南海深水井噴溢油輸移擴(kuò)散的數(shù)值模擬研究

廖國(guó)祥

(1.國(guó)家海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心 大連 116023;2.國(guó)家環(huán)境保護(hù)近岸海域生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 大連 116023)

0 引言

隨著南海深水油氣資源勘探開(kāi)發(fā)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,發(fā)生深水鉆井井噴和海底輸油管線泄漏等深海溢油事故的風(fēng)險(xiǎn)日益增高。2010年墨西哥灣“深水地平線”溢油事故發(fā)生后,我國(guó)學(xué)者提出結(jié)合南海油氣資源特點(diǎn)和海洋環(huán)境特征開(kāi)展深水油氣事故的數(shù)值模擬研究,以提升深海溢油事故風(fēng)險(xiǎn)防范和應(yīng)急處置能力[1-2]。近年來(lái),我國(guó)深海溢油輸移擴(kuò)散的理論、方法研究取得積極進(jìn)展。亓俊良等[3]數(shù)值模擬了南海荔灣油氣田1 500 m泄漏后的擴(kuò)散浮升過(guò)程。安偉等[4]應(yīng)用水下溢油三維可視化模擬系統(tǒng),數(shù)值模擬了南海1 486 m深水溢油后48 h的輸移浮升過(guò)程。李建偉等[5]選擇南海某油氣田,數(shù)值模擬了1 378 m深水油氣泄漏后48 h內(nèi)的氣體浮升過(guò)程。陳濤[6]開(kāi)展了淺水區(qū)、深水區(qū)、超深水區(qū)溢油漂移擴(kuò)散以及不同月份時(shí)對(duì)海岸和環(huán)境敏感區(qū)的影響,也模擬了凝析油從深水區(qū)泄漏后1 h內(nèi)的擴(kuò)散過(guò)程。以上工作積極推動(dòng)了南海深水溢油問(wèn)題研究,但未充分考慮三維海洋環(huán)境動(dòng)力和海底消油劑處理對(duì)溢油在深海環(huán)境中輸移擴(kuò)散的影響。

針對(duì)我國(guó)南海未發(fā)生大規(guī)模深水井噴溢油事故的情況,本研究參照“深水地平線”事故,以假設(shè)發(fā)生在南海北部深水油氣勘探開(kāi)發(fā)海域的1 279 m深水井噴溢油事故為例,數(shù)值模擬研究三維流場(chǎng)、海面風(fēng)場(chǎng)和海底消油劑處理等因素對(duì)溢油輸移擴(kuò)散的影響,以期加深對(duì)南海深海溢油輸移擴(kuò)散規(guī)律的科學(xué)認(rèn)識(shí)。

1 材料與方法

1.1 溢油輸移擴(kuò)散模型

本研究應(yīng)用筆者構(gòu)建的能夠模擬近區(qū)(水下)浮射擴(kuò)散和遠(yuǎn)區(qū)(水下及海面)輸移擴(kuò)散過(guò)程(圖1)的水下溢油模型開(kāi)展數(shù)值模擬研究。其中,近區(qū)子模型采用拉格朗日積分方法來(lái)數(shù)值計(jì)算水下溢油浮射流擴(kuò)散過(guò)程。該方法將沿軌跡中心線的污染物視為一系列互不影響的控制單元體,每個(gè)控制單元體在水流環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)則根據(jù)質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒等控制方程來(lái)計(jì)算確定,最后綜合所有控制單元體的運(yùn)動(dòng)即可獲得污染物的輸移軌跡[7-10]。遠(yuǎn)區(qū)子模型則采用油粒子追蹤法來(lái)模擬計(jì)算溢油的運(yùn)動(dòng)軌跡。該方法通過(guò)模擬每個(gè)油粒子在海流、風(fēng)和海浪等環(huán)境動(dòng)力作用下在水體中以及在海面上的輸移擴(kuò)散過(guò)程,最后統(tǒng)計(jì)所有粒子信息獲得溢油在海洋環(huán)境中的時(shí)空分布[11]。

圖1 深海溢油在海洋環(huán)境中的輸移擴(kuò)散過(guò)程[9]

近年來(lái),該模型已利用文獻(xiàn)報(bào)道的實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)、挪威844 m深海溢油現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較驗(yàn)證[7-11]。最近,2010年墨西哥灣“深水地平線”深海溢油事故的案例研究顯示,數(shù)值模擬的擴(kuò)散影響范圍與觀測(cè)結(jié)果符合較好[12]。

1.2 環(huán)境動(dòng)力數(shù)據(jù)

本研究采用自然資源部發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)地圖(http://bzdt.ch.mnr.gov.cn/browse.html?picId="4o28b0625501ad13015501ad2bfc0077")繪制底圖。所有時(shí)刻均采用協(xié)調(diào)世界時(shí)(UTC)。

1.2.1 三維流場(chǎng)數(shù)據(jù)

南海環(huán)流主要受控于東亞季風(fēng)和與鄰近海域環(huán)境的相互作用和水交換,動(dòng)力機(jī)制復(fù)雜[13-14],特別是中層、深層和底層環(huán)流仍有待深入研究[15-16]。近年來(lái),我國(guó)學(xué)者應(yīng)用混合坐標(biāo)海洋模型(Hybrid Coordinate Oceanic Circulation Model,HYCOM)開(kāi)展南海環(huán)流和中尺度渦等方面的數(shù)值模擬并取得較好的研究成果[17-19]。因此,本研究采用美國(guó)HYCOM模型官方網(wǎng)站(http://www.hycom.org)提供的全球海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)(Global Ocean Forecasting System,GOFS)輸出的三維流場(chǎng)分析數(shù)據(jù)(包括海面水位、水溫、鹽度、東向流速和北向流速等)。三維流場(chǎng)數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率為3 h,經(jīng)度方向的空間分辨率為1/12°,緯度方向的空間分別率為1/25°,垂直方向?qū)?~5 500 m深度劃分為40層。根據(jù)本研究需要,從上述官方網(wǎng)站下載南海區(qū)域2020年1月和7月的流場(chǎng)數(shù)據(jù),并提取不同水深的流速和流向數(shù)據(jù)(圖2)。

圖2 HYCOM GOFS輸出的南海區(qū)域

1.2.2 海面風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)

海面風(fēng)場(chǎng)是溢油漂移擴(kuò)散的重要環(huán)境動(dòng)力之一。近年來(lái),我國(guó)學(xué)者基于歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)再分析數(shù)據(jù)開(kāi)展南海海面風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)研究并取得積極進(jìn)展。例如,吳俞等[20]分析了ECMWF細(xì)網(wǎng)格10m風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)品在南海海域的預(yù)報(bào)檢驗(yàn);賴鑫等[21]通過(guò)綜合海上平臺(tái)觀測(cè)數(shù)據(jù)和ECMWF再分析數(shù)據(jù)來(lái)研究分析南海10 m風(fēng)和海面動(dòng)態(tài)粗糙度特征。因此,本研究采用ECMWF官方網(wǎng)站(https://www.ecmwf.int/en/forecasts/datasets/reanalysis-datasets/era5)提供的第五代全球大氣再分析數(shù)據(jù)(ERA5)作為溢油數(shù)值模擬的大氣環(huán)境動(dòng)力數(shù)據(jù)(時(shí)間分辨率為1 h,水平方向的空間分辨率為0.3°),根據(jù)數(shù)值模擬需要下載2020年1月和7月的ERA5數(shù)據(jù),并提取距海面10 m高處的風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)(圖3)。

圖3 ECMWF ERA5輸出的南海區(qū)域

1.3 數(shù)值模擬

2010年墨西哥灣“深水地平線”事故是世界上首例大規(guī)模深海溢油事故,泄漏水深為1 522 m[22],泄漏原油密度為854.8 kg/m3。由于我國(guó)未發(fā)生南海深海溢油事故,我國(guó)學(xué)者多參照“深水地平線”事故,根據(jù)南海地理環(huán)境和原油理化性質(zhì)來(lái)設(shè)置深水油氣井噴的數(shù)值模擬參數(shù),例如:泄漏水深范圍為1 378~1 500 m;原油密度范圍為665~850 kg/m3;油滴粒徑范圍為1~8 mm[3-6]。

“深水地平線”事故中還首次實(shí)施了海底消油劑噴注處理,同樣引起我國(guó)學(xué)者的高度關(guān)注。研究顯示,未實(shí)施海底消油劑處理的油滴粒徑范圍可能為800~10 000μm[23-24];實(shí)施海底消油劑處理后,Li等[24]報(bào)道無(wú)人潛航器在700~1 100 m水深處發(fā)現(xiàn)70~250μm的小粒徑油滴,并認(rèn)為1 200 m以深水下環(huán)境中可能存在粒徑小于100μm的油滴。為了發(fā)展我國(guó)水下消油劑使用技術(shù),錢(qián)國(guó)棟等[25]通過(guò)模擬試驗(yàn)研究消油劑的類型、使用量和噴注位置對(duì)溢油分散效果的影響,發(fā)現(xiàn)GM-2消油劑對(duì)密度為837.8 kg/m3試驗(yàn)原油的分散效果最優(yōu),油滴粒徑均低于300μm,其中100~150μm區(qū)間的油滴體積分?jǐn)?shù)最大,最大值達(dá)26.55%。

綜合上述國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果,從初步探索南海大規(guī)模深海溢油事故潛在影響的角度出發(fā),本研究參照“深水地平線”溢油事故,設(shè)置深水井噴溢油事故和實(shí)施海底消油劑處理的數(shù)值模擬參數(shù),具體見(jiàn)表1。

表1 南海深水井噴溢油事故情景數(shù)值模擬參數(shù)

根據(jù)表1的模擬參數(shù),本研究應(yīng)用海底溢油輸移擴(kuò)散模型及可視化軟件(SIMPACT)[26]進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,獲得南海深水井噴事故后溢油在水體中及海面上的時(shí)空分布數(shù)值模擬結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

2.1 冬季溢油輸移擴(kuò)散模擬結(jié)果

2020年1月1日深水井噴事故和實(shí)施海底消油劑處理措施后24 h、48 h、96 h時(shí)溢油在水體中及在海面上的輸移擴(kuò)散過(guò)程的數(shù)值模擬結(jié)果如圖5和圖6所示。其中,本研究給出了泄漏地點(diǎn)附近A點(diǎn)到B點(diǎn)的0~1 400 m水深的垂向剖面圖(圖5b和圖6b),展示了不同粒徑油滴在水體中的浮升擴(kuò)散情況。

圖5所示,未實(shí)施海底消油劑處理的情景下,原油自井口噴射進(jìn)入水體后分散為不同粒徑的油滴,粒徑范圍主要為800~10 000μm(圖4)。由于泄漏地點(diǎn)附近海流在垂直方向上呈現(xiàn)顯著的流速、流向變化特征,如1月3日00:00海流在0 m、50 m、150 m、500 m、1 000 m水深處的東向分量分別為-5.8 cm/s、9 cm/s、-2.8 cm/s、7.2 cm/s、-2.2 cm/s(圖7),因此在不同深度、變化流速流向的海流作用下,近區(qū)浮射流軌跡發(fā)生彎曲,遠(yuǎn)區(qū)不同粒徑的分散油滴則以搖擺或螺旋軌跡向上浮升(圖5b)。因不同粒徑油滴的浮升速度存在差異,加上海流的輸移作用,部分油滴在相對(duì)泄漏地點(diǎn)距離較遠(yuǎn)的地方浮升至海面并擴(kuò)展形成油膜,隨后在表層海流和NE方向海風(fēng)的共同作用下,主要向SW方向漂移擴(kuò)散(圖5a)。

圖4 海底消油劑噴注處理前后的油滴粒徑[12]

圖7 假設(shè)事故地點(diǎn)不同時(shí)刻海水流速的垂向分布

實(shí)施海底消油劑處理的情景下,部分大粒徑油滴被分散為小粒徑油滴,其中粒徑小于300μm的油滴數(shù)量顯著增加(圖4)。當(dāng)油滴從近區(qū)浮射擴(kuò)散階段轉(zhuǎn)變?yōu)檫h(yuǎn)區(qū)輸移擴(kuò)散階段后,大粒徑油滴快速向海面浮升,而小粒徑油滴長(zhǎng)時(shí)間懸停在深海環(huán)境中緩慢浮升。特別是粒徑小于70μm(尤其小于30μm)的油滴在深海環(huán)境中的浮升速度慢,從而在800~1 000 m水深層中形成懸浮油帶。96 h時(shí),800~1 000 m水深中的小粒徑油滴最遠(yuǎn)輸移距離約為18 km。

對(duì)比圖5a和圖6a可見(jiàn),實(shí)施海底消油劑處理后,水中油滴數(shù)量顯著增加并大范圍分散在水體中,而浮升至海面的油膜數(shù)量減少。

圖5 2020年1月深水井噴事故后溢油輸移擴(kuò)散模擬結(jié)果

圖6 2020年7月深水井噴事故后溢油輸移擴(kuò)散模擬結(jié)果

2.2 夏季溢油輸移擴(kuò)散模擬結(jié)果

2020年7月1日深水井噴事故及實(shí)施海底消油劑處理后24 h、48 h、96 h時(shí)溢油在水體中及在海面上的輸移擴(kuò)散過(guò)程的數(shù)值模擬結(jié)果如圖8和圖9所示。其中,本研究給出了泄漏地點(diǎn)附近A點(diǎn)到B點(diǎn)的0~1 400 m水深的垂向剖面圖(圖8b和圖9b)。

圖8所示,未實(shí)施海底消油劑處理的情景下,原油自井噴進(jìn)入水體后分散成不同粒徑的油滴。7月1—4日,泄漏地點(diǎn)的海流在垂直方向上呈現(xiàn)1 000 m以下流速較小、250~1 000 m流速較大且流向?yàn)镾W方向、0~250 m流速較大而流向?yàn)镹NE方向的特點(diǎn)。例如,7月3日00:00時(shí),600 m水深處的流速約為9.4 cm/s、流向?yàn)镾W方向,0 m水深處的流速約為2.7 cm/s、流向?yàn)镹NE方向(圖7)。在不同深度、不同流速、流向的海流作用下,不同粒徑的分散油滴以搖擺或螺旋軌跡向海面浮升。當(dāng)浮升至海面后,油滴擴(kuò)展成為油膜,在表層海流和夏季主導(dǎo)的SSW風(fēng)的共同作用下,以“之”字形狀軌跡向NNE方向漂移擴(kuò)散。

圖8 2020年1月使用和不使用海底消油劑處理溢油模擬結(jié)果

圖9所示,實(shí)施海底消油劑處理的情景下,由于7月1—4日期間250~1 000 m深的海流的流向主要為SW方向,而0~250 m深的流向主要為NNE方向(圖7),因而經(jīng)消油劑處理形成的粒徑小于300μm的油滴歷經(jīng)浮射擴(kuò)散階段進(jìn)入遠(yuǎn)區(qū)輸移擴(kuò)散階段后,在水下環(huán)境中總體上往SW方向輸移(圖9a中),并同時(shí)向海面緩慢浮升。96 h時(shí),800~1 000 m水深中的小粒徑油滴最遠(yuǎn)輸移距離約為18 km,而0~200 m水深中油滴最遠(yuǎn)輸移距離約為36 km。

圖9 2020年7月使用和不使用海底消油劑處理溢油模擬結(jié)果

對(duì)比圖8a和圖9a可見(jiàn),實(shí)施海底消油劑處理后,除了海面油膜在海風(fēng)和表層海流共同作用下形成的連續(xù)油帶外,還存在零散分布在油帶SW一側(cè)的油膜(主要是經(jīng)海底消油劑處理分散的微小粒徑油滴浮升至海面后擴(kuò)展形成)。而對(duì)比圖8b和圖9b可見(jiàn),實(shí)施海底消油劑處理后,水中油滴數(shù)量顯著增加并大范圍分散在水體中,而浮升至海面的油膜數(shù)量減少。

3 結(jié)束語(yǔ)

本研究以南海北部深水油氣勘探開(kāi)發(fā)海域?yàn)檠芯繀^(qū)域,參照2010年墨西哥灣“深水地平線”深海溢油事故的相關(guān)參數(shù),開(kāi)展了假設(shè)的1 279 m深水井噴溢油事故及海底消油劑處理的數(shù)值模擬,初步研究了2020年1月和7月(分別代表冬季和夏季)氣象條件下南海三維流場(chǎng)、海面風(fēng)場(chǎng)和海底消油劑處理等因素對(duì)溢油在水體中和海面上的輸移擴(kuò)散過(guò)程的影響。

需指出的是,本研究初步開(kāi)展了南海深水井噴溢油的數(shù)值模擬,但所采用的三維流場(chǎng)數(shù)據(jù)和風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)存在時(shí)間和空間分辨率不高等問(wèn)題,因而有必要采用更高分辨率的三維流場(chǎng)和海面風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)開(kāi)展數(shù)值模擬研究,以期更準(zhǔn)確地分析南海深水井噴事故后溢油在海洋環(huán)境中的輸移擴(kuò)散規(guī)律。此外,由于不同品牌消油劑對(duì)不同類型原油的分散效果存在差異,有必要繼續(xù)開(kāi)展更多的水下消油劑處理海底溢油的模擬實(shí)驗(yàn)研究,以期為海底消油劑處理前后的水下溢油輸移擴(kuò)散預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)提供基礎(chǔ)科學(xué)數(shù)據(jù)和關(guān)鍵參數(shù)支持。總的來(lái)說(shuō),本研究結(jié)果可以為后續(xù)更為全面、精細(xì)的南海深海溢油輸移擴(kuò)散數(shù)值模擬、污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和水下消油劑應(yīng)急處置研究提供有益參考。