廖國(guó)祥 楊建強(qiáng) 高振會(huì)

（武漢理工大學(xué)航運(yùn)學(xué)院1） 武漢 430063）（國(guó)家海洋局北海分局2） 青島 266033） （國(guó)家深?；毓芾碇行?） 青島 266061）

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于溢油預(yù)報(bào)系統(tǒng)的研制報(bào)道已有很多［1－2］，但這些系統(tǒng)通常只支持對(duì)海面溢油漂移擴(kuò)散的模擬預(yù)測(cè)，很少能夠模擬溢油在復(fù)雜水下環(huán)境中的輸移擴(kuò)散過(guò)程［3］.為此，國(guó)外水下溢油模型研究人員自行開(kāi)發(fā)專用軟件，例如Chen和Yapa探討了水下溢油浮射流的三維可視化顯示方法［4］；Reed等開(kāi)發(fā)了用于支持海底輸油管道溢油量數(shù)值計(jì)算的可視化軟件工具［5］，但其擴(kuò)展性不強(qiáng)，難以滿足實(shí)際應(yīng)用中的特定需求.本文在水下油氣溢漏事故污染物輸移預(yù)測(cè)模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合研究與應(yīng)用的實(shí)際需要，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)用于海洋生態(tài)環(huán)境影響評(píng)估的海底溢油可視化數(shù)值模擬系統(tǒng)（spill i mpact assess ment system for subsea oil spills，SI MPACT－SOS）.

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由Visual C＋＋和Visual Fortran開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)，其中數(shù)值模型程序由Fortran語(yǔ)言編寫(xiě)實(shí)現(xiàn).系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中運(yùn)用了關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)（RDBMS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）等技術(shù)，為系統(tǒng)提供強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)管理和可視化功能［6］.最后，應(yīng)用Visual C＋＋編程實(shí)現(xiàn)圖形界面及其他應(yīng)用功能.

系統(tǒng)中的溢油模型包括水下油氣溢漏事故污染物輸移預(yù)測(cè)模型［7］和海上溢油行為歸宿模型［8］（見(jiàn)圖1）.

圖1 海底溢油輸移擴(kuò)散可視化數(shù)值模擬系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

1.1 數(shù)值模型

1.1.1 水下溢油模型 與海上溢油事故的不同，海底輸油管道泄漏、石油鉆井井噴等水下溢油事故發(fā)生時(shí)，石油和天然氣混合物在泄漏源的壓力作用下連續(xù)噴射進(jìn)入水體中并破碎成為油滴和氣泡，它們?cè)诔跏紕?dòng)量和水體浮力的共同作用下形成浮射流并處于主動(dòng)輸移狀態(tài).當(dāng)遇到速度較大的橫向水流時(shí)，溢油浮射流的輸移跡線發(fā)生彎曲，此時(shí)氣泡將逐漸脫離浮射流.浮升至一定高度的溢油在失去初始射流動(dòng)量后，將在周?chē)Ｋ鲃?dòng)作用下在水平和垂直方向上輸移和分散（見(jiàn)圖2）.最后粒徑較大的油滴浮升至水面并擴(kuò)展成為油膜，并在風(fēng)、浪、流等環(huán)境因素作用下經(jīng)歷著漂移、擴(kuò)散、蒸發(fā)、乳化等運(yùn)動(dòng)和風(fēng)化過(guò)程.

水下溢油模型能夠模擬油氣混合物在密度和流速分層的真實(shí)水下環(huán)境中的水流卷吸、湍流分散、溢油溶解、油氣共同輸移與分離輸移等動(dòng)態(tài)行為［6］.

圖2 海底溢油事故污染物輸移擴(kuò)散過(guò)程示意圖

1.1.2 海上溢油模型 海上溢油模型能夠模擬多點(diǎn)源泄漏、移動(dòng)源泄漏等復(fù)雜溢油泄漏方式，還能模擬海面溢油在風(fēng)和海流作用下的漂移、擴(kuò)散、蒸發(fā)、溶解、乳化、分散等行為動(dòng)態(tài)和風(fēng)化過(guò)程［8］.

此外，系統(tǒng)還集成其他應(yīng)用模型，如海洋環(huán)境動(dòng)力模型和溢油應(yīng)急決策模型.其中海洋環(huán)境動(dòng)力模型用于提供溢油輸移擴(kuò)散模擬所需的環(huán)境水動(dòng)力數(shù)據(jù)，而應(yīng)急決策模型可在溢油時(shí)空分布模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上為事故應(yīng)急指揮提供決策支持信息.

1.2 數(shù)據(jù)庫(kù)

1.2.1 地理信息數(shù)據(jù) 通過(guò)將紙質(zhì)海圖轉(zhuǎn)化為電子格式數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上通過(guò)手動(dòng)添加、編輯、刪除等方式更新整理后建立成地理信息數(shù)據(jù)庫(kù).其中，電子海圖數(shù)據(jù)包括海洋和陸地?cái)?shù)據(jù)、航道數(shù)據(jù)、溢油應(yīng)急設(shè)備設(shè)施、城市基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù).此外，還包括海底溢油風(fēng)險(xiǎn)源數(shù)據(jù)，如海洋石油平臺(tái)、海底輸油管線、海底沉船分布點(diǎn)等.

1.2.2 環(huán)境動(dòng)力數(shù)據(jù) 主要包括海面風(fēng)向風(fēng)速、不同水深的流速流向以及溫度、鹽度、密度等海洋環(huán)境要素的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù).另外，還包括由環(huán)境水動(dòng)力數(shù)值模型輸出的二維、三維潮流場(chǎng)數(shù)據(jù)以及氣象部門(mén)提供的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù).

1.2.3 油品特性數(shù)據(jù) 主要包括常見(jiàn)的原油和成品油的物理化學(xué)特性數(shù)據(jù)，如CAS編號(hào)、密度、熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、閃點(diǎn)等.

1.2.4 數(shù)值模擬數(shù)據(jù) 主要包括溢油數(shù)值模擬的前處理和后處理數(shù)據(jù).其中，前處理數(shù)據(jù)有海洋環(huán)境動(dòng)力數(shù)據(jù)（風(fēng)、流等）；后處理數(shù)據(jù)有模擬輸出結(jié)果（溢油的空間位置、溢油屬性變化數(shù)據(jù)）.此外，還包括數(shù)值模型與系統(tǒng)運(yùn)行所需的基本參數(shù)等數(shù)據(jù).

1.3 圖形界面

1.3.1 圖形用戶界面（GUI） 圖形用戶界面采用流行的視窗風(fēng)格，由系統(tǒng)菜單、工具條、圖層管理窗口、圖形顯示窗口以及系統(tǒng)輸出窗口組成.其中，菜單集成了系統(tǒng)的所有功能，工具條集成了系統(tǒng)的常用的功能；圖層管理窗口用于控制GIS圖層的顯示和隱藏等；圖形顯示窗口用于顯示GIS數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果等；系統(tǒng)輸出窗口用于顯示用戶操作記錄和GIS數(shù)據(jù)查詢結(jié)果等.

1.3.2 數(shù)據(jù)分析界面 由GIS界面和垂向剖面數(shù)據(jù)分析界面組成.其中，GIS界面除可以顯示電子海圖空間數(shù)據(jù)外，還可以顯示計(jì)算網(wǎng)格、潮流場(chǎng)、海面油膜漂移擴(kuò)散過(guò)程等；垂向剖面數(shù)據(jù)分析界面則用于顯示溢油在水下環(huán)境中的輸移擴(kuò)散過(guò)程.此外，系統(tǒng)還內(nèi)置了圖表分析組件，用于分析溢油在海洋環(huán)境中（海面、水中、大氣、海底、岸線等）的歸宿分布.

2 系統(tǒng)功能

2.1 GIS應(yīng)用平臺(tái)

2.1.1 基本GIS功能 GIS平臺(tái)提供電子海圖的放大、縮小、漫游、鷹眼、距離測(cè)量、面積測(cè)量等基本GIS功能.系統(tǒng)除了可以顯示研究海區(qū)的海圖外，還內(nèi)置了海圖比例標(biāo)尺、經(jīng)緯度網(wǎng)格、鼠標(biāo)滾輪控制海圖縮放等方便用戶操作的實(shí)用功能.

GIS平臺(tái)具有“圖形查屬性”和“屬性查圖形”的查詢功能，前者是通過(guò)點(diǎn)查詢等方式獲取選中圖形對(duì)象（點(diǎn)、線、面以及文本）的屬性信息，后者則通過(guò)屬性信息查詢以高亮方式顯示被選中的圖形對(duì)象.

2.1.2 GIS數(shù)據(jù)管理 GIS平臺(tái)具有地圖編輯、圖層管理等數(shù)據(jù)管理功能.地圖編輯功能是指在電子海圖上添加、修改和刪除圖形對(duì)象及其屬性信息的功能.地圖編輯功能在溢油事故應(yīng)急決策中可提供有效的支持，如在電子海圖上標(biāo)繪圍油欄、布置應(yīng)急人員和設(shè)備等.

GIS平臺(tái)采用“圖層－圖層組”的數(shù)據(jù)管理模式，即將不同類型的海圖數(shù)據(jù)保存為獨(dú)立的地圖“圖層”文件，并把屬于同一公共類別的圖層文件存放在同一個(gè)文件夾目錄中，將該目錄標(biāo)識(shí)為一個(gè)“圖層組”.

2.2 數(shù)值建模分析

2.2.1 模型數(shù)據(jù)處理 系統(tǒng)提供數(shù)值模型數(shù)據(jù)的前處理和后處理功能，通過(guò)對(duì)話框方式輸入和輸出數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)化用戶對(duì)模型參數(shù)、計(jì)算過(guò)程以及模擬結(jié)果等數(shù)據(jù)的處理過(guò)程.此外，系統(tǒng)通過(guò)將不同數(shù)值模型的輸入和輸出數(shù)據(jù)存放到不同的文件目錄中，以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)文件的有效處理和管理.

2.2.2 計(jì)算網(wǎng)格生成 系統(tǒng)內(nèi)置了矩形計(jì)算網(wǎng)格的自動(dòng)劃分功能，即用戶只需在電子海圖上拉框選擇一個(gè)區(qū)域，系統(tǒng)即可自動(dòng)生成該區(qū)域的計(jì)算網(wǎng)格，并以不同的顏色來(lái)顯示水深地形.系統(tǒng)也提供了修改工具，方便用戶修改計(jì)算網(wǎng)格的屬性信息（水深、棲息地類型等）.

2.2.3 數(shù)據(jù)可視化分析 系統(tǒng)能夠在GIS平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)以漸進(jìn)、快進(jìn)和快倒的播放模式動(dòng)態(tài)顯示溢油動(dòng)態(tài)的數(shù)值模擬結(jié)果.此外，系統(tǒng)通過(guò)GIS的無(wú)極縮放功能和垂向剖面組件的數(shù)據(jù)分析功能，既可以鳥(niǎo)瞰圖形式縱觀全局，又可以局部放大特定區(qū)域詳細(xì)查看和分析數(shù)值模擬結(jié)果，可有效支持對(duì)數(shù)值模型的改進(jìn)和完善.

2.3 溢油數(shù)值模擬

2.3.1 溢油模擬預(yù)測(cè) 溢油模擬方面，系統(tǒng)針對(duì)不同類型的水下或海上溢油事故，通過(guò)調(diào)整計(jì)算參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溢油在水體中及海面上的輸移擴(kuò)散過(guò)程的數(shù)值模擬.用戶也可借助系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理與可視化分析功能，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)、海上現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、歷史溢油事故等數(shù)據(jù)開(kāi)展模型驗(yàn)證和改進(jìn)研究.用戶還可通過(guò)圖形界面設(shè)定不同類型海底溢油事故的模擬場(chǎng)景，設(shè)置不同的海洋環(huán)境動(dòng)力條件，開(kāi)展數(shù)值試驗(yàn)分析研究.

溢油預(yù)測(cè)方面，用戶結(jié)合實(shí)測(cè)或預(yù)報(bào)的海洋環(huán)境動(dòng)力場(chǎng)（如流場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)等）數(shù)據(jù)，通過(guò)圖形界面快速地設(shè)定溢油事故參數(shù)并完成模擬計(jì)算后，系統(tǒng)可在電子海圖上可視化顯示溢油的輸移軌跡、擴(kuò)散范圍、上岸時(shí)間地點(diǎn)等，同時(shí)以圖表方式顯示溢油在不同時(shí)刻的殘余量、油膜厚度、密度、粘度、含水率、乳化率等溢油性質(zhì)和狀態(tài)變化情況.

2.3.2 溢油決策支持 系統(tǒng)可通過(guò)GIS平臺(tái)顯示環(huán)境敏感區(qū)和應(yīng)急人員設(shè)備的地理分布狀況，為事故應(yīng)急指揮提供清污處置等決策信息.此外，系統(tǒng)能根據(jù)溢油輸移擴(kuò)散范圍和敏感資源的疊加分析，自動(dòng)進(jìn)行預(yù)警提示.系統(tǒng)還提供了圖形輸出功能，可以生成包含溢油水下和海上輸移擴(kuò)散數(shù)值模擬結(jié)果的圖形文件以及數(shù)值計(jì)算過(guò)程的相關(guān)記錄文件，這些數(shù)據(jù)文件可以幫助用戶快速形成生成圖文并茂的決策評(píng)估報(bào)告.

3 應(yīng)用算例

渤海是我國(guó)溢油污染的高風(fēng)險(xiǎn)海域，海底沉船溢油、海底輸油管道泄漏等水下污染事故發(fā)生的次數(shù)較多.因此，本文選擇渤海作為研究海區(qū)，以假設(shè)的海底輸油管道破損溢油事故為例進(jìn)行系統(tǒng)的應(yīng)用演示.

3.1 模擬參數(shù)

根據(jù)SI MPACT－SOS系統(tǒng)的運(yùn)行要求，設(shè)定以下海底輸油管道溢油事故的數(shù)值模擬參數(shù)：（1）輸油管道參數(shù).輸油管道內(nèi)徑為325 mm；石油密度為949.3 kg／m3；流量為30 m3／h；（2）溢油事故參數(shù).事故地點(diǎn)為120.8°E，40.0°N；事故水深為28 m；管道裂孔直徑為0.05 m，孔口向西；溢油射流速度為4 m／s；事故時(shí)間為海域高潮時(shí)刻前1 h；持續(xù)泄漏時(shí)間為3 d；模擬預(yù)報(bào)時(shí)間為3 d；（3）環(huán)境動(dòng)力參數(shù).事故海域的海水密度為1 025 kg／m3；流場(chǎng)由海洋水動(dòng)力模型模擬提供（見(jiàn)圖3）；事故海域海面風(fēng)場(chǎng)設(shè)定風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)，風(fēng)速為5 m／s.

圖3 渤海表層海流在GIS平臺(tái)上的圖形化顯示

3.2 結(jié)果分析

應(yīng)用SI MPACT－SOS系統(tǒng)模擬計(jì)算后，獲得溢油在水體中及海面上的時(shí)空分布模擬結(jié)果，如圖4～圖6所示.

圖4 a）顯示的是溢油持續(xù)泄漏5 min時(shí)在海面上的空間分布模擬結(jié)果.圖4b）所示（即圖中的A點(diǎn)到B點(diǎn)的垂向剖面），破損的海底輸油管道開(kāi)始泄漏后，溢油在管道內(nèi)部壓力作用下噴射進(jìn)入海水中，所形成的浮射流隨即在橫向流動(dòng)海水作用下發(fā)生彎曲，此過(guò)程中溢油在水流的卷吸作用下不斷擴(kuò)散.

圖5 a）顯示的是持續(xù)泄漏65 min時(shí)溢油在海面上的空間分布模擬結(jié)果.由于海流已轉(zhuǎn)向，此時(shí)溢油在水體中的浮升輸移軌跡與初始時(shí)不同，溢油在泄漏源口處以射流狀態(tài)進(jìn)入水體中，但上升至水下20 m處則開(kāi)始在橫流作用下往出射相反方向輸移，模擬結(jié)果如圖5 b）所示.

圖6 a）顯示的是溢油持續(xù)泄漏1d時(shí)的模擬結(jié)果，海面油膜在表層海流和海面東南風(fēng)的共同作用下不斷向東北方向漂移擴(kuò)散并形成“之”字形的輸移軌跡，此時(shí)海面污染面積約為24.5 k m2.溢油持續(xù)泄漏3 d后，除部分溢油已到達(dá)海岸外，海面溢油覆蓋范圍不斷增大，此時(shí)污染面積約為117 k m2，模擬結(jié)果如圖6 b）所示.

圖4 持續(xù)泄漏5 min的溢油時(shí)空分布可視化模擬結(jié)果

圖5 持續(xù)泄漏65 min的溢油時(shí)空分布可視化模擬結(jié)果

圖6 持續(xù)泄漏1 d和3 d的溢油時(shí)空分布可視化模擬結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了海底溢油輸移擴(kuò)散可視化數(shù)值模擬系統(tǒng)SI MPACT－SOS，實(shí)現(xiàn)了GIS應(yīng)用平臺(tái)、數(shù)值建模分析、溢油模擬預(yù)測(cè)等專業(yè)功能.應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)展渤海海底輸油管道溢油事故的算例研究，溢油在水體中及海面上輸移擴(kuò)散的全過(guò)程模擬展示了溢油模型的綜合模擬能力和系統(tǒng)的強(qiáng)大可視化功能，也表明了系統(tǒng)能夠?yàn)楹５壮链缬?、海底油氣管道泄漏、海洋油氣鉆井井噴等不同類型的水下污染事故的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、應(yīng)急決策以及海洋生態(tài)環(huán)境損害評(píng)估提供理論與技術(shù)支持.

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