海底溢油输移扩散的可视化数值模拟系统＊

廖国祥 杨建强 高振会

（武汉理工大学航运学院1） 武汉 430063）（国家海洋局北海分局2） 青岛 266033） （国家深海基地管理中心3） 青岛 266061）

目前国内外关于溢油预报系统的研制报道已有很多［1－2］，但这些系统通常只支持对海面溢油漂移扩散的模拟预测，很少能够模拟溢油在复杂水下环境中的输移扩散过程［3］.为此，国外水下溢油模型研究人员自行开发专用软件，例如Chen和Yapa探讨了水下溢油浮射流的三维可视化显示方法［4］；Reed等开发了用于支持海底输油管道溢油量数值计算的可视化软件工具［5］，但其扩展性不强，难以满足实际应用中的特定需求.本文在水下油气溢漏事故污染物输移预测模型的基础上，结合研究与应用的实际需要，设计和开发用于海洋生态环境影响评估的海底溢油可视化数值模拟系统（spill i mpact assess ment system for subsea oil spills，SI MPACT－SOS）.

1 系统组成

系统由Visual C＋＋和Visual Fortran开发实现，其中数值模型程序由Fortran语言编写实现.系统开发过程中运用了关系数据库管理系统（RDBMS）、地理信息系统（GIS）等技术，为系统提供强大的空间数据管理和可视化功能［6］.最后，应用Visual C＋＋编程实现图形界面及其他应用功能.

系统中的溢油模型包括水下油气溢漏事故污染物输移预测模型［7］和海上溢油行为归宿模型［8］（见图1）.

图1 海底溢油输移扩散可视化数值模拟系统的组成结构

1.1 数值模型

1.1.1 水下溢油模型 与海上溢油事故的不同，海底输油管道泄漏、石油钻井井喷等水下溢油事故发生时，石油和天然气混合物在泄漏源的压力作用下连续喷射进入水体中并破碎成为油滴和气泡，它们在初始动量和水体浮力的共同作用下形成浮射流并处于主动输移状态.当遇到速度较大的横向水流时，溢油浮射流的输移迹线发生弯曲，此时气泡将逐渐脱离浮射流.浮升至一定高度的溢油在失去初始射流动量后，将在周围海水流动作用下在水平和垂直方向上输移和分散（见图2）.最后粒径较大的油滴浮升至水面并扩展成为油膜，并在风、浪、流等环境因素作用下经历着漂移、扩散、蒸发、乳化等运动和风化过程.

水下溢油模型能够模拟油气混合物在密度和流速分层的真实水下环境中的水流卷吸、湍流分散、溢油溶解、油气共同输移与分离输移等动态行为［6］.

图2 海底溢油事故污染物输移扩散过程示意图

1.1.2 海上溢油模型 海上溢油模型能够模拟多点源泄漏、移动源泄漏等复杂溢油泄漏方式，还能模拟海面溢油在风和海流作用下的漂移、扩散、蒸发、溶解、乳化、分散等行为动态和风化过程［8］.

此外，系统还集成其他应用模型，如海洋环境动力模型和溢油应急决策模型.其中海洋环境动力模型用于提供溢油输移扩散模拟所需的环境水动力数据，而应急决策模型可在溢油时空分布模拟结果的基础上为事故应急指挥提供决策支持信息.

1.2 数据库

1.2.1 地理信息数据 通过将纸质海图转化为电子格式数据，在此基础上通过手动添加、编辑、删除等方式更新整理后建立成地理信息数据库.其中，电子海图数据包括海洋和陆地数据、航道数据、溢油应急设备设施、城市基础地理数据.此外，还包括海底溢油风险源数据，如海洋石油平台、海底输油管线、海底沉船分布点等.

1.2.2 环境动力数据 主要包括海面风向风速、不同水深的流速流向以及温度、盐度、密度等海洋环境要素的监测数据.另外，还包括由环境水动力数值模型输出的二维、三维潮流场数据以及气象部门提供的风场数据.

1.2.3 油品特性数据 主要包括常见的原油和成品油的物理化学特性数据，如CAS编号、密度、熔点、沸点、闪点等.

1.2.4 数值模拟数据 主要包括溢油数值模拟的前处理和后处理数据.其中，前处理数据有海洋环境动力数据（风、流等）；后处理数据有模拟输出结果（溢油的空间位置、溢油属性变化数据）.此外，还包括数值模型与系统运行所需的基本参数等数据.

1.3 图形界面

1.3.1 图形用户界面（GUI） 图形用户界面采用流行的视窗风格，由系统菜单、工具条、图层管理窗口、图形显示窗口以及系统输出窗口组成.其中，菜单集成了系统的所有功能，工具条集成了系统的常用的功能；图层管理窗口用于控制GIS图层的显示和隐藏等；图形显示窗口用于显示GIS数据和数值模拟结果等；系统输出窗口用于显示用户操作记录和GIS数据查询结果等.

1.3.2 数据分析界面 由GIS界面和垂向剖面数据分析界面组成.其中，GIS界面除可以显示电子海图空间数据外，还可以显示计算网格、潮流场、海面油膜漂移扩散过程等；垂向剖面数据分析界面则用于显示溢油在水下环境中的输移扩散过程.此外，系统还内置了图表分析组件，用于分析溢油在海洋环境中（海面、水中、大气、海底、岸线等）的归宿分布.

2 系统功能

2.1 GIS应用平台

2.1.1 基本GIS功能 GIS平台提供电子海图的放大、缩小、漫游、鹰眼、距离测量、面积测量等基本GIS功能.系统除了可以显示研究海区的海图外，还内置了海图比例标尺、经纬度网格、鼠标滚轮控制海图缩放等方便用户操作的实用功能.

GIS平台具有“图形查属性”和“属性查图形”的查询功能，前者是通过点查询等方式获取选中图形对象（点、线、面以及文本）的属性信息，后者则通过属性信息查询以高亮方式显示被选中的图形对象.

2.1.2 GIS数据管理 GIS平台具有地图编辑、图层管理等数据管理功能.地图编辑功能是指在电子海图上添加、修改和删除图形对象及其属性信息的功能.地图编辑功能在溢油事故应急决策中可提供有效的支持，如在电子海图上标绘围油栏、布置应急人员和设备等.

GIS平台采用“图层－图层组”的数据管理模式，即将不同类型的海图数据保存为独立的地图“图层”文件，并把属于同一公共类别的图层文件存放在同一个文件夹目录中，将该目录标识为一个“图层组”.

2.2 数值建模分析

2.2.1 模型数据处理 系统提供数值模型数据的前处理和后处理功能，通过对话框方式输入和输出数据，简化用户对模型参数、计算过程以及模拟结果等数据的处理过程.此外，系统通过将不同数值模型的输入和输出数据存放到不同的文件目录中，以实现对数据文件的有效处理和管理.

2.2.2 计算网格生成 系统内置了矩形计算网格的自动划分功能，即用户只需在电子海图上拉框选择一个区域，系统即可自动生成该区域的计算网格，并以不同的颜色来显示水深地形.系统也提供了修改工具，方便用户修改计算网格的属性信息（水深、栖息地类型等）.

2.2.3 数据可视化分析 系统能够在GIS平台上实现以渐进、快进和快倒的播放模式动态显示溢油动态的数值模拟结果.此外，系统通过GIS的无极缩放功能和垂向剖面组件的数据分析功能，既可以鸟瞰图形式纵观全局，又可以局部放大特定区域详细查看和分析数值模拟结果，可有效支持对数值模型的改进和完善.

2.3 溢油数值模拟

2.3.1 溢油模拟预测 溢油模拟方面，系统针对不同类型的水下或海上溢油事故，通过调整计算参数，实现对溢油在水体中及海面上的输移扩散过程的数值模拟.用户也可借助系统的数据管理与可视化分析功能，结合实验室实验、海上现场试验、历史溢油事故等数据开展模型验证和改进研究.用户还可通过图形界面设定不同类型海底溢油事故的模拟场景，设置不同的海洋环境动力条件，开展数值试验分析研究.

溢油预测方面，用户结合实测或预报的海洋环境动力场（如流场、风场等）数据，通过图形界面快速地设定溢油事故参数并完成模拟计算后，系统可在电子海图上可视化显示溢油的输移轨迹、扩散范围、上岸时间地点等，同时以图表方式显示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.

2.3.2 溢油决策支持 系统可通过GIS平台显示环境敏感区和应急人员设备的地理分布状况，为事故应急指挥提供清污处置等决策信息.此外，系统能根据溢油输移扩散范围和敏感资源的叠加分析，自动进行预警提示.系统还提供了图形输出功能，可以生成包含溢油水下和海上输移扩散数值模拟结果的图形文件以及数值计算过程的相关记录文件，这些数据文件可以帮助用户快速形成生成图文并茂的决策评估报告.

3 应用算例

渤海是我国溢油污染的高风险海域，海底沉船溢油、海底输油管道泄漏等水下污染事故发生的次数较多.因此，本文选择渤海作为研究海区，以假设的海底输油管道破损溢油事故为例进行系统的应用演示.

3.1 模拟参数

根据SI MPACT－SOS系统的运行要求，设定以下海底输油管道溢油事故的数值模拟参数：（1）输油管道参数.输油管道内径为325 mm；石油密度为949.3 kg／m3；流量为30 m3／h；（2）溢油事故参数.事故地点为120.8°E，40.0°N；事故水深为28 m；管道裂孔直径为0.05 m，孔口向西；溢油射流速度为4 m／s；事故时间为海域高潮时刻前1 h；持续泄漏时间为3 d；模拟预报时间为3 d；（3）环境动力参数.事故海域的海水密度为1 025 kg／m3；流场由海洋水动力模型模拟提供（见图3）；事故海域海面风场设定风向为东南风，风速为5 m／s.

图3 渤海表层海流在GIS平台上的图形化显示

3.2 结果分析

应用SI MPACT－SOS系统模拟计算后，获得溢油在水体中及海面上的时空分布模拟结果，如图4～图6所示.

图4 a）显示的是溢油持续泄漏5 min时在海面上的空间分布模拟结果.图4b）所示（即图中的A点到B点的垂向剖面），破损的海底输油管道开始泄漏后，溢油在管道内部压力作用下喷射进入海水中，所形成的浮射流随即在横向流动海水作用下发生弯曲，此过程中溢油在水流的卷吸作用下不断扩散.

图5 a）显示的是持续泄漏65 min时溢油在海面上的空间分布模拟结果.由于海流已转向，此时溢油在水体中的浮升输移轨迹与初始时不同，溢油在泄漏源口处以射流状态进入水体中，但上升至水下20 m处则开始在横流作用下往出射相反方向输移，模拟结果如图5 b）所示.

图6 a）显示的是溢油持续泄漏1d时的模拟结果，海面油膜在表层海流和海面东南风的共同作用下不断向东北方向漂移扩散并形成“之”字形的输移轨迹，此时海面污染面积约为24.5 k m2.溢油持续泄漏3 d后，除部分溢油已到达海岸外，海面溢油覆盖范围不断增大，此时污染面积约为117 k m2，模拟结果如图6 b）所示.

图4 持续泄漏5 min的溢油时空分布可视化模拟结果

图5 持续泄漏65 min的溢油时空分布可视化模拟结果

图6 持续泄漏1 d和3 d的溢油时空分布可视化模拟结果

4 结束语

本文设计并开发了海底溢油输移扩散可视化数值模拟系统SI MPACT－SOS，实现了GIS应用平台、数值建模分析、溢油模拟预测等专业功能.应用系统开展渤海海底输油管道溢油事故的算例研究，溢油在水体中及海面上输移扩散的全过程模拟展示了溢油模型的综合模拟能力和系统的强大可视化功能，也表明了系统能够为海底沉船溢油、海底油气管道泄漏、海洋油气钻井井喷等不同类型的水下污染事故的风险评估、应急决策以及海洋生态环境损害评估提供理论与技术支持.

［1］熊德琪，杜 川，杨为群.大连海域溢油应急预报信息系统及其应用［J］.交通环保，2002，23（3）：5－8.

［2］孙 俊，俞济清，黄立文.基于OIL MAP的中国舟山港溢油管理信息系统［J］.计算机仿真，2002，19（4）：76－78.

［3］Yapa P D，Zheng L.Si mulation of oil spills fr o m under water accidents I：Model develop ment［J］.Journal of Hydraul Res，1997，35（5）：673－687.

［4］Chen F H，Yapa P D.Three－di mensional visualization of multi－phase （oil／gas／hydrate）plu mes ［J］.Environ mental Modelling ＆ Soft ware，2004（19）：751－760.

［5］Reed M，Morten H E，Ben H，et al.Nu merical model for estimation of pipeline oil spill volu mes［J］.Environ mental Modelling ＆Soft ware，2006，21（2）：178－189.

［6］廖国祥，熊德琪，姜玲玲.溢油污染生物资源损害评估地理信息系统的开发［J］.武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2008，33（4）：746－749.

［7］廖国祥，高振会，熊德琪.水下油气溢漏事故污染物输移预测模型［J］.大连海事大学学报，2010，36（4）：115－120.

［8］廖国祥，韩俊松，熊德琪.复杂泄漏方式下的海上溢油行为归宿数值模拟及应用［J］.大连海事大学学报，2010，36（1）：86－90.