舟山薄刀咀圍墾工程船舶溢油數值模擬

謝 挺， 王彬諭， 顧一凡， 倪云林， 陳 維

(1. 國家海洋局 東海分局舟山海洋工作站， 浙江 舟山 316022； 2. 廣西交通職業技術學院， 南寧 530023；3. 浙江海洋大學 港航與交通運輸工程學院， 浙江 舟山 316022)

目前，船舶溢油污染已成為一種全球性海洋污染。[1]海上溢油以其突發性、污染的嚴重性和應急處理的艱巨性使其在過去的幾十年里成為破壞海洋生態環境的因素，且呈現出越來越嚴重的趨勢。[2]溢油事故一旦發生，不僅對海洋生態環境造成嚴重的破壞，導致周邊區域內魚蝦貝類中毒甚至死亡，使海鳥的生存受到威脅等，如若溢油登岸，則會使海邊浴場、海岸風景旅游區和濕地保護區等遭受污染；而且嚴重的溢油事故會引發火災和爆炸，破壞船舶或海上設施，甚至造成人員傷亡。[3]因此，建立海上溢油的數學模擬模型，模擬突發性溢油事故后油膜的軌跡，分析和預報溢油的污染范圍，對科學地制定應急搶險計劃和降低溢油損失具有十分重要的意義。

許多學者采用數學模擬模型對溢油擴散進行模擬，匡翠萍等[4]對蓬萊19-3溢油事故進行模擬，得出溢油漂移方向與主風方向一致的結論。宋澤坤等[5]采用MIKE SA 研究溢油對長江口水庫的影響，研究結果表明油膜的運動軌跡除受漲落潮流的主控外還易受風況和長江口水下地形等的影響。黃娟等[6]基于天氣預報模式(The Weather Research and Forecasting Model， WRF)和區域海洋模式系統(Regional Ocean Modeling System，ROMS)研究不同風、流系數及網格分辨率對渤海灣的溢油擴散，以此來提高預測精度。齊慶輝等[7]基于MIKE 21/SA建立京杭運河溢油擴散模型，研究結果表明水動力場和風場對內河溢油擴散有著重要的影響。GORAN等[8]采用Aladin-HR模型研究亞得里亞海北部海洋環流和溢油污染，研究結果表明Porec和Rovinj鎮之間的海岸帶遭嚴重的溢油污染，尤其是持久性布拉風后溢油污染持續好幾天。GUO等[9]采用普林斯頓海洋模式(Princeton Ocean Model，POM)和第3代淺海波浪數值模擬(Simulating WAves Nearshore，SWAN)模型研究溢油擴散、湍流、蒸發、溶解及沿岸沉降，模擬大連海域溢油事故，采用遙感影像對預測進行驗證，其結果表明數模準確性較高。

薄刀咀島位于舟山小洋山東側的沈家灣作業區，西南與沈家灣隔水相望，呈東北—西南走向，陸域面積約0.61 km2，海岸線長約4.84 km，最高點海拔約95.90 m。嵊泗縣擬于薄刀咀島南側海域實施圍墾，形成面積約138×106m2，用于建設薄刀咀綜合配套園區，兼顧商務、休閑和居住等功能。本工程為薄刀咀高端度假區提供建設用地，為嵊泗縣薄刀咀高端度假區提供建設用地，建設一條長1 388 m的圍堤，又通過吹填疏浚土形成252 200 m2陸域，其吹填標高6.2 m。工程區域和驗證站點位置見圖1。本文基于工程前后的地形和岸線資料，采用MIKE21建立薄刀咀海域的潮流和溢油擴散數學模型，研究分析不同風況下圍墾作業船舶溢油的擴散路徑和范圍。

1 數學模型

1.1 模型簡介

MIKE21是丹麥水力學研究所(DHI)研發的通用數學模擬系統，主要模擬河流、湖泊、河口、海洋和海岸的水流、波浪、泥沙和環境變化，為工程應用、海岸管理和規劃提供完備、有效的設計環境。MIKE 21 FLOW MODEL子模塊屬二維潮流模型，根據Boussinesq假設、靜水壓力假設、淺水條件和適定邊界條件，通過控制體積法求解由不可壓縮雷諾平均Navier-Stokes概化的淺水方程。

圖1 工程區域及驗證站點位置

溢出的油體會根據油品、水動力、氣象條件和環境狀況發生復雜的物理、化學變化。溢油在海洋中的行為與歸宿可分為擴展過程、輸移過程和風化過程等3個過程。本文溢油模型是基于歐拉-拉格朗日理論體系，采用“油粒子”追蹤技術，通過對溢油的上述3個過程的模擬，來預測溢油的行為與歸宿過程。“油粒子”模型是近年來新發展的理論，模型的原理是將溢油離散為大量的油粒子，每個油粒子代表一定的油量，先計算各個油粒子的位置變化、組成變化，然后統計各個網格上的油粒子個數和組分含量，這樣可模擬出油膜的濃度時空分布和組分變化。MIKE21SA模塊是基于歐拉-拉格朗日理論體系，通過對“油粒子”在水表面的漂移(水流和風的拖曳作用)、擴展、紊動擴散和風化等各種過程的模擬。模塊考慮眾多因素對溢油的行為與歸宿的影響，已成功應用于黃浦江、甌江口和長江口等潮汐類河口。[10-12]因此，本文對此模塊進行直接應用。

1.2 模型計算范圍及網格

模型計算范圍西起鹽官，北到蘆潮港以北，南到象山以南，東到東經124°，包含杭州灣、舟山群島海域，計算區域的橫向寬約為378 km，縱向長度為216 km，計算面積約為81 648 km2。工程區網格進行加密處理，網格尺度最小為10 m，能夠較好地刻畫項目前沿水下地形及岸線，保證足夠的計算精度。在外海區域，網格相對稀疏，網格分辨率在200～4 000 m，不同尺度網格之間通過設置實現平滑過渡。舟山眾多島嶼導致岸線特別曲折，三角形網格更貼合岸線。因此，模型采用SMS構造三角形網格，工程前模型共有30 546個節點，58 192個單元。工程后模型共有29 776個節點，56 669個單元，工程后網格見圖2。

a) 大范圍網格

b) 局部網格

圖2 工程后模型區域和網格

1.3 模型參數設置

模型糙率采用曼寧系數，數值為0.012～0.014，時間步長由模型自動調節，為0.000 1～30 s，模型計算采用冷啟動，柯朗數限值為0.8。上邊界河流邊界采用流量控制，外海邊界條件采用中國海大模型計算得到的潮位時間序列控制。模型運用動邊界處理技術，模型中干點臨界水深取0.005 m，濕點臨界水深取0.050 m。中國海數學模型的開邊界僅考慮外海的開邊界，且外海開邊界條件為MIKE 21軟件包自帶的全球潮汐模型導出的潮位過程，該潮汐模型是在1992—2002共計10 a的TOPEX/POSEIDON衛星高度計資料基礎上建立的，其分辨率為0.125°，模型考慮的分潮包含:M2、S2、K2、N2、S1、K1、O1、P1、Q1和M4，共計10個分潮。

2 模型驗證

潮位和潮流驗證選取2015年春季水文測驗期觀測資料，驗證站位如圖1所示，潮位和流速流向驗證結果見圖3和圖4。由圖3和圖4可知:工程海域各個實測值與模擬值之間擬合得較好，模型結果基本能反映工程區域的潮流特征，可用于圍墾工程后的溢油預測模擬。

圖3 薄刀咀站潮位驗證示意

a) 1#站點流速

b) 1#站點流向

c) 2#站點流速

d) 2#站點流向

3 計算條件分析

計算溢油點個數取1個，位于南防波堤北側，具體位置如圖1所示，溢油量為45 t。

根據工程區附近小洋山氣象站風速統計歷史資料[13]，計算風況包括：靜風；最不利風向NNW；夏季主導風向SE；冬季主導風向NNE。

溢油泄漏時間不同會造成擴散范圍有所不同，因此分別選取漲潮時刻和落潮時刻作為典型溢油時刻。具體的工況設置見表1，本次溢油擴散預測主要的敏感點有石化碼頭、客運碼頭、洋山風景區、洋山石龍景區、小洋山港口、大洋山鎮、虎嘯蛇島、馬鞍山島等，具體敏感點位置如圖1所示。

表1 溢油計算工況組合表

4 計算結果分析

根據溢油計算結果，分別統計漲潮時刻溢油和落潮時刻溢油在4個風況下油粒子到達敏感點時間和掃海面積。具體分析如下。

4.1 漲潮時刻溢油

靜風漲潮溢油后，受到灣內逆時針環流的影響見圖5，油粒子開始沿著逆時針潮流運動，首先擴散至南防波堤北側灣內，隨后一部分粒子經口門往外擴散并向東運動。在口門外往復流的作用下，先后經過客運碼頭、虎嘯蛇島、筲箕島、石化碼頭等，約15 h后抵達小洋山港和大洋山鎮，后在潮流作用下越過島嶼，擴散至洋山石龍風景區和洋山風景區,見表2。在此過程中，從口門內擴散出來的油粒子不斷增多，粒子擴散范圍不斷增大。12 h后擴散面積約為18.41 km2，24 h和48 h的擴散面積約為189.50 km2和513.21 km2，最終在72 h擴散面積達到1 040.58 km2，影響范圍較大,見表3。典型時刻油粒子的擴散分布如圖5所示。

a) 12 h

b) 24 h

c) 48 h

d) 72 h

表2 靜風漲潮溢油油粒子到達到敏感點時間統計 h

表3 靜風漲潮溢油典型時刻油粒子擴散面積

在NNW和NNE向風漲潮溢油后，在風的作用下，油粒子迅速黏附于南側防波堤上，對周圍的敏感點無影響；在SE向風漲潮溢油后，油粒子迅速黏附于北側圍墾岸線上，同樣對周圍的敏感點無影響。3種風況下油粒子吸附位置見圖6。

圖6 NNW、NNE和SE向風漲落潮時刻溢油油粒子吸附位置

4.2 落潮時刻溢油

靜風落潮溢油后，受到灣內逆時針環流的影響，油粒子開始沿著逆時針潮流運動，首先向南防波堤運動，隨后又向圍墾岸線運動，并隨潮流逐漸擴散至口門。極個別粒子在口門外往復流作用下向西運動，先于絕大部分粒子到達石化碼頭和筲箕島；大量粒子后擴散至口門外，先向東運動后向西擴散至筲箕島、虎嘯蛇島、馬鞍山島等，約21.5 h抵達大洋山鎮。落潮與漲潮溢油類似，在潮流作用下越過島嶼，分別于26.0 h和27.5 h后擴散至洋山石龍風景區和洋山風景區，見表4。靜風落朝時刻溢油油粒子擴散范圍見圖7。對比圖5和圖7不難發現，落潮溢油易導致極少量油粒子短時間向西運動，但大量粒子在口門內滯留時間較長，到達敏感點的時間要晚于漲潮溢油。

表4 靜風落潮溢油粒子到達到敏感點時間統計 h

12 h擴散面積約為9.69 km2，24 h和48 h的擴散面積約為118.21 km2和508.92 km2，最終在72 h擴散面積達到945.12 km2，擴散范圍比漲潮溢油大，見表5。典型時刻油粒子的擴散分布如圖7所示。對比可知，在溢油后72 h，漲潮溢油的擴散范圍略大于落潮溢油的擴散范圍。

表5 靜風落潮溢油典型時刻油粒子擴散面積

在NNW和NNE向風落潮溢油后，在風的作用下，油粒子迅速黏附于南側防波堤上，對周圍的敏感點無影響；在SE向風落潮溢油后，油粒子迅速黏附于北側圍墾岸線上，同樣對周圍的敏感點無影響。落潮時3個風況下油粒子吸附位置與漲潮時相近，如圖7所示。

a) 12 h

b) 24 h

c) 48 h

d) 72 h

圖7 靜風落潮時刻溢油油粒子擴散范圍

5 結束語

基于MIKE 21建立浙江舟山薄刀咀海域潮流數學模型和船舶溢油模型，研究分析漲落潮以及不同風況情形下薄刀咀圍墾工程疏浚船舶溢油擴散趨勢，得到以下主要結論：

1) 漲落潮時，溢油粒子達到敏感點時間差異明顯，落潮時到達敏感點時間短，漲落潮油粒子擴散面積差異也較為顯著，在相同時間情況下漲潮的擴散面積大。

2) 在靜風漲潮下溢油粒子擴散范圍最大，72 h擴散面積最大達1 040.58 km2，約19～21 h擴散至洋山石龍風景區和洋山風景區。

由于防波堤的攔截，在SE、NNE和NNW向風漲潮溢油后未擴散至口外，油粒子迅速黏附到南防波堤或圍墾工程區域，對防波堤口外海域幾乎無影響。