海底溢油輸移擴散的可視化數(shù)值模擬系統(tǒng)＊

廖國祥 楊建強 高振會

（武漢理工大學(xué)航運學(xué)院1） 武漢 430063）（國家海洋局北海分局2） 青島 266033） （國家深海基地管理中心3） 青島 266061）

目前國內(nèi)外關(guān)于溢油預(yù)報系統(tǒng)的研制報道已有很多［1－2］，但這些系統(tǒng)通常只支持對海面溢油漂移擴散的模擬預(yù)測，很少能夠模擬溢油在復(fù)雜水下環(huán)境中的輸移擴散過程［3］.為此，國外水下溢油模型研究人員自行開發(fā)專用軟件，例如Chen和Yapa探討了水下溢油浮射流的三維可視化顯示方法［4］；Reed等開發(fā)了用于支持海底輸油管道溢油量數(shù)值計算的可視化軟件工具［5］，但其擴展性不強，難以滿足實際應(yīng)用中的特定需求.本文在水下油氣溢漏事故污染物輸移預(yù)測模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合研究與應(yīng)用的實際需要，設(shè)計和開發(fā)用于海洋生態(tài)環(huán)境影響評估的海底溢油可視化數(shù)值模擬系統(tǒng)（spill i mpact assess ment system for subsea oil spills，SI MPACT－SOS）.

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由Visual C＋＋和Visual Fortran開發(fā)實現(xiàn)，其中數(shù)值模型程序由Fortran語言編寫實現(xiàn).系統(tǒng)開發(fā)過程中運用了關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（RDBMS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）等技術(shù)，為系統(tǒng)提供強大的空間數(shù)據(jù)管理和可視化功能［6］.最后，應(yīng)用Visual C＋＋編程實現(xiàn)圖形界面及其他應(yīng)用功能.

系統(tǒng)中的溢油模型包括水下油氣溢漏事故污染物輸移預(yù)測模型［7］和海上溢油行為歸宿模型［8］（見圖1）.

圖1 海底溢油輸移擴散可視化數(shù)值模擬系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

1.1 數(shù)值模型

1.1.1 水下溢油模型 與海上溢油事故的不同，海底輸油管道泄漏、石油鉆井井噴等水下溢油事故發(fā)生時，石油和天然氣混合物在泄漏源的壓力作用下連續(xù)噴射進(jìn)入水體中并破碎成為油滴和氣泡，它們在初始動量和水體浮力的共同作用下形成浮射流并處于主動輸移狀態(tài).當(dāng)遇到速度較大的橫向水流時，溢油浮射流的輸移跡線發(fā)生彎曲，此時氣泡將逐漸脫離浮射流.浮升至一定高度的溢油在失去初始射流動量后，將在周圍海水流動作用下在水平和垂直方向上輸移和分散（見圖2）.最后粒徑較大的油滴浮升至水面并擴展成為油膜，并在風(fēng)、浪、流等環(huán)境因素作用下經(jīng)歷著漂移、擴散、蒸發(fā)、乳化等運動和風(fēng)化過程.

水下溢油模型能夠模擬油氣混合物在密度和流速分層的真實水下環(huán)境中的水流卷吸、湍流分散、溢油溶解、油氣共同輸移與分離輸移等動態(tài)行為［6］.

圖2 海底溢油事故污染物輸移擴散過程示意圖

1.1.2 海上溢油模型 海上溢油模型能夠模擬多點源泄漏、移動源泄漏等復(fù)雜溢油泄漏方式，還能模擬海面溢油在風(fēng)和海流作用下的漂移、擴散、蒸發(fā)、溶解、乳化、分散等行為動態(tài)和風(fēng)化過程［8］.

此外，系統(tǒng)還集成其他應(yīng)用模型，如海洋環(huán)境動力模型和溢油應(yīng)急決策模型.其中海洋環(huán)境動力模型用于提供溢油輸移擴散模擬所需的環(huán)境水動力數(shù)據(jù)，而應(yīng)急決策模型可在溢油時空分布模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上為事故應(yīng)急指揮提供決策支持信息.

1.2 數(shù)據(jù)庫

1.2.1 地理信息數(shù)據(jù) 通過將紙質(zhì)海圖轉(zhuǎn)化為電子格式數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上通過手動添加、編輯、刪除等方式更新整理后建立成地理信息數(shù)據(jù)庫.其中，電子海圖數(shù)據(jù)包括海洋和陸地數(shù)據(jù)、航道數(shù)據(jù)、溢油應(yīng)急設(shè)備設(shè)施、城市基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù).此外，還包括海底溢油風(fēng)險源數(shù)據(jù)，如海洋石油平臺、海底輸油管線、海底沉船分布點等.

1.2.2 環(huán)境動力數(shù)據(jù) 主要包括海面風(fēng)向風(fēng)速、不同水深的流速流向以及溫度、鹽度、密度等海洋環(huán)境要素的監(jiān)測數(shù)據(jù).另外，還包括由環(huán)境水動力數(shù)值模型輸出的二維、三維潮流場數(shù)據(jù)以及氣象部門提供的風(fēng)場數(shù)據(jù).

1.2.3 油品特性數(shù)據(jù) 主要包括常見的原油和成品油的物理化學(xué)特性數(shù)據(jù)，如CAS編號、密度、熔點、沸點、閃點等.

1.2.4 數(shù)值模擬數(shù)據(jù) 主要包括溢油數(shù)值模擬的前處理和后處理數(shù)據(jù).其中，前處理數(shù)據(jù)有海洋環(huán)境動力數(shù)據(jù)（風(fēng)、流等）；后處理數(shù)據(jù)有模擬輸出結(jié)果（溢油的空間位置、溢油屬性變化數(shù)據(jù)）.此外，還包括數(shù)值模型與系統(tǒng)運行所需的基本參數(shù)等數(shù)據(jù).

1.3 圖形界面

1.3.1 圖形用戶界面（GUI） 圖形用戶界面采用流行的視窗風(fēng)格，由系統(tǒng)菜單、工具條、圖層管理窗口、圖形顯示窗口以及系統(tǒng)輸出窗口組成.其中，菜單集成了系統(tǒng)的所有功能，工具條集成了系統(tǒng)的常用的功能；圖層管理窗口用于控制GIS圖層的顯示和隱藏等；圖形顯示窗口用于顯示GIS數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果等；系統(tǒng)輸出窗口用于顯示用戶操作記錄和GIS數(shù)據(jù)查詢結(jié)果等.

1.3.2 數(shù)據(jù)分析界面 由GIS界面和垂向剖面數(shù)據(jù)分析界面組成.其中，GIS界面除可以顯示電子海圖空間數(shù)據(jù)外，還可以顯示計算網(wǎng)格、潮流場、海面油膜漂移擴散過程等；垂向剖面數(shù)據(jù)分析界面則用于顯示溢油在水下環(huán)境中的輸移擴散過程.此外，系統(tǒng)還內(nèi)置了圖表分析組件，用于分析溢油在海洋環(huán)境中（海面、水中、大氣、海底、岸線等）的歸宿分布.

2 系統(tǒng)功能

2.1 GIS應(yīng)用平臺

2.1.1 基本GIS功能 GIS平臺提供電子海圖的放大、縮小、漫游、鷹眼、距離測量、面積測量等基本GIS功能.系統(tǒng)除了可以顯示研究海區(qū)的海圖外，還內(nèi)置了海圖比例標(biāo)尺、經(jīng)緯度網(wǎng)格、鼠標(biāo)滾輪控制海圖縮放等方便用戶操作的實用功能.

GIS平臺具有“圖形查屬性”和“屬性查圖形”的查詢功能，前者是通過點查詢等方式獲取選中圖形對象（點、線、面以及文本）的屬性信息，后者則通過屬性信息查詢以高亮方式顯示被選中的圖形對象.

2.1.2 GIS數(shù)據(jù)管理 GIS平臺具有地圖編輯、圖層管理等數(shù)據(jù)管理功能.地圖編輯功能是指在電子海圖上添加、修改和刪除圖形對象及其屬性信息的功能.地圖編輯功能在溢油事故應(yīng)急決策中可提供有效的支持，如在電子海圖上標(biāo)繪圍油欄、布置應(yīng)急人員和設(shè)備等.

GIS平臺采用“圖層－圖層組”的數(shù)據(jù)管理模式，即將不同類型的海圖數(shù)據(jù)保存為獨立的地圖“圖層”文件，并把屬于同一公共類別的圖層文件存放在同一個文件夾目錄中，將該目錄標(biāo)識為一個“圖層組”.

2.2 數(shù)值建模分析

2.2.1 模型數(shù)據(jù)處理 系統(tǒng)提供數(shù)值模型數(shù)據(jù)的前處理和后處理功能，通過對話框方式輸入和輸出數(shù)據(jù)，簡化用戶對模型參數(shù)、計算過程以及模擬結(jié)果等數(shù)據(jù)的處理過程.此外，系統(tǒng)通過將不同數(shù)值模型的輸入和輸出數(shù)據(jù)存放到不同的文件目錄中，以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)文件的有效處理和管理.

2.2.2 計算網(wǎng)格生成 系統(tǒng)內(nèi)置了矩形計算網(wǎng)格的自動劃分功能，即用戶只需在電子海圖上拉框選擇一個區(qū)域，系統(tǒng)即可自動生成該區(qū)域的計算網(wǎng)格，并以不同的顏色來顯示水深地形.系統(tǒng)也提供了修改工具，方便用戶修改計算網(wǎng)格的屬性信息（水深、棲息地類型等）.

2.2.3 數(shù)據(jù)可視化分析 系統(tǒng)能夠在GIS平臺上實現(xiàn)以漸進(jìn)、快進(jìn)和快倒的播放模式動態(tài)顯示溢油動態(tài)的數(shù)值模擬結(jié)果.此外，系統(tǒng)通過GIS的無極縮放功能和垂向剖面組件的數(shù)據(jù)分析功能，既可以鳥瞰圖形式縱觀全局，又可以局部放大特定區(qū)域詳細(xì)查看和分析數(shù)值模擬結(jié)果，可有效支持對數(shù)值模型的改進(jìn)和完善.

2.3 溢油數(shù)值模擬

2.3.1 溢油模擬預(yù)測 溢油模擬方面，系統(tǒng)針對不同類型的水下或海上溢油事故，通過調(diào)整計算參數(shù)，實現(xiàn)對溢油在水體中及海面上的輸移擴散過程的數(shù)值模擬.用戶也可借助系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理與可視化分析功能，結(jié)合實驗室實驗、海上現(xiàn)場試驗、歷史溢油事故等數(shù)據(jù)開展模型驗證和改進(jìn)研究.用戶還可通過圖形界面設(shè)定不同類型海底溢油事故的模擬場景，設(shè)置不同的海洋環(huán)境動力條件，開展數(shù)值試驗分析研究.

溢油預(yù)測方面，用戶結(jié)合實測或預(yù)報的海洋環(huán)境動力場（如流場、風(fēng)場等）數(shù)據(jù)，通過圖形界面快速地設(shè)定溢油事故參數(shù)并完成模擬計算后，系統(tǒng)可在電子海圖上可視化顯示溢油的輸移軌跡、擴散范圍、上岸時間地點等，同時以圖表方式顯示溢油在不同時刻的殘余量、油膜厚度、密度、粘度、含水率、乳化率等溢油性質(zhì)和狀態(tài)變化情況.

2.3.2 溢油決策支持 系統(tǒng)可通過GIS平臺顯示環(huán)境敏感區(qū)和應(yīng)急人員設(shè)備的地理分布狀況，為事故應(yīng)急指揮提供清污處置等決策信息.此外，系統(tǒng)能根據(jù)溢油輸移擴散范圍和敏感資源的疊加分析，自動進(jìn)行預(yù)警提示.系統(tǒng)還提供了圖形輸出功能，可以生成包含溢油水下和海上輸移擴散數(shù)值模擬結(jié)果的圖形文件以及數(shù)值計算過程的相關(guān)記錄文件，這些數(shù)據(jù)文件可以幫助用戶快速形成生成圖文并茂的決策評估報告.

3 應(yīng)用算例

渤海是我國溢油污染的高風(fēng)險海域，海底沉船溢油、海底輸油管道泄漏等水下污染事故發(fā)生的次數(shù)較多.因此，本文選擇渤海作為研究海區(qū)，以假設(shè)的海底輸油管道破損溢油事故為例進(jìn)行系統(tǒng)的應(yīng)用演示.

3.1 模擬參數(shù)

根據(jù)SI MPACT－SOS系統(tǒng)的運行要求，設(shè)定以下海底輸油管道溢油事故的數(shù)值模擬參數(shù)：（1）輸油管道參數(shù).輸油管道內(nèi)徑為325 mm；石油密度為949.3 kg／m3；流量為30 m3／h；（2）溢油事故參數(shù).事故地點為120.8°E，40.0°N；事故水深為28 m；管道裂孔直徑為0.05 m，孔口向西；溢油射流速度為4 m／s；事故時間為海域高潮時刻前1 h；持續(xù)泄漏時間為3 d；模擬預(yù)報時間為3 d；（3）環(huán)境動力參數(shù).事故海域的海水密度為1 025 kg／m3；流場由海洋水動力模型模擬提供（見圖3）；事故海域海面風(fēng)場設(shè)定風(fēng)向為東南風(fēng)，風(fēng)速為5 m／s.

圖3 渤海表層海流在GIS平臺上的圖形化顯示

3.2 結(jié)果分析

應(yīng)用SI MPACT－SOS系統(tǒng)模擬計算后，獲得溢油在水體中及海面上的時空分布模擬結(jié)果，如圖4～圖6所示.

圖4 a）顯示的是溢油持續(xù)泄漏5 min時在海面上的空間分布模擬結(jié)果.圖4b）所示（即圖中的A點到B點的垂向剖面），破損的海底輸油管道開始泄漏后，溢油在管道內(nèi)部壓力作用下噴射進(jìn)入海水中，所形成的浮射流隨即在橫向流動海水作用下發(fā)生彎曲，此過程中溢油在水流的卷吸作用下不斷擴散.

圖5 a）顯示的是持續(xù)泄漏65 min時溢油在海面上的空間分布模擬結(jié)果.由于海流已轉(zhuǎn)向，此時溢油在水體中的浮升輸移軌跡與初始時不同，溢油在泄漏源口處以射流狀態(tài)進(jìn)入水體中，但上升至水下20 m處則開始在橫流作用下往出射相反方向輸移，模擬結(jié)果如圖5 b）所示.

圖6 a）顯示的是溢油持續(xù)泄漏1d時的模擬結(jié)果，海面油膜在表層海流和海面東南風(fēng)的共同作用下不斷向東北方向漂移擴散并形成“之”字形的輸移軌跡，此時海面污染面積約為24.5 k m2.溢油持續(xù)泄漏3 d后，除部分溢油已到達(dá)海岸外，海面溢油覆蓋范圍不斷增大，此時污染面積約為117 k m2，模擬結(jié)果如圖6 b）所示.

圖4 持續(xù)泄漏5 min的溢油時空分布可視化模擬結(jié)果

圖5 持續(xù)泄漏65 min的溢油時空分布可視化模擬結(jié)果

圖6 持續(xù)泄漏1 d和3 d的溢油時空分布可視化模擬結(jié)果

4 結(jié)束語

本文設(shè)計并開發(fā)了海底溢油輸移擴散可視化數(shù)值模擬系統(tǒng)SI MPACT－SOS，實現(xiàn)了GIS應(yīng)用平臺、數(shù)值建模分析、溢油模擬預(yù)測等專業(yè)功能.應(yīng)用系統(tǒng)開展渤海海底輸油管道溢油事故的算例研究，溢油在水體中及海面上輸移擴散的全過程模擬展示了溢油模型的綜合模擬能力和系統(tǒng)的強大可視化功能，也表明了系統(tǒng)能夠為海底沉船溢油、海底油氣管道泄漏、海洋油氣鉆井井噴等不同類型的水下污染事故的風(fēng)險評估、應(yīng)急決策以及海洋生態(tài)環(huán)境損害評估提供理論與技術(shù)支持.

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