钦州湾海上溢油扩散数值模拟*

牙韩争，李谊纯，董德信

(广西科学院 广西近海海洋环境科学重点实验室，广西南宁　530007)

钦州湾海上溢油扩散数值模拟*

牙韩争，李谊纯，董德信

(广西科学院 广西近海海洋环境科学重点实验室，广西南宁530007)

摘要：【目的】研究钦州湾海上溢油扩散特征及其影响因素。【方法】在对钦州湾水动力进行数值模拟的基础上，利用MIKE 21/3 SA溢油分析模块，对其海上溢油扩散进行数值模拟。【结果】常风况条件下，涨潮时刻发生溢油，溢油先向茅尾海方向漂移，待落潮后退出茅尾海；计算时段内，溢油向茅尾海方向及钦州湾外湾方向漂移的最远距离分别约为17.51 km和10.73 km，扫海面积约为71.83 km2。落潮时刻发生溢油，溢油则先向钦州湾外湾漂移，待涨潮后转向钦州湾湾颈方向；计算时段内，油膜向钦州湾外湾方向漂移最远距离约17.96 km，油污扫海面积约为50.72 km2。【结论】钦州湾溢油漂移扩散特征与溢油发生时刻及风作用密切相关，溢油时刻及风作用对钦州湾溢油漂移扩散的影响不容忽视。

关键词：钦州湾海上溢油数值模拟

0引言

【研究意义】石油对工业生产和交通运输业具有不可代替的作用。随着海上运输业的发展，沿海港口发生溢油事故的可能性不断增加[1]。石油中含有烃类有毒有害物质，流入海洋，会对海洋环境造成严重影响，破坏海洋生态环境，危害海洋生态系统，因此，开展海上溢油数值模拟研究，科学预测海上溢油扩散特征，对海上溢油防范、扩散控制、应急处理、减少溢油对海洋生态环境的影响具有重大意义。而钦州湾是我国西南出海口的重要通道。“中国-东盟”贸易合作的加强以及广西经济的快速发展，钦州湾一带船舶运输业更为繁忙，使得钦州湾海域发生溢油事故的可能性大为提高，而钦州湾是一个半封闭式海湾，水交换能力差，周边又拥有着丰富的海洋资源，有多种典型生态系统，溢油事故一旦发生，极有可能对海洋生态、环境造成极大的影响。【前人研究进展】自20世纪60年代，有国外学者开始对海上溢油进行研究，Fay[2]对油膜扩散做出解释，提出经典的三阶理论，认为油膜的扩展主要受惯性力、重力、粘性力和表面张力控制，并将溢油扩展分为惯性力扩展阶段、粘性力扩展阶段和表面张力扩展3个阶段。Blokker等[3]建立单组份的溢油风化模型，但其未考虑油性质随时间的变化，故计算结果不能很好反应溢油变化的真实情况。Mackay等[4]将风速和溢油量加入模型中，建立了考虑风速和溢油量的蒸发经验公式，该理论已成为溢油风化研究的基础。Harrison等[5]提出计算多组分油的蒸发公式，使得溢油风化计算更接近于实际。Lehr等[6]在Fay的理论基础上对溢油扩展进行改进，在油膜的扩展中考虑风作用。Johansen等[7]基于lagrange追踪法，改进了“油粒子”模型，该模型可直观地反应油膜在风、波浪等作用下破碎、分离的实际情况。Zhang等[8]考虑油膜的输运和风化过程，建立一种海上溢油行为的预报模式。张存智等[9]建立三维溢油动态预报模型，并将其成功应用于渤海湾溢油数值模拟。杨红等[10]基于拉格朗日粒子追踪法及自由走动理论建立长江口溢油模型对南港水道溢油进行模拟，模拟结果较好地反应了溢油在长江口南港水道的扩散情况。另外，黄娟等[11]、李怀明等[12]、陈义中等[13]学者也进行过类似的研究。对于多种数值模型，目前应用较为广泛的有美国研究所(Applied science Associates,ASA)研发的OILMAP模型、MARKREED建立的OSCAR模型[14]，以及丹麦水利研究所(DHI)研究开发的MIKE 21 OS/SA溢油系列模型。【本研究切入点】钦州湾海域的溢油扩散特征未曾有报道。【拟解决的关键问题】采用DHI研发的MIKE 21/3 SA溢油分析模块，建立钦州湾海上溢油模型，对钦州湾海上溢油漂移扩散进行计算分析，探索钦州湾海上溢油漂移扩散特征及其影响因素，为钦州湾海上溢油事故防范、溢油事件应急处理、海洋生态环境保护等提供科学依据。

1水动力条件数值模拟

水动力条件数值模拟是溢油漂移扩散预测的基础，其计算结果可为溢油扩散预测模型提供潮流项数据。本文采用DHI开发的MIKE 21 HD模块对海域水动力条件进行计算。

1.1模型控制方程

MIKE 21 HD水动力模型控制方程包括一个连续方程及两个动量方程。

连续方程：

(1)

X方向动量方程：

(2)

Y方向动量方程：

(3)

式中：ζ为水位；h为水深；H=h+ζ；p、g分别为x、y方向的单宽流量；C为谢才系数，与曼宁系数的关系为C=n-1/h1/6；g为重力加速度，f为风摩擦系数；V、Vx、Vy分别为风速及其在x、y方向的分量；Ω为科氏力系数；ρw为水的密度；x、y为距离；t为时间； u、v分别为流速在x、y方向的分量。τxx、τxy、τyy分别为各方向剪切应力。

1.2定解条件

1.3计算区域的确定及网格划分

钦州湾海域岸线曲折，岛屿众多，地形变化大，潮波运动受地形控制明显，要准确模拟海域内潮波传播过程，需建立足够大的计算区域，因此，本次模型计算区域西边界取至企沙镇，东边界取至中三墩，南边界取至钦州湾外湾，北边界取至整个茅尾海，模型东西方向长约38 km，南北方向长约47 km，总面积约820 km2，计算区域地形图如图1所示。采用适应性较好的不规则结构网格对计算区域进行划分，并就复杂的岛屿和岸线进行局部加密，以保证计算精度。计算网格共包涵10 280个节点、19 389个单元，最小边长为50 m，最大水深约21 m。

图1钦州湾水下地形及潮流要素验证点位

Fig.1Schematic diagram of underwater topography of Qinzhou Bay and positions of model validation point

1.4计算结果验证

为验证水动力模型的可靠性，采用2012年5月(小潮)及2012年6月(大潮)实测水文资料对计算结果进行验证，包括2个潮位验证点及3个潮流验证点，各潮流要素验证点点位如图1所示，其中犀牛脚、龙门为潮位验证点，V1～V3为潮流验证点。各点位潮流要素验证结果如图2～5所示，由于篇幅有限，这里只列举部分点位的结果验证。

图2犀牛脚潮位验证图(大潮)

Fig.2Verification of tidal level in Xiniujiao(spring tide)

图3龙门潮位验证图(大潮)

Fig.3Verification of tidal level in Longmen(spring tide)

图4V1站流速验证(大潮)

Fig.4Verification of current velocity in V1(spring tide)

图5V1站流向验证(大潮)

Fig.5Verification of current direction in V1(spring tide)

由图2～5可知，各潮位验证点潮位计算值与实测值有一定的偏差，但相差不大，最大潮差不超过0.3 m，龙门及犀牛脚两站潮位过程与实际监测结果几乎一致，没有太大的差别。V1站潮流计算值高潮位变化过程稍有偏差，个别时段流速计算值比实测值略小，但流速和流向的变化过程与实测值基本吻合。总体上，模型计算值与实测值吻合良好，位相、量值及过程线与实际情况基本一致，可以用于溢油扩散数值模拟的计算研究。

2溢油输移扩散模型的建立

溢油进入海洋水体后，在自身重力及海洋水体物理化学的作用下，同时发生扩展、漂移、扩散、蒸发、乳化、溶解等风化过程。本文采用DHI研发的MIKE 21/3 SA溢油分析模块建立钦州湾海上溢油模型，对钦州湾海洋溢油进行预测。MIKE 21/3 SA模块基于拉格朗日理论，采用“油粒子”方法，可模拟溢油在水体中漂移、扩散、蒸发、乳化、溶解等多种过程。

2.1扩展

油粒子扩展是重力、惯性力、粘性力和表面张力等共同作用的结果。根据修正的Fay重力-粘力公式，油膜扩散计算式为

(4)

2.2漂移

油粒子漂移是潮流运动及风拽力共同作用的结果，其漂移速度与潮流流速及风速有关。油粒子漂移速度可用以下权重公式计算：

Uoil=Vs+CwindUwind。

(5)

式中，Uwind为水面以上10 m处的风速，Cwind为风漂移系数，一般取值在0.03～0.04，Vs为表面流速度。

2.3扩散

油粒子扩散与水流紊动有关，根据随机扩散理论，假设各方向扩散具有同一性，一个时间步长内“油粒子”在a方向的扩散距离可表示为

(6)

式中，Da为时间步长内溢油在a方向上的扩散距离，R为-1～1的随机数，Ca为a方向上的扩散系数，Δt为时间步长。

2.4蒸发

油膜蒸发速率与气温、水温、溢油面积、风速、太阳辐射和油膜厚度等因素有关，可用以下公式表示：

(7)

2.5乳化

溢油在经历一定时间的漂移扩散后，油膜厚度变小，水流紊动作用对油膜的影响逐渐增大。在水流紊动下，部分油膜被紊动力能量撕裂成油滴，形成水包油的粒子，从而形成一种油水相交乳化物。油膜乳化可用油膜含水率来表示，其计算式为

(8)

其中，KB=1/YWF，YW为乳化物的含水量，KA为经验参数，取值约为4.5×10-6，YWF为油膜最终含水率。

2.6溶解

溢油的溶解主要发生在低碳轻质油组分，溶解量通常很小，其溶解率用下式表示：

(9)

3钦州湾海上溢油扩散预测

3.1溢油工况设计及参数选取

据《船舶油污染事故等级标准》，溢油事故溢油量大于10 t时，称之为重大溢油事故。参照近年来各地溢油事故溢油量，本次研究溢油源强取为10 t，并假设1 h内全部溢出。溢油点选择钦州港航道附近，这与溢油事故通常发生于港口航道等航运较繁忙区域的特点相适应。大潮期间，水动力能力相对较强，溢油扩散影响的范围较广，因此，本次溢油时刻选择大潮时期，包括涨潮时和落潮时两个时刻。根据钦州龙门气象站资料，钦州湾年平均风速不超过5.0 m/ s，最大风速达28.0 m/s，常风向为N向风，频率为26%，其次为南风，频率为7%，综合考虑，本次计算风况选择N、W、S、E 4个风向，风速取为5 m/s，另选一个静风情况。溢油模型各参数参照文献[15]，油源密度取0.94×103kg/m3，纵向扩散系数取0.25 m/s2，横向扩散系数取0.1 m/s2。模拟时段设为24 h，并假定油膜最终扩展厚度为0.01 mm[16]。各溢油计算工况及参数如表1所示，根据上述模型及参数，对钦州湾海上溢油漂移扩散进行模拟。

表1事故模拟情景条件

Table 1Simulated scenes of accidents

事故情形Accidentcase环境条件Environmentalcondition溢油量10tOilquantity10t风向:N、W、S、E、静风Winddirection:N、W、S、E、staticwind油源密度Oildensity:0.94×103kg/m3风速Windspeed:5m/s溢油位置:钦州港附近Oilspilledlocation:NearQinzhouPort气温Airtemperature:20℃溢油时刻:大潮(涨潮、落潮)Oilspilledtime:Springtide(Floodtide、Ebbtide)水温Watertemperature:25℃溢油时间Oilspilledperiod:1h纵向扩散系数Longitudinaldispersioncoefficient:0.25m/s2最终扩展厚度Extendedthick-ness:0.01mm横向扩散系数Transversedis-persioncoefficient:0.10m/s2

3.2结果与分析

3.2.1溢油漂移扩散特征

为分析钦州湾海上溢油扩散特征，在常风向情况下，对钦州湾海上溢油进行预测。图6a为涨潮时刻发生溢油24 h溢油扫海范围图，可知，当涨潮时刻发生溢油时，溢油先向茅尾海方向移动，由钦州湾湾颈进入茅尾海中部，待落潮时退出茅尾海直至钦州湾外湾，受溢油影响的区域主要为钦州湾湾颈至茅尾海中部以及钦州湾外湾中部一带海域，以及湾颈中部部分岛屿岸线。在潮流及油膜自身重力的作用下，油膜发生位置上变化的同时不断扩散，造成油膜面积的扩大。表2为常风向条件下各计算时刻溢油扩散计算结果统计表，可知，涨潮时刻发生溢油时，24 h溢油扩散面积约为9.80 km2，扫海面积则可达71.83 km2。整个计算时段，溢油向茅尾海方向漂移的距离约为17.51 km，而向钦州湾外湾方向漂移的距离约为10.73 km。

图6常风向条件下24 h溢油扫海范围

Fig.6Sea swept area of spilled oil under N dominant wind conditions within 24 h

图6b为落潮时刻发生溢油时24 h溢油扫海范围，由图6b可知，当落潮时刻发生溢油时，溢油先向钦州湾外湾方向移动，等涨潮后返回至钦州港附近海域，受溢油影响区域主要为钦州湾外湾中部深水航道处。影响区域主要为深水航道附近，其原因可能与航道处水动力条件好，潮流流速大，有利于物质的输运有关。由表2可知，落潮时刻发生溢油时，24 h油污扩散面积及扫海面积分别约为10.09 km2和50.72 km2，油膜最远漂移距离约17.96 km，方向为钦州湾外湾方向。相比较涨潮时刻，溢油落潮时大部分时刻扩散面积稍大，但扫海面积却较小，其原因在于落潮时溢油漂移距离相对较短，从而造成扫海面积较小。

3.2.2溢油时刻对溢油漂移扩散的影响

图7为静风条件下不同时刻发生溢油时油污漂移轨迹，由图7可知，当涨潮时刻发生溢油时，溢油将随着潮流向西北偏北方向移动，由钦州湾湾颈中部进入茅尾海；而当溢油发生在落潮时刻时，溢油则向钦州湾外湾方向移动。溢油漂移轨迹的不同，也造成了溢油扩散程度及扫海范围的差异，由表2可知，当涨潮时刻发生溢油时，24 h油污扩散面积及扫海面积分别为9.80 km2和71.83 km2，而落潮时刻发生溢油时，这两个值分别为10.09 km2和50.72 km2，有明显的差异。由于不同溢油时刻下海域水动力环境有一定的差异，因此，其漂移路径及扩散程度也不同，其扩散结果也必将不同。说明溢油时刻对油膜运动过程有显著的影响，溢油漂移扩散结果与溢油时刻有密切的关系。

图7不同溢油时刻下溢油漂移扩散轨迹

Fig.7Drift track of spilled oil under different time

3.2.3风况对溢油漂移扩散的影响

对不同风况下涨潮时刻发生的溢油扩散特征进行计算，结果如表3所示。由表3可知，风作用对钦州湾溢油漂移扩散有显著的影响，不同风况作用下的溢油扩散效果有明显的区别。以静风时及N风时为例，静风作用下，24 h油污扩散面、扫海面积分别为4.15 km2和27.04 km2，而N向风存在时，对应的两个值分别为9.80 km2和71.83 km2，差异明显。相比较静风时，N风作用下，溢油扩散面积及扫海面积更大，其原因在于：N风作用下，溢油在24小时内先后进入茅尾海和钦州湾的中部，漂移所经过的海域水动力相对较强，潮流对溢油扩散的推动作用明显；同时，风力的作用也使得溢油向钦州湾外湾方向漂移距离明显增加，从而造成N风作用下溢油扩散面积及扫海面积相对较大的特点。

表2常风向条件下不同时刻溢油扩散面积及扫海面积统计

Table 2Statistical results of diffusion area and sweeping area at different time under dominant wind condition

溢油时刻Oilspilltime扩散面积(km2)Diffusionarea(km2)扫海面积(km2)Sweepingarea(km2)最远漂移距离(km)Farthestdriftdistance(km)6h12h18h24h6h12h18h24h茅尾海方向MaoweiSea钦州湾外湾方向OuterQinzhouBay涨潮Floodtide2.933.9010.879.808.2721.4269.7871.8317.5110.73落潮Ebbtide3.434.737.6510.0911.1819.2833.5950.720.0017.96

表3不同风况条件不同时刻溢油扩散面积及扫海面积统计

Table 3Statistical results of diffusion area and sweeping area at different time under different wind conditions

风况Windregime扩散面积(km2)Diffusionarea(km2)扫海面积(km2)Sweepingarea(km2)最远漂移距离(km)Farthestdriftdistance(km)6h12h18h24h6h12h18h24h茅尾海方向MaoweiSea钦州湾外湾方向OuterQinzhouBay静风Staticwind2.462.744.274.157.8414.2422.0827.0416.436.61N风Nwind2.933.9010.879.808.2721.4269.7871.8317.5110.73E风Ewind4.113.971.652.8911.1620.9527.3339.8219.036.74S风Swind2.291.912.214.436.6612.6217.0922.1415.676.01W风Wwind1.901.152.254.125.9810.8515.4319.8014.987.04

由图8可知，不同风况下，溢油影响区域有明显的区别。除W风外，其它各向风作用下的溢油均进入了茅尾海，S风作用下，溢油倾向于进入茅尾海东部，而N风和E风作用时分别进入茅尾海中部及西部。W风作用下，溢油则直接漂向钦州港一带岸线，基本没有进入茅尾海。由于风对溢油的影响主要在于风应力对溢油漂移速度项的贡献，故风应力的存在会增大或减小溢油在水体中的漂移速度，从而影响溢油漂移扩散的整个过程，风作用对溢油漂移扩散的影响不容忽视。

图8不同风况下涨潮时24 h内溢油扫海范围

Fig.8Sea swept area of spilled oil under different wind conditions within 24 h

4结论

本文利用MIKE 21 HD模块建立钦州湾海域水动力模型对钦州湾海域潮流特性进行模拟，并在此基础上利用MIKE 21/3 SA溢油分析模块，分析钦州湾海上溢油漂移扩散的特点及其影响因素，结果表明1)涨潮时发生溢油，溢油先向茅尾海方向漂移，待落潮后退出茅尾海；而落潮时刻发生溢油，溢油则先向钦州湾外湾漂移，待涨潮后转向钦州湾湾颈方向。2)涨潮时发生溢油，24 h内溢油扩散面积及扫海面积分别约为9.80 km2和71.83 km2，溢油向茅尾海方向及钦州湾外湾方向漂移的最远距离分别约为17.51 km和10.73 km；而落潮时刻发生溢油，24 h内油污扩散面积及扫海面积分别约为10.09 km2和50.72 km2，油膜向钦州湾外湾方向漂移最远距离约17.96 km。3)油污扩散面积、扫海范围及迁移路径与溢油发生时刻、风况密切相关，不同溢油时刻及风况下，其油污扩散面积、扫海范围、迁移路径有明显的差异，溢油时刻及风作用对溢油漂移扩散的影响不容忽视。

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(责任编辑：尹闯)

Numerical Simulation of Oil Spill in the Qinzhou Bay

YA Hanzheng，LI Yichun， DONG Dexin

(Guangxi Key Laboratory of Marine Environmental Science，Guangxi Academy of Sciences，Nanning，Guangxi，530007，China)

Abstract:【Objective】The drift-diffusion feature and its affecting factors of oil spill in Qinzhou Bay were studied.【Methods】The diffusion characteristics of oil spill in the Qinzhou Bay areas was simulated by MIKE 21/3 SA oil spill model based on the hydrodynamic simulation results.【Results】The oil contamination was drifted towards Maowei Sea at first,and then move out Maowei Sea in ebbing tide when oil spill occurred in flood tide.The farthest drift distance of oil contamination towards Maowei Sea and outer Qinzhou Bay was about 17.51 km and 10.73 km,respectively,and the sweeping area of oil spill was about 71.83 km2 within calculation interval.When oil spill occurred in ebb tide ,the oil stain was drifted towards outer Qinzhou Bay and reversed towards the neck area of Qinzhou Bay in tide rising.In this case,the farthest drift distance of oil contamination towards outer Qinzhou Bay was about 17.96 km,and the sweeping area of oil spill was about 59.72 km2.【Conclusion】The drift-diffusion feature of oil spill in the Qinzhou Bay is closely related to the occurring time and the wind conditions,which cannot be ignored in the oil spill influence evaluation in Qinzhou Bay.

Key words:Qinzhou Bay,marine oil spill,numerical simulation

收稿日期：2016-03-11

作者简介：牙韩争(1988-)，男，硕士，主要从事河口海岸物质输运研究。

中图分类号：X55

文献标识码：A

文章编号：1005-9164(2016)02-0156-07

*国家自然科学基金项目(41576024)，广西科学院基本科研业务费项目(12YJ25HY08,10YJ25HY03)和广西近海海洋环境科学重点实验室开放基金项目(GXKLHY14-01)资助。

广西科学Guangxi Sciences 2016,23(2):156～162

网络优先数字出版时间：2016-05-12

网络优先数字出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/45.1206.G3.20160512.0944.006.html