南海深水井喷溢油输移扩散的数值模拟研究

廖国祥

(1.国家海洋环境监测中心 大连 116023;2.国家环境保护近岸海域生态环境重点实验室 大连 116023)

0 引言

随着南海深水油气资源勘探开发规模的不断扩大,发生深水钻井井喷和海底输油管线泄漏等深海溢油事故的风险日益增高。2010年墨西哥湾“深水地平线”溢油事故发生后,我国学者提出结合南海油气资源特点和海洋环境特征开展深水油气事故的数值模拟研究,以提升深海溢油事故风险防范和应急处置能力[1-2]。近年来,我国深海溢油输移扩散的理论、方法研究取得积极进展。亓俊良等[3]数值模拟了南海荔湾油气田1 500 m泄漏后的扩散浮升过程。安伟等[4]应用水下溢油三维可视化模拟系统,数值模拟了南海1 486 m深水溢油后48 h的输移浮升过程。李建伟等[5]选择南海某油气田,数值模拟了1 378 m深水油气泄漏后48 h内的气体浮升过程。陈涛[6]开展了浅水区、深水区、超深水区溢油漂移扩散以及不同月份时对海岸和环境敏感区的影响,也模拟了凝析油从深水区泄漏后1 h内的扩散过程。以上工作积极推动了南海深水溢油问题研究,但未充分考虑三维海洋环境动力和海底消油剂处理对溢油在深海环境中输移扩散的影响。

针对我国南海未发生大规模深水井喷溢油事故的情况,本研究参照“深水地平线”事故,以假设发生在南海北部深水油气勘探开发海域的1 279 m深水井喷溢油事故为例,数值模拟研究三维流场、海面风场和海底消油剂处理等因素对溢油输移扩散的影响,以期加深对南海深海溢油输移扩散规律的科学认识。

1 材料与方法

1.1 溢油输移扩散模型

本研究应用笔者构建的能够模拟近区(水下)浮射扩散和远区(水下及海面)输移扩散过程(图1)的水下溢油模型开展数值模拟研究。其中,近区子模型采用拉格朗日积分方法来数值计算水下溢油浮射流扩散过程。该方法将沿轨迹中心线的污染物视为一系列互不影响的控制单元体,每个控制单元体在水流环境中的运动则根据质量守恒、动量守恒和能量守恒等控制方程来计算确定,最后综合所有控制单元体的运动即可获得污染物的输移轨迹[7-10]。远区子模型则采用油粒子追踪法来模拟计算溢油的运动轨迹。该方法通过模拟每个油粒子在海流、风和海浪等环境动力作用下在水体中以及在海面上的输移扩散过程,最后统计所有粒子信息获得溢油在海洋环境中的时空分布[11]。

图1 深海溢油在海洋环境中的输移扩散过程[9]

近年来,该模型已利用文献报道的实验室模拟实验、挪威844 m深海溢油现场试验结果进行比较验证[7-11]。最近,2010年墨西哥湾“深水地平线”深海溢油事故的案例研究显示,数值模拟的扩散影响范围与观测结果符合较好[12]。

1.2 环境动力数据

本研究采用自然资源部发布的标准地图(http://bzdt.ch.mnr.gov.cn/browse.html?picId="4o28b0625501ad13015501ad2bfc0077")绘制底图。所有时刻均采用协调世界时(UTC)。

1.2.1 三维流场数据

南海环流主要受控于东亚季风和与邻近海域环境的相互作用和水交换,动力机制复杂[13-14],特别是中层、深层和底层环流仍有待深入研究[15-16]。近年来,我国学者应用混合坐标海洋模型(Hybrid Coordinate Oceanic Circulation Model,HYCOM)开展南海环流和中尺度涡等方面的数值模拟并取得较好的研究成果[17-19]。因此,本研究采用美国HYCOM模型官方网站(http://www.hycom.org)提供的全球海洋预报系统(Global Ocean Forecasting System,GOFS)输出的三维流场分析数据(包括海面水位、水温、盐度、东向流速和北向流速等)。三维流场数据的时间分辨率为3 h,经度方向的空间分辨率为1/12°,纬度方向的空间分别率为1/25°,垂直方向将0~5 500 m深度划分为40层。根据本研究需要,从上述官方网站下载南海区域2020年1月和7月的流场数据,并提取不同水深的流速和流向数据(图2)。

图2 HYCOM GOFS输出的南海区域

1.2.2 海面风场数据

海面风场是溢油漂移扩散的重要环境动力之一。近年来,我国学者基于欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)再分析数据开展南海海面风场预报研究并取得积极进展。例如,吴俞等[20]分析了ECMWF细网格10m风场产品在南海海域的预报检验;赖鑫等[21]通过综合海上平台观测数据和ECMWF再分析数据来研究分析南海10 m风和海面动态粗糙度特征。因此,本研究采用ECMWF官方网站(https://www.ecmwf.int/en/forecasts/datasets/reanalysis-datasets/era5)提供的第五代全球大气再分析数据(ERA5)作为溢油数值模拟的大气环境动力数据(时间分辨率为1 h,水平方向的空间分辨率为0.3°),根据数值模拟需要下载2020年1月和7月的ERA5数据,并提取距海面10 m高处的风速和风向数据(图3)。

图3 ECMWF ERA5输出的南海区域

1.3 数值模拟

2010年墨西哥湾“深水地平线”事故是世界上首例大规模深海溢油事故,泄漏水深为1 522 m[22],泄漏原油密度为854.8 kg/m3。由于我国未发生南海深海溢油事故,我国学者多参照“深水地平线”事故,根据南海地理环境和原油理化性质来设置深水油气井喷的数值模拟参数,例如:泄漏水深范围为1 378~1 500 m;原油密度范围为665~850 kg/m3;油滴粒径范围为1~8 mm[3-6]。

“深水地平线”事故中还首次实施了海底消油剂喷注处理,同样引起我国学者的高度关注。研究显示,未实施海底消油剂处理的油滴粒径范围可能为800~10 000μm[23-24];实施海底消油剂处理后,Li等[24]报道无人潜航器在700~1 100 m水深处发现70~250μm的小粒径油滴,并认为1 200 m以深水下环境中可能存在粒径小于100μm的油滴。为了发展我国水下消油剂使用技术,钱国栋等[25]通过模拟试验研究消油剂的类型、使用量和喷注位置对溢油分散效果的影响,发现GM-2消油剂对密度为837.8 kg/m3试验原油的分散效果最优,油滴粒径均低于300μm,其中100~150μm区间的油滴体积分数最大,最大值达26.55%。

综合上述国内外相关研究成果,从初步探索南海大规模深海溢油事故潜在影响的角度出发,本研究参照“深水地平线”溢油事故,设置深水井喷溢油事故和实施海底消油剂处理的数值模拟参数,具体见表1。

表1 南海深水井喷溢油事故情景数值模拟参数

根据表1的模拟参数,本研究应用海底溢油输移扩散模型及可视化软件(SIMPACT)[26]进行数值计算,获得南海深水井喷事故后溢油在水体中及海面上的时空分布数值模拟结果。

2 结果与分析

2.1 冬季溢油输移扩散模拟结果

2020年1月1日深水井喷事故和实施海底消油剂处理措施后24 h、48 h、96 h时溢油在水体中及在海面上的输移扩散过程的数值模拟结果如图5和图6所示。其中,本研究给出了泄漏地点附近A点到B点的0~1 400 m水深的垂向剖面图(图5b和图6b),展示了不同粒径油滴在水体中的浮升扩散情况。

图5所示,未实施海底消油剂处理的情景下,原油自井口喷射进入水体后分散为不同粒径的油滴,粒径范围主要为800~10 000μm(图4)。由于泄漏地点附近海流在垂直方向上呈现显著的流速、流向变化特征,如1月3日00:00海流在0 m、50 m、150 m、500 m、1 000 m水深处的东向分量分别为-5.8 cm/s、9 cm/s、-2.8 cm/s、7.2 cm/s、-2.2 cm/s(图7),因此在不同深度、变化流速流向的海流作用下,近区浮射流轨迹发生弯曲,远区不同粒径的分散油滴则以摇摆或螺旋轨迹向上浮升(图5b)。因不同粒径油滴的浮升速度存在差异,加上海流的输移作用,部分油滴在相对泄漏地点距离较远的地方浮升至海面并扩展形成油膜,随后在表层海流和NE方向海风的共同作用下,主要向SW方向漂移扩散(图5a)。

图4 海底消油剂喷注处理前后的油滴粒径[12]

图7 假设事故地点不同时刻海水流速的垂向分布

实施海底消油剂处理的情景下,部分大粒径油滴被分散为小粒径油滴,其中粒径小于300μm的油滴数量显著增加(图4)。当油滴从近区浮射扩散阶段转变为远区输移扩散阶段后,大粒径油滴快速向海面浮升,而小粒径油滴长时间悬停在深海环境中缓慢浮升。特别是粒径小于70μm(尤其小于30μm)的油滴在深海环境中的浮升速度慢,从而在800~1 000 m水深层中形成悬浮油带。96 h时,800~1 000 m水深中的小粒径油滴最远输移距离约为18 km。

对比图5a和图6a可见,实施海底消油剂处理后,水中油滴数量显著增加并大范围分散在水体中,而浮升至海面的油膜数量减少。

图5 2020年1月深水井喷事故后溢油输移扩散模拟结果

图6 2020年7月深水井喷事故后溢油输移扩散模拟结果

2.2 夏季溢油输移扩散模拟结果

2020年7月1日深水井喷事故及实施海底消油剂处理后24 h、48 h、96 h时溢油在水体中及在海面上的输移扩散过程的数值模拟结果如图8和图9所示。其中,本研究给出了泄漏地点附近A点到B点的0~1 400 m水深的垂向剖面图(图8b和图9b)。

图8所示,未实施海底消油剂处理的情景下,原油自井喷进入水体后分散成不同粒径的油滴。7月1—4日,泄漏地点的海流在垂直方向上呈现1 000 m以下流速较小、250~1 000 m流速较大且流向为SW方向、0~250 m流速较大而流向为NNE方向的特点。例如,7月3日00:00时,600 m水深处的流速约为9.4 cm/s、流向为SW方向,0 m水深处的流速约为2.7 cm/s、流向为NNE方向(图7)。在不同深度、不同流速、流向的海流作用下,不同粒径的分散油滴以摇摆或螺旋轨迹向海面浮升。当浮升至海面后,油滴扩展成为油膜,在表层海流和夏季主导的SSW风的共同作用下,以“之”字形状轨迹向NNE方向漂移扩散。

图8 2020年1月使用和不使用海底消油剂处理溢油模拟结果

图9所示,实施海底消油剂处理的情景下,由于7月1—4日期间250~1 000 m深的海流的流向主要为SW方向,而0~250 m深的流向主要为NNE方向(图7),因而经消油剂处理形成的粒径小于300μm的油滴历经浮射扩散阶段进入远区输移扩散阶段后,在水下环境中总体上往SW方向输移(图9a中),并同时向海面缓慢浮升。96 h时,800~1 000 m水深中的小粒径油滴最远输移距离约为18 km,而0~200 m水深中油滴最远输移距离约为36 km。

图9 2020年7月使用和不使用海底消油剂处理溢油模拟结果

对比图8a和图9a可见,实施海底消油剂处理后,除了海面油膜在海风和表层海流共同作用下形成的连续油带外,还存在零散分布在油带SW一侧的油膜(主要是经海底消油剂处理分散的微小粒径油滴浮升至海面后扩展形成)。而对比图8b和图9b可见,实施海底消油剂处理后,水中油滴数量显著增加并大范围分散在水体中,而浮升至海面的油膜数量减少。

3 结束语

本研究以南海北部深水油气勘探开发海域为研究区域,参照2010年墨西哥湾“深水地平线”深海溢油事故的相关参数,开展了假设的1 279 m深水井喷溢油事故及海底消油剂处理的数值模拟,初步研究了2020年1月和7月(分别代表冬季和夏季)气象条件下南海三维流场、海面风场和海底消油剂处理等因素对溢油在水体中和海面上的输移扩散过程的影响。

需指出的是,本研究初步开展了南海深水井喷溢油的数值模拟,但所采用的三维流场数据和风场数据存在时间和空间分辨率不高等问题,因而有必要采用更高分辨率的三维流场和海面风场数据开展数值模拟研究,以期更准确地分析南海深水井喷事故后溢油在海洋环境中的输移扩散规律。此外,由于不同品牌消油剂对不同类型原油的分散效果存在差异,有必要继续开展更多的水下消油剂处理海底溢油的模拟实验研究,以期为海底消油剂处理前后的水下溢油输移扩散预测预报提供基础科学数据和关键参数支持。总的来说,本研究结果可以为后续更为全面、精细的南海深海溢油输移扩散数值模拟、污染风险评估和水下消油剂应急处置研究提供有益参考。