1、1大鹏湾 3 号锚地溢油风险模拟研究摘要：结合深圳大鹏湾某天然气码头建设项目的环境影响评价工作，展开了大鹏湾三号锚地突发性溢油的环境风险评价。通过采用溢油扩延和溢油漂移模型进行预测，对溢油进入水域后行为及归宿的分析，对海面溢油油膜的扩展范围和油滴在大鹏湾三号锚地的输移进行了模拟计算，为燃油码头突发性溢油事故的应急处理和决策提供了科学依据。 关键字：溢油，模拟，大鹏湾，3 号锚地 中国分类号：X55 文献标识码：A 文章编号： Abstract：Combining the environmental impact assessment (EIA) of a natural gas dock in
2、 Shenzhen Dapeng Bay, the EIA is carried out for the abrupt oil-spill of the 3rd Anchorage in Dapeng Bay. The prediction via oil-spill extension and oil-spill drifting modeling, analysis on the behavior and destination of the spilt oil entering the water, and analog computation of the extension rang
3、e of the sea surface spilt oil slick and the oil transportation in the 3rd Anchorage in Dapeng Bay, has offered sufficient scientific basis for the emergency response and policy-making for abrupt oil-spill of the fuel dock. Keywords：oil-spill, simulation, Dapeng Bay, the 3rd 2Anchorage 1 引言 海上溢油是造成海
4、洋环境污染损害的主要因素之一1。大鹏湾是个半封闭海湾，位于我国经济发达地区香港东北部以及深圳市的东南部，随着工业和地区经济发展，敷设海底油管，油轮频繁往来，使得大鹏湾海域存在船舶溢油的风险大大增加2-3。 从工程观点来看,一旦溢油事故发生,人们首先迫切要了解的是油层扩展有多快,将被油膜覆盖的海域有多大,以及在某一时间范围内油膜会扩展到何处等等一系列实际问题,这些信息对寻求控制和处理这类突发性环境危机的最佳对策至关重要。因此建立溢油扩散的数学模型,研究大鹏湾三号锚地溢油扩散的分布规律具有重要意义。 因此有必要建立模型对溢油的演变过程进行模拟,为及时有效的采取措施提供科学依据。许多学者对此进行了卓
5、有成效的研究，赵云英等对溢油物理化学演变过程以及整个过程的特点进行了详细论述4-5；黄立文等利用武汉理工大学和舟山港务局联合进行投油试验观测结果建立了舟山海域溢油模型6-7；娄安刚等对胶州湾湾口两侧的潮位观测资料进行调和分析，建立了胶州湾内的预报潮流场,并对巴拿马籍“东方大使”号油轮溢油事故进行了数值模拟，为进一步解决胶州湾溢油问题提供了基础8。本文采用溢油模型进行预测，该模型分为溢油扩延和溢油漂移模型两部分。 2 数学模型 2.1 潮流模型 3为了解项目所在区附近海域流场的时空变化，同时为海域环境影响预测提供流场，采用二维浅水潮波方程来模拟该海域流场。 控制方程 二维潮流基本方程包括连续方程
6、和动量方程，即： 式中：为时间；为与静止海面重合的直角坐标系坐标；、分别为沿、方向的流速分量；为海底到静止海面的距离（静水深） ；为自静止海面向上起算的海面起伏（水位） ；为柯氏参数；为重力加速度；为水平涡动粘性系数；为谢才系数， ，其中为曼宁糙率系数。 定解条件 边界条件 计算域与其它水域相通的开边界上有： 或： 计算水域与陆地交界的固边界上有： 上述各式中：为固边界法向；、和为已知值（实测或准实测或分析值）为流速矢量（） 。 初始条件 4式中：、和为初始时刻的已知值。 计算参数说明 计算范围及网格：计算范围为大鹏湾的外边界从湾口向外延伸 10km至三门岛与香港火石洲之间，长约 31.5km
7、；模型使用的计算网格为矩形网格，模型沿 Y 轴方向逆时针转 28，网格步长设置为 30m，网格数为12801000。 计算地形：采用中国人民解放军海军司令部航海保证部 2006 年印制的红海湾 1:60000 海图地形对计算网格地形进行插值给定。而岸线则在参考该海图岸线的基础上根据现状，对填海岸线进行了修正。 时间步长：由于受计算网格步长及特征水深的限制，设定计算时间步长为 30s。 其他参数：Manning 系数取值随水深变化而变化，其值一般在0.028-0.057 之间。 计算时段及水文资料：本报告选用中海石油基地集团北京分公司及广州三海海洋工程勘察设计中心在 2008 年 5 月 20
8、日 00 时 00 分2008年 6 月 19 日 23 时 50 分的潮位和潮流观测数据来对大鹏湾进行水动力计算及验证。 边界条件：开边界由湾口潮位过程控制，分别选取湾口的实测水位对两条开边界进行线性插值给定。 2.2 溢油模型 溢油在海面上的变化是极其复杂的，其中主要有动力学和非动力学过程9 。燃油进入水域后，在风、潮流等外界因素作用下漂移的同时5也在迅速地扩延。针对可能发生事故漏油的典型类型，本文评价采用溢油模型进行预测，该模型分为溢油扩延模型和溢油漂移模型两部分。 由于问题的复杂性，精确计算溢油漂移轨迹，全面地概括所有影响因素，是一个相当复杂的过程。因此，本次评价采用简化模型，用以计算
9、油膜运动轨迹的趋势和宏观基本尺度。模型的基本假定： a）整个油膜以质心点作迁移运动； b）油膜质心的迁移速度计算只考虑潮流场和风场的作用； c）质心迁移方向为离散的纵向，与之成垂直的方向为离散的横向。每一时刻的油膜扩延范围按前面所述方法计算。 因此，根据拉格朗日无质量标记点运动轨迹计算公式，油膜漂移任一时刻质心的速度为： 式中：为水面上空 10m 处的风速矢量；k 为经验系数，通常可取0.020.05；为水流速度。 采用本简化模型，通过连续分时段的计算即可求出油膜漂移的轨迹及整个油膜扩延的范围。 a）风力条件 风场的变化相当复杂，不可能也没有必要针对不同的风向和风速条件下的溢油漂移轨迹进行预测
10、。本次评价主要考虑如下风况：主导风风向下的平均风速，对主要敏感目标（大、小梅沙、平洲岛和南澳养殖区）的不利风向的平均风速，以及台风条件下的风速风向。具体情况见表 1。 b）参数选择 6类比邻近项目广东 LNG 的广东 LNG 一期脱瓶颈工程环境报告书中溢油模型的参数选择，考虑溢油受风速和潮流的影响。其中，油膜惯性扩展经验系数，k1 =2.28；油膜粘性扩展经验系数，k2 =2.90；油膜表面张力扩展经验系数，k33.20。 表 1 锚地主要风况条件组合 3 计算结果与分析 按照油膜漂移轨迹模型及有关参数，分别计算不同风险条件下油膜漂移轨迹结果。在计算过程中，跟踪油膜的质点中心，直到它们抵岸或移
11、出计算域为止。因此，下列图表中油膜面积是指油膜抵岸或移出计算域过程中扫过的海域面积。 锚地发生溢油事故时的油膜漂移轨迹结果见表 2 和图 1 至图 8。由这些图表可知，台风时油膜经 4 小时即可抵达香港赤门、塔门南部一带，偏南风时油膜经 14 小时即可抵达平洲岛周围，而油膜抵达大、小梅沙一带需要 25 小时。发生 10 t 的小规模溢油时，油膜扫过的面积为 3.22-11.61 km2；发生 500 t 的大规模溢油时，油膜扫过的面积为 18.25-40.55 km2。 表 2 锚地溢油事故油膜漂移轨迹预测结果 图 1 锚地 10t 溢油油膜漂移轨迹 图 2 锚地 10t 溢油油膜漂移轨迹 7
12、（风向:E,风速:4.0m/s） （风向:ENE,风速:29.0m/s） 图 3 锚地 10t 溢油油膜漂移轨迹 图 4 锚地 10t 溢油油膜漂移轨迹 （风向:ESE,风速:3.0m/s） （风向:NW,风速:4.2m/s） 图 5 锚地 500t 溢油油膜漂移轨迹图 6 锚地 500t 溢油油膜漂移轨迹 （风向:E,风速:4.0m/s） （风向:ENE,风速:29.0m/s） 图 7 锚地 500t 溢油油膜漂移轨迹图 8 锚地 500t 溢油油膜漂移轨迹 （风向:ESE,风速:3.0m/s） （风向:NW,风速:3.5m/s） 4 结论 综上所述，在评价计算域范围内，溢油油膜漂移的时间与
13、溢油时事故地点的风速、风向以及潮流有着密切的关系。一般来讲，本海域流速较小，溢油主要受风速控制。溢油事故一旦发生而不加控制，将会对平洲岛、大小梅沙和南澳及其水产养殖区等造成较严重的污染，但因风速和风向不同，其污染范围相差较大。 事故发生时若围油栏等急救措施及时发挥作用，则绝大多数的油品可及时收集，回收率通常可达 90以上，则溢油事故的影响范围可以控制在较小的范围内，从而不至于对外围水域造成严重影响。 参考文献： 1杨红，陈莎，洪波?长江口海域船舶突发性溢油对渔业生态风险8的评价J?上海海洋大学学报，2009，18（3） ； 2黄小平,黄良民?大鹏湾水动力特征及其生态环境效应J?热带海洋学报，2
14、003，22(5)； 3夏真?大鹏湾海洋地质环境综合评价J?海洋地质动态,2002,18 (10)； 4赵云英等?溢油在海洋环境中的风化过程J?海洋环境科学, 1997, 16 (2): 45-51； 5杨庆霄等?海上溢油在破碎渡作用下的乳化作用J?海洋环境科学, 1997, 16 (2): 3-8. 6黄立文等?多开边界群岛海域溢油模拟的水动力模式J?武汉交通科技大学学报, 2000, 24 (4): 367-371； 7黄立文等?实时流场预报及在海面溢油轨迹预测中的应用J?中国航海, 2000, (2): 3439. 8娄安刚等?胶州湾海面溢油轨迹的数值模拟J?黄渤海海洋, 2001, 19 (1): 01-08） 。 9薛聚彦?海面溢油处理技术的分析与选择J?石油化工环境保护,2006,29(4)。
