吳亞楠，武賀，張松，汪小勇，繳建華，李彤，白明

（1.國家海洋技術(shù)中心，天津　300111；2.農(nóng)業(yè)部漁業(yè)環(huán)境及水產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測試中心，天津　300221）

天津大港濱海濕地溢油漂移擴(kuò)散數(shù)值模擬研究

吳亞楠1，武賀1，張松1，汪小勇1，繳建華2，李彤2，白明2

（1.國家海洋技術(shù)中心，天津300111；2.農(nóng)業(yè)部漁業(yè)環(huán)境及水產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測試中心，天津300221）

利用MIKE-HD建立二維水動力模型，模擬分析夏季天津大港濱海濕地附近海域水動力特性，采用實(shí)測潮位、潮流數(shù)據(jù)對模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。在獲得水動力數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，針對南港工業(yè)區(qū)船舶通航量加大的趨勢，利用MIKE-SA模塊建立溢油擴(kuò)散模型，對溢油事故進(jìn)行預(yù)測。結(jié)果表明，在風(fēng)、潮的綜合影響下，低潮時刻溢油24 h后的擴(kuò)散面積比高潮時刻大，其中SW常風(fēng)情況下其擴(kuò)散面積最大，達(dá)72.04 km2；當(dāng)風(fēng)向與潮流方向一致時，即本文中低潮時刻溢油，油膜中心運(yùn)動速度最大，擴(kuò)散面積也最大。

天津大港濱海濕地；水動力；溢油；擴(kuò)散

海上溢油擴(kuò)散，受到海洋、大氣和太陽輻射等多種環(huán)境因子的共同影響，運(yùn)動狀態(tài)十分復(fù)雜。溢油事故對海洋生態(tài)環(huán)境帶來很大影響，盡管溢油事故發(fā)生的概率較小，還需要引起足夠的重視。溢油在短時間內(nèi)注入海域，嚴(yán)重影響到海-氣相互作用的每一個過程（曲維政等，2002），引起水質(zhì)的惡化，嚴(yán)重影響水域的環(huán)境（景偉文等，2008）；原油在流和風(fēng)共同作用下移動，當(dāng)漂移擴(kuò)散到海岸時對其周圍海域的生態(tài)系統(tǒng)有著致命性的危害，盡管生物修復(fù)技術(shù)的發(fā)展對污染程度有了一定的緩解（鄭立等，2012；胥九兵等，2009；黃廷林等，2009），但提前的預(yù)報(bào)更有助于對溢油事故進(jìn)行有效控制。因此，預(yù)測溢油油膜漂移過程有著非常重要的實(shí)際意義。

天津大港濱海濕地海洋特別保護(hù)區(qū)位于天津市濱海新區(qū)大港近海區(qū)域，濕地總面積44 240 km2。由于近年來大規(guī)模的濕地開發(fā)、石油開采、農(nóng)田開墾、城鎮(zhèn)建設(shè)使天然濕地面積大幅度減少，現(xiàn)存濕地只有原來的16.3%，加大海域海岸帶整治已經(jīng)勢在必行。根據(jù)《天津市海洋功能區(qū)劃（2011-2020年）》，天津海域劃分為漢沽毗鄰海域、塘沽毗鄰海域、大港毗鄰海域3個海域單元。大港岸段主要功能依次為工業(yè)與城鎮(zhèn)用海區(qū)、海洋保護(hù)區(qū)和農(nóng)漁業(yè)區(qū)，大港濱海濕地海洋特別保護(hù)區(qū)緊鄰南港工業(yè)區(qū)，見圖1，地理坐標(biāo)位于117°39′04″E，38°39′08″N附近。而此海域船舶通航量的增加，必然會加大船舶溢油事故發(fā)生的概率。

圖1　天津市海洋功能區(qū)劃圖（2011-2020年）

根據(jù)溢油模型的數(shù)學(xué)計(jì)算理論不同，溢油模型主要有兩個類型，歐拉—拉格朗日理論和蒙特卡羅方法模型。郭良波（2011）采用Backhouse三維水動力模型對番禺附近海域的潮流進(jìn)行了模擬，并在此基礎(chǔ)上采用歐拉—拉格朗日追蹤方法，進(jìn)行油膜中心軌跡的預(yù)測。臧士文（2011）利用FVCOM海洋模型和基于拉格朗日追蹤法的“油粒子”模型對大連新港輸油管線爆炸引起的溢油進(jìn)行了模擬。OI同化技術(shù)的加入也提高了溢油預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度。潘沖（2011）、許婷等（2011）、黃毅峰等（2011）分別對長江口、廈門港、甌江口航道海域進(jìn)行過溢油模擬預(yù)測。婁安剛（2000）對蒙特卡羅方法在海洋溢油擴(kuò)展預(yù)測中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。龍新峰等（2011）利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對奧里油溢油擴(kuò)散面積進(jìn)行了預(yù)測，與實(shí)驗(yàn)測得的結(jié)果最大相對誤差為0.88%。郎印海等（2011）也利用BP網(wǎng)絡(luò)對海上石油平臺溢油污染等級進(jìn)行了評估。

本文首先采用MIKE-HD模塊建立渤海灣的潮流數(shù)值模型，對大港濱海濕地附近海域流場進(jìn)行模擬，并采用實(shí)測資料對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證（測站位置見圖2）；進(jìn)而利用MIKE-SA模塊建立溢油模型，對溢油擴(kuò)散進(jìn)行數(shù)值預(yù)測，為天津市溢油事故緊急方案提供技術(shù)依據(jù)。

圖2 測站示意圖

1　水動力模擬

應(yīng)用MIKE-HD模塊進(jìn)行水動力模擬計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果提供給MIKE-SA模塊作為動力驅(qū)動數(shù)據(jù)，水動力計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度對溢油擴(kuò)散模擬結(jié)果的合理性有很大影響。

1.1控制方程組

連續(xù)方程：

動量方程：

式中，x、y為直角坐標(biāo)系坐標(biāo)；t為時間；h為水深（基準(zhǔn)面到床面的距離）；ζ為潮位（基準(zhǔn)面到自由水面的距離）；u、v分別為x、y方向的垂線平均流速分量；f為科氏系數(shù)；g為重力加速度；Ex、Ey分別為x、y方向的水平紊動粘性系數(shù)；τbx、τby分別為波流共同作用下床面剪切力在x、y方向的分量；Sxx、Sxy、Syy分別為各方向的波浪輻射應(yīng)力。

1.2模型搭建

模型采用非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格對計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以更好地適應(yīng)復(fù)雜岸線變化情況，計(jì)算區(qū)域?yàn)椴澈?，共?jì)18 264個網(wǎng)格點(diǎn)、34 814個網(wǎng)格單元，模型計(jì)算的網(wǎng)格地形見圖3，圖4為工程區(qū)附近海域地形網(wǎng)格圖。

1.3實(shí)測數(shù)據(jù)分析

為了更好地調(diào)查海域的潮汐、流場特征，并供數(shù)值模型驗(yàn)證，設(shè)置了觀測站，觀測時間從2015年夏季5月22日至6月26日，觀測站位于津冀交界附近的大港濱海濕地海洋特別保護(hù)區(qū)附近海域，具體位置為：117°47′25.058″E，38°38′28.230″N，如圖2所示。根據(jù)本次測驗(yàn)的資料，表1列出了平均流速和流向的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，在垂向上無論大、中、小潮，均表現(xiàn)為表層、中層流速大于底層流速，最大流速均發(fā)生在表層。隨著深度的增加，流速呈現(xiàn)遞減的趨勢。對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)調(diào)和分析得到，測站潮汐應(yīng)屬混合潮中的不正規(guī)半日潮型，見測站潮汐特性一覽表2；潮流應(yīng)屬于正規(guī)淺海半日潮流類型，見（WK1+WO1）/WM2統(tǒng)計(jì)表3；漲落潮流的主體方向?yàn)槲髂掀?東北偏東，并繪制了流速流向頻率分布玫瑰圖，如圖5所示。

圖3　計(jì)算海域水深地形網(wǎng)格

圖4　工程區(qū)附近海域水深地形網(wǎng)格

1.4模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證所建潮流模型的模擬精度，采用2015年6月1日15時-6月5日0時在渤海灣海域設(shè)置的1個潮位、潮流監(jiān)測點(diǎn)所得的資料進(jìn)行驗(yàn)證。由潮位（圖6）和潮流（圖7-圖9）驗(yàn)證結(jié)果可以得出，模擬海域潮流與實(shí)測潮流之間吻合良好，其中，水位絕對誤差約為19 cm，流速絕對誤差6 cm/s，流向絕對誤差為12°?？傮w上看，本海域建立的數(shù)值模型是正確的，由此得到的計(jì)算結(jié)果也是可信的，它能夠比較真實(shí)的反映該海域海水的運(yùn)動規(guī)律。

表1　測站平均流速、流向統(tǒng)計(jì)表

表2　測站潮汐特性一覽表

表3　（WK1+WO1）/WM2統(tǒng)計(jì)

圖5　流速流向頻率分布玫瑰圖

圖6　測站潮位驗(yàn)證圖

圖7　測站小潮垂向平均潮流驗(yàn)證圖

圖8　測站中潮垂向平均潮流驗(yàn)證圖

圖9　測站大潮垂向平均潮流驗(yàn)證圖

2　溢油擴(kuò)散模擬

2.1預(yù)測方案

利用MIKE-SA模塊建立大港濱海濕地海域溢油預(yù)測模型，采用矩形網(wǎng)格，應(yīng)用“油粒子”模型模擬擴(kuò)散、漂移、風(fēng)化等過程，對溢油泄露事故進(jìn)行預(yù)測。本文主要考慮潮流和風(fēng)兩項(xiàng)最重要因素，潮流數(shù)據(jù)源自MIKE-HD模塊的計(jì)算結(jié)果（因計(jì)算潮流場時未在HD模塊中加入風(fēng)場數(shù)據(jù)，所以該計(jì)算結(jié)果中未包含風(fēng)生流的影響）。利用MIKE-SA模塊預(yù)測溢油漂移擴(kuò)散過程時加載風(fēng)場數(shù)據(jù)，其中風(fēng)數(shù)據(jù)取自塘沽站1997-2006年（共計(jì)10年）氣象觀測數(shù)據(jù)，其統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，渤海灣區(qū)域海面風(fēng)場采用主導(dǎo)風(fēng)向SW、E，風(fēng)潮組合工況見表4?？紤]到港池前沿與航道連接處發(fā)生船舶碰撞事故導(dǎo)致溢油的概率大，所以將溢油源布放于此處，溢油源位置見圖10，采用點(diǎn)源連續(xù)排放，溢油持續(xù)時間為10 h，10 h后由于人為補(bǔ)救措施溢油停止。

表4　溢油風(fēng)潮組合工況

圖10　溢油源位置示意圖

2.2油膜運(yùn)動擴(kuò)散范圍分析

2.2.1無風(fēng)情況

高潮時刻溢油，此時刻開始落潮，大量油粒子圍繞南港工業(yè)區(qū)外沿旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，并有大量油粒子進(jìn)入港池內(nèi)部，油粒子大約在30 h后抵岸，主體運(yùn)動方向?yàn)镋-W。

低潮時刻溢油，此時刻開始漲潮，油粒子未抵岸，但有大量溢油進(jìn)入南港工業(yè)區(qū)港池內(nèi)部，在潮流作用下做往復(fù)性運(yùn)動，油粒子的主力運(yùn)動方向?yàn)镋-W。

無風(fēng)情況溢油發(fā)生24 h后油粒子擴(kuò)散范圍見圖11。

2.2.2SW常風(fēng)情況

圖11　無風(fēng)情況溢油粒子擴(kuò)散范圍

高潮時刻溢油，此時刻開始落潮，大量油粒子圍繞南港工業(yè)區(qū)外沿旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，并有大量油粒子進(jìn)入港池內(nèi)部，油粒子大約在24 h后抵岸，在SW常風(fēng)和潮流的共同作用下，主體運(yùn)動方向?yàn)镹NESSW，并且油粒子抵達(dá)了天津港區(qū)，有較大影響。

低潮時刻溢油，此時刻開始漲潮，油粒子18 h后抵岸，同時有大量溢油進(jìn)入南港工業(yè)區(qū)港池內(nèi)部，并在SW風(fēng)和潮流共同作用下，油粒子的主力運(yùn)動方向?yàn)镹NE-SSW。并且油粒子抵達(dá)了天津港區(qū)，有較大影響。

SW常風(fēng)情況溢油發(fā)生24 h后油粒子擴(kuò)散范圍見圖12。

圖12SW常風(fēng)情況溢油粒子擴(kuò)散范圍

2.2.3E強(qiáng)風(fēng)情況

高潮時刻溢油，此時刻開始落潮，油粒子大約在22 h后抵岸，大量油粒子進(jìn)入港池內(nèi)部，在E強(qiáng)風(fēng)和潮流的共同作用下，溢油發(fā)生后24 h內(nèi)，油粒子主體運(yùn)動方向?yàn)镋-W，抵岸后，在沿岸流作用下，油粒子沿岸NNW-SSE方向運(yùn)動，并且向SSE方向輸移。

低潮時刻溢油，此時刻開始漲潮，油粒子17 h后抵岸，同時有大量溢油進(jìn)入南港工業(yè)區(qū)港池內(nèi)部，并在E強(qiáng)風(fēng)和潮流共同作用下，油粒子向岸運(yùn)動，抵岸后，在沿岸流作用下油粒子沿岸輸移。油粒子除了在潮流影響下的E-W向往復(fù)運(yùn)動，還有沿岸的NNW-SSE運(yùn)動方向，但隨著時間推移，進(jìn)入海洋保護(hù)區(qū)內(nèi)的油粒子向SSE方向沿岸向下輸移。此風(fēng)向下發(fā)生溢油事故對南港工業(yè)和濱海濕地海洋特別保護(hù)區(qū)的影響十分嚴(yán)重。

E強(qiáng)風(fēng)情況溢油發(fā)生24 h后油粒子擴(kuò)散范圍見圖13。

圖13　E強(qiáng)風(fēng)情況溢油粒子擴(kuò)散范圍

溢油擴(kuò)散面積S=S0·N，S0其中為單個矩形網(wǎng)格的面積，N為溢油油膜覆蓋的網(wǎng)格數(shù)。溢油事故24小時后擴(kuò)散面積估算值見表5。

表5　溢油事故24小時后擴(kuò)散面積估算（km2）

3　結(jié)語

（1）本文首先采用MIKE-HD模塊建立了渤海灣的潮流數(shù)值模型，對大港濱海濕地附近海域流場進(jìn)行了模擬，并采用實(shí)測資料對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證；驗(yàn)證結(jié)果表明：計(jì)算值與實(shí)測值吻合較好，本文建立的潮流數(shù)值模型是可靠的。

（2）利用MIKE-HD模塊的水動力計(jì)算結(jié)果和MIKE-SA模塊建立溢油模型，對溢油擴(kuò)散進(jìn)行了數(shù)值預(yù)測。結(jié)果表明：在風(fēng)、潮的綜合影響下，低潮時刻溢油24 h后的擴(kuò)散面積比高潮時刻大，其中SW常風(fēng)情況下其擴(kuò)散面積最大，達(dá)72.04 km2。

（3）根據(jù)擴(kuò)散面積估算值，可以得到，風(fēng)、潮工況對油膜運(yùn)動軌跡影響很大，當(dāng)風(fēng)向與潮流方向一致時，油膜中心運(yùn)動速度較大，油膜中心點(diǎn)間距較大，擴(kuò)散面積也較大；而當(dāng)風(fēng)向與潮流方向相反時，油膜運(yùn)動方向甚至?xí)c潮流方向相反，不同的風(fēng)向直接導(dǎo)致油膜漂移方向不同。

Warren I R,Bach H K,1992.MIKE 21:a modelling system for estuaries, coastal waters and seas.Environmental Software,7(4):229-240.

郭良波，于曉杰,2011.番禺4-2油田溢油數(shù)值模擬.海洋湖沼通報(bào)（3）：129-138.

黃廷林，徐金蘭，唐智新，等，2009.生物菌劑對石油污染土壤生物修復(fù)作用的研究.環(huán)境科學(xué)，30（6）：838-1843.

黃毅峰，許婷，劉濤，2011.甌江口航道海域溢油擴(kuò)散數(shù)值模擬.水道港口，32（5）：373-380.

景偉文，楊桂朋，康志強(qiáng)，2008.海洋溢油污染對生物群落和種群的影響及生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù).海洋湖沼通報(bào) （1）：80-89.

郎印海，劉潔，賈永剛，等，2011.BP網(wǎng)絡(luò)海上石油平臺溢油污染等級評估方法.海洋湖沼通報(bào)（1）：115-121.

李燕，朱江，王輝，等，2014.同化技術(shù)在渤海溢油應(yīng)急預(yù)報(bào)系統(tǒng)中的應(yīng)用.海洋學(xué)報(bào)（3）：113-120.

龍新峰，邱平，2011.奧里油溢油擴(kuò)散面積預(yù)測非線性方法研究.海洋工程，29（4）：87-91.

婁安剛，王學(xué)昌，于宜法，等，2000.蒙特卡羅方法在海洋溢油擴(kuò)展預(yù)測中的應(yīng)用研究.海洋科學(xué)，24（5）：7-9.

潘沖，王惠群，管衛(wèi)兵，等，2011.長江口及鄰近海域溢油實(shí)時預(yù)測研究.海洋學(xué)研究，29（3）：176-186.

曲維政，鄧聲貴，2002.海洋石油污染對海氣正常交換過程的破壞性影響.自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，11（4）：55-59.

胥九兵，遲建國，邱維忠，等，2009.石油降解菌劑的研制及其在石油污染土壤修復(fù)中的應(yīng)用.生物加工過程，7（6）：21-24.

許婷，2011.廈門港劉五店航道海域溢油擴(kuò)散數(shù)值模擬.海洋學(xué)研究，29（1）：90-95.

臧士文，2011.基于FVCOM模型的二維海上溢油數(shù)值模擬研究.大連：大連理工大學(xué).

鄭立，崔志松，高偉，等，2012.海洋石油降解菌劑在大連溢油污染岸灘修復(fù)中的應(yīng)用研究.海洋學(xué)報(bào)，34（3）：163-171.

（本文編輯：袁澤軼）

Numerical simulation study of oil spilling drift and diffusion in Dagang coastal wetland of Tianjin

WU Ya-nan1,WU He1,ZHANG Song1,WANG Xiao-yong1,JIAO Jian-hua2,LI Tong2,BAI Ming2

（1.National Ocean Technology Center,Tianjin 300111,China;2.SupervisingandTesting Center of Fishery Environment andAquaticProducts Quality，Ministry of Agriculture,Tianjin 300221,China）

A 2-D hydrodynamic model was established using MIKE-HD to simulate hydrodynamic properties in Dagang coastal wetland of Tianjin at summer.The numerical results were verified by measured data.According to the obtained hydrodynamic data,MIKE-SA modelwas established to predict the environmental influence,which was induced by oil spilling accidents under the background of the increasing shipping around Nangang Industrial Zone.Results showed that both wind and tide had great effect on the prediction of oil spill trajectories,and after spilling for 24 h,the diffusion area at low tide was larger than that at high tide.Under the effect of SW wind,the direction of prevailing wind,the diffusion area became 72.04 km2,which was the largest one.While the wind direction was same as the tidal current direction and the oil spilling was at the low tide,the center of oil slick had the largest speed,hence,the diffusion area was largest.

Dagang coastal wetland of Tianjin;hydrodynamic;oil spilling;diffusion

X55

A

1001-6932（2016）05-0579-08

10.11840/j.issn.1001-6392.2016.05.012

2015-11-06；

2015-12-30

天津大港濱海濕地海洋特別保護(hù)區(qū)生境評價與海洋生物資源適應(yīng)性研究 （KJXH2014-21）。

吳亞楠（1987-），男，碩士，實(shí)習(xí)研究員，主要從事海洋環(huán)境水動力研究。電子郵箱：hdwuyanan@163.com。

繳建華，博士，研究員。電子郵箱：litong19692006@163.com。