珠江口区域海上溢油动态预测信息系统的开发与应用

熊德琪，林 奎 ，肖 明 ，杨建立

（1.大连海事大学，大连 116026；2.广东海事局，广州 510230）

珠江口区域是我国经济最发达的地区之一，油品需求量呈不断增长的趋势。广州、深圳、珠海港每年油类吞吐量超过2 400万t，其中大部分在珠江口、大屿山、沙角、二虎等锚地进行水上过驳，参加过驳作业的大小油船约3万3千多艘次，存在非常大的溢油污染风险。为了提高溢油反应效率，大连海事大学与广东海事局合作，在国内外先进的溢油应急信息系统基础上，针对珠江口水域的特点研制开发了“珠江口区域海上溢油动态预测信息系统”，作为溢油应急指挥的决策支持系统和培训演习技术平台［1-2］。

1 系统组成

系统由一系列数值计算模型和基于WINDOWS操作系统的用户图形界面2大部分组成（图1）。

1.1 数值计算模型

海上溢油行为和结果受油品本身特性和潮流场等多种环境因素支配，经历漂移、扩散、蒸发、分散、乳化、溶解、光氧化、生物降解及其相互作用的复杂过程。研究这些作用和相互作用过程，是模拟溢油行为和结果的基础，数值计算模型是系统的核心，主要包括以下4个部分。

（1）三维潮流数值预报模块。潮流、风海流以及密度流、压力梯度流、冲淡水流等组成的合成流速，是油膜漂移运动的驱动力，因此流场预报是溢油动态预测的关键条件之一。珠江口水域动力环境复杂，课题选用中山大学在汉堡陆架海HAMSOM三维斜压方程模式基础上建立的珠江口潮流数值预报模式，形成珠江口三维潮流快速预报模块，经验证满足预报精度。潮流快速预报方法借助三维数模对预报海域进行连续15个周的潮流计算，对每个网格点进行调和分析，算出各点的潮流调和常数，即可实现三维潮流的快速预报，生成的预报结果可供珠江口水域溢油应急预报系统实时调用。

（2）溢油行为模型。系统采用目前国际上一致认同的“油粒子”模型来模拟海面溢油行为，将溢油用许多粒子代表，反过来每一个粒子代表一组同样大小和成分的油滴，粒子在表面表现为油膜，在水体中则表现为油滴，表面油膜的大小为表面粒子的叠加。采用表面扩散、平移、输送、乳化和挥发算法来模拟计算海水表面溢油的漂移、风化过程；而水体中油粒子与水体一起运动，并伴有随机行为，可视作拉格朗日粒子，采用随机走动算法模拟水平和垂直方向的平移以及湍流扩散；利用线性平衡理论来划分粒子的吸附状态和溶解状态；由于吸附在固体颗粒上的污染物会与颗粒一起沉降，底部污染物与沉积物按照生物扰动方程混和，会有一部分返回到水体中。污染物在水中和沉积层中的降解以一级降解方程表示。与过去的二维算法相比，应用油粒子概念不但较好地解决了油膜在环境动力作用下的剪变和破碎过程，并能确切预报油膜边缘的扩展过程和油膜形状在风向上的明显拉伸现象，能切和实际地模拟油膜的不规则形状和漂移轨迹，而且可以有效地消除数值发散问题。

（3）溢油风化模型。海面溢油在其输运扩散的过程中，也同时经历着蒸发、分散、溶解、乳化、沉降、光氧化、生物降解等复杂风化过程，直接导致油膜理化性质的改变，溢油的风化过程相当复杂。本模型主要以风化实验数据为基础，考虑溢油的蒸发、分散、溶解、乳化等过程，对于光氧化等长期过程等则可忽略。

（4）应急反应模型。联合使用应急反应模型与溢油行为和风化模型，可模拟不同反应策略（如机械回收、使用分散剂等）的溢油清除效果，为溢油应急反应决策提供参考。

图1 溢油动态预测信息系统的组成结构Fig.1 Scheme of oil spill dynamic forecast information system

1.2 图形界面

（1）图形界面是为了方便用户输入上述数值计算所需要的参数，并且可将预测计算结果可视化输出，形象直观，主要包括：可任意缩放比例的电子海图，根据用户指定的计算范围，系统能够自动生成高精度的计算网格，这样可以提高计算准确性。

（2）包括油品和化学品的物理化学性质数据库、水深地形数据库，水文气象（风海流）数据文件库、资源分布数据库、溢油人员设备数据库等。用户既可以直接选用风场和潮流场的数据文件，也可以根据观测资料实时生成潮流场和风场，地形水深情况可自动调用数据库，使应急预测准确而迅速。

（3）内置有与ArcView系统格式相互兼容的地理信息系统（GIS）技术，提高了系统的实用性和扩充性；允许用户在电子海图上编辑添加显示资源保护区、环境敏感区、应急人员设备分布、水深、航道等信息。并具有开放性，允许用户编辑添加。

（4）系统运行由输入、模拟计算和输出3部分构成，操作顺序为：输入溢油预测所必需的条件，包括油种性质数据、环境数据和模型控制参数，其中空间流场数据由三维潮流模型计算产生；预测部分以三维溢油动态模型和风化模型为主体，依据输入数据预测未来时刻的溢油动态和行为；预测计算结果进行可视化输出，计算结果可直接输出至电子海图上，可视化显示溢油的漂移轨迹和性质变化，因此特别适合溢油现场指挥使用。同时，由于系统运行过程采用逐步引导式输入，计算结果能够以动画、图形、文本等多种形式详细输出，便于非专业的管理人员操作使用。还可通过一机多屏技术实现不同内容在双屏或三屏上分别显示，以便同时参考上述相关信息，提高应急反应效率。

2 系统功能

（1）用户在15 min之内就可以将事故参数和现场数据方便快速地输入并完成预测模拟计算，并在海域电子海图上显示溢油可能的漂移轨迹、扩散范围、上岸时间和地点等，有助于确定油膜位置和动态，并及时调集应急队伍和清除设备到达适当的作业地点；

（2）能够根据气象海况条件，计算预测海上溢油在不同时刻的残余量、油膜厚度、密度、粘度、含水率、乳化率等溢油性质和状态变化情况，有助于选择最有效的控制清除方式；

（3）预报溢油漂移轨迹和扩展范围，以便向环境敏感区发布污染预警，提前防范避免重大污染损失；

（4）系统内配备有地理信息系统（GIS）技术，可以显示环境敏感区和应急人员设备的地理分布信息，有助于提前发出污染预警和进行应急部署；

（5）具备模拟不同清除方案处理效果的功能，为应急反应处理提供必要信息和决策支持；

（6）具备模拟不同化学品污染物在水中的溶解扩散情况和沉降作用对海底底质污染程度的功能，可对各种化学品在海面、水中、海底的动态和分布全方位地进行计算显示；

（7）具有文字、图形、图表的直接复制打印输出功能，方便编辑迅速形成报告。

3 应用案例

1999年3月24日发生的珠海“3·24”溢油污染事故是历年来发生在珠江口水域溢油量最大、损害最为严重的船舶溢油事故。事故造成珠江口部分水域岸线严重污染，使珠海市在水产养殖和旅游等方面蒙受重大的经济损失，生态环境遭到严重破坏，教训十分深刻。现应用上述“珠江口区域溢油动态预测信息系统”进行事故模拟检验。

3.1 事故模拟参数

溢油时间为 1999 年 3 月 24 日 02：00～03：00 时，溢油地点位于 22°24′.718N，113°43′.583E，距淇澳岛约10 km；溢油种类为180#重质燃料油，约586 t。

根据珠海市气象站提供的1999年3月24～30日典型时段的资料，24日和25日以偏东北风为主，风速约2.0 m/s；26日以偏南风为主，风速较小，约1.0 m/s；27日下午以后风向增强至4～5 m/s，以偏东风为主；28日以东北风为主，风速较大；29～30日，亦以东北风为主，风速亦较大。

海况条件：当天内伶仃站位的潮汐高潮时刻为04：55 和16：36，低潮时刻为 10：55 和 22：59，事故发生时处于涨潮状态，流速约为1节，轻浪（图2）。

3.2 模拟结果与分析

溢油漂移的模拟轨迹结果见图3。下面对模拟结果作一些初步分析。

（1）1999年3月24日2时事故发生时正处于涨潮期，小潮，事故发生地点附近海域的潮流流速不大，涨急时约为0.4 m/s，吹轻微的东北风。油膜漂移主要受北向涨潮流和南向落潮流的控制作南北往复运动，同时受约2 m/s的东—东南风影响，油膜呈“M”字形轨迹逐渐向淇澳岛方向靠近，平均漂移速度0.2 m/s。油膜厚度很快减少到1 mm以下，由于风浪不大，乳化程度低，但随着重油中约10%轻组分的挥发，油膜的粘度很快增加，达5 000 Cs以上。溢油于1999年3月25日下午到达淇澳岛附近海域，并有部分在淇澳岛南芒湾和唐家湾铜鼓角一带登陆。这段时间溢油在偏东北风的作用下缓慢向淇澳岛漂移。这个时间段是最好的应急围堵、回收时机。

（2）1999年3月26日，风力变小且是南风，油膜在涨落流的交替作用下，在铜鼓角附近海域徘徊，并有部分溢油进入金星门。部分油膜漂向南芒湾及轮渡码头等岸线。由于落潮流略大于涨潮流，大部分油膜向东南漂移绕过铜鼓角后，于27日凌晨向南漂移至大坞湾和唐家湾海域，在大坞湾和唐家湾海域作往复运动。这段时间海面刮南风，风力较小，使溢油在唐家湾和淇澳岛南侧之间海域随潮流作往复运动，有部分油膜飘上岸。

图2 伶仃水道附近水域的落急流态Fig.2 Simulated ebb tide current field around the Lingding waterway

（3）3月27日下午风力开始增强，转为4级东风，大量溢油在唐家湾和银坑一带被吹上岸。剩余油膜于28日凌晨绕过银坑进入香洲湾。28日继续吹较大的东北风，油膜在香洲湾海域作往复运动，大部分油膜在香洲港、野狸岛及菱角咀等处陆续抵岸。少量破碎油膜则于29日到达九州列岛附近海域，最终被吹上海岸。突然增强的东北风将海面飘浮的剩余油膜陆续吹上岸。

根据模拟结果，此次溢油事故污染比较严重的海岸有：淇澳岛东侧与南侧一带、铜鼓角、唐家湾、银坑、香州湾、九州港一带等，模拟结果与当时实际监测情况较一致。

图3 “3.24”事故油膜漂移动态与轨迹模拟结果Fig.3 Visual display of“3.24”oil film trajectory results

4 结束语

本文介绍的溢油动态预测信息系统输入简便快捷、计算迅速准确、结果详实可视，无论是理论技术性还是实际应用性均比较先进。不但能够为各港口和水域的污染事故应急计划和部署提供决策支持，提高应急反应效率，也可以广泛应用于海上溢油与化学品污染事故防治的其他领域，如污染事故风险与环境影响评价、应急反应计划的演习和人员培训、污染损害评估与索赔等。

［1］Reed M，Ekrol N，Rye H，et al.Oil Spill Contingency and Response（OSCAR）Analysis in Support of Environmental Impact Offshore Namibia［J］.Spill Science and Technology Bulletin，1999，5（1）：29-38.

［2］张波，吴冠，张砚峰，等.中文 Windows环境下的海上溢油预报系统［J］.海洋环境科学，1997，16（1）：41-45.ZHANG B，WU G，ZHANG Y F，et al.Oil spill prediction system for Windows［J］.Marine Environmental Science，1997，16（1）：41-45.