韓春陽 廣東海蘭圖環(huán)境技術(shù)研究有限公司

1.引言

大亞灣消防船碼頭位于惠州大亞灣北側(cè)海域，是大亞灣海域確保消防船隨時具備快速抵達事故海域的重要交通基礎(chǔ)設(shè)施。本工程部分用海位于廣東大亞灣水產(chǎn)資源省級自然保護區(qū)的北部實驗區(qū)，由于工程所在海域的海灣半封閉水域特征，溢油事故發(fā)生后，其負面影響在短時間內(nèi)難以消除。

由于溢油擴散過程十分復(fù)雜，溢油預(yù)測的結(jié)果同時受到外部氣象條件與油自身化學(xué)性質(zhì)的共同作用影響。海上溢油預(yù)測模擬發(fā)展至今，由溢油3階段擴散理論發(fā)展至基于拉格朗日隨機游走理論的“油粒子”模型，近年來，國內(nèi)已開展了許多研究。張海文等基于MIKE 21水動力模型及溢油模塊建立溢油擴散數(shù)學(xué)模型，預(yù)測分析福寧灣海域溢油影響。顧恩慧等在二維潮流數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，建立采用“油粒子”方法的溢油模型，對樂清灣北港區(qū)溢油風(fēng)險進行預(yù)測模擬。黃娟等用數(shù)值模擬方法，對在渤海發(fā)生的溢油進行預(yù)測。婁安剛等建立了膠州灣內(nèi)的預(yù)報潮流場，考慮風(fēng)場對海面溢油的影響，給出了預(yù)測膠州灣溢油飄移軌跡的數(shù)值模型，對膠州灣溢油的油膜漂移軌跡進行了數(shù)值模擬。

本次采用DHI開發(fā)的MIKE 21 HD模塊和MIKE21OS模塊對大亞灣北側(cè)海域溢油事故進行數(shù)值模擬預(yù)測。

2.溢油模型

海上的溢油行為受氣象條件和潮流特性等環(huán)境條件以及溢油本身化學(xué)性質(zhì)的影響，會經(jīng)歷十分復(fù)雜的物理化學(xué)變化過程。溢油運動包括自身擴展、漂移和風(fēng)化。油膜的擴展過程是由于其自身的重力、慣性力、粘性力以及表面張力相互作用的結(jié)果，可按主導(dǎo)作用力的不同將其劃分為三個階段。漂移運動是指溢油在風(fēng)、潮流等環(huán)境因素作用下的對流過程和紊動擴散。風(fēng)化作用包括了溢油的蒸發(fā)、乳化和溶解等生化反應(yīng)。本溢油模型根據(jù)模擬得到的水動力基礎(chǔ)數(shù)據(jù)建立項目所在海域溢油擴散預(yù)測模型。模擬溢油在海上的擴展、漂移和風(fēng)化過程。

在潮流場計算的基礎(chǔ)上，采用拉格郎日法計算溢油漂移擴散影響范圍，控制方程如下：

式中：x、y為某質(zhì)點初始坐標(biāo)（m）；U、V為流速（m/s）；w為風(fēng)速（m/s）；A為風(fēng)向；α為修正系數(shù)；r=RE，R為隨機擴散項，R為0～1之間的隨機數(shù)；E為擴散系數(shù)；B為隨機擴散方向。

模型同時還考慮了包括蒸發(fā)、溶解和形成乳化物等過程，在這些過程中油粒子的組分發(fā)生改變，但其水平位置沒有發(fā)生變化。

3.事故溢油影響預(yù)測分析

3.1 計算海域選擇

本工程所處的大亞灣北側(cè)海域，是大亞灣海域確保消防船隨時具備快速抵達事故海域的重要交通基礎(chǔ)設(shè)施。本工程部分用海位于廣東大亞灣水產(chǎn)資源省級自然保護區(qū)的北部實驗區(qū)，該海域發(fā)生溢油將對周邊敏感區(qū)域產(chǎn)生較大影響。因此，本文對工程所在海域開展溢油事故模擬分析。

3.2 模型建立

本次計算海域為西南—東北方向長約85km，項目所在岸線—東南方向長約65km。計算域大范圍水深由國家海洋科學(xué)數(shù)據(jù)中心發(fā)布水深數(shù)據(jù)及電子海圖進行確定，擬建工程附近水域水深參考設(shè)計單位提供的實測地形數(shù)據(jù)修正，工程所在岸線根據(jù)Google Earth衛(wèi)星圖提取。

為提高數(shù)值模擬計算效率，同時又確保工程附近海域有足夠分辨率，擬合項目所在水域復(fù)雜岸線、島嶼以及其他水工建筑物等邊界，計算模式采用非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格對計算域進行劃分，工程附近局部加密。模型計算采用國家1985高程。外海區(qū)域空間步長較大，在開邊界約為500m，工程區(qū)域空間步長約為5～10m。其中現(xiàn)狀工況計算域共計生成計算節(jié)點29239個，網(wǎng)格53389個。

工程海域潮流模型開邊界潮位從調(diào)和分潮預(yù)測的潮汐結(jié)果中提取，并根據(jù)潮汐預(yù)報和實測水位進行調(diào)整以使計算水位與實測水位盡量重合。

計算范圍內(nèi)的潮位站和流速點的計算潮位、流速、流向和實測值基本吻合，所建立的工程范圍海域潮流數(shù)學(xué)模型合理可信，基本反映了項目所在海域整體的潮流運動規(guī)律。

3.3 溢油參數(shù)選取

溢油事故發(fā)生位置設(shè)定在擬建碼頭前沿停泊水域；溢油量設(shè)置溢油12t，燃料油的密度（柴油）按845kg/m考慮，從環(huán)境風(fēng)險的最不利影響角度出發(fā)，燃料油以連續(xù)點源的形式泄漏，在1小時內(nèi)泄漏完畢；模型忽略油膜的初始重力擴展階段，油膜初始半徑取為100m；溢油擴散參數(shù)a和b分別取為0.07和0.7；海底粗糙長度取為0.02m；風(fēng)拖曳系數(shù)取為3%；油膜蒸發(fā)率為0.1m/d；校準(zhǔn)參數(shù)取為2000；預(yù)測選取夏季盛行風(fēng)（SE）、冬季盛行風(fēng)（NNE），以及不利風(fēng)向（NE），計算風(fēng)速考慮各風(fēng)向全年平均風(fēng)速（項目所在區(qū)域年平均風(fēng)速為3.2m/s）與不利風(fēng)速（六級風(fēng)，此處取 13.8m/s）；分別對大潮漲潮初期和落潮初期發(fā)生泄漏事故的情景進行計算，計算結(jié)果給出72h的預(yù)測結(jié)果，統(tǒng)計油膜厚度大于0.0001mm的影響范圍和掃海面積。

3.4 溢油污染影響預(yù)測分析

本次預(yù)測溢油事故發(fā)生后72h，共設(shè)置6個計算工況，預(yù)測結(jié)果如下。

3.4.1 碼頭前沿風(fēng)險溢油模擬結(jié)果

在夏季風(fēng)向平均風(fēng)速工況條件下，夏季主導(dǎo)風(fēng)（SE，3.2m/s）作用下，受到潮流和風(fēng)的共同影響，油膜漂移范圍主要在工程附近海域。油膜主要影響到大亞灣水產(chǎn)資源省級自然保護區(qū)北部實驗區(qū)、霞涌—稔山休閑娛樂區(qū)。漲初時刻和落初時刻溢油影響范圍不大，72h最大污染影響范圍為2.35km。

在冬季風(fēng)向平均風(fēng)速工況條件下，冬季主導(dǎo)風(fēng)（NNE，3.2m/s）作用下，受到潮流和風(fēng)的共同影響，油膜漂移范圍主要在工程附近及工程西南側(cè)海域。油膜主要影響到大亞灣水產(chǎn)資源省級自然保護區(qū)北部實驗區(qū)、大亞灣西北部產(chǎn)卵場。漲初時刻和落初時刻溢油影響范圍不大，72 h 最大污染影響范圍為4.82km。

在不利風(fēng)向不利風(fēng)速工況條件下，不利風(fēng)向不利風(fēng)速（NE，13.8m/s）作用下，受到潮流和風(fēng)的共同影響，油膜漂移范圍主要在工程西南側(cè)海域。油膜主要影響到大亞灣水產(chǎn)資源省級自然保護區(qū)北部實驗區(qū)、大亞灣西北部產(chǎn)卵場、大亞灣水產(chǎn)資源省級自然保護區(qū)中部緩沖區(qū)、大亞灣水產(chǎn)資源省級自然保護區(qū)中部核心區(qū)、大亞灣水產(chǎn)資源省級自然保護區(qū)西北部核心區(qū)、大亞灣中部產(chǎn)卵場、大亞灣水產(chǎn)資源省級自然保護區(qū)西南部核心區(qū)。漲初時刻和落初時刻溢油影響范圍不大，72h最大污染影響范圍為59.89km。

影響范圍見圖1～圖3，油膜漂移路程和海域掃海面積見表1。

表1 油膜漂移路程和掃海面積

圖1 溢油掃海范圍（夏季風(fēng)向SE、風(fēng)速3.2m/s、72時）

圖2 溢油掃海范圍（冬季風(fēng)向NNE、風(fēng)速3.2m/s、72時）

圖3 溢油掃海范圍（不利風(fēng)向NE、風(fēng)速13.8m/s、72時）

3.4.2 環(huán)境敏感目標(biāo)影響分析

溢油到達項目周邊敏感目標(biāo)時間見表2。

表2 溢油到達時間統(tǒng)計表

4.結(jié)論

本文利用MIKE21HD模塊建立水動力模型，通過模型驗證對模型相關(guān)參數(shù)進行調(diào)整，能夠反應(yīng)該海域潮流特征。并基于水動力模型利用MIKE21OS模塊對項目附近溢油事故進行模擬分析，得到結(jié)論如下：①溢油發(fā)生72h后，油膜最大掃海面積為59.89km，漂移路程為22.61 k m，出現(xiàn)在漲潮期最不利風(fēng)狀況下。②發(fā)生溢油時，在冬季風(fēng)NNE風(fēng)和最不利風(fēng)NE風(fēng)的狀況下，溢油漂移擴散至西南側(cè)海域，將會產(chǎn)生一定的環(huán)境影響。