溢油扩展、漂移及扩散预测技术研究进展

李欢，邵伟增，李程，张松，李文善，徐珊珊

（1.国家海洋信息中心，天津300171；2.河海大学江苏省海岸海洋资源开发与环境安全重点实验室，江苏南京210098；3.浙江海洋大学，浙江舟山316022；4.国家海洋技术中心，天津300112）

溢油扩展、漂移及扩散预测技术研究进展

李欢1,，2，邵伟增3，李程1，张松4，李文善1，徐珊珊1

（1.国家海洋信息中心，天津300171；2.河海大学江苏省海岸海洋资源开发与环境安全重点实验室，江苏南京210098；3.浙江海洋大学，浙江舟山316022；4.国家海洋技术中心，天津300112）

海上溢油灾害会严重破坏中国近海海洋环境，还会直接危害我国经济发展。因此，开展溢油预测预警技术研究是非常有必要的，能够为海上溢油应急响应提供技术支撑。本文综述了溢油扩展、漂移及扩散数值预测技术的发展过程及相关研究成果，包括溢油扩展模型、溢油漂移与扩散模型、溢油预测预警系统，为未来开展溢油应急工作提供了理论依据和参考。

海上溢油；溢油扩展模型；溢油漂移与扩散模型；溢油预测预警系统

我国能源需求的不断扩大促使海洋石油运输业和开采业飞速发展，油轮不断增多，海上石油勘探、开发、海底管线铺设规模不断加大，同时海上溢油事故，尤其是重特大事故的风险亦随之大大增加。各种海上溢油灾害，不仅会严重破坏我国近海海洋生态环境，还会直接危害我国社会经济的正常发展。因此，开展海上溢油应急关键技术尤其是溢油漂移与扩散预测预警技术研究，为溢油事故应急响应、处置提供决策支持的技术平台，提升溢油应急响应能力和技术水平是非常紧迫和必要的。不仅为保护我国海洋环境安全提供技术支撑，也将促进我国海上航运业的安全稳定发展，为我国经济社会的持续稳定保驾护航。

本文从溢油扩展、漂移及扩散的变化特点入手，描述已有的数值预测方法、模型系统，综述溢油主要物理行为变化预测研究，为广大溢油应急相关部门工作人员提供有益的参考。

1 溢油扩展、漂移及扩散预测

其中，D0为初始时刻油膜直径；dw、do分别为水和油的比重；Kr为Blokker常数；V为溢油总体积；为时间。该模型虽然可以初步反映油膜的物理扩展状态，但由于其忽略了表面张力和粘性力的作用，对于油膜扩展的刻画较为片面。针对其缺陷，Fay（1969）提出了自己的油膜扩展理论。该理论成立的前提条件是海面平静的状态下，大体积溢油在扩展过程中油的性质不变且在垂向受力平衡，油膜以圆形扩展，扩展范围可以用圆的直径来衡量。在此

溢油的扩展指油膜由自身物理特性引发的面积增大；溢油的漂移与扩散指油在海面风、海流以及海浪等海洋环境动力要素的共同作用下发生的迁移输运。对于溢油本身，以上几个过程紧密相关，实际过程中因考虑到海洋环境的不断变化而较为复杂，也给针对这些过程的数值预测带来了较大的难度和挑战性，目前国际上主流的方法是对上述过程进行阶段性模拟，虽然可以在一定程度上完成溢油主要物理行为的预测，但是结果与真实情况仍存在较大的误差。下文将针对溢油的几种主要物理变化过程及预测技术进行重点阐述。

1.1 溢油扩展预测

油溢至海面时，受到表面张力、惯性力、重力和粘性力的共同作用，会向四周进行扩展，重力和表面张力为驱动力，惯性力和粘性力为阻力。重力在初始阶段起主要作用，油的扩展情况很大程度上由溢出方式决定。静止点源瞬时大量溢油的扩展速率远快于静止或者移动点源连续溢油的。随着时间推移，油层厚度的逐渐减小，表面张力逐渐成为影响溢油扩展的主要因素，油在水面形成了中间比边缘厚的膜。扩展后的油膜在海洋环境动力要素的非线性作用下，形态随时间变化不断改变，最终以碎片、油滴等形式存在于海水中。

早期，Blokker（1964）建立了自由面上油膜扩展的数学模型：前提下，油膜扩展过程根据各种力在不同阶段所起的作用划分为3个阶段，即重力和惯性力共同作用阶段、重力和粘性力共同作用阶段以及表面张力和粘性力共同作用阶段。

Fay三阶段模型表达式如下：

上式中，D为油膜直径；K1、K2、K3分别为各扩展阶段的经验系数；g为重力加速度；V为溢油体积；t为时间；ρw为海水密度；vw为水的运动粘滞系数；β=1-ρ0/ρw，ρ0为油的密度；δ为净表面张力系数，即水与空气间、油与空气间、油与水间的表面张力系数。上述各阶段的时间区分点根据相邻两阶段扩展直径相等的状态来确定。当δ为0时，表示油膜扩展直径达到稳定态，扩展过程结束，油膜面积由如下公式得出：

对于连续溢油的油膜扩展，仍然可以用Fay三阶段模型表示：

上式中，Q为单位时间的溢油量；u为流速；δ为净表面张力系数；ρw为海水密度；vw为水的运动粘滞系数；Δ=1-ρ0/ρw，ρ0为油密度。Fay三阶段模型提出之后，诸多研究涉及对其的优化与改进，衍生出许多新的溢油扩展模型。Mackay（1980a，b）在Fay三阶段模型中考虑了风的影响，并基于观测数据分别建立了针对厚油膜和薄油膜的扩展模型。Lehr等（1984）针对Fay三阶段模型全面考虑了海面风场、流场对油膜的影响，发现油膜在海面实际是以椭圆而非圆形的形式扩展，且长轴的方向与风向保持一致。赵文谦等（1992）基于Fay理论提出了的油膜扩展模型中考虑了油膜扩展和各项异性扩散作用以及油膜边缘的消失过程，通过建立油膜在主要扩展方向和与之垂直的次要扩展方向上的尺度公式，从而获得油膜的扩展面积。

1.2 溢油漂移与扩散预测

海面溢油的漂移与扩散过程主要受海洋动力环境要素变化的影响。溢油漂移与扩散预测的首要工作是获得精确的海洋动力环境预报参数，重点考虑以下两点：（1）表层海流和海面风场的直接影响；（2）非线性波产生的Stokes流的影响。因此，针对海流、海浪以及海面风场的精细化预报尤为重要，通过三维海流数值模型、海浪数值模型以及大气数值模型获得精准的海洋环境动力要素是溢油漂移与扩散预测的根本保证。

1.2.1 海洋和大气数值模型

目前，国内外已开发了多种三维海流数值模型，根据空间离散方法的不同，可将这些模型分为有限差分类、有限元类和有限体积类。有限差分类模型发展较早，较为成熟，这一类模型通过有限差分将各控制方程中的导数用网格节点上的函数值的差商代替进行离散，从而建立以网格节点上的值为未知数的代数方程组，直接将微分问题变成代数问题的近似数值解法。这类模型计算速度快，应用广泛，其中具有代表性的有POM（Mellor，1998）、ECOM（张越美等，2001）、ROMS（Moore et al，2001）等。然而，这类模型也存在明显缺点，即对不规则区域的适应性较差，岸界弥合的能力明显不足。与有限差分类模型不同，有限元类模型将计算域划分为有限多个互不重叠的单元，在每个单元内，选择一些合适的节点作为求解函数的插值点，将微分方程中的变量改写成由各变量或其导数的节点值与所选用的插值函数组成的线性表达式，借助于变分原理或加权余量法，生成有限元离散方程，最后结合边界条件和初始条件，求解由各个单元的离散方程组成的总体方程组的近似解。这类模型最大的优点是网格剖分灵活，能够精确拟合复杂岸线，进行局部网格加密，计算精度比有限差分类模型高，具有代表性的有SHYFEM（Umgiesser，2014），但这类模型计算所需存储量大，计算效率相对较低（图1所示）。与有限元类模型类似，有限体积类模型的设计思路是将计算区域划分为一系列互不重叠的控制体，这些控制点均以网格点为中心，将待解的微分方程对每一个控制体积分得到离散方程，结合边界条件和初始条件求得数值解。由于这类模型在水平方向上采用了非结构化三角形网格，吸收有限差分和有限元类模型的优点，不仅可以对复杂的岸线精确的拟合，进行局部网格加密，还因为便于对原始方程组进行离散差分，很大程度上确保了较高的计算效率，这类模型中具有代表性的有FVCOM（Chen et al，2003；Zheng et al，2003）、SELFE（Zhang et al，2008）等。有限体积类模型的诸多优点使其发展成为精细化海流预报的主要模型之一，目前已经广泛应用于溢油漂移与扩散预测中。

图1 SHYFEM模型的非结构化网格配置（Umgiesser，2014）

对于海浪数值模型，目前国际上主流的有WaveWatch III和SWAN等（徐丽丽等，2015），这类模型能够对海浪进行精细化预报。尤其是非结构化网格的SWAN，同样确保了海浪预报的精准度。

对于大气数值模型，目前主流的仍然是WRF（章国材，2014）。该模型的WRF-ARW版本，拥有先进的资料三维变分同化技术，能充分有效地将各种资料信息同化到模型初始场中，为模型提供更高质量的初始值，达到明显改进数值预报质量的目的。

1.2.2 溢油漂移动态预测模型

溢油漂移动态预测模型发展至今，只存在两类模型：一是基于欧拉-拉格朗日漂移理论建立的轨迹追踪模型。这类模型中，油膜在表面流场和风的共同作用下发生平移输运，通过欧拉-拉格朗日方法可以预测水面溢油的全动力轨迹。这类模型发展较早，具有代表性的有Miller等（1977）研发的Coast Guard模型、Williams等（1975）研发的SEADOCK模型以及Webb等（1970）研发的美国海军Navy模型等。二是基于蒙特卡罗方法的溢油漂移与扩散轨迹预测模型。这类模型中，油膜被划分为多个质点，质点的扩散看作是在湍流作用下的随机扩散，表现为质点群沿着复杂轨迹进行的布朗运动，其运动方向在某一时刻是随机的，但这种随机性又受到整个运动场的控制。可以在给予随机数的同时，给定湍流强度、时间尺度和质点数，可以获取标识质点的位移（娄安刚等，2000）。这类模型中最有代表性的为油粒子模型。

油粒子模型中，油膜被离散化成大量的粒子，每个粒子代表一定油量，在海洋环境动力要素的作用下漂移，剪切流和湍流对溢油运动产生的作用通过粒子的随机运动实现。而油的蒸发、乳化等风化过程则由油粒子的质量损失来体现；油膜厚度分布通过一定水面面积内的油粒子的个数、体积、质量来体现。这些质点相互独立的运动，在进行下一步前所有粒子团都必须跟踪到同一时刻。油膜的扩散即为粒子群的输运扩散，受到油粒子尺寸分布、剪切流和湍流过程的控制，也可看作粒子群在湍作用下进行的拉格朗日运动，通过粒子的随机运动来实现。使用粒子概念研究对流扩散过程，系统总质量是守恒的，计算原理是跟踪粒子的路径，而不是求解方程组，因此油粒子模型可直接模拟扩散方程的实际物理现象（牟林等，2011）。

油粒子模型将油膜漂移和扩散联系在一起，通过油粒子质点坐标的追踪即可计算溢油漂移轨迹和影响区域。溢油污染影响面积通过油膜扫海面积确定，即所有油粒子在一定时间内经过的海域面积。目前，已有研究将油膜扩展和漂移扩散几个阶段进行了衔接，预测结果更为合理（刘伟峰等，2009）。

1.3 溢油预测预警系统

目前国际上主流的溢油预测预警系统有美国的OILMAP（http：//www.asascience.com/software/ oilmap/）、英国的OSIS（http：//osisinternational. com/the-osis-oil-spill-solution）、挪威的OSCAR（http：//www.oscar-insurance.com/）、意大利的BOOM（http：//www.medess4ms.eu/）以及西班牙的MOHID-TESEO（http：//www.mohid.com/）等（De Dominicis et al，2013）。国内则有国家海洋信息中心的中国海洋溢油一体化多节点协同预测预警系统、中海石油环保服务有限公司的中国近海海上溢油预测与应急决策支持系统、大连海事大学的海上溢油应急预报信息系统、国家海洋环境预报中心的渤海溢油应急预报系统（http：//www.nmefc.gov.cn/ cgofs/oilspill.aspx）等。以上溢油预测预警系统的总体架构大同小异，具体表现在如下几点：

（1）系统均实现了模块化集成。将系统根据功能的不同分为若干模块，每个模块间既相互独立又相互关联，例如：海流模块负责海流的预报，海浪模块负责海浪的预报，大气模块负责海面风场的预报，溢油预测模块负责预测溢油的行为预测，且各模块间相互传递着信息，表现在：大气模块预报的风场驱动海流模块和海浪模块运行，预报的流场和风场信息同时传递给溢油预测模块进行溢油行为预测。模块化集成的最大优点可以使系统高效运行，因各模块分工运作，且彼此间进行有序的信息传递，大大提高了溢油应急响应的速度。

（2）油粒子模型在各系统中的广泛采用。油粒子模型已成为溢油预测的主流模型，并且在各系统中，预测溢油风化的不同经验方程已与油粒子模型完全耦合，使溢油行为与归宿预测结果与实际更为接近。

（3）系统均实现了可视化。由于各系统均以GIS平台作为支撑，GIS技术可以向应急人员提供各类溢油数据的可视化信息，主要方式是将基础地理数据、海洋环境动力要素数据、溢油漂移与扩散预测结果等信息进行分层叠加展示（见图2），使应急人员可以更直观地获得溢油的现状和未来发展趋势。

图2 中国海洋溢油一体化多节点协同预测预警系统展示界面

以上系统之间的区别则主要表现在海域针对性和附加功能上。对于OILMAP这样的商业系统，或者GNOME这样的开源系统，只要能够提供相应的基础地理信息，在任何海域均可以进行溢油应急预测预警。但对于OSIS、BOOM、MOHID这样非商业和开源的系统，几乎只用来针对其所属国家近海海域的溢油预测预警任务，包括我国的渤海溢油应急预报系统、中国海洋溢油一体化多节点协同预测预警系统以及中国近海海上溢油预测与应急决策支持系统，也具有特定的针对性。在附加功能上，有些系统，除了能够进行溢油预测预警，还增加了有关溢油环境敏感区域预警功能，例如中国海洋溢油一体化多节点协同预测预警系统。还有一些系统可依据应急计划和应急反应专家的知识和经验，根据溢油预测结果，形成应急反应决策辅助方案，例如OSIS、中国近海海上溢油预测与应急决策支持系统等。

综上所述，不同的溢油预测预警系统在各沿海国家溢油应急响应工作中的作用极其重要，也代表了海上溢油应急预测预警领域的最高水准。

2 结论

本文从本文从溢油扩展、漂移及扩散的变化特点入手，描述已有的数值预测方法、模型系统，综述溢油主要物理行为变化预测研究，得出以下结论：

（1）针对溢油物理扩展的预测，Fay理论及其数值模型起到了重要作用，众多新扩展模型都是在其基础上的优化与改进。

（2）针对溢油漂移和扩散预测，首要工作是海洋环境动力参数的精细化预报，选取合适的数值预报模型十分重要；其次是油粒子模型的采用，使溢油漂移与扩散的预测更加合理。

（3）国内外溢油预测预警模型系统大同小异，均实现了模块化，几乎都采用了油粒子模型且均以GIS平台作为支撑平台来展示溢油的现状和未来的发展动态，不同的溢油预测预警系统在各沿海国家溢油应急响应工作中的作用极其重要，也代表了海上溢油应急预测预警领域的最高水准。

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（本文编辑：袁泽轶）

Research on numerical prediction technologyof oil spill spreading，drift and diffusion

LI Huan1,2,SHAO Wei-zeng3,LI Cheng1,ZHANG Song4,LI Wen-shan1,XU Shan-shan1
（1.National MarineData and Information Service,Tianjin300171,China;2.Jiangsu Key Laboratory of Coast Ocean Resources Development and Environment Security,Hohai University,Nanjing210098,China;3.ZhejiangOcean University,Zhoushan 316022,China;4.National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China）

Marine oil spill may bring irreversible damage to the marine environmentof China Seas,and will cause immeasurable economical loss.Therefore,there is strong needs to study on oil spill prediction and early warning technology, providing technical support for marine oil spill response.This paper briefly introduced the development and achievements of the numerical prediction technology of oil spill spreading,drift and diffusion,including the oil spill spreading model,the oil spill drift and diffusion model,and the oil spill prediction and early warning system,which provide theoretic criterions for the future work on oil spill response.

Marine oil spill;Oil spill spreading model;Oil spill drift and diffusion model;Weathering Model;Oil spill prediction model system

X55

A

1001-6932（2017）04-0379-06

10.11840/j.issn.1001-6392.2017.04.003

2015-12-14；

2016-07-26

天国家科技支撑计划项目（2014BAB12B02）；浙江省公益性技术应用研究工业项目（2015C31021）；天津市科技支撑计划项目（14ZCZDSF00012）；江苏省海岸海洋资源开发与环境安全重点实验室开放基金资助项目（JSCE201505）

李欢（1983-），硕士，助理研究员，主要从事海洋防灾减灾研究。电子邮箱：usher02@126.com。

张松，硕士，助理研究员。电子邮箱：zhangsong1006@163.com