南海深水井噴溢油輸移擴散的數(shù)值模擬研究

廖國祥

(1.國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心 大連 116023;2.國家環(huán)境保護近岸海域生態(tài)環(huán)境重點實驗室 大連 116023)

0 引言

隨著南海深水油氣資源勘探開發(fā)規(guī)模的不斷擴大,發(fā)生深水鉆井井噴和海底輸油管線泄漏等深海溢油事故的風險日益增高。2010年墨西哥灣“深水地平線”溢油事故發(fā)生后,我國學者提出結(jié)合南海油氣資源特點和海洋環(huán)境特征開展深水油氣事故的數(shù)值模擬研究,以提升深海溢油事故風險防范和應(yīng)急處置能力[1-2]。近年來,我國深海溢油輸移擴散的理論、方法研究取得積極進展。亓俊良等[3]數(shù)值模擬了南海荔灣油氣田1 500 m泄漏后的擴散浮升過程。安偉等[4]應(yīng)用水下溢油三維可視化模擬系統(tǒng),數(shù)值模擬了南海1 486 m深水溢油后48 h的輸移浮升過程。李建偉等[5]選擇南海某油氣田,數(shù)值模擬了1 378 m深水油氣泄漏后48 h內(nèi)的氣體浮升過程。陳濤[6]開展了淺水區(qū)、深水區(qū)、超深水區(qū)溢油漂移擴散以及不同月份時對海岸和環(huán)境敏感區(qū)的影響,也模擬了凝析油從深水區(qū)泄漏后1 h內(nèi)的擴散過程。以上工作積極推動了南海深水溢油問題研究,但未充分考慮三維海洋環(huán)境動力和海底消油劑處理對溢油在深海環(huán)境中輸移擴散的影響。

針對我國南海未發(fā)生大規(guī)模深水井噴溢油事故的情況,本研究參照“深水地平線”事故,以假設(shè)發(fā)生在南海北部深水油氣勘探開發(fā)海域的1 279 m深水井噴溢油事故為例,數(shù)值模擬研究三維流場、海面風場和海底消油劑處理等因素對溢油輸移擴散的影響,以期加深對南海深海溢油輸移擴散規(guī)律的科學認識。

1 材料與方法

1.1 溢油輸移擴散模型

本研究應(yīng)用筆者構(gòu)建的能夠模擬近區(qū)(水下)浮射擴散和遠區(qū)(水下及海面)輸移擴散過程(圖1)的水下溢油模型開展數(shù)值模擬研究。其中,近區(qū)子模型采用拉格朗日積分方法來數(shù)值計算水下溢油浮射流擴散過程。該方法將沿軌跡中心線的污染物視為一系列互不影響的控制單元體,每個控制單元體在水流環(huán)境中的運動則根據(jù)質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒等控制方程來計算確定,最后綜合所有控制單元體的運動即可獲得污染物的輸移軌跡[7-10]。遠區(qū)子模型則采用油粒子追蹤法來模擬計算溢油的運動軌跡。該方法通過模擬每個油粒子在海流、風和海浪等環(huán)境動力作用下在水體中以及在海面上的輸移擴散過程,最后統(tǒng)計所有粒子信息獲得溢油在海洋環(huán)境中的時空分布[11]。

圖1 深海溢油在海洋環(huán)境中的輸移擴散過程[9]

近年來,該模型已利用文獻報道的實驗室模擬實驗、挪威844 m深海溢油現(xiàn)場試驗結(jié)果進行比較驗證[7-11]。最近,2010年墨西哥灣“深水地平線”深海溢油事故的案例研究顯示,數(shù)值模擬的擴散影響范圍與觀測結(jié)果符合較好[12]。

1.2 環(huán)境動力數(shù)據(jù)

本研究采用自然資源部發(fā)布的標準地圖(http://bzdt.ch.mnr.gov.cn/browse.html?picId="4o28b0625501ad13015501ad2bfc0077")繪制底圖。所有時刻均采用協(xié)調(diào)世界時(UTC)。

1.2.1 三維流場數(shù)據(jù)

南海環(huán)流主要受控于東亞季風和與鄰近海域環(huán)境的相互作用和水交換,動力機制復雜[13-14],特別是中層、深層和底層環(huán)流仍有待深入研究[15-16]。近年來,我國學者應(yīng)用混合坐標海洋模型(Hybrid Coordinate Oceanic Circulation Model,HYCOM)開展南海環(huán)流和中尺度渦等方面的數(shù)值模擬并取得較好的研究成果[17-19]。因此,本研究采用美國HYCOM模型官方網(wǎng)站(http://www.hycom.org)提供的全球海洋預報系統(tǒng)(Global Ocean Forecasting System,GOFS)輸出的三維流場分析數(shù)據(jù)(包括海面水位、水溫、鹽度、東向流速和北向流速等)。三維流場數(shù)據(jù)的時間分辨率為3 h,經(jīng)度方向的空間分辨率為1/12°,緯度方向的空間分別率為1/25°,垂直方向?qū)?~5 500 m深度劃分為40層。根據(jù)本研究需要,從上述官方網(wǎng)站下載南海區(qū)域2020年1月和7月的流場數(shù)據(jù),并提取不同水深的流速和流向數(shù)據(jù)(圖2)。

圖2 HYCOM GOFS輸出的南海區(qū)域

1.2.2 海面風場數(shù)據(jù)

海面風場是溢油漂移擴散的重要環(huán)境動力之一。近年來,我國學者基于歐洲中期天氣預報中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)再分析數(shù)據(jù)開展南海海面風場預報研究并取得積極進展。例如,吳俞等[20]分析了ECMWF細網(wǎng)格10m風場產(chǎn)品在南海海域的預報檢驗;賴鑫等[21]通過綜合海上平臺觀測數(shù)據(jù)和ECMWF再分析數(shù)據(jù)來研究分析南海10 m風和海面動態(tài)粗糙度特征。因此,本研究采用ECMWF官方網(wǎng)站(https://www.ecmwf.int/en/forecasts/datasets/reanalysis-datasets/era5)提供的第五代全球大氣再分析數(shù)據(jù)(ERA5)作為溢油數(shù)值模擬的大氣環(huán)境動力數(shù)據(jù)(時間分辨率為1 h,水平方向的空間分辨率為0.3°),根據(jù)數(shù)值模擬需要下載2020年1月和7月的ERA5數(shù)據(jù),并提取距海面10 m高處的風速和風向數(shù)據(jù)(圖3)。

圖3 ECMWF ERA5輸出的南海區(qū)域

1.3 數(shù)值模擬

2010年墨西哥灣“深水地平線”事故是世界上首例大規(guī)模深海溢油事故,泄漏水深為1 522 m[22],泄漏原油密度為854.8 kg/m3。由于我國未發(fā)生南海深海溢油事故,我國學者多參照“深水地平線”事故,根據(jù)南海地理環(huán)境和原油理化性質(zhì)來設(shè)置深水油氣井噴的數(shù)值模擬參數(shù),例如:泄漏水深范圍為1 378~1 500 m;原油密度范圍為665~850 kg/m3;油滴粒徑范圍為1~8 mm[3-6]。

“深水地平線”事故中還首次實施了海底消油劑噴注處理,同樣引起我國學者的高度關(guān)注。研究顯示,未實施海底消油劑處理的油滴粒徑范圍可能為800~10 000μm[23-24];實施海底消油劑處理后,Li等[24]報道無人潛航器在700~1 100 m水深處發(fā)現(xiàn)70~250μm的小粒徑油滴,并認為1 200 m以深水下環(huán)境中可能存在粒徑小于100μm的油滴。為了發(fā)展我國水下消油劑使用技術(shù),錢國棟等[25]通過模擬試驗研究消油劑的類型、使用量和噴注位置對溢油分散效果的影響,發(fā)現(xiàn)GM-2消油劑對密度為837.8 kg/m3試驗原油的分散效果最優(yōu),油滴粒徑均低于300μm,其中100~150μm區(qū)間的油滴體積分數(shù)最大,最大值達26.55%。

綜合上述國內(nèi)外相關(guān)研究成果,從初步探索南海大規(guī)模深海溢油事故潛在影響的角度出發(fā),本研究參照“深水地平線”溢油事故,設(shè)置深水井噴溢油事故和實施海底消油劑處理的數(shù)值模擬參數(shù),具體見表1。

表1 南海深水井噴溢油事故情景數(shù)值模擬參數(shù)

根據(jù)表1的模擬參數(shù),本研究應(yīng)用海底溢油輸移擴散模型及可視化軟件(SIMPACT)[26]進行數(shù)值計算,獲得南海深水井噴事故后溢油在水體中及海面上的時空分布數(shù)值模擬結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

2.1 冬季溢油輸移擴散模擬結(jié)果

2020年1月1日深水井噴事故和實施海底消油劑處理措施后24 h、48 h、96 h時溢油在水體中及在海面上的輸移擴散過程的數(shù)值模擬結(jié)果如圖5和圖6所示。其中,本研究給出了泄漏地點附近A點到B點的0~1 400 m水深的垂向剖面圖(圖5b和圖6b),展示了不同粒徑油滴在水體中的浮升擴散情況。

圖5所示,未實施海底消油劑處理的情景下,原油自井口噴射進入水體后分散為不同粒徑的油滴,粒徑范圍主要為800~10 000μm(圖4)。由于泄漏地點附近海流在垂直方向上呈現(xiàn)顯著的流速、流向變化特征,如1月3日00:00海流在0 m、50 m、150 m、500 m、1 000 m水深處的東向分量分別為-5.8 cm/s、9 cm/s、-2.8 cm/s、7.2 cm/s、-2.2 cm/s(圖7),因此在不同深度、變化流速流向的海流作用下,近區(qū)浮射流軌跡發(fā)生彎曲,遠區(qū)不同粒徑的分散油滴則以搖擺或螺旋軌跡向上浮升(圖5b)。因不同粒徑油滴的浮升速度存在差異,加上海流的輸移作用,部分油滴在相對泄漏地點距離較遠的地方浮升至海面并擴展形成油膜,隨后在表層海流和NE方向海風的共同作用下,主要向SW方向漂移擴散(圖5a)。

圖4 海底消油劑噴注處理前后的油滴粒徑[12]

圖7 假設(shè)事故地點不同時刻海水流速的垂向分布

實施海底消油劑處理的情景下,部分大粒徑油滴被分散為小粒徑油滴,其中粒徑小于300μm的油滴數(shù)量顯著增加(圖4)。當油滴從近區(qū)浮射擴散階段轉(zhuǎn)變?yōu)檫h區(qū)輸移擴散階段后,大粒徑油滴快速向海面浮升,而小粒徑油滴長時間懸停在深海環(huán)境中緩慢浮升。特別是粒徑小于70μm(尤其小于30μm)的油滴在深海環(huán)境中的浮升速度慢,從而在800~1 000 m水深層中形成懸浮油帶。96 h時,800~1 000 m水深中的小粒徑油滴最遠輸移距離約為18 km。

對比圖5a和圖6a可見,實施海底消油劑處理后,水中油滴數(shù)量顯著增加并大范圍分散在水體中,而浮升至海面的油膜數(shù)量減少。

圖5 2020年1月深水井噴事故后溢油輸移擴散模擬結(jié)果

圖6 2020年7月深水井噴事故后溢油輸移擴散模擬結(jié)果

2.2 夏季溢油輸移擴散模擬結(jié)果

2020年7月1日深水井噴事故及實施海底消油劑處理后24 h、48 h、96 h時溢油在水體中及在海面上的輸移擴散過程的數(shù)值模擬結(jié)果如圖8和圖9所示。其中,本研究給出了泄漏地點附近A點到B點的0~1 400 m水深的垂向剖面圖(圖8b和圖9b)。

圖8所示,未實施海底消油劑處理的情景下,原油自井噴進入水體后分散成不同粒徑的油滴。7月1—4日,泄漏地點的海流在垂直方向上呈現(xiàn)1 000 m以下流速較小、250~1 000 m流速較大且流向為SW方向、0~250 m流速較大而流向為NNE方向的特點。例如,7月3日00:00時,600 m水深處的流速約為9.4 cm/s、流向為SW方向,0 m水深處的流速約為2.7 cm/s、流向為NNE方向(圖7)。在不同深度、不同流速、流向的海流作用下,不同粒徑的分散油滴以搖擺或螺旋軌跡向海面浮升。當浮升至海面后,油滴擴展成為油膜,在表層海流和夏季主導的SSW風的共同作用下,以“之”字形狀軌跡向NNE方向漂移擴散。

圖8 2020年1月使用和不使用海底消油劑處理溢油模擬結(jié)果

圖9所示,實施海底消油劑處理的情景下,由于7月1—4日期間250~1 000 m深的海流的流向主要為SW方向,而0~250 m深的流向主要為NNE方向(圖7),因而經(jīng)消油劑處理形成的粒徑小于300μm的油滴歷經(jīng)浮射擴散階段進入遠區(qū)輸移擴散階段后,在水下環(huán)境中總體上往SW方向輸移(圖9a中),并同時向海面緩慢浮升。96 h時,800~1 000 m水深中的小粒徑油滴最遠輸移距離約為18 km,而0~200 m水深中油滴最遠輸移距離約為36 km。

圖9 2020年7月使用和不使用海底消油劑處理溢油模擬結(jié)果

對比圖8a和圖9a可見,實施海底消油劑處理后,除了海面油膜在海風和表層海流共同作用下形成的連續(xù)油帶外,還存在零散分布在油帶SW一側(cè)的油膜(主要是經(jīng)海底消油劑處理分散的微小粒徑油滴浮升至海面后擴展形成)。而對比圖8b和圖9b可見,實施海底消油劑處理后,水中油滴數(shù)量顯著增加并大范圍分散在水體中,而浮升至海面的油膜數(shù)量減少。

3 結(jié)束語

本研究以南海北部深水油氣勘探開發(fā)海域為研究區(qū)域,參照2010年墨西哥灣“深水地平線”深海溢油事故的相關(guān)參數(shù),開展了假設(shè)的1 279 m深水井噴溢油事故及海底消油劑處理的數(shù)值模擬,初步研究了2020年1月和7月(分別代表冬季和夏季)氣象條件下南海三維流場、海面風場和海底消油劑處理等因素對溢油在水體中和海面上的輸移擴散過程的影響。

需指出的是,本研究初步開展了南海深水井噴溢油的數(shù)值模擬,但所采用的三維流場數(shù)據(jù)和風場數(shù)據(jù)存在時間和空間分辨率不高等問題,因而有必要采用更高分辨率的三維流場和海面風場數(shù)據(jù)開展數(shù)值模擬研究,以期更準確地分析南海深水井噴事故后溢油在海洋環(huán)境中的輸移擴散規(guī)律。此外,由于不同品牌消油劑對不同類型原油的分散效果存在差異,有必要繼續(xù)開展更多的水下消油劑處理海底溢油的模擬實驗研究,以期為海底消油劑處理前后的水下溢油輸移擴散預測預報提供基礎(chǔ)科學數(shù)據(jù)和關(guān)鍵參數(shù)支持。總的來說,本研究結(jié)果可以為后續(xù)更為全面、精細的南海深海溢油輸移擴散數(shù)值模擬、污染風險評估和水下消油劑應(yīng)急處置研究提供有益參考。