惠州大亚湾海域风暴潮期间溢油情景模拟研究

英晓明，严金辉，赵明利

（国家海洋局南海规划与环境研究院，广东广州 510300）

0 引言

惠州大亚湾位于粤港澳大湾区的惠州市，西邻大鹏湾，东接红海湾，属于半封闭海湾（见图1）。大亚湾湾内潮波因受狭长海湾和岛屿地形反射及变形影响，浅水分潮效应较大[1]。根据惠州海洋站2006—2019 年的长期验潮资料，该站平均潮差为0.85 m，最大潮差为1.25 m，湾内为不正规半日潮。大亚湾海域年平均气压为1 012.0 hPa，多年平均气温为22.9 ℃，累年平均降水量为1 734.0 mm，累年平均风速为3.4 m/s，常风向为东南向，强风向为东北向。实测资料表明，2019 年3 月纯洲岛与湾顶之间海域的垂向平均最大流速为0.17 ～0.18 m/s；大亚湾中部海域垂向平均最大流速为0.18～0.34 m/s。该海域鹅洲站2018 年夏季和冬季浮标观测资料记录，夏季有效波高平均值为0.41 m，平均波周期为4.1 s；冬季有效波高平均值为0.23 m，平均波周期为3.5 s。大亚湾内岛屿众多，化工企业聚集，港口码头密集，是粤港澳大湾区重要的海湾。大亚湾海域海洋生物资源丰富，属于环境敏感区，有大亚湾水产资源自然保护区、珊瑚、重要产卵场、无居民海岛、红树林、淡澳溪河口等环境敏感保护目标。大亚湾是许多名贵鱼类的繁殖、产卵和育肥场所[2]。广东省海洋功能区划显示大亚湾还分布着多个旅游休闲娱乐区。

图1 研究区域和水文观测站位置示意图Fig.1 Location of the study area and observation station

随着中海壳牌、埃克森美孚惠州乙烯等众多石化项目的落户，大亚湾过往船舶密度增大，溢油事故风险增加。大亚湾海域一旦发生船舶溢油事故，将严重影响其环境敏感保护目标并破坏海洋生态环境。1970—2018 年登陆粤港澳大湾区的热带气旋共有40 个，年均为0.8 个[3]，台风风暴潮发生频率较高。2017 年台风“苗柏”风暴潮期间，大亚湾多艘船舶走锚；2018 年台风“山竹”风暴潮期间，大亚湾大辣甲西侧海域发生船舶走锚事故，所幸均没有发生环境污染事故。风暴潮期间因发生船舶事故导致破坏海洋环境安全的风险是潜在的，应用数学模型研究风暴潮期间的船舶溢油事故能够预测污染物扩散范围，为溢油事故应急处置提供参考。已有学者对大亚湾溢油和危化品泄露事故风险进行了模拟研究[1-5]。然而，已有研究是针对常规天气下环境污染事故风险进行模拟，而极端天气风暴潮期间溢油事故的模拟研究较少。本文通过数值模拟方式，对大亚湾海域风暴潮期间的溢油事故进行情景模拟，为溢油事故应急决策提供技术支撑。

1 数学模型

1.1 水动力模型

对于南海地区台风风暴潮的数值模拟，已有学者采用数学模型MIKE21、高级环流模型（Advanced Circulation Model，ADCIRC）、Delft 3D 三维水动力-水质模型系统和非结构网格海洋环流与生态模型（Finite-Volume Coastal Ocean Model，FVCOM）等开展了风暴增水和海浪等研究[6-11]。本文选择MIKE21 数值模式进行风暴潮与天文潮耦合情况下的水动力预测模拟，模型网格及模拟范围见图2。模型共有35 835个节点，63 770个网格单元，最小网格边长约为17 m。

图2 模型网格和水深地形Fig.2 Model mesh and bathymetry

大亚湾海域具有显著的潮位“双峰”现象和涨潮流速“双峰”现象。研究表明，当潮波由湾口传播至湾顶时，上述现象主要由M2、M4和M6分潮共同作用造成[12]，M6分潮的异常增大是引起大亚湾内部潮位“双峰”现象的主要原因，2MS6分潮对大亚湾内部潮汐的扭曲也具有一定作用[13]。多站位实测潮位调和分析研究结果表明，浅水分潮（M4、M6、MS4和2MS6）振幅的增长是造成“双峰”现象在湾内增强的主要原因[14]。模型水位边界条件采用的M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1、M4、MS4分潮调和常数初始值引自全球潮汐模型[15]，此外增加了M6和2MS6两个分潮，这两个分潮的调和常数初始值取自南海潮流模型结果[16]。海面风风场及气压场采用Holland 模型。台风气压模型如下[9,17]：

式中：Pc为台风中心气压；Pn为台风外围气压；RMW为最大风速半径；r为距离台风中心的距离；Vmax为台风最大风速；lat 为台风中心纬度；B为Holland 参数。台风对水动力的影响通过海水表面摩擦系数来体现，摩擦系数取值范围为0.000 5～0.001 7。

1.2 溢油模型

溢油事故发生后，油膜主要在风和海流共同驱动下发生平移运动、扩展以及蒸发、乳化、溶解等风化过程。本文采用MIKE21 HD 模块构建平面二维水动力模型，在此基础上耦合MIKE21 OS模块建立溢油模型。关于模型中的风漂移系数，一些学者取值0.03～0.04[18-19]，另一些学者取值0.02～0.03[20-22]，也有学者取值0.025～0.044[23]。风漂移系数和风速有关，当风速较大时风漂移系数取大值，因此本文取0.044。

2 模型验证和流场分析

本文选择2019年3月20—21日项目附近海域2个潮位观测站和3个潮流观测站的观测值进行常规情况下的潮位和潮流验证，选择2016年7月30日17时（北京时，下同）—8 月2 日23 时赤湾、珠海、深圳和惠州4 个验潮站的潮位值以及2017 年8 月22 日00 时—24 日05 时赤湾、大万山、深圳和惠州4 个验潮站的潮位值进行台风风暴潮期间潮位和风速、风向的验证。观测站位见图1。风暴潮期间潮位观测值引自文献[7]。

2.1 模型验证和流场特征分析

2019年3 月潮位和潮流模型验证结果分别见图3 和图4。由图3 可见，潮位模拟值和观测值基本一致，T1 站和惠州站的平均潮位误差分别为10%和-3%，潮位验证结果较好，模型能够较好地模拟大亚湾海域的潮位“双峰”现象。由图4 可见，潮流模拟值和观测值变化趋势大体一致，V1、V2 和V3 站的平均流速误差分别为2%、13%和14%，平均流向误差分别为3%、-6%和44%。潮流验证结果总体较好，模型能够反映大亚湾海域的潮流运动特征。

图3 2019年3月20日10时—21日12时潮位验证结果Fig.3 Tidal level verification results from 10:00 on March 20 to 12:00 on March 21,2019

图4 2019年3月20日10时—21日12时潮流验证结果Fig.4 Tidal current verification results from 10:00 on March 20 to 12:00 on March 21,2019

大亚湾海域涨急时刻和落急时刻的流场分布见图5。无论是涨急还是落急时刻，大亚湾中部海域和范和湾湾口的流速较大。涨急时刻的平均流速约为0.23 m/s；落急时刻平均流速约为0.18 m/s。涨急时刻，潮流主要由东南向进入大亚湾，湾内中央主流向北；落急时刻，湾内中央主流向南，潮流主要由东南向流出大亚湾。

图5 大亚湾海域涨急和落急时刻流场分布Fig.5 Distribution of tide current velocity field in Daya Bay at flood tide and ebb tide

2.2 风暴潮验证

本文采用1713号台风“天鸽”风暴潮的风速和风向过程对模式进行风的参数验证，验证结果见图6，由图可见，模拟的风速和风向与实测值趋势相同，整体吻合较好。1604 号台风“妮妲”和1713 号台风“天鸽”风暴潮期间的潮位过程验证结果见图7，由图可见，在两次台风风暴潮期间，潮位模拟值和观测值基本接近，模型能够反映台风风暴潮的潮位变化过程。

图6 1713号台风“天鸽”风暴潮期间风速过程比较结果Fig.6 Comparison results of wind speed during storm surge of 1713 Typhoon"Hato"

图7 1604号台风“妮妲”和1713号台风“天鸽”风暴潮期间潮位过程比较结果Fig.7 Comparison results of tidal level during storm surge of 1604 Typhoon"Nida"and 1713 Typhoon"Hato"

3 结果分析

由于近年来大亚湾海域没有发生典型等级以上的涉海溢油事故案例，这里仅进行情景事故模拟。假设台风风暴潮期间发生特别重大的船舶污染事故，参照《防治船舶污染海洋环境管理条例》，船舶发生溢油情景事故的溢油量为1 000 t。漏油时间为1 h，在模型中溢油由240 000个“油粒子”表示。溢油方式选择固定点源连续性溢油，油品选择柴油，密度取0.89×103kg/m3。

3.1 1604号台风“妮妲”风暴潮溢油情景模拟结果

1604 号台风“妮妲”风暴潮模拟时间为2016 年7 月29 日20 时—8 月3 日05 时。在台风行进过程中，假设在8月2日凌晨（台风中心临近大亚湾前3 h）大辣甲西侧海域发生溢油事故。风暴潮过程期间溢油扫海面积、残油量和油膜中心位置见表1，风暴潮中止后油膜扫海面积见图8。

表1 1604号台风“妮妲”风暴潮过程期间溢油扫海面积、残油量和油膜中心位置Tab.1 Oil spill sweeping area,residual oil volume and oil film center position during the storm surge process of 1604 Typhoon "Nida"

图8 1604号台风“妮妲”风暴潮过程期间溢油29 h后油膜扫海范围Fig.8 Scope of oil film sweeping after 29 h oil spill during the storm surge of 1604 Typhoon"Nida"

事故发生后，溢油将立即影响到附近珊瑚区、大亚湾水产资源自然保护区中部核心区、中部缓冲区和大辣甲无居民海岛等4 个敏感目标，2 h 后影响到大亚湾水产资源自然保护区南部缓冲区，3 h后影响到大亚湾水产资源自然保护区南部核心区，8 h后影响到小辣甲附近的珊瑚，10 h 后影响到许洲无居民海岛和重要产卵场，11 h 后影响到大亚湾水产资源自然保护区北部实验区和沙鱼洲无居民海岛，12 h后影响到沙鱼洲东侧的珊瑚，13 h 后影响到大亚湾湾顶岸线，14 h 后影响到鹅洲和赤洲附近的珊瑚，16 h后影响到马鞭洲附近海域，18 h后影响到宝塔洲无居民海岛。台风“妮妲”风暴潮中止后（溢油后29 h）油膜扫海范围约为256.38 km2，残油量为640.10 t。

3.2 1713号台风“天鸽”风暴潮溢油情景模拟结果

1713 号台风“天鸽”风暴潮模拟时间为2017 年8 月21 日02 时—24 日17 时。在台风行进过程中，假设在8 月23 日06 时（台风中心临近大亚湾南侧）平海电厂码头附近海域发生溢油事故。风暴潮过程期间溢油扫海面积、残油量和油膜中心位置见表2，风暴潮中止后油膜扫海面积见图9。

表2 1713号台风“天鸽”风暴潮过程期间溢油扫海面积、残油量和油膜中心位置Tab.2 Oil spill sweeping area,residual oil volume and oil film center position during the storm surge process of 1713 Typhoon"Hato"

图9 1713号台风“天鸽”风暴潮过程期间溢油35 h后油膜扫海范围Fig.9 Scope of oil film sweeping after 35 h oil spill during the storm surge of 1713 Typhoon"Hato"

事故发生后，溢油将在1 h 后影响到大亚湾水产资源自然保护区北部实验区，2 h后影响到大亚湾水产资源自然保护区中部缓冲区和桑洲无居民海岛，3 h后影响到大亚湾水产资源自然保护区中部核心区和大辣甲无居民海岛，4 h后影响到大辣甲附近的珊瑚，5 h后影响到大亚湾水产资源自然保护区中部缓冲区，7 h 后影响到大亚湾核电站北侧岸线，8 h后影响到小辣甲附近的珊瑚，9 h后影响到小辣甲无居民海岛，13 h后影响到重要产卵场、赤洲附近的无居民海岛和珊瑚，14 h 后再次影响到大亚湾水产资源自然保护区北部实验区，15 h 后影响到沙鱼洲和许洲无居民海岛，17 h后影响到马鞭洲北侧的珊瑚，18 h 后影响到淡澳溪河口和鹅洲附近的珊瑚，20 h后影响到大亚湾湾顶岸线。风暴潮中止后（溢油后35 h）油膜扫海范围约为115.62 km2，残油量为626.94 t。

3.3 流速变化分析

本节通过分析台风风暴潮期间和无台风时的流速变化探讨台风风暴潮的影响。由图10 可见，1604 号台风“妮妲”风暴潮导致大亚湾内大部分区域流速增加，尤其在湾口区域、马鞭洲西侧区域和大亚湾湾顶区域，湾口区域流速最大增加值超过0.9 m/s，马鞭洲西侧区域流速最大增加值超过0.8 m/s，大亚湾湾顶区域流速最大增加值超过0.5 m/s。1713 号台风“天鸽”风暴潮导致大亚湾内大部分区域流速增加，尤其在湾口区域、大亚湾核电站附近区域和大亚湾湾顶区域，湾口区域流速最大增加值超过1.0 m/s，大亚湾核电站附近区域超过0.8 m/s，大亚湾湾顶区域超过0.5 m/s。台风风暴潮期间流速的增大加速了油膜的漂移和扩散。

图10 1604号台风“妮妲”和1713号台风“天鸽”风暴潮过程期间和无台风的流场和流速变化Fig.10 Comparison of current fields and current velocity change among the storm surge process of 1604 Typhoon"Nida",1713 Typhoon"Hato"and the scenario without typhoon

4 结论和建议

大亚湾海域岛屿众多，潮汐具有独特的“双峰”现象。本文通过MIKE21 数值模式，建立了高分辨率的惠州大亚湾附近海域的风暴潮和溢油数学模型，通过引入M4、MS4、M6和2MS6浅水分潮，精确模拟了大亚湾潮位的“双峰”特征。通过Holland 模型对1713号台风“天鸽”风暴潮的风场进行了模拟，验证结果较好，运用模型模拟分析了在1604 号台风“妮妲”和1713 号台风“天鸽”两场典型台风风暴潮期间，大亚湾海域发生1 000 t 特大溢油情景事故对敏感目标的影响。

在1604号台风“妮妲”风暴潮期间，假设大辣甲西侧海域发生溢油事故，油膜最大扩散范围约为256.38 km2，溢油发生后，3 h 内将影响附近珊瑚区、大亚湾水产资源自然保护区中部核心区、大辣甲无居民海岛、中部缓冲区、大亚湾水产资源自然保护区南部缓冲区和大亚湾水产资源自然保护区南部核心区等敏感目标，台风风暴潮中止后，残油为溢油量的64.0%；在1713 号台风“天鸽”风暴潮期间，假设平海电厂码头附近海域发生溢油事故，油膜最大扩散范围约为115.62 km2，溢油发生后，3 h 内将影响附近大亚湾水产资源自然保护区北部实验区、大亚湾水产资源自然保护区中部缓冲区、桑洲无居民海岛、大亚湾水产资源自然保护区中部核心区和大辣甲无居民海岛等敏感目标，台风风暴潮中止后，残油为溢油量的62.7%。本文建立的溢油模型可以应用于常规天气和台风风暴潮情况下的溢油扩散模拟，能够为溢油事故应急决策提供技术支撑。

本文所采用的模型没有考虑大洋环流对近岸区域的影响，同时由于大亚湾溢油事故较少，缺少验证资料，因此没有深入分析溶解、扩散等参数对溢油的影响，这是本文存在的不足，后续将根据资料情况进一步开展研究。

对于溢油事故风险防控，应做好应急预案，充分准备溢油防控应急物资，平时做好应急演练；加强船舶管控，在台风风暴潮来临前做好防台准备；在台风风暴潮期间若发生溢油事故，除借助卫星遥感监测技术外，还可以通过数值模拟及时预测溢油扩散范围和到达敏感目标的时间；在台风风暴潮过后，及时安排船舶、人员利用除油物资开展油膜打捞等应急处置。