長江重慶轄區溢油三維虛擬仿真及在應急決策中的應用＊

陳蜀喆 黃立文

（武漢理工大學航運學院 武漢 430063）

0 引 言

重慶處于三峽庫區的腹心地帶，主城區河段處于變動回水區的中上段，兼具水庫河道和天然河道的特點，其地理特點和水文條件均較為嚴峻.在各種風險因素復雜，航道水域受限的情況下，整個轄區各處的溢油風險均不可忽視.1997～2007年，三峽庫區共查處船舶污染事故96起，其中小事故81件，一般事故3件，大事故4件，重大污染事故8件，如圖1所示.

圖1 三峽庫區船舶污染事故數年度分布圖

從數據上看，隨著三峽庫區的形成，船舶污染事故總體上呈現出逐年減少的發展趨勢，但由于發生重大船舶污染事故的主要船舶類型為油船和化學品船等危險品船舶，雖然重大船舶污染事故少，但泄漏污染物量大，并且三峽成庫后水流速度減慢，水體自身凈化能力下降，而危險化學品吞吐量又逐年上升，庫區防污染形勢依然嚴峻.

雖然船舶污染事故總數呈逐年減少的趨勢，但由于危險品船舶噸位的增大和進出港艘次的增加，突發溢油事故的風險也越來越大.在溢油事故發生時，單純靠人為觀測無法獲取溢油應急反應所需的全部數據，即使可以通過人為觀測獲取數據，在數值計算，應急決策方面仍然需要借助計算機等輔助工具.溢油應急決策需要準確預報溢油的行為狀態與歸宿，因此，計算機虛擬仿真成為其重要環節.計算機虛擬仿真具有較為準確的預測性和強大的數據處理、數值計算、可視化、決策支持功能，正被越來越廣泛的用于溢油模擬.而溢油三維虛擬仿真更能直觀的了解溢油的整個行為狀態與歸宿，能為迅速的為應急決策［1］提供輔助.

1 溢油三維模型

1.1 重慶轄區溢油特點

重慶轄區屬山區河流，形態多變，坡陡流急，地形、水文、航道情況復雜.重慶航運事業發展迅速，水上運輸帶來的污染事故壓力逐年加大.船舶發生污染事故不僅僅在于在水上航行時發生的碰撞、擱淺等事故，同時船舶在裝卸危險品時發生的操作性污染也是其中重要部分.轄區各管轄范圍基本都存在溢油環境敏感區，發生在敏感區附近的污染可能會造成巨大的社會和經濟危害.其溢油特點總結如下：（1）重慶轄區水運繁忙，船只密度大，溢油事故風險高；（2）沿岸危險品碼頭密集，油品復雜，增加了溢油隱患；（3）地形、水文、航道情況復雜.溢油應急反應的技術難度高；（4）環境敏感性強，轄區生態資源分布密集；（5）溢油事故社會和經濟危害影響較大.

1.2 溢油模型

當內河發生溢油事故，油品在進入水體后的運動行為和歸宿［2］不僅受到油品特性等物理性質影響，還受到多方環境因素影響.油品在數量、化學組成、物理及化學性質等方面都隨著時間的推移不斷地發生變化.引起這些變化的主要過程歸納為擴展、漂移、分散、蒸發、溶解、乳化、光化學氧化分解、顆粒物質的吸附沉降以及微生物降解等，如圖2.

圖2 溢油行為及歸宿

河流溢油的行為和歸宿受風、流等動力環境因素、其他非動力環境因素和油品特性等多種因素的支配，經歷著擴展、漂移、分散、蒸發、溶解、乳化、光氧化及其相互作用的復雜過程.對于重慶轄區溢油應急而言，是一個在短時間內對溢油進行快速處置的過程，只需考慮溢油導致的短期環境影響.有鑒于此，溢油的漂移、擴展、蒸發、溶解作用起著支配地位，因此對于溢油模型而言，著重考慮短時間內環境因素和油品自身特性共同作用下的溢油運動軌跡模型.為了服務于重慶轄區溢油應急，需建立三維溢油運動軌跡與歸宿模型.

三維溢油運動軌跡與歸宿模型基于“油粒子”模式.油粒子概念打破了采用對流擴散方程模擬溢油的傳統方法，直接模擬導出擴散方程的實際物理現象，將溢油分成許多離散的小油滴來模擬油品在水體中的漂移擴散過程，使結果更合理精確.由于溢油初期采用“油粒子”模式模擬溢油的運動并不合理，溢油初期采用質心軌跡結合油膜擴展經驗公式［3］的方法進行模擬，后期擴散階段仍然采用“油粒子”模式.三維溢油運動軌跡與歸宿模型的流程如圖3所示.

圖3 “油粒子”模式內河應急溢油行為及歸宿模型

初期擴展階段油膜質心的漂移軌跡采用歐拉－拉格朗日追蹤法，在風和流的作用下，油膜中心由初始位置開始漂移，而自身的擴展處于由重力和慣性力驅動的第一階段（10 min內），同時進行主軸同風向一致的橢圓擴展，采用式（1）計算：

式中：x和y為溢油橢圓擴展過程；x0和y0為溢油點；R和Q為橢圓的長短軸長度；g為重力作用下油膜的擴展驅動系數；f為風力作用下油膜的擴展驅動系數.

具體模型采用式（2）參數計算

式中：Q為橢圓短軸的長度；R為橢圓長軸的長度；ρw，ρo分別為水和油的密度；V0為溢油初始體積；W 為風速；A為油膜面積.

在自身重力和風力驅動階段結束時進行油粒子的剖分，用附加體積參數的方法來實現對油粒子特性的模擬.考慮特定粒子，其直徑為d，則這個粒子的真正體積為

式中：n為油粒子的總數.由此定義每個油粒子的特征體積為

式中：V0為溢油的初始體積.按對數正態分布對油粒子進行剖分，即可得到進入水體的油滴的數量和尺寸的分布特征.

在擴散階段，油膜剖分成油粒子之后，每個溢油粒子看作拉格朗日粒子.油粒子的水平和垂直運動建立在三維水動力數學模型的基礎之上，油粒子的水平擴散由水平對流與擾動疊加而成，油粒子在t時刻的水平位置分量用xt表示，則

式中：Δt為時間步長；xt－1為前一步長油粒子位置；Uoil為溢油粒子對流漂移速度；Uf為水體表層流速；Uw為水體上10 m風速；Kf水平水流影響速度，取1.0；Kw為風拖拽系數，2%～3%.

油粒子的水平擴散擾動距離公式為

式中：［R］10為0～1之間的隨機數；D為水平擴展系數；Δt為時間步長.將油粒子的水平擴散擾動加入水平位置計算公式即可得到油粒子的水平擴散公式.

垂直運動是指水流發生垂向對流時油粒子進入水體內部，并在紊流的作用下做垂向的隨機運動.“油粒子”在垂直方向上的運動距離可表示為

式中：W 為水體垂向速度；DZ為垂向擴散系數；［R′］10為0～1之間的隨機數；WB為油滴上浮速度.油品的蒸發和性質的變化模型主要針對長江重慶轄區的危險品種類，始終伴隨整個溢油過程，在這里不再贅述.

2 溢油三維虛擬仿真

就溢油而言，三維虛擬仿真不僅可實現三維地形表面的逼真還原，而且還可以動態的顯示整個溢油軌跡，并能對各種溢油處置方式進行交互式響應，最終為應急決策提供正確的輔助.

2.1 三維地形場景建立

三維地形場景［4］的建立分為三維地形場景和非地形場景，地形場景的建立需要獲得水平及垂直兩方面的數據，對與水平數據而言，需獲得較高分辨率的地形場景影像并加以配準；而對于垂直數據而言，需要獲得較高精度的高程數據.水平和垂直數據獲取后，對數字高程數據進行可視化建立模型，并配以高分辨率地形場景影像，建立逼真的三維地形場景.在此基礎上，通過建模軟件建立靜態建筑物模型和河流、船舶、氣象環境等動態可視化模型，最終建立三維場景.建立流程如圖4.

圖4 三維地形場景建立流程

2.2 溢油模型三維動態可視化

溢油模型的三維動態可視化是指將溢油模型的計算結果在已經建立的三維地形場景中實時渲染出來.下面將計算和可視化過程分別加以說明.

2.2.1 溢油模型的計算 溢油模型的計算以重慶轄區溢油模型為基礎，計算過程如圖5所示.

圖5 溢油模型計算過程

溢油模型計算的輸入包括溢油點、溢油量、溢油事件類型、環境數據［5］、水動力模型［6］和油品特性；輸出數據為隨時間序列變化的油粒子位置和狀態等數據，具體包括：溢油時間、油粒子經緯度、深度、厚度、平均半徑、質量、粘度和密度.這些輸出數據為溢油模型的三維動態可視化提供了依據.

2.2.2 溢油模型動態可視化 溢油模型的動態可視化采用虛擬現實［7］技術為依托，將溢油的動態三維可視化過程和環境信息相結合，能在溢油應急決策的過程中充分考慮實際的環境因素，在重慶轄區這種彎曲河道構造的自然環境及長江三峽庫區水位的變化中顯得尤為重要.虛擬現實技術集先進的計算機技術、傳感與測量技術、仿真技術、微電子技術于一體，利用計算機生成一種虛擬環境，通過視、聽、觸覺等作用，使用戶產生身臨其境感覺的交互式視景仿真，實現用戶與該環境直接進行交互.

基于虛擬現實的三維動態可視化系統包括系統的初始化、溢油模型計算結果導入、數據重組與管理、可視化及溢油處置響應等模塊.在初始化模塊中，需要對三維地形、河流、船舶、建筑物進行導入；接著導入溢油模型計算結果，建立依據該時間的氣象環境和聲音系統，并對人機交互接口進行初始化；將導入的溢油模型計算結果進行重組與管理，將油粒子運動軌跡和狀態加以歸類；歸類好的油粒子數據按照初始化的規定進行隨時間序列的可視化；在整個可視化過程中可隨時實現人機交互，完成視角切換和時間序列控制等操作，并可選擇適當地點布設圍油欄等溢油應急設備，并根據溢油模型計算結果和水動力模型及圍油欄特性判斷圍油欄是否失效.溢油模型動態可視化流程見圖6.

圖6 溢油模型動態可視化過程

將基于虛擬現實的三維動態可視化系統應用于長江重慶轄區溢油三維虛擬仿真，系統截圖如圖7所示.

圖7 長江重慶轄區溢油三維虛擬仿真系統截圖

3 溢油三維虛擬仿真在應急決策中的應用

通過溢油三維虛擬仿真，對溢油事故發生后溢油的軌跡和狀態能有直觀和全面的了解，對溢油應急決策具有明確的輔助作用.通過對油粒子經緯度和溢油時間的可視化，決策人員能清晰準確的得知溢油經過的區域和時間；通過對油粒子厚度、質量、半徑和密度的可視化過程，使油粒子的狀態直觀呈現在面前；通過視角的切換，可以從不同的角度觀察溢油的整個過程，了解溢油經過的區域是否存在敏感區，是否會對其他生態資源產生影響，是否會對該區域的經濟和社會產生嚴重危害；通過對三峽庫區不同水位期溢油區域地形的了解，尤其是在長江重慶轄區這樣一個連續彎曲河道形態的區域，可以直觀的看到重慶轄區岸線的變化，直接決定溢油設備布設地點的選取和應急力量的分配；通過對圍油欄［8］等溢油應急設備布設地點和等級的選擇，直觀的了解到設備的有效性，通過不同布設方案的對比，選擇是進行單層布設還是多層布設并根據現有設備選取合適的布設角度，或對現有設備的更新和重新部署進行評估.

4 結束語

在建立溢油三維模型時，提出基于油粒子模式的對溢油過程時間序列采取不同模型的方法；在長江重慶轄區溢油三維虛擬仿真的過程中，明確了在建立三維場景基礎上的溢油模型計算的輸入輸出過程，并對溢油可視化的各模塊進行了劃分和說明.最后，對溢油三維仿真在重慶轄區的應急決策中的應用進行了分析.

溢油三維虛擬仿真研究涉及溢油模型、三維可視化、虛擬現實等多項技術，是一項多領域交叉技術，本文的研究僅針對長江重慶轄區的溢油三維虛擬仿真，對于區域的擴展和三維地理信息系統的集成，還處于一個不斷探索的過程.另外，對與三維顯示效果、大場景的實時顯示和動態加載，還需要進一步深入研究.

［1］Thomas W，Fabienne L.Planning for the human dimensions of oil spills and spill response［J］.Environ Manage，2010，45（4）：723－38.

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［4］楊永恒.三維可視化技術在溢油漂移預報中的應用研究［D］.大連：大連海事大學輪機工程學院，2009.

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［6］黃立文，俞濟清，孫 俊，魏 敏，宋文锏，徐 進，馬金勇.實時流場預報及在海面溢油軌跡預測中的應用［J］.中國航海，2000，47（2）：34－39.

［7］Vince J.Virtual reality systems［M］.Addison－Wes－ley Pnblishing Company，1995.

［8］魏 芳.圍油欄在多種海況下攔油效果及形狀優化的數值模擬［D］.大連：大連海事大學輪機工程學院，2007.