宋協(xié)法,畢研軍,董登攀,周廣軍

1 中國海洋大學水產(chǎn)學院, 青島 266003 2 即墨區(qū)自然資源局海洋發(fā)展服務(wù)中心, 青島 266200 3 煙臺市海洋捕撈增殖管理站, 煙臺 264003

海上突發(fā)性溢油事故導(dǎo)致石油泄漏進入海洋,影響浮游植物群落[1],進而影響其他海洋生物,而且在養(yǎng)殖區(qū),還會影響?zhàn)B殖業(yè)的產(chǎn)量和品質(zhì),進而影響人類的健康。同時溢油事故對當?shù)貪O業(yè)資源數(shù)量以及恢復(fù)會造成巨大的影響。

海上突發(fā)性溢油事故發(fā)生后,受地理位置、季節(jié)等因素影響,污染物的漂移軌跡很難確定,很難準確地鑒定溢油的范圍,進而給漁業(yè)資源評估和恢復(fù)工作也帶來了不小的難題。傳統(tǒng)的漁業(yè)資源損失評估方法具有一定的局限性,隨著科學技術(shù)的發(fā)展,可以采用計算機模擬的手段加以彌補和輔助。錢琴等[2]采用湄洲灣案例證明了GNOME和EFDC模型模擬的準確性。國內(nèi)外學者通過數(shù)值模擬的方面模擬溢油范圍,并通過不同的案例證明了數(shù)值模擬溢油的可行性[3- 17]。本文參照采用數(shù)值模擬確定溢油范圍的思路,結(jié)合漁業(yè)資源評估的技術(shù)辦法,形成一種針對溢油事故中漁業(yè)資源損失的數(shù)值模擬評估模式,從而輔助確定漁業(yè)資源的損失,進一步完善業(yè)務(wù)化評估體系。

1 數(shù)值模擬評估模式

1.1 評估模式框架

漁業(yè)資源損失的數(shù)值模擬評估模式如圖1所示,主要由模型選擇、參數(shù)獲取、模型計算、數(shù)據(jù)輸出四部分構(gòu)成。

圖1 溢油事故中漁業(yè)資源損失的數(shù)值模擬評估模式圖Fig.1 Diagram of numerical simulation evaluation model of fishery resources loss in oil spill

1.2 海洋溢油模型選擇

現(xiàn)代海洋溢油模型根據(jù)模型的數(shù)學計算理論不同,可分為基于歐拉-拉格朗日方法的溢油模型和基于蒙特卡羅方法的溢油模型兩大類。基于蒙特卡羅方法的溢油模型在拉格朗日方法基礎(chǔ)上采用蒙特卡羅方法隨機生成擴散系數(shù),來計算湍流的大小和油膜三維擴展情況[18]?；跉W拉-拉格朗日方法的溢油模型是借助歐拉-拉格朗日方程組對事故發(fā)生后的油膜漂移擴散和油膜消失后的溶解態(tài)分布趨勢進行計算預(yù)測,包括全動力軌跡模型和溢油歸宿模型。這兩類模型都可以借助風場、流場數(shù)據(jù)模擬出溢油漂移擴散趨勢,進而計算出溢油濃度分布和溢油污染面積。可以通過基于歐拉-拉格朗日方法和基于蒙特卡羅方法的數(shù)學計算理論構(gòu)建具有對應(yīng)海域特征的海洋溢油模型,也可以運用相對比較成熟的專業(yè)溢油模型。代表性的溢油模型有：OILMAP[19- 20]、CWCM[21]、GNOME[22]、MIKE21SA溢油模塊[23]等。OILMAP對瞬時溢油和持續(xù)性的溢油都能快速地預(yù)測軌跡,常用于溢油應(yīng)急和預(yù)警預(yù)案支持；CWCM模型不僅可以模擬石油溢出漂移,而且可以模擬化學品溢出歸宿及影響；GNOME模型標準模式用于模擬溢油泄漏和溢油演習,以及特定位置的溢油軌跡,診斷模式可以根據(jù)具體的溢油情況來模擬追蹤溢油擴散軌跡,具有最佳預(yù)測和最小遺憾預(yù)測功能；MIKE21SA溢油模塊模擬懸浮物質(zhì)的擴散和風蝕,僅用于預(yù)報溢油問題、評估意外溢油預(yù)案分析。

1.3 參數(shù)獲取

需要獲取的參數(shù)有模型經(jīng)緯度范圍、岸線數(shù)據(jù)、水深數(shù)據(jù)、開邊界條件數(shù)據(jù)、氣候數(shù)據(jù)等運行水動力模型、風場模型所需的參數(shù),以及模型運行時間、溢油點、油品類型、溢油量等海洋溢油模型所需的參數(shù)。

事故發(fā)生區(qū)域的岸線數(shù)據(jù)可以通過GSHHG全球地理信息數(shù)據(jù)集獲?。凰顢?shù)據(jù)可以采用由美國NOAA的國家環(huán)境信息中心(NCEI)官網(wǎng)提供的ETOPO1全球水深的再分析數(shù)據(jù)；開邊界點數(shù)據(jù)通常采用由俄勒岡大學提供的開邊界點調(diào)和常數(shù),從OTPS (OSU Tidal Prediction Software)預(yù)報的時間水位中提取主要分潮。模型運行時間、溢油點、油品類型、溢油量根據(jù)具體溢油案例獲取。

1.4 模型計算

1.4.1水動力與風場模型運算

以FVCOM水動力模型為例,首先確定模型計算范圍區(qū)域,結(jié)合具體案例提取岸線數(shù)據(jù),在溢油發(fā)生區(qū)域內(nèi)進行網(wǎng)格劃分。采用表面水動力模型SMS生成非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格模型,控制網(wǎng)格質(zhì)量使三角形單元最小內(nèi)角30°,最大內(nèi)角130°,最大斜率為0.1,相鄰三角形單元面積比小于0.5,頂點連接三角形單元的個數(shù)小于等于8。在網(wǎng)格點上插值水深,設(shè)置開邊界條件構(gòu)建好模型進行模擬運算。模擬的流場可以根據(jù)具體站位點的監(jiān)測數(shù)據(jù)或《潮汐表》等數(shù)據(jù)驗證校準。將模擬的流速誤差控制在20%以內(nèi),流向誤差控制在20°以內(nèi)。

1.4.2溢油污染范圍計算

分別以水動力模型來模擬事故海域附近的流場變化、以風場模型模擬事故海域附近的風場變化,將模擬的流場、風場數(shù)據(jù)輸入到海洋溢油模型當中,也可直接采用監(jiān)測站實際監(jiān)測的風場、流場數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換格式后輸入海洋溢油模型。將構(gòu)建的模型或通過專業(yè)溢油模型建立的相對應(yīng)海域的溢油模型通過具體溢油案例進行驗證和校準?？梢圆捎眯l(wèi)星遙感技術(shù)[24-29]將溢油事故區(qū)域影像進行幾何校正、大氣校正、去“蝴蝶結(jié)”處理、圖像增強處理,通過直方圖均衡化和高斯對比度拉伸處理,調(diào)節(jié)圖像灰度值、對比度。根據(jù)侯懿峰[30]實驗結(jié)論：在平均反射率上輕油種大于潔凈海水,遙感影像中表現(xiàn)為較亮區(qū)域；而平均反射率上重油種(重柴油、大慶原油等)小于潔凈海水,重油種在遙感影像中為較暗區(qū)域。結(jié)合油品性質(zhì)提取溢油信息,將其與模型模擬的油膜漂移位置、面積進行比對驗證,根據(jù)驗證結(jié)果對模型進一步校準,直到模擬結(jié)果與驗證案例相吻合。

通過模型模擬得到污染海域表層、中層、底層油粒子的分步規(guī)律,通過運算得出污染海域表層、中層、底層各個位置的油濃度分布情況。根據(jù)《漁業(yè)水質(zhì)標準》[31]中對油類污染物濃度要求,可以直接計算出不同污染程度下的溢油污染范圍。

1.4.3海域調(diào)查監(jiān)測數(shù)據(jù)計算

海域調(diào)查監(jiān)測參照《海洋監(jiān)測規(guī)范》[32]中站位的設(shè)置、拖網(wǎng)的規(guī)格要求、分析鑒定規(guī)范等要求進行實際的海域調(diào)查監(jiān)測。將采集到的樣本計數(shù)采用公式(1)、(2)分別計算魚卵、仔稚魚密度與游泳動物資源密度。

魚卵、仔稚魚密度的計算采用濾水體積法。計算公式如下：

(1)

式中,V為魚卵、仔稚魚分布密度(胞/m3,個/m3)；N為平均每網(wǎng)魚卵、仔稚魚數(shù)量(胞,個)；S為網(wǎng)口面積(m2)；L為水平拖網(wǎng)為拖網(wǎng)距離,垂直拖網(wǎng)為繩長(m)。

游泳動物資源密度計算采用公式：

(2)

1.4.4漁業(yè)資源損失計算

(1)魚卵、仔稚魚經(jīng)濟損失

根據(jù)SC/T 9110—2007《建設(shè)項目對海洋生物資源影響評價技術(shù)規(guī)程》[34]對于污染事故中魚卵和仔稚魚損失的計算方法,將其按比例折算成魚苗,魚卵生長成商品魚苗的成活率按照1%計算,仔稚魚生長成商品魚苗的成活率按照5%計算。參照《漁業(yè)污染事故經(jīng)濟損失計算方法》[33]運用公式(3)(4)計算魚卵、仔稚魚折算成商品魚苗后損失：

魚卵、仔稚魚損失量=(對照海區(qū)密度—污染海區(qū)密度)×污染體積

(3)

魚卵、仔稚魚直接經(jīng)濟損失=當?shù)厣唐访缡袌鰞r格×損失量

(4)

(2) 漁業(yè)資源損失計算

由于不同種類游泳動物受污染物刺激影響不同,參照《山東省海洋生態(tài)損害賠償和損失補償評估方法》[35]中油類污染物對不同種類游泳動物的損害系數(shù)要求,魚類損害系數(shù)為0.2—0.4,無脊椎動物為0.3—0.6,浮游動物為0.5—0.8,底棲動物為0.2—0.8。按照污染重取高值,污染輕取低值的取值原則。根據(jù)對照海域的海域調(diào)查監(jiān)測數(shù)據(jù),將對照海域漁業(yè)資源密度作為事發(fā)前漁業(yè)資源密度。參照《漁業(yè)污染事故經(jīng)濟損失計算方法》[33]分別計算魚類、甲殼類、頭足類等游泳動物直接經(jīng)濟損失,運用公式(5)(6)得到漁業(yè)資源直接經(jīng)濟損失。運用公式計算：

漁業(yè)資源損失量=事發(fā)前漁業(yè)資源密度×污染面積×損害系數(shù)

(5)

漁業(yè)資源直接經(jīng)濟損失=當?shù)厮a(chǎn)市場價格×漁業(yè)資源損失量

(6)

根據(jù)《漁業(yè)污染事故經(jīng)濟損失計算方法》[32],漁業(yè)資源的恢復(fù)費用取直接經(jīng)濟損失的3倍,計算漁業(yè)資源的恢復(fù)費用。則漁業(yè)資源損失為直接經(jīng)濟損失與漁業(yè)資源的恢復(fù)費用的和。

1.5 數(shù)據(jù)輸出

評估模式主要輸出的數(shù)據(jù)有各種類的單位生物量,魚卵、仔稚魚和游泳動物損失量,造成的漁業(yè)資源的經(jīng)濟損失。

2 總結(jié)與分析

隨著科學技術(shù)越來越先進成熟,越來越多的技術(shù)與設(shè)備投入到海洋環(huán)境監(jiān)測與海洋環(huán)境治理當中來,溢油事故中的漁業(yè)資源損失評估不再單純依靠實地檢測。本文通過海洋動力學、流體力學、海洋生物學、環(huán)境化學等多個學科建立了漁業(yè)資源的數(shù)值模擬評估模式。漁業(yè)資源損失的數(shù)值模擬評估模式就是將流場風場模型、溢油模型、衛(wèi)星遙感技術(shù)等計算機手段與海域調(diào)查監(jiān)測、毒性效應(yīng)和漁業(yè)資源損失評估等理論方法相結(jié)合,將各自獨立的部分串聯(lián)成一個整體,形成一套成熟的評估模式方法。以墨西哥灣溢油事故為例,原油泄露伴隨著爆炸火災(zāi),原油持續(xù)泄露了87天才得到控制,司法鑒定評估很難快速開展,且事故發(fā)生后幾年時間內(nèi)不斷出現(xiàn)索賠訴訟,BP公司最終同意賠償187億美元終結(jié)了墨西哥灣溢油事故,事故處理過程進行了5年多才結(jié)束。現(xiàn)階段的漁業(yè)資源損失評估,特別是在確定溢油污染面積和溢油濃度范圍上,采用布設(shè)取樣點現(xiàn)場檢測分析的方法,由于污染物仍在進行漂移風化等現(xiàn)象,計算存在一定的誤差,不能真實反映出溢油污染的實時情況。且事故發(fā)生后常存在爆炸火災(zāi),很難第一時間進行現(xiàn)場調(diào)查取證,給漁業(yè)資源損失評估工作帶來一定時間的滯后性。當事故發(fā)生后漁業(yè)資源損失的數(shù)值模擬評估模式可以直接根據(jù)事故提供的參數(shù),計算出實時的溢油污染情況,從數(shù)值模擬的角度計算不同時間段內(nèi)漁業(yè)資源的損失,為溢油事故中的漁業(yè)資源評估提供了一定的輔助支持。