陳命男

(上海勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司， 上海　200434)

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海上溢油風(fēng)險(xiǎn)的數(shù)值模型預(yù)警

陳命男

(上?？睖y設(shè)計(jì)研究院有限公司， 上海200434)

摘要：隨著我國海洋開發(fā)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，高密度的海上工程作業(yè)和進(jìn)出施工船舶使周圍海域面臨很大的溢油環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。由于海上作業(yè)的特殊性，一旦發(fā)生溢油事故，必將給沿岸經(jīng)濟(jì)和海洋生態(tài)環(huán)境帶來極大的危害。因此加強(qiáng)溢油風(fēng)險(xiǎn)管理，最大限度地預(yù)防溢油事故的發(fā)生并采取及時(shí)有效的防控措施是十分必要的?；跂|海大橋風(fēng)電二期工程，假設(shè)施工船舶發(fā)生碰撞溢油事故，利用MIKE21模型系統(tǒng)就溢油風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，介紹溢油模型預(yù)測海上溢油的計(jì)算過程。

關(guān)鍵詞：環(huán)境影響評價(jià)；風(fēng)險(xiǎn)；溢油模型；MIKE

隨著我國海洋開發(fā)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，高密度的海上工程作業(yè)和進(jìn)出施工船舶使周圍海域面臨很大的溢油環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。由于海上作業(yè)的特殊性，一旦發(fā)生溢油事故，必將給沿岸經(jīng)濟(jì)和海洋生態(tài)環(huán)境帶來極大的危害。因此加強(qiáng)溢油風(fēng)險(xiǎn)管理，最大限度地預(yù)防溢油事故的發(fā)生并采取及時(shí)有效的防控措施是十分必要的。

溢油防控技術(shù)是降低溢油污染損害的關(guān)鍵[1]，包括溢油監(jiān)控技術(shù)、溢油預(yù)測預(yù)警技術(shù)和溢油清除技術(shù)。其中，對于溢油預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)而言，目前主要由水動力模型、溢油模型和GIS環(huán)境敏感區(qū)圖組成[2]。根據(jù)溢油事故現(xiàn)場信息，該系統(tǒng)可提供溢油運(yùn)動軌跡、擴(kuò)散范圍以及物化過程變化，提供敏感區(qū)及資源保護(hù)的優(yōu)先次序；提供海上溢油事故的處理及人員、設(shè)備的配備與調(diào)動方案；提供回收油和油污廢物的運(yùn)輸、儲存、處理方案等，為迅速有效地進(jìn)行海上溢油處理和降低污染損害提供技術(shù)支持和決策保障。目前溢油預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)主要有美國的“OIL MAP”，英國的“OSIS( Oil Spill Information System)”，日本的“溢油災(zāi)害對策系統(tǒng)”以及中海石油環(huán)保服務(wù)有限公司開發(fā)的“中國近海溢油預(yù)測預(yù)警與應(yīng)急決策支持系統(tǒng)”等。預(yù)測預(yù)警技術(shù)的關(guān)鍵在于溢油模型和GIS環(huán)境敏感區(qū)圖的建立以及兩者的快速耦合。

因此，本文將基于東海大橋風(fēng)電二期工程，假設(shè)施工船舶發(fā)生碰撞溢油事故，利用MIKE21模型系統(tǒng)就溢油風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，介紹溢油模型預(yù)測海上溢油的計(jì)算過程。

1工程簡介

東海大橋風(fēng)電二期工程位于連接上海南匯蘆潮港與小洋山之間的東海大橋西側(cè)，距東海大橋1~5 km場址范圍內(nèi)，場址距南匯6~12 km，與“一期工程”隔東海大橋相望。本工程利用東海大橋登陸點(diǎn)東側(cè)現(xiàn)一期工程110 kV升壓變電站。風(fēng)電場通過35 kV海底電纜接入岸上110 kV風(fēng)電場升壓變電站，接入上海市電網(wǎng)。項(xiàng)目總裝機(jī)容量為10.22萬kW，共安裝28臺風(fēng)電機(jī)組。

2模擬模型MIKE21簡介

本文二維水動力模型采用MIKE21模型系統(tǒng)[3]，MIKE21系統(tǒng)是目前國際上功能最齊全、應(yīng)用范圍最廣的水環(huán)境模擬軟件之一，主要用于模擬海洋、河口、湖泊、河流、水庫等水體的水流、水質(zhì)、富營養(yǎng)化預(yù)測、水生生態(tài)、泥沙輸運(yùn)等問題。MIKE21完全按照軟件系統(tǒng)工程的思想設(shè)計(jì)的，由波浪模型、水動力模型、對流擴(kuò)散模型、常規(guī)水質(zhì)模型和富營養(yǎng)化模型等組成，可模擬各種水文、氣象條件下水體的流場分布，流速大小和方向，污染物遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律和水生生態(tài)演變規(guī)律等。

圖1　風(fēng)電場位置圖Fig.1　Position of the offshore wind power generation

MIKE21模型采用有限體積法求解控制方程，計(jì)算網(wǎng)格為任意三角形單元，能夠有效準(zhǔn)確地模擬岸線和建筑物的外形輪廓。而且，根據(jù)研究需要，可對計(jì)算網(wǎng)格進(jìn)行任意加密，以便能夠在大范圍模型中實(shí)現(xiàn)局部精細(xì)模擬，從而得到合理的數(shù)值模擬結(jié)果。

3項(xiàng)目周邊航道概況

項(xiàng)目所在海域緊鄰東海大橋，屬東海大橋橋區(qū)航線，是杭州灣北航路的咽喉。根據(jù)多年來形成的習(xí)慣航線，主要有長江口往南經(jīng)大戢山、小戢山、唐腦山、魚腥腦至寧波甬江口的內(nèi)航線(或稱西航線)；以及直接從杭州灣北灣航道往西，進(jìn)杭州灣沿岸各港口的中小型船舶的航線。

工程海域附近主要有金山航道、漕涇東航道、漕涇西航道、洋山港西航道、洋山港東支航道以及東海大橋各通航孔航道，具體如下。

(1)金山航道

金山航道寬度2 km，全程長約80 n mile，水深小于8 m。主要用于上海金山石化運(yùn)輸原油。

(2)漕涇東航道

漕涇東航道自大洋山方位205°，距離2.9 n mile的漕涇大燈浮到K28燈浮全長31.5 n mile，航道寬1 n mile，水深最深處13 m，最淺7.3 m。自漕涇燈浮到K17燈浮長20 n mile，航道水深大于8 m。在K23～K25燈浮間最淺水深7.3 m。

(3)漕涇西航道

自金山航道王盤山北燈浮之北5 n mile開始，航道總長12.5 n mile，寬1 n mile，水深8～10 m。漕涇西航道西口銜接金山航道，東北口銜接漕涇東航道。

(4)洋山港西航道

洋山港西航道自東海大橋西口大燈浮航向120°，航行3.2 n mile抵Y44(左側(cè)標(biāo))與Y43(右側(cè)標(biāo)，兩標(biāo)橫距1 n mile)間轉(zhuǎn)向97°，航行1.8 n mile抵Y42(左側(cè)標(biāo))、Y41(右側(cè)標(biāo))(兩標(biāo)橫距1 n mile)間通過進(jìn)入洋山港西口門。航道水深9 m左右。

(5)洋山港東支航道

航道寬1 500 m，航標(biāo)為中央標(biāo)進(jìn)出口航道各寬750 m，水深7～11 m。

(6)東海大橋各通航孔航道

東海大橋設(shè)置4個(gè)通航孔，自南(小烏龜島西北側(cè))向北依次為：1號通航孔航道(500載重噸及以下)、2號通航孔航道(5 000載重噸及以下)、3號通航孔航道(1 000載重噸及以下)和4號通航孔航道(500載重噸及以下)。

4溢油事故風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

4.1　風(fēng)險(xiǎn)因子識別

本風(fēng)電場施工期采用的最大噸位施工船舶為5 000 t 級的甲板駁輪，其所帶的燃料油艙為134 m3，燃料油密度按0.75 t/m3計(jì)算，則5 000 t 級甲板駁輪最大載油量約為100 t。此外，通航資料顯示，目前3#通航孔的過境船舶噸位為500 t左右，但從最不利角度考慮，3#通航孔的最大過船噸位為1 000 t，因此按照1 000 t船舶碰撞風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的溢油量考慮，1 000 t船舶燃料油載油量約40 t。

因此，溢油源強(qiáng)按保守考慮，采用施工期施工船舶碰撞發(fā)生燃料油艙泄漏造成的最大漏油量100 t。結(jié)合工程布置和通航情況，溢油點(diǎn)考慮位于3#通航孔南側(cè)風(fēng)機(jī)較為密集處。溢油點(diǎn)具體位置見圖2。

圖2　計(jì)算溢油點(diǎn)位置示意圖Fig.2　Oil spill calculation position

4.2　溢油事故模型建立

溢油數(shù)學(xué)模型采用MIKE21(SA)模塊[4- 5]，基于歐拉—拉格朗日理論體系，通過對油膜在水體中的擴(kuò)展、傳輸(水流和風(fēng)場的作用)、紊動擴(kuò)散、分散(夾帶)、蒸發(fā)、乳化、溶解等各種過程的模擬，可提供油膜隨時(shí)間變化的漂移位置、油膜厚度，以及漂移過程中黏度、油膜表面溫度等屬性的變化。

溢油形式主要分為瞬時(shí)和連續(xù)溢油，一般而言，溢油量的10%為瞬時(shí)溢油，90%為連續(xù)溢油。結(jié)合本工程實(shí)際情況，預(yù)測以原油作為油品的主要代表，考慮連續(xù)一小時(shí)溢油的情況，以大潮作為主要的潮流形式。

各種計(jì)算工況見表1和表2。工況中，溢油發(fā)生時(shí)刻為高潮位時(shí)刻的組合溢油計(jì)算時(shí)間段為2008年6月8日5時(shí)至6月9日4時(shí)；溢油發(fā)生時(shí)刻為低潮位時(shí)刻的組合溢油計(jì)算時(shí)間段為2008年6月8日23時(shí)至6月9日23時(shí)。

風(fēng)速取值分別考慮區(qū)域的多年平均風(fēng)速6m/s和多年平均最大風(fēng)速19.1m/s。

表1　發(fā)生在高潮位時(shí)刻工況編號

表2　發(fā)生在低潮位時(shí)刻工況組

4.3　溢油計(jì)算結(jié)果

根據(jù)各種工況計(jì)算的結(jié)果，表3和表4給出了各種工況下溢油發(fā)生后12 h內(nèi)每小時(shí)油膜的瞬時(shí)覆蓋面積。同時(shí)模型繪出多年最大風(fēng)速各工況下的油膜運(yùn)動軌跡圖、油膜的抵達(dá)時(shí)間，見圖3。

續(xù)圖

圖3　溢油油膜同一工況不同時(shí)間油膜軌跡圖Fig.3　Oil slick area trajectory of different time in one working time

工況1~工況9，溢油發(fā)生在高潮位時(shí)刻，油膜開始隨著落潮流運(yùn)動，油膜面積隨著落潮過程逐漸增大，在轉(zhuǎn)流過程中面積略有減小。在東風(fēng)及北風(fēng)作用下，油膜瞬時(shí)面積隨時(shí)間變化較大，漂移距離也較大。

工況10~工況18，溢油發(fā)生在低潮位時(shí)刻，油膜開始隨著漲潮流運(yùn)動，油膜面積隨著落潮過程逐漸增大，在轉(zhuǎn)流過程中面積略有減小。

同時(shí)，在該海域余流基本以落潮方向?yàn)橹鳎衣杂邢蚰系内厔?，因此油膜漂移軌跡在落潮時(shí)有往東南方向漂移的趨勢。

表3　高潮時(shí)溢油油膜面積隨時(shí)間變化/km2

表4　低潮時(shí)溢油油膜面積隨時(shí)間變化/km2

5結(jié)論

從上述案例可以看出，利用MIKE21模型系統(tǒng)可以進(jìn)行海上溢油風(fēng)險(xiǎn)的數(shù)值模擬預(yù)警，計(jì)算出油膜隨時(shí)間變化的掃海面積，以及各種風(fēng)速條件下油膜的瞬時(shí)分布圖。

根據(jù)該數(shù)值模型的計(jì)算結(jié)果，相關(guān)部門可以建立應(yīng)付突發(fā)性事故的搶險(xiǎn)指揮系統(tǒng)，組織制定一份可操作的風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急行動計(jì)劃，并委托有資質(zhì)的單位編制應(yīng)急預(yù)案。一旦發(fā)生的溢油事故，應(yīng)急部門就能快速作出反應(yīng)，最大限度地減少事故污染對工程海域的災(zāi)害性損失。同時(shí)，根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，還可利用MIKE21模型計(jì)算結(jié)果與GIS地理信息平臺，建立溢油位置與敏感目標(biāo)的位置關(guān)系，作為預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)的重要組成部分。

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Early Warning of Oil Spill Risk Numerical Model at Sea

CHEN Ming-nan

(Shanghai Investigation, Design & Research Institute CO., LTD., Shanghai 200434, China)

Abstract:High oil spill risk will happen with offshore engineering construction and construction vessels, because the ocean development is increase in China. The oil spill would damage coastal economy and sea ecosystem because of the specific of the offshore engineering construction. It is important to take measures to prevent the oil spill happening. In the paper, the oil spill was assumed to happen in the offshore wind power generation II of the east China sea. The calculation of MIKE21 model to analysis the oil spill is introduced in the paper.

Key words:EIA; risk; oil spill model; MIKE

作者簡介：陳命南，(1986—)，男，上海人，工程師，碩士，主要從事環(huán)境影響評價(jià)工作，E-mail: cmnfrank@gmail.com

收稿日期：2014-01-07

中圖分類號：X55

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-6444(2015)01-0071-07

DOI:10.14068/j.ceia.2015.01.019