区域海上溢油事故应急响应与处理能力研究

2012-10-21洪梦娟耿安朝

浙江海洋大学学报(自然科学版) 2012年6期

洪梦娟，耿安朝，魏芳

（上海海事大学海洋环境与工程学院，上海 201306）

随着经济的蓬勃发展及船舶大型化的发展趋势，区域海上事故溢油频发，对人类活动与社会经济造成的重大的威胁。《国家水上交通安全监管和救助系统布局规划》[1]（2005-2020）中提出2020年的发展目标是重点水域一次溢油综合清除处理能力达到1 000 t，但是该指标是指回收油污混合物量，随着应急到达时间增长，溢油面积逐渐扩大，油膜厚度减小，导致回收油污的含水率上升，溢油回收效率下降，假如不考虑应急响应时间的变化，混合物中含油量较少，该指标便失去了描述溢油处理能力的作用，在实际处理过程中无法作为判别处理效果的标准，因此需针对应急响应做出溢油应急处理能力评价。

国内学者在溢油风险评价方面做了大量工作，张舒[2]、刘伟[3]、洪晓煜[4]等采用故障树等概率统计理论进行溢油事故风险评估；苗佳静[5]、冉玉茹[6]等采用模糊综合评价法进行溢油风险分析；廖国祥[7]采用溢油动力学模型为风险评估及应急响应提供理论与技术支持。但在实际应急处理工作中仍存在着大量难题[8]，如敏感区保护、清污效果评估、溢油量估算等[9]，刘剑[10]也提出溢油评估与实际清污工作评估的脱节现象。现阶段大量关于清污能力的研究集中在针对溢油量判断溢油应急响应等级和优化应急处理能力，较少考虑到溢油应急响应时间对应急处理能力的影响。本文试图采用溢油漂移扩散预测计算模型预测出溢油应急响应时间，提出相应的应急处理措施，研究区域海上溢油事故应急响应与处理能力的制约关系，为事故溢油应急工作提供理论依据。

1 溢油漂移扩散模型

溢油漂移扩散模型包含溢油扩散模型和二维潮流模型两大模型。当油粒子进入海水中时，油膜半径随时间而变化，具体变化程度可由P.C，Blokker公式给出：

式中：Dt为t时刻后油膜的直径，单位为m；rw，r0分别为水和油的比重，分别取1.025，0.87；V0为溢油量，m3；k=15 000。

在半封闭型海域中，水平尺度远大于垂直尺度，可忽略运动在垂向上的变化。将油粒子视为格朗日粒子，粒子速度（见式2）主要由潮流和风生流决定，潮流速度由二维连续方程(见式3)和二维垂向动量方程（见式4）采用半隐式有限差分数值算法求得，再根据粒子速度计算出粒子轨迹（见式5）。

式中采用右旋直角坐标系，OXY面与平均海平面重叠，Z轴向上为正。u、v分别为X方向和Y方向的垂向平均流速；ζ为相对于OXY面的水位，H为瞬时水深，H=h+ζ；h为相对于OXY平面的水深绝对值；f为柯氏参数；r为底摩擦系数；g为重力加速度。初始条件为：t=0时，u=v=ζ=0。边界条件为：对于开边界水位取大小潮期间的水位。

Δt时间间隔粒子从点P1运动到点P2，位移P1 P2进行可通过下式积分而得。

式中uQ、vQ为欧拉流速。

2 环境风险数值模拟研究

本文以福建省东山湾为研究对象，东山湾属于典型的半封闭型海湾，潮流属于往复式正规半日潮流，主航道水深一般都超过10 m，最深处可达30 m，是我国天然深水良港之一。东山湾海洋重点功能类型为港口航运、农渔业区、海洋保护区和特殊利用区。主要海洋敏感区有：东山湾农渔业区、列屿农渔业区、漳江口红树林保护区、珊瑚礁自然保护区、马銮湾旅游娱乐区等[11-12]如图1所示。

对模型进行假设，溢油类型为船用柴油，溢油量取100 m3，油膜中心到达岸或湾口后不返回，模拟在东北风、静风下，大、小潮的高潮、低潮、涨急、落急时刻16种海况和气象下A、B、C三点处（图2）发生的事故溢油，预测油膜在一个潮周期内的漂移扩散路径和油膜面积的时空分布。

图1 东山湾海洋功能区划图Fig.1 Dongshan bay function zoning map

图2 东山湾航道图Fig.2 Dongshan bay Channel map

2.1 溢油轨迹预测结果

溢油漂移方向与航道方向基本一致，油膜在一个潮周期12 h内，A点漂移方向主要为南北走向，B点漂移方向主要为东西走向，C点漂移方向主要为南北走向（图3、4）。从表2中可看出A点的漂移轨迹向北延伸至漳江口海域，向南可延伸至马鞍屿附近海域、城垵作业区、八尺门水道口等处，其中涉及东山湾农渔业区、列屿农渔业区，漳江口红树林自然保护区；B点漂移轨迹在西北方向的鸟咀东部海域到东南方向的铜陵海域之间，其中涉及东山珊瑚保护区、列屿农渔业区及马銮湾旅游娱乐区；C点漂移轨迹基本在古雷作业区沿岸，其中涉及马銮湾旅游娱乐区。

随着扩散时间增长，油膜面积扩大（表1），由于主要受得海流、海风的影响，油膜在不同海况下抵达岸滩和敏感区的扩散时间不同（表1、2）。A点在东北风、大潮、低潮情况下溢油，油膜在2 h内抵达云霄作业区滩边，溢油面积达0.316 km2；在东北风、大潮、高潮情况下溢油，油膜在7 h内抵达城安作业区滩边，溢油面积达0.663 km2；在东北风、大潮、落急情况下溢油，油膜在10 h内抵达八尺门水道口滩边，溢油面积达0.83 km2。B点在东北风情况下溢油，油膜在1 h之内抵达城安作业区滩边，溢油面积达0.223 km2。C点在静风情况下溢油，油膜在1 h内抵达古雷作业区滩边，溢油面积达0.316 km2；在东北风、小潮情况下溢油，油膜在5 h内抵达塔屿附近海域，溢油面积达0.538 km2。

表1 油膜扩散直径与面积随时间变化的关系表Tab.1 The oil film diffusion diameter and area with time changes in the relationship table

表2 不同海况下油膜抵达各岸滩和敏感区所需的扩散时间Tab.2 The diffusion time of film arrived on the beach and sensitive areas under different sea conditions

图3 东北风、大潮A、B、C三点落急时刻溢油Fig.3 Northeaster,spring tide,drop urgently moment

图4 静风、大潮A、B、C三点低潮时刻溢油Fig.4 Calm wind,spring tide,low tide moment

2.2 溢油对海洋敏感区的影响

从表2中归纳出三点溢油后对各海洋敏感区的影响程度（表3）：A点油膜在静风情况下，溢油发生后2 h将对东山湾农渔业区造成最重的影响；在东北风作用下，溢油发生后6 h将对列屿农渔业区造成较大影响；在大潮，静风、低潮情况下，溢油发生后5 h将对漳江口红树林自然保护区造成影响。B点油膜对马銮湾旅游娱乐区影响最重，在静风条件下，溢油发生后4 h之内将对该区造成影响。C点位于湾口，溢油基本不会影响湾内敏感区。

表3 溢油对环境敏感区的影响程度Tab.3 The impact of spilled oil on environment sensitive areas

3 应急响应与处理能力

通过研究分析得到的不同海况下溢油油膜轨迹和油膜面积的时空分布，为溢油应急响应工作提供了理论依据，同时溢油事故应急响应与应急处理措施之间存在较大的制约关系，如油膜轨迹决定了应急船舶的布局；油膜扩散时间决定了应急响应时间；油膜面积决定了围油栏数量等，本文采用应急船舶、应急响应时间、围油处理、机械回收4个指标讨论东山湾溢油事故应急响应与处理能力。

3.1 物资储备点的布局与应急船舶抢险路线

结合溢油扩散模拟油膜轨迹结果，将物资储备点设置于古雷作业区、城垵作业区、云霄作业区3个码头沿岸。根据溢油事故点的具体位置、油膜扩散随时间的变化及船舶航行时间，分析对事故点的抢险路线。若A点发生溢油现象，应急船舶从云霄作业区航行0.5 h内达到事故点；若B点发生溢油现象，应急船舶从城垵作业区航行0.5 h之内达到事故点；若C点发生溢油现象，应急船舶从古雷作业区航行0.5 h之内达到事故点；若在东山湾农渔业区附近发生溢油现象，应急船舶需从云霄作业区出发，航行时间需要1 h；若在列屿农渔业区附近发生溢油现象，应急船舶需从城垵作业区出发，航行时间需要1.5 h。

3.2 溢油应急响应时间研究

溢油应急响应时间必须满足在油膜扩散达到岸滩及敏感点所需时间之内，否则将对海洋环境造成重大污染，其中溢油应急响应时间=报警时间+接警后响应时间+出动时间+装载物资时间+航行时间+现场组织时间。结合模拟预测的油膜扩散达到岸滩及敏感点所需时间，讨论出溢油应急处理时需满足的溢油应急响应时间。如A点在东北风、大潮、低潮情况下溢油，溢油应急响应时间需在2 h内，避免油膜抵达云霄作业区岸滩；在东北风情况下溢油，溢油应急响应时间需在6 h内，避免油膜抵达列屿农渔业区；在静风情况下，溢油应急响应时间需在2 h内，避免油膜抵达东山湾农渔业区。B点在东北风情况下溢油，溢油应急响应时间需在1h内，避免油膜抵达城安作业区岸滩；在静风情况下溢油，溢油应急响应时间需在4 h内，避免油膜抵达马銮湾旅游娱乐区。C点溢油应急响应时间需在1 h内，避免油膜抵达古雷作业区岸滩。

3.3 应急现场处理能力（围油栏、清污船舶与污油回收量）

随着应急响应时间的增长，溢油面积增大，溢油厚度变薄，回收污油的含水率上升。为提高溢油应急现场处理能力，需增加围油栏数量以及污油回收量。根据多年实际操作经验，围油栏使用长度为油膜周长的1/2，油膜厚度通过油膜扩展模型[13]预测而得，污油回收量=油膜厚度*油膜面积*回收系数，得到不同应急响应时间下的应急处理能力需求（见表4）。通过溢油应急响应时间的研究，基本不会超过6 h，因此围油栏的需求量不超过1 400 m，污油回收量不超过400 m3，为物资储备提供依据。具体的应急现场处理措施可根据应急响应时间做出准确的安排。