洪夢娟，耿安朝，魏 芳

（上海海事大學(xué)海洋環(huán)境與工程學(xué)院，上海 201306）

隨著經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展及船舶大型化的發(fā)展趨勢，區(qū)域海上事故溢油頻發(fā)，對人類活動與社會經(jīng)濟造成的重大的威脅。《國家水上交通安全監(jiān)管和救助系統(tǒng)布局規(guī)劃》[1]（2005-2020）中提出2020年的發(fā)展目標是重點水域一次溢油綜合清除處理能力達到1 000 t，但是該指標是指回收油污混合物量，隨著應(yīng)急到達時間增長，溢油面積逐漸擴大，油膜厚度減小，導(dǎo)致回收油污的含水率上升，溢油回收效率下降，假如不考慮應(yīng)急響應(yīng)時間的變化，混合物中含油量較少，該指標便失去了描述溢油處理能力的作用，在實際處理過程中無法作為判別處理效果的標準，因此需針對應(yīng)急響應(yīng)做出溢油應(yīng)急處理能力評價。

國內(nèi)學(xué)者在溢油風(fēng)險評價方面做了大量工作，張舒[2]、劉偉[3]、洪曉煜[4]等采用故障樹等概率統(tǒng)計理論進行溢油事故風(fēng)險評估；苗佳靜[5]、冉玉茹[6]等采用模糊綜合評價法進行溢油風(fēng)險分析；廖國祥[7]采用溢油動力學(xué)模型為風(fēng)險評估及應(yīng)急響應(yīng)提供理論與技術(shù)支持。但在實際應(yīng)急處理工作中仍存在著大量難題[8]，如敏感區(qū)保護、清污效果評估、溢油量估算等[9]，劉劍[10]也提出溢油評估與實際清污工作評估的脫節(jié)現(xiàn)象?，F(xiàn)階段大量關(guān)于清污能力的研究集中在針對溢油量判斷溢油應(yīng)急響應(yīng)等級和優(yōu)化應(yīng)急處理能力，較少考慮到溢油應(yīng)急響應(yīng)時間對應(yīng)急處理能力的影響。本文試圖采用溢油漂移擴散預(yù)測計算模型預(yù)測出溢油應(yīng)急響應(yīng)時間，提出相應(yīng)的應(yīng)急處理措施，研究區(qū)域海上溢油事故應(yīng)急響應(yīng)與處理能力的制約關(guān)系，為事故溢油應(yīng)急工作提供理論依據(jù)。

1 溢油漂移擴散模型

溢油漂移擴散模型包含溢油擴散模型和二維潮流模型兩大模型。當油粒子進入海水中時，油膜半徑隨時間而變化，具體變化程度可由P.C，Blokker公式給出：

式中：Dt為t時刻后油膜的直徑，單位為m；rw，r0分別為水和油的比重，分別取1.025，0.87；V0為溢油量，m3；k=15 000。

在半封閉型海域中，水平尺度遠大于垂直尺度，可忽略運動在垂向上的變化。將油粒子視為格朗日粒子，粒子速度（見式2）主要由潮流和風(fēng)生流決定，潮流速度由二維連續(xù)方程(見式3)和二維垂向動量方程（見式4）采用半隱式有限差分數(shù)值算法求得，再根據(jù)粒子速度計算出粒子軌跡（見式5）。

式中采用右旋直角坐標系，OXY面與平均海平面重疊，Z軸向上為正。u、v分別為X方向和Y方向的垂向平均流速；ζ為相對于OXY面的水位，H為瞬時水深，H=h+ζ；h為相對于OXY平面的水深絕對值；f為柯氏參數(shù)；r為底摩擦系數(shù)；g為重力加速度。初始條件為：t=0時，u=v=ζ=0。邊界條件為：對于開邊界水位取大小潮期間的水位。

Δt時間間隔粒子從點P1運動到點P2，位移P1 P2進行可通過下式積分而得。

式中uQ、vQ為歐拉流速。

2 環(huán)境風(fēng)險數(shù)值模擬研究

本文以福建省東山灣為研究對象，東山灣屬于典型的半封閉型海灣，潮流屬于往復(fù)式正規(guī)半日潮流，主航道水深一般都超過10 m，最深處可達30 m，是我國天然深水良港之一。東山灣海洋重點功能類型為港口航運、農(nóng)漁業(yè)區(qū)、海洋保護區(qū)和特殊利用區(qū)。主要海洋敏感區(qū)有：東山灣農(nóng)漁業(yè)區(qū)、列嶼農(nóng)漁業(yè)區(qū)、漳江口紅樹林保護區(qū)、珊瑚礁自然保護區(qū)、馬鑾灣旅游娛樂區(qū)等[11-12]如圖1所示。

對模型進行假設(shè)，溢油類型為船用柴油，溢油量取100 m3，油膜中心到達岸或灣口后不返回，模擬在東北風(fēng)、靜風(fēng)下，大、小潮的高潮、低潮、漲急、落急時刻16種海況和氣象下A、B、C三點處（圖2）發(fā)生的事故溢油，預(yù)測油膜在一個潮周期內(nèi)的漂移擴散路徑和油膜面積的時空分布。

圖1 東山灣海洋功能區(qū)劃圖Fig.1 Dongshan bay function zoning map

圖2 東山灣航道圖Fig.2 Dongshan bay Channel map

2.1 溢油軌跡預(yù)測結(jié)果

溢油漂移方向與航道方向基本一致，油膜在一個潮周期12 h內(nèi)，A點漂移方向主要為南北走向，B點漂移方向主要為東西走向，C點漂移方向主要為南北走向（圖3、4）。從表2中可看出A點的漂移軌跡向北延伸至漳江口海域，向南可延伸至馬鞍嶼附近海域、城垵作業(yè)區(qū)、八尺門水道口等處，其中涉及東山灣農(nóng)漁業(yè)區(qū)、列嶼農(nóng)漁業(yè)區(qū)，漳江口紅樹林自然保護區(qū)；B點漂移軌跡在西北方向的鳥咀東部海域到東南方向的銅陵海域之間，其中涉及東山珊瑚保護區(qū)、列嶼農(nóng)漁業(yè)區(qū)及馬鑾灣旅游娛樂區(qū)；C點漂移軌跡基本在古雷作業(yè)區(qū)沿岸，其中涉及馬鑾灣旅游娛樂區(qū)。

隨著擴散時間增長，油膜面積擴大（表1），由于主要受得海流、海風(fēng)的影響，油膜在不同海況下抵達岸灘和敏感區(qū)的擴散時間不同（表1、2）。A點在東北風(fēng)、大潮、低潮情況下溢油，油膜在2 h內(nèi)抵達云霄作業(yè)區(qū)灘邊，溢油面積達0.316 km2；在東北風(fēng)、大潮、高潮情況下溢油，油膜在7 h內(nèi)抵達城安作業(yè)區(qū)灘邊，溢油面積達0.663 km2；在東北風(fēng)、大潮、落急情況下溢油，油膜在10 h內(nèi)抵達八尺門水道口灘邊，溢油面積達0.83 km2。B點在東北風(fēng)情況下溢油，油膜在1 h之內(nèi)抵達城安作業(yè)區(qū)灘邊，溢油面積達0.223 km2。C點在靜風(fēng)情況下溢油，油膜在1 h內(nèi)抵達古雷作業(yè)區(qū)灘邊，溢油面積達0.316 km2；在東北風(fēng)、小潮情況下溢油，油膜在5 h內(nèi)抵達塔嶼附近海域，溢油面積達0.538 km2。

表1 油膜擴散直徑與面積隨時間變化的關(guān)系表Tab.1 The oil film diffusion diameter and area with time changes in the relationship table

表2 不同海況下油膜抵達各岸灘和敏感區(qū)所需的擴散時間Tab.2 The diffusion time of film arrived on the beach and sensitive areas under different sea conditions

圖3 東北風(fēng)、大潮A、B、C三點落急時刻溢油Fig.3 Northeaster,spring tide,drop urgently moment

圖4 靜風(fēng)、大潮A、B、C三點低潮時刻溢油Fig.4 Calm wind,spring tide,low tide moment

2.2 溢油對海洋敏感區(qū)的影響

從表2中歸納出三點溢油后對各海洋敏感區(qū)的影響程度（表3）：A點油膜在靜風(fēng)情況下，溢油發(fā)生后2 h將對東山灣農(nóng)漁業(yè)區(qū)造成最重的影響；在東北風(fēng)作用下，溢油發(fā)生后6 h將對列嶼農(nóng)漁業(yè)區(qū)造成較大影響；在大潮，靜風(fēng)、低潮情況下，溢油發(fā)生后5 h將對漳江口紅樹林自然保護區(qū)造成影響。B點油膜對馬鑾灣旅游娛樂區(qū)影響最重，在靜風(fēng)條件下，溢油發(fā)生后4 h之內(nèi)將對該區(qū)造成影響。C點位于灣口，溢油基本不會影響灣內(nèi)敏感區(qū)。

表3 溢油對環(huán)境敏感區(qū)的影響程度Tab.3 The impact of spilled oil on environment sensitive areas

3 應(yīng)急響應(yīng)與處理能力

通過研究分析得到的不同海況下溢油油膜軌跡和油膜面積的時空分布，為溢油應(yīng)急響應(yīng)工作提供了理論依據(jù)，同時溢油事故應(yīng)急響應(yīng)與應(yīng)急處理措施之間存在較大的制約關(guān)系，如油膜軌跡決定了應(yīng)急船舶的布局；油膜擴散時間決定了應(yīng)急響應(yīng)時間；油膜面積決定了圍油欄數(shù)量等，本文采用應(yīng)急船舶、應(yīng)急響應(yīng)時間、圍油處理、機械回收4個指標討論東山灣溢油事故應(yīng)急響應(yīng)與處理能力。

3.1 物資儲備點的布局與應(yīng)急船舶搶險路線

結(jié)合溢油擴散模擬油膜軌跡結(jié)果，將物資儲備點設(shè)置于古雷作業(yè)區(qū)、城垵作業(yè)區(qū)、云霄作業(yè)區(qū)3個碼頭沿岸。根據(jù)溢油事故點的具體位置、油膜擴散隨時間的變化及船舶航行時間，分析對事故點的搶險路線。若A點發(fā)生溢油現(xiàn)象，應(yīng)急船舶從云霄作業(yè)區(qū)航行0.5 h內(nèi)達到事故點；若B點發(fā)生溢油現(xiàn)象，應(yīng)急船舶從城垵作業(yè)區(qū)航行0.5 h之內(nèi)達到事故點；若C點發(fā)生溢油現(xiàn)象，應(yīng)急船舶從古雷作業(yè)區(qū)航行0.5 h之內(nèi)達到事故點；若在東山灣農(nóng)漁業(yè)區(qū)附近發(fā)生溢油現(xiàn)象，應(yīng)急船舶需從云霄作業(yè)區(qū)出發(fā)，航行時間需要1 h；若在列嶼農(nóng)漁業(yè)區(qū)附近發(fā)生溢油現(xiàn)象，應(yīng)急船舶需從城垵作業(yè)區(qū)出發(fā)，航行時間需要1.5 h。

3.2 溢油應(yīng)急響應(yīng)時間研究

溢油應(yīng)急響應(yīng)時間必須滿足在油膜擴散達到岸灘及敏感點所需時間之內(nèi)，否則將對海洋環(huán)境造成重大污染，其中溢油應(yīng)急響應(yīng)時間=報警時間+接警后響應(yīng)時間+出動時間+裝載物資時間+航行時間+現(xiàn)場組織時間。結(jié)合模擬預(yù)測的油膜擴散達到岸灘及敏感點所需時間，討論出溢油應(yīng)急處理時需滿足的溢油應(yīng)急響應(yīng)時間。如A點在東北風(fēng)、大潮、低潮情況下溢油，溢油應(yīng)急響應(yīng)時間需在2 h內(nèi)，避免油膜抵達云霄作業(yè)區(qū)岸灘；在東北風(fēng)情況下溢油，溢油應(yīng)急響應(yīng)時間需在6 h內(nèi)，避免油膜抵達列嶼農(nóng)漁業(yè)區(qū)；在靜風(fēng)情況下，溢油應(yīng)急響應(yīng)時間需在2 h內(nèi)，避免油膜抵達東山灣農(nóng)漁業(yè)區(qū)。B點在東北風(fēng)情況下溢油，溢油應(yīng)急響應(yīng)時間需在1h內(nèi)，避免油膜抵達城安作業(yè)區(qū)岸灘；在靜風(fēng)情況下溢油，溢油應(yīng)急響應(yīng)時間需在4 h內(nèi)，避免油膜抵達馬鑾灣旅游娛樂區(qū)。C點溢油應(yīng)急響應(yīng)時間需在1 h內(nèi)，避免油膜抵達古雷作業(yè)區(qū)岸灘。

3.3 應(yīng)急現(xiàn)場處理能力（圍油欄、清污船舶與污油回收量）

隨著應(yīng)急響應(yīng)時間的增長，溢油面積增大，溢油厚度變薄，回收污油的含水率上升。為提高溢油應(yīng)急現(xiàn)場處理能力，需增加圍油欄數(shù)量以及污油回收量。根據(jù)多年實際操作經(jīng)驗，圍油欄使用長度為油膜周長的1/2，油膜厚度通過油膜擴展模型[13]預(yù)測而得，污油回收量=油膜厚度*油膜面積*回收系數(shù)，得到不同應(yīng)急響應(yīng)時間下的應(yīng)急處理能力需求（見表4）。通過溢油應(yīng)急響應(yīng)時間的研究，基本不會超過6 h，因此圍油欄的需求量不超過1 400 m，污油回收量不超過400 m3，為物資儲備提供依據(jù)。具體的應(yīng)急現(xiàn)場處理措施可根據(jù)應(yīng)急響應(yīng)時間做出準確的安排。

表4 不同應(yīng)急響應(yīng)時間下的應(yīng)急處理能力需求Tab.4 Different emergency treatment capacity needs in different emergency response time

4 小結(jié)

本文通過數(shù)值模擬獲取溢油運動軌跡及油膜擴散抵達岸灘和敏感點的時間，預(yù)測出溢油應(yīng)急響應(yīng)時間，再結(jié)合航行時間選取應(yīng)急船舶搶險路線，研究不同應(yīng)急時間下的現(xiàn)場處理能力需求，重點討論溢油應(yīng)急響應(yīng)對應(yīng)急處理能力的重要影響，為區(qū)域海上溢油事故應(yīng)急處理能力預(yù)測提供理論依據(jù)。

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