“油粒子”模型在三沙灣溢油軌跡模擬中的應用

林建偉

(福建省水產研究所，福建 廈門 361013)

近岸海域是人類活動最頻繁的區域。隨著海上運輸業的發展，出入近岸海域的船只增多，船型也往大型化方向發展，這一方面促進了海上貿易的發展，另一方面也增加了船舶發生碰撞的概率，加大了海上溢油事故的風險。一旦發生海上溢油事故，浮油會在風、浪、流的作用下漂向海岸或漁區，將影響海洋生態環境和破壞漁業健康發展。據陳亞瞿等[1]對20號燃料油的毒性實驗結果，表明石油會破壞浮游植物細胞、損壞葉綠素及干擾氣體交換，從而妨礙浮游植物的光合作用；宋廣軍等[2]對19-3油田溢油影響的研究，也表明溢油泄漏入海將影響浮游植物群落。若發生溢油事故，石油烴對魚、蝦、貝、紫菜、海帶等造成污染，使水產品產生油臭，降低了其產品質量，進而影響漁民的經濟收入；而且大量油膜隨流漂浮，若進入沿岸定制漁業區，油塊將沾污網具，使網具損壞報廢，影響沿海漁民正常作業。

三沙灣是寧德市重要的港灣，也是全國最大的大黃魚網箱養殖區。根據《福州港總體規劃(2035年)》[3]，白馬港區位于寧德市福安市(圖1)，是福州港八大港區之一，其功能定位主要服務臨港工業發展。白馬港區包括灣塢、坪崗和賽江3個作業區，分別規劃建設通用泊位14個(其中2萬噸級及以下7個，5萬噸級及以下7個)、通用泊位6個(3～10萬噸級)和中小型泊位12個。目前，白馬港區灣塢作業區6～7#泊位、14#泊位、海和5萬噸碼頭泊位和大唐煤碼頭已建成并運營，白馬港區灣塢作業區1#泊位、5#泊位、8#泊位、9～10#泊位、12～13#泊位仍在建設中，各主要泊位分布如圖2所示。未來區域內將形成紅土礦、煤炭、焦炭、石材、礦石原料和集裝箱等多樣化物流集散中心。福安市的臨港工業主要集聚在白馬港兩岸，目前有大唐火電廠等33個大型工業項目落戶。可見，為提高福安市海上溢油應急反應能力和技術水平，開展三沙灣白馬港溢油擴散影響趨勢研究刻不容緩。因此，本文參考國內外溢油模擬方法，選取粒子追蹤法，對溢油漂移軌跡進行模擬預測，并在三沙灣潮流場研究的基礎上，假定白馬港海域發生輕油泄漏，同時考慮風場與流場的共同作用，模擬分析不同風況條件下溢油的漂移軌跡，并統計其影響范圍，以期為保護三沙灣海域環境安全提供技術支撐，也為完善白馬港區的應急管理體系提供參考。

1 研究方法

1.1 模型選用背景

溢油在水環境中的輸移軌跡及歸宿是一個非常復雜的過程，受到風、浪、流等動力因素，環境因素以及油品特性等多種因素的影響，發生擴展、漂移等運動行為，以及蒸發、溶解、沉積、光解氧化和乳化等風化過程[4]。因此，牟林等[5]將溢油在海洋中的行為和歸宿分為3大類：1)擴展過程，指海面油膜因受到自身重力、慣性力、表面張力、黏性力的作用而導致面積增大的過程；2)輸移過程，指溢油在海洋環境動力要素(如潮流、波浪和風應力等外界動力)作用下的遷移運動，包括水平方向的漂移、擴散以及垂直方向的參混、懸浮過程；3)風化過程，指能夠引起溢油組成性質改變的所有過程，主要包括蒸發、溶解、乳化、光氧化、生物降解、吸附沉降、水體的混合擴散以及生物體內的代謝作用等過程。周群群等[6]根據國內外溢油研究建立和完善的多種溢油模型，歸納了基礎溢油模型(溢油擴展模型、溢油漂移模型、油粒子模型和溢油風化模型)的發展，結合最新研究成果分析溢油數值模擬研究現狀，認為：通過耦合環境動力場與溢油模型模擬油粒子的行為與歸宿，并添加隨機游走算法，可以更加準確地表征湍流作用下油粒子的運動規律，其成為目前溢油模擬的主流方法。

所謂“油粒子”，是把海上溢油離散為大量油粒子，每個油粒子代表一定的油量。拉格朗日粒子追蹤模型能夠對溢油的遷移軌跡進行描述，將溢油看作由很多運動質點組成，每一質點都在一定的動力作用下運動[7]。這種動力主要是表層海流動力和風應力的合力。油粒子在這種外界應力作用下的運動過程分為平流過程和擴散過程，可以用確定性方法模擬油粒子的平流過程，用隨機運動來模擬擴散過程[8-9]。該種方法在油膜迎風壓縮和主風向拉伸方面具有很強的合理性，以及粒子跟蹤法溢油漂移預測模型能有效適用于渤海海域[10]。

本文將根據上述模型理論研究成果，在前期三沙灣水動力的研究基礎上，綜合考慮風場對油粒子的作用和油粒子的隨機擴散，運用拉格朗日油粒子模型預測三沙灣白馬港溢油的漂移軌跡。

1.2 數學模型

通過灣塢、湖塘等圍墾工程的實施，人為改變了白馬港早期大肚子彎曲岸線的形態，使得白馬港兩岸呈微彎岸線，縮窄了海床的過水斷面；但白馬港的主槽在白馬門強勁的潮汐動力和賽江徑流的共同作用下，水動力條件得到了一定的加強；白馬港的理基水深一般小于10 m，主槽位置水深較大[11]。根據實測水文資料分析[12]，白馬港海域的潮汐類型屬于正規半日潮，平均潮差約為6.2 m；潮流為規則半日潮流。

前期三沙灣水動力研究采用開源模式ROMS水動力模型[13]，模擬了三沙灣的余環流特征。本文在此水動力模型的基礎上，耦合拉格朗日粒子追蹤模型，并添加隨機算法，進行溢油軌跡數值模擬。

拉格朗日粒子追蹤模型：

(1)

Vt=k×W+V

(2)

(3)

式(3)中：Δα為α方向上的隨機運動距離(α代表x、y或z方向)；R為[-1，1]之間的均勻分布隨機數；Kα為α方向上的擾動系數；Δt為時間步長。

1.3 模擬條件

由圖2可知，白馬港碼頭眾多，在營運期間，船舶進出港和貨艙裝卸過程發生碰撞、觸礁、擱淺、船損等意外事故的風險較大，而發生的溢油事故對海域水環境和海洋生態環境均可能造成重大影響。假設在白馬港航道發生溢油事故(溢油點如圖3中紅色點所示)，溢油量取80 t。三沙灣全年東南風(SE，風速1.4 m/s)最多，頻率為18%[14]；為便于對比研究，本實驗再選取一個不利風向：東北風(NE，風速1.4 m/s)。本實驗模擬油粒子在海洋水動力環境、氣象環境綜合條件下的漂移、擴散過程(計算時不考慮黏結與揮發)，模擬風況如表1所示。

表1 油粒子漂移軌跡模擬風況表Tab.1 The simulated condition for trajectory of oil particles

2 結果與分析

2.1 白馬港潮流場

運用前述ROMS水動力模型模擬計算了三沙灣白馬港在大潮4個典型潮時的流場分布情況。

由圖3白馬港4個典型潮時的流場分布圖可見，漲急時，漲潮流從白馬口門漲入白馬港，并上溯至頂部；在白馬港航道的流場較強，流速較大，一般大于0.6 m/s，是主要的漲潮通道，其余海域的漲潮流速均較小，近岸淺灘流速小于0.1 m/s；漲潮流向主要受地形影響，大體呈NNE方向。高潮時，該海域的流場基本處于憩流狀態，流速較小，一般小于0.1 m/s。落急時，落潮流沿著漲潮流的反方向由白馬港頂向口門退潮；白馬港航道上的流場較強，流速較大，一般大于0.7 m/s，是主要落潮通道，其余海域的落潮流速均較小，近岸淺灘流速小于0.1 m/s；落潮流向主要受地形影響，大體呈SSE方向。低潮時，該海域的流場基本處于憩流狀態，流速較小，除了主航道上的落潮流速較大外(一般為0.1 m/s)，其余海域的流速均小于0.1 m/s，而且部分淺灘地區有大面積的灘涂露出(圖3中灰色區域)。

2.2 溢油軌跡數值模擬結果

2.2.1 SE風向條件下溢油

在SE風條件下，漲、落急時發生溢油泄漏經1 h、6 h、12 h、24 h、36 h以及72 h的掃海情況分別見圖4和圖5(圖中黑色區域，下同)，油粒子各典型時刻的分布范圍如表2所示。

表2 不同時刻油粒子分布范圍Tab.2 The distribution range of oil particles at different hours

1)漲急時刻

由圖4可見，漲急時發生溢油，油粒子受潮流場與SE風場的共同作用發生遷移和擴散。經1 h，由于漲潮流方向與風場方向一致，油粒子迅速朝漲潮流的方向往白馬港灣頂漂移，少量溢油附著于白馬港東側岸邊，大部分油粒子未散開，擴散范圍較小，此時油粒子分布范圍約3.02 km2。經6 h，潮流場流向發生變化，油粒子遷移方向也由白馬港灣頂轉向灣口，小部分溢油停滯于白馬港西側沿岸，大部分溢油隨著潮流做遷移運動，同時隨機擴散范圍也變大，此時油粒子分布范圍約19.28 km2。經12 h，油粒子隨著潮流經一個潮周的運動主要在白馬港發生上下遷移與隨機擴散，擴散范圍進一步變大，此時油粒子分布范圍約32.77 km2。經24 h，部分油粒子開始擴散出白馬港，擴散范圍進一步擴大，約為43.78 km2，由于風場方向與落潮流方向相反，大部分油粒子仍留在溢油點附近海域，少量溢油擴散出白馬港外。經36 h，在漲落潮流的帶動下，遷移出白馬港外的溢油增多，這部分溢油在SE風場的作用下，漂向更遠的漳灣鎮東側海域，此時油粒子分布范圍進一步擴大，約為73.14 km2。可見，溢油在周期性潮流的帶動下，除大部分溢油留在白馬港外，越來越多的溢油則遷移并擴散至漳灣鎮東側和鹽田港西南側海域。經統計，在SE風況下，油粒子在72 h內的影響范圍約為139.50 km2，對白馬港內和三都鎮北側重要的漁業水域產生較大的影響，對三都鎮周邊的歷史文化遺跡保護區和海洋保護區產生小范圍的影響。

2)落急時刻

由圖5可見，落急時發生溢油，油粒子受潮流場與SE風場的共同作用發生遷移和擴散。經1 h，油粒子主要往落潮流的方向遷移，由于落潮流方向與風場方向相反，少量溢油漂向溢油點的北側，大部分油粒子未散開，擴散范圍較小，此時油粒子分布范圍約2.84 km2。經6 h，潮流場流向發生變化，油粒子遷移方向也發生變化，少量溢油停滯于白馬港東西側沿岸，大部分溢油隨著潮流做遷移運動，同時隨機擴散范圍也變大，此時油粒子分布范圍約20.49 km2。經12 h，油粒子隨著潮流經一個潮周的運動主要在白馬港發生上下遷移與隨機擴散，擴散范圍進一步變大，此時油粒子分布范圍約36.59 km2。經24 h，部分油粒子開始隨機擴散出白馬港，擴散范圍更大，約為62.38 km2，大部分油粒子仍停留在溢油點附近海域，少量溢油擴散出白馬港外。經36 h，在漲落潮流的帶動下，遷移出白馬港外的溢油增多，這部分溢油在SE風場的作用下，主要漂向更遠的漳灣鎮東側海域，此時油粒子分布范圍約為64.60 km2。可見，溢油在周期性潮流的帶動下，除大部分溢油停留在白馬港外，越來越多的溢油則遷移并擴散出白馬港外海域。經統計，在SE風況下，油粒子在72 h內的影響范圍約為144.50 km2，對白馬港內和三都鎮北側重要的漁業水域產生較大的影響，對三都鎮周邊的濕地水禽紅樹林自然保護區、歷史文化遺跡保護區和海洋保護區產生小范圍的影響。

2.2.2 NE風向條件下溢油

在NE風條件下，漲、落急時發生溢油泄漏經1 h、6 h、12 h、24 h、36 h以及72 h的掃海情況分別見圖6和圖7，油粒子各典型時刻的分布范圍詳見表2。

1)漲急時刻

由圖6可見，漲急時發生溢油，油粒子受潮流場與NE風場的共同作用發生遷移和擴散，其遷移擴散規律大體與SE風向條件下的一致。溢油1 h，油粒子朝漲潮流的方向漂移，擴散范圍較小，約為3.54 km2。6 h時，潮流場流向發生變化，除隨著潮流做遷移運動外，溢油隨機擴散范圍變大，此時油粒子分布范圍約23.18 km2。12 h時，經一個潮周的運動，油粒子主要在白馬港及NE下風向發生遷移與隨機擴散，油粒子遠離溢油點，擴散范圍也進一步變大，已擴散出白馬港，此時油粒子分布范圍約37.82 km2。24 h時，除部分溢油附著于白馬港西側沿岸，大部分油粒子受風場的作用較為明顯，隨潮流遷移與隨機擴散至漳灣鎮東側、三都鎮北側海域，擴散范圍進一步擴大，約為65.33 km2。36 h，大部分溢油在潮流場和風場的帶動下，滯留于沿岸；部分溢油則繼續在海上遷移與隨機擴散，此時這部分溢油主要在三都鎮的西北側和西側海域，油粒子分布范圍進一步擴大，約為84.75 km2。可見，溢油在周期性潮流的帶動下，除部分溢油附著于白馬港沿岸外，大部分溢油擴散出白馬港外、NE的下風向。經統計，在NE風況下，油粒子在72 h內的影響范圍約為344.50 km2，對白馬港內和三都鎮北側重要的漁業區，三都鎮周邊的濕地水禽紅樹林自然保護區、歷史文化遺跡保護區及海洋保護區產生較大的影響。

2)落急時刻

由圖7可見，落急時發生溢油，油粒子受潮流場與NE風場的共同作用發生遷移和擴散，其遷移擴散規律大體與SE風向條件下的一致。溢油1 h，由于落潮流方向與風場方向一致，油粒子迅速朝落潮流的方向往白馬港灣口漂移，溢油未散開，擴散范圍較小，約為3.03 km2。6 h時，潮流場流向發生變化，溢油遷移和隨機擴散范圍變大，約為20.20 km2。12 h時，經一個潮周的運動，油粒子主要在白馬港及NE下風向發生遷移與隨機擴散，擴散范圍進一步變大，約為36.46 km2。24 h時，除部分溢油附著于白馬港西側沿岸，大部分油粒子受風場的作用較為明顯，開始擴散出白馬港，并隨潮流遷移與擴散至漳灣鎮東側海域，擴散范圍進一步擴大，約為63.23 km2。36 h，大部分溢油在潮流場和風場的帶動下，滯留于沿岸；部分溢油則繼續在海上遷移與隨機擴散，此時這部分溢油主要在三都鎮的西北側和西側海域，油粒子分布范圍進一步擴大，約為74.77 km2。可見，溢油在周期性潮流的帶動下，除部分溢油附著于白馬港沿岸外，大部分溢油擴散出白馬港外、NE的下風向。經統計，在NE風況下，油粒子在72 h內的影響范圍約為371.80 km2，對白馬港內和三都鎮北側重要的漁業區，三都鎮周邊的濕地水禽紅樹林自然保護區、歷史文化遺跡保護區及海洋保護區產生較大的影響。

3 結論

本文參考了國內外學者對溢油擴散的研究進展，假定白馬港航道發生溢油事故，運用油粒子的溢油研究方法，結合三沙灣的潮流場，對其影響趨勢進行模擬研究，得到以下結論：1)油粒子的漂移軌跡主要受潮流場與風場的共同作用，并反映了三沙灣地形特點，其軌跡符合潮流場的變化規律和風場的方向；建立的“油粒子”模型能夠模擬三沙灣海域的溢油擴散趨勢。2)白馬港海域一旦發生溢油事故，將受到嚴重影響；在東北風的影響下，影響面積進一步擴大，將對三都鎮北側重要的漁業區、三都鎮周邊的濕地水禽紅樹林自然保護區、歷史文化遺跡保護區以及海洋保護區產生較大的影響。開展本次應用研究，模擬的油粒子軌跡基本可以反演溢油影響趨勢，能夠反映模型區域的地形特點和擴散漂移情況，下一步將深入開展溢油影響研究，比如運用本模型，以一定海面面積內油粒子的個數和質量計算油膜厚度分布，為溢油事故造成的漁業資源損失評估等研究提供參考。