基于油粒子模型的厦门港码头溢油影响的数值模拟研究

陈斯婷 陈楚汉 汤军健 陈凤桂

(国家海洋局第三海洋研究所，福建 厦门 361005)



基于油粒子模型的厦门港码头溢油影响的数值模拟研究

陈斯婷 陈楚汉 汤军健 陈凤桂

(国家海洋局第三海洋研究所，福建 厦门 361005)

通过“油粒子”溢油风险评价模型，模拟厦门港后石港区某码头静风、主导风向(东北风)和不利风向(西南风)3种风场条件下，一个潮周期内涨急、高潮、落急和低潮4个时段，在码头前沿溢油100t、航道交叉点溢油1000t的影响范围、影响程度和影响敏感目标的时间。本文可为溢油事故应急防范对策的制定及溢油损害评估提供科学决策和支持，提升厦门港后石海域环境风险管理应急能力建设。

油粒子模型；溢油；数值模拟；厦门港

近年来，随着全球经济的快速发展，海上船舶来往频繁，海洋石油开发蓬勃发展，但与此同时，海上溢油事故频繁发生[1]。2010年4月美国墨西哥湾原油泄漏事件、2010年“7·16”大连原油爆炸泄漏事故、2011年6月渤海湾康菲溢油事故，严重影响了近岸海域生态环境，造成了巨大的经济、生态损失，受到了国际社会的广泛关注。随着厦门港的发展，进出后石港区的船舶数量不断增加，到港船舶的大型化，船舶进出碰撞溢油事故发生的概率将会增大。一旦发生燃料油泄漏入海，将对海域生态环境、旅游区等造成重大的影响。为此，以厦门港后石港区某码头溢油风险评价为例，基于“油粒子”溢油风险评价模型，对不同气象条件下的溢油泄漏事故进行影响预测，对于确定环境保护目标的应急反应时间，制定溢油应急防范对策，尽可能地减小溢油事故污染损失，具有重要的理论意义和应用价值[2，3]。

1 溢油模型

“油粒子”模型基于考虑风生流的潮流场，利用Lagrange粒子追踪法跟踪质点的轨迹，与此同时用随机走动法模拟“油粒子”的紊动扩散，这种方法根据运动对象的行为选择用确定性模型模拟环境动力条件(主要是流场)，并且采用随机模型模拟溢油“油粒子”紊动扩散场，提高了溢油预报的效果[4-6]。

不考虑紊动扩散时，在流场数学模拟的基础上(欧拉场)，用Lagrange方法跟踪质点的漂移过程，求得标识质点在潮流(含风生流)作用下的轨迹。其中风生流速按经验公式取值，其值为海面10m处风速的2%。

(1)

(2)

用随机走动法模拟“油粒子”的紊动扩散，把油膜看成大量“油粒子”组成的粒子云团，油粒子的随机走动导致粒子云团的尺度随时间而增大，粒子云团随机走动的“方差”等于粒子云团方差的时间变化，即：

(3)

从而：

(4)

式中，算子〈〉表示对所有的油粒子求平均，σ(t)为t时刻粒子云团的标准差，将油粒子云团的方差随时间的变化率定义为扩散系数K，则有：

(5)

随机走动的方差与紊动扩散系数K的关系为：

(6)

根据上式，可以得出随机走动的距离为：

(7)

式中，Δα为α(x或y)方向Δt时间步长下紊动引起的油粒子扩散距离，η为均值为0，标准差为1的正态分布随机数，K=5.0m2/s。

于是油粒子运移距离L为海面风场、潮流场和紊动扩散共同作用下的运移距离，即：

(8)

在潮周期内进行积分就得到每个油粒子的运动轨迹。

当油粒子漂移到岸边时会吸附在岸边，但由于水流的卷带作用，上岸的油粒子可能重新进入水体中，重新回到水体中的油量与水流流速、浓度梯度及岸边天然状况有关。Torgrimson建议用衰减公式计算每个时段Δt内返回水中的油量dAb为：

(9)

式中，Ab为吸附在岸边的总油量，λ为半衰期，对开阔、平整岸边取值为1小时。

2 厦门港后石海域事故溢油影响预测分析

2.1 计算海域选择

本工程所处的后石港区地处厦门湾南岸，厦门湾口浯安水道西侧，位于漳州开发区规划的第四区，是厦门港的重要组成部分，具有发展海运的优良深水条件。随着后石港区的开发建设，海上船舶数量不断增加，所面临的环境溢油风险压力逐步增大。该海域分布有沙滩保护区、鸡屿白鹭保护区核心区、文昌鱼保护区核心区、中华白海豚自然保护区外围保护地带、漳州开发区双鱼岛、养殖区等，为生态环境敏感区域。若发生溢油事故，将对周围海洋环境造成严重影响。因此，本文通过后石港区溢油事故模拟研究，充分提升该海域应对海洋环境风险的能力，尽可能减轻溢油事故对环境保护目标的影响，为该海域的船舶溢油污染防治提供参考。

2.2 模型建立

本研究利用“油粒子”模型建立后石海域的潮流场；计算海域为东北边界至围头角，东南边界为将军澳，包含整个厦门湾和工程区海域，网格在研究附近海域进行加密，最大网格边长约1000m，最小网格边长约10m，全海域网格结点约35000个，网格数约60000个。外海流体开边界为两边开边界；模型外海开边界水位由台湾海峡潮流场所得潮位提供；厦门湾西部九龙江口开边界采用流量边界条件，按平均径流量321m3/s模拟。通过潮位和潮流验证，计算结果和实测资料相对误差在10%以内，满足相关规范要求，可作为溢油模型的驱动流场。

2.3 溢油参数选取

本文的溢油点选择码头前沿(1#)、流会东面航道交叉点(2#)，见图1-4。溢油品种为燃料油，比重为920kg/m3；溢油量设置码头溢油100t，航道溢油1000t；风况考虑3种，静风、常年主导风向(东北风向，风速3.8m/s)、不利风向(西南风向，风速3.4m/s)；溢油时刻选择大潮高潮时刻、落急时刻、低潮时刻和涨急时刻4种情形。

2.4 溢油污染影响预测分析

溢油发生后，油膜在风和海流的共同作用下，发生漂流、扩散、蒸发、乳化等变化过程。本次模拟时间为12h，溢油风险预测共计6个方案，以下分别给出各方案的预测分析结果。

图1 静风下4个不同潮时码头前沿发生溢油12h后的影响范围

图2 东北风下4个不同潮时码头前沿发生溢油12h后的影响范围

图3 东南风下4个不同潮时码头前沿发生溢油12h后的影响范围

图4 不同风况下涨急时刻航道发生溢油12h后的影响范围

2.4.1 码头前沿风险溢油模拟结果

在静风条件下，油膜漂移过程中主要受潮流控制，后石港区海域潮流主要为往复流，油膜漂移范围主要在屿仔尾至浯屿海域。落急时刻和涨急时刻溢油影响范围较大，12h最大污染影响范围为24.75km2。油膜主要影响到浯屿附近养殖区、大小破灶屿养殖区、中华白海豚外围保护地带、漳州开发区双鱼岛和南太武沙滩保护区。4个不同潮时发生溢油泄漏12h影响范围见图2，一个潮周期内的油膜漂移路径和海域污染面积见表1。

在东北风条件下，当潮流流速较小时，油粒子被东北向风生流带至岸边，并附着于岸边，无法漂移至开阔水域，不同潮时溢油油膜漂移范围限于大小破灶屿至岛美前沿之间后石港区海域。低潮时刻溢油影响范围最大，12h最大污染影响范围为1.94km2。油膜主要影响到大小破灶屿养殖区。4个不同潮时发生溢油泄漏12h影响范围见图3，一个潮周期内的油膜漂移路径和海域污染面积见表1。

在东南风条件下，各潮时溢油油膜漂移范围主要在鸡屿至浯屿海域，落急时溢油油膜可至鸡屿附近海域，涨急时溢油油膜可至浯屿附近海域。落急时刻溢油影响范围最大，12h最大污染影响范围为31.66km2。油膜将会影响浯屿附近养殖区、大小破灶屿养殖区、中华白海豚外围保护地带、鸡屿白鹭保护区、漳州开发区双鱼岛和南太武沙滩保护区。4个不同潮时发生溢油泄漏12h影响范围见图4，一个潮周期内的油膜漂移路径和海域污染面积见表1。

表1 码头前沿(1#点)不同潮时发生溢油后一个潮周内的油膜漂移路径和污染面积

2.4.2 航道风险溢油模拟结果

在静风条件下，溢油点附近海域潮流介于旋转流与往复流之间，油膜所经海域开阔，高潮和涨急时油膜主要往溢油点南面海域漂移，落急和低潮时油膜主要往溢油点北面海域漂移，油膜全潮包络线呈类椭圆形形状。在东北风条件下，各潮时溢油的油膜全潮包络线形状接近于静风时溢油的包络线形状，位置略向西南偏移。在东南风条件下，各潮时溢油的油膜全潮包络线形状接近于静风时溢油的包络线形状，位置略向西北偏移。

在静风、东北风、东南风条件下，航道风险溢油均是涨急时刻影响范围最大，12h最大污染影响范围分别为54.56km2、50.26km2、45.84km2。油膜均未影响到环境敏感目标。不同风况下涨急时刻发生溢油泄漏12h影响范围见图5，一个潮周期内的油膜漂移路径和海域污染面积见表2。

2.4.3 环境敏感目标影响分析

码头前沿溢油对后石海域环境敏感目标的影响时间见表3。

3 结 论

本文采用油粒子模型，较好地模拟了静风、常年主导风向和不利风向条件下厦门港后石海域溢油的漂移路径和影响程度，预测结果显示：在一定的时间内，油膜的漂移会对后石海域上层水体及水生生物造成污染，若能及时对溢油采取应急措施，可减小对周围的环境敏感目标的危害。本文的模拟计算结果可为后石海域突发性溢油事故应急决策和损害评估提供技术支持[7]。

表2 航道(2#点)不同潮时发生溢油后一个潮周内的油膜漂移路径和污染面积

表3 码头前沿溢油泄漏到达主要敏感目标的时间

[1]许文彬.福州港福泰码头海上溢油事故影响预测[J].福建水产，2011，33(2)：44-49.

[2]许婷.厦门港刘五店航道海域溢油扩散数值模拟[J].海洋学研究，2011，29(1)：90-95.

[3]王翠，郭洲华，李青生，等.基于MIKE SA 模型的厦门西港海域溢油影响的数值模拟研究[J].应用海洋学学报，2014，33(2)：229-235.

[4]冉玉茹，王学昌.青岛港码头溢油风险分析研究[J].海洋湖沼通报，2011，(2)：131-136.

[5]邱品宾.厦门湾船舶溢油污染事故危害风险评估研究[D].大连海事大学，2011.

[6]刘钦政，张存智，刘煜，等.渤海溢油数值预报研究[J].海洋预报，2005，22：70-73.

[7]蔡南魁.厦门港嵩屿项目海上溢油数学模拟分析[J].水运工程，2010，(5)：21-26.

Numerical Simulation of Oil Spill in Xiamen Port Based on Oil Particle Model

CHEN Siting CHEN Chuhan TANG Junjian CHEN Fenggui

(Third Institute of Oceanography，SOA，Xiamen 361005，China)

Based on oil particle model，the oil spill model was built in Houshi Port Area of Xiamen Port，and then the drift path and the influence of oil film were simulated under the calm wind，the dominant wind and adverse wind conditions.One hundred tons and one thousand tons of fuel oil was set as the initial spill in wharf and channel cross point，respectively，to model the oil-spill diffusion process over 12h.Through the simulation of the oil movement，it specifically analyzed the impact of the sensitive goals after the oil spilling.This paper could provide technical support for the oil spill emergency decision-making and its damage assessment.

oil particle model；oil spill；numerical simulation；Xiamen Port

陈斯婷，工程师，研究方向为海洋环境评价与规划

X21

A

1673-288X(2016)06-0044-04

引用文献格式：陈斯婷 等.基于油粒子模型的厦门港码头溢油影响的数值模拟研究[J].环境与可持续发展，2016，41(6)：44-47.