風(fēng)漂移系數(shù)對(duì)海上溢油擴(kuò)展漂移影響的數(shù)值模擬

胡 田， 潘家琳

(中海環(huán)境科技(上海)股份有限公司，上海 200135)

0 引 言

根據(jù)國(guó)際油輪船東防污染聯(lián)合會(huì)(International Tanker Owners Pollution Federation，ITPOF)對(duì)全球發(fā)生的船舶溢油事故的統(tǒng)計(jì)，1970—2021年僅泄漏量超過(guò)7 t的油船泄漏事故就發(fā)生約1 854起，其中有1/4的溢油事故的油品泄漏量超過(guò)700 t，平均每年約發(fā)生36起，油品泄漏量少于7 t的溢油事故更是超過(guò)了10 000起。隨著我國(guó)港口碼頭貨物吞吐量的不斷增加，一旦船舶發(fā)生溢油事故，會(huì)給海洋的生態(tài)環(huán)境帶來(lái)不可估量的損害。因此，建立海上溢油數(shù)學(xué)模型，科學(xué)合理地模擬海上溢油事故的油膜軌跡分布范圍，對(duì)于科學(xué)地制訂海上溢油事故應(yīng)急處置方案和有效降低溢油事故對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境的影響而言具有重要意義。

海上溢油事故發(fā)生之后，油膜的擴(kuò)展漂移主要受潮流場(chǎng)與風(fēng)場(chǎng)的共同影響，其中風(fēng)場(chǎng)是油膜擴(kuò)展漂移的一個(gè)重要影響因素。目前，國(guó)內(nèi)外已提出不少關(guān)于海上溢油擴(kuò)展漂移的理論模式，這些模式中由風(fēng)引起的漂移速率一般為風(fēng)速的1%～5%，稱為風(fēng)漂移系數(shù)，屬于經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，多數(shù)以海面上10 m高處風(fēng)速的3%作為漂移速度。20世紀(jì)80年代以來(lái)，我國(guó)一些學(xué)者利用物理模型和數(shù)學(xué)模型開展了風(fēng)漂移系數(shù)取值大小的探討，以及風(fēng)漂移系數(shù)對(duì)油膜擴(kuò)展漂移的影響的研究。杜完成等通過(guò)在珠江口唐家灣開展海上石油漂移擴(kuò)散試驗(yàn)得出，唐家灣海域的風(fēng)漂移系數(shù)平均值為0.027。季榮等通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室開展溢油漂移模擬發(fā)現(xiàn)，當(dāng)風(fēng)速小于10 m/s時(shí)，風(fēng)速引起的勝利油田原油漂移速率約為風(fēng)速的2%。郭運(yùn)武等通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室開展水槽溢油試驗(yàn)，分析了風(fēng)場(chǎng)對(duì)河道溢油擴(kuò)展和漂移的影響，結(jié)果表明，風(fēng)速的變化對(duì)連續(xù)性溢油油膜縱向擴(kuò)展尺度的影響較大，擴(kuò)展尺度隨風(fēng)速的增加而增大，但對(duì)瞬時(shí)溢油油膜縱向擴(kuò)展尺度的影響較小。吳曉丹等利用油膜橢圓擴(kuò)展模型構(gòu)建了溢油擴(kuò)展油膜厚度與海洋環(huán)境條件和溢油性質(zhì)的定量關(guān)系，研究認(rèn)為風(fēng)速是對(duì)油膜厚度影響最大的因素，風(fēng)速越大，越有利于油膜遷移擴(kuò)展，油膜厚度越小?？锎淦嫉壤肈elft3D軟件建立了蓬萊19-3溢油事故模型并進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明，潮流對(duì)溢油漂移的作用不及風(fēng)場(chǎng)，蓬萊19-3溢油事故模擬中的風(fēng)漂移系數(shù)的合理取值范圍為1.4%～2.3%。以往的研究多采用物理模型分析風(fēng)漂移系數(shù)對(duì)溢油的影響，已有的海上溢油模型選取的風(fēng)漂移系數(shù)基本上都是經(jīng)驗(yàn)值，很少對(duì)風(fēng)漂移系數(shù)對(duì)油膜漂移擴(kuò)展的影響進(jìn)行定量分析。

本文以營(yíng)口港海域溢油事故為例，采用數(shù)值模擬的方法，在已有的水動(dòng)力模型的基礎(chǔ)上，利用MIKE21 OS耦合建立海上溢油模型，選取具有代表性的風(fēng)漂移系數(shù)條件下的溢油泄漏事故進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)，定量分析風(fēng)漂移系數(shù)對(duì)油膜擴(kuò)展漂移面積和擴(kuò)展漂移距離的影響規(guī)律，為合理預(yù)測(cè)油膜可能影響海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)目標(biāo)的時(shí)間和影響范圍提供參考。

1 溢油模型建立

本文采用MIKE21 HD模塊構(gòu)建平面二維水動(dòng)力模型，在該水動(dòng)力模型的基礎(chǔ)上，耦合MIKE21 OS模塊，建立營(yíng)口港海域海上溢油模型。MIKE21 OS模塊采用“油粒子”模式，對(duì)油膜的輸移和風(fēng)化等過(guò)程進(jìn)行模擬，從而模擬預(yù)測(cè)油膜的漂移軌跡、擴(kuò)展漂移面積、擴(kuò)展漂移距離和厚度的變化等。溢油進(jìn)入水體之后發(fā)生擴(kuò)展、漂移和擴(kuò)散等油膜組分保持恒定的輸移過(guò)程，以及蒸發(fā)、溶解和乳化等油膜組分發(fā)生變化的風(fēng)化過(guò)程。

1.1 擴(kuò)展運(yùn)動(dòng)

油膜擴(kuò)展表示為

(1)

式(1)中：為油粒子與水面作用之后的油膜面積，=π，為油膜直徑；為時(shí)間；為變化率常數(shù)；為油體積。

1.2 漂移運(yùn)動(dòng)

油粒子在水面的漂移受水流推移和風(fēng)力的影響，總漂移速度為

=+··sin(-π+)

(2)

=+··cos(-π+)

(3)

式(2)和式(3)中：和分別為油粒子在方向和方向的對(duì)流移動(dòng)分速度；和分別為方向和方向的表面流速分速度；為風(fēng)漂移系數(shù)；為風(fēng)向角；為水面上10 m處的風(fēng)速；為風(fēng)偏轉(zhuǎn)角。

1.3 紊動(dòng)擴(kuò)散

油膜受到強(qiáng)風(fēng)、流場(chǎng)和紊動(dòng)的影響擴(kuò)散進(jìn)入水體，波浪的破碎使油滴進(jìn)入水體，油從水面到水體的紊動(dòng)擴(kuò)散為

=05707Δ

(4)

式(4)中：為夾帶系數(shù)；為消散波能；為水面被油覆蓋的分?jǐn)?shù)(每個(gè)粒子附近假設(shè)為1)；為單位時(shí)間(每秒)內(nèi)水面被破碎波的覆蓋分?jǐn)?shù)；為油滴的平均直徑；Δ為油滴尺寸間距。

1.4 風(fēng)化過(guò)程

油粒子的風(fēng)化過(guò)程主要包括蒸發(fā)、溶解和乳化等過(guò)程。

1) 蒸發(fā)。油中組分較輕的部分會(huì)蒸發(fā)到大氣中，油膜蒸發(fā)主要受油組分、太陽(yáng)輻射、氣溫、水溫、風(fēng)速、油膜面積和厚度等因素的影響。

蒸發(fā)率表示為

(5)

式(5)中：為蒸發(fā)率；為質(zhì)量傳輸系數(shù)；為每個(gè)粒子與水面作用之后的油膜面積；為蒸汽壓；為溫度；為氣體常數(shù)；為分子量；為蒸發(fā)系數(shù)。

2) 溶解。輕、重組分的溶解過(guò)程的計(jì)算公式為

DISS_volatile=····

(6)

DISS_heavy=····

(7)

式(6)～式(7)中：、、和分別為輕組分的溶解率、油粒子質(zhì)量、密度和水溶解度；、、和分別為重組分的溶解率、油粒子質(zhì)量、密度和水溶解度;為每個(gè)與水面接觸的粒子的油膜面積；為化學(xué)分散劑效果，溶解能力的提高。

3) 乳化。乳化指油與水混合之后形成的乳化物，一般在強(qiáng)風(fēng)或波浪的條件溢油幾個(gè)小時(shí)之后發(fā)生。乳化過(guò)程可表示為

(8)

=-·

(9)

式(8)和式(9)中：為吸收速率；為釋放速率；含水率；最大含水率；為風(fēng)速；為乳化率常數(shù)；為水釋放率。

1.5 計(jì)算區(qū)域

本文以營(yíng)口港海域溢油事故為例進(jìn)行分析。營(yíng)口港位于遼東半島中部，面臨渤海遼東灣，計(jì)算區(qū)域?yàn)闋I(yíng)口港區(qū)及其周邊海域，以長(zhǎng)興島—秦皇島為開邊界的遼東灣海域，模型計(jì)算范圍東西方向長(zhǎng)約230 km，南北方向長(zhǎng)約160 km，模型的地形、水深和岸邊界主要根據(jù)中國(guó)人民解放軍海軍航海保證部制作的海圖確定。模型采用三角形網(wǎng)格對(duì)整個(gè)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行劃分，為提高模擬的精度，采用嵌套網(wǎng)格對(duì)營(yíng)口港和溢油事故發(fā)生區(qū)域進(jìn)行局部加密，在計(jì)算區(qū)域共計(jì)生成21 515個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，40 915個(gè)網(wǎng)格。本文所述計(jì)算模型的海區(qū)開邊界水位根據(jù)長(zhǎng)興島和秦皇島2個(gè)潮位站點(diǎn)的潮汐表水位資料選取，遼河口開邊界水位根據(jù)實(shí)測(cè)水位資料選取，模型計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分圖見圖1。

圖1 模型計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分圖

1.6 預(yù)測(cè)方案

本文模擬計(jì)算的海上溢油事故發(fā)生在營(yíng)口港海域，油品泄漏點(diǎn)選擇易發(fā)生事故的仙人島港區(qū)航道與鲅魚圈港區(qū)航道交匯處，按5萬(wàn)噸級(jí)原油運(yùn)輸船的單個(gè)貨油邊艙全部發(fā)生泄漏計(jì)算，艙容參考《水上溢油環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)導(dǎo)則》(JT/T 1143—2017)附錄C選取，確定油品泄漏量約為5 300 t，溢油方式選擇固定點(diǎn)源連續(xù)性溢油，油品選擇原油，密度取890 kg/m。基于前述國(guó)內(nèi)外研究成果和已有的溢油模型經(jīng)驗(yàn)值，選取具有代表性的2種情況，即風(fēng)漂移系數(shù)為0.02和0.03；鑒于遼東灣漲落潮流以NE至SW方向?yàn)橹鳎L(fēng)向選取與營(yíng)口港海域漲落潮流軸線方向基本垂直和一致的SE和NE方向，風(fēng)速取5 m/s。溢油時(shí)刻選取落潮和漲潮2個(gè)時(shí)刻，共得到8個(gè)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)組合方案，具體溢油模型預(yù)測(cè)方案見表1。

表1 溢油模型預(yù)測(cè)方案

2 模擬結(jié)果及分析

為定量分析各時(shí)刻的模擬結(jié)果，本文所述溢油模型的模擬時(shí)間取72 h，分別計(jì)算在SE風(fēng)向和NE風(fēng)向條件下，溢油事故發(fā)生24 h、48 h和72 h之后的油膜擴(kuò)展漂移面積和擴(kuò)展漂移距離，比較2種風(fēng)漂移系數(shù)下溢油的擴(kuò)展漂移情況。

2.1 對(duì)油膜擴(kuò)展漂移面積的影響分析

圖2為不同漂移系數(shù)下發(fā)生溢油事故之后油膜擴(kuò)展漂移軌跡和掃海范圍分布圖。由圖2可知：在落潮時(shí)發(fā)生溢油事故，油膜在橫向上隨落潮流向WS方向擴(kuò)展漂移，落潮結(jié)束之后隨漲潮流向EN方向擴(kuò)展漂移，油膜在橫向上隨漲落潮流如此有規(guī)律地往復(fù)運(yùn)動(dòng)；在漲潮時(shí)發(fā)生溢油事故，油膜在橫向上隨漲落潮流往復(fù)運(yùn)動(dòng)的方向與落潮時(shí)發(fā)生溢油事故的情況剛好相反；在SE風(fēng)向條件下發(fā)生溢油，油膜在縱向上總體向WN方向擴(kuò)展漂移；在NE風(fēng)向條件下發(fā)生溢油，油膜在縱向上總體向WS方向擴(kuò)展漂移，即油膜總體擴(kuò)展漂移方向由風(fēng)向決定。

a) CW=0.02，SE風(fēng)向落潮時(shí)溢油

b) CW=0.03，SE風(fēng)向落潮時(shí)溢油

c) CW=0.02，SE風(fēng)向漲潮時(shí)溢油

d) CW=0.03，SE風(fēng)向漲潮時(shí)溢油

e) CW=0.02，NE風(fēng)向落潮時(shí)溢油

f) CW=0.03，NE風(fēng)向落潮時(shí)溢油

g) CW=0.02，NE風(fēng)向漲潮時(shí)溢油

h) CW=0.03，NE風(fēng)向漲潮時(shí)溢油圖2 不同風(fēng)漂移系數(shù)下發(fā)生溢油事故之后油膜擴(kuò)展漂移軌跡和掃海范圍分布圖

表2為不同風(fēng)漂移系數(shù)下油膜擴(kuò)展漂移掃海面積統(tǒng)計(jì)。由表2可知：在相同氣象條件下，風(fēng)漂移系數(shù)對(duì)油膜擴(kuò)展漂移掃海面積的影響較大，風(fēng)漂移系數(shù)越大，油膜掃海面積越大；在SE風(fēng)向條件下，當(dāng)風(fēng)漂移系數(shù)由0.02增大至0.03時(shí)，72 h內(nèi)油膜擴(kuò)展漂移掃海面積增加量為26.08～153.34 km，增加率為19.76%～36.12%；在NE風(fēng)向條件下，當(dāng)風(fēng)漂移系數(shù)由0.02增大至0.03時(shí)，72 h內(nèi)油膜擴(kuò)展漂移掃海面積增加量為20.87～136.19 km，增加率為20.17%～41.74%。由此可看出：風(fēng)漂移系數(shù)的變化對(duì)油膜擴(kuò)展漂移掃海面積的影響顯著；當(dāng)風(fēng)漂移系數(shù)由0.02增大至0.03時(shí)，SE風(fēng)向條件下72 h內(nèi)油膜擴(kuò)展漂移掃海面積增加率為19.76%～36.12%，NE風(fēng)向條件下72 h內(nèi)油膜擴(kuò)展漂移掃海面積增加率為20.17%～41.74%，NE風(fēng)向條件下的油膜擴(kuò)展漂移掃海面積增加率比SE風(fēng)向條件下的大。由此可知，當(dāng)NE風(fēng)向與漲落潮流軸線方向一致時(shí)，風(fēng)漂移系數(shù)增大對(duì)油膜擴(kuò)展漂移面積的影響比SE風(fēng)向與漲落潮流軸線方向垂直時(shí)的大。同時(shí)，結(jié)合圖2可得出：當(dāng)風(fēng)向與漲落潮流軸線方向基本一致時(shí)，風(fēng)漂移系數(shù)增大既能促進(jìn)油膜在橫向上的擴(kuò)展漂移，又能促進(jìn)油膜在縱向上的擴(kuò)展漂移，從而大大增大油膜擴(kuò)展漂移掃海面積和擴(kuò)展漂移距離；當(dāng)風(fēng)向與漲落潮流軸線方向基本垂直時(shí)，風(fēng)漂移系數(shù)增大主要促進(jìn)油膜在縱向上的擴(kuò)展漂移。

表2 不同風(fēng)漂移系數(shù)下油膜擴(kuò)展漂移掃海面積統(tǒng)計(jì)

2.2 對(duì)油膜擴(kuò)展漂移距離的影響分析

由圖2可知：風(fēng)漂移系數(shù)為0.03時(shí)的油膜擴(kuò)展漂移距離明顯比風(fēng)漂移系數(shù)為0.02時(shí)的油膜擴(kuò)展漂移距離遠(yuǎn)。在SE風(fēng)向條件下，當(dāng)風(fēng)向與漲落潮流軸線方向垂直時(shí)，風(fēng)漂移系數(shù)增大主要增加油膜在縱向上的擴(kuò)展漂移距離，油膜在橫向上的擴(kuò)展漂移距離增加不明顯；在NE風(fēng)向條件下，當(dāng)風(fēng)向與漲落潮流軸線方向一致時(shí)，隨著風(fēng)漂移系數(shù)的增大，油膜在橫向上和縱向上的擴(kuò)展漂移距離均明顯增加。

表3為不同風(fēng)飄移系數(shù)條件下的油膜擴(kuò)展漂移距離統(tǒng)計(jì)。

表3 不同風(fēng)飄移系數(shù)下的油膜擴(kuò)展漂移距離統(tǒng)計(jì)

由表3可知：在SE風(fēng)向條件下，當(dāng)風(fēng)漂移系數(shù)由0.02增大至0.03時(shí)，72 h內(nèi)油膜擴(kuò)展漂移距離增加量為4.5～13.1 km，增加率為47.22%～52.94%；在NE風(fēng)向條件下，當(dāng)風(fēng)漂移系數(shù)由0.02增大至0.03時(shí)，72 h內(nèi)油膜擴(kuò)展漂移距離增加量為4.2～13.8 km，增加率為42.16%～58.67%。由此可知：風(fēng)漂移系數(shù)的變化對(duì)不同風(fēng)向條件下的油膜擴(kuò)展漂移距離均有明顯的影響，隨著風(fēng)漂移系數(shù)由0.02增大至0.03，油膜擴(kuò)展漂移距離明顯增加；在SE或NE風(fēng)向條件下，漲潮時(shí)溢油之后的油膜漂移距離增加率均比落潮時(shí)大，即風(fēng)漂移系數(shù)的變化對(duì)漲潮時(shí)溢油之后的油膜擴(kuò)展漂移距離的影響更大。

在同一氣象條件下，對(duì)比溢油發(fā)生24 h、48 h和72 h之后油膜擴(kuò)展漂移距離增加量，可看出其基本上呈現(xiàn)等量遞增的規(guī)律，在油膜到達(dá)岸邊之前，風(fēng)場(chǎng)促進(jìn)油膜擴(kuò)展漂移的作用基本保持一致。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文利用MIKE21 HD模塊建立了營(yíng)口港海域水動(dòng)力模型，在此基礎(chǔ)上利用MIKE21 OS溢油模塊預(yù)測(cè)分析了風(fēng)漂移系數(shù)對(duì)海上溢油擴(kuò)展漂移面積和擴(kuò)展漂移距離的影響規(guī)律，結(jié)果表明：

1) 風(fēng)漂移系數(shù)是海上溢油事故發(fā)生之后影響油膜擴(kuò)展漂移面積和擴(kuò)展漂移距離的重要因素，當(dāng)風(fēng)漂移系數(shù)由0.02增大至0.03時(shí)，油膜擴(kuò)展漂移掃海面積和擴(kuò)展漂移距離均顯著增大，其中油膜擴(kuò)展漂移掃海面積增加量和增加率在72 h內(nèi)最大分別達(dá)到153.34 km和41.74%，油膜擴(kuò)展漂移距離增加量和增加率在72 h內(nèi)最大分別達(dá)到13.8 km和58.67%。

2) 當(dāng)風(fēng)向與漲落潮流軸線方向基本一致時(shí)，風(fēng)漂移系數(shù)增大既能促進(jìn)油膜在橫向上的擴(kuò)展漂移，又能促進(jìn)油膜在縱向上的擴(kuò)展漂移，從而大大增大油膜擴(kuò)展漂移掃海面積和擴(kuò)展漂移距離；當(dāng)風(fēng)向與漲落潮流軸線方向基本垂直時(shí)，風(fēng)漂移系數(shù)增大主要促進(jìn)油膜在縱向上的擴(kuò)展漂移。在SE風(fēng)向或NE風(fēng)向條件下，漲潮時(shí)溢油之后的油膜漂移距離增加率均比落潮時(shí)大，風(fēng)漂移系數(shù)的變化對(duì)漲潮時(shí)溢油之后的油膜擴(kuò)展漂移距離的影響更大。因此，風(fēng)漂移系數(shù)的選取對(duì)于海上溢油數(shù)值模擬中的油膜擴(kuò)展漂移掃海面積和擴(kuò)展漂移位置距離預(yù)測(cè)而言至關(guān)重要。