大亚湾消防船码头海域溢油模拟分析

韩春阳 广东海兰图环境技术研究有限公司

1.引言

大亚湾消防船码头位于惠州大亚湾北侧海域，是大亚湾海域确保消防船随时具备快速抵达事故海域的重要交通基础设施。本工程部分用海位于广东大亚湾水产资源省级自然保护区的北部实验区，由于工程所在海域的海湾半封闭水域特征，溢油事故发生后，其负面影响在短时间内难以消除。

由于溢油扩散过程十分复杂，溢油预测的结果同时受到外部气象条件与油自身化学性质的共同作用影响。海上溢油预测模拟发展至今，由溢油3阶段扩散理论发展至基于拉格朗日随机游走理论的“油粒子”模型，近年来，国内已开展了许多研究。张海文等基于MIKE 21水动力模型及溢油模块建立溢油扩散数学模型，预测分析福宁湾海域溢油影响。顾恩慧等在二维潮流数学模型基础上，建立采用“油粒子”方法的溢油模型，对乐清湾北港区溢油风险进行预测模拟。黄娟等用数值模拟方法，对在渤海发生的溢油进行预测。娄安刚等建立了胶州湾内的预报潮流场，考虑风场对海面溢油的影响，给出了预测胶州湾溢油飘移轨迹的数值模型，对胶州湾溢油的油膜漂移轨迹进行了数值模拟。

本次采用DHI开发的MIKE 21 HD模块和MIKE21OS模块对大亚湾北侧海域溢油事故进行数值模拟预测。

2.溢油模型

海上的溢油行为受气象条件和潮流特性等环境条件以及溢油本身化学性质的影响，会经历十分复杂的物理化学变化过程。溢油运动包括自身扩展、漂移和风化。油膜的扩展过程是由于其自身的重力、惯性力、粘性力以及表面张力相互作用的结果，可按主导作用力的不同将其划分为三个阶段。漂移运动是指溢油在风、潮流等环境因素作用下的对流过程和紊动扩散。风化作用包括了溢油的蒸发、乳化和溶解等生化反应。本溢油模型根据模拟得到的水动力基础数据建立项目所在海域溢油扩散预测模型。模拟溢油在海上的扩展、漂移和风化过程。

在潮流场计算的基础上，采用拉格郎日法计算溢油漂移扩散影响范围，控制方程如下：

式中：x、y为某质点初始坐标（m）；U、V为流速（m/s）；w为风速（m/s）；A为风向；α为修正系数；r=RE，R为随机扩散项，R为0～1之间的随机数；E为扩散系数；B为随机扩散方向。

模型同时还考虑了包括蒸发、溶解和形成乳化物等过程，在这些过程中油粒子的组分发生改变，但其水平位置没有发生变化。

3.事故溢油影响预测分析

3.1 计算海域选择

本工程所处的大亚湾北侧海域，是大亚湾海域确保消防船随时具备快速抵达事故海域的重要交通基础设施。本工程部分用海位于广东大亚湾水产资源省级自然保护区的北部实验区，该海域发生溢油将对周边敏感区域产生较大影响。因此，本文对工程所在海域开展溢油事故模拟分析。

3.2 模型建立

本次计算海域为西南—东北方向长约85km，项目所在岸线—东南方向长约65km。计算域大范围水深由国家海洋科学数据中心发布水深数据及电子海图进行确定，拟建工程附近水域水深参考设计单位提供的实测地形数据修正，工程所在岸线根据Google Earth卫星图提取。

为提高数值模拟计算效率，同时又确保工程附近海域有足够分辨率，拟合项目所在水域复杂岸线、岛屿以及其他水工建筑物等边界，计算模式采用非结构三角形网格对计算域进行划分，工程附近局部加密。模型计算采用国家1985高程。外海区域空间步长较大，在开边界约为500m，工程区域空间步长约为5～10m。其中现状工况计算域共计生成计算节点29239个，网格53389个。

工程海域潮流模型开边界潮位从调和分潮预测的潮汐结果中提取，并根据潮汐预报和实测水位进行调整以使计算水位与实测水位尽量重合。

计算范围内的潮位站和流速点的计算潮位、流速、流向和实测值基本吻合，所建立的工程范围海域潮流数学模型合理可信，基本反映了项目所在海域整体的潮流运动规律。

3.3 溢油参数选取

溢油事故发生位置设定在拟建码头前沿停泊水域；溢油量设置溢油12t，燃料油的密度（柴油）按845kg/m考虑，从环境风险的最不利影响角度出发，燃料油以连续点源的形式泄漏，在1小时内泄漏完毕；模型忽略油膜的初始重力扩展阶段，油膜初始半径取为100m；溢油扩散参数a和b分别取为0.07和0.7；海底粗糙长度取为0.02m；风拖曳系数取为3%；油膜蒸发率为0.1m/d；校准参数取为2000；预测选取夏季盛行风（SE）、冬季盛行风（NNE），以及不利风向（NE），计算风速考虑各风向全年平均风速（项目所在区域年平均风速为3.2m/s）与不利风速（六级风，此处取 13.8m/s）；分别对大潮涨潮初期和落潮初期发生泄漏事故的情景进行计算，计算结果给出72h的预测结果，统计油膜厚度大于0.0001mm的影响范围和扫海面积。

3.4 溢油污染影响预测分析

本次预测溢油事故发生后72h，共设置6个计算工况，预测结果如下。

3.4.1 码头前沿风险溢油模拟结果

在夏季风向平均风速工况条件下，夏季主导风（SE，3.2m/s）作用下，受到潮流和风的共同影响，油膜漂移范围主要在工程附近海域。油膜主要影响到大亚湾水产资源省级自然保护区北部实验区、霞涌—稔山休闲娱乐区。涨初时刻和落初时刻溢油影响范围不大，72h最大污染影响范围为2.35km。

在冬季风向平均风速工况条件下，冬季主导风（NNE，3.2m/s）作用下，受到潮流和风的共同影响，油膜漂移范围主要在工程附近及工程西南侧海域。油膜主要影响到大亚湾水产资源省级自然保护区北部实验区、大亚湾西北部产卵场。涨初时刻和落初时刻溢油影响范围不大，72 h 最大污染影响范围为4.82km。

在不利风向不利风速工况条件下，不利风向不利风速（NE，13.8m/s）作用下，受到潮流和风的共同影响，油膜漂移范围主要在工程西南侧海域。油膜主要影响到大亚湾水产资源省级自然保护区北部实验区、大亚湾西北部产卵场、大亚湾水产资源省级自然保护区中部缓冲区、大亚湾水产资源省级自然保护区中部核心区、大亚湾水产资源省级自然保护区西北部核心区、大亚湾中部产卵场、大亚湾水产资源省级自然保护区西南部核心区。涨初时刻和落初时刻溢油影响范围不大，72h最大污染影响范围为59.89km。

影响范围见图1～图3，油膜漂移路程和海域扫海面积见表1。

表1 油膜漂移路程和扫海面积

图1 溢油扫海范围（夏季风向SE、风速3.2m/s、72时）

图2 溢油扫海范围（冬季风向NNE、风速3.2m/s、72时）

图3 溢油扫海范围（不利风向NE、风速13.8m/s、72时）

3.4.2 环境敏感目标影响分析

溢油到达项目周边敏感目标时间见表2。

表2 溢油到达时间统计表

4.结论

本文利用MIKE21HD模块建立水动力模型，通过模型验证对模型相关参数进行调整，能够反应该海域潮流特征。并基于水动力模型利用MIKE21OS模块对项目附近溢油事故进行模拟分析，得到结论如下：①溢油发生72h后，油膜最大扫海面积为59.89km，漂移路程为22.61 k m，出现在涨潮期最不利风状况下。②发生溢油时，在冬季风NNE风和最不利风NE风的状况下，溢油漂移扩散至西南侧海域，将会产生一定的环境影响。