胡 田， 潘家琳

(中海環(huán)境科技(上海)股份有限公司，上海 200135)

0 引 言

根據國際油輪船東防污染聯(lián)合會(International Tanker Owners Pollution Federation，ITPOF)對全球發(fā)生的船舶溢油事故的統(tǒng)計，1970—2021年僅泄漏量超過7 t的油船泄漏事故就發(fā)生約1 854起，其中有1/4的溢油事故的油品泄漏量超過700 t，平均每年約發(fā)生36起，油品泄漏量少于7 t的溢油事故更是超過了10 000起。隨著我國港口碼頭貨物吞吐量的不斷增加，一旦船舶發(fā)生溢油事故，會給海洋的生態(tài)環(huán)境帶來不可估量的損害。因此，建立海上溢油數(shù)學模型，科學合理地模擬海上溢油事故的油膜軌跡分布范圍，對于科學地制訂海上溢油事故應急處置方案和有效降低溢油事故對海洋生態(tài)環(huán)境的影響而言具有重要意義。

海上溢油事故發(fā)生之后，油膜的擴展漂移主要受潮流場與風場的共同影響，其中風場是油膜擴展漂移的一個重要影響因素。目前，國內外已提出不少關于海上溢油擴展漂移的理論模式，這些模式中由風引起的漂移速率一般為風速的1%～5%，稱為風漂移系數(shù)，屬于經驗系數(shù)，多數(shù)以海面上10 m高處風速的3%作為漂移速度。20世紀80年代以來，我國一些學者利用物理模型和數(shù)學模型開展了風漂移系數(shù)取值大小的探討，以及風漂移系數(shù)對油膜擴展漂移的影響的研究。杜完成等通過在珠江口唐家灣開展海上石油漂移擴散試驗得出，唐家灣海域的風漂移系數(shù)平均值為0.027。季榮等通過在實驗室開展溢油漂移模擬發(fā)現(xiàn)，當風速小于10 m/s時，風速引起的勝利油田原油漂移速率約為風速的2%。郭運武等通過在實驗室開展水槽溢油試驗，分析了風場對河道溢油擴展和漂移的影響，結果表明，風速的變化對連續(xù)性溢油油膜縱向擴展尺度的影響較大，擴展尺度隨風速的增加而增大，但對瞬時溢油油膜縱向擴展尺度的影響較小。吳曉丹等利用油膜橢圓擴展模型構建了溢油擴展油膜厚度與海洋環(huán)境條件和溢油性質的定量關系，研究認為風速是對油膜厚度影響最大的因素，風速越大，越有利于油膜遷移擴展，油膜厚度越小?？锎淦嫉壤肈elft3D軟件建立了蓬萊19-3溢油事故模型并進行了數(shù)值模擬，結果表明，潮流對溢油漂移的作用不及風場，蓬萊19-3溢油事故模擬中的風漂移系數(shù)的合理取值范圍為1.4%～2.3%。以往的研究多采用物理模型分析風漂移系數(shù)對溢油的影響，已有的海上溢油模型選取的風漂移系數(shù)基本上都是經驗值，很少對風漂移系數(shù)對油膜漂移擴展的影響進行定量分析。

本文以營口港海域溢油事故為例，采用數(shù)值模擬的方法，在已有的水動力模型的基礎上，利用MIKE21 OS耦合建立海上溢油模型，選取具有代表性的風漂移系數(shù)條件下的溢油泄漏事故進行模擬預測，定量分析風漂移系數(shù)對油膜擴展漂移面積和擴展漂移距離的影響規(guī)律，為合理預測油膜可能影響海洋生態(tài)環(huán)境保護目標的時間和影響范圍提供參考。

1 溢油模型建立

本文采用MIKE21 HD模塊構建平面二維水動力模型，在該水動力模型的基礎上，耦合MIKE21 OS模塊，建立營口港海域海上溢油模型。MIKE21 OS模塊采用“油粒子”模式，對油膜的輸移和風化等過程進行模擬，從而模擬預測油膜的漂移軌跡、擴展漂移面積、擴展漂移距離和厚度的變化等。溢油進入水體之后發(fā)生擴展、漂移和擴散等油膜組分保持恒定的輸移過程，以及蒸發(fā)、溶解和乳化等油膜組分發(fā)生變化的風化過程。

1.1 擴展運動

油膜擴展表示為

(1)

式(1)中：為油粒子與水面作用之后的油膜面積，=π，為油膜直徑；為時間；為變化率常數(shù)；為油體積。

1.2 漂移運動

油粒子在水面的漂移受水流推移和風力的影響，總漂移速度為

=+··sin(-π+)

(2)

=+··cos(-π+)

(3)

式(2)和式(3)中：和分別為油粒子在方向和方向的對流移動分速度；和分別為方向和方向的表面流速分速度；為風漂移系數(shù)；為風向角；為水面上10 m處的風速；為風偏轉角。

1.3 紊動擴散

油膜受到強風、流場和紊動的影響擴散進入水體，波浪的破碎使油滴進入水體，油從水面到水體的紊動擴散為

=05707Δ

(4)

式(4)中：為夾帶系數(shù)；為消散波能；為水面被油覆蓋的分數(shù)(每個粒子附近假設為1)；為單位時間(每秒)內水面被破碎波的覆蓋分數(shù)；為油滴的平均直徑；Δ為油滴尺寸間距。

1.4 風化過程

油粒子的風化過程主要包括蒸發(fā)、溶解和乳化等過程。

1) 蒸發(fā)。油中組分較輕的部分會蒸發(fā)到大氣中，油膜蒸發(fā)主要受油組分、太陽輻射、氣溫、水溫、風速、油膜面積和厚度等因素的影響。

蒸發(fā)率表示為

(5)

式(5)中：為蒸發(fā)率；為質量傳輸系數(shù)；為每個粒子與水面作用之后的油膜面積；為蒸汽壓；為溫度；為氣體常數(shù)；為分子量；為蒸發(fā)系數(shù)。

2) 溶解。輕、重組分的溶解過程的計算公式為

DISS_volatile=····

(6)

DISS_heavy=····

(7)

式(6)～式(7)中：、、和分別為輕組分的溶解率、油粒子質量、密度和水溶解度；、、和分別為重組分的溶解率、油粒子質量、密度和水溶解度;為每個與水面接觸的粒子的油膜面積；為化學分散劑效果，溶解能力的提高。

3) 乳化。乳化指油與水混合之后形成的乳化物，一般在強風或波浪的條件溢油幾個小時之后發(fā)生。乳化過程可表示為

(8)

=-·

(9)

式(8)和式(9)中：為吸收速率；為釋放速率；含水率；最大含水率；為風速；為乳化率常數(shù)；為水釋放率。

1.5 計算區(qū)域

本文以營口港海域溢油事故為例進行分析。營口港位于遼東半島中部，面臨渤海遼東灣，計算區(qū)域為營口港區(qū)及其周邊海域，以長興島—秦皇島為開邊界的遼東灣海域，模型計算范圍東西方向長約230 km，南北方向長約160 km，模型的地形、水深和岸邊界主要根據中國人民解放軍海軍航海保證部制作的海圖確定。模型采用三角形網格對整個計算區(qū)域進行劃分，為提高模擬的精度，采用嵌套網格對營口港和溢油事故發(fā)生區(qū)域進行局部加密，在計算區(qū)域共計生成21 515個計算節(jié)點，40 915個網格。本文所述計算模型的海區(qū)開邊界水位根據長興島和秦皇島2個潮位站點的潮汐表水位資料選取，遼河口開邊界水位根據實測水位資料選取，模型計算區(qū)域網格劃分圖見圖1。

圖1 模型計算區(qū)域網格劃分圖

1.6 預測方案

本文模擬計算的海上溢油事故發(fā)生在營口港海域，油品泄漏點選擇易發(fā)生事故的仙人島港區(qū)航道與鲅魚圈港區(qū)航道交匯處，按5萬噸級原油運輸船的單個貨油邊艙全部發(fā)生泄漏計算，艙容參考《水上溢油環(huán)境風險評估技術導則》(JT/T 1143—2017)附錄C選取，確定油品泄漏量約為5 300 t，溢油方式選擇固定點源連續(xù)性溢油，油品選擇原油，密度取890 kg/m。基于前述國內外研究成果和已有的溢油模型經驗值，選取具有代表性的2種情況，即風漂移系數(shù)為0.02和0.03；鑒于遼東灣漲落潮流以NE至SW方向為主，風向選取與營口港海域漲落潮流軸線方向基本垂直和一致的SE和NE方向，風速取5 m/s。溢油時刻選取落潮和漲潮2個時刻，共得到8個環(huán)境風險預測組合方案，具體溢油模型預測方案見表1。

表1 溢油模型預測方案

2 模擬結果及分析

為定量分析各時刻的模擬結果，本文所述溢油模型的模擬時間取72 h，分別計算在SE風向和NE風向條件下，溢油事故發(fā)生24 h、48 h和72 h之后的油膜擴展漂移面積和擴展漂移距離，比較2種風漂移系數(shù)下溢油的擴展漂移情況。

2.1 對油膜擴展漂移面積的影響分析

圖2為不同漂移系數(shù)下發(fā)生溢油事故之后油膜擴展漂移軌跡和掃海范圍分布圖。由圖2可知：在落潮時發(fā)生溢油事故，油膜在橫向上隨落潮流向WS方向擴展漂移，落潮結束之后隨漲潮流向EN方向擴展漂移，油膜在橫向上隨漲落潮流如此有規(guī)律地往復運動；在漲潮時發(fā)生溢油事故，油膜在橫向上隨漲落潮流往復運動的方向與落潮時發(fā)生溢油事故的情況剛好相反；在SE風向條件下發(fā)生溢油，油膜在縱向上總體向WN方向擴展漂移；在NE風向條件下發(fā)生溢油，油膜在縱向上總體向WS方向擴展漂移，即油膜總體擴展漂移方向由風向決定。

a) CW=0.02，SE風向落潮時溢油

b) CW=0.03，SE風向落潮時溢油

c) CW=0.02，SE風向漲潮時溢油

d) CW=0.03，SE風向漲潮時溢油

e) CW=0.02，NE風向落潮時溢油

f) CW=0.03，NE風向落潮時溢油

g) CW=0.02，NE風向漲潮時溢油

h) CW=0.03，NE風向漲潮時溢油圖2 不同風漂移系數(shù)下發(fā)生溢油事故之后油膜擴展漂移軌跡和掃海范圍分布圖

表2為不同風漂移系數(shù)下油膜擴展漂移掃海面積統(tǒng)計。由表2可知：在相同氣象條件下，風漂移系數(shù)對油膜擴展漂移掃海面積的影響較大，風漂移系數(shù)越大，油膜掃海面積越大；在SE風向條件下，當風漂移系數(shù)由0.02增大至0.03時，72 h內油膜擴展漂移掃海面積增加量為26.08～153.34 km，增加率為19.76%～36.12%；在NE風向條件下，當風漂移系數(shù)由0.02增大至0.03時，72 h內油膜擴展漂移掃海面積增加量為20.87～136.19 km，增加率為20.17%～41.74%。由此可看出：風漂移系數(shù)的變化對油膜擴展漂移掃海面積的影響顯著；當風漂移系數(shù)由0.02增大至0.03時，SE風向條件下72 h內油膜擴展漂移掃海面積增加率為19.76%～36.12%，NE風向條件下72 h內油膜擴展漂移掃海面積增加率為20.17%～41.74%，NE風向條件下的油膜擴展漂移掃海面積增加率比SE風向條件下的大。由此可知，當NE風向與漲落潮流軸線方向一致時，風漂移系數(shù)增大對油膜擴展漂移面積的影響比SE風向與漲落潮流軸線方向垂直時的大。同時，結合圖2可得出：當風向與漲落潮流軸線方向基本一致時，風漂移系數(shù)增大既能促進油膜在橫向上的擴展漂移，又能促進油膜在縱向上的擴展漂移，從而大大增大油膜擴展漂移掃海面積和擴展漂移距離；當風向與漲落潮流軸線方向基本垂直時，風漂移系數(shù)增大主要促進油膜在縱向上的擴展漂移。

表2 不同風漂移系數(shù)下油膜擴展漂移掃海面積統(tǒng)計

2.2 對油膜擴展漂移距離的影響分析

由圖2可知：風漂移系數(shù)為0.03時的油膜擴展漂移距離明顯比風漂移系數(shù)為0.02時的油膜擴展漂移距離遠。在SE風向條件下，當風向與漲落潮流軸線方向垂直時，風漂移系數(shù)增大主要增加油膜在縱向上的擴展漂移距離，油膜在橫向上的擴展漂移距離增加不明顯；在NE風向條件下，當風向與漲落潮流軸線方向一致時，隨著風漂移系數(shù)的增大，油膜在橫向上和縱向上的擴展漂移距離均明顯增加。

表3為不同風飄移系數(shù)條件下的油膜擴展漂移距離統(tǒng)計。

表3 不同風飄移系數(shù)下的油膜擴展漂移距離統(tǒng)計

由表3可知：在SE風向條件下，當風漂移系數(shù)由0.02增大至0.03時，72 h內油膜擴展漂移距離增加量為4.5～13.1 km，增加率為47.22%～52.94%；在NE風向條件下，當風漂移系數(shù)由0.02增大至0.03時，72 h內油膜擴展漂移距離增加量為4.2～13.8 km，增加率為42.16%～58.67%。由此可知：風漂移系數(shù)的變化對不同風向條件下的油膜擴展漂移距離均有明顯的影響，隨著風漂移系數(shù)由0.02增大至0.03，油膜擴展漂移距離明顯增加；在SE或NE風向條件下，漲潮時溢油之后的油膜漂移距離增加率均比落潮時大，即風漂移系數(shù)的變化對漲潮時溢油之后的油膜擴展漂移距離的影響更大。

在同一氣象條件下，對比溢油發(fā)生24 h、48 h和72 h之后油膜擴展漂移距離增加量，可看出其基本上呈現(xiàn)等量遞增的規(guī)律，在油膜到達岸邊之前，風場促進油膜擴展漂移的作用基本保持一致。

3 結 語

本文利用MIKE21 HD模塊建立了營口港海域水動力模型，在此基礎上利用MIKE21 OS溢油模塊預測分析了風漂移系數(shù)對海上溢油擴展漂移面積和擴展漂移距離的影響規(guī)律，結果表明：

1) 風漂移系數(shù)是海上溢油事故發(fā)生之后影響油膜擴展漂移面積和擴展漂移距離的重要因素，當風漂移系數(shù)由0.02增大至0.03時，油膜擴展漂移掃海面積和擴展漂移距離均顯著增大，其中油膜擴展漂移掃海面積增加量和增加率在72 h內最大分別達到153.34 km和41.74%，油膜擴展漂移距離增加量和增加率在72 h內最大分別達到13.8 km和58.67%。

2) 當風向與漲落潮流軸線方向基本一致時，風漂移系數(shù)增大既能促進油膜在橫向上的擴展漂移，又能促進油膜在縱向上的擴展漂移，從而大大增大油膜擴展漂移掃海面積和擴展漂移距離；當風向與漲落潮流軸線方向基本垂直時，風漂移系數(shù)增大主要促進油膜在縱向上的擴展漂移。在SE風向或NE風向條件下，漲潮時溢油之后的油膜漂移距離增加率均比落潮時大，風漂移系數(shù)的變化對漲潮時溢油之后的油膜擴展漂移距離的影響更大。因此，風漂移系數(shù)的選取對于海上溢油數(shù)值模擬中的油膜擴展漂移掃海面積和擴展漂移位置距離預測而言至關重要。