陳蜀喆 黃立文

（武漢理工大學(xué)航運(yùn)學(xué)院 武漢 430063）

0 引 言

重慶處于三峽庫區(qū)的腹心地帶，主城區(qū)河段處于變動(dòng)回水區(qū)的中上段，兼具水庫河道和天然河道的特點(diǎn)，其地理特點(diǎn)和水文條件均較為嚴(yán)峻.在各種風(fēng)險(xiǎn)因素復(fù)雜，航道水域受限的情況下，整個(gè)轄區(qū)各處的溢油風(fēng)險(xiǎn)均不可忽視.1997～2007年，三峽庫區(qū)共查處船舶污染事故96起，其中小事故81件，一般事故3件，大事故4件，重大污染事故8件，如圖1所示.

圖1 三峽庫區(qū)船舶污染事故數(shù)年度分布圖

從數(shù)據(jù)上看，隨著三峽庫區(qū)的形成，船舶污染事故總體上呈現(xiàn)出逐年減少的發(fā)展趨勢，但由于發(fā)生重大船舶污染事故的主要船舶類型為油船和化學(xué)品船等危險(xiǎn)品船舶，雖然重大船舶污染事故少，但泄漏污染物量大，并且三峽成庫后水流速度減慢，水體自身凈化能力下降，而危險(xiǎn)化學(xué)品吞吐量又逐年上升，庫區(qū)防污染形勢依然嚴(yán)峻.

雖然船舶污染事故總數(shù)呈逐年減少的趨勢，但由于危險(xiǎn)品船舶噸位的增大和進(jìn)出港艘次的增加，突發(fā)溢油事故的風(fēng)險(xiǎn)也越來越大.在溢油事故發(fā)生時(shí)，單純靠人為觀測無法獲取溢油應(yīng)急反應(yīng)所需的全部數(shù)據(jù)，即使可以通過人為觀測獲取數(shù)據(jù)，在數(shù)值計(jì)算，應(yīng)急決策方面仍然需要借助計(jì)算機(jī)等輔助工具.溢油應(yīng)急決策需要準(zhǔn)確預(yù)報(bào)溢油的行為狀態(tài)與歸宿，因此，計(jì)算機(jī)虛擬仿真成為其重要環(huán)節(jié).計(jì)算機(jī)虛擬仿真具有較為準(zhǔn)確的預(yù)測性和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理、數(shù)值計(jì)算、可視化、決策支持功能，正被越來越廣泛的用于溢油模擬.而溢油三維虛擬仿真更能直觀的了解溢油的整個(gè)行為狀態(tài)與歸宿，能為迅速的為應(yīng)急決策［1］提供輔助.

1 溢油三維模型

1.1 重慶轄區(qū)溢油特點(diǎn)

重慶轄區(qū)屬山區(qū)河流，形態(tài)多變，坡陡流急，地形、水文、航道情況復(fù)雜.重慶航運(yùn)事業(yè)發(fā)展迅速，水上運(yùn)輸帶來的污染事故壓力逐年加大.船舶發(fā)生污染事故不僅僅在于在水上航行時(shí)發(fā)生的碰撞、擱淺等事故，同時(shí)船舶在裝卸危險(xiǎn)品時(shí)發(fā)生的操作性污染也是其中重要部分.轄區(qū)各管轄范圍基本都存在溢油環(huán)境敏感區(qū)，發(fā)生在敏感區(qū)附近的污染可能會(huì)造成巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)危害.其溢油特點(diǎn)總結(jié)如下：（1）重慶轄區(qū)水運(yùn)繁忙，船只密度大，溢油事故風(fēng)險(xiǎn)高；（2）沿岸危險(xiǎn)品碼頭密集，油品復(fù)雜，增加了溢油隱患；（3）地形、水文、航道情況復(fù)雜.溢油應(yīng)急反應(yīng)的技術(shù)難度高；（4）環(huán)境敏感性強(qiáng)，轄區(qū)生態(tài)資源分布密集；（5）溢油事故社會(huì)和經(jīng)濟(jì)危害影響較大.

1.2 溢油模型

當(dāng)內(nèi)河發(fā)生溢油事故，油品在進(jìn)入水體后的運(yùn)動(dòng)行為和歸宿［2］不僅受到油品特性等物理性質(zhì)影響，還受到多方環(huán)境因素影響.油品在數(shù)量、化學(xué)組成、物理及化學(xué)性質(zhì)等方面都隨著時(shí)間的推移不斷地發(fā)生變化.引起這些變化的主要過程歸納為擴(kuò)展、漂移、分散、蒸發(fā)、溶解、乳化、光化學(xué)氧化分解、顆粒物質(zhì)的吸附沉降以及微生物降解等，如圖2.

圖2 溢油行為及歸宿

河流溢油的行為和歸宿受風(fēng)、流等動(dòng)力環(huán)境因素、其他非動(dòng)力環(huán)境因素和油品特性等多種因素的支配，經(jīng)歷著擴(kuò)展、漂移、分散、蒸發(fā)、溶解、乳化、光氧化及其相互作用的復(fù)雜過程.對(duì)于重慶轄區(qū)溢油應(yīng)急而言，是一個(gè)在短時(shí)間內(nèi)對(duì)溢油進(jìn)行快速處置的過程，只需考慮溢油導(dǎo)致的短期環(huán)境影響.有鑒于此，溢油的漂移、擴(kuò)展、蒸發(fā)、溶解作用起著支配地位，因此對(duì)于溢油模型而言，著重考慮短時(shí)間內(nèi)環(huán)境因素和油品自身特性共同作用下的溢油運(yùn)動(dòng)軌跡模型.為了服務(wù)于重慶轄區(qū)溢油應(yīng)急，需建立三維溢油運(yùn)動(dòng)軌跡與歸宿模型.

三維溢油運(yùn)動(dòng)軌跡與歸宿模型基于“油粒子”模式.油粒子概念打破了采用對(duì)流擴(kuò)散方程模擬溢油的傳統(tǒng)方法，直接模擬導(dǎo)出擴(kuò)散方程的實(shí)際物理現(xiàn)象，將溢油分成許多離散的小油滴來模擬油品在水體中的漂移擴(kuò)散過程，使結(jié)果更合理精確.由于溢油初期采用“油粒子”模式模擬溢油的運(yùn)動(dòng)并不合理，溢油初期采用質(zhì)心軌跡結(jié)合油膜擴(kuò)展經(jīng)驗(yàn)公式［3］的方法進(jìn)行模擬，后期擴(kuò)散階段仍然采用“油粒子”模式.三維溢油運(yùn)動(dòng)軌跡與歸宿模型的流程如圖3所示.

圖3 “油粒子”模式內(nèi)河應(yīng)急溢油行為及歸宿模型

初期擴(kuò)展階段油膜質(zhì)心的漂移軌跡采用歐拉－拉格朗日追蹤法，在風(fēng)和流的作用下，油膜中心由初始位置開始漂移，而自身的擴(kuò)展處于由重力和慣性力驅(qū)動(dòng)的第一階段（10 min內(nèi)），同時(shí)進(jìn)行主軸同風(fēng)向一致的橢圓擴(kuò)展，采用式（1）計(jì)算：

式中：x和y為溢油橢圓擴(kuò)展過程；x0和y0為溢油點(diǎn)；R和Q為橢圓的長短軸長度；g為重力作用下油膜的擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)系數(shù)；f為風(fēng)力作用下油膜的擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)系數(shù).

具體模型采用式（2）參數(shù)計(jì)算

式中：Q為橢圓短軸的長度；R為橢圓長軸的長度；ρw，ρo分別為水和油的密度；V0為溢油初始體積；W 為風(fēng)速；A為油膜面積.

在自身重力和風(fēng)力驅(qū)動(dòng)階段結(jié)束時(shí)進(jìn)行油粒子的剖分，用附加體積參數(shù)的方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)油粒子特性的模擬.考慮特定粒子，其直徑為d，則這個(gè)粒子的真正體積為

式中：n為油粒子的總數(shù).由此定義每個(gè)油粒子的特征體積為

式中：V0為溢油的初始體積.按對(duì)數(shù)正態(tài)分布對(duì)油粒子進(jìn)行剖分，即可得到進(jìn)入水體的油滴的數(shù)量和尺寸的分布特征.

在擴(kuò)散階段，油膜剖分成油粒子之后，每個(gè)溢油粒子看作拉格朗日粒子.油粒子的水平和垂直運(yùn)動(dòng)建立在三維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)之上，油粒子的水平擴(kuò)散由水平對(duì)流與擾動(dòng)疊加而成，油粒子在t時(shí)刻的水平位置分量用xt表示，則

式中：Δt為時(shí)間步長；xt－1為前一步長油粒子位置；Uoil為溢油粒子對(duì)流漂移速度；Uf為水體表層流速；Uw為水體上10 m風(fēng)速；Kf水平水流影響速度，取1.0；Kw為風(fēng)拖拽系數(shù)，2%～3%.

油粒子的水平擴(kuò)散擾動(dòng)距離公式為

式中：［R］10為0～1之間的隨機(jī)數(shù)；D為水平擴(kuò)展系數(shù)；Δt為時(shí)間步長.將油粒子的水平擴(kuò)散擾動(dòng)加入水平位置計(jì)算公式即可得到油粒子的水平擴(kuò)散公式.

垂直運(yùn)動(dòng)是指水流發(fā)生垂向?qū)α鲿r(shí)油粒子進(jìn)入水體內(nèi)部，并在紊流的作用下做垂向的隨機(jī)運(yùn)動(dòng).“油粒子”在垂直方向上的運(yùn)動(dòng)距離可表示為

式中：W 為水體垂向速度；DZ為垂向擴(kuò)散系數(shù)；［R′］10為0～1之間的隨機(jī)數(shù)；WB為油滴上浮速度.油品的蒸發(fā)和性質(zhì)的變化模型主要針對(duì)長江重慶轄區(qū)的危險(xiǎn)品種類，始終伴隨整個(gè)溢油過程，在這里不再贅述.

2 溢油三維虛擬仿真

就溢油而言，三維虛擬仿真不僅可實(shí)現(xiàn)三維地形表面的逼真還原，而且還可以動(dòng)態(tài)的顯示整個(gè)溢油軌跡，并能對(duì)各種溢油處置方式進(jìn)行交互式響應(yīng)，最終為應(yīng)急決策提供正確的輔助.

2.1 三維地形場景建立

三維地形場景［4］的建立分為三維地形場景和非地形場景，地形場景的建立需要獲得水平及垂直兩方面的數(shù)據(jù)，對(duì)與水平數(shù)據(jù)而言，需獲得較高分辨率的地形場景影像并加以配準(zhǔn)；而對(duì)于垂直數(shù)據(jù)而言，需要獲得較高精度的高程數(shù)據(jù).水平和垂直數(shù)據(jù)獲取后，對(duì)數(shù)字高程數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化建立模型，并配以高分辨率地形場景影像，建立逼真的三維地形場景.在此基礎(chǔ)上，通過建模軟件建立靜態(tài)建筑物模型和河流、船舶、氣象環(huán)境等動(dòng)態(tài)可視化模型，最終建立三維場景.建立流程如圖4.

圖4 三維地形場景建立流程

2.2 溢油模型三維動(dòng)態(tài)可視化

溢油模型的三維動(dòng)態(tài)可視化是指將溢油模型的計(jì)算結(jié)果在已經(jīng)建立的三維地形場景中實(shí)時(shí)渲染出來.下面將計(jì)算和可視化過程分別加以說明.

2.2.1 溢油模型的計(jì)算 溢油模型的計(jì)算以重慶轄區(qū)溢油模型為基礎(chǔ)，計(jì)算過程如圖5所示.

圖5 溢油模型計(jì)算過程

溢油模型計(jì)算的輸入包括溢油點(diǎn)、溢油量、溢油事件類型、環(huán)境數(shù)據(jù)［5］、水動(dòng)力模型［6］和油品特性；輸出數(shù)據(jù)為隨時(shí)間序列變化的油粒子位置和狀態(tài)等數(shù)據(jù)，具體包括：溢油時(shí)間、油粒子經(jīng)緯度、深度、厚度、平均半徑、質(zhì)量、粘度和密度.這些輸出數(shù)據(jù)為溢油模型的三維動(dòng)態(tài)可視化提供了依據(jù).

2.2.2 溢油模型動(dòng)態(tài)可視化 溢油模型的動(dòng)態(tài)可視化采用虛擬現(xiàn)實(shí)［7］技術(shù)為依托，將溢油的動(dòng)態(tài)三維可視化過程和環(huán)境信息相結(jié)合，能在溢油應(yīng)急決策的過程中充分考慮實(shí)際的環(huán)境因素，在重慶轄區(qū)這種彎曲河道構(gòu)造的自然環(huán)境及長江三峽庫區(qū)水位的變化中顯得尤為重要.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)集先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感與測量技術(shù)、仿真技術(shù)、微電子技術(shù)于一體，利用計(jì)算機(jī)生成一種虛擬環(huán)境，通過視、聽、觸覺等作用，使用戶產(chǎn)生身臨其境感覺的交互式視景仿真，實(shí)現(xiàn)用戶與該環(huán)境直接進(jìn)行交互.

基于虛擬現(xiàn)實(shí)的三維動(dòng)態(tài)可視化系統(tǒng)包括系統(tǒng)的初始化、溢油模型計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入、數(shù)據(jù)重組與管理、可視化及溢油處置響應(yīng)等模塊.在初始化模塊中，需要對(duì)三維地形、河流、船舶、建筑物進(jìn)行導(dǎo)入；接著導(dǎo)入溢油模型計(jì)算結(jié)果，建立依據(jù)該時(shí)間的氣象環(huán)境和聲音系統(tǒng)，并對(duì)人機(jī)交互接口進(jìn)行初始化；將導(dǎo)入的溢油模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行重組與管理，將油粒子運(yùn)動(dòng)軌跡和狀態(tài)加以歸類；歸類好的油粒子數(shù)據(jù)按照初始化的規(guī)定進(jìn)行隨時(shí)間序列的可視化；在整個(gè)可視化過程中可隨時(shí)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，完成視角切換和時(shí)間序列控制等操作，并可選擇適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)布設(shè)圍油欄等溢油應(yīng)急設(shè)備，并根據(jù)溢油模型計(jì)算結(jié)果和水動(dòng)力模型及圍油欄特性判斷圍油欄是否失效.溢油模型動(dòng)態(tài)可視化流程見圖6.

圖6 溢油模型動(dòng)態(tài)可視化過程

將基于虛擬現(xiàn)實(shí)的三維動(dòng)態(tài)可視化系統(tǒng)應(yīng)用于長江重慶轄區(qū)溢油三維虛擬仿真，系統(tǒng)截圖如圖7所示.

圖7 長江重慶轄區(qū)溢油三維虛擬仿真系統(tǒng)截圖

3 溢油三維虛擬仿真在應(yīng)急決策中的應(yīng)用

通過溢油三維虛擬仿真，對(duì)溢油事故發(fā)生后溢油的軌跡和狀態(tài)能有直觀和全面的了解，對(duì)溢油應(yīng)急決策具有明確的輔助作用.通過對(duì)油粒子經(jīng)緯度和溢油時(shí)間的可視化，決策人員能清晰準(zhǔn)確的得知溢油經(jīng)過的區(qū)域和時(shí)間；通過對(duì)油粒子厚度、質(zhì)量、半徑和密度的可視化過程，使油粒子的狀態(tài)直觀呈現(xiàn)在面前；通過視角的切換，可以從不同的角度觀察溢油的整個(gè)過程，了解溢油經(jīng)過的區(qū)域是否存在敏感區(qū)，是否會(huì)對(duì)其他生態(tài)資源產(chǎn)生影響，是否會(huì)對(duì)該區(qū)域的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重危害；通過對(duì)三峽庫區(qū)不同水位期溢油區(qū)域地形的了解，尤其是在長江重慶轄區(qū)這樣一個(gè)連續(xù)彎曲河道形態(tài)的區(qū)域，可以直觀的看到重慶轄區(qū)岸線的變化，直接決定溢油設(shè)備布設(shè)地點(diǎn)的選取和應(yīng)急力量的分配；通過對(duì)圍油欄［8］等溢油應(yīng)急設(shè)備布設(shè)地點(diǎn)和等級(jí)的選擇，直觀的了解到設(shè)備的有效性，通過不同布設(shè)方案的對(duì)比，選擇是進(jìn)行單層布設(shè)還是多層布設(shè)并根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備選取合適的布設(shè)角度，或?qū)ΜF(xiàn)有設(shè)備的更新和重新部署進(jìn)行評(píng)估.

4 結(jié)束語

在建立溢油三維模型時(shí)，提出基于油粒子模式的對(duì)溢油過程時(shí)間序列采取不同模型的方法；在長江重慶轄區(qū)溢油三維虛擬仿真的過程中，明確了在建立三維場景基礎(chǔ)上的溢油模型計(jì)算的輸入輸出過程，并對(duì)溢油可視化的各模塊進(jìn)行了劃分和說明.最后，對(duì)溢油三維仿真在重慶轄區(qū)的應(yīng)急決策中的應(yīng)用進(jìn)行了分析.

溢油三維虛擬仿真研究涉及溢油模型、三維可視化、虛擬現(xiàn)實(shí)等多項(xiàng)技術(shù)，是一項(xiàng)多領(lǐng)域交叉技術(shù)，本文的研究僅針對(duì)長江重慶轄區(qū)的溢油三維虛擬仿真，對(duì)于區(qū)域的擴(kuò)展和三維地理信息系統(tǒng)的集成，還處于一個(gè)不斷探索的過程.另外，對(duì)與三維顯示效果、大場景的實(shí)時(shí)顯示和動(dòng)態(tài)加載，還需要進(jìn)一步深入研究.

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