不同泄漏方式下的海上溢油数值模拟

于徐华, 孟 云

(中海环境科技(上海)股份有限公司，上海 200135)

不同泄漏方式下的海上溢油数值模拟

于徐华, 孟 云

(中海环境科技(上海)股份有限公司，上海 200135)

采用MIKE21 HD模块和SA模块建立营口港海域溢油预报模型，分别模拟瞬时溢油和连续溢油2种溢油方式下油膜漂移扩展规律。对比分析结果表明:在不考虑风场的条件下，溢油主要随潮流往复运动;比较72 h后2种溢油方式下油膜的扫海面积和影响范围，连续溢油方式下的扫海面积和影响范围均比瞬时泄漏方式下的大。综合考虑实际泄漏事故发生情况，在对溢油事故影响进行预测时，溢油泄漏应考虑采用连续泄漏方式。

溢油；瞬时溢油；连续溢油；数值模拟

0 引 言

中国是海洋大国，拥有1.8万km大陆海岸线和1.4万km岛屿岸线。伴随着经济社会发展，我国水路货物运输量和港口吞吐量连续多年稳居世界第一。海上运输业的发展致使海上航行船舶密度增大，油轮向大型和超大型化发展，加剧了海上溢油风险的隐患和危害程度。据统计，1990年～2010年期间，我国沿海海域共发生船舶溢油事故(溢油量≥50 t)71起，溢油总量为22 035 t[1]。溢油事故一旦发生，不仅对海洋生态环境造成严重的破坏，造成周边区域内鱼虾贝类中毒甚至死亡,海鸟的生存受到威胁等；如若溢油登岸，则会使海边浴场、海岸风景旅游区和湿地保护区等遭受污染；严重的溢油事故会引发火灾和爆炸，破坏船舶或海上设施，甚至造成人员伤亡[2-3]。因此，建立海上溢油的数学模拟模型，模拟突发性溢油事故后油膜的轨迹，分析和预报溢油的污染范围，对科学地制定应急抢险计划和降低溢油损失具有十分重要的意义。

溢油泄漏入海后，在各种环境因素的作用下，会发生复杂的物理、化学和生物过程。FAY[4-5]提出在平静海面上油膜呈圆形扩展的三阶段理论，在不考虑海流、风、波浪等因素的影响，考虑扩展是由重力、表面张力、惯性力和黏滞力的作用而产生的，通过不同阶段主要作用力和阻力的平衡求得瞬时溢油油膜扩展规律。对于连续溢油过程，FAY认为仍然是上述作用力决定油膜的扩展，油膜扩展阶段同瞬时溢油，进而给出了溢油口下游不同距离处的油膜扩展宽度[6]。山口英昭等[7]采用水槽实验的方法模拟了连续溢油过程，证实连续溢油在静止水面上的扩散存在3个不同阶段，油在下游不同距离上的扩散幅度，可假设为溢油口以水流速度的移动，溢油时间为X/U的静止水面上扩散表示。后来众多学者研究认为风、流等因素也会影响油膜的扩展[8-11]，并在FAY扩展模型基础上进行改进，油膜扩展形式也不再以圆形的形式向四周扩展。ELLIOTT等[12]认为不仅风和海流对油膜扩展具有重要作用，同时溢油本身性质(如黏度和密度等)的变化也会对溢油扩展产生影响。

这里在国内外相关研究的基础上，以营口港海域溢油事故为例，利用MIKE21建立二维水动力模型，模拟区域为整个辽东湾海域，采用三角形网格进行剖分，并对营口港周边海域进行局部加密。采用实测资料验证模型的可靠性和适用性，利用模拟结果为MIKE21 SA模块提供水动力基础数据，建立营口港周边海域的溢油模型，对营口港海域发生溢油泄漏事故的影响进行预测。从溢油泄漏方式着手，研究在不同的溢油泄漏方式下对营口港前沿海域的影响范围，分析如何选取合理的溢油泄漏方式，有效地预测溢油污染程度。

1 二维水动力模型

二维水动力模型连续方程为

(1)

二维水动力模型运动方程为

(2)

(3)

式(1)～式(3)中：x,y为直角坐标系坐标；t为时间；h为水深(基准面到床面的距离)；ζ为潮位(基准面到自由水面的距离)；u,v分别为x,y方向的垂线平均流速分量；f为科氏系数；g为重力加速度；Ex,Ey分别为x,y方向的水平紊动黏性系数；τx,τy分别为波流共同作用下床面剪切力在x,y方向的分量；Sxx,Sxy,Syy分别为各方向的波浪辐射应力。

2 溢油模型

MIKE21 SA模块是基于随机走动法来模拟粒子运动轨迹。通过对油膜的输移、风化等过程的模拟，提供油膜随时间变化的厚度和位置，以及溢油乳化率、蒸发量和溶解量等。

2.1输移过程

2.1.1 扩展运动

采用修正的FAY重力-黏力公式计算油膜扩展。FAY重力-黏力公式为

(4)

2.1.2 漂移运动

油粒子漂移的作用力是水流和风拽力，油粒子总漂移速度为

Utot=cw(z)·Uw+Us

(5)

式(5)中:Utot为总漂移速度；Uw为水面以上10m处的风速；Us为表面流速；cw(z)为风漂移系数，一般在0.03～0.04之间。

2.1.3 紊动扩散

2.1.3.1 水平扩散

假定水平扩散各向同性，一个时间步长内α方向上的可能扩散距离Sa为

(6)

2.1.3.2 垂直扩散

从油膜扩散到水体中的油分损失量为

D=DaDb

(7)

油滴返回油膜的速率为

=Da(1-Db)

(8)

2.2风化过程

油粒子的风化包括蒸发、溶解和乳化等过程，在这些过程中油粒子的组成发生变化，但油粒子的水平位置没有变化。

2.2.1 蒸发

油中较轻的组分能蒸发到大气中，减少溢油量，同时改变溢油的密度和黏性等物理性质。油膜蒸发受油分、气温、水温、溢油面积、风速、太阳辐射和油膜厚度等因素的影响。

蒸发率为

(9)

式(9)中:N为蒸发率；i为各种油组分；kei为物质输移系数;PSAT为蒸汽压；R为气体常数；T为温度；M为分子量；ρ为油组分的密度。

(10)

式(10)中:k为蒸发系数；Sci为组分i的蒸汽Schmidts数。

2.2.2 溶解

油有极微弱的溶解于水的特性，溶解量和时间也有一定的规律可循，溢油最大溶解量发生在事故后8～12 h内，然后溶解量呈指数线性下降。溶解率为

(11)

2.2.3 乳化

溢油的乳化是指油和水混合在一起形成油水乳化物的过程，该过程取决于油膜的厚度、溢油本身的密度、黏度及风浪大小等因素。

油中含水率变化为

=R1-R2

(12)

3 模型的建立

营口港位于辽东半岛中部，面临渤海。计算区域选取为营口港区和邻近海域，考虑边界条件选取，计算区域选取整个辽东湾。模型采用三角形网格对整个计算区域进行剖分，采用嵌套网格形式对营口港区域及周边海域进行加密，其中港区周边网格划分面积为0.15 (km)2。其中，水边界条件给定水位过程，利用秦皇岛及长兴岛2个站点的水位资料作为模拟海区开边界水位，数据来自中国人民解放军海军司令部航海保证部的潮汐表。潮汐表中秦皇岛潮位站既有逐时的数据又有高低潮数据，而长兴岛潮位站的数据只有高低潮数据，所以对长兴岛潮位站数据利用分段三角函数拟合方法,将其数据拟合成间隔0.5 h的数据，对秦皇岛潮位站的数据采用线性插值方法插值成间隔0.5 h的数据。

4 模型验证

为验证模型的合理性，采用鲅鱼圈验潮站潮位数据进行验证，流速、流向验证采用仙人岛港区外围布设的定点监测站(见图1)在大潮(2010年4月16日09时至17日10时)期间同步连续监测数据，将模拟值与实测数据进行对比。部分测站流速流向验证曲线见图3，通过对比，发现计算值与实测值拟合良好，说明模型计算得到的潮流场是可信的，可用来进行溢油扩散数值模拟计算研究。

5 模拟结果及分析

计算域为营口港海域，泄漏点选择鲅鱼圈港区航道与仙人岛港区航道交汇处，经纬度坐标为40°16′38″N,121°50′42″E。泄漏量按照油轮灾难性溢油事故考虑，总溢油量设定为1万t。考虑瞬时泄漏和连续泄漏6 h两种泄漏方式，泄漏时刻选在涨憩和落憩两种情况，分别在无风条件下进行溢油模拟计算。比较两种泄漏方式下溢油分布情况。

5.1瞬时泄漏

瞬时泄漏是溢油在泄漏点很短时间内全部泄漏的泄漏方式，如油轮触礁破损严重，导致大量油品迅速泄漏。泄漏进入水体的溢油在重力、表面张力的作用下迅速向四周扩展形成油膜，同时油膜随水流发生漂移运动，并不断发生蒸发、溶解等风化过程。无论是在涨憩或落憩时刻发生泄漏事故，溢油进入水体扩展形成的油膜近似圆形，只在水流方向上的油膜宽度略大于垂直水流方向的油膜宽度，油膜面积随时间的推移逐渐增大。事故发生在涨憩(落憩)时，溢油随着落潮流(涨潮流)向西南(东北)方向漂移，落潮(涨潮)结束后随涨潮流(落潮流)向东北(西南)方向漂移，在不考虑风场作用下，油膜随潮流往复漂移(见图4和图5)。

5.2连续泄漏

连续泄漏是溢油在较长的时间内不断由泄漏点泄漏的泄漏方式，如船舶油舱泄漏、输油管线破裂和海上钻井平台井喷等。连续溢油与瞬时溢油相似，溢油进入水体后发生扩展、漂移和风化等过程。但与瞬时溢油不同，在溢油过程中，由于不断有油溢出，进入水体的溢油会在海面形成近似扇形的狭长油膜，即离溢油点越远溢油带越宽。由于选取连续溢油时间近似为涨(落)潮历时，故溢油发生在涨憩(落憩)时，溢油前段随着落潮流(涨潮流)向西南(东北)方向漂移，形成宽处在泄漏点东北方向的狭长油膜，落潮(涨潮)结束后狭长油膜整体随涨潮流(落潮流)向东北(西南)方向漂移，在不考虑风场作用下，油膜随潮流如此往复漂移(如图4和图5)。

5.3瞬时泄漏与连续泄漏比较

在总溢油量相同的情况下，分别进行瞬时溢油和连续溢油两种不同溢油方式的数值模拟，模拟过程中不考虑风场作用，模拟时间为72 h，泄漏事故分别发生在涨憩和落憩时。溢油发生72 h后，在溢油量相同的情况下，瞬时泄漏方式下的油膜面积分别为52.61 (km)2(涨憩溢油)和64.09 (km)2(落憩溢油)，连续泄漏方式下的油膜面积分别为102.58 (km)2(涨憩溢油)和111.61 (km)2(落憩溢油)，可见，连续溢油情形下溢油扩散面积较瞬时溢油大，与吴晓丹等[13]的研究一致。两种溢油方式下72 h的扫海图见图6，由图可知，连续溢油方式下溢油的扫海面积较瞬时溢油大。通过比较两种溢油方式的污染范围，涨憩时刻发生溢油事故时，两种情形的污染范围南侧达到的距离基本相同，但连续溢油北侧影响范围较瞬时溢油远约9.5 km；落憩时刻发生溢油事故时，两种情形的污染范围北侧达到的距离基本相同，但连续溢油南侧影响范围较瞬时溢油远约6.0 km，即在溢油量相同的情况下，由于溢油方式的不同，溢油影响范围也会有很大的不同。

海上溢油事故多因碰撞和触礁等导致船体破损，油品从船体破损处泄漏入海。如“托雷·卡尼翁”号行驶至英吉利海峡触礁，10 d内溢油100 000 t；“埃克森·瓦尔迪兹”在阿拉斯加威廉王子湾布菜礁上搁浅，6 h内溢出30 000 t货油；Hebei Spirit油轮与装有浮吊的“三星1号”驳轮碰撞，导致油轮左舷水线上2～3处的第1,3,5等3个油舱破损，5号油舱破损200 cm×160 cm，3号油舱破损160 cm×10 cm，1号油舱破损30 cm×3 cm，造成10 500 t原油泄漏入海。由上述案例可知，海上溢油事故多造成船体破损，溢油以连续泄漏的形式泄漏。建立海上溢油事故预测模型,可精确模拟溢油事故发生时溢油的影响范围和位置，为制定及时有效的应急反应提供理论依据，以最少最有效的资源最快地消除溢油对海域的影响。由模拟结果可知，连续泄漏在不考虑风场的条件下，影响范围比瞬时泄漏大，影响距离也较瞬时泄漏远。为更好地反应港口海域溢油事故对周边环境保护目标的可能影响范围、影响时间及溢油事故发生后采取应急响应时油膜分布情况，应在建立溢油事故模型时考虑溢油方式对溢油分布的影响，选择连续溢油情形进行事故后果分析。

6 结 语

本文建立二维海面溢油预报模型。使用MIKE21 HD模块模拟辽东湾水域二维潮流场，在此基础上，基于“油粒子”思想，采用MIKE21/3溢油分析模块模拟溢油在海面的漂移扩展过程，对比分析瞬时溢油和连续溢油两种溢油方式下油膜漂移扩展的规律。对比分析结果表明，在不考虑风场条件下，溢油主要随潮流往复漂移；瞬时溢油情况下，油膜形状近似圆形；连续溢油情况下，油膜近似呈狭长的扇形。比较溢油发生72 h后的油膜扩散面积和扫海面积，连续溢油情形均较瞬时溢油情形大，且由于溢油方式导致油膜形状及分布的不同，连续溢油影响范围较瞬时溢油情形大。根据实际情况反映，溢油事故以连续泄漏形式为主，综上所述，在溢油事故影响预测中，应考虑连续泄漏溢油方式的后果进行分析。

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NumericalModelingofMarineOilSpillforDifferentLeakingModes

YUXuhua,MENGYun
(China Shipping Environment Technology (Shanghai) Co., LTD., Shanghai 200135, China)

An oil spill model for Yingkou Port is established based on MIKE21 HD and SA modules. The drift and diffusion patterns of the oil film are investigated for both oil spill of pulse nature and continuous oil spill. The analysis shows that the oil film basically moves back and forth along with the tide without wind action. 72-hour observation finds that the continuous oil spill causes more severe environment pollutions than the leakage of pulse nature in terms the sweeping range and pollution area. It leads to the conclusion that the continuous oil spill should be assumed when predicting the effect of oil spill accident.

oil spill; oil spill pulse; continuous oil spill; numerical modeling

2017-03-09

于徐华(1986—)，女,山东莱阳人,助理研究员,硕士,主要从事水动力及风险分析。

1674-5949(2017)02-0067-07

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