“油粒子”模型在三沙湾溢油轨迹模拟中的应用

林建伟

(福建省水产研究所，福建 厦门 361013)

近岸海域是人类活动最频繁的区域。随着海上运输业的发展，出入近岸海域的船只增多，船型也往大型化方向发展，这一方面促进了海上贸易的发展，另一方面也增加了船舶发生碰撞的概率，加大了海上溢油事故的风险。一旦发生海上溢油事故，浮油会在风、浪、流的作用下漂向海岸或渔区，将影响海洋生态环境和破坏渔业健康发展。据陈亚瞿等[1]对20号燃料油的毒性实验结果，表明石油会破坏浮游植物细胞、损坏叶绿素及干扰气体交换，从而妨碍浮游植物的光合作用；宋广军等[2]对19-3油田溢油影响的研究，也表明溢油泄漏入海将影响浮游植物群落。若发生溢油事故，石油烃对鱼、虾、贝、紫菜、海带等造成污染，使水产品产生油臭，降低了其产品质量，进而影响渔民的经济收入；而且大量油膜随流漂浮，若进入沿岸定制渔业区，油块将沾污网具，使网具损坏报废，影响沿海渔民正常作业。

三沙湾是宁德市重要的港湾，也是全国最大的大黄鱼网箱养殖区。根据《福州港总体规划(2035年)》[3]，白马港区位于宁德市福安市(图1)，是福州港八大港区之一，其功能定位主要服务临港工业发展。白马港区包括湾坞、坪岗和赛江3个作业区，分别规划建设通用泊位14个(其中2万吨级及以下7个，5万吨级及以下7个)、通用泊位6个(3～10万吨级)和中小型泊位12个。目前，白马港区湾坞作业区6～7#泊位、14#泊位、海和5万吨码头泊位和大唐煤码头已建成并运营，白马港区湾坞作业区1#泊位、5#泊位、8#泊位、9～10#泊位、12～13#泊位仍在建设中，各主要泊位分布如图2所示。未来区域内将形成红土矿、煤炭、焦炭、石材、矿石原料和集装箱等多样化物流集散中心。福安市的临港工业主要集聚在白马港两岸，目前有大唐火电厂等33个大型工业项目落户。可见，为提高福安市海上溢油应急反应能力和技术水平，开展三沙湾白马港溢油扩散影响趋势研究刻不容缓。因此，本文参考国内外溢油模拟方法，选取粒子追踪法，对溢油漂移轨迹进行模拟预测，并在三沙湾潮流场研究的基础上，假定白马港海域发生轻油泄漏，同时考虑风场与流场的共同作用，模拟分析不同风况条件下溢油的漂移轨迹，并统计其影响范围，以期为保护三沙湾海域环境安全提供技术支撑，也为完善白马港区的应急管理体系提供参考。

1 研究方法

1.1 模型选用背景

溢油在水环境中的输移轨迹及归宿是一个非常复杂的过程，受到风、浪、流等动力因素，环境因素以及油品特性等多种因素的影响，发生扩展、漂移等运动行为，以及蒸发、溶解、沉积、光解氧化和乳化等风化过程[4]。因此，牟林等[5]将溢油在海洋中的行为和归宿分为3大类：1)扩展过程，指海面油膜因受到自身重力、惯性力、表面张力、黏性力的作用而导致面积增大的过程；2)输移过程，指溢油在海洋环境动力要素(如潮流、波浪和风应力等外界动力)作用下的迁移运动，包括水平方向的漂移、扩散以及垂直方向的参混、悬浮过程；3)风化过程，指能够引起溢油组成性质改变的所有过程，主要包括蒸发、溶解、乳化、光氧化、生物降解、吸附沉降、水体的混合扩散以及生物体内的代谢作用等过程。周群群等[6]根据国内外溢油研究建立和完善的多种溢油模型，归纳了基础溢油模型(溢油扩展模型、溢油漂移模型、油粒子模型和溢油风化模型)的发展，结合最新研究成果分析溢油数值模拟研究现状，认为：通过耦合环境动力场与溢油模型模拟油粒子的行为与归宿，并添加随机游走算法，可以更加准确地表征湍流作用下油粒子的运动规律，其成为目前溢油模拟的主流方法。

所谓“油粒子”，是把海上溢油离散为大量油粒子，每个油粒子代表一定的油量。拉格朗日粒子追踪模型能够对溢油的迁移轨迹进行描述，将溢油看作由很多运动质点组成，每一质点都在一定的动力作用下运动[7]。这种动力主要是表层海流动力和风应力的合力。油粒子在这种外界应力作用下的运动过程分为平流过程和扩散过程，可以用确定性方法模拟油粒子的平流过程，用随机运动来模拟扩散过程[8-9]。该种方法在油膜迎风压缩和主风向拉伸方面具有很强的合理性，以及粒子跟踪法溢油漂移预测模型能有效适用于渤海海域[10]。

本文将根据上述模型理论研究成果，在前期三沙湾水动力的研究基础上，综合考虑风场对油粒子的作用和油粒子的随机扩散，运用拉格朗日油粒子模型预测三沙湾白马港溢油的漂移轨迹。

1.2 数学模型

通过湾坞、湖塘等围垦工程的实施，人为改变了白马港早期大肚子弯曲岸线的形态，使得白马港两岸呈微弯岸线，缩窄了海床的过水断面；但白马港的主槽在白马门强劲的潮汐动力和赛江径流的共同作用下，水动力条件得到了一定的加强；白马港的理基水深一般小于10 m，主槽位置水深较大[11]。根据实测水文资料分析[12]，白马港海域的潮汐类型属于正规半日潮，平均潮差约为6.2 m；潮流为规则半日潮流。

前期三沙湾水动力研究采用开源模式ROMS水动力模型[13]，模拟了三沙湾的余环流特征。本文在此水动力模型的基础上，耦合拉格朗日粒子追踪模型，并添加随机算法，进行溢油轨迹数值模拟。

拉格朗日粒子追踪模型：

(1)

Vt=k×W+V

(2)

(3)

式(3)中：Δα为α方向上的随机运动距离(α代表x、y或z方向)；R为[-1，1]之间的均匀分布随机数；Kα为α方向上的扰动系数；Δt为时间步长。

1.3 模拟条件

由图2可知，白马港码头众多，在营运期间，船舶进出港和货舱装卸过程发生碰撞、触礁、搁浅、船损等意外事故的风险较大，而发生的溢油事故对海域水环境和海洋生态环境均可能造成重大影响。假设在白马港航道发生溢油事故(溢油点如图3中红色点所示)，溢油量取80 t。三沙湾全年东南风(SE，风速1.4 m/s)最多，频率为18%[14]；为便于对比研究，本实验再选取一个不利风向：东北风(NE，风速1.4 m/s)。本实验模拟油粒子在海洋水动力环境、气象环境综合条件下的漂移、扩散过程(计算时不考虑黏结与挥发)，模拟风况如表1所示。

表1 油粒子漂移轨迹模拟风况表Tab.1 The simulated condition for trajectory of oil particles

2 结果与分析

2.1 白马港潮流场

运用前述ROMS水动力模型模拟计算了三沙湾白马港在大潮4个典型潮时的流场分布情况。

由图3白马港4个典型潮时的流场分布图可见，涨急时，涨潮流从白马口门涨入白马港，并上溯至顶部；在白马港航道的流场较强，流速较大，一般大于0.6 m/s，是主要的涨潮通道，其余海域的涨潮流速均较小，近岸浅滩流速小于0.1 m/s；涨潮流向主要受地形影响，大体呈NNE方向。高潮时，该海域的流场基本处于憩流状态，流速较小，一般小于0.1 m/s。落急时，落潮流沿着涨潮流的反方向由白马港顶向口门退潮；白马港航道上的流场较强，流速较大，一般大于0.7 m/s，是主要落潮通道，其余海域的落潮流速均较小，近岸浅滩流速小于0.1 m/s；落潮流向主要受地形影响，大体呈SSE方向。低潮时，该海域的流场基本处于憩流状态，流速较小，除了主航道上的落潮流速较大外(一般为0.1 m/s)，其余海域的流速均小于0.1 m/s，而且部分浅滩地区有大面积的滩涂露出(图3中灰色区域)。

2.2 溢油轨迹数值模拟结果

2.2.1 SE风向条件下溢油

在SE风条件下，涨、落急时发生溢油泄漏经1 h、6 h、12 h、24 h、36 h以及72 h的扫海情况分别见图4和图5(图中黑色区域，下同)，油粒子各典型时刻的分布范围如表2所示。

表2 不同时刻油粒子分布范围Tab.2 The distribution range of oil particles at different hours

1)涨急时刻

由图4可见，涨急时发生溢油，油粒子受潮流场与SE风场的共同作用发生迁移和扩散。经1 h，由于涨潮流方向与风场方向一致，油粒子迅速朝涨潮流的方向往白马港湾顶漂移，少量溢油附着于白马港东侧岸边，大部分油粒子未散开，扩散范围较小，此时油粒子分布范围约3.02 km2。经6 h，潮流场流向发生变化，油粒子迁移方向也由白马港湾顶转向湾口，小部分溢油停滞于白马港西侧沿岸，大部分溢油随着潮流做迁移运动，同时随机扩散范围也变大，此时油粒子分布范围约19.28 km2。经12 h，油粒子随着潮流经一个潮周的运动主要在白马港发生上下迁移与随机扩散，扩散范围进一步变大，此时油粒子分布范围约32.77 km2。经24 h，部分油粒子开始扩散出白马港，扩散范围进一步扩大，约为43.78 km2，由于风场方向与落潮流方向相反，大部分油粒子仍留在溢油点附近海域，少量溢油扩散出白马港外。经36 h，在涨落潮流的带动下，迁移出白马港外的溢油增多，这部分溢油在SE风场的作用下，漂向更远的漳湾镇东侧海域，此时油粒子分布范围进一步扩大，约为73.14 km2。可见，溢油在周期性潮流的带动下，除大部分溢油留在白马港外，越来越多的溢油则迁移并扩散至漳湾镇东侧和盐田港西南侧海域。经统计，在SE风况下，油粒子在72 h内的影响范围约为139.50 km2，对白马港内和三都镇北侧重要的渔业水域产生较大的影响，对三都镇周边的历史文化遗迹保护区和海洋保护区产生小范围的影响。

2)落急时刻

由图5可见，落急时发生溢油，油粒子受潮流场与SE风场的共同作用发生迁移和扩散。经1 h，油粒子主要往落潮流的方向迁移，由于落潮流方向与风场方向相反，少量溢油漂向溢油点的北侧，大部分油粒子未散开，扩散范围较小，此时油粒子分布范围约2.84 km2。经6 h，潮流场流向发生变化，油粒子迁移方向也发生变化，少量溢油停滞于白马港东西侧沿岸，大部分溢油随着潮流做迁移运动，同时随机扩散范围也变大，此时油粒子分布范围约20.49 km2。经12 h，油粒子随着潮流经一个潮周的运动主要在白马港发生上下迁移与随机扩散，扩散范围进一步变大，此时油粒子分布范围约36.59 km2。经24 h，部分油粒子开始随机扩散出白马港，扩散范围更大，约为62.38 km2，大部分油粒子仍停留在溢油点附近海域，少量溢油扩散出白马港外。经36 h，在涨落潮流的带动下，迁移出白马港外的溢油增多，这部分溢油在SE风场的作用下，主要漂向更远的漳湾镇东侧海域，此时油粒子分布范围约为64.60 km2。可见，溢油在周期性潮流的带动下，除大部分溢油停留在白马港外，越来越多的溢油则迁移并扩散出白马港外海域。经统计，在SE风况下，油粒子在72 h内的影响范围约为144.50 km2，对白马港内和三都镇北侧重要的渔业水域产生较大的影响，对三都镇周边的湿地水禽红树林自然保护区、历史文化遗迹保护区和海洋保护区产生小范围的影响。

2.2.2 NE风向条件下溢油

在NE风条件下，涨、落急时发生溢油泄漏经1 h、6 h、12 h、24 h、36 h以及72 h的扫海情况分别见图6和图7，油粒子各典型时刻的分布范围详见表2。

1)涨急时刻

由图6可见，涨急时发生溢油，油粒子受潮流场与NE风场的共同作用发生迁移和扩散，其迁移扩散规律大体与SE风向条件下的一致。溢油1 h，油粒子朝涨潮流的方向漂移，扩散范围较小，约为3.54 km2。6 h时，潮流场流向发生变化，除随着潮流做迁移运动外，溢油随机扩散范围变大，此时油粒子分布范围约23.18 km2。12 h时，经一个潮周的运动，油粒子主要在白马港及NE下风向发生迁移与随机扩散，油粒子远离溢油点，扩散范围也进一步变大，已扩散出白马港，此时油粒子分布范围约37.82 km2。24 h时，除部分溢油附着于白马港西侧沿岸，大部分油粒子受风场的作用较为明显，随潮流迁移与随机扩散至漳湾镇东侧、三都镇北侧海域，扩散范围进一步扩大，约为65.33 km2。36 h，大部分溢油在潮流场和风场的带动下，滞留于沿岸；部分溢油则继续在海上迁移与随机扩散，此时这部分溢油主要在三都镇的西北侧和西侧海域，油粒子分布范围进一步扩大，约为84.75 km2。可见，溢油在周期性潮流的带动下，除部分溢油附着于白马港沿岸外，大部分溢油扩散出白马港外、NE的下风向。经统计，在NE风况下，油粒子在72 h内的影响范围约为344.50 km2，对白马港内和三都镇北侧重要的渔业区，三都镇周边的湿地水禽红树林自然保护区、历史文化遗迹保护区及海洋保护区产生较大的影响。

2)落急时刻

由图7可见，落急时发生溢油，油粒子受潮流场与NE风场的共同作用发生迁移和扩散，其迁移扩散规律大体与SE风向条件下的一致。溢油1 h，由于落潮流方向与风场方向一致，油粒子迅速朝落潮流的方向往白马港湾口漂移，溢油未散开，扩散范围较小，约为3.03 km2。6 h时，潮流场流向发生变化，溢油迁移和随机扩散范围变大，约为20.20 km2。12 h时，经一个潮周的运动，油粒子主要在白马港及NE下风向发生迁移与随机扩散，扩散范围进一步变大，约为36.46 km2。24 h时，除部分溢油附着于白马港西侧沿岸，大部分油粒子受风场的作用较为明显，开始扩散出白马港，并随潮流迁移与扩散至漳湾镇东侧海域，扩散范围进一步扩大，约为63.23 km2。36 h，大部分溢油在潮流场和风场的带动下，滞留于沿岸；部分溢油则继续在海上迁移与随机扩散，此时这部分溢油主要在三都镇的西北侧和西侧海域，油粒子分布范围进一步扩大，约为74.77 km2。可见，溢油在周期性潮流的带动下，除部分溢油附着于白马港沿岸外，大部分溢油扩散出白马港外、NE的下风向。经统计，在NE风况下，油粒子在72 h内的影响范围约为371.80 km2，对白马港内和三都镇北侧重要的渔业区，三都镇周边的湿地水禽红树林自然保护区、历史文化遗迹保护区及海洋保护区产生较大的影响。

3 结论

本文参考了国内外学者对溢油扩散的研究进展，假定白马港航道发生溢油事故，运用油粒子的溢油研究方法，结合三沙湾的潮流场，对其影响趋势进行模拟研究，得到以下结论：1)油粒子的漂移轨迹主要受潮流场与风场的共同作用，并反映了三沙湾地形特点，其轨迹符合潮流场的变化规律和风场的方向；建立的“油粒子”模型能够模拟三沙湾海域的溢油扩散趋势。2)白马港海域一旦发生溢油事故，将受到严重影响；在东北风的影响下，影响面积进一步扩大，将对三都镇北侧重要的渔业区、三都镇周边的湿地水禽红树林自然保护区、历史文化遗迹保护区以及海洋保护区产生较大的影响。开展本次应用研究，模拟的油粒子轨迹基本可以反演溢油影响趋势，能够反映模型区域的地形特点和扩散漂移情况，下一步将深入开展溢油影响研究，比如运用本模型，以一定海面面积内油粒子的个数和质量计算油膜厚度分布，为溢油事故造成的渔业资源损失评估等研究提供参考。