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        基于MIKE 軟件處理海上泄漏事故模擬仿真的研究

        2020-06-08 10:43:44鄧秀瓊王丹丹紀紅兵
        關鍵詞:叔丁醇大亞灣過氧化

        鄧秀瓊 王丹丹 紀紅兵

        (1. 浙江環(huán)龍環(huán)境保護有限公司,浙江杭州 310012;2. 中山大學惠州研究院,廣東惠州 516000)

        1 引言

        目前,海上危險化學品的泄漏可分為水溶性化學品與油溶性化學品兩大類,其中油溶性化學品泄漏對環(huán)境造成的危害比較嚴重。油溶性化學品泄漏災害對海洋生態(tài)造成的危害主要表現在3 個方面:第一,海洋生物大量死亡。油溶性化學品泄漏事故產生的油膜會大面積覆蓋海域,造成海體中生物缺氧,嚴重時大量藻類和魚蝦貝類等出現死亡現象,或者使經濟魚、蝦和貝類等因富集石油烴而產生異味。第二,海洋生態(tài)失衡。海上產生的油膜阻斷了光合作用和“?!獨狻敝g的交換,因而降低了海洋初級生產力,使海洋的生態(tài)平衡遭到破壞。第三,海岸帶嚴重受損。泄漏的油類抵岸,污染海灘,不僅給灘涂動植物資源帶來危害[1-3],還嚴重影響海洋水產養(yǎng)殖,造成海產品大量污染,而清除這些污染又需要大量的人力、物力和財力,且處理周期長,浪費時間。油溶性危險化學品污染還將對濱海度假旅游、沿岸風景、紅樹林等產生污染等影響,造成不可避免的經濟損失。因此,必須開展系列危險化學品海上泄漏的相關研究,為海上污染事故及海洋綜合管理提供必要的技術支持[4-8]。

        2 MIKE 軟件簡介

        MIKE 系列軟件是由丹麥水力研究所(DHI)開發(fā)的,主要是用來進行數值模擬,其中的MIKE 21 系列軟件是平面二維自由表面流模型,經常被用在有關水域的工程與環(huán)境問題上,國家機構和地方水行政機構常常用它提供管理和決策依據。該軟件包括水質、泥沙、水動力、對流擴散以及粒子追蹤模塊等,主要通過控制輸入文件進行不同模塊的模擬。前處理主要是根據實際的岸線水深資料,進行計算網格的邊界擬合。它還可以制作動畫和演示流場動態(tài),對不同的方案進行比較,計算斷面流量,這些主要是其處理分析功能的運用。開邊界處可以定義不同種類型的邊界條件。MIKE 系列軟件廣泛地應用于潮汐、水質、水流和船運等二維水力學現象的研究,因此被推薦為河流、河口、湖泊和海洋近岸水域的仿真模擬軟件。

        3 大亞灣近海區(qū)域過氧化叔丁醇泄漏事故模擬

        本文結合大亞灣石化工業(yè)區(qū)石油化工產業(yè)鏈發(fā)展關于加強化學品海上運輸的安全及環(huán)境管理的實際需要,運用MIKE ZERO 軟件系列OSM(Oil Spill Module)模塊模擬過氧化叔丁醇在海洋環(huán)境中的泄漏行為,建立了大亞灣附近海域油溶性化學品泄漏模型,模擬靜風、常年主導風向(東北風)和不利風向(東南風)3 種風場條件下,發(fā)生10 t 過氧化叔丁醇泄漏后油膜的漂移路徑和影響范圍。

        3.1 地形文件模擬的構建

        從海圖中提取模擬海域的水深和海岸線的x,y,z 數據,岸線利用908 調查岸線數據進行修正,通過MIKE ZERO 的網格創(chuàng)建器生成網格文件,如圖1,MIKE ZERO 的網格創(chuàng)建器在地形復雜的重點區(qū)域可進行局部網格加密處理。創(chuàng)建的網格文件中包含3 類信息:計算網格、水深、邊界資料。

        圖1 網格生成器生成的網格

        海底地形圖,插值以后由MIKE ANIMATOR 成圖,如圖2。

        圖2 海底地形圖

        3.2 參數選取與模擬情景

        利用MIKE 21 模型建立大亞灣海域的潮流場,計算海域包括整個大亞灣海域在內的區(qū)域。采用三角形網格,在海陸交界處、復雜地形處和研究附近海域進行網格加密,模型的三角形網格單元為6 682個,網格節(jié)點為3 528 個,最大網格邊長約為1 000 m,最小網格邊長約50 m。模型外海開邊界采用潮水位作為開邊界控制點的水位驅動,如圖3,黑色邊界為開邊界,即驅動邊界。

        圖3 大亞灣邊界

        假設泄漏點在大亞灣辣甲島附近,輪船途經附近海域不幸發(fā)生觸礁,導致10 t 過氧化叔丁醇泄漏,泄漏模型由風場數據驅動。具體參數設置如下:泄漏點經緯度22. 62°N,114. 61°E(圖4)。

        圖4 泄漏位置圖

        泄漏物品種為過氧化叔丁醇,比重為930 kg/m3;泄漏量設置10 t(瞬時泄漏),在泄漏模型中用1 000個“油粒子”來表示;設定3 種泄漏情景進行模擬,見表1。情景一是無外界影響因素下的泄漏物泄漏模擬,情景二為存在常年主導風向(東南風向,風速10.0 m/s)對泄漏物擴散的影響,情景三是存在不利風向(東北風向,風速4.0 m/s)對泄漏物擴散的影響。

        表1 不同情景參數設定

        參數設定:模擬時間定為2014 年4 月1 日,總共模擬了5 d;泄漏速度根據伯努利方程計算;泄漏持續(xù)時間則根據泄漏總量與泄漏速度計算;風速分別設定為10.0 m/s(夏季臺風季多年平均風速)和4.0 m/s(多年冬季平均風速);風向分別設定為夏季(東南140°)和秋冬(東北45°)主導風向,模擬時不考慮蒸發(fā)、降雨及泄漏物自身微溶的影響。

        4 泄漏污染結果分析與預測影響

        散裝化學品泄漏后在海中的輸移和擴散行為模式,主要受兩方面的影響:一是外部環(huán)境因素,如泄漏點附近的水文、地理和氣象等;二是內部因素,即化學品的物化性質。影響化學品在水中行為的主要因素是化學品本身的3 個主要物理性質:相對密度、飽和蒸氣壓(在環(huán)境溫度下的飽和蒸氣壓)、相對溶解度。根據這3 個因素,散裝液態(tài)化學品泄漏后在水中的行為主要有4 種:在大氣中、浮于水面、溶于水體中、沉于水底?;瘜W品性質多樣,在海洋環(huán)境中的分布可能不止是以上的一種形式。作為應急反應技術,可以分別對4 種形式的化學品的擴散、漂移進行研究,加以整合后得出一個比較有實用價值的結果。

        過氧化叔丁醇泄漏后在水中的行為方式主要為浮于水面(本研究忽略其微溶量)。根據一年中3 種風速狀況,分別模擬了10 t 過氧化叔丁醇泄漏后5 d時間內的行為途徑。不同情景下過氧化叔丁醇的濃度分布見圖5。

        圖5 泄漏后不同情景下過氧化叔丁醇的濃度分布

        由上述各個情景中的對比圖可以看出:情景一,無風狀況下,過氧化叔丁醇泄漏后在水中的行為途徑主要受潮位場的影響,污染面積可控在一個范圍內;情景二,10.0 m/s 的東南風況下,過氧化叔丁醇在泄漏后在潮位場和風場的共同作用下,行為途徑變化很大,污染區(qū)域沿著馬灣—大水坑灣—大深灣的海岸線漂移,對海岸線附近的水域和環(huán)境造成了很大的破壞;情景三,4.0 m/s 的東北風況下,過氧化叔丁醇泄漏后由潮位場和風場推動,污染區(qū)域從泄漏點一直延伸至大鵬澳。大鵬澳的自然條件非常好,水深不淤,是建設大型深水碼頭的優(yōu)良港址。該灣無污染,水產資源豐富,主要有石斑、龍蝦、青蟹、馬氏珍珠貝、鮑魚、海參、馬尾藻等,為水產資源繁殖保護區(qū)。若發(fā)生泄漏將對該區(qū)的養(yǎng)殖業(yè)和水生態(tài)平衡造成無法估計的損失。

        在研究了各種泄漏情景下過氧化叔丁醇在水中的行為途徑后,對其污染面積采取7 個樣點,分析其隨時間的變化,見圖6。

        圖6 污染物擴散面積隨時間的變化

        模型動力場的ramp-up days 設置為2 d,前2 d為模型的過渡期。情景一由于處于無風狀況下,污染區(qū)域沒有很大的變化,隨著時間的推移,加上海洋本身的自凈化和調節(jié)能力,污染面積沒有太大的變化,區(qū)域可控。情景二由于風場的影響,污染面積在3 d后逐漸開始變大,隨著時間的延長,油膜面積越來越大。情景三處于在東北風的影響下,過氧化叔丁醇在泄漏后,朝著西南方向漂移至大鵬澳附近,同時由于風速較小,所以擴散的速度比較緩慢,但同樣隨著時間的推移,油膜在逐漸增加。

        5 預測泄漏后產生的影響及建議

        根據以上各種情景下泄漏的情況可以看出,風場對泄漏后過氧化叔丁醇的泄漏行為有很重要的影響。在情景一的狀況下,過氧化叔丁醇泄漏后,主要在泄漏點附近遷移擴散,且隨著時間的推移,泄漏物會在一定程度的海洋的凈化能力下降解,污染面積在一定的可控范圍內。如發(fā)生這種情況下的泄漏事故,要及時組織應急隊伍進行油膜的收復,避免其長時間覆蓋,造成海洋生物缺氧、窒息死亡等現象。在情景二和三的狀況下,發(fā)生泄漏事故后,由于風速影響很大,首先要根據風向及時判斷出可能受到污染的沿海邊界、重點養(yǎng)殖區(qū)域以及珍稀生物資源保護區(qū),第一時間對這些區(qū)域做出保護措施;其次要盡快對泄漏物進行回收,避免因為風向造成污染面積的擴大;最后要對未能及時清理且已經波及的重點保護區(qū)域進行修復,對可能受到后續(xù)影響的區(qū)域提前采取應對措施。

        6 結語

        本文以假設大亞灣海域發(fā)生10 t 過氧化叔丁醇的泄漏事故為模擬,針對大亞灣海域建立了泄漏模型,分別在無風、10.0 m/s 東南風、4.0 m/s 東北風3種風況下,對過氧化叔丁醇泄漏事故進行構建模型并針對具體情況進行模擬,其中在無風狀況下,10 t過氧化叔丁醇泄漏主要在泄漏點附近擴散,且區(qū)域不是很大,只要及時進行清理回收,其影響可以大大降低。但是有風影響的情況下,由于風場的影響,污染區(qū)域根據風向以及風速逐漸擴大,污染面積也變得比無風狀況下大得多,并且風速的影響力很重要。此次研究不但為泄漏事故的預警、處理以及完善海域安全事故管理體系提供了必要的技術支持,還為最大程度降低近岸海域化學品泄漏事故對環(huán)境與資源造成的損失提供了依據,對于海洋環(huán)境的保護具有非常重要的意義。

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