天津大港滨海湿地溢油漂移扩散数值模拟研究

吴亚楠，武贺，张松，汪小勇，缴建华，李彤，白明

（1.国家海洋技术中心，天津　300111；2.农业部渔业环境及水产品质量监督检验测试中心，天津　300221）

天津大港滨海湿地溢油漂移扩散数值模拟研究

吴亚楠1，武贺1，张松1，汪小勇1，缴建华2，李彤2，白明2

（1.国家海洋技术中心，天津300111；2.农业部渔业环境及水产品质量监督检验测试中心，天津300221）

利用MIKE-HD建立二维水动力模型，模拟分析夏季天津大港滨海湿地附近海域水动力特性，采用实测潮位、潮流数据对模拟计算结果进行验证。在获得水动力数据的基础上，针对南港工业区船舶通航量加大的趋势，利用MIKE-SA模块建立溢油扩散模型，对溢油事故进行预测。结果表明，在风、潮的综合影响下，低潮时刻溢油24 h后的扩散面积比高潮时刻大，其中SW常风情况下其扩散面积最大，达72.04 km2；当风向与潮流方向一致时，即本文中低潮时刻溢油，油膜中心运动速度最大，扩散面积也最大。

天津大港滨海湿地；水动力；溢油；扩散

海上溢油扩散，受到海洋、大气和太阳辐射等多种环境因子的共同影响，运动状态十分复杂。溢油事故对海洋生态环境带来很大影响，尽管溢油事故发生的概率较小，还需要引起足够的重视。溢油在短时间内注入海域，严重影响到海-气相互作用的每一个过程（曲维政等，2002），引起水质的恶化，严重影响水域的环境（景伟文等，2008）；原油在流和风共同作用下移动，当漂移扩散到海岸时对其周围海域的生态系统有着致命性的危害，尽管生物修复技术的发展对污染程度有了一定的缓解（郑立等，2012；胥九兵等，2009；黄廷林等，2009），但提前的预报更有助于对溢油事故进行有效控制。因此，预测溢油油膜漂移过程有着非常重要的实际意义。

天津大港滨海湿地海洋特别保护区位于天津市滨海新区大港近海区域，湿地总面积44 240 km2。由于近年来大规模的湿地开发、石油开采、农田开垦、城镇建设使天然湿地面积大幅度减少，现存湿地只有原来的16.3%，加大海域海岸带整治已经势在必行。根据《天津市海洋功能区划（2011-2020年）》，天津海域划分为汉沽毗邻海域、塘沽毗邻海域、大港毗邻海域3个海域单元。大港岸段主要功能依次为工业与城镇用海区、海洋保护区和农渔业区，大港滨海湿地海洋特别保护区紧邻南港工业区，见图1，地理坐标位于117°39′04″E，38°39′08″N附近。而此海域船舶通航量的增加，必然会加大船舶溢油事故发生的概率。

图1　天津市海洋功能区划图（2011-2020年）

根据溢油模型的数学计算理论不同，溢油模型主要有两个类型，欧拉—拉格朗日理论和蒙特卡罗方法模型。郭良波（2011）采用Backhouse三维水动力模型对番禺附近海域的潮流进行了模拟，并在此基础上采用欧拉—拉格朗日追踪方法，进行油膜中心轨迹的预测。臧士文（2011）利用FVCOM海洋模型和基于拉格朗日追踪法的“油粒子”模型对大连新港输油管线爆炸引起的溢油进行了模拟。OI同化技术的加入也提高了溢油预报的准确度。潘冲（2011）、许婷等（2011）、黄毅峰等（2011）分别对长江口、厦门港、瓯江口航道海域进行过溢油模拟预测。娄安刚（2000）对蒙特卡罗方法在海洋溢油扩展预测中的应用进行了研究。龙新峰等（2011）利用BP神经网络对奥里油溢油扩散面积进行了预测，与实验测得的结果最大相对误差为0.88%。郎印海等（2011）也利用BP网络对海上石油平台溢油污染等级进行了评估。

本文首先采用MIKE-HD模块建立渤海湾的潮流数值模型，对大港滨海湿地附近海域流场进行模拟，并采用实测资料对计算结果进行验证（测站位置见图2）；进而利用MIKE-SA模块建立溢油模型，对溢油扩散进行数值预测，为天津市溢油事故紧急方案提供技术依据。

图2 测站示意图

1　水动力模拟

应用MIKE-HD模块进行水动力模拟计算，其计算结果提供给MIKE-SA模块作为动力驱动数据，水动力计算结果的准确度对溢油扩散模拟结果的合理性有很大影响。

1.1控制方程组

连续方程：

动量方程：

式中，x、y为直角坐标系坐标；t为时间；h为水深（基准面到床面的距离）；ζ为潮位（基准面到自由水面的距离）；u、v分别为x、y方向的垂线平均流速分量；f为科氏系数；g为重力加速度；Ex、Ey分别为x、y方向的水平紊动粘性系数；τbx、τby分别为波流共同作用下床面剪切力在x、y方向的分量；Sxx、Sxy、Syy分别为各方向的波浪辐射应力。

1.2模型搭建

模型采用非结构三角形网格对计算区域进行网格划分，以更好地适应复杂岸线变化情况，计算区域为渤海湾，共计18 264个网格点、34 814个网格单元，模型计算的网格地形见图3，图4为工程区附近海域地形网格图。

1.3实测数据分析

为了更好地调查海域的潮汐、流场特征，并供数值模型验证，设置了观测站，观测时间从2015年夏季5月22日至6月26日，观测站位于津冀交界附近的大港滨海湿地海洋特别保护区附近海域，具体位置为：117°47′25.058″E，38°38′28.230″N，如图2所示。根据本次测验的资料，表1列出了平均流速和流向的统计结果，在垂向上无论大、中、小潮，均表现为表层、中层流速大于底层流速，最大流速均发生在表层。随着深度的增加，流速呈现递减的趋势。对观测数据进行统计调和分析得到，测站潮汐应属混合潮中的不正规半日潮型，见测站潮汐特性一览表2；潮流应属于正规浅海半日潮流类型，见（WK1+WO1）/WM2统计表3；涨落潮流的主体方向为西南偏西-东北偏东，并绘制了流速流向频率分布玫瑰图，如图5所示。

图3　计算海域水深地形网格

图4　工程区附近海域水深地形网格

1.4模型验证

为验证所建潮流模型的模拟精度，采用2015年6月1日15时-6月5日0时在渤海湾海域设置的1个潮位、潮流监测点所得的资料进行验证。由潮位（图6）和潮流（图7-图9）验证结果可以得出，模拟海域潮流与实测潮流之间吻合良好，其中，水位绝对误差约为19 cm，流速绝对误差6 cm/s，流向绝对误差为12°。总体上看，本海域建立的数值模型是正确的，由此得到的计算结果也是可信的，它能够比较真实的反映该海域海水的运动规律。

表1　测站平均流速、流向统计表

表2　测站潮汐特性一览表

表3　（WK1+WO1）/WM2统计

图5　流速流向频率分布玫瑰图

图6　测站潮位验证图

图7　测站小潮垂向平均潮流验证图

图8　测站中潮垂向平均潮流验证图

图9　测站大潮垂向平均潮流验证图

2　溢油扩散模拟

2.1预测方案

利用MIKE-SA模块建立大港滨海湿地海域溢油预测模型，采用矩形网格，应用“油粒子”模型模拟扩散、漂移、风化等过程，对溢油泄露事故进行预测。本文主要考虑潮流和风两项最重要因素，潮流数据源自MIKE-HD模块的计算结果（因计算潮流场时未在HD模块中加入风场数据，所以该计算结果中未包含风生流的影响）。利用MIKE-SA模块预测溢油漂移扩散过程时加载风场数据，其中风数据取自塘沽站1997-2006年（共计10年）气象观测数据，其统计结果表明，渤海湾区域海面风场采用主导风向SW、E，风潮组合工况见表4。考虑到港池前沿与航道连接处发生船舶碰撞事故导致溢油的概率大，所以将溢油源布放于此处，溢油源位置见图10，采用点源连续排放，溢油持续时间为10 h，10 h后由于人为补救措施溢油停止。

表4　溢油风潮组合工况

图10　溢油源位置示意图

2.2油膜运动扩散范围分析

2.2.1无风情况

高潮时刻溢油，此时刻开始落潮，大量油粒子围绕南港工业区外沿旋转运动，并有大量油粒子进入港池内部，油粒子大约在30 h后抵岸，主体运动方向为E-W。

低潮时刻溢油，此时刻开始涨潮，油粒子未抵岸，但有大量溢油进入南港工业区港池内部，在潮流作用下做往复性运动，油粒子的主力运动方向为E-W。

无风情况溢油发生24 h后油粒子扩散范围见图11。

2.2.2SW常风情况

图11　无风情况溢油粒子扩散范围

高潮时刻溢油，此时刻开始落潮，大量油粒子围绕南港工业区外沿旋转运动，并有大量油粒子进入港池内部，油粒子大约在24 h后抵岸，在SW常风和潮流的共同作用下，主体运动方向为NNESSW，并且油粒子抵达了天津港区，有较大影响。

低潮时刻溢油，此时刻开始涨潮，油粒子18 h后抵岸，同时有大量溢油进入南港工业区港池内部，并在SW风和潮流共同作用下，油粒子的主力运动方向为NNE-SSW。并且油粒子抵达了天津港区，有较大影响。

SW常风情况溢油发生24 h后油粒子扩散范围见图12。

图12SW常风情况溢油粒子扩散范围

2.2.3E强风情况

高潮时刻溢油，此时刻开始落潮，油粒子大约在22 h后抵岸，大量油粒子进入港池内部，在E强风和潮流的共同作用下，溢油发生后24 h内，油粒子主体运动方向为E-W，抵岸后，在沿岸流作用下，油粒子沿岸NNW-SSE方向运动，并且向SSE方向输移。

低潮时刻溢油，此时刻开始涨潮，油粒子17 h后抵岸，同时有大量溢油进入南港工业区港池内部，并在E强风和潮流共同作用下，油粒子向岸运动，抵岸后，在沿岸流作用下油粒子沿岸输移。油粒子除了在潮流影响下的E-W向往复运动，还有沿岸的NNW-SSE运动方向，但随着时间推移，进入海洋保护区内的油粒子向SSE方向沿岸向下输移。此风向下发生溢油事故对南港工业和滨海湿地海洋特别保护区的影响十分严重。

E强风情况溢油发生24 h后油粒子扩散范围见图13。

图13　E强风情况溢油粒子扩散范围

溢油扩散面积S=S0·N，S0其中为单个矩形网格的面积，N为溢油油膜覆盖的网格数。溢油事故24小时后扩散面积估算值见表5。

表5　溢油事故24小时后扩散面积估算（km2）

3　结语

（1）本文首先采用MIKE-HD模块建立了渤海湾的潮流数值模型，对大港滨海湿地附近海域流场进行了模拟，并采用实测资料对计算结果进行验证；验证结果表明：计算值与实测值吻合较好，本文建立的潮流数值模型是可靠的。

（2）利用MIKE-HD模块的水动力计算结果和MIKE-SA模块建立溢油模型，对溢油扩散进行了数值预测。结果表明：在风、潮的综合影响下，低潮时刻溢油24 h后的扩散面积比高潮时刻大，其中SW常风情况下其扩散面积最大，达72.04 km2。

（3）根据扩散面积估算值，可以得到，风、潮工况对油膜运动轨迹影响很大，当风向与潮流方向一致时，油膜中心运动速度较大，油膜中心点间距较大，扩散面积也较大；而当风向与潮流方向相反时，油膜运动方向甚至会与潮流方向相反，不同的风向直接导致油膜漂移方向不同。

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（本文编辑：袁泽轶）

Numerical simulation study of oil spilling drift and diffusion in Dagang coastal wetland of Tianjin

WU Ya-nan1,WU He1,ZHANG Song1,WANG Xiao-yong1,JIAO Jian-hua2,LI Tong2,BAI Ming2

（1.National Ocean Technology Center,Tianjin 300111,China;2.SupervisingandTesting Center of Fishery Environment andAquaticProducts Quality，Ministry of Agriculture,Tianjin 300221,China）

A 2-D hydrodynamic model was established using MIKE-HD to simulate hydrodynamic properties in Dagang coastal wetland of Tianjin at summer.The numerical results were verified by measured data.According to the obtained hydrodynamic data,MIKE-SA modelwas established to predict the environmental influence,which was induced by oil spilling accidents under the background of the increasing shipping around Nangang Industrial Zone.Results showed that both wind and tide had great effect on the prediction of oil spill trajectories,and after spilling for 24 h,the diffusion area at low tide was larger than that at high tide.Under the effect of SW wind,the direction of prevailing wind,the diffusion area became 72.04 km2,which was the largest one.While the wind direction was same as the tidal current direction and the oil spilling was at the low tide,the center of oil slick had the largest speed,hence,the diffusion area was largest.

Dagang coastal wetland of Tianjin;hydrodynamic;oil spilling;diffusion

X55

A

1001-6932（2016）05-0579-08

10.11840/j.issn.1001-6392.2016.05.012

2015-11-06；

2015-12-30

天津大港滨海湿地海洋特别保护区生境评价与海洋生物资源适应性研究 （KJXH2014-21）。

吴亚楠（1987-），男，硕士，实习研究员，主要从事海洋环境水动力研究。电子邮箱：hdwuyanan@163.com。

缴建华，博士，研究员。电子邮箱：litong19692006@163.com。