长江重庆辖区溢油三维虚拟仿真及在应急决策中的应用＊

2011-08-17陈蜀喆黄立文

武汉理工大学学报（交通科学与工程版） 2011年4期

陈蜀喆黄立文

（武汉理工大学航运学院武汉 430063）

0 引言

重庆处于三峡库区的腹心地带，主城区河段处于变动回水区的中上段，兼具水库河道和天然河道的特点，其地理特点和水文条件均较为严峻.在各种风险因素复杂，航道水域受限的情况下，整个辖区各处的溢油风险均不可忽视.1997～2007年，三峡库区共查处船舶污染事故96起，其中小事故81件，一般事故3件，大事故4件，重大污染事故8件，如图1所示.

图1 三峡库区船舶污染事故数年度分布图

从数据上看，随着三峡库区的形成，船舶污染事故总体上呈现出逐年减少的发展趋势，但由于发生重大船舶污染事故的主要船舶类型为油船和化学品船等危险品船舶，虽然重大船舶污染事故少，但泄漏污染物量大，并且三峡成库后水流速度减慢，水体自身净化能力下降，而危险化学品吞吐量又逐年上升，库区防污染形势依然严峻.

虽然船舶污染事故总数呈逐年减少的趋势，但由于危险品船舶吨位的增大和进出港艘次的增加，突发溢油事故的风险也越来越大.在溢油事故发生时，单纯靠人为观测无法获取溢油应急反应所需的全部数据，即使可以通过人为观测获取数据，在数值计算，应急决策方面仍然需要借助计算机等辅助工具.溢油应急决策需要准确预报溢油的行为状态与归宿，因此，计算机虚拟仿真成为其重要环节.计算机虚拟仿真具有较为准确的预测性和强大的数据处理、数值计算、可视化、决策支持功能，正被越来越广泛的用于溢油模拟.而溢油三维虚拟仿真更能直观的了解溢油的整个行为状态与归宿，能为迅速的为应急决策［1］提供辅助.

1 溢油三维模型

1.1 重庆辖区溢油特点

重庆辖区属山区河流，形态多变，坡陡流急，地形、水文、航道情况复杂.重庆航运事业发展迅速，水上运输带来的污染事故压力逐年加大.船舶发生污染事故不仅仅在于在水上航行时发生的碰撞、搁浅等事故，同时船舶在装卸危险品时发生的操作性污染也是其中重要部分.辖区各管辖范围基本都存在溢油环境敏感区，发生在敏感区附近的污染可能会造成巨大的社会和经济危害.其溢油特点总结如下：（1）重庆辖区水运繁忙，船只密度大，溢油事故风险高；（2）沿岸危险品码头密集，油品复杂，增加了溢油隐患；（3）地形、水文、航道情况复杂.溢油应急反应的技术难度高；（4）环境敏感性强，辖区生态资源分布密集；（5）溢油事故社会和经济危害影响较大.

1.2 溢油模型

当内河发生溢油事故，油品在进入水体后的运动行为和归宿［2］不仅受到油品特性等物理性质影响，还受到多方环境因素影响.油品在数量、化学组成、物理及化学性质等方面都随着时间的推移不断地发生变化.引起这些变化的主要过程归纳为扩展、漂移、分散、蒸发、溶解、乳化、光化学氧化分解、颗粒物质的吸附沉降以及微生物降解等，如图2.

图2 溢油行为及归宿

河流溢油的行为和归宿受风、流等动力环境因素、其他非动力环境因素和油品特性等多种因素的支配，经历着扩展、漂移、分散、蒸发、溶解、乳化、光氧化及其相互作用的复杂过程.对于重庆辖区溢油应急而言，是一个在短时间内对溢油进行快速处置的过程，只需考虑溢油导致的短期环境影响.有鉴于此，溢油的漂移、扩展、蒸发、溶解作用起着支配地位，因此对于溢油模型而言，着重考虑短时间内环境因素和油品自身特性共同作用下的溢油运动轨迹模型.为了服务于重庆辖区溢油应急，需建立三维溢油运动轨迹与归宿模型.

三维溢油运动轨迹与归宿模型基于“油粒子”模式.油粒子概念打破了采用对流扩散方程模拟溢油的传统方法，直接模拟导出扩散方程的实际物理现象，将溢油分成许多离散的小油滴来模拟油品在水体中的漂移扩散过程，使结果更合理精确.由于溢油初期采用“油粒子”模式模拟溢油的运动并不合理，溢油初期采用质心轨迹结合油膜扩展经验公式［3］的方法进行模拟，后期扩散阶段仍然采用“油粒子”模式.三维溢油运动轨迹与归宿模型的流程如图3所示.

图3 “油粒子”模式内河应急溢油行为及归宿模型

初期扩展阶段油膜质心的漂移轨迹采用欧拉－拉格朗日追踪法，在风和流的作用下，油膜中心由初始位置开始漂移，而自身的扩展处于由重力和惯性力驱动的第一阶段（10 min内），同时进行主轴同风向一致的椭圆扩展，采用式（1）计算：

式中：x和y为溢油椭圆扩展过程；x0和y0为溢油点；R和Q为椭圆的长短轴长度；g为重力作用下油膜的扩展驱动系数；f为风力作用下油膜的扩展驱动系数.

具体模型采用式（2）参数计算

式中：Q为椭圆短轴的长度；R为椭圆长轴的长度；ρw，ρo分别为水和油的密度；V0为溢油初始体积；W 为风速；A为油膜面积.

在自身重力和风力驱动阶段结束时进行油粒子的剖分，用附加体积参数的方法来实现对油粒子特性的模拟.考虑特定粒子，其直径为d，则这个粒子的真正体积为

式中：n为油粒子的总数.由此定义每个油粒子的特征体积为

式中：V0为溢油的初始体积.按对数正态分布对油粒子进行剖分，即可得到进入水体的油滴的数量和尺寸的分布特征.

在扩散阶段，油膜剖分成油粒子之后，每个溢油粒子看作拉格朗日粒子.油粒子的水平和垂直运动建立在三维水动力数学模型的基础之上，油粒子的水平扩散由水平对流与扰动叠加而成，油粒子在t时刻的水平位置分量用xt表示，则

式中：Δt为时间步长；xt－1为前一步长油粒子位置；Uoil为溢油粒子对流漂移速度；Uf为水体表层流速；Uw为水体上10 m风速；Kf水平水流影响速度，取1.0；Kw为风拖拽系数，2%～3%.

油粒子的水平扩散扰动距离公式为

式中：［R］10为0～1之间的随机数；D为水平扩展系数；Δt为时间步长.将油粒子的水平扩散扰动加入水平位置计算公式即可得到油粒子的水平扩散公式.

垂直运动是指水流发生垂向对流时油粒子进入水体内部，并在紊流的作用下做垂向的随机运动.“油粒子”在垂直方向上的运动距离可表示为

式中：W 为水体垂向速度；DZ为垂向扩散系数；［R′］10为0～1之间的随机数；WB为油滴上浮速度.油品的蒸发和性质的变化模型主要针对长江重庆辖区的危险品种类，始终伴随整个溢油过程，在这里不再赘述.

2 溢油三维虚拟仿真

就溢油而言，三维虚拟仿真不仅可实现三维地形表面的逼真还原，而且还可以动态的显示整个溢油轨迹，并能对各种溢油处置方式进行交互式响应，最终为应急决策提供正确的辅助.

2.1 三维地形场景建立

三维地形场景［4］的建立分为三维地形场景和非地形场景，地形场景的建立需要获得水平及垂直两方面的数据，对与水平数据而言，需获得较高分辨率的地形场景影像并加以配准；而对于垂直数据而言，需要获得较高精度的高程数据.水平和垂直数据获取后，对数字高程数据进行可视化建立模型，并配以高分辨率地形场景影像，建立逼真的三维地形场景.在此基础上，通过建模软件建立静态建筑物模型和河流、船舶、气象环境等动态可视化模型，最终建立三维场景.建立流程如图4.

图4 三维地形场景建立流程

2.2 溢油模型三维动态可视化

溢油模型的三维动态可视化是指将溢油模型的计算结果在已经建立的三维地形场景中实时渲染出来.下面将计算和可视化过程分别加以说明.

2.2.1 溢油模型的计算溢油模型的计算以重庆辖区溢油模型为基础，计算过程如图5所示.

图5 溢油模型计算过程

溢油模型计算的输入包括溢油点、溢油量、溢油事件类型、环境数据［5］、水动力模型［6］和油品特性；输出数据为随时间序列变化的油粒子位置和状态等数据，具体包括：溢油时间、油粒子经纬度、深度、厚度、平均半径、质量、粘度和密度.这些输出数据为溢油模型的三维动态可视化提供了依据.

2.2.2 溢油模型动态可视化溢油模型的动态可视化采用虚拟现实［7］技术为依托，将溢油的动态三维可视化过程和环境信息相结合，能在溢油应急决策的过程中充分考虑实际的环境因素，在重庆辖区这种弯曲河道构造的自然环境及长江三峡库区水位的变化中显得尤为重要.虚拟现实技术集先进的计算机技术、传感与测量技术、仿真技术、微电子技术于一体，利用计算机生成一种虚拟环境，通过视、听、触觉等作用，使用户产生身临其境感觉的交互式视景仿真，实现用户与该环境直接进行交互.

基于虚拟现实的三维动态可视化系统包括系统的初始化、溢油模型计算结果导入、数据重组与管理、可视化及溢油处置响应等模块.在初始化模块中，需要对三维地形、河流、船舶、建筑物进行导入；接着导入溢油模型计算结果，建立依据该时间的气象环境和声音系统，并对人机交互接口进行初始化；将导入的溢油模型计算结果进行重组与管理，将油粒子运动轨迹和状态加以归类；归类好的油粒子数据按照初始化的规定进行随时间序列的可视化；在整个可视化过程中可随时实现人机交互，完成视角切换和时间序列控制等操作，并可选择适当地点布设围油栏等溢油应急设备，并根据溢油模型计算结果和水动力模型及围油栏特性判断围油栏是否失效.溢油模型动态可视化流程见图6.

图6 溢油模型动态可视化过程

将基于虚拟现实的三维动态可视化系统应用于长江重庆辖区溢油三维虚拟仿真，系统截图如图7所示.

图7 长江重庆辖区溢油三维虚拟仿真系统截图

3 溢油三维虚拟仿真在应急决策中的应用

通过溢油三维虚拟仿真，对溢油事故发生后溢油的轨迹和状态能有直观和全面的了解，对溢油应急决策具有明确的辅助作用.通过对油粒子经纬度和溢油时间的可视化，决策人员能清晰准确的得知溢油经过的区域和时间；通过对油粒子厚度、质量、半径和密度的可视化过程，使油粒子的状态直观呈现在面前；通过视角的切换，可以从不同的角度观察溢油的整个过程，了解溢油经过的区域是否存在敏感区，是否会对其他生态资源产生影响，是否会对该区域的经济和社会产生严重危害；通过对三峡库区不同水位期溢油区域地形的了解，尤其是在长江重庆辖区这样一个连续弯曲河道形态的区域，可以直观的看到重庆辖区岸线的变化，直接决定溢油设备布设地点的选取和应急力量的分配；通过对围油栏［8］等溢油应急设备布设地点和等级的选择，直观的了解到设备的有效性，通过不同布设方案的对比，选择是进行单层布设还是多层布设并根据现有设备选取合适的布设角度，或对现有设备的更新和重新部署进行评估.