李獻(xiàn)麗，陸凡，王臣，沈良朵

(1.浙江國際海運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院海洋裝備工程學(xué)院,浙江舟山 316021;2.浙江海洋大學(xué)船舶與海運(yùn)學(xué)院,浙江舟山 316022;3.舟山市港航工程規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司,浙江舟山 316000;4.浙江海洋大學(xué)海洋工程裝備學(xué)院，浙江舟山 316022)

舟山群島位于浙江省東北部，島嶼眾多，航道縱橫，水上交通較為發(fā)達(dá)。多年來，為滿足城市發(fā)展需要，港口碼頭不斷建設(shè)發(fā)展。島內(nèi)航線密集而繁忙，船舶航行碰撞發(fā)生溢油的因素加大，可能產(chǎn)生的海洋環(huán)境危害也愈發(fā)得到重視[1]。

港口碼頭海域環(huán)境危害主要源于海上溢油事故的發(fā)生，受風(fēng)向和潮流的影響其危害范圍較廣。如何采取有效手段預(yù)測(cè)溢油風(fēng)險(xiǎn)，做到未雨綢繆，就顯得尤為重要。海上石油發(fā)生泄漏后，油膜受海水密度、溫度、鹽度等因素的影響發(fā)生多種物理、化學(xué)和生物變化過程，如擴(kuò)展、分散、蒸發(fā)、乳化、沉降及生物降解[2-3]。基于此，國內(nèi)外學(xué)者開展了一系列溢油模擬分析。20 世紀(jì)60 年代，F(xiàn)AY[4]提出了經(jīng)典的三階理論對(duì)油膜擴(kuò)散進(jìn)行解釋，將溢油分為3 個(gè)階段；JOHANSEN,et al[5]在油粒子模型中加入Lagrange 追蹤法，使得在風(fēng)浪等作用下油膜破碎分離現(xiàn)象更清晰；CHO,et al[6]同時(shí)考慮潮流和潮汐，建立了溢油分散模型，對(duì)河北精神號(hào)超大型油輪在黃海發(fā)生的漏油事故進(jìn)行計(jì)算擴(kuò)散分布，為防治災(zāi)害提供直觀的數(shù)據(jù)材料；ELIZARYEV,et al[7]使用GNOME 模型和HAZAT 軌跡模型2 種不同的模型對(duì)Exxon Valdez 溢油軌跡進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)影響油在水體中分散的物理化學(xué)特性變化的主要因素是風(fēng)速風(fēng)向、水溫和波高；游立新等[8]通過建立二維水動(dòng)力模型并耦合了油粒子模型預(yù)測(cè)了枝城區(qū)鐵水聯(lián)運(yùn)碼頭前沿發(fā)生溢油事故后油膜的漂移擴(kuò)散過程；吳瓊等[9]采用油粒子模型以湛江港航道疏浚工程為例，對(duì)其施工期和運(yùn)營期可能對(duì)海域水環(huán)境的影響和存在風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)及分析，為大型航道工程建設(shè)提供參考。目前，溢油事故預(yù)測(cè)研究最受青睞的就是“油粒子”模型[5]，其認(rèn)為油膜是以大量獨(dú)立的油粒子組成，每個(gè)油粒子含有一定油量?；ゲ桓蓴_的特性使得“油粒子”模型可以確切地表現(xiàn)出較厚的油向油膜邊緣擴(kuò)展的過程以及油膜形狀在風(fēng)向上明顯拉長的現(xiàn)象，同時(shí)相較于傳統(tǒng)模式，“油粒子”模型在油膜斷裂和迎風(fēng)壓縮等方面也更具合理性。

因此，本文建立了工程區(qū)域二維水動(dòng)力模型，在模型適用性得到驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，耦合油粒子模型對(duì)舟山定海某交通碼頭工程進(jìn)行溢油的漂移擴(kuò)散、掃海面積以及到達(dá)敏感區(qū)域的時(shí)間進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，為溢油事故應(yīng)急方案制定提供理論指導(dǎo)[9-12]。

1 二維水動(dòng)力模型建立

1.1 控制方程

式中：t為時(shí)間，s；d為靜水深，h；η 為水面高程，m；u、v分別為x、y方向上的分量，m·s-1；pa為當(dāng)?shù)卮髿鈮?；ρ為水的密度，kg·m-3；ρ0為參考水密度，kg·m-3；f=2Ωsinφ 指柯氏力參數(shù)，s-1(φ 為所處地理緯度，°；Ω 為自轉(zhuǎn)角速率，取0.729×10-4rad·s-1)；fvˉ和fuˉ為地球自轉(zhuǎn)引起的加速度，m·s-2；sxx、sxy、syx、syy為波輻射應(yīng)力分量，N·m-2；Txx、Txy、Tyx、Tyy為水平粘滯應(yīng)力項(xiàng)；S為源匯項(xiàng)；(ps,qs)源匯項(xiàng)水流流速，m·s-1。

1.2 計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格

本文數(shù)值模型計(jì)算區(qū)域設(shè)置范圍較大，為28.5°N——32°N，120°E——126°E。其中長江水域上游邊界設(shè)在江陰處，杭州灣上游邊界設(shè)在澉浦潮位站。以非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格劃分，在遠(yuǎn)海區(qū)域設(shè)置最大網(wǎng)格尺度5 000 m，工程區(qū)則進(jìn)行網(wǎng)格局部加密，最小網(wǎng)格距20 m，兩者之間采用模型平滑迭代過度，便于更好地描繪出岸線和水下地形，減少模型計(jì)算時(shí)間。模型共計(jì)41 041 個(gè)節(jié)點(diǎn)，78 473 個(gè)單元，水深地形及網(wǎng)格分別如圖1、2 所示。

圖1 計(jì)算域網(wǎng)格和水深示意圖Fig.1 Grid and water depth diagram

圖2 局部網(wǎng)格示意圖Fig.2 Local grid diagram

1.3 模型驗(yàn)證

模型驗(yàn)證選擇中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司水文測(cè)驗(yàn)期間的實(shí)測(cè)資料，對(duì)定海和鎮(zhèn)海2 個(gè)長期潮位站進(jìn)行潮位驗(yàn)證，對(duì)定點(diǎn)測(cè)站N1 和N14 分大小潮進(jìn)行流速流向驗(yàn)證(大潮：2015.05.04——2015.05.05；小潮：2015.05.12——2015.05.13)。測(cè)站位置如表1 所示。

表1 驗(yàn)證點(diǎn)位置Tab.1 Verification point location

1.3.1 潮位驗(yàn)證

圖3 潮位驗(yàn)證結(jié)果顯示，整體數(shù)值結(jié)果趨勢(shì)與實(shí)測(cè)值擬合較好，誤差僅在6 cm 以內(nèi)，相對(duì)誤差控制在5%左右，僅在部分最低潮處誤差存在15 cm 左右，但總體吻合度較高。

圖3 潮位驗(yàn)證Fig.3 Tide level verification

1.3.2 潮流驗(yàn)證

圖4 潮流驗(yàn)證結(jié)果顯示，大潮階段計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值基本保持同步，相比之下，小潮階段2 個(gè)測(cè)站個(gè)別最高潮處有所跳動(dòng)，但整體誤差基本在10%左右。流向結(jié)果擬合度較高，相對(duì)誤差在7%以內(nèi)，并能看出潮流運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)往復(fù)流特征。

圖4 潮流驗(yàn)證Fig.4 Power flow verification

綜上所述，模型精度能夠基本上滿足《海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》[13]的要求，能夠反映出漲落潮時(shí)刻變化以及潮流運(yùn)動(dòng)特征，可以為溢油模型提供較好的流場驅(qū)動(dòng)力。

1.4 潮流場分析

圖5 是工程區(qū)附近海域大潮漲落急時(shí)刻的流場圖。由圖可知，漲急時(shí)刻潮流主要是來自東海的前進(jìn)波，經(jīng)舟山東南外海島嶼間水道而分流抵達(dá)工程區(qū)域。工程區(qū)東西側(cè)海域均較為開闊，地形起伏變化不大，故整體上漲落時(shí)刻的流路呈現(xiàn)出往復(fù)流的形式，且基本是平行于岸線方向。而流速在島嶼狹道處受到束水作用，過水?dāng)嗝鏈p小，流速最大可達(dá)1.2 m·s-1；對(duì)于落急時(shí)刻，僅有方向上反向的差異。

2 溢油模型預(yù)測(cè)

2.1 計(jì)算方程

(1)在風(fēng)和流的共同作用下，油粒子群的每一個(gè)油粒子的運(yùn)動(dòng)可用下式表示：

式中：X、Y為經(jīng)過后油粒子的位置；X0、Y0為某質(zhì)點(diǎn)的初始坐標(biāo)；U、V分別為X、Y方向的流速分量，m·s-1，包括潮流和風(fēng)海流2 部分，流場由前述潮流模式計(jì)算得到；W10為海面上的風(fēng)速，m·s-1；A為風(fēng)向，°；α 為風(fēng)拖曳系數(shù)；r為隨機(jī)走動(dòng)距離(擴(kuò)散項(xiàng))，是由水流的隨機(jī)性脈動(dòng)所導(dǎo)致每個(gè)油粒子的空間位移，r=RE，R為0～1 之間的隨機(jī)數(shù)，E為擴(kuò)散系數(shù)；B為隨機(jī)擴(kuò)散方向，B=2πR。

(2)風(fēng)拖曳系數(shù)選取

風(fēng)海流采用如下計(jì)算公式：

式中：α 為風(fēng)拖曳系數(shù)；f(θ)為科氏力引起的偏轉(zhuǎn)角的函數(shù)；θ 為偏轉(zhuǎn)角，°。在北半球，風(fēng)海流向右偏轉(zhuǎn)于風(fēng)向，此處偏轉(zhuǎn)角取15°，α 取0.03。

風(fēng)拖曳系數(shù)是海洋大氣物理學(xué)中的重要參數(shù)，本文中采用JIN Wu[14]的公式，即：

式中：Ca=1.255×10-3；Cb=2.425×10-3；Wa=7 m·s-1；Wb=25 m·s-1。

2.2 預(yù)測(cè)方案

本次研究對(duì)象的溢油風(fēng)險(xiǎn)事故主要來源于碼頭裝卸作業(yè)產(chǎn)生的溢油和來港船只航道上受海損事故產(chǎn)生的溢油。根據(jù)調(diào)查[15]發(fā)現(xiàn)，操作性事故造成溢油量相對(duì)較小，而海損性事故雖然發(fā)生概率較小，但往往溢油量較大，對(duì)環(huán)境的危害較為嚴(yán)重。此碼頭不停泊油船，故以操作性事故作為碼頭風(fēng)險(xiǎn)事故源項(xiàng)，一般性海損事故作為航道溢油事故源項(xiàng)。

2.2.1 研究區(qū)域

舟山群島內(nèi)航道多而繁忙，島嶼狹道效應(yīng)和波流作用明顯，漲落潮時(shí)刻流速變化較大，對(duì)船舶航行造成一定的影響。故針本文確定的2 處事故源項(xiàng)，選擇具有代表性的碼頭前沿以及航道處作為溢油點(diǎn)。同時(shí)，選擇3 個(gè)較為重要且典型的敏感目標(biāo)作為對(duì)象，分析溢油影響及開始影響時(shí)間。選取的敏感目標(biāo)分別為雙礁與黃牛礁特殊利用區(qū)、西蟹峙特殊利用區(qū)及沈家門農(nóng)漁業(yè)區(qū)(溢油點(diǎn)位置和敏感區(qū)域如圖6 所示)。

圖6 溢油點(diǎn)位置和敏感區(qū)域Fig.6 Location of oil spill point and peripheral sensitive targets

2.2.2 預(yù)測(cè)條件

根據(jù)油膜在潮流作用下輸移的物理過程，選擇高平潮和低平潮2 個(gè)時(shí)刻分別進(jìn)行溢油釋放計(jì)算[16]。考慮對(duì)敏感區(qū)域的不利風(fēng)向(SE)，風(fēng)速均按建議值取13.8 m·s-1?；谝陨蠗l件，根據(jù)《船舶污染海洋環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范(試行)》[17]，碼頭前沿選擇2 t 溢油量進(jìn)行模擬，航道處由于缺少工程區(qū)主力船型數(shù)據(jù)，取建議值10 t 進(jìn)行模擬。

2.2.3 溢油工況設(shè)計(jì)

綜合考慮潮流和不利風(fēng)向因素，對(duì)各溢油點(diǎn)按風(fēng)向和潮流類型進(jìn)行組合，溢油計(jì)算工況如表2、3 所示。

表2 碼頭前沿溢油預(yù)測(cè)方案Tab.2 Oil spill prediction scheme for wharf front

表3 航道處溢油預(yù)測(cè)方案Tab.3 Oil spill prediction scheme at waterway

3 預(yù)測(cè)結(jié)果分析

3.1 碼頭前沿溢油數(shù)值分析

油膜初期受潮流作用明顯，在漲潮流作用下迅速向杭州灣西側(cè)方向漂移。隨后油膜受往復(fù)流作用向東南方向震蕩漂移，7 h 后開始對(duì)西蟹峙特殊利用區(qū)產(chǎn)生環(huán)境影響，24 h 內(nèi)大量油粒子集中擴(kuò)散到西蟹峙特殊利用區(qū)東南側(cè)，隨后在SE 風(fēng)向作用下沿杭州灣方向運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)明顯，其油膜面積逐漸增大，并在30 h 內(nèi)開始對(duì)雙礁與黃牛礁特殊利用區(qū)環(huán)境有不利影響。最終在不利風(fēng)向SE 的主導(dǎo)下，72 h 內(nèi)油膜影響范圍達(dá)605.2 km2，如圖7、8 所示。

圖7 溢油發(fā)生24 h 后油粒子軌跡(漲潮時(shí)刻)Fig.7 Oil particle trajectory after 24 h of oil spill(rising tidal)

圖8 溢油發(fā)生72 h 后油粒子軌跡(漲潮時(shí)刻)Fig.8 Oil particle trajectory after 72 h of oil spill(rising tidal)

落潮時(shí)刻溢油在不利風(fēng)(SE)條件下的預(yù)測(cè)如圖9、10 所示：油膜初期同樣在潮流作用下迅速向東南側(cè)方向漂移。大部分油粒子12 h 內(nèi)往西北飄移，故到達(dá)雙礁與黃牛礁特殊利用區(qū)比漲潮時(shí)刻早7 h，對(duì)西蟹峙特殊利用區(qū)比漲潮時(shí)刻晚1 h。油膜在SE 風(fēng)向以及往復(fù)流作用下向西北——東南方向擴(kuò)散面積逐漸增大，72 h 內(nèi)溢油掃海面積內(nèi)影響范圍為926.3 km2。

圖9 溢油發(fā)生24 h 后油粒子軌跡(落潮)Fig.9 Oil particle trajectory after 24 h of oil spill(falling tide)

圖10 溢油發(fā)生72 h 后油粒子軌跡(落潮)Fig.10 Oil particle trajectory after 72 h of oil spill(falling tide)

3.2 航道處溢油數(shù)值分析

航道處溢油初期情況與碼頭處有所不同，油膜在漲潮流作用下會(huì)迅速沿岸線向西北側(cè)漂移，14 h 后油膜到達(dá)西蟹峙特殊利用區(qū)，前期24 h 內(nèi)油粒子受岸線吸附影響明顯，呈現(xiàn)出長帶狀油膜，并在27 h后逐漸對(duì)雙礁與黃牛礁特殊利用區(qū)產(chǎn)生環(huán)境影響。隨后在不利風(fēng)向和往復(fù)流雙重作用下，油膜向西北-東南方向震蕩漂移，擴(kuò)散面積不斷增大，最終72 h 內(nèi)油膜影響的海域面積為1 442.3 km2，如圖11、12 所示。

圖11 溢油發(fā)生24 h 后油粒子軌跡(漲潮)Fig.11 Oil particle trajectory after 24 h of oil spill(rising tidal)

圖12 溢油發(fā)生72 h 后油粒子軌跡(漲潮)Fig.12 Oil particle trajectory after 24 h of oil spill(rising tidal)

航道處不利風(fēng)(SE)條件下落潮時(shí)刻溢油預(yù)測(cè)如圖13、14 所示，油膜初期在落潮流作用下迅速向東南側(cè)方向漂移，與漲潮時(shí)不同的是岸線吸附作用減弱，油粒子多是聚集狀態(tài)，8 h 后開始影響西蟹峙特殊利用區(qū)。同時(shí)12 h 內(nèi)大量油粒子聚集在雙礁與黃牛礁特殊利用區(qū)北側(cè)，故影響時(shí)間早于漲潮時(shí)刻3 h。油膜隨后在SE 風(fēng)向以及往復(fù)流作用下向西北-東南方向震蕩漂移，其油膜面積逐漸增大，最終72 h 內(nèi)溢油掃海面積為1 010.1 km2。

圖13 溢油發(fā)生24 h 后油粒子軌跡(落潮)Fig.13 Oil particle trajectory after 24 h of oil spill (falling tide)

圖14 溢油發(fā)生72 h 后油粒子軌跡(落潮)Fig.14 Oil particle trajectory after 72 h of oil spill(falling tide)

綜上所述，由于流況不同，風(fēng)速風(fēng)向也有一定變化，所以在不同地點(diǎn)、不同時(shí)刻發(fā)生溢油后所追蹤到的油膜軌跡就不盡相同[18]。對(duì)于碼頭前沿處溢油情況，相較于漲潮時(shí)刻風(fēng)向的主導(dǎo)作用，復(fù)雜海島地形也會(huì)影響油膜擴(kuò)散軌跡。其中，金塘島會(huì)對(duì)漲潮時(shí)刻油膜向杭州灣方向運(yùn)動(dòng)起到一定的阻礙作用，擴(kuò)散動(dòng)力減弱導(dǎo)致72 h 內(nèi)油膜影響范圍小于落潮時(shí)刻；航道處溢油風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)表明，落潮時(shí)刻24 h 內(nèi)油粒子受潮流與風(fēng)向作用，多在舟山本島與金塘水道內(nèi)漂移，向西南外海區(qū)域漂移較弱導(dǎo)致油膜影響面積小于漲潮時(shí)刻。同時(shí)受水深的影響，航道處水動(dòng)力條件強(qiáng)于碼頭前沿，故整體上航道處發(fā)生溢油后的影響區(qū)域面積大于碼頭前沿處溢油面積。

4 結(jié)論

本文在二維水動(dòng)力模型基礎(chǔ)上耦合油粒子模型對(duì)舟山定海某碼頭前沿及航道處進(jìn)行溢油預(yù)測(cè)分析，結(jié)果表明：

(1)初期階段2 處溢油點(diǎn)主要受到潮流作用，沿漲落潮方向進(jìn)行漂移。隨后在不利風(fēng)向SE 主導(dǎo)作用下，進(jìn)行震蕩漂移擴(kuò)散。72 h 內(nèi)漲落時(shí)刻碼頭前沿處溢油最大油膜掃海面積達(dá)到926.3 km2，航道處溢油最大油膜掃海面積達(dá)到1 442.3 km2。

(2)碼頭前沿處漲潮時(shí)刻，復(fù)雜的海島地形對(duì)溢油擴(kuò)散軌跡起到阻礙作用，擴(kuò)散動(dòng)力減弱導(dǎo)致72 h 內(nèi)油膜影響范圍小于落潮時(shí)刻；航道處溢油發(fā)生后，落潮時(shí)刻油粒子受眾多島嶼的影響，在舟山本島與金塘水道內(nèi)漂移，對(duì)外海影響面積減小。

(3)該工程區(qū)域發(fā)生溢油事故影響敏感目標(biāo)主要為西蟹峙特殊利用區(qū)和雙礁與黃牛礁特殊利用區(qū)，對(duì)沈家門農(nóng)漁業(yè)區(qū)影響極小。同時(shí)在漲落時(shí)刻，溢油到達(dá)敏感區(qū)域時(shí)間存在明顯差異，碼頭前沿最大時(shí)間差出現(xiàn)在雙礁與黃牛礁特殊利用區(qū)為7 h，航道處則在西蟹峙特殊利用區(qū)為6 h。