基于MIKE 软件处理海上泄漏事故模拟仿真的研究

邓秀琼 王丹丹 纪红兵

（1. 浙江环龙环境保护有限公司，浙江杭州 310012；2. 中山大学惠州研究院，广东惠州 516000）

1 引言

目前，海上危险化学品的泄漏可分为水溶性化学品与油溶性化学品两大类，其中油溶性化学品泄漏对环境造成的危害比较严重。油溶性化学品泄漏灾害对海洋生态造成的危害主要表现在3 个方面：第一，海洋生物大量死亡。油溶性化学品泄漏事故产生的油膜会大面积覆盖海域，造成海体中生物缺氧，严重时大量藻类和鱼虾贝类等出现死亡现象，或者使经济鱼、虾和贝类等因富集石油烃而产生异味。第二，海洋生态失衡。海上产生的油膜阻断了光合作用和“海—气”之间的交换，因而降低了海洋初级生产力，使海洋的生态平衡遭到破坏。第三，海岸带严重受损。泄漏的油类抵岸，污染海滩，不仅给滩涂动植物资源带来危害［1-3］，还严重影响海洋水产养殖，造成海产品大量污染，而清除这些污染又需要大量的人力、物力和财力，且处理周期长，浪费时间。油溶性危险化学品污染还将对滨海度假旅游、沿岸风景、红树林等产生污染等影响，造成不可避免的经济损失。因此，必须开展系列危险化学品海上泄漏的相关研究，为海上污染事故及海洋综合管理提供必要的技术支持［4-8］。

2 MIKE 软件简介

MIKE 系列软件是由丹麦水力研究所（DHI）开发的，主要是用来进行数值模拟，其中的MIKE 21 系列软件是平面二维自由表面流模型，经常被用在有关水域的工程与环境问题上，国家机构和地方水行政机构常常用它提供管理和决策依据。该软件包括水质、泥沙、水动力、对流扩散以及粒子追踪模块等，主要通过控制输入文件进行不同模块的模拟。前处理主要是根据实际的岸线水深资料，进行计算网格的边界拟合。它还可以制作动画和演示流场动态，对不同的方案进行比较，计算断面流量，这些主要是其处理分析功能的运用。开边界处可以定义不同种类型的边界条件。MIKE 系列软件广泛地应用于潮汐、水质、水流和船运等二维水力学现象的研究，因此被推荐为河流、河口、湖泊和海洋近岸水域的仿真模拟软件。

3 大亚湾近海区域过氧化叔丁醇泄漏事故模拟

本文结合大亚湾石化工业区石油化工产业链发展关于加强化学品海上运输的安全及环境管理的实际需要，运用MIKE ZERO 软件系列OSM（Oil Spill Module）模块模拟过氧化叔丁醇在海洋环境中的泄漏行为，建立了大亚湾附近海域油溶性化学品泄漏模型，模拟静风、常年主导风向（东北风）和不利风向（东南风）3 种风场条件下，发生10 t 过氧化叔丁醇泄漏后油膜的漂移路径和影响范围。

3.1 地形文件模拟的构建

从海图中提取模拟海域的水深和海岸线的x，y，z 数据，岸线利用908 调查岸线数据进行修正，通过MIKE ZERO 的网格创建器生成网格文件，如图1，MIKE ZERO 的网格创建器在地形复杂的重点区域可进行局部网格加密处理。创建的网格文件中包含3 类信息：计算网格、水深、边界资料。

图1 网格生成器生成的网格

海底地形图，插值以后由MIKE ANIMATOR 成图，如图2。

图2 海底地形图

3.2 参数选取与模拟情景

利用MIKE 21 模型建立大亚湾海域的潮流场，计算海域包括整个大亚湾海域在内的区域。采用三角形网格，在海陆交界处、复杂地形处和研究附近海域进行网格加密，模型的三角形网格单元为6 682个，网格节点为3 528 个，最大网格边长约为1 000 m，最小网格边长约50 m。模型外海开边界采用潮水位作为开边界控制点的水位驱动，如图3，黑色边界为开边界，即驱动边界。

图3 大亚湾边界

假设泄漏点在大亚湾辣甲岛附近，轮船途经附近海域不幸发生触礁，导致10 t 过氧化叔丁醇泄漏，泄漏模型由风场数据驱动。具体参数设置如下：泄漏点经纬度22. 62°N，114. 61°E（图4）。

图4 泄漏位置图

泄漏物品种为过氧化叔丁醇，比重为930 kg/m3；泄漏量设置10 t（瞬时泄漏），在泄漏模型中用1 000个“油粒子”来表示；设定3 种泄漏情景进行模拟，见表1。情景一是无外界影响因素下的泄漏物泄漏模拟，情景二为存在常年主导风向（东南风向，风速10.0 m/s）对泄漏物扩散的影响，情景三是存在不利风向（东北风向，风速4.0 m/s）对泄漏物扩散的影响。

表1 不同情景参数设定

参数设定：模拟时间定为2014 年4 月1 日，总共模拟了5 d；泄漏速度根据伯努利方程计算；泄漏持续时间则根据泄漏总量与泄漏速度计算；风速分别设定为10.0 m/s（夏季台风季多年平均风速）和4.0 m/s（多年冬季平均风速）；风向分别设定为夏季（东南140°）和秋冬（东北45°）主导风向，模拟时不考虑蒸发、降雨及泄漏物自身微溶的影响。

4 泄漏污染结果分析与预测影响

散装化学品泄漏后在海中的输移和扩散行为模式，主要受两方面的影响：一是外部环境因素，如泄漏点附近的水文、地理和气象等；二是内部因素，即化学品的物化性质。影响化学品在水中行为的主要因素是化学品本身的3 个主要物理性质：相对密度、饱和蒸气压（在环境温度下的饱和蒸气压）、相对溶解度。根据这3 个因素，散装液态化学品泄漏后在水中的行为主要有4 种：在大气中、浮于水面、溶于水体中、沉于水底。化学品性质多样，在海洋环境中的分布可能不止是以上的一种形式。作为应急反应技术，可以分别对4 种形式的化学品的扩散、漂移进行研究，加以整合后得出一个比较有实用价值的结果。

过氧化叔丁醇泄漏后在水中的行为方式主要为浮于水面（本研究忽略其微溶量）。根据一年中3 种风速状况，分别模拟了10 t 过氧化叔丁醇泄漏后5 d时间内的行为途径。不同情景下过氧化叔丁醇的浓度分布见图5。

图5 泄漏后不同情景下过氧化叔丁醇的浓度分布

由上述各个情景中的对比图可以看出：情景一，无风状况下，过氧化叔丁醇泄漏后在水中的行为途径主要受潮位场的影响，污染面积可控在一个范围内；情景二，10.0 m/s 的东南风况下，过氧化叔丁醇在泄漏后在潮位场和风场的共同作用下，行为途径变化很大，污染区域沿着马湾—大水坑湾—大深湾的海岸线漂移，对海岸线附近的水域和环境造成了很大的破坏；情景三，4.0 m/s 的东北风况下，过氧化叔丁醇泄漏后由潮位场和风场推动，污染区域从泄漏点一直延伸至大鹏澳。大鹏澳的自然条件非常好，水深不淤，是建设大型深水码头的优良港址。该湾无污染，水产资源丰富，主要有石斑、龙虾、青蟹、马氏珍珠贝、鲍鱼、海参、马尾藻等，为水产资源繁殖保护区。若发生泄漏将对该区的养殖业和水生态平衡造成无法估计的损失。

在研究了各种泄漏情景下过氧化叔丁醇在水中的行为途径后，对其污染面积采取7 个样点，分析其随时间的变化，见图6。

图6 污染物扩散面积随时间的变化

模型动力场的ramp-up days 设置为2 d，前2 d为模型的过渡期。情景一由于处于无风状况下，污染区域没有很大的变化，随着时间的推移，加上海洋本身的自净化和调节能力，污染面积没有太大的变化，区域可控。情景二由于风场的影响，污染面积在3 d后逐渐开始变大，随着时间的延长，油膜面积越来越大。情景三处于在东北风的影响下，过氧化叔丁醇在泄漏后，朝着西南方向漂移至大鹏澳附近，同时由于风速较小，所以扩散的速度比较缓慢，但同样随着时间的推移，油膜在逐渐增加。

5 预测泄漏后产生的影响及建议

根据以上各种情景下泄漏的情况可以看出，风场对泄漏后过氧化叔丁醇的泄漏行为有很重要的影响。在情景一的状况下，过氧化叔丁醇泄漏后，主要在泄漏点附近迁移扩散，且随着时间的推移，泄漏物会在一定程度的海洋的净化能力下降解，污染面积在一定的可控范围内。如发生这种情况下的泄漏事故，要及时组织应急队伍进行油膜的收复，避免其长时间覆盖，造成海洋生物缺氧、窒息死亡等现象。在情景二和三的状况下，发生泄漏事故后，由于风速影响很大，首先要根据风向及时判断出可能受到污染的沿海边界、重点养殖区域以及珍稀生物资源保护区，第一时间对这些区域做出保护措施；其次要尽快对泄漏物进行回收，避免因为风向造成污染面积的扩大；最后要对未能及时清理且已经波及的重点保护区域进行修复，对可能受到后续影响的区域提前采取应对措施。

6 结语

本文以假设大亚湾海域发生10 t 过氧化叔丁醇的泄漏事故为模拟，针对大亚湾海域建立了泄漏模型，分别在无风、10.0 m/s 东南风、4.0 m/s 东北风3种风况下，对过氧化叔丁醇泄漏事故进行构建模型并针对具体情况进行模拟，其中在无风状况下，10 t过氧化叔丁醇泄漏主要在泄漏点附近扩散，且区域不是很大，只要及时进行清理回收，其影响可以大大降低。但是有风影响的情况下，由于风场的影响，污染区域根据风向以及风速逐渐扩大，污染面积也变得比无风状况下大得多，并且风速的影响力很重要。此次研究不但为泄漏事故的预警、处理以及完善海域安全事故管理体系提供了必要的技术支持，还为最大程度降低近岸海域化学品泄漏事故对环境与资源造成的损失提供了依据，对于海洋环境的保护具有非常重要的意义。