天津港某液体化工码头船舶污染影响模拟研究

蔡 磊，王燕燕，朱宇新

（1.中交（天津）生态环保设计研究院有限公司，天津 300461；2.交通运输部天津水运工程科学研究所，天津 300461）

引言

本工程位于天津港大港港区西港池南端岸线，处在防波堤掩护范围内，西侧为二期码头工程，东侧为中沙项目用地，南侧为项目罐区用地。码头长度910 m，分别为1个5万t级化工品泊位、1个5万t级液化石油气泊位和1个10万t级化工品泊位，设计通过能力810万t/a。

图1 工程位置

该项目所在海域的船舶碰撞是发生溢油事故的主要原因，本次研究港池口门处船舶溢油，在不同工况条件下溢油范围和距离。

1 潮流数学模型

1.1 控制方程

质量守恒方程：

动量方程：

式中：ζ为水位；h为静水深；H为总水深，H=h+ε；u、v分别为x、y方向垂向平均流速；g为重力加速度；f为科氏力参数；φ为计算海域所处地理纬度）；CZ为谢才系数，n为曼宁系数；xε、yε为x、y方向水平涡动粘滞系数。

1.2 定解条件

初始条件：

1.3 计算域设置

模型计算域包含了整个渤海湾海域，计算域南北跨度约114 km，东西跨度110 km，如图2所示。模拟采用三角网格，用动边界的方法对干、湿网格进行处理，整个模拟区域内由6 160个节点和11 048个三角单元组成，最小空间步长约为30 m。

1.4 模型水边界输入

开边界：开边界上共设28个点进行控制（图2），采用MIKE 21全球模式提取的对应点的主要分潮调和常数值进行计算[1]。

式中：fi、σi为第i个分潮（共取四分潮：M2、S2、O1和K1）的交点因子和角速度；Hi和Gi是调和常数，分别为分潮的振幅和迟角；Voi+Vi是分潮的幅角。

闭边界：以岸线作为闭边界，其中大海域采用海图岸线数据，工程周边采用海区实测岸线数据。

1.5 底部糙率及时间步长

底部糙率通过曼宁系数控制，曼宁系数n值取13～38 m1/3/s。模型计算最小时间步长取1.5 s。

1.6 水平涡动粘滞系数

采用Smagorinsky (1963)公式，计算水平涡粘系数：

图2 模型范围及网格示意

2 风场数据

风场资料需要统计评价区域内近10年的历史资料，为此本研究于美国环境预报中心下载了2007年1月～2017年12月共计10年的风场资料，应用于溢油预测与统计分析。

3 溢油数学模型

溢油行为与风、海流、等水动力因素以及本身的化学性质有关。基于“油粒子”思想，很多学者对溢油模型做了深入的研究，建立了多种海上溢油行为预报模式，并应用于实际研究[2]。以潮流计算结果和风场资料分析结果为依据，进行溢油可能扩散范围预测研究。

本研究以潮流计算结果和风场资料分析结果为依据，采用溢油模型对溢油的扩散、漂移和岸线吸附进行模拟，分析研究预测油膜的演变，预测油膜漂移轨迹和归宿，其模拟流程如图3所示。

图3 溢油模型数值模拟示意

溢油模型根据网格明确模拟预测参数及水陆边界，在输入气象海况资料包括风场、流场等以及事故的现场数据后，通过潮流模型、归宿模型等多个数学模型的组合对溢油事故进行模拟，研究预测油膜的演变包括漂移轨迹和归宿等[3]。

3.1 漂移模型

油膜中心运动轨迹：

式中：S0为溢油初始位置；t0为溢油初始时间；S为溢油在Δt时刻后的油膜中心位置。

3.2 重力扩散模型

根据加拿大多伦多大学溢油实验[4]，漂移的油膜由厚膜和薄膜组成，其中薄膜的面积是厚膜面积的4倍，其动力扩展特性为：

式中：A薄、A厚分别为薄油膜、厚油膜的面积；h薄、h厚分别为薄油膜、厚油膜厚度；V薄为薄油膜体积；C1、C2、C3分别为实验常数。

3.3 蒸发模型

油膜的蒸发也同样按照厚薄油膜的假设分别建立动力学公式，如下：

式中：V薄、V厚分别为薄油膜、厚油膜体积；fmax为最大蒸发分数；分f薄、f厚分别为薄油膜、厚油膜蒸发量占比。

式中：Mv为蒸发相摩尔体积；R为气体常数；T为温度；dθ=Ke×dt/h厚,Ke为质量传输系数；C为实验常数。

3.4 岸线吸附模型

对于不同的岸线类型（m种），其对溢油油膜的吸附效果是不同的，为此模型中可赋值多种岸线类型，其动力学公式如下：

式中：A m为m种岸线的溢油吸附量；Am,max为最大吸附量；Vm为岸线对油膜的吸附速率。

3.5 水体溶出模型

水体溶出主要可溶组分的最大溶出浓度：

式中：Cn,max(T,P)是当温度为T、压力为P时，n组分的最大溶出浓度；S(T,P)n是当温度为T、压力为P时，n组分的溶出浓度；Kn,m为油类各组分间的影响系数；Kn,E为海面能量影响系数；Kn,s为海水盐度影响系数；Kn,D为水深影响系数。

4 港池口门处溢油预测与分析

4.1 预测条件

选取特定的情景，预测在港池口门处发生溢油后的油膜运动规律，依据《水上溢油环境风险评估技术导则》[5]确定预测工况，结合风场及流场条件，确定预测工况。

表1 口门处溢油事故主要工况参数

4.2 预测结果

表2 风与不同潮流组合下油膜面积

图4 夏季主导风（SE向）涨、落潮溢油轨迹

图5 冬季主导风（NW向）涨、落潮溢油轨迹

图6 不利风S条件下溢油轨迹

5 结语

1）在港池口门处发生溢油事故后72小时的漂移轨迹可以看出，在夏季主导风、涨潮时发生溢油事故后油膜漂向港池内漂移，涨潮在72小时内油膜扩散面积为3.69 km2，距泄漏点最远距离为8.8 km，落潮在72小时内油膜扩散面积为23.2 km2，距泄漏点最远距离为14.5 km。

2）当溢油事故发生在冬季主导风NW作用下时，无论在涨潮阶段发生溢油，还是在落潮阶段发生溢油事故，油膜总体上向东南侧漂移，漂移路由基本类似，涨潮在72小时内油膜扩散面积为112.4 km2，距泄漏点最远距离为29.3 km，落潮在72小时内油膜扩散面积为111.6 km2，距泄漏点最远距离为30.6 km。

3）当溢油事故发生在不利风下时，落潮在72小时内油膜扩散面积为19.94 km2，距泄漏点最远距离为10.7 km。