基于油粒子模型的廈門港碼頭溢油影響的數值模擬研究

陳斯婷 陳楚漢 湯軍健 陳鳳桂

(國家海洋局第三海洋研究所，福建 廈門 361005)

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基于油粒子模型的廈門港碼頭溢油影響的數值模擬研究

陳斯婷 陳楚漢 湯軍健 陳鳳桂

(國家海洋局第三海洋研究所，福建 廈門 361005)

通過“油粒子”溢油風險評價模型，模擬廈門港后石港區某碼頭靜風、主導風向(東北風)和不利風向(西南風)3種風場條件下，一個潮周期內漲急、高潮、落急和低潮4個時段，在碼頭前沿溢油100t、航道交叉點溢油1000t的影響范圍、影響程度和影響敏感目標的時間。本文可為溢油事故應急防范對策的制定及溢油損害評估提供科學決策和支持，提升廈門港后石海域環境風險管理應急能力建設。

油粒子模型；溢油；數值模擬；廈門港

近年來，隨著全球經濟的快速發展，海上船舶來往頻繁，海洋石油開發蓬勃發展，但與此同時，海上溢油事故頻繁發生[1]。2010年4月美國墨西哥灣原油泄漏事件、2010年“7·16”大連原油爆炸泄漏事故、2011年6月渤海灣康菲溢油事故，嚴重影響了近岸海域生態環境，造成了巨大的經濟、生態損失，受到了國際社會的廣泛關注。隨著廈門港的發展，進出后石港區的船舶數量不斷增加，到港船舶的大型化，船舶進出碰撞溢油事故發生的概率將會增大。一旦發生燃料油泄漏入海，將對海域生態環境、旅游區等造成重大的影響。為此，以廈門港后石港區某碼頭溢油風險評價為例，基于“油粒子”溢油風險評價模型，對不同氣象條件下的溢油泄漏事故進行影響預測，對于確定環境保護目標的應急反應時間，制定溢油應急防范對策，盡可能地減小溢油事故污染損失，具有重要的理論意義和應用價值[2，3]。

1 溢油模型

“油粒子”模型基于考慮風生流的潮流場，利用Lagrange粒子追蹤法跟蹤質點的軌跡，與此同時用隨機走動法模擬“油粒子”的紊動擴散，這種方法根據運動對象的行為選擇用確定性模型模擬環境動力條件(主要是流場)，并且采用隨機模型模擬溢油“油粒子”紊動擴散場，提高了溢油預報的效果[4-6]。

不考慮紊動擴散時，在流場數學模擬的基礎上(歐拉場)，用Lagrange方法跟蹤質點的漂移過程，求得標識質點在潮流(含風生流)作用下的軌跡。其中風生流速按經驗公式取值，其值為海面10m處風速的2%。

(1)

(2)

用隨機走動法模擬“油粒子”的紊動擴散，把油膜看成大量“油粒子”組成的粒子云團，油粒子的隨機走動導致粒子云團的尺度隨時間而增大，粒子云團隨機走動的“方差”等于粒子云團方差的時間變化，即：

(3)

從而：

(4)

式中，算子〈〉表示對所有的油粒子求平均，σ(t)為t時刻粒子云團的標準差，將油粒子云團的方差隨時間的變化率定義為擴散系數K，則有：

(5)

隨機走動的方差與紊動擴散系數K的關系為：

(6)

根據上式，可以得出隨機走動的距離為：

(7)

式中，Δα為α(x或y)方向Δt時間步長下紊動引起的油粒子擴散距離，η為均值為0，標準差為1的正態分布隨機數，K=5.0m2/s。

于是油粒子運移距離L為海面風場、潮流場和紊動擴散共同作用下的運移距離，即：

(8)

在潮周期內進行積分就得到每個油粒子的運動軌跡。

當油粒子漂移到岸邊時會吸附在岸邊，但由于水流的卷帶作用，上岸的油粒子可能重新進入水體中，重新回到水體中的油量與水流流速、濃度梯度及岸邊天然狀況有關。Torgrimson建議用衰減公式計算每個時段Δt內返回水中的油量dAb為：

(9)

式中，Ab為吸附在岸邊的總油量，λ為半衰期，對開闊、平整岸邊取值為1小時。

2 廈門港后石海域事故溢油影響預測分析

2.1 計算海域選擇

本工程所處的后石港區地處廈門灣南岸，廈門灣口浯安水道西側，位于漳州開發區規劃的第四區，是廈門港的重要組成部分，具有發展海運的優良深水條件。隨著后石港區的開發建設，海上船舶數量不斷增加，所面臨的環境溢油風險壓力逐步增大。該海域分布有沙灘保護區、雞嶼白鷺保護區核心區、文昌魚保護區核心區、中華白海豚自然保護區外圍保護地帶、漳州開發區雙魚島、養殖區等，為生態環境敏感區域。若發生溢油事故，將對周圍海洋環境造成嚴重影響。因此，本文通過后石港區溢油事故模擬研究，充分提升該海域應對海洋環境風險的能力，盡可能減輕溢油事故對環境保護目標的影響，為該海域的船舶溢油污染防治提供參考。

2.2 模型建立

本研究利用“油粒子”模型建立后石海域的潮流場；計算海域為東北邊界至圍頭角，東南邊界為將軍澳，包含整個廈門灣和工程區海域，網格在研究附近海域進行加密，最大網格邊長約1000m，最小網格邊長約10m，全海域網格結點約35000個，網格數約60000個。外海流體開邊界為兩邊開邊界；模型外海開邊界水位由臺灣海峽潮流場所得潮位提供；廈門灣西部九龍江口開邊界采用流量邊界條件，按平均徑流量321m3/s模擬。通過潮位和潮流驗證，計算結果和實測資料相對誤差在10%以內，滿足相關規范要求，可作為溢油模型的驅動流場。

2.3 溢油參數選取

本文的溢油點選擇碼頭前沿(1#)、流會東面航道交叉點(2#)，見圖1-4。溢油品種為燃料油，比重為920kg/m3；溢油量設置碼頭溢油100t，航道溢油1000t；風況考慮3種，靜風、常年主導風向(東北風向，風速3.8m/s)、不利風向(西南風向，風速3.4m/s)；溢油時刻選擇大潮高潮時刻、落急時刻、低潮時刻和漲急時刻4種情形。

2.4 溢油污染影響預測分析

溢油發生后，油膜在風和海流的共同作用下，發生漂流、擴散、蒸發、乳化等變化過程。本次模擬時間為12h，溢油風險預測共計6個方案，以下分別給出各方案的預測分析結果。

圖1 靜風下4個不同潮時碼頭前沿發生溢油12h后的影響范圍

圖2 東北風下4個不同潮時碼頭前沿發生溢油12h后的影響范圍

圖3 東南風下4個不同潮時碼頭前沿發生溢油12h后的影響范圍

圖4 不同風況下漲急時刻航道發生溢油12h后的影響范圍

2.4.1 碼頭前沿風險溢油模擬結果

在靜風條件下，油膜漂移過程中主要受潮流控制，后石港區海域潮流主要為往復流，油膜漂移范圍主要在嶼仔尾至浯嶼海域。落急時刻和漲急時刻溢油影響范圍較大，12h最大污染影響范圍為24.75km2。油膜主要影響到浯嶼附近養殖區、大小破灶嶼養殖區、中華白海豚外圍保護地帶、漳州開發區雙魚島和南太武沙灘保護區。4個不同潮時發生溢油泄漏12h影響范圍見圖2，一個潮周期內的油膜漂移路徑和海域污染面積見表1。

在東北風條件下，當潮流流速較小時，油粒子被東北向風生流帶至岸邊，并附著于岸邊，無法漂移至開闊水域，不同潮時溢油油膜漂移范圍限于大小破灶嶼至島美前沿之間后石港區海域。低潮時刻溢油影響范圍最大，12h最大污染影響范圍為1.94km2。油膜主要影響到大小破灶嶼養殖區。4個不同潮時發生溢油泄漏12h影響范圍見圖3，一個潮周期內的油膜漂移路徑和海域污染面積見表1。

在東南風條件下，各潮時溢油油膜漂移范圍主要在雞嶼至浯嶼海域，落急時溢油油膜可至雞嶼附近海域，漲急時溢油油膜可至浯嶼附近海域。落急時刻溢油影響范圍最大，12h最大污染影響范圍為31.66km2。油膜將會影響浯嶼附近養殖區、大小破灶嶼養殖區、中華白海豚外圍保護地帶、雞嶼白鷺保護區、漳州開發區雙魚島和南太武沙灘保護區。4個不同潮時發生溢油泄漏12h影響范圍見圖4，一個潮周期內的油膜漂移路徑和海域污染面積見表1。

表1 碼頭前沿(1#點)不同潮時發生溢油后一個潮周內的油膜漂移路徑和污染面積

2.4.2 航道風險溢油模擬結果

在靜風條件下，溢油點附近海域潮流介于旋轉流與往復流之間，油膜所經海域開闊，高潮和漲急時油膜主要往溢油點南面海域漂移，落急和低潮時油膜主要往溢油點北面海域漂移，油膜全潮包絡線呈類橢圓形形狀。在東北風條件下，各潮時溢油的油膜全潮包絡線形狀接近于靜風時溢油的包絡線形狀，位置略向西南偏移。在東南風條件下，各潮時溢油的油膜全潮包絡線形狀接近于靜風時溢油的包絡線形狀，位置略向西北偏移。

在靜風、東北風、東南風條件下，航道風險溢油均是漲急時刻影響范圍最大，12h最大污染影響范圍分別為54.56km2、50.26km2、45.84km2。油膜均未影響到環境敏感目標。不同風況下漲急時刻發生溢油泄漏12h影響范圍見圖5，一個潮周期內的油膜漂移路徑和海域污染面積見表2。

2.4.3 環境敏感目標影響分析

碼頭前沿溢油對后石海域環境敏感目標的影響時間見表3。

3 結 論

本文采用油粒子模型，較好地模擬了靜風、常年主導風向和不利風向條件下廈門港后石海域溢油的漂移路徑和影響程度，預測結果顯示：在一定的時間內，油膜的漂移會對后石海域上層水體及水生生物造成污染，若能及時對溢油采取應急措施，可減小對周圍的環境敏感目標的危害。本文的模擬計算結果可為后石海域突發性溢油事故應急決策和損害評估提供技術支持[7]。

表2 航道(2#點)不同潮時發生溢油后一個潮周內的油膜漂移路徑和污染面積

表3 碼頭前沿溢油泄漏到達主要敏感目標的時間

[1]許文彬.福州港福泰碼頭海上溢油事故影響預測[J].福建水產，2011，33(2)：44-49.

[2]許婷.廈門港劉五店航道海域溢油擴散數值模擬[J].海洋學研究，2011，29(1)：90-95.

[3]王翠，郭洲華，李青生，等.基于MIKE SA 模型的廈門西港海域溢油影響的數值模擬研究[J].應用海洋學學報，2014，33(2)：229-235.

[4]冉玉茹，王學昌.青島港碼頭溢油風險分析研究[J].海洋湖沼通報，2011，(2)：131-136.

[5]邱品賓.廈門灣船舶溢油污染事故危害風險評估研究[D].大連海事大學，2011.

[6]劉欽政，張存智，劉煜，等.渤海溢油數值預報研究[J].海洋預報，2005，22：70-73.

[7]蔡南魁.廈門港嵩嶼項目海上溢油數學模擬分析[J].水運工程，2010，(5)：21-26.

Numerical Simulation of Oil Spill in Xiamen Port Based on Oil Particle Model

CHEN Siting CHEN Chuhan TANG Junjian CHEN Fenggui

(Third Institute of Oceanography，SOA，Xiamen 361005，China)

Based on oil particle model，the oil spill model was built in Houshi Port Area of Xiamen Port，and then the drift path and the influence of oil film were simulated under the calm wind，the dominant wind and adverse wind conditions.One hundred tons and one thousand tons of fuel oil was set as the initial spill in wharf and channel cross point，respectively，to model the oil-spill diffusion process over 12h.Through the simulation of the oil movement，it specifically analyzed the impact of the sensitive goals after the oil spilling.This paper could provide technical support for the oil spill emergency decision-making and its damage assessment.

oil particle model；oil spill；numerical simulation；Xiamen Port

陳斯婷，工程師，研究方向為海洋環境評價與規劃

X21

A

1673-288X(2016)06-0044-04

引用文獻格式：陳斯婷 等.基于油粒子模型的廈門港碼頭溢油影響的數值模擬研究[J].環境與可持續發展，2016，41(6)：44-47.