福宁湾海域溢油扩散影响的数值模拟研究

张海文，赵懿珺，纪 平

(中国水利水电科学研究院，北京 100038)

随着经济的不断发展，人类对海洋、海岸和近海地区的开发日益增多，由此造成事故溢油的风险不断增大.溢油污染会严重影响海洋及近岸海域生态环境、威胁污染源近区的正常工业及渔业生产.近年来，海上溢油事故时有发生，引起了社会广泛关注.对海域事故溢油扩散影响的研究，对于防护和治理溢油污染对周边生态保护区等溢油敏感区域的危害具有重要意义.

海上溢油事故发生后，溢油在海域内的运动及变化是一个极其复杂的过程，它是海洋环境问题的难点之一.溢油在海面上的运动,受其物理、化学和生物等过程的影响,且与石油的性质、海洋水动力环境及海洋气象环境等密切相关，这些过程包括漂移、扩散、蒸发、溶解、乳化和沉降以及浮油和海岸线的相互作用等;其中漂移、扩散等动力学过程是国内外溢油研究的重点[1-6].国内的学者在长江、珠江等河口地区以及辽东湾、渤海湾、胶州湾、湄州湾等不同海域开展了大量的溢油数值模拟预报研究工作[7-16].目前，用数学模型模拟和预测溢油时空分布的方法在工程中得到了广泛应用.

本研究采用丹麦DHI开发的MIKE软件中非结构化网格形式的MIKE21[17]水动力模型(HD)及溢油模块(OS)建立福宁湾海域海工工程施工期溢油扩散的数学模型,以期为海洋环境影响评价和溢油事故应急措施的制定提供科学依据.

1 福宁湾海域潮流模型

1.1 控制方程

MIKE21HD中描述的现象主要包括潮汐演进、紊动扩散、风场、底部糙率等，它为其他模块的应用提供了数据基础.在平面直角坐标系下计算模型控制方程如下：

连续方程：

(1)

x方向运动方程：

(2)

y方向运动方程：

(3)

1.2 数值模拟

本研究的计算区域为包含福宁湾在内以工程区溢油点为中心，沿岸方向约200km，离岸方向约100km的海域，计算域地形及溢油点位置如图1所示.模型采用三角型计算网格，外海疏，近岸及工程区密，最小网格尺度约10～30m(图1).模型开边界潮位条件由全球潮汐预报模型得到.

图1 计算域地形、网格布置及溢油点位置Fig.1 Bathymetry in the modelling domain, grid and the location of oil spill source

通过对比潮位、流速和流向的实测值与潮流模型的计算结果对模型进行了率定和验证.实测潮位站共3个，海流观测站共13个.受篇幅所限，在此给出工程区附近的1个潮位站(T1)及3个海流观测站(N1、N2、N3)的计算值与实测值比较，T1及N1、N2、N3的位置如图2所示.大潮期间潮位及流速、流向的实测值与计算结果的比较如图3和图4所示.实测值与计算值吻合良好，验证了潮流模型的准确性.验证后的潮流模型可作为溢油模型的基础.

图2 实测潮位站及海流观测站位置Fig.2 Locations of the tide station and the current stations

福宁湾及外海区域属于正规半日潮流区，总体上涨潮时来自外海的潮波经潮汐通道进入湾区，并向湾顶方向传播；退潮时，大致沿涨潮相反方向退出.在正常水文、气象条件下福宁湾内受地形影响近岸呈现往复流的潮流特性，而外海区域表现为旋转流性质.工程海域大潮期间典型潮时(涨急、涨憩、落急、落憩)的流场分布如图5所示，图中可见落憩时刻的北向流速大于涨憩时刻的南向流速，反映出一个潮周期内北向余流的存在.

2 福宁湾海域溢油影响预测

2.1 溢油模型方程

MIKE21OS可模拟溢油发生后的输移和风化

图3 潮位站大潮期间计算值与实测值比较Fig.3 Comparison of calculated water levels with observations at the tide station during the spring tide

图4 海流观测站大潮期间计算值与实测值比较Fig.4 Comparison of the calculated current speed and direction with observations at the current stations during the spring tide

图5 福宁湾工程海域大潮典型潮时流场分布Fig.5 Distribution of the flow field in the project area at typical moments during the spring tide in Funing Bay图中数值为流速等值线数值，单位为m/s

等过程，它是在水动力学模型解耦前提下运行的一种拉格朗日模型,即首先通过水动力学模型得到全计算域内水深和流场的时间和空间变化，在此基础上通过“油粒子”的方式对溢油的输移和风化过程进行计算，模拟油粒子随时间变化的运移位置、油量的浓度及油膜厚度等.本研究中油粒子模拟过程主要有扩展过程、漂移过程、紊动扩散等.

油膜扩展运动采用修正的 Fay 重力-粘力公式:

(4)

式(4)中：Aoil为油膜面积(m2)，Voil为油块体积(m3),Ka为系数，t为时间(s).

导致油粒子漂移的主要作用力是潮流和风应力，根据拉格朗日观点，油粒子总漂移速度Utot计算如下:

Utot=Cw·Uw+Us

(5)

式(5)中：Utot为油粒子总漂移速度(m/s);Uw为海面以上10m处的风速(m/s)；Cw为风导系数;Us为海表面流速(m/s).

油类入海后在重力作用下迅速向各个方向扩散，形成油膜，可用随机走动方法进行模拟.假定水平扩散各向同性，一个时间步长内α方向上随机扩散距离(Sα)的计算为:

(6)

油膜覆盖水体油浓度的变化可由Mackay 公式估算：

(7)

式(7)中：C为水体的油浓度(mg/dm3)；V为溢油的体积(m3)；ρoil为溢油的密度(mg/m3)；A为油膜面积(m2)；KH为油膜所处海域的垂向扩散系数；t为时间(s).

2.2 溢油参数及工况条件

本项研究的福宁湾海域海工工程施工期溢油发生在工程区航道拐点，海工工程位于长表岛，溢油点位置如图6所示.福宁湾及附近海域内的主要敏感目标包括3个养殖区(养殖区1、养殖区2、养殖区3)和2个保护区(保护区1、保护区2)，具体位置如图5所示，其中养殖区2和保护区1有较大部分的重叠.溢油品种为燃料油，比重为940kg/m3[5,8]，溢油事故设置为100t燃料油持续泄露时间30min，在模型中溢油量由18000个“油粒子”来表示.溢油发生的起始时刻选择4种典型潮时(涨急、涨憩、落急、落憩).根据当地风况资料，考虑3种不同风况：静风；全年主导风，NNE风向，风速5.4m/s；不利风，W风向，风速2.2m/s.溢油风险分析预测共计12种工况，数值模拟计算的模拟时长为24h.

图6 福宁湾海工工程施工期溢油点位置及附近 海域内主要敏感目标Fig.6 Location of the oil spill source during construction of the marine project and key sensitive objects in Funing Bay

2.3 溢油扩散影响预测分析

本研究重点关注溢油发生24h内溢油浓度的分布、影响范围，以及对周边海域内的环境敏感目标

的影响.

2.3.1瞬时油浓度的分布 以静风条件为例，不同潮时情形下溢油发生后24h瞬时油浓度分布的比较如图7所示，可见不同潮时的溢油起始时刻对瞬时油浓度分布影响较大.以涨急时刻发生溢油情形为例，不同风况条件下溢油发生后24h瞬时油浓度分布的比较如图8所示，可见不同风况条件对瞬时油浓度的分布影响比较显著.受潮周期内北向余流的影响，不同溢油情景下油粒子均主要在长表岛北侧海域扩散.

2.3.2溢油影响范围 不同风况条件、不同潮时情形下发生溢油后24h内溢油浓度影响范围如图9所示.在静风条件下溢油发生后，油膜在潮流作用下总体上在溢油点附近(偏东侧和北侧)的长表岛及短表岛周边区域扩散运移.在NNE风况条件下，与静风条件相比，除潮流作用外，在NNE风的影响下油膜向西南方向有所压缩和偏移.而W风况条件下，与静风条件相比，由于风速相对较小，油膜影响范围总体差异不大，但受风向影响，油膜范围向东略有偏移.

图7 静风条件下不同潮时溢油发生后24 h瞬时油浓度分布Fig.7 Distribution of oil concentration after 24 hours of oil spill starting at different moments under the condition of calm wind

图8 不同风况条件下涨急时刻发生溢油后24 h瞬时油浓度分布Fig.8 Distribution of oil concentration after 24 hours of oil spill starting at the maximum flood under different wind conditions

图9 不同工况下溢油24 h的浓度影响范围Fig.9 Impacted area of the spilled oil within 24 hours in different scenarios

不同溢油工况下24h内溢油浓度超过一类(或二类)水质标准值0.05mg/dm3(≥0.05mg/dm3)的影响面积见表1.在静风条件下，涨憩时发生溢油泄漏的影响面积最大，为85.4km2；落憩时溢油泄漏的影响面积最小，为54.5km2.在NNE风况条件下，受风速和风向的影响，与静风条件相比溢油泄漏的影响面积大幅度下降，最大影响面积发生在涨憩时溢油泄漏，为69.0km2；最小影响面积发生在落憩时溢油泄漏，为41.8km2，它也是所有工况中影响面积的最小值.在W风况条件下，由于风速相对较小，与静风条件下的溢油泄漏影响面积接近，涨憩时发生溢油泄漏的影响面积最大，为90.3km2，这也是所有工况中影响面积的最大值；涨急时溢油泄漏的影响面积最小，为54.5km2.

2.3.3溢油对环境敏感目标的影响 溢油事故的发生会对周边海域内的环境敏感目标造成影响，对溢油发生后油膜到达主要环境敏感目标的时间预测可为溢油事故应急措施的制定提供科学依据.不同风况条件、不同潮时情形下溢油发生后24h内油浓度为0.05mg/dm3的油膜到达福宁湾内各主要敏感目标的时间见表2.

表1 不同溢油工况24 h内溢油浓度高于0.05 mg/dm3 的影响面积Tab.1 Impacted area of the spilled oil with the concentration above 0.05mg/dm3 within 24 hours in different scenarios

由表2可知，溢油事故发生后，在潮流及风的作用下油浓度为0.05 mg/dm3油膜在24 h内可到达养殖区1、养殖区2和保护区1，而对位于北部的养殖区3和西北部的保护区2均没有影响.静风条件下油膜在潮流作用下最快5.8 h到达距离溢油点最近的位于西南部的养殖区1，7.7 h到达中西部的养殖区2及保护区1；在NNE风的条件下油膜最快会在5.5 h到达养殖区1，19.3 h到达养殖区2及保护区1；在W风条件下，油膜最快会在6.0 h到达养殖区1，7.7 h到达养殖区2及保护区1.

表2 不同工况溢油发生后24 h内油膜(浓度0.05 mg/dm3)到达敏感目标的时间Tab.2 Time for the spilled oil (in concentration of 0.05 mg/dm3)reaching the sensitive objects within 24 hours in different scenarios

注：“-”表示24 h内油膜未到达敏感目标

通过对12种代表工况溢油影响的预测模拟，结果可以看出，发生在福宁湾海域的溢油扩散主要受潮流和风的影响，其中潮流占主导作用.不同潮时的溢油起始时刻直接影响油膜周围的水动力环境，导致油膜的运动路径和瞬时的油浓度空间分布不同，到达主要环境敏感目标的时间差异较大，油浓度影响范围也存在一定的差异.风对溢油运移路径的影响较大，在静风情况下，受湾内近岸往复流、外海旋转流的潮流特性影响，油膜主要在溢油点附近偏东侧和北侧的长表岛及短表岛周边区域扩散运移.NNE风况下，由于风的作用，油膜向西南方向漂移并逐渐吸附于岸线，因此油浓度影响范围相对较小.W风况下，受风向影响油膜向外海略有漂移，导致所有工况中最大的溢油影响范围发生在此风况条件，但由于风速较小，与静风条件的结果相比差别不大.需要说明的是，溢油事故发生后油膜的运移路径、油浓度空间分布及影响范围等与溢油量、溢油发生时刻、发生地点及风况条件等密切相关，不同情况下模拟结果会差别较大.

3 结论

(1)在非结构化网格形式的MIKE 21水动力数学模型的基础上，建立福宁湾海域海工工程施工期溢油扩散的数学模型，对静风、全年主导风及不利风等3种不同风况条件下，涨憩、落急、落憩、涨急的4个典型潮时分别在工程区航道拐点发生100 t燃料油持续泄露30 min的事故溢油工况进行24 h的溢油扩散数值模拟.

(2)计算结果显示，发生在福宁湾海域的溢油在海面运移过程主要受潮流和风的影响，其中潮流起着主导作用.静风条件下，油膜在工程区周边福宁湾海域扩散，24 h内溢油浓度高于0.05 mg/dm3(一类或二类水质标准)的影响面积达到85.4 km2；全年主导风NNE风况下，油膜向西南方向漂移并逐渐吸附于岸线，超一类(或二类)水质标准的影响面积为69.0 km2；不利风W风况下，超一类(或二类)水质标准的影响面积为90.3 km2.溢油发生后油浓度为0.05 mg/dm3的油膜最快到达各主要敏感目标的时间分别为5.5 h到达养殖区1，7.7 h到达养殖区2及保护区1，溢油发生后在24 h内未影响到北部的养殖区3和西北部的保护区2.数值模拟预测的结果为海洋环境影响评价和溢油事故应急措施的制定提供了科学依据.