海上溢油模擬預測預警研究進展

鹿宏宇，蔡 宇，宋 軍*，郭俊如

（1.大連海洋大學海洋科技與環境學院，遼寧 大連 116023；2.大連海洋大學應用海洋學研究所，遼寧 大連 116023）

近幾十年來，隨著經濟的飛速發展，社會生產活動對石油需求大幅度增加，加之陸上石油資源儲備不斷減少，各國紛紛將目光投向海洋。海洋石油的開采、運輸和儲存活動日益頻繁，不可避免地伴隨海上石油溢漏的風險，如果發生漏油事故，對海洋生態環境、經濟的發展和社會穩定的危害不可估量。海洋溢油根據溢油位置可以分為海面溢油和水下溢油，海面溢油主要是由海上石油設施故障、船舶觸礁、碰撞等事故引起的，水下溢油是由沉船溢油、井噴、海底輸油管線破裂等造成的。當溢油事故發生后，部分油粒子不斷分散沉降在水環境中與泥沙相互作用，是溢油行為和歸宿的重要部分。由此，溢油模擬預測預警對制定溢油應急措施具有重要意義。

在海面石油發生泄漏后，油膜受海水密度、溫度、鹽度等因素的影響發生多種物理、化學和生物變化過程，如擴展、分散、蒸發、乳化、沉降及生物降解等，針對溢油行為和歸宿特征，研究者構建出不同的模型，具有代表性的Fay 油膜擴展[1]及其改進模型[2]、溢油風化模型[3-4]、漂移擴散模型[5]和油粒子模型[6]。與海面溢油不同，水下溢油在深水環境中的輸移擴散行為難以預測，2010 年美國墨西哥灣“深水地平線”和2011 年“蓬萊19-3”溢油事故的發生使得水下溢油預測成為熱點。目前水下溢油模型以質量守恒、動量守恒和能量守恒等控制方程為基礎，較為成熟且應用廣泛的有DeepBlow[7]和CDOG（Comparison Deepwater of Gas）[8]深海溢油模型。同時，也有許多學者研究了油粒子在水中沉降過程與懸浮泥沙顆粒物相互碰撞的過程，建立油—泥沙相互作用模型[9]。溢油數值模型的不斷發展和完善可以大大減少溢油事故帶來的環境損失和經濟損失，具有實際應用價值。

海上溢油事故發生后，通常采用物理方法（圍油柵、吸附沉淀等）和化學方法（燃燒、集油劑、凝油劑等），以及生物凈化法來減輕或控制污染[10]。但無論采取何種措施都無法完全將油污清除，石油泄漏到海洋中蒸發、溶解、沉降至消失，將對海洋環境和海洋生物產生不利影響。為了增強海上溢油事故的應急反應能力，相關溢油預測預警系統研究是應對海上溢油的關鍵技術，可為海上溢油應急響應工作提供理論支持，促進我國海上航運業的長期穩定發展[11]。

1 海面溢油模型

當海面溢油發生后，在海面上會形成一定范圍的油膜，受到風、海流影響的同時，其自身也在不斷擴展，并隨著時間推移不斷蒸發、乳化及沉降。早期，油膜的擴展范圍和變化受到研究者的廣泛關注，BLOKKER P C[12]根據油膜質量守恒定律，在自由平面上建立了油膜擴展直徑公式，但只考慮了溢油體積和重力因素。FAY J A[1]針對油膜擴展階段提出三階段理論，運用最為廣泛并與實際溢油擴展更為接近，該理論綜合考慮了重力和慣性力、表面張力及粘性力的作用，將油膜擴展過程分為3 個階段：重力和慣性力作用階段、表面張力作用階段和粘性力作用階段，不同階段油膜直徑的數學模型分別如下。

重力和慣性力作用階段：

表面張力作用階段：

粘性力作用階段：

式中，D 為油膜直徑；K1、K2、K3為不同擴展階段的經驗系數；ρw為海水密度；γ=1-ρ0/ρw，ρ0為油的密度；δ 為水、油、空氣三者之間的表面張力系數；vw為水的運動粘滯系數；g 為重力加速度；V為溢油的體積；t 為時間。以擴展直徑大小是否相等為依據來區分各個階段，當δ = 0 時，擴展直徑達到最大值，假設油膜直徑不變，油膜表面積Af見式（4）。

Fay 三階段理論提出后，許多學者在其基礎上不斷改進，構建出更多新的擴展模型，MACKAY D等[3-4]在油膜表面張力擴展階段通過記錄觀測數據，考慮了風化作用對油膜的影響，建立了厚油膜和薄油膜的擴散模型，LEHR W J 等[2]全面考慮了風場和流場對油膜的影響，得出油膜在海面上是以近似橢圓形擴展，并與風向保持一致，模擬結果與實際相符，可廣泛應用于海上溢油預測。

隨著海面溢油模型的不斷發展，油粒子模型日趨成熟，最早是JOHANSEN O[13]和ELLIOTT A J 等[14]基于蒙特卡羅粒子追蹤的方法，將油膜在水中視為眾多離散的粒子，每個油粒子含有一定量的油，在海洋復雜的水動力環境下，溢油隨著剪切流和湍流等隨機運動，一定海水表面積內油粒子的質量、體積和個數分布不同厚度的油膜，溢油的蒸發和乳化等作用反映在油粒子質量的損失上，每一個粒子都是獨立運動的，不會相互干涉，所有的油粒子必須追蹤到同一時刻才能進行下一步監測。油膜的擴散也是油粒子的擴散，由于油粒子粒徑大小、剪切流和湍流等作用的影響，可以用類似于布朗運動模擬油粒子的不規則運動，而平流過程模擬可用拉格朗日方法[15]。油粒子概念是基于輸移擴散過程提出的，符合質量守恒方程，計算不是對方程的求解，而是對粒子軌跡的計算，可以模擬出溢油在重力擴散后的擴展現象，也能準確地描述出各個海流動力因素的影響程度，定量化描述油粒子擴散方程的物理過程。

油粒子軌跡預測采用拉格朗日粒子追蹤模擬，將溢油分離擴散成大量的油粒子，由于油粒子自身的體積、質量、濃度、位置等物理屬性，在海浪、海流和湍流等水動力作用下，油粒子在隨機運動下主要進行平流和湍流擴散兩個過程。而后HUNTER J R[16]、AL-RABEH A H 等[17]、WANG S D 等[18]、DASANAYAKA L K 等[19]不斷對拉格朗日在溢油方面的運用進行發展和完善，使得該方法能夠較為契合地模擬溢油在海面的真實擴散過程。

油粒子的三維運動如下。

式中，S =（x，y，z）代表油粒子的位移矢量，x，y，z 代表油粒子的三維坐標；V 是通過海洋模式計算得出的近似海流速度；wb為油粒子的浮力速度，與油粒子的密度和直徑大小，以及海水的粘度和密度有關，具體計算時可依據油滴直徑的不同使用雙方程計算[6]；V10表示風應力作用，V10=α（u10cos β+v10sin β，-u10sin β+v10cos β），u10、v10為海面10 m 高度的風速分量；k 為常數，與油品性質相關；V′是隨機變量，代表湍流擴散作用，可按照式（6）計算。

式中，R 為在區間[-1，1] 內分布均勻的隨機數；Kh和Kz分別表示水平擴散系數和垂向擴散系數；Δt 為油粒子位移時間差。現將擴展模型和油粒子模型綜合考慮，模擬的結果與實際更加接近，但仍沒有解決油品性質對油粒子漂移擴散軌跡的影響，還需不斷改進。

2 水下溢油模型

在水下高溫低壓的環境中，溢油的輸移擴散過程不能得到有效觀測，污染物的輸移動態范圍不能確定，使得污染清除難度增加。

由于早期的淺水水域集中了大量的油氣開發設施，最早的水下溢油模型實驗研究也是由淺水模型開始。早在20 世紀70 年代，MCDOUGALL T J[20]、FANNELOP T 等[21]、MILGRAM J H[22]、LEE J H W等[23]、YAPA P D 等[24]和RYE H 等[25]在淺水水域建立水下溢油模型。在近水水域，浮射流理論廣泛應用于溢油輸移擴散，FANNELOP T 等[21]、MILGRAM J H[22]考慮垂直方向浮射流的作用，在水下井噴模型的基礎上研究出溢油擴散的計算模型，但對周邊流體環境的影響分析方面存在缺陷。

后來的研究主要致力于深水溢油模型的發展，以挪威JOHANSEN ?[7]建立的DeepBlow 深海溢油模型和美國ZHENG L 等[8]建立的CDOG 模型為代表，在深水環境中可以預測模擬出油粒子的行為和歸宿。國內學者針對水下溢油數值模擬取得了相關成果，如王晶等[26]根據渤海海底管道出現的裂痕和被腐蝕的小孔而發生的溢油建立蠕孔溢油預測模型，高清軍等[27]針對海底輸油管道破裂溢油現象建立二維水下溢油模型，模擬結果表明管道內壓力和水流速度是影響溢油量和溢油行為歸宿的重要原因，楊毅[28]運用拉格朗日法模擬海底管道溢油的輸移擴散行為，亓俊良等[29]建立深水溢油模型模擬油氣在上升過程中各種行為過程，陳海波等[30]基于拉格朗日積分法和粒子追蹤法分析了影響溢油在水下擴散過程的因素，建立羽流動力擴散模型，廖國祥等[31]通過水下溢油浮射流的物理模擬實驗，分析出當橫向水流速度大時，浮射流的軌跡彎曲程度越明顯。也有部分學者如WANG S 等[32]、WANGC 等[33]、GUO W J等[34]、LI Y 等[35]針對渤海海域開展溢油數值模擬研究，而后CHEN H 等[36]建立了一個深水區水下溢油的模型，并結合實驗數據資料對模型進行了驗證，在南海深水區油氣田區塊的水下溢油事故的數值模擬過程中得到應用。與國外相比，國內對水下溢油輸移擴散的研究主要在淺海區域，深海溢油模型研究還比較少。

當原油在海底泄漏，油膜到達海面的時間與泄漏速率、泄漏直徑、流速和原油密度等因素有關，其漂移擴散范圍隨原油的密度、流速、泄漏直徑和泄漏速率的增大而增大[37]。在海洋環境中油粒子的輸移擴散過程主要分為3 個階段：噴發階段、浮射羽流階段和平流擴散階段。噴發階段主要發生在距泄漏源幾米的范圍內，在壓力作用下油氣混合物連續噴出進入水體后，受到水環境的影響破裂為油滴和氣泡，破裂油滴的大小對其進入浮射羽流階段的擴散運動有很大影響。溢油在運動幾米后其初始動能很快消失殆盡，隨之進入浮射羽流階段，在高溫低壓的環境中部分氣泡與海水混合形成水合物，水合物在水環境的浮力作用和卷吸作用下不斷抬升，密度也更加接近周邊海水的密度，這是羽流上升時的自發過程，如果氣體在上升過程中消失，羽流速度會變慢，在水中漂移時間變長，則有更多的氣體會溶于水中。當浮射流與較強的橫向水流相遇時，氣泡將與浮射流逐漸分離，油滴成長到一定程度后，油滴開始逐漸失去浮射動力，隨著周邊水環境的作用向不規則方向輸移擴散，溢油過程進入平流擴散階段。油滴的運動狀態與其粒徑大小有關，較小的油滴保持懸浮狀態，較大的向上漂浮至海面，擴散形成油膜。

在噴發階段和浮射羽流階段也含有較弱的平流擴散作用，3 個階段沒有明顯界限，在每個階段中都有各個階段的存在，只是主導因素不同。前兩個階段都是將水和少量溢油作為一個整體，考慮了油與周圍水的相互作用，可以用羽流動力模型模擬，對流擴散階段溢出的油被離散，可以使用平流擴散模型模擬。羽流動力模型利用拉格朗日積分法將沿著軌跡中心線的油粒子視為控制單元體，它們之間互不影響，控制單元體的運動軌跡滿足質量守恒、動量守恒和能量守恒方程，綜合所有控制單元體的運動漂移軌跡得到溢油擴散軌跡，控制單元體中的濃度變化也是溢油濃度的變化，如圖1 所示為羽流動力模型的控制。其中，每個控制單元體的厚度為h= |v |Δt，|v |為浮力射流速度，Δt 為時間間隔，Δt=0.1 b0/|v |，b0為控制單元體釋放點半徑，質量為m=ρπb2h，b 為控制單元體的半徑，ρ 為控制單元體的密度。溢油在真實的水環境中，作用于羽流表面與水體之間的卷吸作用是影響羽流形態和擴散軌跡的主要因素，根據FRICK W E[38]和LEE J H W等[23]研究，卷吸體積通量Qe計算為：Qe=Qs+ Qf，其中，Qs和Qf分別表示剪切卷吸體積通量和強迫卷吸體積通量。在平流擴散模型中，每個控制單元體代表一組大小相同的油滴，油滴的大小與油品的密度、界面張力、粘度及初始動力條件等因素有關，當各個控制單元體被引入到羽流作用的最后位置，最終會隨著剪切流、湍流和浮力移動。目前在水中油粒子的漂移擴散軌跡方面忽略了沉降過程，使得模擬結果不是足夠精確，因此，有必要研究油粒子與水中泥沙懸浮物的相互作用。

圖1 羽流動力模型的控制單元體示意圖

3 油—懸浮泥沙相互作用對溢油的影響

溢油存在于富含泥沙沉積物的水域時與泥沙相互作用，是油粒子分散在水中的一種行為和歸宿，同時也是水環境自然清除溢油的過程。當油滴與泥沙相碰撞時會形成聚合體，并通過毛細作用和表面活性離子作用，碰撞和溶解的油滴吸附在沉積物中，這個過程會改變溢油和泥沙的輸移擴散路徑。在水環境中泥沙濃度較高時，對油粒子的作用不容忽視，對溢油軌跡預測和應急對策具有重要意義。

近年來，油—沙相互作用已被確定為近海岸石油運輸的重要過程。溢油以兩種方式與泥沙相互作用，一種是油滴與泥沙形成聚合體[39-40]，溶解后的油可分解為沉積物[41]，由于沉積物攜帶有油滴，使溢油的輸移路徑發生變化，另一種是當溢油大量噴出時會改變泥沙的運動軌跡，沿海水域湍流度越高，油沙的碰撞過程越明顯。對于溢油與懸浮泥沙的相互作用，自二十世紀八九十年代以來有許多學者進行了大量研究，LICK W 等[42]研究了湖泊中的流體剪切和沉積濃度對細粒沉積物的作用，SHRESTHA P L 等[43]擴展了二維平均有限元模型，以預測泥沙沉積物輸入河口系統的時空分布，WINTERWERP J C[44]提出一個簡單的模型來描述細粒粘性沉積物中聚合體的演變過程，該模型結果與實際觀察到的聚合體尺寸具有一致性，WEISE A M等[45]通過模擬環境條件下的搖瓶實驗，油—礦物的相互作用促進了細菌的生長，并加快烴類降解的速度和程度，這些結果支持了油礦相互作用對加速海岸線清理技術的應用，而后MUSCHENHEIM D K等[46]將碳氫化合物分配到沉積物上是地表油的主要去除途徑，而不是油—泥沙的聚集，油—泥沙相互作用能夠顯著影響溢油的垂向分布，使得海面油量減少，水中油量增多，SPAULDING M L[47]對相關的工作進行了綜述研究。水體中的溶解油部分被分成懸浮沉積物，而將溶解油中的沉積物析出可得到水體，當溢油量較大時，盡管溶解油所占比例較小，但其影響不容忽視，最終石油分離的沉積物會沉降，這也是一種溢油自然凈化的過程，例如，在波羅的海的Tsesis 號郵輪溢油事故中，300 t 泄漏的石油中約有10%～15%是被分離的泥沙沉積物[48]。

懸浮泥沙濃度是水體中油—沙聚合物形成的關鍵因素，在海洋環境中，由于泥沙沉積和在水下的再懸浮，懸浮泥沙濃度會隨時間變化，因此，更好的模擬油—沙相互作用需要考慮懸浮泥沙的輸移路徑。而粘性和非粘性沉積物都可以與油滴形成油—沙聚合體，前者占主導地位，當沉積物存在于鹽水中時，往往變得更有粘性。粘性沉積物相互碰撞導致聚合，由于其密度和沉降速度等特性的變化，沉積物的水動力特性也隨之變化[49]，由此，河床的沉積可以大量去除水體中泥沙，而由于有效面積的變化，碳氫化合物的分配也會發生變化。因此，考慮粘性沉積物的聚合性對泥沙輸移建模非常重要，BANDARA U C 等[9]提出一個模擬溢油輸移擴散行為的油—泥沙懸浮物相互作用的模型，并運用該模型使用多源匯項的三維平流擴散方程計算不同類型的油、泥沙沉積物、聚合體的形成和歸宿，并模擬出近岸水域油與泥沙懸浮物的相互作用，并將模型運行結果與實驗數據進行對比分析，研究結果表明高達65%的釋放油可能會以聚合體的形式在水體中除去，當油粒子和沉積物粒徑越小（小于0.1 mm），形成聚合體的數量就越多，泥沙沉積物吸附作用的油量比油—沙聚合體中的油量少4～5 個數量級。油粒子與懸浮泥沙之間除了聚合作用，也有少部分油量會與泥沙互相吸附，由分子間的相互作用力引起的“活性離子吸附”和“毛細吸附”，懸浮泥沙模擬是一項復雜的工作，會受到溢油量、水動力環境等因素的影響，油—沙相互作用的研究仍任重道遠。

3.1 聚合體的形成

由于剪切流和不均勻的沉降速度，會引起油—泥沙聚合體的相互碰撞，根據不同物質種類、不同粒徑大小等級的聚合率如下。

總聚合率表示如下。

3.2 聚合體的密度與沉降速度

由于聚合體密度影響沉降速度，所以聚合體密度可靠估計是重要的。海底石油泄漏后，石油的密度變化很小，懸浮泥沙聚合體的密度主要取決于泥沙顆粒最初的密度及其堆積的性質。而聚合體因聚集過程不斷變化，組合密度取決于聚合體中各組分的密度和性質。

聚合體的密度ρf可利用油的密度ρo和泥沙的密度ρs進行計算。

式中，ρw為水的密度；xo為油粒子的體積分數，xo=Vo/Vf；xs為泥沙顆粒的體積分數，xs=Vs/Vf，其中，Vo、Vf和Vs分別為油的體積、聚合體的體積和泥沙的體積；e 為聚合體的孔隙率，計算公式如下。

F 為分形維數，計算如下。

聚合體的沉降速度計算公式如下。

式中，μ 為動力粘度；Rep= wsD/v；g 為重力加速度。

3.3 聚合體的碰撞率

碰撞率是油—泥沙聚合體成功聚合的次數與碰撞事件總數的比率，聚合取決于顆粒大小、沉積物陽離子交換容量、鹽度和水溫環境等物理或化學性質。MCANALLY W H 等[49]考慮了所有可能控制參數影響的碰撞率表達式，但由于一些參數如陽離子交換容量不易計算，所以表達式的可用性會受到限制。

油粒子與懸浮泥沙的相互作用對溢油的行為和歸宿有著不可忽視的影響，能夠為海上溢油預測和環境損害評估提供理論指導和技術支持，具有實際社會效益和經濟效益。

4 溢油預測預警系統

在數值預測模型發展的基礎上，國內外學者在相關海域建立和完善了海上溢油預測預警系統，在國際上主要有美國研制的OILMAP、英國開發的OSIS 遙感監測系統、意大利的BOOM 系統和MEDSLIK-II、挪威的OSCAR 系統和西班牙研發的MOHID-TESEO 系統。這些模型有著各自的特點，如美國ASA 公司研發的OILMAP 系統，可以根據不同需要進行二維或三維溢油溯源與歸宿計算模擬，也可以將系統模塊有機結合，對海洋資源環境進行風險評估；OSCAR 由挪威科技工業研究院開發，不僅可以模擬出溢油的漂移擴散軌跡，還可以模擬溢油深度、濃度和近海岸的油污吸附程度；MEDSLIK-II 是模擬支持石油泄漏緊急情況的短期溢油預測二維模型，采用拉格朗日模型和歐拉環流模型相結合的方法模擬溢油在海水中的漂移、擴展和分散過程[50]。以MEDSLIK-II 模型下測試的2008年8 月6 日阿爾及利亞溢油事件為例，大約在（38.240°N，5.981°E） 附近溢油總量達680 t，每1 h 更新一次流速，每6 h 更新一次風速，模擬了36 h 油膜的漂移軌跡，輸出結果如圖2 所示。

圖2 ALGERIA 測試用例輸出圖

現今國際上最先進的海上溢油模擬工具之一是荷蘭的Delft3D 模型系統，能夠對各個模塊進行耦合，實現三維水動力模擬，可廣泛用于多種水域。同時，溢油模擬也有很多較為成熟的軟件，如丹麥Delft3D-PART 是其中的一個模塊，可以對溢油的輸移擴散進行模擬，根據拉格朗日算法建立三維粒子跟蹤模型，通過模擬油粒子隨時間的變化預測油膜的輸移動態。溢油是由無數油粒子組成的油膜，油粒子隨著水流的水平方向和垂直方向輸移擴散，Delft3D-Part 模塊對不同原油性質，結合風的對流效應和科氏力效應，進行三維模擬溢油的遷移、蒸發、乳化和沉降。

近十年來，我國海上結合數值模擬、遙感衛星監測、雷達與航空監測等先進方式建立了溢油預測預警系統。國家海洋信息中心李歡等[51-52]根據海洋動力要素以及系統可視化和業務化應用（圖3），以GIS（Geographic Information System）技術為支撐平臺，集成基礎地理信息子數據庫、海洋環境信息子數據庫以及油品子數據庫和數值模擬預測模型，與海洋潮流場和風場預報環境子系統相互耦合，建立了中國近海海上溢油預測預警系統，當溢油事故發生后，及時調用應急數據庫，啟動系統對溢油區域進行模塊一體化計算，可以清晰地看到油膜的漂移軌跡，預測油膜抵岸或到達環境敏感區的時間，從而及時展開應急救援行動，發出溢油預警和應急部署。

圖3 系統界面可視化

此外，中國海洋大學焦俊超[53]通過集成GIS 系統與溢油模型研發了渤海灣溢油預測系統，大連海事大學張曉霞[54]開展了遼東灣海域溢油應急決策支持信息系統研究，王永剛等[55]基于Visual C++開發了我國近海海域溢油預報系統，通過考慮油粒子的漂移、蒸發和乳化等過程實現溢油軌跡預測，并已成功應用于溢油應急演習。這些系統具有相同的特點，具體表現如下。

（1）各系統主要運用油粒子模型，將“油粒子”概念與溢油在海上輸移、擴展、沉降、蒸發和乳化等過程相結合計算溢油的輸移軌跡，是溢油預測的常用模型，預測結果與實際軌跡具有高度的一致性。

（2）各個系統都實現了模塊化集成，根據不同功能分為不同模塊，各個模塊分工合作，將信息有序傳遞，最后集成匯總，提高了溢油應急反應速度。溢油預測模塊主要進行溢油行為預測，潮流模塊預報潮流，大氣模塊預報海面風，各個模塊之間又將信息相互傳遞，例如，大氣模塊中收集的風向、風速等信息驅動潮流和海浪模塊的運行，預報的風場和流場信息傳遞給溢油預測模塊進行溢油輸移擴散行為預測，再結合油品數據庫，計算出溢油的蒸發量、乳化量、溶解量，以及溢油面積和溢油體積等信息，各個系統之間相互獨立又緊密聯系，如圖4 所示。

圖4 系統功能劃分

（3）可視化的系統構建。中國近海海上溢油預測預警一體化系統是通過GIS 技術提供了各類數據的可視化，使用戶能夠更為直觀的獲得對溢油事故狀態和發展趨勢。以電子海圖、衛星遙感圖像和電子地圖為基礎，利用各個系統專業模型預測的信息，傳輸到網頁或數據庫中，再對信息進行集成分析。

所有系統側重預報模塊的附加功能和針對性不一樣。在附加功能方面，一些系統不僅可以進行溢油預測預警，還可以針對環境敏感區域進行風險評估，制定溢油應急方案。如YU F J 等[56]基于渤海海域28 個石油平臺的溢油軌跡和沿岸地區環境敏感性，確定了5 個溢油高風險區。也有部分系統能夠根據溢油模擬結果做出資源應急調配方案，中國近海海域溢油預測系統和OSIS 系統實現了這一功能。在海域針對性方面，OILMAP 商業系統和GNOME開源系統能夠在任何海域進行預測預警，并提供相應的基礎地理信息位置。而對于OSIS、MOHID、BOOM，以及中國近海海域溢油一體化多節點的預測和應急反應系統等非公開性系統，只能用于其所屬國家的近海海域漏油事件。

5 結 論

首先，本文以溢油發生的位置不同為切入點介紹了海面溢油模型和水下溢油模型，在海面溢油方面，油膜擴展的范圍與厚度變化是研究者普遍關注的問題，Fay 預測理論將油膜擴展過程分為重力和慣性力、表面張力、粘性力擴展3 個階段，而后基于拉格朗日粒子追蹤法的油粒子模型模擬能夠更接近海洋溢油的真實擴散過程；其次是水底溢油預測模型，由于油粒子在不同深度水域的受力不一，主要分為噴發階段、浮力羽流階段和平流擴散階段，前兩個階段將溢油作為一個整體進行研究，模擬采用羽流動力模型，第三個階段中油團破裂為大量油粒子，在水中運用平流擴散模型模擬；最后，針對溢油在水中與油沙的相互作用，詳細地分析油與泥沙顆粒物的作用對溢油的影響，基于油滴與泥沙的碰撞理論建立模型，并被進一步用來預測油的種類和混合能量對油—顆粒物聚合作用的影響，但目前我國對油和泥沙相互作用研究較少。溢油數值模擬需要綜合考慮多種行為和歸宿，各類模型模擬預測準確度會受到不同海域環境場數據精度、油品種類、模型參數（擴散系數、蒸發系數）等的影響，針對我國近海海域進行分區，計算不同油品性質的模型參數并建立數據庫將是一項有意義的工作。

隨著溢油事故的頻繁發生，預測預警系統是保障海上安全的重要措施，國內外的溢油預測預警系統在油粒子模型的基礎上，以GIS 系統為支撐平臺，包含多個環境預報子系統及溢油應急數據庫，實現了模塊化、可視化，對溢油擴散行為和歸宿的展示更為直觀。目前，國內外仍在不斷改進溢油預警系統，針對重點油港和航運建立的預測預警信息服務平臺包括海上溢油監測、模擬、預警，以及資源調配和生態經濟損失評估的完整過程，系統的集成和優化部署是未來研究的重要內容，不同的溢油預測預警系統在各個沿海國家溢油應急響應工作中發揮著極其重要的作用，也代表著海上溢油應急預測預警領域的最高水平。