“深水地平線”事故深海溢油輸移擴散的數值模擬

摘要：為深入認識深海溢油輸運過程和提高深海溢油事故的應急響應能力，文章以2010年墨西哥灣“深水地平線”事故為例，采用深海溢油輸移擴散模型，以三維流場和海面風場為主要環境動力，數值模擬溢油深海泄漏后的浮射擴散、水體中輸移擴散以及在風場和流場共同作用下在海面上輸移擴散的全過程，同時模擬實施海底消油劑噴注處理措施后溢油輸移軌跡和擴散范圍的變化。研究結果表明：數值模擬結果與相關報道的懸浮油帶實際觀測結果以及美國國家海洋與大氣管理局的海水異常遙感監測結果總體相符，可為更加全面和精細的深海溢油輸移擴散數值模擬研究奠定良好的基礎。

關鍵詞：深海溢油;輸移擴散;數值模擬;懸浮油帶;海底消油劑處理

中圖分類號： X55;P76文獻標志碼： A文章編號：1005-9857（2022）04-0089-08

Numerical Simulation of the Transport and Diffusion of Spilled Oil Released from'Deepwater Horizon' Accident in the Gulf of Mexico

LIAO Guoxiang1·2

（1.National Marine Environment Monitoring Center，Dalian 116023，China;

2.State Environmental Protection Key Laboratory of Coastal Ecosystem，Dalian 116023，China）

Abstract：To better understand the processes of spilled oil being transported in deepwater and in- crease the emergency response capacity for deepwater oil spill accidents， the Deepwater Horizon oil spill accident happened in the Gulf of Mexico was selected as a case study. Using the environ- mental data of three-dimensional current fields and sea surface wind fields as model input， an in- tegrated deepwater oil spill trajectory and fate model was applied to simulate the transport and diffusion of spilled oil in marine environment， including the buoyant jets initially released from deep water and the following passive transport of both the oil droplets in water column and the oil slicks on sea surface. In addition， the application of subsea dispersant injection treatment and the resulting changes of trajectories of oil droplets and pollution extents were simulated as well. The numerical simulation results were generally in good agreement with the field monitoring data of suspended oil plume in deep water environment and the remote sensing monitoring data of seawa- ter anomalies on sea surface， which were reported in literature or published by NOAA of United States of America. The results had laid a good foundation for more comprehensive and fine nu- merical simulations of deepwater oil spill accidents.

Keywords： Deepwater oil spill，Transport and diffusion， Numerical simulation，Suspended oil plume，Subsea dispersant treatment

0引言

2010年4月20日晚，位于墨西哥灣的“深水地平線”鉆井平臺發生爆炸并引起大火，該平臺于2d 后沉沒并在1500 m 水深的深海泄漏原油。該事故共持續87d，至7月15日油井被成功封頂后才停止溢油，約有490萬桶（約78萬 m3）原油泄漏進入墨西哥灣[1]，對海洋生態環境造成巨大損害。隨著全球深海油氣資源勘探開發規模的不斷擴大，以墨西哥灣“深水地平線”事故為例開展深海溢油輸移擴散的理論方法和數值模擬技術研究，對于加深對深海溢油輸運過程的科學認識以及提高深海溢油事故的風險防范和應急響應能力具有重要的現實意義。

在“深水地平線”事故發生初期，美國政府和相關科研機構重點關注海面溢油輸移擴散問題，主要通過衛星和航空遙感監測等方式獲取海面溢油的時空分布變化情況，并結合墨西哥灣海洋環流動力模型預測未來2～3 d的海面溢油輸移擴散趨勢。其中，美國國家海洋與大氣管理局（NOAA）每天發布海面溢油輸移擴散范圍的預測結果，此外事故期間共有6種海洋環流動力模型用于支持海面溢油輸移擴散預測[2]。由于溢油量巨大，為減少海面溢油對近岸敏感資源的損害，經過數天試驗后，美國政府批準英國石油公司（BP）自2010年5月10日起實施海底消油劑噴注處理措施[1]。

無論是事故發生期間還是事故結束后，2010年6月現場調查發現的深海懸浮油帶均受到高度關注，眾多學者積極通過數值模擬研究深海懸浮油帶的形成原因。Adcroft等[3]首次報道溶解態石油烴在水下輸移的數值模擬研究結果;Socolofsky等[4]根據多相流理論研究事故發生后深海懸浮油帶的形成機制;North等[5]模擬粒徑小于300μm 的油滴在墨西哥灣的水下輸移軌跡，并與深海懸浮油帶的分布進行比較;Paris等[6]通過數值模擬研究海洋環流和消油劑對海底溢油輸移的影響。我國學者從不同領域和不同角度對“深水地平線”事故進行大量研究分析，但數值模擬的研究報道較少。張敏慧[7]基于衛星遙感監測數據和 NOAA 的 GNOME 模型模擬墨西哥灣的溢油軌跡;楊毅等[8]基于 GNOME模型和 ADIOS模型開展溢油污染數值模擬;韓樹宗等[9]應用 GNOME模型模擬2010年5月8-11日墨西哥灣的溢油輸移擴散情況。

與國外研究相比，國內研究主要集中在“深水地平線”事故結束后短期（數天）內的海面溢油輸移擴散模擬預測，尚未對水下尤其是深海溢油或溢油在海洋環境中的長時間和全過程輸移擴散進行模擬研究。基于此，本研究以“深水地平線”事故為例，通過數值模擬研究溢油從深海到淺海乃至海面的輸移擴散過程，并研究海底消油劑噴注處理后深海懸浮油帶的時空分布特征，以期加深對復雜海洋環境中溢油輸移擴散規律的科學認識。

1模型與方法

1.1溢油輸移擴散模型

本研究采用筆者建立的深海溢油輸移擴散模型[10-12]，數值模擬深海事故溢油在海洋環境中的輸移擴散過程（包括近區浮射擴散和遠區輸移擴散），同時模擬預測海底消油劑噴注處理后溢油的運動軌跡[13]。

1.1.1近區浮射擴散模擬

采用基于拉格朗日積分方法的水下溢油浮射流子模型，數值模擬深海事故溢油的水下近區浮射擴散過程。將沿軌跡中心線的溢油視為一系列互不影響的控制單元體，根據質量守恒、動量守恒和能量守恒等控制方程計算確定每個控制單元體在水流環境中的運動情況，綜合所有控制單元體的運動情況即可獲得溢油輸移軌跡。本研究僅給出數值模型的質量守恒方程和動量守恒方程，相關詳細介紹可參見文獻[10]和文獻[12]。

（1）質量守恒方程。溢油在水下輸移的過程中，周圍水體的卷吸、湍流分散和溶解等作用引起控制單元體質量的動態變化：

dt =ραQe - dt - dt（1）

式中： dm/dt表示控制單元體的質量變化;ρα表示環境水體的密度;Qe表示水體卷吸作用引起的水流體積通量;dmi/dt表示單位時間內水體溶解作用引起的溢油質量損失;dmd/dt表示單位時間內水體湍流分散作用引起的溢油質量損失。

（2）動量守恒方程。控制單元體在水流環境中的運動滿足動量守恒定律：

式中： d（mV）/dt表示控制單元體的動量變化;V表示控制單元體的輸移速度矢量;Vα表示水流的速度矢量;m 表示控制單元體的質量;ρ和Δρ分別表示控制單元體的密度以及環境水體與控制單元體的密度差，即Δρ=ρα-ρ;g表示重力加速度;k表示垂直方向（z）的單位矢量;b和h分別表示控制單元體的半徑和厚度;CD表示拖曳系數;Vα'表示水平方向（x-y）的投影。

1.1.2近區轉變為遠區的計算

當溢油浮升至一定高度或受到橫向水流的影響后，將由浮射擴散階段轉變為輸移擴散階段。本研究采用油滴粒徑平均值對應的浮升速度作為判斷溢油浮射擴散階段結束的依據，即當溢油浮射流控制單元體的垂向速度小于油滴平均浮升速度時，模型認為溢油進入遠區輸移擴散階段。

1.1.3遠區輸移擴散模擬

溢油進入遠區后（包括水體中和海面上），主要在海流和風等環境動力作用下輸移擴散。模型主要采用油粒子追蹤法模擬計算每個油粒子的運動軌跡：

式中： XN 和 XO分別表示單個油粒子在當前時刻和上一時刻的位置;UC 表示海流的流速;f表示風的拖曳系數，當油粒子在海面上和水體中時分別取值為0.03和0;D 表示考慮風偏效應的變換矩陣;UW表示距海面10 m 高處的風速;Δt表示時間步長;R 表示服從[-1，1]正態分布的隨機數;kh表示水平方向的湍流分散系數。

1.2環境動力數據

本研究采用美國夏威夷大學公開發布的海岸線數據（htp：//www. soest. hawaii. edu/wesel/ gshhg/）繪制底圖。所有時刻均采用協調世界時（UTC）。

1.2.1三維流場

采用美國 HYCOM 模型官方網站（htp：// www.hycom.org）提供的墨西哥灣區域海洋環流模型（GOM HYCOM）的再預報分析數據。模型生成的三維流場數據的時間分辨率為1 h，水平方向的空間分辨率為1/25°（0.04°），垂直方向將0～5000 m深度劃分為36層。為滿足“深水地平線”事故87d輸移擴散過程數值模擬的需求，從上述官方網站下載2010年4月20日至7月31日的流場數據，并提取不同水深的流速和流向數據（圖1）。

1.2.2海面風場

采用美國國家環境預報中心（NCEP）提供的北美區域大氣預報模型的再分析風場數據。模型生成的海面風場數據的時間分辨率為1 h，水平方向的空間分辨率為0.30°。為滿足“深水地平線”事故87d輸移擴散過程數值模擬的需求，從 NCEP官方網站（https：//www. emc. ncep. noaa. gov）下載2010年4月20日至7月31日的風場數據，并提取距海面10 m 高處的風速和風向數據（圖2）。

1.3數值模擬

考慮到深海溢油的復雜性（如實施海底消油劑噴注處理等應急措施），現有數值模擬研究大多簡化溢油事故的模擬參數，如設置固定的油滴粒徑以及僅模擬水體中的輸移過程或海面上的短期輸移擴散過程[2，5-6]。與現有研究的簡化數值模擬相比，本研究嘗試2個方面的改進。

（1）對溢油從水深1522 m 處泄漏進入水體后經歷的水下近區浮射擴散、水體中遠區輸移擴散和海面上遠區輸移擴散的全過程進行數值模擬。參考相關文獻報道的“深水地平線”事故的溢油信息設定數值模擬參數：假設溢油從2010年4月22日開始至7月15日結束，溢油僅在1個地點泄漏（28.738°N、88.366°W ）[6]且以均勻速度泄漏（0.088 m3/s），溢油密度為854.8 kg/m3[4]，泄漏噴口直徑為0.5 m[14]。

（2）對2010年5月實施海底消油劑噴注處理措施前后油滴粒徑的變化進行數值模擬。據報道，美國政府在2010年5月10日正式批準實施海底消油劑噴注處理措施數天前就已開展相關試驗，因此假設自2010年5月5日起開始實施海底消油劑噴注處理措施。相關研究認為溢油事故后深海中存在的微小粒徑油滴主要是海底消油劑分散形成的，未經海底消油劑噴注處理的油滴粒徑可能為800～10000μm[14-16]。Li等[15]通過模型估算未經海底消油劑噴注處理的油滴體積中值粒徑為3321μm，而完全經海底消油劑噴注處理的油滴體積中值粒徑為173μm;通過比較模型估算結果和水下環境觀測數據，認為劑油比為1︰40且22%的溢油經海底消油劑分散處理時比較符合事故實際情況。因此，本研究采用2010年6月的水下環境觀測數據（圖3）[17]以及海底消油劑噴注處理前后的油滴粒徑分布數據（圖4）[15]作為數值模擬參數。

基于上述參數，應用深海溢油輸移擴散模型和可視化軟件 SIMPACT[11]進行數值模擬計算，獲得“深水地平線”事故后溢油在水體中和海面上動態時空分布的數值模擬結果。

2結果與分析

2.1溢油輸移擴散的模擬結果

“深水地平線”事故附近海域4個時刻和不同水深的溢油輸移擴散數值模擬結果如圖5至圖8所示。

數值模擬結果顯示，大量油滴自井口噴出進入水體后經歷水下近區浮射擴散、水體中遠區輸移擴散和海面上遠區輸移擴散的運動過程。由于墨西哥灣不同水深的流速和流向會隨時間發生變化，位于不同水深的油滴在水平方向的運動軌跡存在顯著差異。不同粒徑的油滴在水體中水平輸移擴散的同時逐步浮升至海面上，其中粒徑較大的油滴浮升至海面上后在重力作用下擴展為油膜，之后在表層流場和海面風場的共同作用下輸移擴散。對比溢油在海面上和水體中的數值模擬結果可知，油滴在水體中的輸移動力主要是海流，而海面上的油膜在海流和風的共同作用下輸移距離更遠且擴散范圍更大。值得注意的是，在風和海流的共同作用下，事故期間海面上的溢油主要造成墨西哥灣北側和西北側海岸線的污染。

2.2深海懸浮油帶的模擬驗證

在2010年5月5日實施海底消油劑噴注處理措施后，海底溢油的分散情況及其去向受到廣泛關注。Camili等[17]報道在2010年6月19-28日的航次中觀測到1100～1300 m 的深海中存在向井口 SW 方向延伸的長約35 km、寬約2 km、厚約200 m的懸浮油帶;Reddy等[18]分析懸浮油帶的組分，認為主要是 C1～C3烴類和大比例水溶性芳烴被限制在深海環境中;Li等[15]報道無人潛航器在700～1100 m水深處發現70～250μm 的小粒徑油滴，并認為1200 m 以深的深海環境中可能存在粒徑小于100μm 的油滴。

海底消油劑噴注處理前后溢油輸移擴散的對比如圖9所示。

模擬結果顯示，溢油從1522 m 浮升至11001300 m 時受到橫向水流的影響，由近區浮射擴散階段轉變為遠區輸移擴散階段。其中，大粒徑油滴快速向海面浮升，而小粒徑油滴則長時間停留在水體中或緩慢浮升。在海底消油劑噴注前，油滴粒徑總體較大（0.810.0 mm），且在水體中的浮升速度較快;在海底消油劑噴注后，約有22%的油滴被分散，油滴粒徑總體變小且粒徑小于300μm 的油滴增加，其中粒徑小于70μm（尤其是小于30μm）的油滴浮升速度較慢，即形成懸浮油帶。

2010年6月25日00：00位于11001300 m 水深懸浮油帶的數值模擬結果與 Camilli等[17]于6月19-28日在井口 SW 方向觀測到的懸浮油帶基本吻合，表明本研究的數值模擬結果與實際觀測結果符合較好（圖10）。

值得一提的是，本研究的數值模擬結果顯示井口 NE方向11001 300 m 深海存在懸浮油滴，與 North等[5]和 Paris等[6]的數值模擬結果較相似。

2.3海面溢油輸移擴散范圍的模擬驗證

2010年6月2日15：00海面溢油輸移擴散數值模擬結果與 NOAA發布的海水異常遙感監測結果的對比如圖11所示。

2010年4月22日至7月30日海面溢油累積污染范圍數值模擬結果與 NOAA 發布的2010年5月17日至7月25日海水異常遙感監測結果的對比如圖12所示。

從總體溢油污染范圍來看，海面溢油累積污染范圍數值模擬結果與遙感監測結果較為符合（圖12）;此外，遙感監測到墨西哥灣中部和南部出現零星分布的海水異常區域，而數值模擬結果也顯示小部分溢油對墨西哥灣中部和南部造成影響，但持續影響時間較短（圖12（a））。從某時刻溢油污染范圍來看，海面溢油輸移擴散數值模擬結果與遙感監測結果較為符合（圖11）。

對比圖11和圖12可以看出，數值模擬結果與遙感監測結果仍存在一定的差異。數值模擬的誤差或不確定性包括3個方面：①假設溢油在固定地點勻速泄漏，這與實際事故中溢油在多個地點泄漏且泄漏速度動態變化的情況存在差異;②事故應急處置過程中在海面噴灑大量消油劑來分散油膜，但由于缺乏具體噴灑區域和噴灑量的數據，無法對此進行數值模擬;③流場和風場等海洋環境動力數據本身存在誤差，影響數值模擬的準確性。遙感監測的誤差或不確定性包括2個方面：①無法逐小時跟蹤溢油輸移擴散過程，且難以同時覆蓋整個墨西哥灣;②受傳感器、天氣和海況等因素的影響，不同類型的遙感影像對溢油尤其是薄油膜的分布區域判定存在誤差。須指出的是，本研究設置一系列參數進行數值模擬，而未利用遙感監測結果對海面溢油輸移擴散過程進行干預校正。總體而言，綜合考慮“深水地平線”事故溢油方式和應急處置的復雜性以及影響數值模擬和遙感監測的不確定因素，本研究的數值模擬結果與遙感監測結果較為符合。

3結語

本研究以2010年墨西哥灣“深水地平線”事故為例，模擬溢油自1522 m 水深泄漏后的浮射擴散、水體中輸移擴散以及在風場和流場共同作用下在海面上輸移擴散的全過程，同時模擬實施海底消油劑噴注處理措施后溢油輸移軌跡和擴散范圍的變化，數值模擬結果與懸浮油帶實際觀測結果和海水異常遙感監測結果總體相符。

鑒于“深水地平線”事故溢油方式和應急處置的復雜性，本研究對泄漏地點、泄漏速度和消油劑處理等模擬參數進行一定的簡化，同時未對事故期間的不同時段采取不同應急處置措施等情況進行數值模擬，但仍可為更加全面和精細的深海溢油輸移擴散數值模擬研究奠定良好的基礎。未來可繼續加強物理模擬實驗和數值模擬分析的綜合研究[19-20]，為我國深海溢油事故的風險防范和應急響應提供有益參考。

參考文獻

[1] The FederalInteragency Solutions Group： OilBudgetCalculatorScience and Enginering Team. Oilbudget calculator Depwater Horizon： technical documentation [EB/OL]. htps：//www. re- storethegulf.gov/sites/default/files/documents/pdf/OilBudgetCalc_Ful_ HQ-Print_111110. pdf，2021-05-05.

[2] LIU Y， WEISBERG R H， HU C， et al. Trajectory forecastsbasedon numericalocean circulation models and satelite ob- servations： a rapid response to Depwater Horizon oil spil [A]. LIU Y， MACFADYEN A，JIZ G， et al. Monitoring and modeling the Depwater Horizon oilspil： a record breakingenterprise[M]. American GeophysicalUnion， 2011.

[3] ADCROFT A，HALLBERG R，DUNNEJP，etal.Simulationsof underwater plumes ofdisolved oilin the Gulf ofMexico[J]. GeophysicalResearchLeters，2010，37（18）： L18605.

[4] SOCOLOFSKY SA，ADAMSEE，SHERWOOD CR. Forma-tion dynamics ofsubsurface hydrocarbon intrusions folowing theDepwaterHorizonblowout[J]. GeophysicalResearchLet- ters，2011，38（9）： L09602.

[5] NORTH E W，ADAMSE E， SCHLAG Z， etal.Simulating oil dropletdispersalfrom theDepwater Horizon spillwith a la- grangian approach[J]. GeophysicalMonograph Series， 2011，195：217-226.

[6] PARIS C B， HéNAFF M L， AMAN Z M，et al. Evolution ofthemacondo wellblowout： simulatingtheefectsofthecircu- lation andsyntheticdispersantsonthesubseaoiltransport[J].EnvironmentalScience &Technology， 2012， 46（24）：13293-13302.

[7]張敏慧.基于衛星遙感與 GNOME 系統的溢油軌跡模擬研究[D].大連：大連海事大學，2012.

[8]楊毅，陳志莉，李穎，等.基于 GNOME和 ADIOS的墨西哥灣溢油污染數值模擬[J].海洋環境科學，2013，32（4）：599-604.

[9]韓樹宗，張彩霞.墨西哥灣溢油事故模擬研究[J].海洋湖沼通報，2014（2）：1-8.

[10]廖國祥，高振會，熊德琪.水下油氣溢漏事故污染物輸移預測模型[J].大連海事大學學報，2010，36（4）：115-120.

[11]廖國祥，楊建強，高振會.海底溢油輸移擴散的可視化數值模擬系統[J].武漢理工大學學報（交通科學與工程版），2011， 35（4）：748-751.

[12]廖國祥，高振會，楊建強.深海溢油輸移擴散模型研究[J].海洋環境科學，2012，31（5）：718-723.

[13]廖國祥，楊建強，高振會，等.深海中噴灑分散劑后溢油運動軌跡預測[J].大連海事大學學報，2013，39（2）：103-107.

[14] ZHAO L，BOUFADEL M C， ADAMS E， etal.Simulation ofscenarios of oil dropletformationfromtheDepwater Horizonblowout[J]. MarinePollutionBulletin，2015，101（1）：304-319.

[15] LIZ， SPAULDING M，FRENCH M D， etal.Developmentofaunifiedoildropletsizedistributionmodelwithapplicationto urfacebreakingwavesandsubseablowoutreleasesconsider- ingdispersantefects[J]. MarinePollution Bulletin，2017， 114（1）：247-257.

[16] FRENCH M DF，LIZ， HORN M，etal.Modelingoilfateandsubsurface exposure concentrationsfrom theDepwater Ho- rizon oilspill[A]. Environment andClimate Change Canada. Procedingsofthethirty-ninthAMOP technicalseminar[C].Otawa： Environment and Climate Change Canada， 2016：115-150.

[17] CAMILLIR， REDDY C M，YOERGER D R， et al. Trackinghydrocarbonplumetransportandbiodegradationat DepwaterHorizon[J]. Science，2010，330（6001）：201-204.

[18] REDDY C M，AREY J S， SEEWALD J S， etal.Compositionandfate ofgas and oil released to the water column during the Depwater Horizonoil spill[J]. Procedings of the NationalAcademyofSciencesoftheUnitedStatesofAmeri-ca，2012，109（50）：20229-20234.

[19]廖國祥，李艷妮.靜水和動水環境中水下溢油浮射流初步實驗及數值模擬[J].海洋開發與管理，2020，37（12）：71-77.

[20]廖國祥，李艷妮.橫流環境中水下溢油輸移擴散的實驗研究[J].海洋開發與管理，2021，38（6）：70-75.