粒子跟蹤法溢油模型在渤海海域的適應性

李云斌， 劉敬賢， 魏蕾， 尹建國

(1.武漢理工大學 航運學院，武漢 430062； 2.天津海事局 船員考試中心，天津 300451； 3.中海石油環保服務有限公司，天津 300451； 4.國家安全水運中心，湖北 武漢 430062)

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粒子跟蹤法溢油模型在渤海海域的適應性

李云斌1，2， 劉敬賢1，4， 魏蕾1， 尹建國3

(1.武漢理工大學 航運學院，武漢 430062； 2.天津海事局 船員考試中心，天津 300451； 3.中海石油環保服務有限公司，天津 300451； 4.國家安全水運中心，湖北 武漢 430062)

針對渤海海域日益嚴峻的溢油風險問題，為選取適用于渤海的溢油模型，對溢油擴散漂移軌跡進行有效預測，在對國內外溢油模型研究現狀分析的基礎上，采用粒子跟蹤法對溢油漂移軌跡進行模擬預測；為驗證預測模型的適用性，采用橙子替代溢油粒子的實驗方法進行驗證，在實驗中觀測船進行不間斷觀測，得出模擬溢油漂浮物漂移軌跡，將觀測數據軌跡與溢油漂移模型計算得出的預測軌跡進行比對，具有很高的擬合度。研究結果表明：采用橙子作為漂浮物進行溢油模擬實驗是科學可行的，進而證明粒子跟蹤法預測油膜漂移軌跡的精度非常高，運用于渤海海域溢油漂移模擬是適當的，對于溢油發生后的應急決策有至關重要的指導意義。

渤海海域；海上溢油；粒子跟蹤法；溢油漂移；漂移軌跡；漂移實驗

所謂“粒子法”是把海上溢油油膜離散化為大量油粒子，每個油粒子代表一定油量。每個油粒子在表層海流作用下漂移，而油膜擴展可以通過油粒子隨機運動來體現。油膜厚度分布通過一定海面面積內油粒子的個數、體積、質量來計算。該預測方法在油膜迎風壓縮和主風向拉伸方面非常具有合理性。

國外學者20世紀60年代開始對溢油擴展進行研究。Fay[1]對于溢油擴展過程提出的三階段理論最為經典，該研究將溢油擴展過程分為三個階段，分別是慣性力、粘性力和表面張力擴展階段并通過實驗得出三個階段擴展公式。但該理論假定油膜始終為圓形并以恒定流或實驗室的靜水條件為前提，與實際情況相差較大，因此該理論與實際測量存在較大差異。后來很多學者對這一方法進行了改進，Lehretal[2]通過海上現狀的觀測，對 Fay理論及其擴展公式進行進一步修正，將風的因素加入到計算油膜擴展的公式中。20世紀80 年代中期之后，越來越多的學者將“油粒子”思想應用到溢油模型中。Johansen和Elliot等提出，“油粒子”思想區別于對流擴散方法模擬溢油過程，它將溢油分成大量小油粒子，基于拉格朗日粒子跟蹤法[3-4]，預測每個油粒子在海水中的漂移軌跡，從而直觀模擬出油膜在風和波浪等作用下漂移的實際情況。各國研究者基于“油粒子”思想對溢油模型進行了深入的研究。本文通過海上試驗獲得的模擬溢油漂浮物GPS數據，驗證“粒子跟蹤法”的預測精度，為渤海海域溢油應急提供了技術支持。

1 溢油漂移模型的建立

本文選取國際流行的“粒子跟蹤法”設計的三維模型對渤海溢油軌跡進行模擬預測。

1.1 油膜擴展輸移預測

剪流和湍流引起的擴散過程屬于隨機運動，可用隨機走動法實現模擬。由于每個粒子的隨機運動而導致整個粒子云團在水體中的擴散過程[5-6]。對于水體表面隨機擴散過程可描述為

rα=R(6kαt)1/2

式中：rα為α=(x，y)方向上的湍動擴散距離，R為[-1，1]間均勻分布隨機數，k為α方向上的湍流擴散系數，t為時間步長。

溢油的漂移是平流過程、擴散過程和風共同作用的結果。

第i個粒子在t時段內的位移可表示為

由于每個粒子代表一定的油量，根據標識粒子所在的位置和所代表的油量可計算溢油的擴展面積，再根據粒子所走過的海域，可計算掃海面積。

1.2 油膜軌跡預測

在環境動力模型提供的環境動力參數的基礎上，采用歐拉—拉格朗日追蹤方法，進行油膜中心軌跡的預測[7-8]。油膜中心漂移速度，取決于海面風速與表層流速，是空間和時間的函數，其值用油膜中心點所在網格點上的速度內插而得。空間每個網格點上的速度在某時刻為

VL=Vr+αVwind

式中：Vr為網格點上表層流速；Vwind網格點上的預報風速；α為風因子，取0.03。

油膜中心點所在位置公式為

式中：S0為初始時刻，S為油膜中心點所在位置。

由于空間和時間不同，流況不同，有時風速、風向也不同，所以在不同地點、不同時刻發生溢油后所追蹤到的油膜中心運移軌跡就不同。

2 溢油漂移模型驗證方案

為驗證“粒子跟蹤法”在渤海海域的適用性，本文采用橙子替代油粒子的實驗方法，對溢油漂移預測軌跡與溢油模擬物漂移軌跡的一致性進行驗證。

試驗時間：2015年8月4日-2015年8月7日；漂流時間：2015年8月7日；試驗時間：6 h(12∶00-18∶00)；試驗地點：東經118°40′00″，北緯38°46′00″。

本次海上實驗設施設備如表1所示。

表1 海上驗證試驗儀器

2.1 實驗漂流物的選取

為了能夠對溢油模型的可靠性進行有效的驗證，選擇合適的漂流物是至關重要的一個環節，基于以下因素，選取橙子作為實驗漂流物：

1)橙子的形狀接近于正圓，因此在個方向上的受力是一致的，與模型中“粒子”的特點相符；

2)經過測量并計算，橙子的密度約為0.93 g/cm3，與渤海海域所產原油的密度較為接近；

3)橙子的顏色為橘黃色，在試驗過程中，便于試驗人員的觀測；

4)橙子是可以食用的，試驗結束后不用進行回收，不會對海洋環境造成污染。

2.2 實驗步驟

1)在陸上(有良好互聯網信號的賓館內)以及船只上，架設好現場紀錄數據用電腦；

2)在船只上，沿下風處投下漂流物，時間最好是可對海面進行正常觀測的范圍(即凌晨6∶00至下午14∶00之間投放)。

3)在接收電腦上連續采集船只的GPS信息。

4)實驗開始前1 h開始，每20 min記錄一次風速風向數據。

5)實驗時間暫定6～10 h(根據海面觀測情況確定觀測時間)。試驗結束后，因水果不會對海洋造成二次污染所以無需回收。

注意事項：船舶在追蹤模擬漂浮物時，要保持船位位于漂浮物下風約50 m處，確保船舶的軌跡與模擬漂浮物的軌跡一致。

3 渤海海域潮流場及氣象條件

3.1 潮汐海流

3.1.1 計算區域設置

本文所建立的海域數學模型計算域范圍為A(大連老虎牙)和B(威海小石島)兩點以及岸線圍成的北黃海及渤海海域，計算域坐標范圍為北緯37°04′14.22″～40°58′08.25″，東經117°29′33.27″～122°4′9.92″。模擬采用三角網格，用動邊界的方法對干、濕網格進行處理。整個模擬區域內由8 121個三角單元組成[9]。

3.1.2 水深和岸界

水深：選取中國人民解放軍海軍航海保證部制作的1∶100萬海圖(10011號)，15萬(11370號、11570號、11710號、11770、11840號、11910號、11932號)海圖以及工程附近海域水深地形測量資料。岸界：采用以上海圖中岸界、908山東省海岸線勘測資料以及工程附近海岸線勘測資料。

3.1.3 大海域模型水邊界輸入

開邊界：全球模型調和求得開邊界的M2、S2、K1、O1、M4和MS4六個分潮調和常數值，并輸入計算模型。

式中：fi、σi是第i個分潮(這里共取六個分潮：M2、S2、O1、K1、M4和MS4)的交點因子和角速度；Hi和Gi是調和常數，分別為分潮的振幅和遲角；Voi+Vi是分潮的幅角。

閉邊界：以大海域和工程周邊岸線作為閉邊界。

3.1.4 計算時間步長和底床糙率

模型計算時間步長根據CFL條件進行動態調整，確保模型計算穩定進行，最小時間步長1s。底床糙率通過曼寧系數進行控制[10]，曼寧系數n取32～55m3/s。

3.1.5 水平渦動粘滯系數

采用考慮亞尺度網格效應的Smagorinsky公式計算水平渦粘系數，表達式如下

3.1.6 潮流場計算結果分析

根據上述模型結合渤海海域的實際情況，通過計算仿真得知，渤海大部分海域潮流為往復流。漲潮時，潮流進入渤海海峽后分流，部分向北流入遼東灣，部分流向渤海灣，部分向南流入萊州灣；落潮時，潮流場結構與漲潮時基本相同，流向相反。漲潮時流速大于落潮時流速。

為驗證潮流場計算結果的準確性，選取了5個觀測點進行實際觀測，經過實際觀測可發現計算流速與實測值之間存在10%的誤差，經過計算可得模擬流速在3～4 h小于實測流速10 cm/s，在6 h內將會出現1.08 km的誤差。

3.2 實驗氣象條件

實驗所在海域氣象條件如下：實驗時間選擇在2015年8月7日中午12∶00至下午18∶00，當天天氣晴、能見度大于5 n mile，氣溫30℃，偏南風3～4級，氣壓101.5 kPa，流向偏南，流速小于1.2 kn。

4 溢油漂移模型驗證實驗

4.1 目標跟蹤

試驗測試人員投放漂浮物(橙子)，沿船只下風處投下漂流物，投放時間為12∶00，可對海面進行正常觀測。同時，觀察漂流物吃水及匯集漂浮狀態。

圖1 投放漂流物Fig.1 Drifting material

按照溢油的類型，觀察漂流物在海上的漂浮情況，通過船舶自帶GPS定位系統連續跟蹤定位漂浮物位置信息數據，并對地理數據進行漂移路線繪圖。

8月7日12∶00分投放漂流物，投放漂浮物后，設備信號接收情況正常，通過船舶GPS定位系統進行連續跟蹤監測。漂流物從(118°40′00″，38°46′00″)地理位置投入海水后，在漂移過程中受試驗海域的風力和洋流影響，漂移方向出現了四次變化比較大的拐點。

第1次(2015年8月7日13∶20分)由西北方向變為向西南方向，第2次(2015年8月7日15∶07)由偏西方向變為偏南方向，第3次2015年8月7日16∶38)由南偏西方向變為南向，第4次(2015年8月7日17∶18)由南偏西方向變為南向。在試驗過程中，監測船于8月7日12∶00分從開始跟蹤漂浮物，對漂浮物進行中遠距離跟蹤監測。監測船連續跟蹤6 h后，于18∶00分左右開始返航。8月7日19∶00左右，監測船再次出發，根據定位坐標信息在指定海域發現投放漂流物，因水果不會對海洋造成二次污染所以無需回收，試驗結束。

圖2 監測船跟蹤漂流物Fig.2 Monitoring ship tracking drift

圖3 監測船根據定位信息發現漂流物Fig.3 The monitoring ship finds the drift according to the location information

4.2 衛星遙感監測

試驗過程中預先準備投放的橙子數量約為1 000余個，橙子的顏色與海水的色差較大，便于觀察與跟蹤，同時，如果入海時間過長容易造成目標物漂移分散，不便于試驗的觀察和跟蹤，所以此次試驗時間設定為6 h。

基于以上情況，根據試驗監測要求，本次訂購的衛星遙感影像圖可對漂流物進行位置信息跟蹤。

圖4 試驗訂購衛星遙感影像數據Fig.4 Test for satellite remote sensing image data

圖4為針對本次海上驗證試驗方案，訂購(118°40′00″，38°46′00″)位置的衛星遙感影像數據，衛星過境時間為8月7日16∶45。

5 溢油漂移驗證實驗數據分析

5.1 試驗數據

試驗結束后，試驗技術人員以30 min為一段時間，將本次參加試驗的漂流物位置及距離進行分析。其漂移坐標及累計漂移距離如表2所示。

表2 漂流物位置及距離

5.2 對比驗證

試驗結束后，試驗技術人員將漂流物的定位漂移數據與漂移預測數據進行對比，從漂移路線，漂移趨勢等方面進行研究。

由圖5 給出了GPS跟蹤試驗得到的實測漂移軌跡和漂移預測計算得到的漂移軌跡，分別為圖中的右下和左上軌跡。圖中可以明顯看出試驗過程中漂移方向的幾次轉變。其中，從起始位置至第二次轉變位置附近，實測漂移路線和預測系統模擬的路線吻合度很高，之后，二者雖出現偏差，但是整體來說，實測的漂移軌跡與溢油漂移預測的軌跡趨勢保持一致，累計漂移距離、漂移速度一致，且6 h內最大距離差為1.2 km，經計算誤差小于10%。

圖5 試驗數據與預測數據對比驗證Fig.5 Comparison of test data and prediction data

本次研究試驗后期實測的軌跡和預測模擬的軌跡出現偏差，風速較大時漂移速度小于實際油膜漂移速度，漂浮物不能以實際油膜漂移速度漂移，導致漂移路徑和模型預測路徑出現一些偏差。隨后，由于試驗誤差累積效應，偏移距離隨試驗時間逐漸增大，但從試驗漂移軌跡趨勢、漂移距離、漂移速度等各方面均與預測結果具有較高的擬合度。

6 結論

本文以橙子作為漂流物替代溢油油膜，對粒子跟蹤法溢油模型在渤海中的適應性進行實際試驗，對試驗數據和模型計算數據進行對比，可得到結論：

1)漂流物與溢油模型預測軌跡之間存在10%的誤差，與潮流場誤差一致，可知潮流場誤差是造成模擬誤差的主要原因。

2)經過驗證實測數據和模型計算數據之間存在的誤差小于10%，在可接受范圍之內，表明粒子跟蹤法溢油漂移預測模型能有效適用于渤海海域。

3)研究表明應用橙子作為漂流物替溢油進行海上試驗驗證溢油模型的方法是科學可行的。

4)經驗證適用于渤海海域的粒子跟蹤法溢油模型能夠對渤海海域的溢油應急預警提供決策支持，進一步提升了渤海海域的溢油應急預警水平。

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Adaptability of an oil spill model by particle tracking in the Bohai Sea

LI Yunbin1，2， LIU Jingxian1，4， WEI Lei1， YIN Jianguo3

(1. School of Navigation， Wuhan University of Technology， Wuhan 430062， China; 2. Seafarers Examination Center， Tianjin Maritime Safety Administration， Tianjin 300451， China; 3.China Offshore Environment Services， Tianjin 300451， China; 4.National Engineering Research Center for Water Transport Safety， Wuhan 430062， China)

To establish a spill model suitable for the Bohai Sea， we effectively predicted oil spill and drift diffusion paths based on the status of marine oil spill risk in this area. Using analysis of current domestic and overseas oil spill models， an oil spill trajectory was simulated and predicted using the particle tracking method. To verify the applicability of the prediction model， oranges were used instead of oil spill particles. During the experiment， the observation ship worked continuously to obtain the oil spill drift trajectory. The observed data and the results calculated from the oil spill and drift model showed a good fit. The research result shows that it is scientific and feasible to use oranges as floaters in oil spill simulation experiments. In addition， the results show that the particle tracking method is accurate for predicting oil film trajectories. Using the particle tracking method in the Bohai Sea has a significant meaning for emergency decisions after oil spills.

Bohai Sea area; offshore oil spill; particle tracking method; oil spill drift; drift trajectory; drift experiment

2015-12-24.

日期：2017-03-17.

國家自然科學基金面上項目(51479156).

李云斌(1981-)， 男， 工程師，博士研究生； 劉敬賢(1967-)， 男， 教授，博士生導師； 魏蕾(1985-)， 女， 律師，博士研究生.

魏蕾，E-mail：18802767286@163.com.

10.11990/jheu.201512080

X55

A

1006-7043(2017)04-0527-05

李云斌， 劉敬賢， 魏蕾，等.粒子跟蹤法溢油模型在渤海海域的適應性[J]. 哈爾濱工程大學學報， 2017， 38(4): 527-531.

LI Yunbin， LIU Jingxian， WEI Lei， et al.Adaptability of an oil spill model by particle tracking in the Bohai Sea[J].Journal of Harbin Engineering University， 2017， 38(4): 527-531.

網絡出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20170317.0858.002.html