绿华岛周边海域溢油扩散风险数值模拟研究

顾一凡，王彬谕，倪云林，陈 维,2*

(1.浙江海洋大学 海洋工程装备学院，浙江 舟山 316022；2.自然资源部 海洋空间资源管理技术重点实验室，浙江 杭州 310012；3.广西交通职业技术学院，广西 南宁 530023)

引 言

工程施工过程中可能发生的海洋溢油事故会给海洋生态环境带来严重的影响[1]。溢油在海面上扩散形成大面积的油膜覆盖于海面，隔绝了水体与大气的气体交换进程，导致水体缺氧，降低海洋的生产力；同时油膜在风和潮流等作用下扩散到海岸，将破坏海产养殖和盐田生产，污染滨海旅游区等，造成严重的经济损失。另一方面，海上溢油中的芳香烃化合物能在生物体内长期积累，最终将危害人类健康[2]。本文以绿华—花鸟海底电缆工程项目(图1)为例，分析工程中可能发生的溢油扩散情况。

图1 项目位置图

绿华岛及其周边海域有较多数量的环境敏感点如：嵊泗县马鞍列岛海洋牧场示范区(图2)，嵊泗绿华养殖区(图2中编号为①～⑦的区域)以及花鸟岛海水养殖区(图2编号为A—F的区域)。为了在事故发生后及时采取相应的措施减少溢油对环境的影响，研究溢油在水体中的运动轨迹，建立溢油模型对溢油事故进行分析，制定合理的预防、治理方案是必要的。

图2 工程海域环境敏感点及测点分布

溢油扩散是一个非常复杂的过程，受油品的物理、化学性质及事故发生地的气象条件和水动力特性等共同影响，进入水体的石油将发生扩展、漂移、扩散、蒸发、溶解、乳化、沉降、搁浅以及在生物作用下的降解等变化过程[3]。同时油膜与水体和大气之间发生复杂的物理化学变化，表面张力等属性也随着组分和温度的变化发生不断变化[4]。在90年代，Cuesta[5]等运用FORTRAN语言编写建立二维溢油模型对浮油的漂移情况进行预测。Sugioka[6]等建立了3-D溢油模型，分析了油粒子在水平和垂直空间内的运动轨迹。随着时间的推移，更多的溢油模型被开发，如GNOME模型[7]、OILMAP模型[8]、MS4模型[9]、Navy模型[10]，Delft3D-PART模块[11]以及MIKE 21模型[12]等。后来Marques[13]等开始将Telemac3D和Ecos模型耦合起来进行溢油事故模拟。郭健[14]等通过运用MIKE-SA模块分析了各种海况下油粒子的漂移轨迹、油膜扫海面积。匡翠萍[15]等运用Delft3D水动力模型的粒子追踪模块，通过释放大量粒子云团来模拟溢油的运移与归宿。

本文基于绿华岛海底电缆敷设工程，建立绿华岛及周边海域的MIKE二维水动力潮流模型，并根据实测数据进行验证，在此基础上建立溢油事故预测分析模型，通过释放大量粒子模拟溢油的运移与归宿，分析对周边环境敏感区域的影响。

1 潮流数值模型

1.1 模型简介

MIKE软件是丹麦水力研究(DHI)开发的数值模型，包含多种模块，用于模拟各种情况下的水动力环境，有着十分强大的前后处理能力[16]。边界处可以根据具体需要自由定义，如岸线、海洋、岛屿、水利建筑物等。

粒子追踪模块(PT)是MIKE21所包含的用于水质和环境评价的模块之一，主要用于模拟悬浮物质的扩散轨迹和状态，可用于预报溢油问题、评估意外溢油预案分析。

1.2 模型区域和网格

模型计算范围西起仓前，北至芦潮港以北，南临象山，东到东经124°，包含了杭州湾、舟山群岛海域，计算域的横向宽约为378 km，纵向长度为216 km，计算面积约为81 648 km2。由于计算海域所处舟山群岛，岛屿众多，拥有漫长曲折的岸线，近岸海域地形复杂，模型采用三角形网格，使模型更能真实地模拟岸线情况。为了提升模型的计算效率，远离工程区的网格分辨率在200～4 000 m之间。工程区附近海区岛屿众多、地形和潮流结构复杂，潮动力对环境的影响较强。为了获得足够的计算精度，对工程区网格进行加密处理，网格尺度最小为10 m，能够对项目海域水下地形及岸线进行较好地刻画。模型共有22 147个节点，42 088个单元，计算网格见图3。

图3 计算区域和网格

水下地形资料的精确性对模型计算有着极其重要的影响。计算域内大范围水下地形由海军航保部海图通过GIS数字化得到，工程附近海域采用最新测量的水下地形CAD数据，所有数据基面均统一国家八五高程基准面。

1.3 相关参数设定

模型的时间步长设置由模型自动调节，设置的范围为0.000 1～30 s，柯朗数限值为0.8，床阻糙率采用曼宁系数，数值范围为0.012～0.014，河流边界采用流量控制，外海开边界采用东中国海大模型[17]计算得到的潮位控制，大模型的开边界仅考虑外海的开边界，外海开边界采用全球潮汐模型中提取的潮位数据，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。陆地及岛屿设为不透水，水质点沿岸线的切线方向自由滑移的岸线边界。在近岸区域内存在浅滩，随着潮水涨落会出现淹没和露滩交替的现象，于是采用干湿网格法进行处理，取干点临界水深0.005 m，湿点临界水深0.05 m。

1.4 模型验证

潮位观测布设1个临时验潮站，观测为期12 d，覆盖了大、中、小潮，临时水尺高程精度不低于图根水准要求，采用1985国家高程基准。潮流观测布设6个站点，采用船舶观测方式分别在大、小潮期间连续观测27 h。通过分析海域的潮流特征和实测数据对模型的可靠性进行验证、评估。验证资料所采用的潮流站和潮位站的具体位置如图2所示。

实测潮位变化具有明显规律，测区中实测潮位的变化过程多呈现为正规半日潮的特征。测区中潮流性质归属于非正规半日浅海潮流的类型。

图4为潮位验证过程，大、中潮期间计算与实测值有些微小的相位差，计算值的振幅在整个潮周期上稍大于实测值；图5和图6所示的潮流计算值与实测值基本吻合。

图4 绿华岛临时验潮站潮位验证

图5 绿华岛测潮站大潮流速流向验证

图6 绿华岛测潮站小潮流速流向验证

表1 模型效率系数

1.5 潮流现状模拟及分析

通过模拟结果可知，维系大区域模型流场的主要动力是来自东海并由东南和东方向传入的潮波。区域模型的流速具有自东向西逐渐增大的特征。图7为工程区域的涨急、落急流矢图。由图可见，位于绿华-花鸟岛之间的工程区域，其东西两侧基本为开阔海域，受狭道地形制约，涨落潮基本呈往复运动，近岸区涨落潮流流向大致与岸线走向平行，且主槽的流速明显大于边滩；涨落潮路径基本一致。

图7 工程区域附近涨落潮流场图

2 溢油模型

溢油事故预测采用Johansen[19]等提出的“油粒子”模式，认为海面上的油膜是由大量油粒子组成，每个油粒子代表一定的油量，油粒子之间彼此互相独立、互不干扰，其运动过程分为平流和扩散过程。它们汇聚所构成的“云团”就是油膜，油膜的厚度则通过一定水面面积内的油粒子量来体现，它在宏观上体现着油粒子的扩散运动。对于小规模溢油，油膜自身扩展过程时间较短，在水流的紊动作用下开始分散，其运动方式以扩散为主，采用“油粒子”模型显得更为合理。

“油粒子”模型中油膜的运动和形变都是通过油粒子来体现。在运动过程中，用确定性方法——拉格朗日法模拟平移过程，扩散过程则运用不确定方法——随机走动法来模拟[20]。油粒子可通过不同的扩散系数来模拟油膜自身扩展过程与油膜在流场和风场影响下的紊流扩展过程[21]，并能确切地模拟油膜边缘扩展过程和油膜形状在风向上的明显拉伸过程[22]。

在风和流的共同作用下，油粒子群的每一个油粒子的运动可用下式表示：

(1)

2.1 工况选取

根据施工船4个油舱总容量为100 m3，选取最大不利情况下即4个油仓全破情况下，根据比重可计算出发生溢油80 t，释放的总粒子数为90 000个，显示频率为100。油粒子将在溢油开始1 h内释放完毕。

在航道处发生碰撞后发生泄漏，泄漏时间在平潮后2小时(流速最小时刻)，预测年常风向为SE与NW，常风向年平均风速7.1 m/s。本文对静风、SE与NW三种风况进行了模拟。

2.2 风拖曳系数选取

风海流采用如下计算公式：U=α·W10Δf(θ)，式中α为风拖曳系数，f(θ)为科氏力引起的偏转角的函数，θ为偏转角。

风拖曳系数是海洋大气物理学中的重要参数，本文中采用WuJin公式，即：

α=CaW10

(2)

α=CbW10>Wb

式中，Ca=1.255×10-3，Cb=2.425×10-3，Wa=7 m/s，Wb=25 m/s 。

在北半球，风海流向右偏转于风向，本报告中偏转角取15°，

3 计算结果分析

根据溢油计算结果，分别统计了48 h内各风况下油粒子在涨、落潮时段泄露后的散布情况；及6 h、12 h、24 h、48 h油膜的面积及油粒子的扫海面积，见表2。具体分析如下：

表2 各工况下油膜面积及油粒子扫海面积

3.1 涨潮阶段溢油

溢油在涨潮发生后，油粒子受潮流的影响，油膜中心向西漂移。3 h后，由于潮流的作用，油粒子开始向东北转向，在模拟的各种风况下，敏感区域均未受溢油影响。6 h后油粒子在落潮潮流的影响下回返运动，油膜面积约为12 km2，影响范围约为21 km2。

静风情况下，12 h后，油粒子随潮流向东南方向漂移，部分油粒子在经过东绿华岛后向绿华岛南部漂移，部分停留在绿华岛西部；24 h后，北部的油粒子向东扩散，南部的油粒子持续向南扩散，油膜面积扩展至35.2 km2，48 h后完全覆盖绿华岛及花鸟岛周边海域，油膜面积为58.57 km2，影响242.23 km2海域，见图8(d)、图8(e)和图8(f)。

图8 静风涨潮阶段溢油后油粒子的分布

SE风况下油粒子随潮流的漂移受阻，持续影响区域D和E，见图9(d)；24 h后，油粒子向绿华岛的漂移受阻，油膜主要覆盖了花鸟岛东侧以外的海域，面积为33.61 km2，影响了绿华岛东部养殖区及海域牧场示范区部分海域，见图9(e)，119.18 km2海域受到溢油影响；48 h后油膜面积为57.06 km2，完全覆盖花鸟岛及其临近海域，对绿华岛东北部约252.54 km2海域造成影响。

图9 SE风况涨潮阶段溢油后油粒子的分布

NW风况下，12 h后油粒子加速向东南方向漂移，并影响到海洋牧场示范区部分区域，见图10(d)。24 h后，油膜面积扩展至36.21 km2，扩散至东西绿华岛和花鸟岛附近的大部分海域，并在48 h后油膜面积为56.97km2，完全覆盖绿华岛及花鸟岛附近海域，漂移至绿华岛东南部并在潮流和风的影响了绿华岛南部大片海域，见图10(e)与图10(f)，影响247.49 km2海域。

图10 NW风况涨潮阶段溢油后油粒子的分布

3.2 落潮阶段溢油

落潮时刻溢油后，油粒子受潮流的影响，向东南方向扩散。3 h后，油粒子在潮流的影响下开始向南漂移并对部分敏感区域造成影响，见图11(b)。6 h后，在潮流的作用下向西漂移动，见图11(c)，覆盖面积为10.9 km2，23 km2的海域受到溢油的影响；12 h后油粒子向西漂移，油膜扩展至19.18 km2，影响绿华岛南侧全部养殖区，见图11(d)，SE风况下油膜顺流加速扩散，油膜面积扩大，NW风况下油膜扩展受限，影响范围减小。

在静风情况下，24 h后，油膜扩展至34.31km2，油粒子在主要集中在西绿华岛南岸并向绿华岛北部漂移，见图11(e)，影响海域为96.84 km2；48 h后油粒子主要在绿华岛南部东西向反复漂移，油膜扩展至53.32 km2，约171.87 km2海域受到溢油影响，少数油粒子漂移并影响绿华岛养殖区D。

图11 静风落潮阶段溢油后油粒子的分布

在SE风况下，24 h后少数粒子漂移至花鸟岛附近，见图12(e)，油膜进一步扩展至38.87 km2，95.56 km2海域受到溢油影响；在48 h后覆盖范围达到54.39km2，影响绿华岛南部及其西北部大片海域，面积达185.84 km2并对花鸟岛养殖区D产生一定影响，见图12(f)。

图12 SE风况落潮阶段溢油后油粒子的分布

在NW风况下，24 h后大部分油粒子向东南方向漂移并远离绿华岛，油膜面积为32.36 km2，扫海面积为105.4 km2，见图13(e)，在48 h后油膜扩展至53.42 km2，油粒子整体漂移至嵊泗岛东部海域，对绿华至嵊泗之间的大片海域造成影响，影响范围明显扩大，受影响海域面积达204.38 km2，整体呈放射状扩散，见图13(f)。

4 结论

本文运用MIKE模型，用大量的油粒子模拟溢油在海面上形成的油膜，计算模拟其运动轨迹及归宿。分析油粒子对溢油点周边海域内环境敏感点的影响。模拟结果显示：

(1) 在溢油初期油粒子聚集在一起，潮流对油粒子的运动轨迹起决定性作用，但随着油粒子自身的扩展，油膜厚度减小，在大约6 h后油粒子的漂移轨迹在受风影响与静风情况下的漂移轨迹产生差别。若溢油发生在涨潮时刻，油膜扩散范围和油粒子的扫海面积均明显大于在落潮时刻发生的溢油情况，见表2。

(2) 若溢油发生在涨潮时，在6 h内油粒子不会对敏感区域造成影响，12 h后溢散的油粒子主要向花鸟岛移动并影响其环境敏感区域，NW风况下同时对绿华岛及其周边区域造成威胁；若溢油发生在落潮时，油粒子将在3 h后影响海洋牧场示范区，12 h内对绿华岛养殖区造成较大影响，但在48 h内不会威胁到花鸟岛养殖区。