鑒定評(píng)估很難快速開(kāi)展,且事故發(fā)生后幾年時(shí)間內(nèi)不斷出現(xiàn)索賠訴訟,BP公司最終同意賠償187億美元終結(jié)了墨西哥灣溢油事故,事故處理過(guò)程進(jìn)行了5年多才結(jié)束。現(xiàn)階段的漁業(yè)資源損失評(píng)估,特別是在確定溢油污染面積和溢油濃度范圍上,采用布設(shè)取樣點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)分析的方法,由于污染物仍在進(jìn)行漂移風(fēng)化等現(xiàn)象,計(jì)算存在一定的誤差,不能真實(shí)反映出溢油污染的實(shí)時(shí)情況。且事故發(fā)生后常存在爆炸火災(zāi),很難第一時(shí)間進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查取證,給漁業(yè)資源損失評(píng)估工作帶來(lái)一定時(shí)間的滯后性。當(dāng)事故發(fā)生后漁業(yè)資源損失的數(shù)值模擬評(píng)估模式可以直接根據(jù)事故提供的參數(shù),計(jì)算出實(shí)時(shí)的溢油污染情況,從數(shù)值模擬的角度計(jì)算不同時(shí)間段內(nèi)漁業(yè)資源的損失,為溢油事故中的漁業(yè)資源評(píng)估提供了一定的輔助支持。