舟山薄刀咀围垦工程船舶溢油数值模拟

2019-10-30王彬谕顾一凡倪云林

中国航海 2019年3期

谢挺，王彬谕，顾一凡，倪云林，陈维

(1. 国家海洋局东海分局舟山海洋工作站，浙江舟山 316022； 2. 广西交通职业技术学院，南宁 530023；3. 浙江海洋大学港航与交通运输工程学院，浙江舟山 316022)

目前，船舶溢油污染已成为一种全球性海洋污染。[1]海上溢油以其突发性、污染的严重性和应急处理的艰巨性使其在过去的几十年里成为破坏海洋生态环境的因素，且呈现出越来越严重的趋势。[2]溢油事故一旦发生，不仅对海洋生态环境造成严重的破坏，导致周边区域内鱼虾贝类中毒甚至死亡，使海鸟的生存受到威胁等，如若溢油登岸，则会使海边浴场、海岸风景旅游区和湿地保护区等遭受污染；而且严重的溢油事故会引发火灾和爆炸，破坏船舶或海上设施，甚至造成人员伤亡。[3]因此，建立海上溢油的数学模拟模型，模拟突发性溢油事故后油膜的轨迹，分析和预报溢油的污染范围，对科学地制定应急抢险计划和降低溢油损失具有十分重要的意义。

许多学者采用数学模拟模型对溢油扩散进行模拟，匡翠萍等[4]对蓬莱19-3溢油事故进行模拟，得出溢油漂移方向与主风方向一致的结论。宋泽坤等[5]采用MIKE SA 研究溢油对长江口水库的影响，研究结果表明油膜的运动轨迹除受涨落潮流的主控外还易受风况和长江口水下地形等的影响。黄娟等[6]基于天气预报模式(The Weather Research and Forecasting Model， WRF)和区域海洋模式系统(Regional Ocean Modeling System，ROMS)研究不同风、流系数及网格分辨率对渤海湾的溢油扩散，以此来提高预测精度。齐庆辉等[7]基于MIKE 21/SA建立京杭运河溢油扩散模型，研究结果表明水动力场和风场对内河溢油扩散有着重要的影响。GORAN等[8]采用Aladin-HR模型研究亚得里亚海北部海洋环流和溢油污染，研究结果表明Porec和Rovinj镇之间的海岸带遭严重的溢油污染，尤其是持久性布拉风后溢油污染持续好几天。GUO等[9]采用普林斯顿海洋模式(Princeton Ocean Model，POM)和第3代浅海波浪数值模拟(Simulating WAves Nearshore，SWAN)模型研究溢油扩散、湍流、蒸发、溶解及沿岸沉降，模拟大连海域溢油事故，采用遥感影像对预测进行验证，其结果表明数模准确性较高。

薄刀咀岛位于舟山小洋山东侧的沈家湾作业区，西南与沈家湾隔水相望，呈东北—西南走向，陆域面积约0.61 km2，海岸线长约4.84 km，最高点海拔约95.90 m。嵊泗县拟于薄刀咀岛南侧海域实施围垦，形成面积约138×106m2，用于建设薄刀咀综合配套园区，兼顾商务、休闲和居住等功能。本工程为薄刀咀高端度假区提供建设用地，为嵊泗县薄刀咀高端度假区提供建设用地，建设一条长1 388 m的围堤，又通过吹填疏浚土形成252 200 m2陆域，其吹填标高6.2 m。工程区域和验证站点位置见图1。本文基于工程前后的地形和岸线资料，采用MIKE21建立薄刀咀海域的潮流和溢油扩散数学模型，研究分析不同风况下围垦作业船舶溢油的扩散路径和范围。

1 数学模型

1.1 模型简介

MIKE21是丹麦水力学研究所(DHI)研发的通用数学模拟系统，主要模拟河流、湖泊、河口、海洋和海岸的水流、波浪、泥沙和环境变化，为工程应用、海岸管理和规划提供完备、有效的设计环境。MIKE 21 FLOW MODEL子模块属二维潮流模型，根据Boussinesq假设、静水压力假设、浅水条件和适定边界条件，通过控制体积法求解由不可压缩雷诺平均Navier-Stokes概化的浅水方程。

图1 工程区域及验证站点位置

溢出的油体会根据油品、水动力、气象条件和环境状况发生复杂的物理、化学变化。溢油在海洋中的行为与归宿可分为扩展过程、输移过程和风化过程等3个过程。本文溢油模型是基于欧拉-拉格朗日理论体系，采用“油粒子”追踪技术，通过对溢油的上述3个过程的模拟，来预测溢油的行为与归宿过程。“油粒子”模型是近年来新发展的理论，模型的原理是将溢油离散为大量的油粒子，每个油粒子代表一定的油量，先计算各个油粒子的位置变化、组成变化，然后统计各个网格上的油粒子个数和组分含量，这样可模拟出油膜的浓度时空分布和组分变化。MIKE21SA模块是基于欧拉-拉格朗日理论体系，通过对“油粒子”在水表面的漂移(水流和风的拖曳作用)、扩展、紊动扩散和风化等各种过程的模拟。模块考虑众多因素对溢油的行为与归宿的影响，已成功应用于黄浦江、瓯江口和长江口等潮汐类河口。[10-12]因此，本文对此模块进行直接应用。

1.2 模型计算范围及网格

模型计算范围西起盐官，北到芦潮港以北，南到象山以南，东到东经124°，包含杭州湾、舟山群岛海域，计算区域的横向宽约为378 km，纵向长度为216 km，计算面积约为81 648 km2。工程区网格进行加密处理，网格尺度最小为10 m，能够较好地刻画项目前沿水下地形及岸线，保证足够的计算精度。在外海区域，网格相对稀疏，网格分辨率在200～4 000 m，不同尺度网格之间通过设置实现平滑过渡。舟山众多岛屿导致岸线特别曲折，三角形网格更贴合岸线。因此，模型采用SMS构造三角形网格，工程前模型共有30 546个节点，58 192个单元。工程后模型共有29 776个节点，56 669个单元，工程后网格见图2。

a) 大范围网格

b) 局部网格

图2 工程后模型区域和网格

1.3 模型参数设置

模型糙率采用曼宁系数，数值为0.012～0.014，时间步长由模型自动调节，为0.000 1～30 s，模型计算采用冷启动，柯朗数限值为0.8。上边界河流边界采用流量控制，外海边界条件采用中国海大模型计算得到的潮位时间序列控制。模型运用动边界处理技术，模型中干点临界水深取0.005 m，湿点临界水深取0.050 m。中国海数学模型的开边界仅考虑外海的开边界，且外海开边界条件为MIKE 21软件包自带的全球潮汐模型导出的潮位过程，该潮汐模型是在1992—2002共计10 a的TOPEX/POSEIDON卫星高度计资料基础上建立的，其分辨率为0.125°，模型考虑的分潮包含:M2、S2、K2、N2、S1、K1、O1、P1、Q1和M4，共计10个分潮。

2 模型验证

潮位和潮流验证选取2015年春季水文测验期观测资料，验证站位如图1所示，潮位和流速流向验证结果见图3和图4。由图3和图4可知:工程海域各个实测值与模拟值之间拟合得较好，模型结果基本能反映工程区域的潮流特征，可用于围垦工程后的溢油预测模拟。

图3 薄刀咀站潮位验证示意

a) 1#站点流速

b) 1#站点流向

c) 2#站点流速

d) 2#站点流向

3 计算条件分析

计算溢油点个数取1个，位于南防波堤北侧，具体位置如图1所示，溢油量为45 t。

根据工程区附近小洋山气象站风速统计历史资料[13]，计算风况包括：静风；最不利风向NNW；夏季主导风向SE；冬季主导风向NNE。

溢油泄漏时间不同会造成扩散范围有所不同，因此分别选取涨潮时刻和落潮时刻作为典型溢油时刻。具体的工况设置见表1，本次溢油扩散预测主要的敏感点有石化码头、客运码头、洋山风景区、洋山石龙景区、小洋山港口、大洋山镇、虎啸蛇岛、马鞍山岛等，具体敏感点位置如图1所示。

表1 溢油计算工况组合表

4 计算结果分析

根据溢油计算结果，分别统计涨潮时刻溢油和落潮时刻溢油在4个风况下油粒子到达敏感点时间和扫海面积。具体分析如下。

4.1 涨潮时刻溢油

静风涨潮溢油后，受到湾内逆时针环流的影响见图5，油粒子开始沿着逆时针潮流运动，首先扩散至南防波堤北侧湾内，随后一部分粒子经口门往外扩散并向东运动。在口门外往复流的作用下，先后经过客运码头、虎啸蛇岛、筲箕岛、石化码头等，约15 h后抵达小洋山港和大洋山镇，后在潮流作用下越过岛屿，扩散至洋山石龙风景区和洋山风景区,见表2。在此过程中，从口门内扩散出来的油粒子不断增多，粒子扩散范围不断增大。12 h后扩散面积约为18.41 km2，24 h和48 h的扩散面积约为189.50 km2和513.21 km2，最终在72 h扩散面积达到1 040.58 km2，影响范围较大,见表3。典型时刻油粒子的扩散分布如图5所示。

a) 12 h

b) 24 h

c) 48 h

d) 72 h

表2 静风涨潮溢油油粒子到达到敏感点时间统计 h

表3 静风涨潮溢油典型时刻油粒子扩散面积

在NNW和NNE向风涨潮溢油后，在风的作用下，油粒子迅速黏附于南侧防波堤上，对周围的敏感点无影响；在SE向风涨潮溢油后，油粒子迅速黏附于北侧围垦岸线上，同样对周围的敏感点无影响。3种风况下油粒子吸附位置见图6。

图6 NNW、NNE和SE向风涨落潮时刻溢油油粒子吸附位置

4.2 落潮时刻溢油

静风落潮溢油后，受到湾内逆时针环流的影响，油粒子开始沿着逆时针潮流运动，首先向南防波堤运动，随后又向围垦岸线运动，并随潮流逐渐扩散至口门。极个别粒子在口门外往复流作用下向西运动，先于绝大部分粒子到达石化码头和筲箕岛；大量粒子后扩散至口门外，先向东运动后向西扩散至筲箕岛、虎啸蛇岛、马鞍山岛等，约21.5 h抵达大洋山镇。落潮与涨潮溢油类似，在潮流作用下越过岛屿，分别于26.0 h和27.5 h后扩散至洋山石龙风景区和洋山风景区，见表4。静风落朝时刻溢油油粒子扩散范围见图7。对比图5和图7不难发现，落潮溢油易导致极少量油粒子短时间向西运动，但大量粒子在口门内滞留时间较长，到达敏感点的时间要晚于涨潮溢油。

表4 静风落潮溢油粒子到达到敏感点时间统计 h

12 h扩散面积约为9.69 km2，24 h和48 h的扩散面积约为118.21 km2和508.92 km2，最终在72 h扩散面积达到945.12 km2，扩散范围比涨潮溢油大，见表5。典型时刻油粒子的扩散分布如图7所示。对比可知，在溢油后72 h，涨潮溢油的扩散范围略大于落潮溢油的扩散范围。